Инновации: медно-латунные радиаторы CuproBraze® в производстве

Вторичная переработка и энергоэффективность: аргументы в пользу использования меди в радиаторах автомобилей и грузовиков

На протяжении всей истории автомобилестроения медь была предпочтительным металлом для радиаторов легковых и грузовых автомобилей.

Сегодня это верно как никогда, несмотря на то, что за последние 20 лет алюминий занял значительную долю рынка оригинальных радиаторов. На долю меди приходится 39 % мирового рынка оригинальных радиаторов и 89 % вторичного рынка.

Более того, с применением нескольких новых технологий для производства передовых медных радиаторов этот металл может вскоре вернуть себе долю рынка оригинальных запчастей, утраченную алюминием с 1970-х годов.

Используя бесфлюсовую пайку и инновационные конструкции труб и ребер, эти передовые радиаторы могут прослужить 10 лет и проехать до миллиона миль. В настоящее время они проходят полевые испытания крупными автомобильными компаниями. Они будут на 30-40% легче, чем традиционные медные радиаторы.

Кроме того, их будет легко производить, поскольку они могут быть изготовлены с использованием тех же операций и оборудования, что и для паяного алюминия, что устраняет необходимость крупных инвестиций со стороны производителей.

Переработка и защита окружающей среды

Повышенный интерес к меди для радиаторов также является результатом растущего признания отраслевыми экспертами экологичности металлов:

• Медь практически на 100% пригодна для повторного использования.
• Медь имеет очень низкое потребление энергии при производстве и рафинировании.

Автомобильная промышленность, в частности, нуждается в наиболее экологически безопасных материалах и процессах для легковых и грузовых автомобилей следующего поколения. Такие компании, как Daimler-Benz, например, объединяются с поставщиками для разработки концепции полного металлургического рециклинга. Как первичный металл, так и лом для радиаторов и от радиаторов, медь является естественным подходящим материалом.

Преимущество в качестве основного металла

Присущее меди превосходство в теплопроводности, коррозионной стойкости и прочности сделало ее предпочтительным основным металлом для радиаторов с момента появления легковых и грузовых автомобилей.

Теперь, благодаря новым технологиям, его можно использовать для изготовления медных радиаторов меньшего размера, легче и прочнее. Эти радиаторы будут гораздо более экологичными, потому что они не содержат свинца, их проще и чище производить.

Изготовленные из нетоксичного низкотемпературного сплава на основе системы CuNiSnP, их можно паять в тех же вакуумных печах с контролируемой атмосферой, что и для алюминиевых радиаторов, и при той же температуре (около 600°C). А поскольку флюс отсутствует, очистка после пайки не требуется, и в припое не остается опасных металлов.

Радиаторы будут покрыты электрофорезом, что устранит опасности и выбросы побочных продуктов обычной косметической окраски распылением. Покрытие «Е» усиливает их внешнюю защиту от коррозии, обеспечивая равномерное распределение краски на водной основе по всей внешней конструкции, включая ранее неокрашиваемые участки в самых внутренних углублениях сердечника.

Преимущество в качестве металлолома

Медь также лучше всего подходит для радиаторов, потому что это один из самых перерабатываемых металлов в мире, и на протяжении нескольких поколений существует хорошо налаженная инфраструктура утилизации. Полученный металл может быть полностью переработан в новые радиаторы и связанные с ними детали.

В США около 10% медного лома (около 70,000 12 тонн) приходится на радиаторы. Поскольку каждый год утилизируется примерно 6 миллионов автомобилей, а средний вес радиатора составляет 100 кг, перерабатываемость медных радиаторов близка к 50%. Лом медных радиаторов обычно продается примерно за XNUMX% от цены меди и цинка как первичных металлов.

Благодаря усовершенствованным радиаторам возможность вторичной переработки меди будет еще больше увеличена. Изготовленные без свинцово-оловянного припоя, их будет значительно легче восстановить, а конечный продукт будет намного чище, чем в прошлом. На самом деле, переработанная медь будет достаточно чистой, чтобы ее можно было изготавливать непосредственно для изготовления новых лент радиаторных трубок. Для сравнения, паяные алюминиевые радиаторы могут быть переработаны только в менее ответственный литейный сплав из-за содержания в них кремния.

Статистика переработки

По данным Metal Statistics, в 10 году во всем мире было потреблено более 1991 миллионов метрических тонн меди. В США 43% приходилось на переработанный лом; в Западной Европе и Японии – 41% и 39% соответственно. Рисунок 1 сравнивает количество лома, содержащегося в общем потреблении металлов на основных мировых рынках. Рисунок 2 сравнивает медь и алюминий по всему миру.

Рисунок 1. Использование металлолома в процентах от общего объема потребления металла на основных рынках, 1991 г.
источник: Статистика рынка , 1981-1991, Metallgesellschaft, Франкфурт-на-Майне, 1992

Рисунок 2. Потребление алюминия и меди, тыс. т

Энергоэффективность меди

Общее потребление энергии для алюминия и меди варьируется от исследования к исследованию (см. Таблица 1), но значения для алюминия довольно постоянны, за исключением одного или двух случаев, когда оценки основаны на гидроэлектроэнергии и о потерях не сообщается. Нормальное значение для алюминия составляет 75 МВтч/т для первичного металла и 5 МВтч/т для переработки чистого лома.

1. Келлог, Х. Энергия для производства металлов в 21 веке: производительность и технологии в металлургической промышленности. TMS-AIME (1989), стр. 145-146.
2. Модели использования энергии при переработке металлургических и нерудных полезных ископаемых. Фаза 4, Баттель, Колумбус, NTIS PB-24 (27 июня 1975 г.), стр. 57-59.
3. Питт, К. Уодсворт, Мэн. Оценка потребности в энергии в проверенных и новых процессах производства меди. Контракт Министерства энергетики США, EM 78-S-07-1743, Университет Юты (31 декабря 1980 г.).
4. К. Йошики-Гравелсинс, Дж. Тогури, Р. Чу. Производство металлов, энергетика и окружающая среда. Часть 1: Энергопотребление. Журнал металлов (1993): 5, стр. 15-20.
5. Алюминиевая промышленность, энергетические аспекты структурных изменений. Управление экономического сотрудничества и развития, Париж (1983 год).
6. Б. Ильшрер. Материалы в мировой перспективе: оценка ресурсов, технологий и тенденций в отрасли ключевых материалов, том XNUMX. Спрингер (1990), Нью-Йорк.
7. Брикс, Купер и др. Потребление энергии в промышленных процессах. Всемирная энергетическая конференция, Лондон (1989 г.).
8. Н. Уиттер, К. Хоскинс. Энергия, необходимая для обработки слитков, полуфабрикатов и готовой продукции. Технология металлов 11 (1984): 7. стр. 302-307.
9. Д. Форрест, Дж. Сакели. Глобальное потепление и металлургия. Журнал металлов, 43 (1991): 12 стр. 23-30.
10. С. Янг, В. Вандербург. Применение анализа жизненного цикла окружающей среды к материалам. Журнал металлов (1994): 4, стр. 22-27.
11. Л. О. Галлман. Энергобезопасность от каркаса из алюминия и альтернативного материала. Teknisk Rapport, Granges Essem, LD 823 (1974).
12. Г. Хэнкок. Энергетические потребности для производства некоторых цветных металлов. Технология металлов 11 (1984): 7, стр. 290-299.
13. П. Чепмен, Ф. Робертс. Металлические ресурсы и энергия. Бостон Баттервортс (1983).

Для меди потребление энергии зависит от нескольких факторов, включая качество руды, тип используемой энергии и связанные с этим потери, но вероятное значение для типичной 0.5% медной руды составляет 30 МВтч/т для первичного металла и 3 МВтч/т для первичного металла. переработка чистого лома.

Медь, применяемая специально для производства радиаторов легковых и грузовых автомобилей, еще более выгодна с точки зрения энергопотребления из-за высокого содержания лома (см. Рисунок 3). Алюминий, напротив, почти в три раза более энергоемок для использования в радиаторах.

Рисунок 3. Энергопотребление алюминия и меди в качестве основного металла и металла в радиаторах

Металл для радиаторов сегодня и завтра

Медь уже давно считается лучшим металлом для радиаторов легковых и грузовых автомобилей. Его превосходная теплопроводность, коррозионная стойкость и прочность делают его идеальным для этой цели.

Как первичный металл, он может быть произведен с относительно низким потреблением энергии в виде высококачественных, высокопроизводительных, конкурентоспособных по весу и стоимости радиаторов, которые прослужат всю жизнь для большинства легковых и грузовых автомобилей.

Как лом, он практически на 100% подлежит вторичной переработке и может быть переработан с низким потреблением энергии как в новые радиаторы, так и в детали радиаторов.

Алюминий, с другой стороны, требует гораздо большего потребления энергии при производстве в качестве основного металла. А как лом от паяных алюминиевых радиаторов, его можно перерабатывать только как литейный сплав. Его нельзя повторно использовать в радиаторах.

С появлением передовых медных радиаторов в мире, где важны экологическая чистота и возможность вторичной переработки, привлекательность меди должна вырасти еще больше. В качестве металла для радиаторов его можно использовать снова и снова.

Медно-латунные радиаторы CuproBraze® в производстве

Сочетание легкого веса, высокой прочности и непревзойденной теплопередачи возвращает медь на важный рынок автомобильной промышленности.

Автомобильные радиаторы претерпели многочисленные технологические изменения. за последние 100 лет, хотя ни одно из этих изменений не является более очевидным, чем металлы, из которых изготовлен радиатор. В медно-латунном радиаторе ребра радиатора сделаны из почти чистой меди, а трубки и напорные баки – из латуни. В алюминиевом радиаторе все компоненты изготовлены из алюминиевого сплава.

Когда-то медь / латунь доминировали на рынке как легковых, так и грузовых автомобилей; сегодня алюминий используется для радиаторов в большинстве новых автомобилей, в то время как медь/латунь сохраняет сильные позиции в радиаторах грузовиков и вторичном рынке для автомобилей всех типов. Вот краткая хронология произошедших изменений:

1900–1970 годы: 100% медь/латунь, нулевой алюминий.

Радиаторы появились, когда автомобили и грузовики впервые были оснащены двигателями с водяным охлаждением. Радиаторы были необходимы для предотвращения перегрева воды или охлаждающей жидкости в двигателе. Для оригинальных радиаторов использовалась медь из-за отличной теплопроводности металла. Это физическое свойство определяет скорость, с которой радиатор может передавать тепло: более высокая проводимость = более быстрое охлаждение = более высокая эффективность и т. д. Среди других свойств меди, которые сделали ее естественным выбором для радиаторов, являются высокая естественная коррозионная стойкость металла и легкость, с которой он можно изготовить и отремонтировать. Кроме того, медно-латунные радиаторы можно снять со списанных автомобилей и переработать для получения других медных сплавов, таких как латунь и бронза.

До начала 1970-х медно-латунные радиаторы устанавливались во всех новых легковых и грузовых автомобилях по всему миру. Не было веской причины использовать что-то еще, потому что ничто другое не могло конкурировать со многими преимуществами меди/латуни.

1970-1990-е годы: алюминий растет, но медь/латунь по-прежнему лидирует на рынке

Среда радиаторов изменилась в 1970-х годах, когда Volkswagen решил преобразовать свои автомобили с двигателя с воздушным охлаждением в легкую силовую установку с водяным охлаждением. После мирового нефтяного кризиса и настоятельных призывов к сокращению потребления топлива крупные производители автомобилей в Европе и США начали производить легковые и грузовые автомобили из более легких материалов.

Для радиаторов и других теплообменников (радиаторы отопителей, масляные радиаторы, кондиционеры) был выбран более легкий материал — алюминий. Алюминий имеет только одну треть теплопроводности меди, но также только одну треть плотности меди/латуни. В необработанном виде алюминий также дешевле меди. (Этот факт применим к слиткам, производимым алюминиевыми заводами. Однако это не обязательно верно, когда металл находится в форме полосы радиатора.) Эти качества, наряду с мрачными, хотя и нереализованными прогнозами товарных дефицит в 1980-х — породил волну энтузиазма по поводу чего-то «нового».

В результате алюминий постепенно заменил медь/латунь в качестве металла для радиаторов в новых автомобилях. Медь/латунь продолжали удерживать большую часть общего рынка радиаторов, поскольку они доминируют в секторе грузовых автомобилей и удерживают более 80% рынка замены. Эта ситуация сохраняется и в новом столетии.

1990: Начало разработки новой технологии меди/латуни

По мере того, как алюминий становился все более популярным среди автопроизводителей, производители меди и латуни начали искать способы улучшить свой когда-то доминирующий продукт. Продажа медной и латунной полосы производителям радиаторов, в конце концов, представляет собой важный рынок, на который приходится около 200,000 XNUMX метрических тонн меди ежегодно.

Очевидно, что в традиционном медно-латунном изделии есть место для улучшения. Помимо того, что радиаторы были слишком тяжелыми для современных автомобильных конструкций, радиаторы имели тенденцию выходить из строя в самых слабых местах их изготовления, где свинцово-оловянный припой соединяет различные компоненты. Сам свинцово-оловянный припой считался экологическим недостатком, хотя он был полностью переработан вместе с остальной частью радиатора.

Однако после того, как алюминиевые радиаторы прослужили несколько лет, у них стал проявляться ряд недостатков. Например, при коррозии или повреждении алюминиевые радиаторы ремонтировать было гораздо дороже, чем радиаторы из меди/латуни. В результате их просто заменили, возложив бремя затрат на потребителя.

Кроме того, алюминиевый сплав, используемый для полосы радиатора, слабее и менее устойчив к нагрузкам, вызванным вибрацией, чем латунь. В результате на многих алюминиевых радиаторах появились трещины, особенно вызванные усталостью металла, в местах крепления радиаторов к раме автомобиля. Кроме того, было обнаружено, что алюминиевые радиаторы особенно подвержены точечной коррозии со стороны охлаждающей жидкости. Когда это происходит, радиатор не подлежит ремонту. Промышленное «исправление» этого досадного недостатка заключалось в использовании сложных охлаждающих жидкостей (урожденных антифриз), содержащие ингибиторы коррозии. Медь/латунь не требует таких ингибиторов в хладагенте, что является одной из причин, почему радиаторы из меди/латуни остаются практичным выбором в тропических или развивающихся странах, где наиболее доступным «хладагентом» по-прежнему является обычная вода.

Наконец, в то время как алюминиевые радиаторы могли быть переработаны, алюминиевый сплав в них не мог быть повторно переработан для производства новой полосы радиатора или других продуктов, в которых требовалась бы высокая формуемость. В результате выброшенные алюминиевые радиаторы были пониженный цикл в менее требовательные приложения, такие как литье. Таким образом, алюминиевые и медно-латунные радиаторы одинаково пригодны для вторичной переработки в одном смысле, хотя переработка медно-латунных радиаторов, в результате которой получаются ценные латуни и бронза, имеет явные экономические преимущества.

Проблемы встречены, входите CuproBraze

Отраслевые эксперты признали, что новый медно-латунный радиатор должен иметь такой же вес, как алюминий, и при этом избегать недостатков (слабые паяные соединения, припой, содержащий свинец) традиционных конструкций. Еще одна проблема заключалась в том, что большая часть производственных мощностей по производству радиаторов для новых автомобилей была переведена на печи, предназначенные для алюминиевых радиаторов. Необходимо было найти способ использовать эти печи для производства медно-латунных радиаторов и таким образом избежать естественного нежелания промышленности инвестировать в новое оборудование.

Задача была возложена на Международную ассоциацию меди, ООО (ICA), а в более ранние годы – на предшественницу ICA, Международную ассоциацию исследований меди, Ltd., INCRA.) К началу 1990-х годов инженеры определили новую технологию, которая позволит возможно изготовление более легкого, прочного и долговечного медно-латунного радиатора. Ключом к успеху стала новая технология пайки под названием CuпроБраз.

Радиатор CuproBraze® можно сделать меньше и компактнее, чем алюминиевые модели с аналогичными характеристиками.

Как следует из названия, CuВ процессе proBraze вместо традиционной пайки используется пайка для соединения медных и латунных компонентов радиатора. При пайке используются сплавы, которые значительно прочнее обычных свинцово-оловянных припоев. Припои обычно наносят в виде пасты, содержащей защитный флюс, с последующим нагревом соединяемого узла в печи. Припои не содержат свинец.

Поскольку паяные соединения прочнее пайки, появилась возможность сделать сам металл тоньше, чем тот, который используется для обычных медно-латунных радиаторов. Это усовершенствование привело к дальнейшему преимуществу, заключающемуся в том, что тонкие поперечные сечения приводили к еще более высокой теплопередаче. В целом, CuРадиаторы proBraze могут быть:

• Более сильный
• Более легкий
• Более устойчивы к коррозии
• Более эффективный и, следовательно, потенциально меньший

чем их алюминиевые аналоги, в зависимости от приоритета, присвоенного различным свойствам. Дополнительные преимущества для OEM-производителей автомобилей включают более низкий перепад давления на стороне воздуха, меньшие паразитные потери двигателя (и, следовательно, лучшую экономию топлива), а также более низкие затраты на модуль охлаждения.

Преимущества CuПроцесс proBraze® вместо процесса Nocolok®

Компания CuПроцесс proBraze сам по себе предлагает производителям значительные преимущества с точки зрения затрат. Эти преимущества становятся очевидными, когда CuПроцесс proBraze сравнивается с процессом Nocolok, который обычно используется для изготовления алюминиевых радиаторов:

• Время пайки, необходимое для CuПроцесс proBraze примерно вдвое меньше, чем процесс Nocolok, несмотря на то, что оба процесса работают при температуре около 600°C (1112°F). Это возможно благодаря тому, что разница между температурой пайки медно-латунных радиаторов и температурой плавления латуни составляет более 300°С (540°F), а соответствующая разница для алюминиевых радиаторных сплавов составляет всего 30°С-40°С. (54-72°F). Поэтому температуру пайки алюминиевых радиаторов следует повышать медленно и осторожно, чтобы не допустить превышения температуры плавления в любой части радиаторов. Эта предосторожность не требуется для медно-латунных радиаторов, потому что отклонение на несколько десятков градусов не вызовет проблем ни в меди, ни в латуни. Удвоенная часовая производительность CuПроцесс proBraze, вытекающий из этого технического преимущества, означает для производителя экономию капитала и рабочей силы. Технология CuproBraze идеально подходит для теплообменных устройств, таких как радиаторы (справа ), маслоохладители, нагреватели, охладители наддувочного воздуха и конденсаторы.

• Опыт показал, что CuПроцент брака при использовании процесса proBraze значительно ниже, чем при использовании Nocolok. Опять же, это преимущество является результатом большего запаса температуры, который возможен при использовании меди/латуни.
• Любые утечки во вновь изготовленных CuРадиаторы proBraze можно просто и эффективно отремонтировать, добавив дополнительное количество паяльной пасты и пропустив радиатор через печь для пайки. Утечки в установленных радиаторах также легко устраняются. Алюминиевые радиаторы нельзя легко отремонтировать, если вообще возможно, таким способом.
• Потребление энергии в CuПроцесс proBraze значительно ниже, чем Nocolok, потому что удельная теплоемкость меди составляет всего 40% от удельной теплоемкости алюминия.
• Медь и латунь легче формовать и изготавливать, чем алюминиевую полосу радиатора. Это свойство снижает износ инструмента и затраты на техническое обслуживание при производстве сырья.
• Стоимость изготовления радиаторов с CuПроцесс proBraze полностью конкурентоспособен по стоимости при изготовлении радиаторов с использованием процесса Nocolok.

• Компания CuПроцесс proBraze можно проводить в печах Nocolok, что устраняет необходимость в дополнительных капиталовложениях.

CuПроизводство proBraze начинается в Питтсбурге

Компания Universal Auto Radiator Manufacturing Company (UAR), Питтсбург, производит первый коммерческий CuРадиаторы proBraze в конфигурациях, подходящих более чем для 90 моделей американских, европейских и японских легковых и грузовых автомобилей.

Автомобильная промышленность, похоже, довольна новыми изделиями из меди и латуни. Имея в три-четыре раза больший срок службы, чем паяные модели, CuРадиаторы proBraze успешно выдержали более 140,000 XNUMX миль дорожных испытаний. «У нас нет сообщений о сбоях, — говорит президент UAR Питер Россин. «Эта технология впечатляет своей силой».

Большая тройка Детройта уже давно ищет радиатор, способный прослужить 100,000 XNUMX миль. В настоящее время, CuproBraze позволяет достичь этой цели, и не только для радиаторов.

«Мы видим большой потенциал для других применений теплопередачи», — говорит г-н Россин. «Маслоохладители, сердечники нагревателей, охладители наддувочного воздуха, конденсаторы и другие устройства — все это возможности для CuпроБраз».

В настоящее время по всему миру реализуется более 80 независимых проектов с использованием технологии CuproBraze. Продукция изначально предлагается (и в настоящее время доступна) на вторичном рынке радиаторов, где медь/латунь сохраняет сильные позиции. Кроме того, CuОхладители наддувочного воздуха proBraze были приняты к производству одним крупным производителем дизельных двигателей. Тестирование производителями автомобилей продолжается, и вскоре медно-латунные радиаторы снова можно будет найти в автомобилях оригинальной комплектации.

Для получения дополнительной информации, пожалуйста, свяжитесь с Международной ассоциацией меди, ООО по адресу Энтони Ли.