青岛市能源强度（共7篇）（共7篇）
1.青岛市能源强度 篇一
我国产业结构变化对GDP能源强度上升的影响及趋势分析
我国自1980到,GDP的能源强度下降了66%,能源消费弹性仅为0.41,节能取得巨大成效.但本世纪以来,已经持续三年能源弹性大于1.0,GDP的能源强度呈急剧增长的势头.其原因究竟何在?这是未来相当长时期的发展趋势还是特定发展阶段的`短暂现象?本文定量分析了近几年产业结构变化对GDP能源强度提高的影响,认为近几年GDP能源强度的上升主要是由于工业特别是重化工业比重在国民经济产业结构中迅速增加的变化过程中所引起能源消费增长阶越式变化所致,并与日本上世纪六七十年代工业化快速发展阶段的GDP能源强度的变化趋势进行了比较分析.这种急剧的结构性变化会导致一定时期较高的重化工业比例,但在其稳定后相应GDP的能源强度也不会再持续上升,其后随同产业结构的战略性调整,产业技术升级以及节能和能源利用效率提高,GDP的能源消费强度仍会继续像前一样呈现持续稳定下降的趋势,只要政策得力,这种过渡的时间不会持续太久,“十一五”末期GDP能源强度比“十五”末期下降20%左右的目标是可能实现的.
作 者：何建坤 张希良 作者单位：何建坤(清华大学现代管理研究中心)
张希良(清华大学能源环境经济研究院)
刊 名：环境保护 PKU CSSCI英文刊名：ENVIRONMENTAL PROTECTION 年，卷(期)： “”(12) 分类号：X3 关键词：产业结构 能源强度 趋势分析
2.青岛市能源强度 篇二
目前,关于能源利用的研究已经受到了我国学者们的广泛关注,其中,能源强度的研究已经积累了大量的成果。概括起来主要有两方面:从“指数分解”技术角度来研究能源强度的变化。林伯强等[2]在数分解法(IDA)和生产理论分解法(PDA)的基础上提出了一个综合的分解框架,并对能源强度变化的驱动因素进行了分析。以“指数分解”技术、产业或行业角度为基础的能源强度研究仅从两个不同的维度来论证能源强度变化的内在机理,它只能够说明能源强度的变化状态,但却忽略影响能源强度的外部因素。
从产业或行业角度研究能源强度与差异性。韩智勇等[3]将能源强度变化分解为结构份额和效率份额,并提出了结构份额和效率份额的计算方法,对我国能源强度变化中的结构份额和效率份额进行了定量分析,说明了我国能源强度下降的主要动力来自于各产业能源利用效率的提高。周勇等[4]采用适应性加权迪维西亚指数分析法对我国1980—2003年期间能源强度的变化因素进行了分解,结果表明,产业结构因素和产业部门能源强度因素对我国总能源强度差异作用显著。刘畅等[5]应用协整模型和误差修正模型研究了不同区域各种经济因素与能源消耗强度之间的关系,结论表明就能源消耗强度的长期趋势和短期波动而言,产业结构及能源消费结构对高能耗区域的影响很大,高能耗区域通过结构调整有更大的节能空间。齐志新等[6]认为中国的能源强度与世界发达国家相比偏高不仅仅是技术上的差距,产业结构、产业部门内的产品结构和增加值率等3个因素都是经济因素的影响。
从区域角度,角度研究能源强度与差异性。李国璋等[7]利用对数平均D氏指数技术(LMDI)对1995—2005年中国能源强度变动进行区域因素分解,研究发现由区域内能源强度所显示的区域内技术进步因素是影响中国能源强度变动的决定因素。李善同等[8]采用结构分解方法对中国各地区能源强度的差异进行分解,研究了中国各地区能源强度差异的因素。他们认为,行业能源强度的差别是决定能源强度差异的主要因素。邱寿丰[9]运用完全分解模型,从省级区域、东中西部和经济发展不同组别等3类区域角度对我国能源强度变化的影响进行分解分析,得出了各省降低能源强度的一些具体建议。
目前,学术界的多角度研究已取得进展,为国家能源政策提出较多建议,但由于忽略地区能源强度与最优能源强度的差距即能源强度缺口及其影响因素,能源调控政策的针对性不强,地区政向指向不明。虽然采用数据包络方法研究能源效率文献不胜枚举,但研究过各地区的能源强度的缺口文献还鲜见。本文认为,能源效率是相对的,能源强度缺口的形成是由于技术、结构等因素所造成的,可以采取有效政策降低甚至消除能源强度缺口而处于最优状态。鉴于此,本文以数据包络分析方法,利用我国2003—2014年30个地区(西藏数据不完整)的面板数据测度地区能源强度缺口,进一步应用计量经济学方法研究的能源强度缺口的决定因素,以此提出有区域差异能源效率政策。
1 事实描述
1.1 数据来源
本文的研究对象为2003—2014年全国30个地区(由于西藏的数据不完整所以不包括西藏自治区)的能源强度的缺口。根据生产理论,选取各个地区的资本、能源、劳动作为投入变量,各个地区的GDP作为产出变量,其中,资本指的是固定资本存量,其估算方法是首先将历年各个地区的总固定资产投资调整为2005年的价格;然后以1952年的投资总额为标准将各年的投资总额进行折算得到每年初始资本存量;最后根据张军的“永续盘存法”,以亿元为单位、以折旧率为9.6%进行计算,其中2014年的固定资本形成额用2014年的固定资本投资完成额替代,其余年份均由固定资本形成额折算而来,其原始数据来源于各地区的统计年鉴和《中国固定资产投资统计数典》。劳动指的是各地区年初和年末的就业人数的平均值(以万人为单位),其中2014年的从业人数有前5年平滑得出,其原始数据来源于各地区的统计年鉴。能源是以我国的各种一次性能源投入按标准煤折算加总而来的(以万吨标准煤为单位),其原始数据来源于各地区的统计年鉴。2014年的能源消费总量是由发改委发布的其各年的能源强度降低百分比与上一年的能源强度经GDP折算而来。地区的产出变量GDP的原始数据也来自于各地区的统计年鉴。GDP和固定资本存量分别经过各自的价格指数平减至同一基期,即2005年。
1.2 能源强度概况
根据各地区统计年鉴公布的数据,本文计算了中国的30个省份、自治区及直辖市2003—2014年的能源强度(见图1)。从图1中可以看到,2003—2014年,中国各地区的能源消耗强度是有着明显的下降。下降幅度居于前五位的地区是宁夏回族自治区、贵州省、山西省、甘肃省和吉林省,降幅分别为2.71、2.57、2.16、1.39、1.25,能源强度降幅最小的是福建省,降幅为0.3。从图2可以进一步看出各地区之间能源强度的差异。平均能源消耗强度最高的几个地区分别是宁夏回族自治区、贵州省、山西省、青海省和内蒙古自治区,平均能源强度最低的是福建省、广东省、上海市、江苏省和浙江省。平均能源强度最高的宁夏回族自治区,其能源强度是平均能源强度最低的两个地区———广东省和福建省的6.61倍,这表明了我国地区间的能源强度存在较大的差异。此外,在能源强度的波动中,波幅最大的为贵州省、陕西省、宁夏回族自治区3个地区,说明了这3个地区的能源强度下降是最快的;波幅最小的是福建省和江苏省两个地区,能源强度下降较小。
本文将中国分为东中西部三大地带,东部为北京、天津、上海、河北、辽宁、江苏、浙江、福建、山东、广东、广西、海南12个地区,中部为山西、吉林、黑龙江、安徽、江西、河南、湖北、湖南、内蒙古9个省区,西部为新疆、四川、贵州、云南、陕西、甘肃、青海、宁夏、重庆10个省区。根据图3可知,经济发达的东部沿海地区的能源强度明显比其他地区的能源强度低,在研究期内呈现出“自西向东,能源的消耗强度依次下降”的态势。具而言之,东部的能源强度明显的低于全国的平均能源强度,西部的能源强度明显的高于全国平均水平,中部比较接近全国平均水平;东部、中部西部三者之间的能源强度差距正在不断的缩小———从2003年的1.21∶1.86∶2.49下降到了2014年的0.66∶0.90∶1.28。从图3中的“全国变异系数”曲线可以看到,东中西部三大地带的能源强度的总体差异在2003—2010年是上升的,2011—2014年地区能源强度差异又有所下降,这表明“十二五”期间的“能源双控”政策确实取得了一定的成效。地区间的能源强度在“十二五”期间表现出了收敛的特性[8],西部的能源强度下降的速度最快,中部次之,东部的下降速度最慢。
2 地区能源强度缺口测算
2.1 理论模型
能源强度是能源规模与总产出的比值,其本质表示的一种能源效率,由于计算牵涉到生产理论,所以本文以Rashe等[9]和赵丽霞[10]研究的生产函数为基础,以投入为资本、劳动、能源三要素,产出为GDP[11]。
(1)式中的Y代表的是产出即GDP,代表的是全要素生产率,Xi代表的是投入要素(K为资本总存量,L为劳动数量,E为能源投入量)。
基于松弛变量测度的以面向投入的数据包络分析方法(Data Envelopment Analysis,DEA)可以理解为最大化的一种分析技术,它是通过控制产出的数量不变从而得出最少投入要素的一种方法。它是由Charnes等[12]于1978年提出来的不变规模报酬数据包络方法(CCR-DEA)的一种扩展,该模型直接反映了决策单元投入的过度程度,且这种投入的过度只受整个数据集的决策单元的影响,而与单独的决策单位无关,所以用该模型来测度生产过程中能源的无谓损耗具有绝对的优势。其目标函数和规划形式为:
将其分式规划形式转化成线性规划问题,并经过一些变换,可得如下的规划形式:
式(2)、(3)、(4)、(5)中,ρ表示效率的评价标准,m、s分别为输入的要素种类和输出的产品种类,分别由向量xj=(x1j,x2j,…,xmj)t和yj=(y1j,y2j,…,ymj)t向量表示,输入向量和输出向量的权向量v=(v1,v2,…,vm)为和μ=(μ1,μ2,…,μs),si-为投入的松弛变量,sr-为产出的松弛变量,Λ=tλ,S-=ts-,S+=ts+。其中,投入的松弛变量描述的是决策单元有效时应当减少的投入的数量;产出的松弛变量描述的是决策单元有效时应当增加的产出的数量。当si*-=sr*+=0时,则在现有的状态下决策单元是技术有效的;当si*-≠0或sr*+≠0时,则是技术无效的。根据松弛变量的大小,可以得到前沿面上决策单元投入和产出变量的目标值x'0=x0-s-。其中,投入变量的目标值,产出变量的目标值y'0=y0-s+。
2.2 能源强度缺口测算
在以面向投入的SBM模型中,松弛变量是描述投入变量的平均松弛程度,也就是决策单元的投入数量离生产前沿面的相对距离,它表示在现有的技术水平和生产环境下,在不减少产出的情况下能够减少的要素投入的数量。投入过多时会产生投入松弛即投入冗余,这时适当减少投入要素不会减少产出反而能提高效率。在前文中提到的“能源投入的目标值”即为能源投入的实际值减去冗余值,表达式为x'0=x0-s-。
笔者利用DEAP软件测算了能源在生产过程中的松弛变量,计算出了各地区相对最优能源消耗,由相对最优能源消耗和GDP的比值可得出相对最优能源强度。从图4看出,2003—2014年,中国各地区的最佳能源消耗强度随着技术的提高有着明显的下降,且地区间的最佳能源强度的差距有所缩小。与各个地区的实际能源强度相比,各省在现有的技术水平和环境下,除了北京、福建、上海、广州、辽宁、安徽、云南达到了一个相对有效的能源强度外,其他的省份都没能达到相对的最佳能源强度。由于SBM模型是测度相对投入或产出的无谓损失值,即地区在现有的技术水平上所能达到的最小投入量或最大产出量,无谓的损失是由技术的无效性和社会摩擦所造成的,如果能减少这种影响将会明显的提高能源的利用效率。
鉴于此,接下来测度了能源利用过程的效率损失及能源强度的缺口。它等于现实达到的能源强度减去它在现有的技术水平和生产环境下,为达到能源利用的有效水平所需的最优能源强度,其结果见表1。
万吨/亿元
虽然2003—2014年,各地区的能源强度缺口明显下降,但某些地区的能源强度缺口还相当大,能源强度缺口超过“1”的地区有山西、内蒙古、贵州、甘肃、青海、宁夏、新疆,其中宁夏和山西的能源强度缺口达到了1.76万吨标准煤/亿元和1.53万吨标准煤/亿元。能源强度缺口相对有效的地区有北京、福建、上海、广州、辽宁、安徽、云南,而其他的地区能源强度都存在一定的缺口。从东中西部和全国的角度来看,其能源强度缺口都随着时间的推移而减少。其中,西部的能源强度缺口最大,这与西部的经济水平和技术水平密不可分;中部的能源强度缺口次之,和全国水平相近;东部的能源强度缺口最小。从全国的能源强度缺口变异系数来看,2003—2010年全国的能源强度缺口差异是上升的,而2011—2014年全国的能源强度缺口差异有所下降(见图5)。
3 能源强度缺口影响因素的计量分析
3.1 变量的选择与说明
由于所测度出来的能源强度缺口是一个相对指标,所以在研究其影响因素实时自变量应全为相对指标,且应与能源强度缺口有因果关系,因此,选取如下指标:(1)产业结构。各地区第三产业总产值占GDP的比重(IS)来表示,一般说来高端的产业一般能耗都较小,史丹等[13]认为产业结构的提升能有效地提升能源效率。(2)对外开放程度。选取进出口总额占GDP的比重(FO)来表示,魏楚等[14]研究了对外开放程度对能源效率的影响,但结果却各不相同,所以对外开放程度对能源强度缺口提升可能存在正的影响,也可能存在负的影响,这取决于本国的经济水平和国外的经济水平。(3)经济水平。用人均GDP取对数(log(PCGDP))来表示,对于经济水平对能源效率的影响,国内外都有人进行过研究,且结果都表明经济水平越高的地区,能源的利用率越高。(4)政府影响力。选取财政支出占地区GDP的比重(GOV)来表示,政府的干预可能对能源强度缺口有正的影响,也可能是负的。魏楚等[14]研究了政府的影响对全要素能源的提升是有抑制作用。(5)技术水平。一般说来能源效率的提高与技术进步是密不可分的,本文将利用R&D的投入经费占GDP的比重(TP)来表示技术水平。(6)生产要素禀赋水平。用生产函数中的资本存量除以劳动力取对数(log(K/L))来度量生产要素水平,由于造成地区的经济社会差异的一个主要原因就是地区的资源禀赋不同,一些地区的禀赋会对能源效率产生正的作用,一些会有负的作用。上述变量中,GDP、第三产业产值、进出口总额,财政支出的数据都来源于《中国统计年鉴》,R&D投入经费的原始数据来自于国家统计局及《中国科技统计年鉴》。这些指标预期对能源强度缺口的影响见表2所示。
注:1)+表示对能源强度的缺口有拉升作用;2)-表示对能源强度缺口有填补作用
3.2 计量模型分析
由于模型的研究时间跨度不长,所以考虑用面板数据截距项变动的固定效应模型来研究能源强度缺口。其模型为:
(6)式中,Insuff为能源强度缺口,C为公共截距,Ci为各地区的截距差异,(C+Ci)+Ci)为各地区除了模型中的影响因素以外的其他影响因素综合。βi表示的是各个因素对能源强度缺口的边际影响,各地区是相同的,不存在结构变化。εi,t表示的是随机误差,t表示时期。
3.3 参数估计
本文对全国和东中西部3个区域进行了回归分析(见表3)。从全国来看,它的被解释变量在5%的显著平下全都是显著的。技术进步、经济水平、产业结构的系数是负的,表明了在研究期内技术的创新、经济水平的改善、产业结构的升级与优化对能源强度缺口的降低有重要作用。对外开放程度、政府影响力、资源禀赋水平的系数是正的,说明了在研究期内各地区开放程度的扩大、政府的干扰和资源禀赋水平的变化对能源强度的缺口有增大的作用。
在研究期内,就其对填补能源强度缺口的因素来讨论。首先,在所有的影响因素中技术进步的系数是最大的。从结果中可以看到当科技与研究经费在GDP中的投入比重每上升一个百分点时,能源强度的缺口将缩小9.22个百分点左右,这说明了技术是研究期内改善能源利用效率的最主要因素。其次是经济水平对能源强度的降低作用。当经济水平每上升一个百分点时,能源强度的缺口将缩小2.37个百分点左右。最后,地区产业结构的升级及改善对能源强度的缺口有填补的作用,第三产业在GDP中的比重每上升一个百分点,能源强度的缺口将缩小1.06个百分点。
注:—为5%水平下不显著的变量
就其对拉升能源强度缺口的因素来讨论,政府影响和资源禀赋水平对能源强度缺口有负向作用。在研究期内政府的干扰和资源禀赋水平的变化都降低了能源的利用效率,可以看到当政府支出在GDP中的比重每上升一个百分点和劳动资本比每变化一个百分点时,能源强度的缺口将增大1.85个百分点和1.39个百分点左右。此外,在模型中,对外开放水平对能源利用效率缺口的影响是很小的,说明了外资的引进对当前我国经济环境下的能源效率影响很小;就截距项来说,外部环境对地区能源缺口有增大效应,其主要原因是生产外部不可避免的摩擦所致。
从东中西三大区域来说,东部地区的产业结构、经济水平和资源禀赋水平对能源强度缺口有显著的影响,其中产业结构对其影响最大,且是东部地区在所有因素中最大的,它表明了东部在研究期内,能源强度的缺口主要是由产业升级来填补的。中部地区的政府影响力、经济水平、资源禀赋水平对能源强度缺口有显著的影响。由变量的系数可知,中部地区存在着较大的政府干预对能源利用效率的影响,且中部想要降低能源强度的首选之策是提高经济水平。西部地区经济水平、资源禀赋水平和技术进步对能源强度缺口有显著的影响,其中技术进步是西部近年来能源缺口降低的重要原因。
鉴于以上的研究,我国在“十三五”期间应大力鼓励技术创新,提升产业结构,提高经济水平,增加就业水平,减少政府干预来降低能源强度缺口,提高能源的利用效率。但中部对能源强度缺口的填补应重点从产业结构的改善与升级着手,应着重减少政府影响对能源利用效率的干扰。西部应突出提高能源利用技术生产水平的发展。资源禀赋水平和常数项的结果表明了我国现今存在就业不足和外部摩擦严重的现状。
4 结论及含义
3.青岛市能源强度 篇三
摘要 在发展低碳经济的趋势下，新疆过高的能源强度成为其自身发展和全国节能工作的“短板”，会给我国的节能减排工作造成越来越难以解决的障碍，因此新疆面临严峻的节能减排挑战。能源强度（单位GDP能耗）是一个地区能源综合利用效率指标，受到多方面因素的影响。本文编制了1992、1997、2002和2007年新疆30部门能源投入产出表，采用投入产出结构分解方法（SDA），全面并深入分析GDP变动、单位产出能耗（即直接能源消耗系数）、技术变动和最终需求（包括消费规模、消费结构、投资规模、投资结构和净出口）变动对新疆生产能源强度的影响效应，并基于节能降耗角度分析技术变动和最终需求对产业结构变动的影响效应。结果表明：1992-2007年技术变动、消费规模、消费结构、投资规模和投资结构均对新疆生产能源强度的降低起抑制作用，并推动了产业结构中低能耗部门比重的下降。最后结合测算结果与新疆资源经济的特殊性，从技术投入、投资与消费引导以及民生扶持等方面提出了新疆能源强度治理策略建议。
关键词 能源强度;生产能源强度;投入产出结构分解方法（SDA）
中图分类号 X321文献标识码 A文章编号 1002-2104(2012)05-0139-08
4.青岛市能源强度 篇四
能源和环境是当今世界全人类共同关注的战略问题, 也是影响我国社会经济发展的重要问题。在20世纪最后的20年里, 随着经济的高速发展我国能源消费量超过了14亿吨标准煤, 仅次于美国, 成为了世界上第二能源消费大国, 大量的能源消耗造成了严重的环境污染。而目前我国正处于资源消耗量大、污染排放重的时期, 而且又没有发达国家工业化高速发展时享有的廉价资源供应量和环境容量, 这意味着我国的能源短缺压力、环境污染压力巨大[1]。
多年来, 很多研究对能源消耗和环境质量的关系进行了一些经验分析或简单的统计分析。John Cuddihy 等人 (2005) 对加拿大地区的能源利用情况进行了研究, 结果表明能源消耗直接并极大的影响了环境质量[2]。 B.K.Bose (2000) 分析了在过去的四十年里, 全球能源的生产和消耗产生了极大的环境污染[3]。国涓 (2008) 给出了我国1989—2002年的能源消费及主要大气污染排放情况统计表, 根据统计资料显示, 我国的SO2与烟尘排放量随能源消费总量的上升而上升, 认为排放量与能源消费量呈高度正相关关系, 从而认为我国大气环境污染与能源消费有直接的关系[4]。在现有分析的量化方法中, 大都采用数理统计的方法, 如回归分析、方差分析、指数分析等方法。也有学者运用灰色系统理论的灰色关联分析对能源消费与环境污染排放量进行分析和比较, 从而推出能源消费与环境污染之间存在高度相关关系 (Sue J.Lin, et al 2007) [5]。
由于环境具有承载力, 能源消耗造成环境污染并不是立即产生的, 而是会受到滞后期数的影响。而对于能源消耗对环境污染的冲击响应问题已有的研究并没有进行深入地探讨。基于此, 本文以青岛市为例, 运用主成分分析法分别对能源消耗和环境污染进行测度, 获得能源消耗和环境污染的综合评价, 然后利用格兰杰因果分析和脉冲响应函数分析能源消耗与环境污染之间的响应关系。
2 能源消耗和环境污染的指标选取和来源
环境污染和能源消耗的评价指标是非常多的, 根据指标的全面性、综合性、科学性、易得性和可操作性原则, 我们选择青岛市废水总排放量、工业废水排放量, 工业废气排放量和工业固体废弃物排放量作为综合评价环境污染的指标;选择了青岛市的煤炭消耗量、石油消耗量、天然气消耗量、电力消耗量作为能源消耗的综合评价指标。这些指标能够涵盖到人类经济文化生活的各个方面, 与经济存在紧密联系。
我们选择1985—2007年的废水总排放量、工业“三废”排放量、能源消耗量, 数据来自《青岛统计年鉴》 (1986年—2008年) , 其中石油消耗量是各年份的原油、燃料油、汽油、煤油和柴油的总和。
3 运用主成分分析法对能源消耗和环境污染进行综合评价
主成分分析 (Principal Component Analysis, 简称PCA) 是数学上降维处理的一种方法.就是设法将原来指标通过恰当的数学变换组合成一组新的相互无关的新变量, 同时根据需要从中选取几个较少的综合新变量尽可能多的反映原来指标的信息[6]。
3.1 对环境污染进行综合评价
运用MATLAB 7.0软件, 对环境污染水平进行主成分分析, 得到表1的结果:
从表1中可以看出, 前两个主成分的累计贡献率达到了97.56%, 超过了85%的累计贡献率标准。取前两个主成分进行分析。把前两个主成分的累计贡献率定为1, 算出两个方差贡献率T1, T2所对应的新的T'1, T'2, 即为各主成分指标的权重值;然后计算前两个主成分得分矩阵Yij (i=1, 2, ……23;j=1, 2) , Yij表示第i个年份第j个指标的单项评价值。根据多指标加权综合评价模型
根据环境污染综合评价的得分, 绘图1如下:
图1反映了环境质量恶化的状况, 从1985—2007年环境恶化状况处于逐渐攀升并伴有小幅波动的态势, 在横坐标为4处和7处即1988年和1991年各有极小值点, 整体环境质量处于不断恶化的趋势。
3.2 对能源消耗进行综合评价
对能源消耗的主成分分析结果如表3所示:
从表3中可以看出, 前两个主成分的累计贡献率达到了94.9%, 超过了85%的累计贡献率标准。因此取前两个主成分进行分析, 得到主成分综合得分如表4:
能源消耗的综合评价值走势图如图2:
图表反应了能源消耗的状况, 从1985—2007年, 能源消耗量处于逐渐攀升并伴有小幅波动的态势, 在横坐标点14和19处即1998年和2003年各有极小值点, 整体能源消耗量在不断上升。
4 青岛市能源消耗与环境污染的格兰杰因果分析检验
采用前面测算出的环境污染综合评价得分和能源消耗综合评价得分来分别代表青岛市历年环境污染状况和能源消耗状况, 进行格兰杰因果分析。1969年格兰杰 (Granger) 提出了格兰杰因果性检验, 能够判断变量间是否存在因果关系, 该因果检验式如下:
式子中, xt和yt为两个平稳时间序列, u1t为随机扰动项, αi和βi为系数, 滞后期k的选择是任意的。上述检验可用F统计量完成。
其中SSEr表示施加约束 (零假设成立) 条件后模型的残差平方和。SSEu表示不施加约束条件下模型的残差平方和, k表示最大滞后期, T表示样本容量。在零假设成立条件下, F统计量渐近服从F (k, T-2k) 分布。用样本计算的F值如果落在临界值以内, 接受原假设, 即xt对yt不存在格兰杰因果关系[7]。
4.1 单位根检验
如果随机变量是非平稳序列, 进行格兰杰因果检验时有可能会出现伪回归的现象, 所以在进行格兰杰因果性检验之前要先检验时间序列是否是平稳序列[8]。我们采用ADF检验法来检验时间序列的非平稳性, 采用如下自回归模型检验单位根
DF检验是1979年由Dickey和Fuller提出的。因为上式中含有Dyt的滞后项, 所以对yt的非平稳性检验 (H0:ρ=0) 称为增项DF检验或ADF检验[7]。
利用软件Eviews5.1, 分别从含有漂移项和趋势项 (Trend and Intercept) 、只含漂移项 (Intercept) 、无附加项 (None) 三方面对能源消耗和环境污染分别进行单位根检验, 分析结果如表5:
(表中的结论部分, 对于显著性水平α=0.01、0.05、0.1都是符合的)
DE和DN分别是环境污染水平 (E) 和能源消耗量 (N) 的一阶差分序列。从表中可以看出, 环境污染和能源消耗量都为不平稳时间序列, 经过一阶差分之后在含有漂移项和趋势项、只含漂移项的情况下都是平稳的, 且Prob<0.05可以认为漂移项和趋势项对应系数都不为零, 所以E和N的一阶差分序列都为含有漂移项和趋势项的平稳时间序列, 所以E和N都具有一阶单整性, E～I (1) , N～I (1) 。 检验结果如图3:
通过图3, 可以很直观的看到经过一阶差分, E和D都表现出了平稳特征, 因此通过图3我们也可以断定E和D都具有一阶单整性。
4.2 格兰杰因果分析
根据格兰杰因果分析的条件, 由于E与N都是一阶单整序列, 我们便对它们的一阶差分序列进行格兰杰因果分析, 检验结果如表6:
从表中可以看出, 在滞后期为6的时候, F值为6.68, 原假设能源消耗不是环境污染的格兰杰原因 (DN does not Granger Cause DE) 被拒绝, 所以, 能源消耗是环境污染的格兰杰原因。两个原假设在其他的情况下都被接受, 这说明, 能源消耗造成环境污染受到滞后期数的影响, 即能源消耗并不能立刻产生环境污染, 而是具有时滞性。这是因为环境本身也是有承载力的, 能够容纳一定量的污染, 甚至在生态没有被破坏的时候, 一部分污染还可能被吸收。只有在环境污染超出了环境承载力的时候, 环境污染状态才明显的表现出来了。
5 青岛市能源消耗与环境污染的脉冲响应函数分析
脉冲响应函数是指在向量自回归 (VAR) 模型中 , 在扰动项上加一个标准差大小的冲击, 通过变量之间的动态联系对变量的当前值和未来值带来影响。即脉冲响应函数将描述系统对某一变量扰动的一个冲击 (或新生) 所做出的动态反应 , 并从动态反应中判断变量间的时滞关系[9]。
运用Eviews5.1, 首先建立VAR模型估计, 证明其用环境污染 (DE) 和能源消耗 (DN) 作为内生变量是一个平稳模型 (详细过程和结果略) , 并描绘了脉冲响应函数曲线, 具体结果如图4:
注:横轴表示冲击作用的滞后期数, 纵轴表示环境污染增长状况的变动, 实线表示脉冲响应函数, 虚线表示正负两倍标准差的偏离带
从图4可以看出, 环境污染对来自自身的一个标准差新息立刻有较强反应, 污染增加量上升约60%, 而后开始下降, 到第二年达到最低变动值约-38%;随后开始上升, 到第四年又开始下降, 从第五年又开始上升, 呈现出明显的弦波形态。最后保持在0的稳定水平, 呈现出永久性效应。
本期给能源消耗增长量 (DN) 一个单位Cholesky标准差新息的正向冲击, 污染增加量 (DE) 在初期没有反应, 而后开始变动, 这与格兰杰因果分析的结果是一致的。随后开始上升, 到第三年达到最大值, 增长约10%, 随后到第四年之前一直下降到最低值, 约-10%, 而后又开始上升;之后又下降, 呈现出明显的正弦波形态。最后保持在0的稳定水平, 呈现出永久性效应。这表明到最后如果能源消耗增加量不变, 环境污染增加量也会不变, 即环境污染水平保持在某一个稳定的水平, 而不会减少。说明能源消耗对环境污染影响的滞后性, 并且其影响具有持久性。所以从长久的利益看来能源消耗量的增长对环境质量是很不利的。
6 结论
本文选取青岛市1985年至2007年的资料时间序列, 运用主成分分析、格兰杰因果性检验、脉冲响应函数对能源消耗和环境污染关系进行分析, 得到如下结论:
⑴存在能源消耗到环境污染的单向的格兰杰因果关系, 但是受到时滞的影响, 因为环境本身具有承载力, 能源消耗造成污染的数量在环境容量内的时候, 环境污染的状态没有表现出来, 只有当污染量超过环境的最大容纳量, 环境的生态平衡和正常功能才会遭到破坏。
⑵能源消耗对环境污染冲击的响应模式呈现出正弦波形态, 具有大致为6年的周期性。
⑶在污染数量超出了环境承载力时, 能源消耗的一个外部冲击对环境污染水平的影响在较长时期内不会恢复到初始水平 , 呈现出永久性效应。
所以, 我们在发展国民经济的时候, 不能仅靠大量消耗能源, 否则产生的环境问题是无法回到污染前的水平的, 这样就会制约经济发展。因此对产生的环境污染要及时处理, 使得污染物的数量总是处在环境承载力的范围内, 以防止对环境造成永久性破坏。
摘要：运用主成分分析法, 格兰杰因果分析和脉冲响应函数, 对1985—2007年青岛市能源消耗与环境污染的动态关系进行了研究, 发现由于环境承载力的存在, 当污染物的数量还没有超出环境容量时, 环境污染状态不会立刻表现出来, 只有当污染物存在的数量超过环境的最大容纳量时, 环境的生态平衡和正常功能才会遭到破坏;能源消耗的一个外部冲击对环境污染的影响在较长时期内不会恢复到初始水平, 呈现出永久性效应。
关键词：能源消耗,环境污染,格兰杰因果检验,脉冲响应函数,环境承载力
参考文献
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5.青岛市能源强度 篇五
生物柴油是绿色清洁可再生能源，大力发展生物柴油对解决我国的能源危机、环境危机，建设社会主义新农村以及保障人民的身体健康具有重要意义。青岛福瑞斯生物能源科技开发有限公司投资1.2亿元，兴建了年产10万吨生物柴油的产业化项目，该项目占地40亩建筑面积20000平方米，是国家鼓励发展的重点项目，也是青岛市唯一一家生产生物柴油的企业。
公司利用餐饮业地沟废弃油、动植物油生产生物柴油。主要采取了酶法、化学法两种方法及各种工艺条件，所生产的生物柴油质量优于我国石化0号柴油。目前这个公司的生产技术达到了国内领先水平，填补了青岛市科技生物能源的一项空白，得到了青岛市委、市政府，莱西市委市政府及科技局领导的高度重视，青岛市副市长王修林亲临现场指导工作。该项目以青岛福瑞斯生物能源科技开发有限公司为主，在莱西市姜山镇工业园建立生物柴油产业化示范基地。该项目全部投产后可实现销售收入6亿元，此项目发展将带动山东及全国生物柴油产业化的发展，具有良好的社会效益，生态效益和经济效益。该项目计划分二期建成10万吨生物柴油生产线。
6.青岛市能源强度 篇六
1 汽车用驱动电机特点和类型
汽车用驱动电机不同于一般工业用电机,由于其布置空间有限,必须根据具体产品进行特殊设计以达到小型化的目的,这就要求电机的功率密度要显著高于其他工业电机;工作温度变化大(-40~105℃),工作时期振动剧烈,要求高的可靠性以保证乘车者安全,多采用为水冷;能够实现精确的力矩控制,动态性能较好。具体来说,电机驱动系统工况复杂,可以说是随机变化的。车辆的启动、加速、制动、停车、上坡、下坡、转弯、变道等是随机的;而在HEV中,又存在多种工作模式如电机启动发动机、电机驱动、电机发电、电机制动能量回馈等,且电机具体工作于何种模式也是随机的,这就要求电机具有如下特点[4,5,6]:转矩、功率密度大,即在减小电机体积的同时,电机还要有足够的转矩和功率;电机工作速域宽,以适应车辆的启动、加速、负荷爬坡、频繁起停等复杂工况;系统效率高,提高电驱动系统的效率是提高汽车续航里程和经济型的重要手段;系统适应环境能力强,要防水、防尘、防震,具有良好的环境适应性和高可靠性;电磁兼容性好,避免和减小驱动系统对其他电器的影响;性价比高,即在保证性能的前提下,造价不能太高。电动汽车最早采用的是直流电机系统,特点是成本低、控制简单,但质量大,需要定期维护。随着电力电子技术、自动控制技术、计算机控制技术的发展,三相交流感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机显示出比直流电机更为优越的性能,目前已逐步取代了直流电机控制系统。各种驱动电机系统的基本性能比较见表1[7]。其中,异步电机主要应用在纯电动汽车(包括轿车及客车),永磁同步电机主要应用在混合动力汽车(包括轿车及客车)中,开关磁阻电机目前主要应用在客车中。目前在混合动力轿车中采用的基本都是永磁同步电动机,永磁同步驱动是未来的发展方向,主要因其能在控制方式上可实现数字化,在结构上可实现电机与齿轮箱的一体化。日本丰田公司的PRIUS采用的永磁同步电动机功率已达到了50kW,新配置的SUV车型所用电机功率达到了123kW。永磁电机具有效率高、比功率大、功率因数高、可靠性高和便于维护等优点,采用矢量控制的变频调速系统,可使永磁电动机具有宽广的调速范围,因此,丰田和本田国际汽车制造商以及一汽、东风、长安、奇瑞等国内厂商均在其电动汽车中采用了永磁电机方案,推动了车用电机向永磁化方向发展。尤其是采用了稀土永磁材料的稀土永磁电机,不仅效率高,而且结构简单、运行可靠、体积小、质量轻。它既可达到传统电励磁电机所无法比拟的高性能。根据电动汽车、混合动力车车型的开发应用年代,日本的产业水平与市场偏好、成本核算等方面考虑,先采用感应电机,而近几年来在批量生产的日本电动汽车车型上以采用永磁同步电机为主流。
2 汽车用驱动电机与无取向电工钢片性能之间的关系
随着我国新能源汽车用驱动电机系统将朝着永磁化、数字化和集成化方向发展。目前某些关键材料(如高性能硅钢片、绝缘材料)和关键元器件(如IGBT、DSP芯片)依然主要依靠进口。作为制造电机铁心的材料,电工钢带是使用最普遍的重要磁性材料,是车用电机高效、高功率密度的保障。日本新日铁、住友金属生产的电工钢带已用在混合动力驱动电机上,我国宝钢集团在“863”课题支持下,从2008年起开展了电动汽车驱动电机用电工钢带研发,并已申请公开了一项专利。武钢正在进行高强度无取向电工钢的工业试验,钢铁研究总院已开始在实验室通过模拟薄板坯连铸连轧技术试制高强度无取向电工钢。
驱动电机的功率(转矩)、效率和寿命都与所用的无取向电工钢片有很大关系,尤其是电机转子所用的无取向电工钢片,磁性能决定了电机的转矩和效率;如图1所示,电工钢片铁损越低而电机效率越高,而磁感增大导致电机转矩增加;同时力学性能决定了定子和转子的加工精度、服役承载强度和最大转速。
因此新能源汽车的驱动电机对所采用的电工钢片有如下要求[9]:(1)为了良好的驾驶体验,电机需要提供高扭矩用于启动,要提高扭矩必须提高驱动电流和所用电工钢的磁感;(2)要提高能源转换效率,在最经常使用的驾驶模式下电机效率在一般在85%~93%,要求电机所用电工钢片具有优秀的磁性能,即中低磁场下的高磁感和高频下的低铁损;(3)高行车速度需要电机转子高速运转(6000~15000r/min),要求所使用的电工钢片具有足够高的强度抵抗离心力;这就要求使用高强度电工钢;特别是对于永磁驱动电机,磁极镶嵌于转子之中,因此保证转子的强度至关重要;(4)缩小转子和定子之间的间隙可有效提高磁通密度,这要求电工钢薄片具有良好的冲片性;(5)在汽车使用周期内,处于服役期的高速旋转的电工钢片不能发生疲劳破坏,即高的疲劳寿命。
综上所述,新能源汽车EV或HEV的驱动电机所用的电工钢片,既是要求磁性能的功能材料,也是要求强度和疲劳性能的结构材料,因此是具有高技术附加值的、结构性能和功能性能复合的钢铁材料。
3 驱动电机用高强度无取向电工钢片
电机所用的电工钢片成分通常都是超低碳、氮(质量分数均小于50×10-6)和高硅,有时还需要加入高Al含量来保证其优异的磁性能特别是低的铁损。驱动电机要求的电工钢片要较传统无取向电工钢强度高200MPa以上,并且提高强度同时还需保证不能损害其优良的磁性能。驱动电机用电工钢片的磁性能要求并不是很高,通常现有的如50W230和35W210等高牌号无取向硅钢或者高效电机类无取向硅钢如35WH230和50WH300等这类牌号的成分体系就可以满足磁性能的要求[9],因此开发此类钢的关键,就是在高Si+Al含量的无取向硅钢成分体系下,如何大幅度提高强度而不会恶化磁性能。传统磁性硅钢通过Si的固溶强化提高强度同时降低铁损,但最多只能提高至550MPa左右,更高Si含量导致不可轧制,如图1所示[10],同时高Si导致磁感下降。通常的高强结构钢多采用固溶和析出等多种强化机制,可有效提高强度,但其磁性能差。因此需要通过多种强化机制提高无取向电工钢强度,如图2所示[10]。由于电工钢的超低碳含量以及冷轧后需进行再结晶退火,一般情况下无法通过相变和位错强化机制进行强化,而电工钢产品为了防止磁滞时效,其碳、氮含量均很低(通常质量分数在50×10-6内),因此也无法进行间隙原子固溶强化。因此可行的强化机制只有代位原子固溶强化和析出强化。日本从1980年起开始研究高强度无取向电工钢,代表厂家主要为新日铁、JFE和住友金属[11]。由于最终采用的强化技术路线涉及各公司的商业机密,因此很少有这方面的详细研发报告发表,取而代之的是这三家公司在其本国或是其他国家申请了逾百篇高强度无取向电工钢专利,这些专利大多是为了覆盖和掩盖其真实的工艺技术而设立的,因此需要结合科学规律详细分析对这些专利文献,发现它们所遵循的研发思路的,下面分别详细讨论。
3.1 固溶强化提高无取向电工钢强度
新日铁在1990年以前公开的专利中主要采用Si,P,Mn,Ni的固溶强化,但有时也会用到Cr,Mo,Cu,Ti等其他合金元素,并且为达到高强度一般会适当控制成品板晶粒尺寸。Cr可以有效降低高频铁损,同时有降低应力敏感性的作用[12]。无取向电工钢中固溶的Ti,有增强{111}面织构的作用,从而有助于提高强度[13]。主要采用固溶强化的各专利的典型成分、工艺及产品性能如表1所示。由表1可见其采用的主要强化手段是P,Mn,Ni等元素的固溶强化[14],我们推测其实际成分(质量分数)应该是0.1%P-1%Mn-2%Ni-1%Cr左右。P虽为固溶强化效果很好的元素,但其易在晶界偏聚引起钢板脆裂,对此新日铁提出了几种解决方案:一种是将P的含量控制在小于0.1%,将B的含量控制在10×10-6~70×10-6,并采用更低的退火温度(750~800℃)[15];另一种方法是使热轧板在热轧结束到卷取开始这段时间的平均冷速大于100℃/min,并使卷取温度小于650℃,卷取后到300℃的冷速大于100℃/h[16];还有一种是使卷取温度小于550℃,并使热轧板的再结晶率<60%,且热轧板再结晶部分的平均晶粒直径<60μm[17]。
图1 Si含量对普通钢、高强结构钢强度和可轧制性的影响,以及通过包括固溶强化在内的多种手段所要达到的高强电工钢目标强度区间[10]Fig.1 Influence of Si content on the tensile strength of conventional ordinary steel,conventional high-strength steel and the targeted region of strength using strengthening other than solution strengthening[10]
图2高强电工钢产品的强度-铁损目标性能区间及与普通钢和高强结构钢的对比[10]Fig.2 Tensile strength and iron loss of the conventional ordinary steels,high strength steels and the targeted development region using strengthening other than solution strengthening and securing magnetic properties[10]
表1 采用固溶强化的新日铁高强度无取向电工钢专利的部分内容Table 1 Some patents of Nippon Steel relevant to high-strength non-oriented silicon steels
新日铁于2002年11月公布的高强度硅钢片HST系列,有0.50,0.35mm和0.20mm三个规格,其典型磁性能和屈服强度[7],如图3所示。0.2mm和0.5mm厚度屈服强度在780MPa级别是其W10/400分别只有38W/kg和52W/kg;而0.35mm厚度屈服强度570MPa级别的W10/400为30W/kg。图中也将其与高效电机用0.35mm和0.50mm的高效无取向硅钢的性能进行了比较,由此可见,在同样的厚度规格情况下,磁性能虽然略有下降,但是屈服强度大约提高了一倍以上,材料的抗变形能力显著增强,实现了预期目的。
图3 新日铁2002年公布的高强度无取向电工钢系列产品磁性能[7]Fig.3 Magnetic properties of HST series high-tension electrical steel sheet from Nippon Steel,reported in 2002[7]
3.2 析出强化提高无取向电工钢强度
由于过去的固溶强化往往含有昂贵的金属镍,导致合金成本显著上升,而且固溶强化增加了轧制前的强度,使得轧制难度增大,因此住友金属在2011年的美国专利[21]中提出了向无取向硅钢中加入Nb,Ti,V,Zr这一类的微合金元素的方法,一方面形成细小碳化物粒子通过析出强化提高强度,另一方面是通过固溶Nb抑制退火时的再结晶,使得再结晶分数不超过90%,保留了部位冷加工位错等缺陷使得强度不会因再结晶显著下降,他们详细研究了固溶Nb和Ti对退火后抗拉强度的影响,如图4所示。其中固溶Nb*和Ti*的摩尔分数指的是钢中的Nb和Ti被碳和氮固定后剩下的固溶在基体中的量,根据化学当量比按下式计算:Nb*=Nb/93-C/12-N/14和固溶Ti*=Ti/48-C/12-N/14。由图4可知,当Nb含量超过化学当量比后,其对强度的贡献急剧增加然后趋于饱和;而Ti含量超过化学当量比后,抗拉强度随着过剩Ti含量逐步增加。退火时的再结晶分数对屈服和抗拉强度也有显著影响,如图5所示。当再结晶分数不超过90%时,其强度下降幅度为50~100MPa,而当再结晶完全完成时,强度急剧下降;因此需要通过退火温度、钢中固溶Nb含量来控制退火时的再结晶分数,使得材料不能发生完全的再结晶,根据这一技术所开发的SXRC系列高强度无取向硅钢的性能如表2所示[22],在普通无取向硅钢的高频铁损范围内强度显著提高1倍以上,但这一性能指标与图3中的新日铁产品牌号相比,铁损相差较大。但是住友金属采用了不同的设计思路,认为在不损害电工钢的压延加工性的前提下,可以采用位错强化手段。虽然位错强化导致钢的铁损会增大。但是,转子比定子用硅钢片容许铁损要大很多。这是因为电机的能量效率主要受定子铁损支配,而转子铁损的影响很小。永磁同步电机的转子用电工钢的铁损水平,可以根据抑制由焦耳热引起的永磁体热退磁来设计。因此,作为转子用电工钢的强化采用位错强化非常适用,工艺简单易行,成本经济。新日铁在2005年起也有了类似的专利,通过析出Cu或者Nb的碳氮化物来延迟再结晶,并控制再结晶率,实现强度与铁损之间的平衡[23,24]。
图4高强无取向硅钢片中经750℃退火20s时效处理后,其固溶Nb*和Ti*的摩尔分数和抗拉强度之间的关系[21]Fig.4 The relationship of the amount of solute Nb*and Ti*and tensile strength after annealing of high-strength non-oriented silicon steels at 750℃for 20s[21]
图5 屈服强度、抗拉强度与退火时再结晶分数之间的关系[21]Fig.5 Dependence of yield and tensile strength on recrystallized fraction after annealing[21]
表2 住友金属公司的高强度无取向硅钢产品系列的性能[22]Table 2 Magnetic and mechanic properties of high-strength non-oriented silicon steel grades from Sumitomo Metal Corp[22]
RD:Rolling direction;TD:Transverse direction
1990年之后,新日铁公开的专利中开始用到其他强化方式。在固溶强化的基础上同时采用Nb,Zr,Ti,V碳氮化物析出强化[25,26,27,28]。一般来说,为了防止碳氮化物严重恶化磁性能,专利中对这些元素的含量都有严格的要求。另外,添加Ni会增加钢的成本,许多专利中选择不加Ni。各种碳氮化物的强化效果也不尽相同,久保田猛认为Zr的碳氮化物与其他的碳氮化物相比,析出强化效果大,同时对磁性能的劣化较小[25]。有田吉宏、村上英邦、松本穰等指出,NbC通常与MnS复合析出,当Mn含量满足[%Mn]≤0.6-10×[%C]时,有利于NbC细小密集析出,增强抑制晶粒长大的作用,从而获得高的强度和韧性[26]。最近十年新日铁专利转向了Cu金属相的析出强化[29,30]。Cu金属相降低饱和磁通密度的作用很小,而且与碳氮化物相比,对磁畴壁移动的阻碍作用较小[27]。采用Cu金属相的析出强化时,可以通过控轧控冷,使冷轧之前Cu金属相不析出,或不过多地析出,或控制其析出状态,从而使热轧板或常化板不至于特别大地硬化和脆化,这样就比较容易冷轧,也减少了冷轧时轧裂的发生。在冷轧之后的退火及其冷却过程中,也可通过控制退火温度和冷速,从而抑制Cu金属相的析出。用户将成品板冲片后,再经时效退火处理,使Cu金属相析出,从而获得高的强度。这样,在时效退火之前,钢板一直是处于一个相对“软质”的状态,冷轧及其冲片过程中的成材率相对较高。为了防止Cu金属相严重恶化磁性能,专利中一般都对Cu金属相的尺寸、密度做出规定。
4 关于实际应用的高强度无取向硅钢强化方法的分析及未来技术发展趋势
虽然我们由上述新日铁、住友金属关于这一产品的性能变化推测了该公司的日本几大钢铁公司究竟在工业化生产的高强无取向电工钢中采用了何种强化方法,其细节作为商业机密都进行了严格保护。虽然几大钢铁公司都申请了很多相关专利,但涉及众多强化手段,包括P,Mn,Ni的固溶强化、微合金元素(Ti,Nb,V,Zr)等析出强化和Cu的时效强化以及不完全再结晶的位错强化。其中Ni,P,Mn等元素固溶强化是最早提出的,由于这三个元素固溶强化效果显著同时对磁性能的恶化最小,如图6所示,其中P的固溶强化效果最好,Ni其次,Mn最小;而对于磁性能而言,增加Ni含量提高磁感降低铁损,效果最好;P略微增加铁损而Mn降低磁感。据信新日铁是通过这三个元素结合的固溶强化开发出了图3所示的高强度无取向硅钢系列[31]。
(a)强度;(b)铁损和磁感(a)yield strength;(b)iron loss and permeability
图6 P,Mn和Ni固溶元素含量对无取向硅钢性能的影响[31]Fig.6 Influence of the solute P,Mn and Ni contents on the properties of non-oriented silicon steels[31]
但是由于Ni的合金成本高昂,P容易导致冷脆需要特别的工艺处理,从最近各大日本钢铁公司的研发趋势看,正在积极研究其他强化手段来代替。我们注意到新日铁与住友金属两大公司近年来刚刚合并后,其给出的关于高强无取向硅钢的产品性能如表3所示,可以看出表3所给出的在同一强度级别下的磁性能更接近表2中住友产品的水平,但要略好一些,但和最初图3所示的新日铁最初开发的薄规格高强度无取向硅钢牌号的磁性能水平相比,实际上磁性能和强度都是下降的。这表现在一方面将最初的屈服强度改变为抗拉强度来定义强度水平;二是如0.35mm厚度590MPa强度水平下,其高频铁损磁性能W10/400由30W/kg大幅恶化到40W/kg。这种将降级的技术应用于工业生产,应该是因为新日铁基于成本压力改变了强化技术手段,很可能是将最初的Ni,Mn,P等较昂贵的固溶强化改变为上述住友公司开发的、通过加入Nb实现不完全再结晶进行位错强化的经济手段;而其最新的Cu析出强化技术应该是该公司正在研发的最新技术,以在强化效果、更好的磁性能与成本经济之间达到一个更好的平衡,这一技术的未来应用潜力很大。因此,我国在研发此类钢种时,建议充分利用我们的后发优势,直接研究如何通过析出强化来提高现有高牌号无取向硅钢的强度,但这需要首先对各类析出强化的技术途径进行可行性分析。
表3 新日铁住金公司生产的高强度无取向硅钢系列产品的磁性能和力学性能要求及其典型值[32]Table 3 Requirements and typical values of high-strength non-oriented silicon steel grades from Nippon Steel&Sumitomo Metal Corp[32]
L:Rolling direction;C:Perpendicular to rolling direction
潘振东等[33]曾经通过加入3%Mn通过Mn的固溶强化来试制高强度硅钢,但是实验结果发现在经过完全再结晶退火后,其磁性能优秀但是其强度达不到目标;而当经过不完全再结晶退火时,强度可以达到目标但是磁性能显著恶化。因此,通过Mn单一元素固溶强化手段达到如此高的强化增量,还是比较有难度的,需要和析出强化相结合,而析出强化的具体手段也需要仔细分析。
低合金高强结构钢常通过加入Ti,Nb,V等微合金元素以析出碳化物、氮化物纳米粒子使得强度增加,大量的实践证明,如果仅仅考虑析出强化效果,在加入同样质量元素的前提下,Ti的析出强化最明显,因为Ti的原子量最小、密度最小,所以析出相的摩尔分数、体积分数最大。为了使得炼钢中加入的微合金元素在控轧控冷时充分析出,需要在加热时尽量让加入的微合金元素固溶,对于低碳钢而言,加热时是在奥氏体相区,因此加热时微合金元素大部分都要固溶在奥氏体中,这对于析出强化很重要。因为碳化物、氮化物在奥氏体中的固溶度积要显著高于铁素体,这一方面导致加热时可在奥氏体中固溶更多的微合金元素;另一方面,在冷却时由奥氏体至铁素体相变过程中,由于两者固溶度积的很大差别,固溶的微合金元素会以相间析出碳化物的形式弥散分布,强化效果最好。但是对于含有3%Si以及一定量Al的电工钢而言,其相图结构与普通碳钢完全不同,几乎不出现美-奥氏体相圈,也即在加热时硅钢不可能全部奥氏体化。图7给出了3%Si-0.5%Al-0.2%Ti-0.004%N在不同Mn含量下的相图结构,其中BCC_A2相为铁素体,FCC_A1为奥氏体,FCC_A1#2为析出的面心立方的Ti(CN)碳氮化物。由图7可见TiN在各Mn含量下的固溶温度都超过1400℃,因此不可能在加热时使得加入的Ti充分固溶。另外,在没有Mn时,碳含量小于0.07%时在整个温度范围内不出现奥氏体相(见图7(a));2%Mn时,碳大于0.1%在1200℃左右时出现奥氏体单相区,小于0.1%时在700~1400℃范围内出现奥氏体铁素体两相区,且碳含量低时奥氏体相分数很小(见图7(b));4%Mn时,在碳大于0.03%温度在1200℃就出现了奥氏体单相区,这恰好是加热温度范围,因此在成分设计时,可设计钢中碳质量分数(%)≈([Ti]-[N]/14×48)/48×12+0.03,在1000℃左右终轧,快速冷却至600℃左右卷取,这样可抑制1000℃温度以下存在的部分奥氏体向铁素体的相变,最终相变温度可控制在600℃,TiC可在相变时在相界面上实现相间析出,颗粒尺寸细小且弥散分布,实现有效的析出强化。但这一工艺有如下问题需要注意,由于TiN很稳定,在1400℃就可以析出,当钢中氮含量较高时,1200℃以上高温段析出大量TiN,这些高温析出相尺寸在0.1~5μm左右,过于粗大不能起到强化的作用,因此需要尽可能降低钢中的氮避免过多的Ti在高温区间析出。另外,粗大的TiN颗粒可能会对转子用硅钢片的疲劳寿命有影响,而且最终成品钢中还有剩余的固溶碳约0.03%,这将会导致服役时显著的磁致时效。因此通过加入Ti的析出强化达到目标强度,困难重重。
(a)0Mn,(b)2%Mn;(c)4%Mn;(d)4%Mn时,Ti(CN)在各温度下析出量(a)0Mn,(b)2%Mn;(c)4%Mn;(d)amount of Ti(CN)precipitated at different temperatures in the case of 4%Mn
图7 Mn对成分为3%Si-0.5%Al-0.004%N-0.2%Ti的Fe-C相图的影响(图中FCC_A1#2为Ti(CN))由ThermoCalc软件和TCFe数据库计算Fig.7 Influence of Mn on Fe-C phase diagram of 3%Si-0.5%Al-0.004%N-0.2%Ti(FCC_A1#2is Ti(CN)),calculated by ThermoCalc software with TCFe 7database
采用类似地方法可以分析Nb在硅钢中的强化途径,假设成分体系中已经加入了1%Mn-3%Ni固溶强化并同时在高温下获得足够多的奥氏体化相,分别加入0.2%Nb和0.5%Nb的相图结构如图8所示,图中BCC_A2相为铁素体,FCC_A1为奥氏体,FCC_A1#2为析出的面心立方的Nb(CN)。0.2%Nb-0.02%C对应的固溶温度为1200℃,虽然此时没有单一奥氏体相区而只有奥氏体铁素体两相区,但Nb可以完全固溶,如果维持较高的终轧温度和轧后快速冷却,其中的奥氏体区域相变至铁素体时会引起相间析出,而铁素体区域则只会沿晶析出少量Nb(CN)。因此此时的析出相的分布可能是不均匀的,且此时成品钢中固溶碳为0.02-([Nb]-[N]/14×96)/96×12≈0,即加入钢中的碳恰好可以全部析出,保证了服役过程无迟滞时效。析出体积分数约0.2%,若析出相平均尺寸在5nm左右,析出强化贡献可达200MPa左右,而具有3%Si+0.5%Al成分的高牌号无取向硅钢(如50W270或者50W250牌号)屈服强度已经超过了400MPa,Mn、Ni的固溶强化按照图6(a)的数据就可以贡献150~200MPa强化使得屈服强度提高到550~600MPa,如果再加上析出强化的贡献,屈服强度可达到700~800MPa左右,因此达到目标要求强度是可能的。如果进一步提高Nb含量至0.5%,一方面使得NbN的固溶温度显著升高,1200℃固溶时所要求的碳含量不超过0.01%,导致最终析出的NbC数量显著减少;另一方面,0.2%Nb时奥氏体单相区的鼻尖温度和碳含量为1150℃和0.04%C,而0.5%Nb时显著右移至1150℃和0.07%C,这意味着Nb含量升高导致在同一温度、成分下形成的奥氏体数量减少,因此在随后冷却过程中析出NbC的分布将更不均匀。即Nb含量过高反而不利于强化,最佳成分在0.2%Nb-0.02%C,成分和热轧工艺窗口均很狭窄。另外,无论是固溶的Nb还是析出的Nb都会显著抑制再结晶。住友金属利用此特性通过含Nb的高硅钢经不完全再结晶退火得到高强度无取向硅钢[22],这一方法成本经济、简单易行、强化效果明显,但是得到的硅钢片高频铁损依然不低,显著高于新日铁的HST牌号,只能适用于要求不高的驱动电机。
(a)0.2%Nb;(b)0.5%Nb(a)0.2%Nb;(b)0.5%Nb
图8 Nb对3%Si-0.5%Al-0.004%N-1%Mn-3%Ni的Fe-C相图的影响(图中FCC_A1#2为析出的Nb(CN))Fig.8 Influence of Nb on the Fe-C phase diagram with 3%Si-0.5%Al-0.004%N-1%Mn-3%Ni(FCC_A1#2is Nb(CN))
新日铁最新专利中的Cu析出强化路线似乎是个可行的选择,一是因为Cu本身就是奥氏体稳定化元素,可以有限扩大奥氏体相区,如图9的Fe-Cu二元相图所示,奥氏体中Cu的最大固溶量可以超过10%。当富Cu奥氏体在840℃左右转变为铁素体后,Cu在铁素体中的固溶度随着温度下降急剧降低,在400~500℃时几乎全部析出;与Ti、Nb等的析出强化相比,一是避免了大量加入Mn、Ni以便在高温下形成奥氏体相来固溶碳化物,因此成本相对经济;另外,因为不是通过碳化物、氮化物析出强化,所以在炼钢时不需要在钢中预留足够碳含量以供后续析出,而是直接得到超低碳含量,也不需要在热轧、卷取和退火时控制碳化物氮化物的析出,因此工艺相对简单;而且Cu在铁素体相中的析出强化同时并不会损害硅钢片的磁性能,因此Cu是理想的强化相;最后,Cu在铁素体中低温下固溶度很小,在结构钢中Cu的时效析出强化是个成熟的技术,通常就是在铁素体相区400~600℃区间进行回火,大量的Cu就可以析出,其强度贡献与Cu的析出量成正比;有实验证明,对于含1.8%Cu的FeCu合金在1000℃固溶后淬火然后在475℃时效,其屈服强度最大可增加365 MPa[34,35,36]。而对于新日铁的高强度无取向硅钢产品而言,其强度相较于普通无取向硅钢需提高近300MPa,因此可以通过加入Cu后时效析出强化实现这一目标。新日铁2012年针对此技术的美国专利中所保护的Cu含量范围为0.8%~8%,经300~720℃区间内某一温度时效处理析出Cu析出相,平均尺寸<0.1μm[10],可以达到图2所示的强度与磁性能区间。很明显,这个工艺窗口是出于隐藏真正的工艺参数而故意宽化的。仔细研究该专利文献和依据在结构钢中Cu的时效强化的经验发现,最佳Cu含量应该为2%~3.5%,热处理温度窗口为400~550℃,具体保温时间需要通过实验研究来摸索,但是应该遵循温度越高时间越短的原则。总的来说,Cu析出强化的热轧工艺控制窗口宽泛,不需要额外的P,Mn,Ni等的固溶强化和Nb、Ti的析出强化,简单易行,因此工艺上容易实现,而且在实现强化的同时不会损耗磁性能。但是,钢中加入Cu带来的一个显著问题就是会引起热脆,如图9所示,因为Cu的熔点低,在1094℃就会出现液相,尤其是在氧化性气氛下,S和Cu同时在晶界偏聚时,就会在加热、热轧时沿晶产生液相,导致严重的表面裂纹。因此,为克服这一问题,一是要控制钢中的硫含量,不能超过0.01%;尽量缩短加热和热轧时在高温区的停留时间,节奏快、效率高的薄板坯连铸连轧工艺应该是合适的工艺;另外,还要在钢中加入Ni,其加入量通常为Cu含量的1/8~1/2,上限最好不超过2.5%。Ni的加入不仅仅是可以避免由于Cu所导致的热脆[37,38],同时也可以起到固溶强化作用,而且会改变Cu析出的形貌与尺寸,使得Cu的析出强化作用也会增强。另外,根据现有的铜含量在0.5%左右的取向硅钢品种的生产时,并没有发现严重的Cu热脆问题,因此这为更高Cu含量的无取向硅钢的工业生产奠定了信心。
图9 Fe-Cu二元相图(FCC_A1#2是析出的金属Cu相)Fig.9 Binary phase diagram of Fe-Cu(FCC_A1#2is the copper-precipitate)
5 结束语
7.青岛市能源强度 篇七
其中, 已连续成功举办九届的青岛国际建筑节能博览会, 凭借差异化的办展理念, 全力保障展会的实效性与高品质, 得到了国内外展商和观众的一致好评与认可。在展会的规模、效果以及配套论坛活动皆以高起点、高规格向行业展示了其成长的巨大潜力, 更为日后的发展奠定了良好的基础。
九年耕耘顺势而为
作为建筑节能领域起步较早的专业展会, 青岛国际建筑节能博览会正是顺应行业发展需求, 重成果、抓内涵, 以服务和促进建筑节能产业的发展为已任, 九年如一日, 强调“实效、精准”而成为建筑节能行业展会的翘楚, 被誉为“中国建筑节能实效第一展”。
2007年, 青岛国际建筑节能博览会首届举办即以高规格亮相, 中国建筑节科技司与德国能源署、山东省建设厅共同主办, 以高大尚的品牌展示和论坛主题, 华丽丽开启了青岛国际建筑节能博览会的品牌成长之路!
2008年, 面对经济危机, 青岛国际建筑节能博览会除保留原有特点和优势, 逆势创新, 移师国际会展中心, 进一步夯实了打造“中国建筑节能实效第一展”的良好基础。
2009年, 青岛国际建筑节能博览会被市政府列为重点展会项目, 并首次作为主办单位以示大力支持和高度重视, 给展会成长注入了强有力的成长动力。
2010-2012年, 是青岛国际建筑节能博览会突破成长的三年, 至此, 已先后有美国陶氏、加拿大安建能、德国可耐福、瓦克、GIG集团、三棵树、北京振利、北京富思特、山东圣泉、广东五星、北新建材、晨阳水漆、青岛科瑞、力诺瑞特、百旺电器、太阳雨、广州科顺、加德木业、莱钢房屋等数百家品牌企业在展会上获得了优异的参展效果。展会展出面积突破2万平米, 更有国内顶级专家参与论坛主题演讲。历经6年的培育, 青岛国际建筑节能博览会真正成为了“中国建筑节能实效第一展”!同时, 连续被评为“山东省非政府系列优秀展会”。
2013-2015年, 是青岛国际建筑节能博览会逆势坚挺的三年, 受房地产大环境的影响, 作为以建筑材料为主要展示内容的展会同样受到严峻的市场考验。为保障展会品质和效果, 博览会不断深化以展商实际市场拓展需求为基础的一对一专业买家预约到会服务, 加强全面、立体、多方位的工程采购商协约式邀请力度, 持续打造与在建工程采购高峰期紧密结合、凸显“工程采购”独特效果的“房地产在建工程精准对接会。每届展会均以不低于35, 000名专业观众, 现场意向成交额超过10亿元人民币的盛况赢得了客户的满意和认可。
十年风雨再启征程
2016年, 青岛国际建筑节能博览会即走过第十个年头。第十届青岛国际建筑节能博览会将于2016年7月16-19日隆重举办。
紧抓“一带一路”战略为各行各业带来新的市场空间, 本届博览会紧跟国家发展战略步伐, 抓住“节能、环保、低碳”的国际发展主流趋势和国家大力推动建筑节能工作的历史性机遇, 不断加强博览会的宣传推广和展商、观众邀请力度。同时, 为了满足逐年增多的观众参观、采购需求, 青岛国际建筑节能博览会不断丰富主题、增加新元素, 博览会展品范围将囊括外墙结构一体化、新型墙体产品技术、建筑涂料、建筑防水及屋面系统、集成房屋、节能门窗、景观园林、遮阳系统、新能源系统等国际最先进的绿色建筑相关产品, 全面展示建筑节能行业发展新潮流、新产品、新技术。
系统、丰富、务实的配套活动是青岛国际建筑节能博览会的亮点与特点。在往届的基础上, 本届博览会配套活动更高端、更专业、更具行业发展指导性和品牌营销务实性。房地产行业专业大会、建筑节能高峰论坛、新型节能建材新品发布会等一系列活动的举办, 将多层面、全方位地为展商、观众搭建展示、宣传、交流、合作、贸易的一站式服务平台。
十年风雨砥砺, 青岛国际建筑节能博览会将继续从企业参展需求和行业发展趋势出发, 进一步推进以“推广万里行”为基础的宣传推广战略, 加强以“采购商协约式邀请”为核心的买家组织手段, 打造以“房地产在建工程精准对接会”与“建筑节能和可再生能源高峰论坛”为核心的实效配套活动体系, 力求展会效果更具品牌营销性与行业发展指导性, 为建筑节能各行业、房地产业搭建高端、专业、实效的交互性对接平台, 实现行业的交流合作和财富共赢!
感恩一路同行。十年以来青岛国际建筑节能博览会得到业界领导和朋友们的支持和帮助, 是您的一路同行给了我们在困能中成长的动力, 是大家的参与, 支撑了“中国建筑节能实效第一展”的荣誉。更是您的陪伴和鼓励, 在青岛国际建筑节能博览会成长道路上, 我们才能勇于应对各种严峻的挑战与风险, 为广大展客商带来一次次充满惊喜的突破与蜕变。展会在组织的过程中仍存在着诸多不足之处, 这也是我们将不断努力改进和完善的重要方面。我们将始终坚持“为展商效益最大化而努力”的办展宗旨, 为实现“打造中国建筑节能第一展”、“最具实效的品牌展会”而不懈努力——既然找到了路, 就不怕路远!我们将胸怀理想、戮力同心, 以真诚、努力、智慧为广大展商和观众赢取更大的价值!
“十年树木, 百年树人”。而十年对于一个展会来说则是艰辛而又孕育无限可能的十年, 也是感恩的十年。对于青岛国际建筑节能博览会来说, 更是一个新里程的开始。借着十周年庆典的喜气, 青岛国际建筑节能博览会, 在业界的关注下, 蓄势扬帆, 又将再次开启崭新征程!
凝心聚力, 共襄盛会!
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