文：王祝堂
近20多年来，世界气候的变化比过去剧烈得多，这是全球面临的巨大挑战之一。各个经济部门减少温室气体是应对这种挑战采取的主要措施之一。近些年来，全世界交通运输量增长相当快，因此，对温室气体排放的上升应有较多的担当，减少这种排放的措施多种多样，从技术观点看，降低装备质量是可行的，也应是很有效的。镁是最轻的金属结构材料，因此，采用镁合金制造交通运输装备零部件，可取得明显的减重效果。
为了评估镁合金零部件在生命周期的生态化效益，必须掌握零部件在整个周期内各个阶段的情况，德国车辆概念学院与航天中心的西蒙·埃伦伯格和霍斯特E·弗里德克分析了公共汽车和中型运输机典型镁合金零件的生态化效益。评估了公共汽车零件在各个阶段（原镁提取、零件制造、使用期间、回收）的温室气体排放以及对气候变化的影响。
目标与范围的分类及定义
在评估中采用了两个典型的实例：汽油公共汽车的转向盘车架和变速器，中型运输机门的上下密封器。对这些零件都计算了原镁提取、合金和零件制备的能耗、温室气体排放，以及生命周期内能耗和温室气体排放，对公共汽车转向盘车架和变速器还计算与评估了废件的回收能耗和温室气体排放。飞机门上下密封器到期报废时几乎没什么回收价值，故未予评估。在评估时，以铝合金零件作为参照物。
近期，原镁提取技术有了一些进展，评估时对此也有所考虑，对技术本身及其发展作了必要的评估。中国对皮江法热法炼镁技术作了不少改进，它用此法生产的原镁占世界总供应量的80%以上，因此，中国的技术是当前皮江法的代表，在评估时以中国的工艺为准。还对电解法提镁能耗和温室气体排放作了简明的论述。温室气体排放按CO2eq当量计算。
原镁生产
皮江法炼镁是1941年加拿大多伦多大学教授L·M·皮江发明的，他在渥太华建了一个以硅铁还原锻炼白云石炼镁的工厂，商业化生产出了镁。1942年加拿大政府在哈雷白云石矿建了一个生产能力为3000t/a的皮江法（硅热法）镁厂，大获成功，从些皮江法成为电解法之后的第二大工艺，对世界镁工业的发展起了大作用。近10多年来，中国镁工业对皮江法做了许多改进，使中国镁工业得到很大发展，成了世界镁工业的引领者，2018年，中国的原镁产量863kt，占世界总产量的80%以上，没有中国产的镁，就没有如此兴旺发达的世界镁工业。
当前，中国、德国、澳大利亚等国家的研究者正致力于研究原镁生产工艺过程和镁产品制备过程的生命周期评估，同时大部分原镁提取对环境影响的研究都聚焦于中国皮江法工艺的温室气体排放上。根据澳大利亚学者2003年的研究结果是，电解法温室气体排放20.4kgCO2eq/kgMg～26.4kgCO2eq/kgMg,而中国皮江法炼镁（含硅铁生产和电耗的温室气体排放为37kgCO2eq/～47kgCO2eq/kgMg，皮江法的平均排放量约为电解法的1.8倍，因些国际上普遍认为，中国皮江法炼镁会释放许多的温室气体，不利于环境保护，皮江法是会排放CO2，但并不像人们认为的那么多。
自2005年以来，北京工业大学材料环境协调性评价中心根据资源和能源结构特征，结合目前中国炼镁工业的态势，计算得到了以直接燃煤、发生炉煤气和焦炉煤气生产镁的温室气体排放强度为34kgCO2eq/～42kgCO2eq/kgMg。他们得出的结论是：直接燃煤的总体环境负荷最大；燃烧发生炉煤气的比直接烧煤的下降1.9%;而以焦炭企业的副产物—煤气作为主要燃料进的负荷强度最小，比直接燃煤的减少17.5%。
根据以上计算结果，他们提出应按照工业系统中物质、能源流通规律构建镁与焦炭、硅铁等生产的生态工业链，实现产业链中产品之间的物质传递、供应、副产物交换和能量的阶梯利用，从而实现经济与环境容恰循环发展的模式。
北京工业大学评价中心2010年公布的研究结果显示，中国2009年先进的皮江法炼镁工艺的温室气体排放强度为25.6kgCO2eq/kgMg，与电解法的平均水平大体相当，而且还有进一步降低的可能性。这得益于在中国推进节能减排发展战略的大背景下，中国有色金属工业协会镁业分会大力倡导和推动节能降耗技术的开发与应用，特别是大多数镁业公司实施了冶炼过程各工序炉窑的技术改造，例如清洁能源、蓄势式高温空气燃烧技术及余热利用技术的应用密切相关，能耗整体降幅达到40%左右，使中国镁冶炼在优化结构、提高能源利用效率和环保方面取得了里程碑意义的显著进步。在此还需特别指出是，青海盐湖工业股份有限公司引进的海德鲁铝业公司的电解镁的一期100kt/a项目已于2013年投产，生产线的温室气体排放较低，只有6.5kgCO2eq/kgMg，而且随着原镁及深加工产品进一步提升到600kt/a与扩大到1000kt/a的最终目标，二氧化碳排放量还会有进一步的下降。中国在降低原镁温室气体排放方面正在做两方面的工作，齐头并进：一是加快加大青海盐湖镁项目的建设，并大力引进外资与先进的镁材深加工技术，建立合资企业；二是加强众多皮江法炼镁技术的改进，进一步降低能耗与温室气体排放。
与铝工业生命周期评估工作相比，原镁及镁合金材料的相关生命周期评价研究还处于起步阶段。由于铝产业已完成其生命周期评价工作，镁在这方面数据报告还不多与不充分，不利于镁的推广应用。可喜的是，国际镁业协会已于2011年启动了镁产品生命周期评价研究项目，包括4项内容：原镁提取，采用镁材设计及制造零部件的独特优势，镁在路面运输装备中应用的生命周期评估，废镁材与镁件的回收及再生利用。国际镁业协会将定期公布研究总结报告，以便获得业界的认可与有利于镁的推广应用。
电解本身能耗产生的温室气体最多，占总排放量的94%。电解镁时会产生相当多的副产品CL2、KCL,它们的品质高，在工业中很有用，而单独生产它们，也是要耗能与排放温室气体的，而现在利用它们，就可以节省一部分能与降低排放温室气体，考虑到这一点，电解镁本身的温室气体排放实际上只有14kgCO2eq/kgMg。
轿车转向盘架生命周期的评价
轿车分类，按ISO规定是指含司机座不多于9个的乘人车，而按日本JIS规定不多于10个的。
产品系统简介
运输装备零部件采用轻量化材料制造可以减少燃料消耗，降低温室气体排放。为了评估应用镁的优点，选用镁合金轿车转向盘架进行生命周期评价，同时以铝合金件作为参照架。镁合金转向盘架的质量0.55kg,以AM50镁合金压铸，铝合金架的质量0.74kg，以ALMg3合金压铸。在评价时，选用中型轿车，行驶20万公里。计算燃料降低量时以0.35L/（100km·100kg）为基准。压铸时用的都是原生镁与铝，然后进行合金化。
车的使用寿命终止后，回收镁与铝，但是没有进行分离与分类，而是卖给了废料市场，这就是说，镁合金件没有单独回收制成再生镁合金，而是与铝废料混在一起成为再生铝合金的合金化元素。如果镁与铝能与原生金属一样参与第二次轮回使用，那就可以降低温室气体排放。
转向盘架的压铸
转向盘架是用压铸法生产的，在熔炼镁合金时必须添加覆盖剂以防镁的氧化，同时还必须采用气体保护镁合金熔体，可有3种保护气体：SO2空气混合物，SF6空气混合物，R134a/CO2混合物。在实际生产中前一种用的最多。保护气体消耗量可按美国环境保护局有关规定确定。
若用SO2或R134a作为镁熔体保护气体，压铸法的温室气体排放最低。在用其它保护气体时，以及压铸铝合金工件时，电力消耗是温室气体排放最多的。
全生命周期温室气体排放
由于轿车运转时的燃机会释放大量的CO2，对车上零件全生命周期内温室气体排放量影响甚大。现对两种材料转向盘架生命周期内各阶段的排放量作一分析，生命周期有以下几个阶段：原生金属及其合金生产、压铸、使用阶段、使用期满后报废件的回收与再生处理。原铝生产排放量的世界平均值取自文献资料，在运营期间温室气体排放量最低的是镁转向盘架，减少了3.8kg。
制造转向盘架的的原镁是用电解法提取的，此阶段温室气体排放较少，对副产品是否回收利用不予考虑。如果镁是用皮江法生产的，则生产阶段排放的温室气体比电解生产铝的高得多。如前所述，若生产镁用废弃的焦炉或半焦炉煤气，则节约的焦量相当于轿车行驶了4.6万公里所排放的温室气体，在此阶段轿车排放的温室气体与镁生产时少排放的相抵销。若皮江法生产镁不用废弃的煤气，则就不需要考虑这些了。
航空器零件生命周期的评价
产品系统简介
与地面运输装备相比，飞机对质量的减轻敏感得多，因为能耗大，单位里程能耗大得多。一般，中型客机一次航程往往＞4100公里，现在就以4100公里作为评价污染物排放标准。选用的零件共3个，都是飞机门的：齿轮箱、上下密封。镁合金零件为AZ91E，铝合金零件为A356合金。镁合金零件质量为6.63kg,而铝合金的为8.5kg。一架飞机的质量减轻按5.8kg计算。用镁合金零件时，每航行一次可节约喷气燃料4.7kg。
砂模铸造
所用的飞机门零件都是定点生产的。铸造废料认为相等，同时废料的89%得到回收，同时不同于压铸的是，砂型铸造时每铸一次就要换一个模型。制造砂型用的材料为砂料、黏结剂与抑制剂（防止镁与砂粒反应）组成，并用成型机压实。砂模内充满SO2，以减轻镁在模内反应然后将熔炼好的镁合金熔体注入模内。在铸造铝合金零件时，不需要向模内充保护性气体，也不需要向砂内加反应抑制剂。
总体上镁零件的温室气体排放量低于铝零件的，尽管砂模铸造镁件的工艺复杂一些。
在飞机中零部件的质量减轻对降低温室气体排放有着非常重要的意义。对一架中型的客机来说，镁合金零件虽仅比铝合金的轻5.6kg,只要一年飞行了1.9Mkm，就可以少排放8t温室气体，如果它的生命周期按30a计算，那么在生命周期内，少排放的温室气体可达226t。
结语
近些年业，皮江法炼镁工艺的能源效率得到了很大改善，主要得益于中国镁工业对工艺的改进，采用可燃气体——煤气代替煤，使温室气体下降了不少。采用电取代天然气，用新的保护剂取代SF6作为覆盖气体，采用水电与可再生新能源发的电可进一步减少温室气体排放。
在零部件制造过程，保护覆盖剂的采用对温室气体排放量有很大影响，而熔炼铝合金则不用覆盖保护剂。不用SF6作为覆盖剂而用其他保护剂，可以降低对气候的不利影响。另方面，从技术与设计层面改进对废料回收与再生，也是降低温室气体排放量的有效途径之一。虽然，在生产再生镁合金时还要添加一些材料，而生产它们也要释放一些温室气体。
采用镁制造器械零部件可从两方面受益，一是制造过程中温室气体排放少，二是整个生命周期的排放少，在比较了镁和铝的温室气体排放量，原生金属提高工艺影响相当大。在谈到轿车与飞机镁合金零件的少排温室气体时，轿车零件对燃油敏感性比其他运输装备的低。镁合金对交通运输装备的节能减排还大有潜力。
