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1、金属材料长寿命化对节能减排以及可持续发展的意义（以铜材为例）The significance of prolonging the lifetime of metal materials to energy saving, emission reduction and sustainable development(Take Copper as an example)摘要：随着中国工业的飞速发展，中国已成为世界有色金属生产大国。然而，矿山资源日趋紧张，渐渐无法跟上工业发展的需要。在此时，金属材料的长寿命化就变得尤其重要。而铜是有色金属中的典型金属。本文通过叙述铜生产链中的工艺流程，能耗，CO2排
2、放量来说明铜长寿命化对节能减排和可持续发展的意义。关键词：金属材料；铜；长寿命；能耗；节能减排；可持续发展Abstract: With the rapid development of Chinese industry, China has become a big country of producing nonferrous metals. However, minerals resources become more and more rare, it cant catch up with the needs of industry development. So the long li
3、fe of metal materials has become more and more important. Copper is a basic metal in nonferrous metals. This message will write the technical process, energy consumptions, carbon dioxide output in the production of copper to illustrate the meaning of saving energy, reducing waste output and sustaina
4、ble development for the long life metal.Keywords: metal materials; copper; prolonging the lifetime; energy consumption; energy saving and emission reduction; sustainable development1引言随着工业的不断发展，中国已成为世界有色金属铜生产大国。自2001到2007年，中国阴极铜产量从143万吨发展到344万吨，铜加工材产量从186万吨发展到了629万吨。然而，金属铜工业的发展正受制于矿产资源的开采不足。据有关数据表明1
5、：我国2/3的矿山已进入开采的中晚期，预计到2010年，县级以上矿山约有一半将关闭，消失产能约40%。此时，资源不足与产量猛增产生了冲突，那么金属材料的长寿命化就被提上了议程。本文将以金属铜材为例，论述金属材料长寿命化对节能减排以及可持续发展的意义。2 金属铜材的长寿命长寿命的一般概念是指通过采用各种技术措施，来提高材料的各项性能，以提高材料的使用寿命；通过专业工艺手段，提高材料的循环利用程度，减少废弃。铜材长寿命化的常用方法有如下几种：(1) 形成合金，提高铜的性能在铜中加入锌、镍、锡、铅、铍、锰、硅和微量稀土2等其它元素形成铜合金，加强其机械强度、导电性能、耐腐蚀性能等从而提高使用寿命。(
6、2) 表面钝化，减少铜的腐蚀没有钝化的铜表面一般在半年内就产生腐蚀点，经钝化处理后在其表面形成了一层致密的膜，可明显减少无法回收再生的少量大面积的铜化学腐蚀，可以保持其表面耐蚀达两年甚至更长。目前常用的钝化工艺有铬酸型、重铬酸盐型和以苯骈三氮唑为缓蚀剂等方法。(3) 改进加工技术，提高铜材质量无氧铜与有氧铜相比具有无氢脆现象，导电率高，加工性能和焊接性能、耐蚀性能和低温性能均好的优点。因此，应该通过铜加工技术装备的改进，提高无氧铜的生产比例，减少有氧铜的生产，延长铜的使用寿命。(4) 铜材的资源长寿命废杂铜再生循环使用当铜材第一个使用周期结束时，可以通过再生循环工艺，赋予其下一个使用周期。废杂
7、铜再生循环工艺的第一步是将废杂铜分类，然后再予以分开处理。3一般情况下分为三类，一是成份相同且没有受污染的废紫铜或废铜合金，可以回炉熔化用作铜精炼过程中的补料、直接冶炼成紫精铜或铜合金而直接利用；二是对于相互混杂的铜合金废料, 可以采用配料、熔化、调整成分、浇铸等环节生产再生铜材。三是被严重污染的成份牌号混杂的低级废杂铜。鉴于此类铜料无法分类, 只得进鼓风炉重熔然后经火法精炼和电解精炼处理，将废杂铜重新冶炼成阴极铜。其品质与从开采矿石冶炼电解的原生铜完全一致，所以在现实生活中，这也是一种常用的再生循环途径。金属铜材的长寿命意义：假设铜材通过各种措施提高寿命（保守估计为）25 %，则从铜资源角度
8、每年可减少铜使用量20 %；也即每年可以减少铜加工材量20 %，阴极铜产量20 %，铜矿开采量20 %。计算：设原来铜材的寿命为X年，通过措施提高寿命25%后，可减少使用量是Y=（1/X-1/1.25X）/(1/X)=20%。根据2007年中国铜产量 资料由COPPER国际铜业协会（中国）的官员友情提供计算，若当年全社会已经实现铜长寿命化的话，则：2007年阴极铜产量可减少68.8万吨，铜加工材年产量可减少125.8万吨。3铜材的生产能耗铜材的生产主要分为4个阶段：铜矿的开采及后处理，铜的冶炼，铜加工材的生产以及铜的回收再生循环。每个生产加工阶段，都需要消耗能源。（1）铜矿的开采及后处理能耗铜
9、矿开采主要分为露天开采和地下开采两种3。目前我国的铜矿生产主要依靠地下开采。地下开采产量约占总产量的70左右。开采完之后，矿石经破碎后，再在球磨机或棒磨机中磨细。磨细之后的工序是浮选，通过控制水流的大小，可将矿石分级，得到铜精矿，排出尾渣。表1：我国铜矿开采及后处理过程中的主要能源消耗情况 资料由COPPER国际铜业协会（中国）的官员友情提供过程及能耗199619971998199920002001地下开采能耗12.9013.5011.1812.5911.9411.74露天开采能耗1.480.930.930.850.770.82矿石加工能耗15.4613.1314.2212.0511.8412
10、.36从表1中看到，地下开采，其平均综合能耗12.31标煤kg/t较高；露天开采为0.96标煤 kg/t。表1所列能耗值为早年数值，所以在之后（5）综合能耗的计算中，将会忽略这部分的能耗。（2）铜的冶炼能耗冶炼阶段常用方法：一是火法电解法；二是溶剂萃取电积法4。火法电解法是通过熔炼，转化，阳极炉及电解池将铜精矿变成阴极铜。溶剂萃取电积法：在铜矿开采及后处理中产生的尾矿和矿泥用稀硫酸溶液析出，产生硫酸铜溶液。利用萃取液将硫酸铜与其他杂质分离，得到了萃取液和硫酸铜的混合物。然后用反萃取液将硫酸铜反萃出来，利用电解池得到阴极铜。表2：铜冶炼企业单位产品能源消耗限额限定值（kgce/t千克标煤每吨）5
11、工序，工艺 能耗限额限定值 / kgce/t工艺能耗综合能耗粗铜工艺（铜精矿-粗铜） 750800 阳极铜工艺（铜精矿-阳极铜） 800850 电解工序（阳极铜-阴极铜） 210220 铜冶炼工艺（铜精矿-阴极铜） 900950 注：表2为铜冶炼企业单位产品能源消耗限额GB 21248-2007中的强制性条款。现有铜冶炼企业单位产品能耗应符合表1的要求，否则会受到强制性措施。 由中国标准化研究院的官员友情提供表2为铜冶炼过程的能量消耗。铜精矿阳极铜（火法）的能耗占整个过程能耗的大部分，约80%，电解法占约20。所以若要想减少这个过程的能耗，应把重点放在铜精矿阳极铜（火法）的工艺做改进，在熔炼过
12、程中使余热（废热）得到充分循环利用等，从而达到节能的效果。同样也要注意尾气的排放，这关系到可持续发展的实现。对于烟气等废弃物的相关处理，都对铜冶炼过程中的清洁生产起到很大的作用6。在铜年生产量的综合能耗的计算中，将会选择950 kgce/t（铜精矿阴极铜）来代表铜冶炼过程的单位产品能耗。（3）铜加工材的生产能耗表3：现有铜及铜合金管材加工企业单位产品能耗限额限定值（kgce/t千克标煤每吨）7工序能耗限额限定值 / kgce/t紫铜管简单黄铜管复杂黄铜管 青铜管 白铜管 熔铸工序能耗 9590 100 150150加工工序能耗280310500400450各种类管材综合能耗3754006005
13、50600全部管材综合能耗530注：表3为铜及铜合金管材单位产品能源消耗限额GB 21350-2008中的强制性条款。现有铜及铜合金管材加工企业单位产品能耗应符合表1的要求，否则会受到强制性措施。1表3为铜加工过程中的能量消耗。全部管材综合能耗应是各种类管材综合能耗的加权平均。与铜冶炼过程相比，加工过程中的能耗较小。在铜年生产量的综合能耗的计算中，将会选择全部管材综合能耗530 kgce/t来代表铜加工过程中的单位能耗。（4）铜的回收再生循环利用能耗国内外回收利用废杂铜的方法有很多，主要可分为两类：第一类称作直接回收利用，是将废铜直接冶炼成紫精铜或铜合金； 第二类是称为间接回收利用，将废杂铜冶
14、炼成阳极铜，经电解池转化成阴极铜（即从废杂铜到阴极铜的过程）。表4：铜冶炼企业单位产品能源消耗限额限定值（kgce/t千克标煤每吨）工序，工艺能耗限额限定值 / kgce/t工艺能耗综合能耗粗铜工艺 （杂铜-粗铜） 340 阳极铜工艺 （杂铜-阳极铜）390 （粗铜-阳极铜）300 铜精炼工艺 （杂铜-阴极铜） 510 （粗铜-阴极铜）420 注：1.表4为铜冶炼企业单位产品能源消耗限额GB 21248-2007中的强制性条款。现有铜冶炼企业单位产品能耗应符合表1的要求，否则会受到强制性措施。中国标准化研究院的官员友情提供 2.表4 杂铜粗铜、阳极铜、阴极铜的能耗即为铜间接回收利用过程中单位产
15、品能源消耗限额。废杂铜回收利用的能源消耗如表5所示。在（5）综合能耗的计算中，将会选择最大的510 kgce/t（杂铜阴极铜）来代表铜回收利用中的单位能耗。（5）铜年生产量的综合能耗（忽略采矿选矿能耗）表5：历年中国阴极铜、铜加工材的年总产量及相应的能耗、CO2排放量(tce吨标煤)中国历年铜材铜加工材能耗CO2排放量（万吨）2001200220032004200520062007阴极铜年总产量（万t）142.7156.0176.0204.0253.0292.0344.0阴极铜生产年总能耗(万tce)116.7127.6144.0166.9207.0238.9281.4阴极铜生产年CO2总排放
16、(万t)323.5353.7399.1462.6573.7662.1780.0铜加工材年总产量(万t)185.8215.2319.6471.6502.5532.4628.8铜加工材生产年总能耗(万tce)98.5114.1169.4249.9266.3282.2333.3铜加工材生产年CO2总排放(万t)273.0316.2469.5692.9738.3782.2923.8设阴极铜年总产量中70%为原生铜（即开采矿石到阴极铜过程）的产量，还有30%是废杂铜变新铜（即废杂铜到阴极铜的过程）的产量。阴极铜总能耗中的70%是原生铜的能耗，单位能耗按GB 21248-2007中的950kgce/t 铜
17、冶炼工艺（铜精矿-阴极铜）中的综合能耗计算。阴极铜总能耗中的30%是废杂铜变新铜的能耗，加工材年总能耗计算中的单位能耗按单位能耗按GB 21248-2007中的510kgce/t铜精炼工艺（杂铜-阴极铜）中的综合能耗计算。例如：2007年阴极铜年总产量为344.0万吨，则阴极铜生产年总能耗为344.0*70%*950/1000+344.0*30%*510/1000=281.4万吨标煤。铜加工材年总能耗中的单位能耗按GB 213502008中的530kgce/t（全部管材综合能耗）计算。例如铜加工材年总产量为628.8万吨，则铜加工材年总能耗为628.8*530/1000=333.3万吨。设原煤
18、中含碳量为60%。在煤燃烧的过程中，有90%的碳被气化，剩下的10%仍然存在于固体废渣中。标煤转化为原煤是需乘以7000/5000=1.4。碳和氧气反应生成二氧化碳。则若2007年阴极铜生产年总能耗为281.4万吨标煤，阴极铜生产年CO2总排放量为281.4*7000/5000*60%*90%*44/12=780.0万吨。采用相同的计算方法可得若铜加工材年总能耗为333.3万吨，则铜加工材年CO2总排放量为333.3*7000/5000*60%*90%*44/12=923.8万吨。图3：2001-2007年中国阴极铜、铜加工材的年总产量和其相应的能耗、CO2排放量趋势走向折线图（ce为标煤）将
19、表5的数据做成折线图，可得图1。图中折线显示：当阴极铜年总产量和铜加工材年总产量两条曲线呈逐年上升趋势时，阴极铜生产年总能耗、铜加工材生产年总能耗、阴极铜生产年CO2总排放、铜加工材生产年CO2总排放四条曲线均呈逐年上升趋势。若能通过铜的长寿命化，使得阴极铜年总产量和铜加工材年总产量两条曲线出现拐点并下降的话，那么两条总能耗曲线和两条CO2曲线也会出现同样的下降变化趋势。4金属铜长寿命化的节能减排和可持续发展意义通过计算，2007年铜年生产量的综合能耗为：阴极铜生产年能耗281.4万吨+铜加工材年能耗333.3万吨=614.7万吨标煤，2006年铜年生产量的综合能耗为521.1万吨标煤。假设铜
20、通过各种措施提高寿命（保守估计为）25 %，每年可减少20%的铜使用量。根据2007、2006年中国铜产量计算，若当年全社会已经实现铜长寿命化的话，则：2007年阴极铜年产量可减少68.8万吨，铜加工材年产量可减少125.8万吨，2007年合计减少能耗122.9万吨标煤，合计减排二氧化碳340.8万吨。2006年阴极铜年产量可减少58.4万吨，铜加工材年产量可减少106.5万吨。2006年合计减少能耗104.2万吨标煤，合计减排二氧化碳288.9万吨。假如整个火法加工全部使用原煤以及电加工的电全部来源火电，则： 2007年的122.9万吨标煤相当于122.9*7000/5000=172.1万吨
21、原煤，2006年的104.2万吨标煤相当于104.2 *7000/5000=145.9万吨原煤。当铜长寿命化后，会引起整个铜生产链的产能过剩，它包含采矿、选矿、铜冶炼、铜加工产业。这样就为国家淘汰落后产能创造了机会。当采用先进的低能耗的高产能的设备后，至少可降低能源消耗30%。例如：将铜冶炼企业单位产品能源消耗限额中的现有铜冶炼企业单位产品能耗限额限定值与新建铜冶炼企业单位产品能耗限额准入值相比较，约可下降20%。铜精矿到粗铜和铜精矿到阳极铜的过程下降更多，可达30%左右。当与铜冶炼企业单位产品能耗限额先进值相比较，则可达40%以上。 当铜长寿命化后，会引起整个生产链和服务链的人力资源过剩。可
22、以通过社会的教育调整整合，转变为适合于从事铜长寿命化工作的合格人才。5小结经过以上的论述可知，当铜实现提高寿命25%后，可每年减少铜资源量20%，以2007年为基准，减少铜加工材量20%，约为125.8万吨。减少阴极铜产量20%，68.8万吨。减少铜精矿量20%，约为275.2万吨。减少能源消耗122.9万吨标煤，减少二氧化碳排放340.8万吨。因此，当铜长寿命化后，可实现铜资源的减量化，能源消耗的减量化，二氧化碳排放的减量化，生产设备的先进化，人力资源趋向服务化，从而使社会发展可持续化。参考文献：1 王京彬，周学禹，王静纯，孙肇均，杨兵.我国有色金属矿山资源实况与建议J.世界有色金属，2001，12：32-352 黄利光，傅高升，陈永禄，陈鸿玲.添加微量稀土对提高电工用铜母线性能的作用J.福建工程学院学报，2007，6：222-2253 宋运坤，沈强华，钟忠.我国废杂铜的回收利用现状与对策J.云南冶金：2006，12：36-394 兰兴华.铜的生产和应用J.世界有色金属，2005，3：60-62 5 GB 21248-2007，铜冶炼企业单位产品能源消耗限额S6 周振联.有色铜冶炼行业的清洁生产分析J.有色金属(冶炼部分)，2001，1：9，23-247 GB 213502008，铜及铜合金管材单位产品能源消耗限额S
