搶下高端鋁材生產(chǎn)裝備的技術(shù)“山頭”

——王昭東教授團(tuán)隊(duì)在高端鋁合金生產(chǎn)裝備上取得突破性進(jìn)展

“十三五”期間，是我國(guó)有色金屬工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、提質(zhì)增效，邁入世界有色金屬工業(yè)強(qiáng)國(guó)行列的關(guān)鍵時(shí)期。隨著交通運(yùn)輸輕量化、新能源汽車、高端裝備制造、節(jié)能環(huán)保等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，熱處理強(qiáng)化型高端鋁合金板帶材需求持續(xù)增長(zhǎng)，然而我國(guó)自主供貨能力嚴(yán)重不足的局面擺在眼前，亟待破解。

“我國(guó)雖然是世界頭號(hào)鋁加工材生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，但始終處于鋁產(chǎn)業(yè)鏈的中低端，以鋁合金汽車外板、航空鋁合金預(yù)拉伸機(jī)翼板等為代表的高精尖產(chǎn)品一直大量依賴進(jìn)口，根本原因就在于高性能鋁合金的生產(chǎn)裝備和工藝沒跟上。”軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任王昭東教授表示。

在王昭東看來(lái)，要做強(qiáng)中國(guó)鋁加工產(chǎn)業(yè)，必須“固本培元”，從“造血”能力入手，加快以“氣墊式熱處理爐”“高精度輥底爐”等為代表的高端鋁材生產(chǎn)線建設(shè)及升級(jí)改造步伐。

瞄準(zhǔn)國(guó)家需求，對(duì)標(biāo)世界一流，王昭東教授團(tuán)隊(duì)聚焦新型高強(qiáng)高韌鋁合金厚板、三代鋁鋰合金板材、水陸交通運(yùn)輸用高耐蝕鋁合金板材型材等產(chǎn)品的突破，立足自身力量，致力于使航空、乘用車及貨運(yùn)列車用高性能鋁合金等從根本上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供給，在打破高端鋁材對(duì)國(guó)外先進(jìn)裝備、技術(shù)和產(chǎn)品依賴上邁出堅(jiān)實(shí)步伐。

高端鋁材：交通領(lǐng)域應(yīng)用材料的“藍(lán)海”

鋁是最常用的輕金屬之一，也是地殼中分布最廣、儲(chǔ)存量最多的元素之一。鋁和鋁合金材料具有一系列優(yōu)良特性，如比重小，比強(qiáng)度高，具有良好的成形性能、力學(xué)性能、物理性能以及工藝性能，同時(shí)還具有易于回收、可再生的環(huán)境友好型特點(diǎn)。

在全球金屬行業(yè)中，鋁的應(yīng)用排名第二，僅次于鋼鐵，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)部門。高性能鋁合金薄板、中厚板、型材是交通運(yùn)輸、航空航天、海洋船舶等國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，在消費(fèi)電子、新能源、智能裝備等領(lǐng)域也有著廣泛的用途。

超輕新能源汽車，國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)，高速列車用板帶材、型材是鋁合金材料中的高端產(chǎn)品。近年來(lái)，隨著汽車工業(yè)、航空工業(yè)、高鐵等交通產(chǎn)業(yè)的高速增長(zhǎng)，對(duì)“貴族”鋁合金板帶型材的需求也愈加旺盛。

隨著節(jié)約油耗和減少排量的要求逐漸提高，輕量化汽車成為當(dāng)前高端鋁材的應(yīng)用熱點(diǎn)。據(jù)王昭東介紹，奔馳、寶馬等高端汽車已開始大量使用高性能鋁合金汽車板。我國(guó)鋁企在汽車應(yīng)用領(lǐng)域也下了很大的力氣，但仍然存在一定的瓶頸。主要原因是鋁材量化應(yīng)用需要一個(gè)過程，如鋁合金專業(yè)沖壓設(shè)備問題、熱處理設(shè)備問題、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)問題等；同時(shí)汽車鋁材應(yīng)用成本也需要通過量化應(yīng)用等措施進(jìn)行優(yōu)化。

據(jù)中國(guó)有色金屬報(bào)報(bào)道，鋁材在車身、安全系統(tǒng)等部件上的試用，規(guī)模化應(yīng)用估計(jì)還需要2～3年，預(yù)計(jì)到2020年，汽車輕量化大規(guī)模用鋁材將會(huì)實(shí)現(xiàn)。

“航空航天是高端鋁材應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域，但是目前國(guó)內(nèi)鋁材尚未在該領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用，問題就在于國(guó)產(chǎn)鋁材在性能穩(wěn)定性和一致性上還需要提高。”軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李勇老師介紹道。

隨著中國(guó)大飛機(jī)制造的快速發(fā)展，國(guó)產(chǎn)鋁材在這一領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用空間。但是，由于碳纖維復(fù)合材料受到特殊青睞，鋁企則把大力發(fā)展新一代鋁鋰合金和鋁基復(fù)合材料等新型航空航天鋁材作為重點(diǎn)，以拓展發(fā)展空間，占領(lǐng)市場(chǎng)，提高自身競(jìng)爭(zhēng)力。

“交通領(lǐng)域?qū)τ诟叨虽X材的旺盛需求，正是做強(qiáng)中國(guó)鋁加工產(chǎn)業(yè)的最佳時(shí)機(jī)。”王昭東教授認(rèn)為，需求是創(chuàng)新最大的動(dòng)力，也是團(tuán)隊(duì)把論文寫在祖國(guó)生產(chǎn)線上的“用武之地”。

受制于人：裝備和技術(shù)被國(guó)外壟斷  價(jià)格昂貴  供貨周期長(zhǎng)

氣墊爐技術(shù)，是高端鋁材生產(chǎn)加工熱處理的核心技術(shù)。目前，氣墊爐主要由艾伯納、容克等極少數(shù)國(guó)外大公司供貨，但價(jià)格昂貴，每條氣墊爐生產(chǎn)線需要人民幣3億元左右；供貨周期長(zhǎng)，每套設(shè)備建設(shè)周期大約需要3年，并在核心控制工藝上進(jìn)行嚴(yán)密的技術(shù)封鎖，企業(yè)生產(chǎn)成本過高，維護(hù)和升級(jí)成本更高。

“國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)鋁合金中厚板、型材固溶處理設(shè)備多為立式淬火爐或鹽浴爐，加熱精度差、淬火板材冷卻無(wú)法自由控制，組織性能不穩(wěn)定、板形差、殘余應(yīng)力大，因此無(wú)法生產(chǎn)航空、汽車等用途的高性能鋁合金中厚板和型材。”軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室韓毅道出了企業(yè)的困境和堵點(diǎn)。

長(zhǎng)期以來(lái)，高性能鋁合金汽車板、中厚板、型材一直是我國(guó)鋁加工業(yè)的薄弱領(lǐng)域，一個(gè)重要原因是鋁合金板帶材氣墊爐、中厚板及型材輥底爐生產(chǎn)線關(guān)鍵裝備的研究基礎(chǔ)薄弱，高性能鋁合金板型材熱處理生產(chǎn)涉及的工藝參數(shù)多、工序復(fù)雜，開發(fā)難度較大，相關(guān)核心裝備長(zhǎng)期受制于人，尚未實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)自主可控。

軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李家棟老師告訴記者，按照國(guó)際汽車行業(yè)用鋁合金的趨勢(shì)，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，售價(jià)在10萬(wàn)元以上的乘用車可以選用鋁合金板帶材做汽車覆蓋件，單車用量將在20～30kg。中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，2020年，我國(guó)汽車產(chǎn)量將達(dá)到3000萬(wàn)輛以上，保守估計(jì)1500萬(wàn)輛汽車將選用鋁合金板帶材，汽車行業(yè)用板帶材將達(dá)到30～45萬(wàn)噸以上。

在航空領(lǐng)域，僅國(guó)內(nèi)某型號(hào)軍用飛機(jī)所需高端鋁合金板帶材、型材零件就超過了3000項(xiàng)，新型大型運(yùn)輸機(jī)和大型客機(jī)所需的鋁合金板帶材、型材零件數(shù)量超過了10000件。

然而，到2017年底，我國(guó)引進(jìn)的生產(chǎn)裝備遠(yuǎn)無(wú)法滿足汽車、航空等高端制造領(lǐng)域鋁合金板帶及型材的用量需求，也不能實(shí)現(xiàn)按照我國(guó)鋁合金品種研發(fā)所需的技術(shù)改進(jìn)。以廣西南南鋁公司為例，氣墊生產(chǎn)線實(shí)際產(chǎn)能為4萬(wàn)噸，現(xiàn)在需求產(chǎn)能9萬(wàn)噸；中厚板輥底爐實(shí)際產(chǎn)能為5萬(wàn)噸，現(xiàn)在需求產(chǎn)能10萬(wàn)噸。

“開發(fā)出具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氣墊爐裝備、中厚板及型材輥底爐技術(shù)，符合我國(guó)汽車、航空業(yè)、高鐵等產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)品升級(jí)的強(qiáng)烈需求，符合國(guó)家節(jié)能減排的形勢(shì)，具有重要的經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略意義。”中國(guó)工程院院士、東北大學(xué)教授王國(guó)棟表示。

關(guān)鍵一招：自主研發(fā)高端鋁合金生產(chǎn)熱處理設(shè)備和工藝

“氣墊式熱處理爐、中厚板及型材輥底爐裝備國(guó)產(chǎn)化可以為高性能鋁材板帶材、型材研制及穩(wěn)定生產(chǎn)提供必需的設(shè)備及生產(chǎn)技術(shù)。”王昭東認(rèn)為，解決難題的關(guān)鍵一招要從自主研發(fā)生產(chǎn)裝備這個(gè)“根兒”上做起。據(jù)王昭東估算，用上國(guó)產(chǎn)裝備自主生產(chǎn)后，現(xiàn)在價(jià)格在4萬(wàn)元/噸的高端鋁材可降至約2～3萬(wàn)元/噸。

東北大學(xué)的先進(jìn)軋制技術(shù)與熱處理創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，以王國(guó)棟教授、王昭東教授等行業(yè)專家領(lǐng)軍，中青年科技創(chuàng)新骨干為主體，用創(chuàng)新譜寫綠色，用實(shí)干破解難題，在鋁材生產(chǎn)“造血”能力提升的關(guān)鍵環(huán)節(jié)—生產(chǎn)熱處理裝備和研發(fā)新工藝上精準(zhǔn)發(fā)力，布下了高端鋁材生產(chǎn)“先手棋”。

2018年，團(tuán)隊(duì)對(duì)高端鋁材關(guān)鍵熱處理裝備—氣墊爐、輥底爐從理論上開始攻關(guān)，著力突破大型鋁合金板帶材、型材的氣墊爐、輥底爐加熱及淬火關(guān)鍵裝備技術(shù)以及配套處理設(shè)備集成技術(shù)與整線工藝自動(dòng)控制平臺(tái)技術(shù)，目前已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展：

——摸清了氣墊式熱處理的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定漂浮及快速均勻換熱機(jī)理，優(yōu)化了氣墊爐核心部件關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，建立了氣墊控制模型，在此基礎(chǔ)上自主研制成功了大型氣墊爐的中試裝備，實(shí)現(xiàn)了鋁帶的非接觸式、高精度、高均勻性和高效熱處理。

——搭建了鋁合金先進(jìn)熱處理及表面處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用此平臺(tái)，團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了適合實(shí)際氣墊爐生產(chǎn)線的高等級(jí)鋁合金高效固溶、淬火、預(yù)時(shí)效及表面處理工藝。

——自主研發(fā)出了鋁合金氣墊式連續(xù)熱處理及表面處理全線多級(jí)、全自動(dòng)工藝控制系統(tǒng)。

目前，團(tuán)隊(duì)正在與廣西南南鋁加工公司合作，如火如荼地建設(shè)汽車、航空等交通運(yùn)輸用高端鋁合金生產(chǎn)的氣墊式熱處理示范線、中厚板輥底爐熱處理示范線、型材輥底爐熱處理示范線。2019年，團(tuán)隊(duì)可完成示范線的設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試，以打破國(guó)外壟斷，實(shí)現(xiàn)高端鋁合金汽車板、航空板的國(guó)產(chǎn)裝備、工藝和生產(chǎn)技術(shù)的突破，在鋁合金高端材料關(guān)鍵熱處理裝備和工藝技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)自主可控。