环境材料学

杂质金属是靠形成氧化物的形成去除
对于钢铁材料而言，可将杂质元素分成四类：
⑴几乎全部残留于钢水中的元素；有Cu、Ni、Co、Mo、W、Sn、 As； ⑵不能完全除去的元素；有Cr、Mn、P、S、C、H、N； ⑶与沸点和蒸气压等无关的元素；有Zn、Cd、Pb、Sb； ⑷从钢中几乎能全部除去的元素；有Si、Al、V、Ti、Zr、B、 Mg、Ca、Nb、RE等。

焦化厂副产的焦炉煤气作为镁冶炼的主要能源，并与部分煤粉混用
三、镁制品的环境效能 1. 镁制品的应用
镁的质量轻，比重为1.74，比铝轻 1/3，比强度高， 机械性能好，广泛用于航空、汽车、造船等工业。 10万英里运行测量结果，汽车每用1磅镁，可节油 5.5加仑；每用1磅铝，可节油3.2加仑。奔驰、奥迪、 通用、福特、丰田等都大力推进汽车用镁的发展， 以减轻车重、降低燃料消耗和废气的排放。汽车用 镁的主要形式是铝合金和镁压铸件，每辆车用镁量 达10～12kg，德国每辆大众汽车用镁量达19kg。
钢铁生产流程环境负荷评价结论
高炉流程焦化和烧结过程是SO2排放的主要工序。 直接还原铁环境负荷综合值只相当于高炉铁的47.7%。 在考虑发电排放时，电炉钢的累积废气排放(SO2-kg当量)与高 炉/转炉钢相比不具有优势，但综合值电炉钢还是低于转炉钢。 Corex环境负荷综合值只相当于高炉铁40.75%。 铁合金、辅助材料生产生产的环境负荷远大于钢铁生产环境负 荷。
熔融还原对传统钢铁生产流程的改造

从铁矿石到轧材的生产周期由7天缩短为16小时，劳 动生产率由800吨/年.人提高到2000吨/年.人
铁矿石 烧结厂
高炉
转炉
连铸
传统流程 焦煤
焦炉
热轧机 精轧机
输出煤气
铁矿石或球团 未来流程
近终型连铸 转炉
精轧机 非焦煤
第三节、环境协调的铝电解生产技术
中国与世界原铝生产水平的比较
第五章、金属材料和冶金流程 的环境协调化
环境负荷特征
资源有限，不可更新。 生产过程资源、能源消耗高。钢铁工业 每生产一吨钢需消耗6～7吨原料和燃料， 其中80%以上，即5～6吨以各种废物形 式排入环境。 生产过程“三废”排放量大。 有毒有害物排放。

第一节 金属类生态环境材料
一、合金元素无害化、资源丰富和易于再生循环 1. 添加元素无毒无害化 国际环境保护机构已列出17种对人体和环境有 毒害的元素，包括铅、汞、镉、铬等。 世界每年约5万吨铅通过电子废弃物进入人类 生活环境，赋存于废弃产品中的铅通过雨水、 尤其是酸雨形成可溶性铅化合物而进入地下水 中，导致水源污染，逐步破坏生态平衡、威胁 人类安全。
铝土矿开采 氧化铝生产 阳极生产
铝电解
铸锭
一、铝电解工艺的环境改善
1. 铝电解槽的大型化发展 (1) 大型预焙槽的发展 (2) 低温电解研究 2. 铝电解烟气净化 (1) 烟气干法净化的应用 (2) 烟气干法净化的发展
二、环境协调的铝电解技术新材料
1. 惰性阴极材料研究 (1) 可湿润阴极 (2) 硼化钛涂层阴极 (3) 硼化钛复合阴极 2. 惰性阳极材料研究 (1) 惰性阳极 (2) 金属氧化物陶瓷 (3) 金属基陶瓷
环境负荷综合值
2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2
Z08
D01
Z11
环境负荷综合值
1.2 1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 铁精粉 0
ELV
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 冶金白灰
ELV
冶金焦
烧结矿
高炉铁水
转炉钢
热轧材平均
管
材
钢
铁
坯
钢
坯
钢中加入Si后（10.%～2.0%），可提高钢的二次硬化效应， 并使二次硬化的峰值浓度向低浓度向移动，抗氧强度提高， 还降低对材料的韧-脆转变温度，可代替部分贵重金属W和 Mo等资源，对环境协调发展具有重要作用。

二、围绕降低资源、能源消耗和降低 排放进行的工艺技术结构调整


钢铁工业中铁前原料采取精炼方针，采用干熄焦和小 球烧结等技术； 炼铁大力推进以高炉喷煤为中心的节焦措施，炼钢以 连铸为中心，三位一体（炼钢、精炼、连铸）的炼钢 技术； 轧钢采用热衔接，特别是一火成材的紧凑流程等，非 铁都是尽量使用原材料的加工过程消耗较低的资源和 能源，排放较少的三废，并且在废弃之后易于分解、 回收与再生。
第六节 再生金属资源利用

第五节 冶金工业废渣的综合利用
一、钢渣 1. 钢渣的组成 2. 用作冶金原料 （1）作烧结熔剂 （2）作高炉或化铁炉熔剂 （3）钢渣作炼钢返回渣 （4）从钢渣中回收废钢铁 3．用于建筑材料 （1）生产水泥 (2) 碎石和细骨料 4．钢渣用于农业
二、赤泥
1. 赤泥堆存的现状 2. 赤泥的综合利用 (1) 利用赤泥生产水泥 (2) 利用赤泥作新型墙材 (3) 赤泥作塑料填料 (4) 赤泥用作硅肥 (5) 从赤泥中提取有价金属 (6) 赤泥作填充料
（1）无铅焊料 （2）无铅机械加工钢 （3）其他的无铅材料 （4）无铬表面处理钢
2．合金元素的选择
改善再生性的新方法是不用辅助元素来控制合金 的性能，而是通过改善材料的组织结构来控制。 马氏体和铁素体的二相合金在不需要加入辅助元 素的情况下改善了合金的强度和刚度。通过微观 结构控制可生成超细微粒的铁素体钢。 从有利于再生循环出发，双相钢（铁素体加马氏 体F+M）是钢铁材料环境协调发展的方向之一。 双相钢的金属成分相对简单，易于再生利用，这 种F+M双相钢通过工艺控制使F和M交替去存，改 善性能。目前主要应用于新型冲压用钢、Fe-Fe 复合金属材料等。
二、镁冶金的环境负荷
图2.5 2005年各工艺过程特征化结果比较
3.5 3
下降9.3% 下降29.5%
单指标评价结果/E-10 yr
2.5 2 1.5 1 0.5 0
HTP POCP AP GWP ADP
方案1
方案2
方案3
皮江法炼镁三种能源利用方案的单指标评价结果

回转窑、卧式还原炉以及精炼炉的燃煤为原煤 回转窑喷煤粉煅烧白云石，蓄热式还原炉和精炼炉采用发生炉煤气作为燃料

第二节、钢铁冶金清洁生产的环境协调性
一、清洁生产的概念和内容

对生产过程及其产品连续地实施集成的、预防 性的环境保护战略，以减少生产对人类及其环 境的风险，就过程而言，它包含节约原料和能 源，革除有毒原材料的使用，减少各种废物排 放量和危害性，对于产品而言，则要求减少从 生产原料到产品报废后最终处理的“产品生命 周期”对人类及其环境的不利影响。
短带 1.730
焊管 1.778
钢铁生产流程环境负荷评价结论 CO2 /吨铁，直接还原海绵铁>高炉铁>熔融还原铁； CO2/吨钢，高炉/转炉流程>直接还原/电炉流程> 电炉普钢； 吨粗钢累计CO2排放量高炉/转炉流程流程高于电炉普钢流程 18%；CO2排放主要在铁前工序。 影响指数总 体上呈现下 降态势，但 在95年出现 波动，95年 后钢铁工业 对环境的影 响在不断减 小。
轧
轧
普
原
轧
特
铸
热
普
炉
还
初
炉
炉
电
接
普
电
电
炉
直
电
电炉流程环境负荷综合值（吨工序产品）
电
炉
特
连
成
品
管
吨铁CO2排放比较（表中以吨铁计）
2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 高炉炼铁 直接还原
工序直接CO2排放kg/t-铁 工序（直接+间接）CO2排放kg/t-铁 产品累计CO2排放kg/t-铁
清洁生产
（1）选择清洁原材料和能源。 （2）选择无污染和少污染的替代产品和清洁工 艺、设备。 （3）强化生产技术管理和技术改造，提高物质 流在生产全过程中资源、能源综合利用率。 （4）减少生产排泄物，以最少量的投入获得最 高的产出、最少的污染，并高效率、低费用处 理和处置必排的少量污染物。
高炉流程环境负荷综合值（各工序产品/t ）
第四节 镁工业的环境特征
一、镁矿的资源特点 我国是镁资源大国，原镁生产和出口居世界首位，镁 的资源丰富，镁矿品种齐全。 菱镁矿资源居世界首位，工业储量为30亿吨以上。 白云石几乎遍布全国各地，质量较好。总储量在40亿 吨以上。 我国沿海盐场制盐后副产卤水，每年约有410万吨； 青海察尔汗盐湖提取钾盐后副产卤水，每年约有600 万吨，察尔汗盐湖蕴藏着16.5亿吨氯化镁卤水。 我国还有丰富的蛇纹石、石棉矿，每采取1吨石棉矿， 要抛弃99吨含镁尾矿，全国每年抛弃的含镁尾矿有 1000万吨。

强度、韧性同时提高一倍，并保持使用寿命延 长一倍，其技术途径是通过“高洁净、均匀化、 超细晶”来实现，通过微观结构控制技术的发 展来生产“超细颗粒的结构钢”，从而大大改 善其机械强度和各种功能，探索纯铁可达到的 最优的潜在性能。
环境协调性设计：与环境协调的金属材料强 化思路和再生理论
通用合金和简单合金：合金元素种类最少、组 元组成简单； 可再生循环复合：通过工艺控制来自由地制造 它的组织和结构、通过加入最少的元素、循环 容许的元素，或通过固溶强化、微细化强化、 加工强化、相变组织强化等； 用单一组分代替多相组分；Fe-Fe复合 残留元素控制：按四类杂质元素分别控制利用
1.2 1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 92 93 94 95 96 97 资源枯竭影响指数 生态质量影响指数 人体健康影响指数 总指数
பைடு நூலகம்
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98
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环境影响指数变化趋势图
钢铁工业清洁生产改进环境影响工艺措施
1. 原料准备 2. 炼铁系统 (1) 继续完善和改建高炉炼铁工艺 (2) 熔融还原炼铁 3. 炼钢工艺技术及连铸技术 4. 轧钢技术的发展
能耗比较
200000 180000 160000
MJ/t Al
能耗和排放较大的原因： 铝土矿资源品位 能源利用类型存在差异 45% 电力工业结构不同
140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0
中国 世界平均水平
56%
我国原铝生产能耗是 世界平均水平的1.5倍

产 品 ELV(Ave.) 产 品 ELV(Ave.) 产 品 ELV(Ave.) 产 品 ELV(Ave.) 冶金白灰 0.228 大型 1.706 Corex 铁 0.568 金属制品 1.787 铁精粉 0.306 中型 1.812 DRI 铁 0.665 锰铁 4.861 冶金焦 0.989 棒材圆钢 1.660 电炉普钢 0.864 硅铁 5.568 烧结矿 0.406 钢筋 1.826 电炉普材 1.071 铬铁 3.569 高炉铁水 1.394 普线 1.696 电炉特钢 0.71 硅锰 5.457 转炉钢 1.564 高线 1.641 热轧管 0.986 石墨电极 4.823 轧坯. 1.653 中板 1.792 成品管 1.11 高铝砖 1.600
三、发展高效率使用的金属材料

从90%以上所生产的钢铁结构材料强度来看， 目前生产的最高强度只有理论强度的1/6～1/7， 铝合金的实际强度也只达到理论强度的1/10～ 1/20。

而各个行业对金属结构材料提出了越来越高的 使用效率要求，如汽车用钢，因车重量降 100kg，可达到每公里省油0.7升的效果；高层 建筑、大跨度重载桥梁等都希望结构用钢具有 高的强度，以减少材料的使用量，达到节约能 源和资源的目的。

废合金钢经过多次再生循环后，Cu、Ni、Mo、Sn、Sb等残留 元素的浓度会发生富集增高，接近极限，影响材料的性能。
3. 采用资源丰富、廉价易得的元素代替昂贵稀缺的合
金元素，研究开发具有高性能、低环境负荷的新钢 种

采取提高碳含量（比平均碳约高0.1%）来产生二次硬化效 应可降低高速钢合金含量（1%），节约W和Mo资源，同时 还减少了环境污染，因为冶炼过程中含碳量高可减少CO2的 排放量。
熔融还原
2400 2100 1800 几种流程的吨铁 1500 1200 900 600 300 0 BF-BOF
工序直接CO2排放 kg/t-钢
CO2 排放量比较
工序（直接+间 接）CO2排放kg/t钢 产品累积CO2排放 kg/t-钢 EAF
DRI-EAF
几种流程的吨粗钢 CO2 排放量比较
流程吨钢CO2排放（表中以吨钢计）