對鎂合金在交通運輸裝備中應用價值的評估

2020年01月02日 9:50 1988次瀏覽 來源:   分類: 鎂資訊

導讀: 近些年業,皮江法煉鎂工藝的能源效率得到了很大改善,主要得益于中國鎂工業對工藝的改進,采用可燃氣體——煤氣代替煤,使溫室氣體下降了不少。采用電取代天然氣,用新的保護劑取代SF6作為覆蓋氣體,采用水電與可再生新能源發的電可進一步減少溫室氣體排放。

近20多年來,世界氣候的變化比過去劇烈得多,這是全球面臨的巨大挑戰之一。各個經濟部門減少溫室氣體是應對這種挑戰采取的主要措施之一。近些年來,全世界交通運輸量增長相當快,因此,對溫室氣體排放的上升應有較多的擔當,減少這種排放的措施多種多樣,從技術觀點看,降低裝備質量是可行的,也應是很有效的。鎂是最輕的金屬結構材料,因此,采用鎂合金制造交通運輸裝備零部件,可取得明顯的減重效果。
為了評估鎂合金零部件在生命周期的生態化效益,必須掌握零部件在整個周期內各個階段的情況,德國車輛概念學院與航天中心的西蒙·埃倫伯格和霍斯特E·弗里德克分析了公共汽車和中型運輸機典型鎂合金零件的生態化效益。評估了公共汽車零件在各個階段(原鎂提取、零件制造、使用期間、回收)的溫室氣體排放以及對氣候變化的影響。
目標與范圍的分類及定義
在評估中采用了兩個典型的實例:汽油公共汽車的轉向盤車架和變速器,中型運輸機門的上下密封器。對這些零件都計算了原鎂提取、合金和零件制備的能耗、溫室氣體排放,以及生命周期內能耗和溫室氣體排放,對公共汽車轉向盤車架和變速器還計算與評估了廢件的回收能耗和溫室氣體排放。飛機門上下密封器到期報廢時幾乎沒什么回收價值,故未予評估。在評估時,以鋁合金零件作為參照物。
近期,原鎂提取技術有了一些進展,評估時對此也有所考慮,對技術本身及其發展作了必要的評估。中國對皮江法熱法煉鎂技術作了不少改進,它用此法生產的原鎂占世界總供應量的80%以上,因此,中國的技術是當前皮江法的代表,在評估時以中國的工藝為準。還對電解法提鎂能耗和溫室氣體排放作了簡明的論述。溫室氣體排放按CO2eq當量計算。
原鎂生產
皮江法煉鎂是1941年加拿大多倫多大學教授L·M·皮江發明的,他在渥太華建了一個以硅鐵還原鍛煉白云石煉鎂的工廠,商業化生產出了鎂。1942年加拿大政府在哈雷白云石礦建了一個生產能力為3000t/a的皮江法(硅熱法)鎂廠,大獲成功,從些皮江法成為電解法之后的第二大工藝,對世界鎂工業的發展起了大作用。近10多年來,中國鎂工業對皮江法做了許多改進,使中國鎂工業得到很大發展,成了世界鎂工業的引領者,2018年,中國的原鎂產量863kt,占世界總產量的80%以上,沒有中國產的鎂,就沒有如此興旺發達的世界鎂工業。
當前,中國、德國、澳大利亞等國家的研究者正致力于研究原鎂生產工藝過程和鎂產品制備過程的生命周期評估,同時大部分原鎂提取對環境影響的研究都聚焦于中國皮江法工藝的溫室氣體排放上。根據澳大利亞學者2003年的研究結果是,電解法溫室氣體排放20.4kgCO2eq/kgMg~26.4kgCO2eq/kgMg,而中國皮江法煉鎂(含硅鐵生產和電耗的溫室氣體排放為37kgCO2eq/~47kgCO2eq/kgMg,皮江法的平均排放量約為電解法的1.8倍,因些國際上普遍認為,中國皮江法煉鎂會釋放許多的溫室氣體,不利于環境保護,皮江法是會排放CO2,但并不像人們認為的那么多。
自2005年以來,北京工業大學材料環境協調性評價中心根據資源和能源結構特征,結合目前中國煉鎂工業的態勢,計算得到了以直接燃煤、發生爐煤氣和焦爐煤氣生產鎂的溫室氣體排放強度為34kgCO2eq/~42kgCO2eq/kgMg。他們得出的結論是:直接燃煤的總體環境負荷最大;燃燒發生爐煤氣的比直接燒煤的下降1.9%;而以焦炭企業的副產物—煤氣作為主要燃料進的負荷強度最小,比直接燃煤的減少17.5%。
根據以上計算結果,他們提出應按照工業系統中物質、能源流通規律構建鎂與焦炭、硅鐵等生產的生態工業鏈,實現產業鏈中產品之間的物質傳遞、供應、副產物交換和能量的階梯利用,從而實現經濟與環境容恰循環發展的模式。
北京工業大學評價中心2010年公布的研究結果顯示,中國2009年先進的皮江法煉鎂工藝的溫室氣體排放強度為25.6kgCO2eq/kgMg,與電解法的平均水平大體相當,而且還有進一步降低的可能性。這得益于在中國推進節能減排發展戰略的大背景下,中國有色金屬工業協會鎂業分會大力倡導和推動節能降耗技術的開發與應用,特別是大多數鎂業公司實施了冶煉過程各工序爐窯的技術改造,例如清潔能源、蓄勢式高溫空氣燃燒技術及余熱利用技術的應用密切相關,能耗整體降幅達到40%左右,使中國鎂冶煉在優化結構、提高能源利用效率和環保方面取得了里程碑意義的顯著進步。在此還需特別指出是,青海鹽湖工業股份有限公司引進的海德魯鋁業公司的電解鎂的一期100kt/a項目已于2013年投產,生產線的溫室氣體排放較低,只有6.5kgCO2eq/kgMg,而且隨著原鎂及深加工產品進一步提升到600kt/a與擴大到1000kt/a的最終目標,二氧化碳排放量還會有進一步的下降。中國在降低原鎂溫室氣體排放方面正在做兩方面的工作,齊頭并進:一是加快加大青海鹽湖鎂項目的建設,并大力引進外資與先進的鎂材深加工技術,建立合資企業;二是加強眾多皮江法煉鎂技術的改進,進一步降低能耗與溫室氣體排放。
與鋁工業生命周期評估工作相比,原鎂及鎂合金材料的相關生命周期評價研究還處于起步階段。由于鋁產業已完成其生命周期評價工作,鎂在這方面數據報告還不多與不充分,不利于鎂的推廣應用??上驳氖?,國際鎂業協會已于2011年啟動了鎂產品生命周期評價研究項目,包括4項內容:原鎂提取,采用鎂材設計及制造零部件的獨特優勢,鎂在路面運輸裝備中應用的生命周期評估,廢鎂材與鎂件的回收及再生利用。國際鎂業協會將定期公布研究總結報告,以便獲得業界的認可與有利于鎂的推廣應用。
電解本身能耗產生的溫室氣體最多,占總排放量的94%。電解鎂時會產生相當多的副產品CL2、KCL,它們的品質高,在工業中很有用,而單獨生產它們,也是要耗能與排放溫室氣體的,而現在利用它們,就可以節省一部分能與降低排放溫室氣體,考慮到這一點,電解鎂本身的溫室氣體排放實際上只有14kgCO2eq/kgMg。
轎車轉向盤架生命周期的評價
轎車分類,按ISO規定是指含司機座不多于9個的乘人車,而按日本JIS規定不多于10個的。
產品系統簡介
運輸裝備零部件采用輕量化材料制造可以減少燃料消耗,降低溫室氣體排放。為了評估應用鎂的優點,選用鎂合金轎車轉向盤架進行生命周期評價,同時以鋁合金件作為參照架。鎂合金轉向盤架的質量0.55kg,以AM50鎂合金壓鑄,鋁合金架的質量0.74kg,以ALMg3合金壓鑄。在評價時,選用中型轎車,行駛20萬公里。計算燃料降低量時以0.35L/(100km·100kg)為基準。壓鑄時用的都是原生鎂與鋁,然后進行合金化。
車的使用壽命終止后,回收鎂與鋁,但是沒有進行分離與分類,而是賣給了廢料市場,這就是說,鎂合金件沒有單獨回收制成再生鎂合金,而是與鋁廢料混在一起成為再生鋁合金的合金化元素。如果鎂與鋁能與原生金屬一樣參與第二次輪回使用,那就可以降低溫室氣體排放。
轉向盤架的壓鑄
轉向盤架是用壓鑄法生產的,在熔煉鎂合金時必須添加覆蓋劑以防鎂的氧化,同時還必須采用氣體保護鎂合金熔體,可有3種保護氣體:SO2空氣混合物,SF6空氣混合物,R134a/CO2混合物。在實際生產中前一種用的最多。保護氣體消耗量可按美國環境保護局有關規定確定。
若用SO2或R134a作為鎂熔體保護氣體,壓鑄法的溫室氣體排放最低。在用其它保護氣體時,以及壓鑄鋁合金工件時,電力消耗是溫室氣體排放最多的。
全生命周期溫室氣體排放
由于轎車運轉時的燃機會釋放大量的CO2,對車上零件全生命周期內溫室氣體排放量影響甚大?,F對兩種材料轉向盤架生命周期內各階段的排放量作一分析,生命周期有以下幾個階段:原生金屬及其合金生產、壓鑄、使用階段、使用期滿后報廢件的回收與再生處理。原鋁生產排放量的世界平均值取自文獻資料,在運營期間溫室氣體排放量最低的是鎂轉向盤架,減少了3.8kg。
制造轉向盤架的的原鎂是用電解法提取的,此階段溫室氣體排放較少,對副產品是否回收利用不予考慮。如果鎂是用皮江法生產的,則生產階段排放的溫室氣體比電解生產鋁的高得多。如前所述,若生產鎂用廢棄的焦爐或半焦爐煤氣,則節約的焦量相當于轎車行駛了4.6萬公里所排放的溫室氣體,在此階段轎車排放的溫室氣體與鎂生產時少排放的相抵銷。若皮江法生產鎂不用廢棄的煤氣,則就不需要考慮這些了。
航空器零件生命周期的評價
產品系統簡介
與地面運輸裝備相比,飛機對質量的減輕敏感得多,因為能耗大,單位里程能耗大得多。一般,中型客機一次航程往往>4100公里,現在就以4100公里作為評價污染物排放標準。選用的零件共3個,都是飛機門的:齒輪箱、上下密封。鎂合金零件為AZ91E,鋁合金零件為A356合金。鎂合金零件質量為6.63kg,而鋁合金的為8.5kg。一架飛機的質量減輕按5.8kg計算。用鎂合金零件時,每航行一次可節約噴氣燃料4.7kg。
砂模鑄造
所用的飛機門零件都是定點生產的。鑄造廢料認為相等,同時廢料的89%得到回收,同時不同于壓鑄的是,砂型鑄造時每鑄一次就要換一個模型。制造砂型用的材料為砂料、黏結劑與抑制劑(防止鎂與砂粒反應)組成,并用成型機壓實。砂模內充滿SO2,以減輕鎂在模內反應然后將熔煉好的鎂合金熔體注入模內。在鑄造鋁合金零件時,不需要向模內充保護性氣體,也不需要向砂內加反應抑制劑。
總體上鎂零件的溫室氣體排放量低于鋁零件的,盡管砂模鑄造鎂件的工藝復雜一些。
在飛機中零部件的質量減輕對降低溫室氣體排放有著非常重要的意義。對一架中型的客機來說,鎂合金零件雖僅比鋁合金的輕5.6kg,只要一年飛行了1.9Mkm,就可以少排放8t溫室氣體,如果它的生命周期按30a計算,那么在生命周期內,少排放的溫室氣體可達226t。
結語
近些年業,皮江法煉鎂工藝的能源效率得到了很大改善,主要得益于中國鎂工業對工藝的改進,采用可燃氣體——煤氣代替煤,使溫室氣體下降了不少。采用電取代天然氣,用新的保護劑取代SF6作為覆蓋氣體,采用水電與可再生新能源發的電可進一步減少溫室氣體排放。
在零部件制造過程,保護覆蓋劑的采用對溫室氣體排放量有很大影響,而熔煉鋁合金則不用覆蓋保護劑。不用SF6作為覆蓋劑而用其他保護劑,可以降低對氣候的不利影響。另方面,從技術與設計層面改進對廢料回收與再生,也是降低溫室氣體排放量的有效途徑之一。雖然,在生產再生鎂合金時還要添加一些材料,而生產它們也要釋放一些溫室氣體。
采用鎂制造器械零部件可從兩方面受益,一是制造過程中溫室氣體排放少,二是整個生命周期的排放少,在比較了鎂和鋁的溫室氣體排放量,原生金屬提高工藝影響相當大。在談到轎車與飛機鎂合金零件的少排溫室氣體時,轎車零件對燃油敏感性比其他運輸裝備的低。鎂合金對交通運輸裝備的節能減排還大有潛力。

責任編輯:淮金

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