Conjunto de datos sobre la circularidad anual de la chatarra metálica de la industria del titanio en China de 2005 a 2020

Datos científicos volumen 10, número de artículo: 435 (2023) Citar este artículo

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Detalles de métricas

Los productos de titanio, considerados un metal estratégico por muchos gobiernos nacionales, desempeñan papeles importantes e irremplazables en aplicaciones militares y de defensa nacional. China ha construido una cadena industrial de titanio a gran escala y su estado y vías de desarrollo afectarán en gran medida al mercado global. Varios investigadores contribuyeron con un conjunto de datos estadísticos confiables para cerrar la brecha de conocimiento en la evaluación del diseño industrial y toda la estructura de la industria del titanio de China con poca información bibliográfica sobre el manejo de chatarra de metal en los fabricantes de productos de titanio. Para cerrar esta brecha de datos, presentamos un conjunto de datos de circularidad anual de chatarra de metal para descubrir la evolución actual de la industria del titanio en China, que contiene esponjas de titanio de mala calidad, chatarra de titanio de baja calidad y virutas de titanio recicladas de alta calidad con la circularidad relevante. de la industria del titanio en China a nivel nacional de 2005 a 2020.

Las aleaciones de titanio se destacan principalmente por su alta resistencia específica y excelente resistencia a la corrosión, lo que explica sus aplicaciones preferenciales y críticas en la industria aeroespacial, la defensa nacional y aplicaciones militares como materiales estructurales clave para el servicio a largo plazo1,2. Por lo tanto, existen severas barreras tecnológicas para la fabricación de titanio y aleaciones a base de titanio, aunque muchos gobiernos nacionales los consideran recursos estratégicos1.

China desempeña un papel minúsculo en el mercado mundial del titanio y sólo comparte (0,8~4,5%) la capacidad mundial de producción de esponjas de titanio entre 1995 y 20043,4. Y la industria del titanio de China ha experimentado un desarrollo significativo para alcanzar su excelente desempeño económico y convertirse en un productor y consumidor decisivo de titanio a nivel mundial desde 2005. Su participación en la capacidad de producción global de esponja de titanio, el principal metal de titanio, aumentó del 8,4% en 20055 al 48,7 % en 20206, seguido de Japón (21,2 % en 2020), Rusia (14,3 % en 2020), Kazajstán (solo 8,0 % en 2020), EE. UU. (solo 4,0 % en 2020) y Ucrania (solo 3,7 % en 2020)6 , y cubren el requisito actual mundial de esponjas de titanio, que se detalla en la Fig. 1. Y China también produjo alrededor de 123,0 mil toneladas de esponjas de titanio en 2020, lo que es responsable de más del 55,0% de la producción total de esponjas de titanio7. China ha desempeñado un papel dominante en la cadena de suministro mundial de titanio. China también experimenta un rápido crecimiento en productos de aleación de titanio, mientras que su tasa de crecimiento anual promedio supera el 16,5% desde 2001. Y China también ha sido el principal consumidor de la cadena mundial de consumo de titanio. Mientras tanto, la tasa de crecimiento anual de la demanda interna de productos de aleación de titanio promedió alrededor del 20,0% desde 2001 y compartió el 46,0% de la demanda global de esos productos en 2020. Es probable que este rápido aumento causado por la industria aeroespacial y la defensa nacional continúe. crecerá en las próximas décadas, lo que impondrá nuevas exigencias a la seguridad del suministro de productos de titanio. Por lo tanto, el estado y las vías de desarrollo de la industria del titanio de China tendrán un impacto significativo en el mercado de todo el mundo7,8.

Capacidad de producción global de esponja de titanio de 2001 a 2020.

Aunque China ha construido una cadena industrial de titanio a gran escala, todavía es débil en las aleaciones de alta gama basadas en titanio y necesita una mejora urgente8,9. Y sólo los gobiernos regionales individuales han presentado varios planes y políticas de desarrollo para regular sus industrias del titanio, todavía se han llevado a cabo pocas políticas a nivel nacional para explorar la estrategia de desarrollo de la industria del titanio de China y las industrias relacionadas para fortalecer la gestión de recursos, las bajas emisiones de carbono. y el desarrollo a largo plazo de alta tecnología. Para cerrar la brecha de conocimiento en la evaluación del diseño industrial y toda la estructura de la industria del titanio de China, varios investigadores contribuyeron con un conjunto de datos estadísticos confiables7,10 que son la base para establecer la estrategia de desarrollo nacional de la industria del titanio de China. Sin embargo, obtuvieron poca información bibliográfica sobre la gestión de chatarra de metal en los fabricantes de productos de titanio, lo que conduciría a una mayor incertidumbre en el análisis del flujo de material para la esponja de titanio. También hay pocos intentos de cuantificar la circularidad de la gestión de residuos y la chatarra metálica dentro de la cadena de la industria del titanio en China7,9,10,11. La gestión de la chatarra de titanio sería particularmente vital para expandir los recursos de titanio virgen y sería beneficiosa para optimizar la eficiencia de los recursos de China11, lo que también es valioso para los economistas de recursos y los responsables de políticas estratégicas regionales.

Dada la importancia de cuantificar la chatarra y su circularidad, presentamos un conjunto de datos de circularidad anual de la chatarra para descubrir la evolución actual de la industria del titanio en China, que contiene chatarra de titanio de baja calidad no reciclada y virutas de titanio recicladas de alta calidad con la circularidad relevante en a nivel nacional en China de 2005 a 2020.

El límite espacial de este conjunto de datos cubre todo el territorio de China continental, excepto las regiones de Hong Kong, Macao y Taiwán12,13. Para períodos anteriores al año 2005, los datos estadísticos sobre el conjunto de datos de productos de titanio están incompletos y China desempeña un papel minúsculo en el mercado mundial de productos de titanio. Por lo tanto, el límite temporal se refiere al período de 2005 a 2020 para garantizar la integridad y autoridad de los datos recopilados en este descriptor.

Los productos de titanio se dividen en cuatro categorías según su ciclo de vida: esponja de titanio, lingotes de titanio, molinos de titanio y productos de titanio. El tetracloruro de titanio reacciona con el magnesio líquido y luego se refina mediante destilación al vacío para eliminar los contaminantes distintos del titanio y formar una estructura de esponja14,15. El producto final se denomina esponja de titanio. Una cantidad considerable de esponja de titanio fuera de calidad, que constituye del 10,0 % al 20,0 % de la producción anual, se genera y actualmente se utiliza como una adición de aleación a aceros especiales estabilizados con titanio, o bien se recicla directamente en ferrotitanio16,17.

Luego, primero se predensifican la esponja de titanio y las virutas de metal en trozos pequeños en una prensa hidráulica y luego se ensamblan en un electrodo que se vuelve a fundir al menos dos veces bajo argón a baja presión en un horno de fusión por haz de electrones o en una refundición por arco consumible al vacío. horno18. Los desbastes, barras y materiales laminados planos formados por forja son los productos semiacabados para los desbastes y placas laminadas en las instalaciones de laminación19. En este estudio, los productos intermedios, llamados laminadores de titanio, incluyen más de seis categorías de desbastes y placas, barras, tubos, alambres, piezas forjadas, piezas fundidas y otros productos laminados.

Los molinos de titanio se procesan posteriormente para fabricar productos de uso final. Los escenarios de aplicación para el uso terminal de productos de titanio se clasifican en industria química, industria aeroespacial, industria marina, industria metalúrgica, industria energética, instrumentos médicos, fabricación de sal, industria oceanográfica, deportes y ocio, y otros.

Los procesos de mecanizado de lingotes y molinos de titanio generan una gran cantidad de virutas de titanio inmediatas, que representan aproximadamente entre el 25,0% y el 40,0% de la producción de lingotes de titanio. Además, las virutas de titanio de alta calidad con bajas impurezas de O y Fe se vuelven a fundir para obtener lingotes de titanio o incluso placas. Y las virutas de baja calidad, entre el 10,0% y el 25,0% de esa producción, también se utilizarían como elemento de aleación en la industria del acero20. Debido al hecho de que la mayoría de las incorporaciones de titanio todavía están en servicio, pero la tecnología de reciclaje atrasada, el volumen de chatarra al final de su vida útil es bastante bajo, menos del 1,0% y su reciclaje no es importante a escala industrial en esta etapa en China19. La vida útil de los productos de uso final tiene poco impacto en la determinación de la circularidad de la chatarra en la etapa actual. Por lo tanto, el principal recurso de chatarra de titanio reciclado se genera en el proceso de fabricación de lingotes y molinos de titanio, en lugar de los productos de titanio en uso posconsumo.

Los detalles de los productos de titanio y la chatarra de titanio relevante, la esponja de titanio de baja calidad, la chatarra de titanio de baja calidad y las virutas de titanio de alta calidad se muestran en la Tabla 1 y la Figura 2.

Ciclo de vida de los productos de titanio y gestión y reciclaje de chatarra de titanio.

El total de virutas de titanio reciclado y la evaluación de la circularidad de la chatarra de titanio se estiman en la Tabla 2.

Los datos de producción nacional anual de 2005 a 2020 se consultan principalmente de la literatura anual publicada, la Rama de Titanio, Circonio y Hafnio de la Asociación de la Industria de Metales No Ferrosos de China (CNIA-TI), o las publicaciones anuales del USGS (Fig. 3). Por la diferencia, el principio general es dar prioridad a la adopción de estadísticas oficiales de la literatura china y de la Asociación China de la Industria de Metales No Ferrosos. La chatarra de titanio en diferentes etapas de la producción práctica se obtiene a través de nuestras investigaciones de campo y consultas con expertos relevantes (Fig. 4). Estos datos se consideran datos primarios. Las incertidumbres relativas de los datos primarios son muy bajas, se considera igual o inferior al 2,0%7, mientras que esos datos se recopilaron de informes estadísticos oficiales y literatura publicada.

Producción nacional anual de esponjas de titanio, lingotes de titanio, molinos de titanio y productos de titanio de 2005 a 2020.

Virutas y chatarra no reciclada recicladas anualmente en la cadena industrial de productos de titanio de China de 2005 a 2020.

Los datos secundarios, las virutas de titanio recicladas de alta calidad y los diversos coeficientes generalmente se calculan a partir de los datos estadísticos primarios o de informes anteriores y son estimados por expertos industriales. Y las incertidumbres relativas resultantes de los datos secundarios se calculan mediante métodos de propagación de errores, una alternativa más rápida y confiable que el método de Monte Carlo dentro de los mismos indicadores7,21. Los detalles de los recursos de datos y sus incertidumbres relevantes se enumeran en la Tabla 3.

La base de datos contiene datos primarios y secundarios anuales sobre productos de titanio en China de 2005 a 2020. Los datos primarios se registran como capacidad operativa, producción anual y chatarra de titanio de esponja de titanio, lingotes de titanio, molinos de titanio y productos de titanio. Los datos secundarios se registran como virutas de titanio recicladas de alta calidad y las proporciones de esponja de titanio fuera de calidad, chatarra de titanio de baja calidad y virutas de titanio recicladas de alta calidad para cada producto de titanio.

La base de datos completa se cargó y está disponible públicamente en el repositorio de Figshare y se denomina “Conjunto de datos de circularidad anual de chatarra metálica de la industria del titanio en China de 2005 a 2020”22, que constaba de cinco archivos de Excel (Tabla 4).

Dado que no existe un conjunto de datos directamente comparable para este proceso de validación, la validación de chatarra y virutas de titanio para lingotes y molinos se muestra en primer lugar en la Fig. 5. La proporción de virutas inmediatas recicladas se mantiene en 24,3%, 25,8% y 23,5% en el Suministro de materia prima para la fabricación de lingotes de titanio en los años 2010, 2015 y 2020, respectivamente. Aunque las virutas de titanio reciclado reducen en cierta medida la dependencia de la esponja de titanio de alta calidad para China, todavía es débil en comparación con Japón19, que se mantuvo en un 40% en 2007. En segundo lugar, la esponja de titanio de mala calidad, la chatarra de titanio de baja calidad , y las virutas de titanio de alta calidad demostraron correlaciones positivas significativas con la producción nacional de productos de titanio relevantes (Fig. 6), lo que indicó que no se introducirían incertidumbres importantes en este conjunto de datos sobre chatarra de metal anual y la circularidad relevante de la industria del titanio en China desde 2005. hasta 2020.

Correlaciones entre la chatarra de titanio y la producción nacional de (a) esponja de titanio de baja calidad, (b) chatarra de lingotes de titanio de baja calidad, (c) chatarra de titanio de baja calidad, (d) virutas de lingotes de titanio de alta calidad, (e) virutas de titanio de alta calidad, y (f) virutas de titanio recicladas de alta calidad.

Se hicieron grandes esfuerzos para garantizar la confiabilidad del conjunto de datos de flujo de titanio de China; sin embargo, la falta de resultados estadísticos disponibles para el uso de chatarra de titanio de baja calidad para esponjas de titanio, lingotes de titanio y productos de molienda de titanio provocó que sus usos no fueran se muestra detalladamente en este descriptor de datos. Estas deficiencias deben ser consideradas por los usuarios.

No se utilizó ningún código en la generación de los datos de este trabajo, únicamente se emplea Microsoft Excel para procesar todos los datos.

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El autor agradece el apoyo financiero recibido de la Fundación de Ciencia y Tecnología de la Provincia de Guizhou [números de subvención QKHJC-ZK 2021-YB 261 y QKHJC 2019-1406], la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China [número de subvención 51874108], los Proyectos de Talento de Universidad de Guizhou y el Departamento de Educación de la provincia de Guizhou [número de subvención GDPY 2019-20 y QJHKYZ 2021-097]. Y el autor agradece a los ingenieros senior Qiang Liang y Lvguo Zhang de Zunyi Titanium Co., Ltd por sus valiosos debates y consejos.

Fuzhong Wu

Dirección actual: Escuela de Materiales y Metalurgia, Universidad de Guizhou, Guiyang, 550025, China

Escuela de Materiales y Metalurgia, Universidad de Guizhou, Guiyang, 550025, China

Wenhao Wang

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Conceptualización, Metodología, Validación, Análisis formal, Recopilación de datos, Visualización, Adquisición de fondos, Redacción, Revisión y Pulido: WW; Adquisición de financiación: FW

Correspondencia a Wenhao Wang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Wang, W., Wu, F. Conjunto de datos sobre la circularidad anual de la chatarra metálica de la industria del titanio en China de 2005 a 2020. Sci Data 10, 435 (2023). https://doi.org/10.1038/s41597-023-02351-4

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Recibido: 07 de enero de 2022

Aceptado: 30 de junio de 2023

Publicado: 06 de julio de 2023

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

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