《材料简史及材料未来:材料减量化新趋势》摘编(5) 最重要的事·金属
在工业化、私人和公共交通大规模建设、农业机械化以及新兴大众消费的合力推动下,20世纪对这类金属的需求都出现了上升。特定金属的消费在一些发达国家已趋于平稳,但也有极少部分出现了绝对下降。大都被冶炼成了钢材的铁仍然是20世纪的主要金属。到2000年,铁矿石、生铁和钢材的全球产量已创下新纪录:铁矿石的年开采量为10亿吨,只落后于化石燃料和大宗建筑材料;生铁 (铸铁)的产量上升到了6亿吨左右;而钢的年产量大约为8.5亿吨,比1900年高出大约30倍。这个总量几乎比铝、铜、锌、铅和锡的熔炼之和大近20倍;就人均来说,它从每年不到20千克上升到了140千克左右。对铜的需求也出现了类似的增速,而锌的产量增长了近20倍,从约48万吨达到了877万吨。 相比较而言,银产量的增加最少,其次是铅;而黄金的产量增长了近7倍,但按绝对价值计算,它在2000年仅达到了2600吨左右,而银是1.81万吨,铅、锌和铜达到了数百万吨。铝是20世纪的新宠,全球产量从不到7000吨增至近2500万吨,超过铜的开采量近两倍。面对苛刻的应用要求,铜经常会被钛取代:每年生产的海绵钛约有三分之二都被航空航天工业所消耗,其余的进入了军备和化工行业;二氧化钛作为一种增白剂,被广泛用在涂料、纸张和塑料的生产中。 在20世纪,钢材工业的进步使有色冶金发生了巨大变化。虽然高炉仍是大多数原生金属的生产工具,但其尺寸、容量和能效已得到巨大提升,冶炼成本由此降低,生产效率得到了提高。 凭借可靠的全球统计数据,我们可以勾勒出2010年炼钢行业的全球材料流。第一条主要途径:将开采的15.9亿吨铁矿石与焦炭、粉煤以及约2.5亿吨的助熔剂原料一起装入高炉,生产出10.3亿吨生铁。这个流程取决于铁矿石的大规模洲际运输:2009年的生铁交易量占到总产量的近60%,澳大利亚和巴西是最大的出口国,而中国是最大的买家。 第二条炼钢途径:2010年,有4.3亿吨废金属被投入了电弧炉。第三条途径是直接还原铁矿石,但这种方法应用得并不广泛,只生产出了6500万吨钢材。这三条途径生产出的原钢总量为14.3亿吨,而每生产1吨原钢需要的材料分别是铁矿石1.4吨、煤770千克、石灰石150千克、再生金属120千克。若使用的是电弧炉,每吨成品的耗材是880千克再生金属、150千克煤和43千克石灰石。钢材的使用也在20世纪发生了重大变化。1900年,轨道是钢材的主要产品,而现在主要用来制造热轧扁平件和钢筋。与此同时,面对能源产业的需求和越建越高的建筑物,特种钢、不锈钢和高性能合金的产量也出现了大幅增加。 正如前文所述,钢的全球产量从1900年至2000年增长了30倍,2004年超过了10亿吨,2010年和2011年分别达到了14.3亿吨和15.2亿吨——其中中国占到了总量的45%,欧盟大约为12%。按人均计算,全球对钢成品的消费量为220千克左右;从国家 (地区)来看,日本人均500千克,中国大陆人均460千克,欧盟人均310千克,美国人均285千克,而印度只有人均60千克——其中所有的西方国家都受到了2008年后经济衰退的影响。 利用准确的产量数据,我们可计算出钢的全球产量在20世纪已接近310亿吨,有近一半都是在1980年后生产的。一个明显的问题是:这么多的钢材都去了哪里?依照我的估计,20世纪初累计的钢储量中,可能有大约150亿吨变成了新的金属,人均约2.5吨。全球炼钢业在国家间也发生了重大转移,行业结构发生了巨大变化。 随着钢材冶炼的扩大和成熟,美国逐渐取代了英国,成为了炼钢大户和技术领导者;但从20世纪50年代开始,创新中心又转移到了欧洲以及日本,同时前苏联成为了全球最大的钢铁生产国。1974年之后,钢产量在第二次世界大战后的持续上升演变成了上下震荡,其后的25年间有10年都出现了全球产量下滑。受全球经济衰退的影响,钢产量在2008~2009年再次下跌,不过在中国强大需求的支撑下依然超过了10亿吨/年 (2004年首次超过)。 到2000年,全球十强钢企中已不见了美国公司的踪影:美国钢铁公司排列在第十四位;2011年,这家公司名列第十三,而前十中有6家都来自中国;在全球钢材总量中,美国的份额还不到6%,而中国达到了45%。 在20世纪的现代文明中,铝成为了第二种最重要的金属;但其基本生产工艺与19世纪80年代相比没有发生多少变化,整个流程消耗了大量的原材料和能源。在汽车制造业的带动下,许多工业生产纷纷开始使用铝材,以在不影响结构完整性的前提下减少产品的重量。汽车关键零部件使用铝,其重量最多可减轻40%,而相比之下高强度钢只能减少11%,这就是为什么目前美国汽车业竟消耗了全美三分之一的铝材,为什么2012年的车型对铝及其合金的使用达到了新高。面对更严格的排放标准,汽车制造商正打算到2025年,将铝在汽车材料中的占比翻一番。 20世纪的新兴制造业对铝有着特别的青睐。铝的商业化生产开始于19世纪80年代初,到2012年时,从铝土矿中提取的铝已接近10亿吨。最可靠的计算表明,工业生产消耗了这些铝产量的75%左右,其中约三分之一用于建筑,交通和电子应用各占30%左右,约10%用于机械。这意味着开采出的铝有相当一部分都实现了多次循环;但由于铝合金中的其他元素被添加得越来越多,这种再利用也有一定的限制。
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