铅是人类最早应用的金属之一。公元前500年开始,有关铅的采矿和冶金技术已出现在古希腊和罗马的著作中。希腊人和罗马人将铸造在平石板上的板铅用于制造屋顶、水管和喷水池内衬以及船体外壳的保护套。在靠近马赛的海域中曾发现了100英尺长的希腊沉船,其木质外壳复有铅的包套,估计年代为公元前250年左右。罗马人对扩大铅的应用范围作出了巨大的贡献。早在公元前300年,罗马已有首批渠道,将水从七英里外引入城市。这些渠道以及后来扩大的整个管道分布系统由铅制成,因而带来了对铅的更大需求。

我国是发现和应用铅的最早国家之一。商代的堆积物中已发现有铅制品,商朝的多数金属器物均为含铅低于3%的青铜,说明商代已有冶炼铅的能力。西周时期我国已进入青铜时代晚期,多数制品中都加有铅并通常用粘土块范铸造,在此期间也发现有白镴制品(铅—锡合金)。东周钱币含铅量达30%~36%。这一切均说明,我国灿烂的古代文明中,对铅的冶金和应用方面所作出的贡献,绝不亚于当时的西方文明。

铅的应用已持续了数千年之久,在现代技术中亦占有一席之地。特别是汽车工业的飞速发展,铅已逐渐演变成“蓄电池金属”,成为汽车工业不可或缺的材料。铅及铅合金还广泛应用于电缆护套、耐磨合金、低温钎焊料及其它低熔点合金,亦是重要的防辐射材料及减振材料。铅亦是铜合金及其它合金的重要添加元素。此外,铅的多种化合物也有着重要的工业用途。

本书主要论述铅的物理冶金基础以及各种铅合金(特别是蓄电池用铅合金)组织、性能及应用范围,对其制造工艺也作了一定的介绍。铅的再生以及环境与保护也作了较详细的叙述。由于以前我国尚未出版过有关铅及铅合金的专著,本书出版试图填补这方面的空白。

本书作者分别来自高等院校、科研所以及生产厂家,均有从事铅及铅合金的研究及生产的多年经验。本书是在积累多年的科研成果、生产实践和广泛的国内外文献收集的基础上编写而成的,力图反映铅及铅合金的当代水平。我们的愿望是为从事有色金属材料科学与工程学科的教师、学生、现场工程技术人员提供一本有益的参考书。

本书编写和出版过程中,得到了国家教育委员会原科技司司长博士生导师左铁镛教授、中南工业大学出版社原社长兼总编辑田荣璋教授、中南工业大学材料系、湖北汽车蓄电池厂、湖北金洋冶金股份有限公司(湖北省谷城县有色金属冶炼厂)的大力支持和指导,在此表示深深的感谢。

由于作者水平有限,不当之处和错误在所难免,望读者予以赐教和指正。

李松瑞

1996年10月

铅是人类使用较早的金属之一,与铜大致始于同一历史时期。铅也是人们常见常用的金属之一,几乎家家户户都有铅的制品存在。

铅的用途广泛,在国民经济中占有一定的地位,在国济民生的各个方面均有用铅之处。

据美国矿务局报道,美国铅的消费结构是:蓄电池占65%,汽车抗爆剂占8%,颜料和化工产品占7%,电气占6%,军工(含弹药)占5%,其他占9%。近些年世界铅的生产量和消费量见表1。

表1 世界铅的生产量和消费量 单位:万吨

众所周知,进入80年代,由于蓄电池出现了代用品;环保卫生要求越来越严格;巴塞尔公约对铅制品包装、运输作出了严格的规定;铅作为石油抗爆剂在欧美国家被禁止使用等等,影响了铅的推广使用。但有些行业,如用作核电站及各种射线的防护材料的开发;核废料处理箱的研制;液态金属磁流体发电用铅作液态金属的中间工厂,以及为延长辅路沥青寿命的稳定剂等新兴领域方兴未艾。此外,用铅隔声;用铅皮为档板防止自然发生的氡气浸入;以铅为基础制造地震减震器,以及用于载荷水准测量的巨型铅酸电池和铅基超导体,这些虽还未进入工业应用,但前景可观。

我在从事几十年有色金属材料学科教学和科研过程中,也接触过比较重大用铅项目。“文化大革命”后期,我和蔡强副教授在研究铋锡低熔点模具合金和制造铋锡低熔点合金模具同时,开发铅基低熔点模具合金,并成功的研制出铅基低熔点合金模具(适用冲压薄板件),在株洲市第三汽车配件厂一次成功压制出泰脱拉汽车油箱,还通过了科技成果鉴定。铅基低熔点模具合金获得发明专利(专利号10205)。这种模具合金成分为80%Pb+10%Sb+10%Sn,熔点为246℃,浇注温度为260~280℃,布氏硬度(HB)为23,凝固收缩率为1%~2%。可冲压厚度为3mm以下的金属薄板。一次铸造模具使用寿命平均在3000件以上。冲压件最大尺寸可达1500mm×1200mm,合金成本仅为铋锡合金的四分之一。这类制模方法,合金可重复熔铸,制模周期短,适合中、小批量生产和新产品试制,利于加快产品的更新换代。

1992年,某核电站需要防护运输容器。开始想从法国进口,需160万法郎。该容器高约2200mm,内径约2000mm,铅层厚60mm,钢板作骨架,毛坯用铅约12t,要求铅层中缺陷不得大于5mm。我和蔡强副教授为技术顾问,协助设计熔铸设备和工艺,现场指导,把法国用的Pb-4%Sb合金成分改为纯铅,提高防护性能。在某电磁铁厂,12t铅水,11分钟浇注完毕,顺序结晶,一次成功,有些性能比法国产的同类产品还好些。运转2年后召开技术鉴定会,我为主任委员,参加鉴定会的25位专家,对产品质量和产品性能满意。一致认为,今后我国再也不需要进口这类产品。国产产品成本低,这个容器仅用60万元人民币,为进口法国产品的四分之一。

目前,我国铅生产能力为45万吨。1992年铅产量居世界第三位。80年代以来铅生产自给有余,扭转了供不应求的局面,并已开始进入国际市场。我国近年来铅生产及消费情况见表2。

表2 我国铅生产及消费情况

我国铅生产发展较快,与资源丰富有关。目前保有铅金属储量3300万吨,其中工业储量为1150万吨,均居世界前列。世界上铅消费量年年下降,把铅工业称为“夕阳工业”。我国是发展中国家,对铅的需求年年有所增加。估计到2000年铅生产能力可达60万吨,其产量可望45万吨。2010年铅生产能力会达到70万吨,产量达到55万吨。

铅工业的发展与铅金属固有的性质有关,如密度大,熔点低,液态铅流动性好,可塑性好,耐腐蚀,防护放射性性能好等等。这些,其他金属是无法全面替代的。但是,铅对环境污染严重,引起全世界关注。为节省国家宝贵的有色金属资源和避免铅对环境的污染,回收铅废料和废件是变废为宝,也是发展铅工业的一个重要渠道。据统计,世界再生铅占精铅产量的40%~55%。1992年我国再生铅产量达4.8万吨,占铅总产量的13%,居再生有色金属产量的第二位,回收再生率在有色金属中居首位。虽然如此,回收的比例仍然很低,故废铅回收再生始终保持较好势头。

《铅及铅合金》这本书是学校的教授和生产、科研单位的专家,根据多年的教学、科研、生产实践,收集世界各国的有用资料编著而成的,也是铅发展至今有基础又适应客观需求而出版的,是我国第一本全面论述铅及其合金的书,填补了我国这方面的空白。对有志从事铅的教学、科研和生产的工作者以及在金属材料科学与工程专业学习的学子们是一本好的参考书。该书前半部分着重从理论角度论述铅的性质和铅及铅合金物理冶金基础。作者费尽心机详尽地介绍有关铅及铅合金的理论以及各种铅合金的相图,其数据不亚于一本手册。这对需要查找铅及铅合金热力学数据的人,给予了极大的方便。书的后半部分,用比较多的篇幅着重描写蓄电池用铅、电缆护套用铅及其他铅合金生产的理论、工艺、经验和检测技术。这对铅及铅合金生产厂有很大的参考价值。铅的再生和环境保护,书中也给予了高度重视。

再生铅厂家成百,有大冶炼厂中设专业化车间,矿铅冶炼搭配处理废杂铅的冶炼厂(车间),重熔炼铅基合金废料生产再生铅合金的冶炼厂及小型废杂铅熔炼加工厂等。目前,我国再生铅工业技术与国外先进水平尚有差距。首先,废杂铅料的预处理分选技术落后;其次,再生铅冶炼厂规模小,工艺技术落后;第三,污染环境严重。再生有色金属缺乏统一管理,应回收和实际回收的比例很小,生产规模小,技术力量薄弱。近些年,我国废铅回收(特别是铅蓄电池回收)再生铅生产,加强了管理,进行了技术改造,再生铅生产取得了很大进展。湖北金洋冶金股份有限公司是以有色金属再生冶炼、铅基系列合金研制与生产为主的专业有色金属再生生产厂,是无污染再生铅技术“科技示范厂”。该厂参加研制的无污染再生铅技术,其主要内容是废蓄电池经预处理分选、渣泥脱硫、脱硫料还原熔炼工艺,具有综合利用水平高、金属回收率高、机械化自动化水平高、能量消耗低、生产过程无废物无污染等优点,并在国内无污染再生铅技术示范性工程的建设中这一技术在该厂首次采用。

书中很明显分成两部分,基本上是一理论、一实践,撰稿人有学者、有专家,笔调风格各有不同。其实也无需强求一致,让它即是缺点又是优点的存在着,不影响其价值。

书中介绍实际合金生产有侧重、未包罗万象,缺点是不全面,优点是重点突出。一本书不可能把有关铅及铅合金的问题都谈透,留给以后,再出新书。

田荣璋

1996年11月