خودروسازی: فولاد یا آلومینیوم؟

علی غفوری

در این گزارش سعی شده است مزایای نسبی مصرف آلومینیوم و فولاد در ساخت خودروها از نظر آلودگی محیط‌زیست کاهش سوخت و بازیافت آن مورد توجه قرار گیرد. در دو ماه اول امسال (سال ۲۰۰۷) دو قانون مهم در‌خصوص صنایع خودروسازی در اروپا به‌شرح زیر مصوب شد:

۱ - قانون پایان عمر یا چرخه حیات خودرو (ELV) دستورالعمل شماره /۵۳/EC۲۰۰۰ مورخ ۱/۱ /۲۰۰۷ از خودروسازان می‌خواهد که ۹۵درصد تمامی مواد مصرفی و انرژی پتانسیل خودروهای اوراق شده باید تا سال ۲۰۱۵ بازیافت شود.

۲ - قانون یا اعلامیه دوم که تاریخ آن فوریه ۲۰۰۷ بود می‌گوید قرار بود اتحادیه اروپا قانونی را مصوب کند مبنی بر اینکه در ظرف پنج‌سال آینده تولید یا خروج گاز Co۲ از خودروها به‌طور متوسط به g/Km ۱۳۰ کاهش پیدا کند. اگرچه قبلا این میزان ۱۲۰ گرم در هر کیلومتر اعلام شده بود که مورد انتقاد طرفداران یا گروه‌های زیست محیطی «green lobby» قرار گرفته بود که به هر حال از خودروسازان خواسته شده بود که در تمام مدل‌های خودروی تولیدی خود تا سال ۲۰۱۰ از میزان متوسط کنونی آن یعنی ۱۶۵ گرم در هر کیلومتر گاز خروجی Co۲ کاسته شود. اتحادیه اروپا معتقد است که می‌تواند در طی همین مدت میزان تولیدی گاز Co۲ خودروها را به ۱۰ گرم در هر کیلومتر کاهش داد چنانچه از سوخت‌های بیو (bio) و لاستیک‌های سوخت اقتصادی (fuel tyres) سو‌ء‌استفاده شود.

دلیل تمرکز روی رقم محافظه‌کارانه با سقف ۱۳۰ گرم در ساعت این است که در حال حاضر اکثر خودروها از جمله بیش از هشتاد و پنج خودرو دیزلی سی کلاس (سایز متوسط)، علاوه بر سوپرمینی‌ها و مینی‌ها این میزان گاز Co۲ را تولید می‌کنند. سه مدل بسیار کمتر از این میزان گاز Co۲ تولید می‌کنند: تویوتا پریوس با بنزین هیبریدی / الکتریکی (۱۰۴ گرم در کیلومتر)، سیتروئن CI (۱۰۹ گرم در کیلومتر) و فیات پاندا ۲/۱ (۱۲۷ گرم در کیلومتر) است.

در مورد تویوتا پریوس رقم ۱۰۴ گرم / کیلومتر به نظر مناسب رانندگی در شهر باشد و سیستم موتور یا سوخت هیبریدی آن مطلوب باشد ولی وزن اضافی موتور الکتریکی میزان مصرف سوخت را در مسافرت‌های طولانی افزایش می‌دهد. در انتهای دیگر جدول مدل‌های وجود دارند که بیش از ۱۳۰ گرم / کیلومتر گاز Co۲ تولید می‌کنند مانند رنج روور ۴ (Range rover) دارای بالاترین میزان g/Km ۳۸۹ ، خودروی SUV که دارای میزان بالای آلودگی است و نیز خودروهای نمایشی مانند پورشه ۹۱۱ کاررا (g/Km ۲۶۶) و مرسدس بنز E۳۲۰ (g/Km ۲۰۲) و حتی ماشین‌های پرطرفداری مانند فورد Mondeo ۸/۱ دارای g/Km ۱۸۲ آلودگی است.

کاهش وزن خودرو مهمترین روش کاهش مصرف سوخت و در نتیجه کاهش تولید Co۲ آن است.

صنایع آلومینیوم و فولاد هر دو قبول دارند که کاهش وزن خودرو مهمترین عامل کاهش تولید گازها‌ی گلخانه‌ای از طریق حمل‌ونقل است. اما به متوسط وزن یک وسیله نقلیه در طی دو هفته گذشته حدودا ۲۰-۱۰ کیلوگرم در هر سال افزوده شده است که دلیل آن افزایش بخش‌های ایمنی و نیازهای مقررات راهنمایی رانندگی و نیز افزایش راحتی، کیفیت و تزئینات داخلی است که نظر مشتریان را جذب کند.

اگر از مواد سبک‌تری در ساخت خودروها مانند آلومینیوم و کمپوزیت‌های پولیمر استفاده نشده این خودرو بدون شک سنگین‌تر می‌شد.

اما فولاد با این دسته از مواد جایگزین یا رقیب به مبارزه برخواسته است و از فولادهای پرقدرت و نازکتری در طراحی خودروها استفاده می‌شود. علاوه بر این از قوطی‌هایی فولادی نازک با مقاومت‌های مختلف و ضخامت گوناگونی استفاده می‌شود که این قوطی‌ها توسط جوش‌های لیزری قبل از پرس شدن به فرم‌های لازم در می‌آیند.

پولیمرها و کمپوزیت‌ها همواره مواد مورد توجه خودروسازان بوده‌اند تا از وزن خودروی خود بکاهند اما از نظر بازیافت همواره مشکلاتی را برای مقررات پایان چرخه حیات خودرو (ELV) به‌وجود خواهد آوردند مثلا اخیرا قانونی در مورد تولید بخار از باک خودروها (PZEV) که می‌بایستی تقریبا صفر باشد تصویب شده است که مصرف پلاستیک را رد کرده و به‌جای آن استفاده از فولاد روی اندود با ۸درصد قلع توصیه شده تا این استانداردها رعایت شود و این آلیاژ جایگزین حلب سربی‌ یا فولاد سرب اندود شده است که از مشکلات زیست‌ محیطی می‌کاهد.

نقش آلومینیوم

افزایش مصرف آلومینیوم در تولید خودروهای اروپایی اخیرا در گزارش KEP با همکاری انجمن آلومینیوم اروپا (EAA) مورد تاکید قرار گرفته است. این گزارش نشان می‌دهد که میزان آلومینیوم مصرفی در خودروهای اروپایی از سال ۱۹۹۰ تاکنون ۱۶۴درصد افزایش داشته یعنی از ۵۰ کیلوگرم در آن زمان به ۱۳۲ کیلوگرم در سال ۲۰۰۵ رسیده است و پیش‌بینی می‌شود که تا سال ۲۰۱۰ حدود ۲۵ کیلوگرم دیگر نیز به آن اضافه شود. در سال ۲۰۰۵ ، ۲میلیون تن قطعات آلومینیومی در ساخت خودروهای سواری اروپایی به‌کار گرفته شد.

این کاهش وزن منتهی خواهد شد به کاهش سوختی معادل یک میلیارد لیتر در سال که این نیز به نوبه خود موجب کاهش تولید ۴۰میلیون تن گاز Co۲ در طول عمر خودروها خواهد شد با فرض بر اینکه دویست هزار کیلومتر به ازای پانزده هزار کیلومتر در سال (۳/۱۳ سال) برای هر خودرو و تولید ۸۳۵/۲ کیلوگرم Co۲ در هر لیتر سوخت به‌عنوان مقدار متوسط برای بنزین و گازوئیل در نظر گرفته شود که شامل کاهش میزان تولید Co۲ از طریق تولید کمتر سوخت نیز می‌باشد.

مطالعه KGP براساس بررسی ۱۵میلیون خودرو تولیدی در اروپا است که روی ۲۰ قطعه مختلف مانند ۱۷ قطعه شاسی‌‌ها و فنرها و ۲۵ قطعه میل لنگ صورت پذیرفته است. این تحقیق روی محصولات نیمه‌نهایی آلومینیومی (قطعات ریخته‌گری شده، قالب‌ریزی فشاری، فورجینگ) و ورق‌ها انجام شد. در قسمت بدنه خودرو که بیشتر قطعات آن از آلومینیوم ساخته شده‌اند شامل سیستم‌های ایرکاندیشن، کاپوت سپرها و میله فرمان می‌باشد. قطعات یا قسمت‌های آلومینیومی دو شاسی و بخش‌های شاستی و فنر خودروها عمدتا چرخ‌ها، بازوی ضربه‌گیرها و قطعات فرمان هستند و سرسیلندرها، بلوک‌های سیلندر، پوشش موتور، پمپ‌ها و رادیاتورها قسمت‌هایی هستند که در خودروهای جدید از آلومینیوم ساخته می‌شوند. امروزه مقدار زیادی آلومینیوم در قسمت‌های کاپوت، درها و صندوق عقب، بدنه خودرو و شاستی‌ها استفاده می‌شود که ایمنی و عملکرد خودرو را بهبود می‌بخشد.

مقایسه مصرف انرژی‌ها برای تولید

طبق تحقیقات به‌عمل آمده میانگین مصرف ویژه انرژی برای تولید آلومینیوم خام یا اولیه در آمریکای‌شمالی در سال ۲۰۰۰ در حدود KWh/Kg ۱۵ بود و اگر تصفیه بوکسیت و تولید آند نیز مورد توجه قرار گیرد KWh/Kg۱۳ بدان اضافه می‌شود، براساس اطلاعات جمع‌آوری شده در سال ۲۰۰۵ به رقم پایین‌تر

KWh/kg ۶/۲۵ دست یافتند (توسط EAA) . این رقم معمولا مصرف نهایی انرژی است (مثلا انرژی حرارتی از سوخت‌ها و انرژی الکتریکی) که برای کل زنجیره واحد بوکسیت آلومینا - اند - کوره ذوب - ریخته‌گری است.

درخصوص ذوب قراضه در گزارش آمده است در سال ۲۰۰۰ در آمریکای شمالی میانگین انرژی ویژه برای ذوب قراضه Al (آلومینیوم) kWh/kg ۵ و میانگین انرژی برای تولید آلومینیوم (خام به‌علاوه ذوب قراضه) در حدود KWh/kg ۸ بود. اما به‌دلیل نقطه ذوب پایین Al (حال آنکه طبق تئوری در مقایسه با فولاد به چهار برابر انرژی برای ذوب Al خام در هر واحد وزنی نیاز می‌باشد) در شرایط ذوب قراضه به‌صورت نظری به ۱۴درصد انرژی کمتری برحسب وزن نیاز است.

در گزارش، مقایسه‌ای شده است بین مقادیر تئوریکی با عملی یا واقعی که مصرف ویژه انرژی برای ذوب آلومینیوم را Mj/Kg ۳/۳ نشان می‌داد و مصرف گاز طبیعی با استفاده از احتراق یکنواخت جنسی در حد پایین MJ/kg۳/۲ به‌دست آمده بود. برای ذوب فولاد در کوره قوس (EAF) گزارش به رقم Mg/Kg۹/۵ رسیده است و به میانگین انرژی ویژه کوره قوسی ۶/۰ کیلووات ساعت بر کیلوگرم اشاره کرده است و وقتی این واحدها را تبدیل کرده و میانگین کارایی شبکه ۳۳درصدی آمریکا را در نظر بگیریم این رقم در عمل امیدوارکننده است. مقادیر محاسبه‌شده توسط شرکت میدرکس برای انرژی لازم جهت ذوب صد درصد قراضه در کوره قوسی Kwh/Kg۶۴/۱ است.

بنابراین برای ذوب آلومینیوم در مقایسه با فولاد انرژی کمتری مصرف می‌شود. اما در سال ۲۰۰۵ تحقیقات دانشگاه MIT نشان داد که برای تولید آلومینیوم خام ۱ A شامل تولید آلومینا از بوکیت انرژی لازم Mg/Kg۱۷۵ و برای ذوب قراضه Mg/Kg۱۰۰۲۰ انرژی لازم است. بنابراین ذخیره انرژی از طریق ذوب قراضه ۹۶-۹۲درصد (اندکی کمتر از رقمی که غالبا آن را ۹۵درصد می‌دانند) کمتر است. برای ریخته‌گری فشاری نیاز به فلز اولیه یا خام می‌باشد و موجودی ضایعات نیز در حد کافی نیست و باید تا حدی از فلز خام برای ریخته‌گری استفاده کرد.

در گزارش میدرکس به روش‌های مختلف تولید فولاد و میزان انرژی لازم در هر روش اشاره شده است.

در روش سنتی کوره بلند

(BF-BOS) که بالغ‌بر ۶۵درصد تولید جهانی را در سال ۲۰۰۵ به خود اختصاص داده است. مصرف انرژی Kwh/Kg۶/۴ (زمانی که ۱۱درصد قراضه به Boss به عنوان خنک‌کننده شارژ می‌شود - یک شارژ معمولی است اما حدودا ۲۲درصد در عمل شارژ می‌شود.)

در خصوص درب در کوره قوس الکتریکی (EAF) با ۱۰۰درصد قراضه مصرف انرژی به Kwh/Kg۶/۴ است.

کوره‌های قوس ۳۲درصد تولید جهانی فولاد خام در جهان را به خود اختصاص داده است. (در سال ۲۰۰۵) در حقیقت به تمام کوره‌ها یکصد قراضه شارژ نمی‌کنند و آن را با چدن و آهن احیا مستقیم (DRI) مخلوط می‌کنند تا کیفیت آن بهبود یافته و مصرف انرژی به رقمی بین مجتمع‌ها و فولادسازی‌های ثانویه برسد.

بازیافت قراضه

به دلیل قیمت بالای ضایعات آلومینیوم قطعات بزرگ آلومینیومی مانند چرخ‌ها، سرسیلندرها معمولا جدا یا باز می‌شوند، بقیه پس از خرد شدن توسط روش‌های رسوبی شناوری (sink - flooe) یا جریان eddy جدا می‌شوند.

اگر فولاد سهوا با مقداری آلومینیوم مخلوط شود ذوب را آلوده می‌کند برای جلوگیری از این کار می‌بایستی از جداکننده‌های دستی، مکانیکی و گرمایی در کوره مخصوص استفاده کرد.

فولادهای کربنی و آلیاژ پایین را می‌توان راحت‌تر از قراضه جدا کرد، چون دارای خواص فرومغناطیسی بوده و توسط آهن ربا می‌توان آن را جدا کرد. اگر آلومینیوم ۱ A در مخلوط وجود داشته باشد نمی‌توان آن را مشخص نمود اما صرفا نیاز به سوخت بیشتری در کوره ذوب بوده و به عنوان عامل اکسیدزا در فرآیند تولید فولاد نقش خواهد داشت.

مبارزه فولاد با رقبا

در نشست سالانه انستیتو بین‌الملل آهن و فولاد در ماه اکتبر ۲۰۰۶ در خصوص ساخت یا تولید خودرو مقالات زیادی ارائه گردید و اکثرا ۱ A را رقیب فولاد می‌دانند اما بیشتر در قسمت‌های داخلی کاپوت، درب‌ها، صندوق عقب و نه در قسمت‌های کامل بدنه و ظاهر آن. حال آنکه چندین نمونه استفاده از آلومینیوم در بدنه یا پوسته خودرو که عمر کوتاهی داشته و قیمت آن نیز گران بوده، تجربه شده است.

مثلا شرکت Audi‌سعی داشت خودروی سواری کاملا آلومینیومی با وزن کلی ۳۰۰کیلوگرم ۱ A خالص تحت عنوان یا مدل Andi Az تولید کند که به دلیل اقتصادی نبودن این مدل ساخت آن سال گذشته منتفی گردید.

صنعت فولاد مصرف فولاد را در بازار انبوه یا تولید انبوه خودرو اقتصادی می‌داند اما انجمن خودروسازی اروپا EAA معتقد است که کاملا خواسته‌های مشتریان را پاسخگو نبوده و تولید آن ۳۰درصد کاهش پیدا کرده است.

آیا آلومینیوم می‌تواند به تولید انبوه در صنعت خودروسازی برسد که در حال ۴۵میلیون تن آلومینیوم در سال در صنعت خودروسازی مصرف می‌شود.

(۳۰میلیون تن از این آلومینیوم نیاز به انرژی بالایی برای تولید دارد) و آلومینیوم نیز به حد کافی وجود ندارد؟

EAA معتقد است زمانی که بازار جدیدی برای محصول یا ماده‌ای به وجود می‌آید تولید آن سریعا خود را با تقاضا همسو می‌کند به شرط آنکه مواد خام به اندازه کافی وجود داشته باشد. اما از آنجایی که قراضه کافی وجود ندارد که بتواند پاسخگوی صنعت ثانویه باشد می‌بایستی مواد دست اول تولید نمود که به انرژی بیشتری نیاز خواهد بود.

اگر قوانین و مقررات ارزیابی چرخه حیات که مورد توافق صنایع فولاد و آلومینیوم قرار گرفته است اجرا شود منجر به پرداخت طولانی‌مدت جرائم آلودگی زیست‌محیطی نمی‌گردد.

حدود ۱۱درصد تولید جهانی فولاد (محصولات تخت و طویل) به صنایع خودروسازی فرستاده شده است که در سال ۲۰۰۵ میزان آن به ۱۲۴میلیون تن رسید.

نسبت عرضه آلومینیوم به صنایع خودروسازی دو برابر این رقم یعنی ۲۲درصد است اما از نظر تناژ ۸/۸میلیون تن در سال است که حتی با در نظر گرفتن اختلاف وزن مخصوص این رقم معادل ۲۶میلیون تن فولاد است.

در حقیقت صنعت ترکیبی از فولاد و آلومینیوم را می‌پذیرد.

ترس صنعتی فولاد این است که در حال حاضر آلومینیوم با موفقیت به بازار ریخته‌گری قطعات آن نفوذ کرده و زمینه برای گسترش آن نیز وجود دارد و سعی دارد به بازار ورق فولادی نیز نفوذ کند و این خطری است که فولاد آن را بازار پرشور خودروسازی خود می‌بیند.

دعوی آلومینیوم پذیرفته نشد

در سمینار انستیتو بین‌الملل آهن و فولاد دعاوی دست‌اندکاران صنایع آلومینیوم به شرح زیر مطرح گردید:

- از وزن خود می‌توان با مصرف آلومینیوم ۵۰درصد کاست. طبق نظریه انجمن آلومینیوم اروپا قسمت‌های که می‌توان از آلومینیوم بیشتر مصرف کرد بخش‌های ریخته‌گری و کاپوت اتومبیل سپرها و غیره می‌باشد.

- یک کیلوگرم ۱ A زمان خرد شدن تقریبا به دو برابر انرژی در مقایسه با خرد کردن یک کیلو فولاد نیاز دارد. انجمن آلومینیوم اروپا این نظریه را قبول دارد اما فقط برای فولادهای نرم (mild) یا (Fepo۴)، این فاکتور برای فولادهای پیشرفته محکم به

۵ /۱-۳ /۱ کاهش یافته و برای فولادهای جدیدتر آستینتی CR-Mn حدود ۱/۱ می‌باشد.

- اگر ۱۰درصد از وزن خودرو کاهش داده شود ۸-۶درصد از میزان سوخت آن کاسته می‌شود که برای دست یافتن به این ارقام باید به جای فولاد از آلومینیوم و مواد سبک استفاده کرد.

-جایگزین کردن هر کیلوگرم آلومینیوم به جای دو کیلوگرم فولاد حدود ۲۰کیلوگرم از میزان گاز تولیدی CO۲ در طول عمر عادی آن را می‌کاهد.

دعاوی فوق بیشتر براساس تجربیات قبلی بود که در ساخت خودروها از فولادهای کربنی استفاده می‌شد نه فولادهای جدید با استحکام یا قدرت بالا (HSS) و سایر فولادهایی که امروزه استفاده می‌شوند.

ولی دست‌اندرکاران صنایع ۱ A می‌گویند که با وجود تولید فولادهای جدید هنوز آلومینیوم در کاهش وزن خودرو حرف اول را می‌زند و قادر است در ساخت انواع خودرو از وزن آن ۴۱-۳۵درصد بکاهد.

اما مدیر بازاریابی خودروی شرکت فولادسازی USSteel آمریکا در سمینار فوق مطرح کرد اگر به جای آلومینیوم از Hss استفاده شود (فولاد نرمی است که به راحتی خم شده و با کاهش ۴۰درصدی فضای خودرو از وزن آن می‌کاهد) ۵۰درصد از وزن خودرو کاسته می‌شود.

در حقیقت با استفاده از لوله‌های Hss در شرایطی که به سه برابر قدرت خمشی نیاز باشد از فولاد به جای آلومینیوم استفاده شود ۲۵درصد از وزن کاسته خواهد شد چون از ۶۰درصد فضای کمتری استفاده خواهد شد.

EAA قبول دارد که این دعاوی احتمالا برای اشکال خاصی هندسی صادق باشد. اما رابطه بین نرم بودن فلز و کاهش وزن مساله بسیار پیچیده‌ای است و عوامل زیادی روی وزن و خاصیت خمشی موثر است مثلا ضمانت دیواره با یک ضریب ۳ روی مقاومت خمشی آن تاثیرگذار است.

از نظر هزینه نیز ساخت یک خودرو توسط آلومینیوم حدود ۶۶درصد گردن تراز یک خودروی فولادی خواهد بود.

معمولا قیمت یک خودروی آلومینیوم ۱۱۵۰۰دلار و فولادی آن ۶۹۰۰دلار است. این قیمت‌ها براساس تولید یکصدهزار خودرو طی ۵ سال است. اگر تعداد خودروی تولیدی را به ۵۰۰هزار دستگاه در سال برسانیم هزینه تولید به ۶۱درصد اختلاف کاهش پیدا خواهد کرد.

EAA در اصل این‌گونه تجزیه و تحلیل قیمت‌ها را قبول ندارد و می‌گوید اختلاف قیمت خودروی فولادی با آلومینیومی ۴۶۰دلار است نه ۴۶۰۰دلار یا ۱۰درصد.

هزینه تولید مواد جدید در برنامه‌های ULSAB-AVC (بدنه خودروهای فولادی کاملا سبک- خودروهای پیشرفته) که می‌خواهند وزن خودرو را که توسط فولاد ساخته می‌شود کاملا سبک کنند می‌گویند در گذشته ۴۸درصد کل هزینه مربوط به مونتاژ خودرو بود که با فولادهای جدید به ۳۰درصد کاهش پیدا کرده و ۲۲درصد نیز شکل‌دهی آن است بنابراین اگر قیمت مواد خودروسازان بالا باشد مثلا از آلومینیوم استفاده کنند قیمت خودرو در مقایسه با مصرف فولاد افزایش قابل ملاحظه‌ای خواهد داشت.

انجمن‌های فولادی می‌گویند به دلیل نیاز به انرژی بالا برای تصفیه سنگ‌ آلومینیوم و ذوب فلز و مقایسه آن با فولاد ۳/۲-۵/۱درصد از نظر کاهش مصرف انرژی به نفع فولاد خواهد بود.

EAA مدعی است که این دعاوی فولادسازان فقط برای خودروهایی که از فولادهای مدرن که دارای قدرت و مقاومت بالایی هستند ساخته شده‌اند صدق می‌کند (که هنوز آن نیز اثبات نشده است) و حتی در این خودروهای جدید نیز ۷۵ کیلوگرم آلومینیوم در ساخت آنان استفاده شده است.

با توجه به تولید مواد، تولید خودرو و دفع ضایعات و قراضه آن و نیز مصرف سوخت در دوران عمر خودرو تخمین‌زده می‌شود یک خودروی کوچک در طول عمرش ۵۰تن CO۲ تولید می‌کند، یک خودروی متوسط ۷۰-۶۰تن و یک SUV ت۸۰ تن یا بیشتر تولید خواهد داشت.

از این میزان گاز CO۲ تولید شده ۸۰درصد در زمان استفاده خودرو، ۵۰درصد در زمان ساخت خودرو، ۱۵درصد مربوط به مواد آن و یک‌درصد در زمان دفاع آن است که گاز CO۲ تولید می‌شود.

منبع: Times Into