按照我國的產業分類,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,是因為鋼鐵表面常覆蓋一層黑色的四氧化三鐵,而錳和鉻又主要應用于冶煉合金鋼,所以被叫作黑色金屬。這種分法是沿用前蘇聯教科書的結果,無論從邏輯上還是從事物的本質上都欠科學。“有色”應與無色”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、嚴謹。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。
當前,全世界的金屬材料總產量約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應用于工業和科學技術中。如 Au、Ag、cu、Al用作電導體,Ti用作耐蝕構件,W、Mo、Ta用作高溫發熱體,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,無論作為結構材料或是功能材料,在工業部門及高新技術領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,比強度高,成為航空航天工業不可或缺的材料,并使汽車輕量化成為可能;銅有著優良的導電性能,而cu-Ni-Mn合金卻是優良的電阻材料;噴氣式發動機的高溫部件離不開Ni、co及其合金;鋯合金不僅用作核反應堆的重要結構件,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構材料。
在高新技術領域中,非鐵金屬合金或化合物展示出更大的發展前景,如可用于燃煤磁流體發電機通道的金屬陰極材料 w-cu 合金;
二次能源開發所需要的儲氧材料 La-Ni 、 Mg Ni 、 Ti-Mn系合金;具有優異硬磁性能的Nd-Fe-B合金;具有特殊形狀記憶效應的Ti-Ni合金;光記錄材料Gd-Co合金;高速電子計算機、微波通訊、激光技術等領域的優良材料砷化鎵;新型超導材料釔鋇銅氧化合物;未來新型高溫結構材料鎳鋁化合物、鈦鋁化合物等。概而言之,非鐵金屬材料在國民經濟和現代科學技術中的作用是不能用產量的大小來衡量的,具有不可取代的重要作用。
廢有色金屬是指生產與消費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、報廢汽車、廢棄船舶等,都含有一定數量的有色金屬。
在一些發達國家,有色金屬生產原料主要依賴于再生資源,再生有色會屬工業已成為一個獨立的產業。 2000 年全世界生產再生鋁及合金 816 萬噸,占原生鋁產量的 33 %;其中,美國 93 %,法國 59 %,德國 89 %,日本的再生鋁產量是原生鋁的 186 倍。世界再生鉛占據“半壁江山”, 1999 年世界精鉛總產量為 621.8 萬噸其中再生鉛產量為 327.3 萬噸,占精鉛總產量的 52.63 %;美國是世界上最大的再生鉛生產國,再生鉛在精鉛總產量中的份額從 1990 年的 66.8 %上升到 1999 年的 75 . 8 %,德國、法國、意大利、日本、英國再生鉛產量比例均超過 50% ;法國每年銅產量原料的 80 %來自廢銅再生。與此比較,我國的有色金屬再生利用產業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約能源、減少環境污染的有效手段。以鋁為例,與以礦石為起點相比,生產 1t 原鋁需耗能 213l0.8×l04kJ(1.7×104kw.h電) ,而生產1t 再生鋁合金能耗僅為548.8 ×104kJ ,只有原生鋁的2.6%,并節省10.5t水,少用固體材料11t ,比用水電生產電解鋁時少排放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、鋅再生金屬的節能率分別達到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能率約為60 %~90 %。
積極學習發達國家的先進經驗,探索適合我國國情的廢有色金屬回收與利用技術,對于支持和促進我國的可持續發展將具有十分重要的現實意義與戰略意義。
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。在冶煉前必須進行分類、解體、打包、壓團、破碎、磨細、篩分、干燥、預焚燒、脫脂、分選等預處理,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結合在一起。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。
廢鋁回收的環保優勢和原鋁生產相比非常明顯,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所需能源的5%,因此廢鋁回收工業不僅僅對環保會有利,而且很大程度上也是可持續發展的。廢鋁回收再生工藝技術也由于考慮到對環境保護的投資而使其對環境沖擊減到最少,歐洲就有歐共體總體污染預防法和控制規程。環保立法降低了加工工業對環境的沖擊,也為降低運輸業對環境沖擊提供了法規。
在1997年前的15年里,歐洲轎車從減輕重量、空氣動力學和安全保護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%,轎車質量很大程度上補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年改進到6.61升/100公里,鑄鋁對于每輛轎車減輕重量貢獻巨大。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。如果考慮到現在已經達到的指標,將來能達到什么指標,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氣體排放量為8克/公里,而汽車工業的指標是2008年達到減少二氧化碳氣體排放量140克/公里,鋁是汽車燃料改進的重要材料,并且會日益重要。40年來全球對鋁的需求一直穩定增長,由于鋁作為工程材料的優勢,在可預見的未來似乎還會繼續增長,鋁對于改進燃料效率和減少二氧化碳氣體排放量是非常重要的。廢鋁作為原材料,其增加會因為新的生產活動或者這些材料和產品到了使用壽命上,但鋁廢料的產量不會受到需求的刺激而增長,因為鋁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。實際上在加工新產品時,對于它們性能的設計就已經竭盡全力減少鋁廢料的產生,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的原材料。
鋁作為成功應用的材料的一個固有問題是供不應求,其正常的經濟效果是在鋁供應能滿足需求之前,鋁產品價格會增長,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將面臨一個潛在的不穩定市場,這一市場將威脅到歐洲鋁二次加工工業的生存。