按照我國的產(chǎn)業(yè)分類,通常將鐵、錳、鉻及其合金稱為黑色金屬,除此以外的其他金屬均列為有色金屬。實(shí)際上純凈的鐵與鉻都是銀白色的,而錳是銀灰色的,之所以把它們叫作黑色金屬,是因?yàn)殇撹F表面常覆蓋一層黑色的四氧化三鐵,而錳和鉻又主要應(yīng)用于冶煉合金鋼,所以被叫作黑色金屬。這種分法是沿用前蘇聯(lián)教科書的結(jié)果,無論從邏輯上還是從事物的本質(zhì)上都欠科學(xué)。“有色”應(yīng)與無色”相對,“黑色”難道不是“有色” ? 況且,鐵、錳、鉻本身也并不是黑色。在歐美教科書中,金屬被分為鐵金屬和非鐵金屬兩大類,這樣比較科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)。但是,在我國對黑色金屬、有色金屬的稱謂沿用已久,本書有時仍然沿用此稱謂。
當(dāng)前,全世界的金屬材料總產(chǎn)量約8億噸,其中鋼鐵約占 95%,是金屬材料的主體;非鐵金屬材料約占 5 %,處于補(bǔ)充地位,但它的作用卻是鋼鐵材料無法代替的。
許多非鐵金屬可以純金屬狀態(tài)應(yīng)用于工業(yè)和科學(xué)技術(shù)中。如 Au、Ag、cu、Al用作電導(dǎo)體,Ti用作耐蝕構(gòu)件,W、Mo、Ta用作高溫發(fā)熱體,Al、sn箔材用于食品包裝,Hg用于儀表,Pb用于蓄電池等;但更多的是采用多種有色金屬搭配使用,或使用非鐵金屬合金。
非鐵金屬合金具有許多重要的特性,無論作為結(jié)構(gòu)材料或是功能材料,在工業(yè)部門及高新技術(shù)領(lǐng)域都有著十分重要的地位。例如Al、Mg、Ti及其合金,由于密度小,比強(qiáng)度高,成為航空航天工業(yè)不可或缺的材料,并使汽車輕量化成為可能;銅有著優(yōu)良的導(dǎo)電性能,而cu-Ni-Mn合金卻是優(yōu)良的電阻材料;噴氣式發(fā)動機(jī)的高溫部件離不開Ni、co及其合金;鋯合金不僅用作核反應(yīng)堆的重要結(jié)構(gòu)件,同時又是暴露于海水中的熱交換器、天線陣、聲納透聲罩等耐蝕結(jié)構(gòu)材料。
在高新技術(shù)領(lǐng)域中,非鐵金屬合金或化合物展示出更大的發(fā)展前景,如可用于燃煤磁流體發(fā)電機(jī)通道的金屬陰極材料 w-cu 合金;
二次能源開發(fā)所需要的儲氧材料 La-Ni 、 Mg Ni 、 Ti-Mn系合金;具有優(yōu)異硬磁性能的Nd-Fe-B合金;具有特殊形狀記憶效應(yīng)的Ti-Ni合金;光記錄材料Gd-Co合金;高速電子計算機(jī)、微波通訊、激光技術(shù)等領(lǐng)域的優(yōu)良材料砷化鎵;新型超導(dǎo)材料釔鋇銅氧化合物;未來新型高溫結(jié)構(gòu)材料鎳鋁化合物、鈦鋁化合物等。概而言之,非鐵金屬材料在國民經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的作用是不能用產(chǎn)量的大小來衡量的,具有不可取代的重要作用。
廢有色金屬是指生產(chǎn)與消費(fèi)過程中已完成使用壽命的器件中所含有的有色金屬部件及材料。例如,舊電線、舊蓄電池、舊電器、舊飛機(jī)、報廢汽車、廢棄船舶等,都含有一定數(shù)量的有色金屬。
在一些發(fā)達(dá)國家,有色金屬生產(chǎn)原料主要依賴于再生資源,再生有色會屬工業(yè)已成為一個獨(dú)立的產(chǎn)業(yè)。 2000 年全世界生產(chǎn)再生鋁及合金 816 萬噸,占原生鋁產(chǎn)量的 33 %;其中,美國 93 %,法國 59 %,德國 89 %,日本的再生鋁產(chǎn)量是原生鋁的 186 倍。世界再生鉛占據(jù)“半壁江山”, 1999 年世界精鉛總產(chǎn)量為 621.8 萬噸其中再生鉛產(chǎn)量為 327.3 萬噸,占精鉛總產(chǎn)量的 52.63 %;美國是世界上最大的再生鉛生產(chǎn)國,再生鉛在精鉛總產(chǎn)量中的份額從 1990 年的 66.8 %上升到 1999 年的 75 . 8 %,德國、法國、意大利、日本、英國再生鉛產(chǎn)量比例均超過 50% ;法國每年銅產(chǎn)量原料的 80 %來自廢銅再生。與此比較,我國的有色金屬再生利用產(chǎn)業(yè)在許多品種上還存在較大差距。
同時,回收廢有色金屬也是節(jié)約能源、減少環(huán)境污染的有效手段。以鋁為例,與以礦石為起點(diǎn)相比,生產(chǎn) 1t 原鋁需耗能 213l0.8×l04kJ(1.7×104kw.h電) ,而生產(chǎn)1t 再生鋁合金能耗僅為548.8 ×104kJ ,只有原生鋁的2.6%,并節(jié)省10.5t水,少用固體材料11t ,比用水電生產(chǎn)電解鋁時少排放CO291% ,比用煤電時減少的 CO2排放量則更多;另外,少排放硫氧化物(SOX)0.06t,少處理廢液、廢渣1.9t,少剝離表土石 0.6t,免采掘脈石6.1t 。同樣,銅、鉛、鋅再生金屬的節(jié)能率分別達(dá)到82%、72% 和63%,金、銀、鉑等貴金屬和鎳、鉻、鈦、鈮、鈷等稀有金屬的再生金屬的節(jié)能率約為60 %~90 %。
積極學(xué)習(xí)發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),探索適合我國國情的廢有色金屬回收與利用技術(shù),對于支持和促進(jìn)我國的可持續(xù)發(fā)展將具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義與戰(zhàn)略意義。
再生金屬的原料來自四面八方,往往是黑色金屬、有色金屬及其合金的混雜物,而且夾雜有塑料、橡膠、油漆、油脂、木料、泥沙、織物等。在冶煉前必須進(jìn)行分類、解體、打包、壓團(tuán)、破碎、磨細(xì)、篩分、干燥、預(yù)焚燒、脫脂、分選等預(yù)處理,再熔煉成為和原成分相同或組分更多的合金?;祀s過于嚴(yán)重的合金廢料,則用作重新冶煉提取金屬的原料。為便于利用回收的合金,再生有色金屬的回收有時與有色金屬加工工業(yè)結(jié)合在一起。下面以鋁、銅等回收工藝為例,說明再生有色金屬回收工藝的特點(diǎn)。
廢鋁回收的環(huán)保優(yōu)勢和原鋁生產(chǎn)相比非常明顯,300萬噸回收再生鋁將減少3000萬噸二氧化碳排放量,同時廢鋁回收再生所需能源僅僅是原鋁生產(chǎn)所需能源的5%,因此廢鋁回收工業(yè)不僅僅對環(huán)保會有利,而且很大程度上也是可持續(xù)發(fā)展的。廢鋁回收再生工藝技術(shù)也由于考慮到對環(huán)境保護(hù)的投資而使其對環(huán)境沖擊減到最少,歐洲就有歐共體總體污染預(yù)防法和控制規(guī)程。環(huán)保立法降低了加工工業(yè)對環(huán)境的沖擊,也為降低運(yùn)輸業(yè)對環(huán)境沖擊提供了法規(guī)。
在1997年前的15年里,歐洲轎車從減輕重量、空氣動力學(xué)和安全保護(hù)的燃燒效率方面立法,低排放、低噪聲和用戶對轎車舒適程度的更大需求,使燃料效率提高了28%,轎車質(zhì)量很大程度上補(bǔ)償了效率和降低了轎車行駛阻力。燃料效率從1983年平均7.11升/100公里到1997年改進(jìn)到6.61升/100公里,鑄鋁對于每輛轎車減輕重量貢獻(xiàn)巨大。每輛轎車用鋁量從1978年30公斤提高到2008年每輛轎車平均用鋁量110公斤。如果考慮到現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到的指標(biāo),將來能達(dá)到什么指標(biāo),汽車減輕重量對于未來燃料效率是重要的選擇。汽車減輕重量100公斤,可以降低和減少二氧化碳?xì)怏w排放量為8克/公里,而汽車工業(yè)的指標(biāo)是2008年達(dá)到減少二氧化碳?xì)怏w排放量140克/公里,鋁是汽車燃料改進(jìn)的重要材料,并且會日益重要。40年來全球?qū)︿X的需求一直穩(wěn)定增長,由于鋁作為工程材料的優(yōu)勢,在可預(yù)見的未來似乎還會繼續(xù)增長,鋁對于改進(jìn)燃料效率和減少二氧化碳?xì)怏w排放量是非常重要的。廢鋁作為原材料,其增加會因?yàn)樾碌纳a(chǎn)活動或者這些材料和產(chǎn)品到了使用壽命上,但鋁廢料的產(chǎn)量不會受到需求的刺激而增長,因?yàn)殇X廢料不可能如樹一樣種上就能增長,也不可能開采一座鋁廢料礦。實(shí)際上在加工新產(chǎn)品時,對于它們性能的設(shè)計就已經(jīng)竭盡全力減少鋁廢料的產(chǎn)生,增加使用年限,如果全球鋁的使用壽命年增長率在6%左右,全球就會面臨鋁廢料長期減少,而鋁廢料是鋁二次加工工業(yè)的原材料。
鋁作為成功應(yīng)用的材料的一個固有問題是供不應(yīng)求,其正常的經(jīng)濟(jì)效果是在鋁供應(yīng)能滿足需求之前,鋁產(chǎn)品價格會增長,需求會由于原鋁的使用增加而得到保障。歐洲鋁二次加工工業(yè)將面臨一個潛在的不穩(wěn)定市場,這一市場將威脅到歐洲鋁二次加工工業(yè)的生存。