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第十六届中国国际铝加工峰会 | 铝市分析、技术干货

第十六届中国国际铝加工峰会于2021年5月13-15日在佛山隆重召开,敬请关注行业专家、大咖现场发言内容~!

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第十六届中国国际铝加工峰会 | 铝市分析、技术干货

【SMM铝峰会】氢能时代来临 日本要上月球建厂 合金材料面临哪些机遇与挑战?

来源:SMM

在由上海期货交易所和SMM共同举办的“2021(第十六届)中国国际铝加工峰会”上,中铝材料应用研究院轻合金材料所所长刘贞山博士表示,氢能经济时代已经悄然来临!当前,减少碳排放是全球面临的挑战之一,目前及今后可采用的清洁能源有三种:进的是风能和太阳能;其次是离子电池,但还处于早期发展阶段,与现有技术相比,并不具有竞争力;最具竞争力的技术是绿色氢能。氢能在传统可再生能源不适用的一系列工业用途中具有潜力,比如炼钢、水泥和重型卡车。若能贮存在地下,它甚至能够为电网提供备用电力。

中国已建成了世界最强大的铝工业体系,可为氢能经济建设提供所需要的全部铝材。铝合金是制造与超低温相关装备的理想材料,氢能时代下将迎来怎样的机遇与挑战?且看刘博士详细解析!

氢的制备:

氢是元素周期表中第一个化学元素,通常氢是双原子分子所组成的无色、无臭、无味的气体。氢的制备工艺取决于所需的用量与要求的纯度,原料的利用率和价格等因素。常用的方法有金属与水或酸反应、水的电解、蒸汽与烃或与其他有机物反应、烃的热分解。在实验室中少量氢用锌和稀盐酸很容易制备,钠与水反应也可制得氢。

工业中,氢是大规模生产的,目前生产氢的主原料为烃,如天然气、石you精炼气、汽油、柴油和原油。在蒸汽-烃的催化重整中,挥发的烃与蒸汽通过700℃~1000℃的镍催化剂产生一氧化碳和氢,已成为氢的主要生产工艺。工业中,可用溶有氢氧hua钾的水的电解生产高纯度的氢(99.9%)。

氢的用途:目前用氢量最多的是氨合成产业,还可用于提炼石油、制备固体脂肪、制造有机化学药品、工业制甲醇、新能源燃料等。 氢的关键用途是和氧和氟一起作为发射航天器的火箭燃料,美国也用它作为核动力火箭推进剂,这些高端用途使液态氢的生产发展迅速。

液氢燃料:

氢燃料,是指液态氢燃料。燃烧一克氢能释放出142千焦尔的热量,是汽油发热量的3倍。它燃烧的产物是水,没有灰渣和废气,不会污染环境。美国是最早将液氢作为燃料发射航天器,其后是日本和欧洲也用液氢作为航天器燃料,我国发射的“长五遥四”运载火箭用的燃料为液氢、液氧,还有煤you。

“长五遥四”火箭燃料:

2020年7月23日12时41分,中国长征五号遥四(简称“长五遥四”)火箭将中国自主研究的“天问一号”火星探测器在海南岛文昌发射升空。火箭发射用的液氢、液氧贮箱为铝合金制造的,其他国家的液氢、液氧贮箱都是用2219铝合金制造的。长征五号使用的燃料大部分是﹣183℃的液氧和﹣253℃的液氢,被称为“冰箭”。“天问一号”和“长五遥四”火箭用材中铝合金用量约占80%。

日本大力发展氢能源:

氢能源被誉为21世ji的“终极能源”,有望成为下一代的核心能源,为摆脱资源匮乏的现状,日本抓住机会大力发展氢能源。2019年日本推出全球第一艘液氢运输船,总吨位8000t,其液氢贮罐是铝合金板材焊接而成的。

目前的电动汽车严重依赖温度,充电设施,用车环境,对此日本积极发展新能源汽车。丰田本田争先布局氢能源,先后推出了可量产的氢燃料汽车;丰田第二代Mirai车型将于明年年底上市,3分钟加满氢气,可达到644公里的续航里程。本田公司也推出了第二代CLARITY,和上一代相比燃料电池单元变薄20%,电池体积缩小33%,输出密度达到世界最高水平的3.1KW/L。3分钟加满氢,最长续航里程高达750km。

日本氢能源技术遥遥领先:

日本政府在2017年底,就发布了“氢能源基本战略”,要在2030年实现氢气价格每平方米30日元,加氢站数量达到900个,氢能源汽车数量达到80万辆。日本松下集团建造 “H2Kusatsu Farm”加氢站,第一种技术是通过太阳能电池板发电,再通过电解水制氢,另一种技
术是利用制氢设备与气体重整工艺相结合,已经可以实现稳定制取氢气。2018年底,日本加氢站已经建成96座,目前已经突破100座,稳居世界第一。日本氢能源技术已经遥遥领先,全球氢燃料电池技术专利83%在日本手中。我国也认识到氢能源的重要性,按照《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》的目标,2020年,中国燃料汽车达1万辆,加氢站达到100座。

日本将在月球建氢燃料工厂:

2020年9月27日,日本宇宙航空研究开发机构宣称,计划于30年代中期在月球表面利用存在于月球表面的水制造氢燃料工厂,以获得往返于空间基地和在月球表面移动所必需的动力,以减少从地球运输燃料的时间和费用。日本将与美国合作,于本世纪20年代建设绕月空间站“入口(Gateway)”。工厂建在月球南极,因为那里有水,2035年建成,利用太阳能电池把水分解为氢与氧,以作为燃料。在月球表面起降一次需要37吨水,在月表面移动一次需要21吨水。如果利用在月球获取的水来进行5~7次月球表面探测,会比从地球运水成本更低。

欧洲各国氢能源的发展:

2009年,IA-TA设定了航空业艰巨的减排目标;加速了新能源的开发。德国 “科拉迪•伊林特(Coradia iLint)” 蓝色列车从2020年6月12日起正式运行,它的速度140km/h,这是全球首款氢能提供动力的客用列车。至2020年10月,两列样车已在德国下萨克森州四座城市间商业运行了23个月,总运行了22万公里。欧洲在推动航空业向氢能源转型;在2035年实现氢能源客机商业化。l 空客公司在线上2020年范堡罗航展期间表示,已将氢能源视为是实现其最终可持续目标所必需开发的多种方法之一。计划在21世ji30年代向市场推出一款零排放的氢能客机。

中国铝工业可提供氢能经济时代所需的一切铝材:

中国已建成了世界最强大的铝工业体系,可为氢能经济建设提供所需要的全部铝材。氢能产业应用铝的板块:制取氢的工艺设备约含12%Al;运输与贮存液氢的容器约含>85%Al,这些容器也可以用钢制造,但铝材是最优的材料,总体上铝材比钢材优越得多;使用液氢的设备如航空器与轨道车辆等约含75%以上的Al。

铝工业面临的机遇:

铝合金是制造与超低温相关装备的理想材料,无论是铸造压铸铝合金、加工变形铝合金,还是铝基复合材料都没有低温脆性,它们的塑性,成形性与强度性能一样均随着温度的降低而同步上升,所以是100%的没有低温脆性的,而只有很少含锰和镍的钢没有低温脆性,因此,就这一点来说,铝合金更适合制造与低温相关的各种装备的所有零部件,例如液氢(﹣253℃)、液氧(﹣183℃)设备、液化天然气设备的运输贮存容器、管道等。

低温装备的两大支柱铝合金:

最典型与广泛应用的超低温变形铝合金有5083、2219、2024、7075铝合金等,特别是5083与2219铝合金,贮存液氢、液氧、液化天然气的大罐、箱几乎全是5083铝合金焊接的,发射航天器的液氢、液氧槽则是用2219铝合金板焊接的;航天器及其发射装备的一些受力结构件大多是用2024型与7075型铝合金制造的。

5083铝合金:

5083铝合金是Al-Mg系合金的典型合金,有良好的可焊性、抗蚀性、加工成形性与低温性能,低温韧性也很好。镁是主要的强化元素,产生固溶强化和提高加工硬化率。镁在铝中的固溶度随温度升降而有变化,但沉淀过渡相β与基体不共格,所以无明显的沉淀硬化作用。β相倾向于缓慢地沉淀在滑移带和晶界上,降低固溶强化作用,且在腐蚀条件下引起晶间腐蚀和应力腐蚀开裂,因此冷加工后应进行稳定化退火,促进β相均匀地在晶内和晶界沉淀,稳定合金的力学性能和抗蚀性。锰、铬提高再结晶温度,并有辅助强化作用,钛细化铸造组织和焊缝组织。铁、硅、锌为杂质。

5083铝合金的熔炼温度700 ℃ ~750 ℃,热加工温度515 ℃~525℃,典型退火温度345 ℃,炉内合金到温控点后可立即出炉,不需要保温,冷却速度也无限制。稳定化退火温度120 ℃ ~150 ℃。

5083铝合金主要加工板材和棒材,还有管材与锻件。基本用场为航空航天器零部件、防火压力罐、低温液态物质贮存罐、低温实验站设备、自动卸货卡车车身、舰艇壳体、远洋舰舶上层建筑、钻井设备、电视塔、电讯发射接收塔,以及各种要求中等强度、耐蚀又需要焊接的结构件。

2219铝合金:

2219铝合金是一种有近70年悠久历史的老合金,至今仍在广为应用的铝-铜-锰系合金,既是高温合金,又是一种低温合金。2219铝合金有良好的可切削性能,但由于含铜量高,所以它的抗蚀性较低,由于基体含铜量高,易于扩散,因此包铝的保护作用效果降低,因此必须进行阳极化处理或涂漆保护。

该合金的主要合金化元素为铜和锰,铜形成θ相和T相,它们都有较高的强化作用和耐热性。锰除有补充强化作用外,主要是提
高合金的耐热性能。锰在铝中的扩散系数小,且能减慢其他溶质的扩散,阻碍再结晶;参与形成T相,T相的耐热性能比S相的强,加上T相沉淀和长大缓慢,因而可提高合金的耐热性能。锰含量过高则会降低合金的抗蚀性和可焊性。镁虽有一定的室温强化作用,但温度升高则强化作用明显下降,且损坏合金的可焊性,故镁被视为杂质。钛和错能细化铸造组织,提高再结晶温度。铁、硅、锌作为不可避免的杂质予以控制。

2219铝合金的熔炼温度700 °C ~750°C;铸造温度700°C~730°C,扁锭的取下限,圆锭的取上限;均匀化退火温度525°C;该合金热轧温度390°C~440°C最佳420°C;挤压温度420°C~460°C;锻造温度 400 °C~ 460°C;退火温度415°C;固溶处理温度535°C±5 °C;过烧温度545°C;人工时效规范 165 °C~190 °C、18 h~ 36 h,时间与温度的组合可根据产品要求的性能来确定。

2219铝合金既是耐热合金又是一种超低温合金,可用于制造在315°C以下工作的高温结构件和高强度焊接件,如发动机导轮、压气机叶片、超声速飞机结构件。也用于制造超低温工作的结构件,如液氢、液氧设备、火箭发射燃料液氢、液氧的贮箱,运输这些超低温物质的槽、罐。美国、日本、欧盟发射航天器的火箭燃料贮箱都是用2219铝合金板材焊接的。

总结:

液氢燃料时代来了,氢是一种货真价实的环保燃料 ,是未来的主要燃料之一。生产液氢、液氧的制氢机、制氧机,制造贮存与运输 它们的箱、槽、罐用的各种铝材中国都能生产,生产能力除满足本国的需求外,还可以大量出口,而且其各项性能指标都达到航空航天级别标准。

氢燃料的贮液氢箱、液氧箱可以用2219铝合金或其他铝合金制造,但2219铝合金的抗拉强度、疲劳强度和断裂韧性还显得低了一些,如果能研发出一种这此性能比2219铝合金的高40%以上,而其他性能又比 2219铝合金的略胜一筹的新 合金那就完美无缺了,研发新型的液氢燃料飞机所需的铝材是铝工业面临的严峻挑战。

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