Datensatz der jährlichen Kreislaufwirtschaft für Metallschrott in der Titanindustrie in China von 2005 bis 2020

Scientific Data Band 10, Artikelnummer: 435 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Titanprodukte, die von vielen nationalen Regierungen als strategisches Metall angesehen werden, spielen eine wichtige und unersetzliche Rolle in der Landesverteidigung und bei militärischen Anwendungen. China hat eine große Titan-Industriekette aufgebaut, und ihr Status und ihre Entwicklungspfade werden großen Einfluss auf den Weltmarkt haben. Mehrere Forscher haben eine Reihe zuverlässiger statistischer Daten beigesteuert, um die Wissenslücke bei der Bewertung des industriellen Aufbaus und der gesamten Struktur der chinesischen Titanindustrie zu schließen, da es nur wenige Literaturinformationen zum Umgang mit Metallschrott bei den Herstellern von Titanprodukten gibt. Um diese Datenlücke zu schließen, präsentieren wir einen Datensatz der jährlichen Zirkularität von Metallschrott, um die heutige Entwicklung der Titanindustrie in China aufzudecken, die minderwertigen Titanschwamm, minderwertigen Titanschrott und recycelte hochwertige Titanspäne mit der entsprechenden Zirkularität enthält der Titanindustrie in China auf nationaler Ebene von 2005 bis 2020.

Titanlegierungen zeichnen sich vor allem durch ihre hohe spezifische Festigkeit und ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aus, was ihre bevorzugte und kritische Anwendung in der Luft- und Raumfahrtindustrie, der Landesverteidigung und militärischen Anwendungen als wichtige Strukturmaterialien für den Langzeiteinsatz erklärt1,2. Daher gibt es erhebliche technologische Hindernisse für die Herstellung von Titan und Titanlegierungen, obwohl sie von vielen nationalen Regierungen als strategische Ressourcen angesehen werden1.

China spielt auf dem globalen Titanmarkt eine winzige Rolle und hat von 1995 bis 2004 nur einen Anteil (0,8–4,5 %) der weltweiten Produktionskapazität für Titanschwämme3,4. Und Chinas Titanindustrie hat seit 2005 eine bedeutende Entwicklung erlebt, um ihrer herausragenden Wirtschaftsleistung gerecht zu werden und sich weltweit zu einem entscheidenden Titanproduzenten und -verbraucher zu entwickeln. Ihr Anteil an der weltweiten Produktionskapazität von Titanschwamm, dem primären Titanmetall, stieg von 8,4 % im Jahr 20055 auf 48,7 % % im Jahr 20206, gefolgt von Japan (21,2 % im Jahr 2020), Russland (14,3 % im Jahr 2020), Kasachstan (nur 8,0 % im Jahr 2020), den USA (nur 4,0 % im Jahr 2020) und der Ukraine (nur 3,7 % im Jahr 2020)6 , und sie decken den aktuellen weltweiten Bedarf an Titanschwämmen, der in Abb. 1 detailliert dargestellt ist. Und China produzierte im Jahr 2020 auch etwa 123,0 Tausend Tonnen Titanschwamm, was mehr als 55,0 % der gesamten Titanschwammproduktion ausmacht7. China spielt eine dominierende Rolle in der globalen Titan-Lieferkette. China verzeichnet auch ein schnelles Wachstum bei Titanlegierungsprodukten, wobei die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate seit 2001 16,5 % übersteigt. Und China war auch der Hauptverbraucher der globalen Titanverbrauchskette. Unterdessen lag die jährliche Wachstumsrate der Inlandsnachfrage nach Titanlegierungsprodukten seit 2001 durchschnittlich bei etwa 20,0 % und machte im Jahr 2020 46,0 % der weltweiten Nachfrage nach diesen Produkten aus. Dieser durch die Luft- und Raumfahrtindustrie und die Landesverteidigung verursachte rasche Anstieg dürfte sich fortsetzen in den nächsten Jahrzehnten wachsen, was neue Anforderungen an die Versorgungssicherheit von Titanprodukten mit sich bringt. Somit werden der Status und die Entwicklungspfade der chinesischen Titanindustrie erhebliche Auswirkungen auf den Markt der gesamten Welt haben7,8.

Globale Produktionskapazität von Titanschwamm von 2001 bis 2020.

Obwohl China eine große Titan-Industriekette aufgebaut hat, ist das Land bei hochwertigen Titanlegierungen immer noch schwach und muss dringend modernisiert werden8,9. Und nur die einzelnen Regionalregierungen haben mehrere Entwicklungspläne und Richtlinien zur Regulierung ihrer Titanindustrie vorgelegt. Auf nationaler Ebene wurden bisher nur wenige Richtlinien umgesetzt, um die Entwicklungsstrategie der chinesischen Titanindustrie und verwandter Industrien zur Stärkung des Ressourcenmanagements und zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes zu erkunden und langfristige Entwicklung von Hochtechnologie. Um die Wissenslücke bei der Bewertung des industriellen Aufbaus und der gesamten Struktur der chinesischen Titanindustrie zu schließen, haben mehrere Forscher eine Reihe zuverlässiger statistischer Daten7,10 beigesteuert, die die Grundlage für die Festlegung der nationalen Entwicklungsstrategie der chinesischen Titanindustrie bilden. Allerdings lieferten sie nur wenige Literaturinformationen zum Umgang mit Metallschrott bei den Herstellern von Titanprodukten, was zu einer erhöhten Unsicherheit bei der Materialflussanalyse für Titanschwamm führen würde. Es gibt auch nur wenige Versuche, die Abfallwirtschaft und die Kreislaufwirtschaft von Metallschrott innerhalb der Titanindustriekette in China zu quantifizieren7,9,10,11. Die Bewirtschaftung von Titanmetallschrott wäre besonders wichtig für die Erweiterung der Ressourcen an Neutitanmetall und würde sich positiv auf die Optimierung der Ressourceneffizienz Chinas auswirken11, was auch für Ressourcenökonomen und regionale strategische Entscheidungsträger von Nutzen ist.

Angesichts der Bedeutung der Quantifizierung von Metallschrott und seiner Zirkularität präsentieren wir einen Datensatz der jährlichen Zirkularität von Metallschrott, um die heutige Entwicklung der Titanindustrie in China aufzudecken, die nicht recycelten minderwertigen Titanschrott und recycelte hochwertige Titanspäne mit der relevanten Zirkularität enthält auf nationaler Ebene in China von 2005 bis 2020.

Die räumliche Grenze dieses Datensatzes umfasst das gesamte Gebiet des chinesischen Festlandes mit Ausnahme der Regionen Hongkong, Macau und Taiwan12,13. Für Zeiträume vor dem Jahr 2005 sind die statistischen Daten zum Datensatz von Titanprodukten unvollständig und China spielt auf dem globalen Markt für Titanprodukte eine untergeordnete Rolle. Daher bezieht sich die zeitliche Grenze auf den Zeitraum von 2005 bis 2020, um die Integrität und Autorität der in diesem Deskriptor erfassten Daten sicherzustellen.

Titanprodukte lassen sich entsprechend ihrem Lebenszyklus in vier Kategorien einteilen: Titanschwamm, Titanbarren, Titanmühlen und Titanwaren. Titantetrachlorid reagiert mit dem flüssigen Magnesium und wird dann durch Vakuumdestillation raffiniert, um Nicht-Titan-Verunreinigungen zu entfernen und eine Schwammstruktur zu bilden14,15. Das Endprodukt wird Titanschwamm genannt. Eine beträchtliche Menge des minderwertigen Titanschwamms, der 10,0 % bis 20,0 % der Jahresproduktion ausmacht, wird erzeugt und derzeit als Legierungszusatz für titanstabilisierte Spezialstähle verwendet oder direkt zu Ferrotitan recycelt16,17.

Anschließend werden Titanschwamm und kleinteilige Metallspäne zunächst in einer hydraulischen Presse vorverdichtet und dann zu einer Elektrode zusammengefügt, die unter Niederdruck-Argon in einem Elektronenstrahlschmelzofen oder einem Vakuum-Verzehrlichtbogen-Umschmelzofen mindestens zweimal umgeschmolzen wird Ofen18. Die durch Schmieden geformten Brammen, Stäbe und flachgewalzten Materialien sind die Halbzeuge für die gewalzten Brammen und Platten in Walzwerken19. In dieser Studie umfassen die Zwischenprodukte, sogenannte Titanwalzwerke, mehr als sechs Kategorien von Brammen und Platten, Stangen, Rohren, Drähten, geschmiedeten Teilen, Gussteilen und anderen Mühlenprodukten.

Titanmühlen werden zur Herstellung von Endprodukten weiterverarbeitet. Die Anwendungsszenarien für die Endverwendung von Titangütern werden in die chemische Industrie, die Luft- und Raumfahrtindustrie, die Schifffahrtsindustrie, die metallurgische Industrie, die Energiewirtschaft, medizinische Instrumente, die Salzherstellung, die ozeanografische Industrie, Sport und Freizeit und andere unterteilt.

Die Bearbeitungsprozesse von Titanbarren und Fräsen erzeugen eine große Menge an Titanspänen, die etwa 25,0 % bis 40,0 % der Titanbarrenproduktion ausmachen. Darüber hinaus werden die hochwertigen Titanspäne mit geringen O- und Fe-Verunreinigungen zu Titanbarren oder sogar -platten umgeschmolzen. Und minderwertige Späne, etwa 10,0 % bis 25,0 % dieser Produktion, würden auch als Legierungselement in der Stahlindustrie verwendet20. Aufgrund der Tatsache, dass der Großteil des Titans noch in Betrieb ist, aber die Recyclingtechnologie rückständig ist, ist die Menge an Altschrott mit weniger als 1,0 % recht gering und sein Recycling ist im industriellen Maßstab nicht von Bedeutung dieser Phase in China19. Die unterschiedliche Lebensdauer der Endprodukte hat derzeit kaum Einfluss auf die Kreislaufwirtschaft von Metallschrott. Daher entsteht die größte Ressource an recyceltem Titanschrott im Herstellungsprozess von Titanbarren und -mühlen und nicht in den Post-Consumer-Titanprodukten.

Die Details zu Titanprodukten und relevantem Titanschrott, minderwertigem Titanschwamm, minderwertigem Titanschrott und hochwertigen Titanspänen sind in Tabelle 1 und Abb. 2 aufgeführt.

Lebenszyklus von Titanprodukten sowie Management und Recycling von Titanschrott.

Die Gesamtmenge an recycelten Titanspänen und die Bewertung der Zirkularität von Titanspänen werden in Tabelle 2 geschätzt.

Die jährlichen inländischen Produktionsdaten von 2005 bis 2020 werden hauptsächlich der veröffentlichten jährlichen Literatur, der China Non-ferrous Metals Industry Association Titanium Zirconium & Hafnium Branch (CNIA-TI) oder den jährlichen Veröffentlichungen des USGS entnommen (Abb. 3). Der allgemeine Grundsatz besteht darin, der Übernahme offizieller Statistiken aus der chinesischen Literatur und der China Non-ferrous Metals Industry Association Vorrang einzuräumen. Durch unsere Felduntersuchungen und Rücksprache mit relevanten Experten werden Titanschrotte in unterschiedlichen Stadien der praktischen Produktion gewonnen (Abb. 4). Diese Daten gelten als Primärdaten. Die relativen Unsicherheiten der Primärdaten sind sehr gering und liegen bei höchstens 2,0 %7, während diese Daten aus offiziellen statistischen Berichten und veröffentlichter Literatur stammen.

Jährliche inländische Produktion von Titanschwamm, Titanbarren, Titanmühlen und Titanwaren von 2005 bis 2020.

Jährlich recycelte Sofortspäne und nicht recycelter Schrott in Chinas Industriekette für Titanprodukte von 2005 bis 2020.

Die Sekundärdaten, recycelte hochwertige Titanspäne und die verschiedenen Koeffizienten werden im Allgemeinen aus den Primärstatistikdaten oder den vorherigen Berichten berechnet und von Industrieexperten geschätzt. Und die daraus resultierenden relativen Unsicherheiten der Sekundärdaten werden durch Fehlerfortpflanzungsmethoden berechnet, eine schnellere und zuverlässigere Alternative als die Monte-Carlo-Methode innerhalb derselben Indikatoren7,21. Die Einzelheiten der Datenressourcen und ihrer relevanten Unsicherheiten sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Die Datenbank enthält jährliche Primärdaten und Sekundärdaten für Titanprodukte in China von 2005 bis 2020. Die Primärdaten werden als Betriebskapazität, Jahresproduktion und Titanschrott aus Titanschwamm, Titanbarren, Titanmühlen und Titanwaren erfasst. Die Sekundärdaten werden als recycelte hochwertige Titanspäne sowie als Verhältnisse von minderwertigem Titanschwamm, minderwertigem Titanschrott und recycelten hochwertigen Titanspänen für jedes Titanprodukt aufgezeichnet.

Die gesamte Datenbank wurde hochgeladen und ist im Figshare-Repository öffentlich verfügbar. Sie trägt den Namen „Dataset of Annual Metal Scrap Circularity of Titanium Industry in China from 2005 to 2020“22 und besteht aus fünf Excel-Dateien (Tabelle 4).

Da es für diesen Validierungsprozess keinen direkt vergleichbaren Datensatz gibt, wird in Abb. 5 zunächst die Validierung von Titanschrott und -spänen für Ingots und Mills dargestellt. Der Anteil der recycelten Promptspäne liegt weiterhin bei 24,3 %, 25,8 % und 23,5 % Rohstoffversorgung für die Herstellung von Titanbarren in den Jahren 2010, 2015 und 2020. Obwohl die recycelten Titanspäne die Abhängigkeit von hochwertigem Titanschwamm für China in gewissem Maße verringern, ist sie im Vergleich zu Japan19, wo der Anteil im Jahr 2007 bei 40 % lag, immer noch schwach. Zweitens: minderwertiger Titanschwamm, minderwertiger Titanschrott , und hochwertige Titanspäne zeigten signifikante positive Korrelationen mit der inländischen Produktion relevanter Titanprodukte (Abb. 6), was darauf hindeutet, dass in diesem Datensatz des jährlichen Metallschrotts und der relevanten Kreislaufwirtschaft der Titanindustrie in China ab 2005 keine größeren Unsicherheiten auftreten würden bis 2020.

Validierung von Titanschrott und -spänen für Titanbarren und -mühlen in (a) 2010, (b) 2015, (c) 2020 und in Japan im Jahr 2007.

Korrelationen zwischen Titanschrott und inländischer Produktion für (a) minderwertigen Titanschwamm, (b) minderwertigen Titanbarrenschrott, (c) minderwertigen Titanwalzwerksschrott, (d) hochwertige Titanbarrenspäne, (e) hochwertige Titan-Frässpäne und (f) recycelte hochwertige Titanspäne.

Es wurden große Anstrengungen unternommen, um die Zuverlässigkeit des chinesischen Titanflussdatensatzes zu gewährleisten. Der Mangel an verfügbaren statistischen Ergebnissen für die Verwendung von minderwertigem Titanschrott für Titanschwamm, Titanbarren und Titanmühlenprodukte führte jedoch dazu, dass dieser nicht verwendet wurde werden in diesem Datendeskriptor detailliert angezeigt. Diese Mängel sollten von den Benutzern berücksichtigt werden.

Bei der Generierung der Daten in dieser Arbeit wurde kein Code verwendet, sondern ausschließlich Microsoft Excel zur Verarbeitung aller Daten.

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Der Autor erkennt die finanzielle Unterstützung an, die er von der Science and Technology Foundation der Provinz Guizhou [Zuschussnummern QKHJC-ZK 2021-YB 261 und QKHJC 2019-1406], der National Natural Science Foundation of China [Zuschussnummer 51874108] und den Talent Projects von erhalten hat Guizhou University und die Bildungsabteilung der Provinz Guizhou [Zuschussnummer GDPY 2019-20 und QJHKYZ 2021-097]. Und der Autor dankt den leitenden Ingenieuren Qiang Liang und Lvguo Zhang von Zunyi Titanium Co., Ltd für ihre wertvollen Diskussionen und Ratschläge.

Fuzhong Wu

Aktuelle Adresse: School of Materials & Metallurgy, Guizhou University, Guiyang, 550025, China

School of Materials & Metallurgy, Guizhou University, Guiyang, 550025, China

Wenhao Wang

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Konzeptualisierung, Methodik, Validierung, formale Analyse, Datenerfassung, Visualisierung, Finanzierungseinwerbung, Schreiben, Überarbeiten und Polieren: WW; Fördermitteleinwerbung: FW

Korrespondenz mit Wenhao Wang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Wang, W., Wu, F. Datensatz der jährlichen Kreislaufwirtschaft für Metallschrott in der Titanindustrie in China von 2005 bis 2020. Sci Data 10, 435 (2023). https://doi.org/10.1038/s41597-023-02351-4

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Eingegangen: 07. Januar 2022

Angenommen: 30. Juni 2023

Veröffentlicht: 06. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41597-023-02351-4

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