十三五”期間，是我國有色金屬工業(yè)轉(zhuǎn)型升級、提質(zhì)增效，邁入世界有色金屬工業(yè)強國行列的關(guān)鍵時期。隨著交通運輸輕量化、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，熱處理強化型高端鋁合金板帶材需求持續(xù)增長，然而我國自主供貨能力嚴(yán)重不足的局面擺在眼前，亟待破解。
“我國雖然是世界頭號鋁加工材生產(chǎn)國和消費國，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)及連軋自動化國家重點實驗室主任王昭東教授表示。
在王昭東看來，要做強中國鋁加工產(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)及升級改造步伐。
瞄準(zhǔn)國家需求，對標(biāo)世界一流，王昭東教授團隊聚焦新型高強高韌鋁合金厚板、三代鋁鋰合金板材、水陸交通運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、乘用車及貨運列車用高性能鋁合金等從根本上實現(xiàn)穩(wěn)定供給，在打破高端鋁材對國外先進(jìn)裝備、技術(shù)和產(chǎn)品依賴上邁出堅實步伐。
高端鋁材：交通領(lǐng)域應(yīng)用材料的“藍(lán)海”
鋁是*常用的輕金屬之一，也是地殼中分布*廣、儲存量*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，同時還具有易于回收、可再生的環(huán)境友好型特點。
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)的各個部門。高性能鋁合金薄板、中厚板、型材是交通運輸、航空航天、海洋船舶等國民經(jīng)濟發(fā)展和國防建設(shè)領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，在消費電子、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，國產(chǎn)大飛機，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，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，對“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。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)中國有色金屬報報道，鋁材在車身、安全系統(tǒng)等部件上的試用，規(guī)模化應(yīng)用估計還需要2～3年，預(yù)計到2020年，汽車輕量化大規(guī)模用鋁材將會實現(xiàn)。
“航空航天是高端鋁材應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域，但是目前國內(nèi)鋁材尚未在該領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用，問題就在于國產(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)及連軋自動化國家重點實驗室李勇老師介紹道。
隨著中國大飛機制造的快速發(fā)展，國產(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，以拓展發(fā)展空間，占領(lǐng)市場，提高自身競爭力。
“交通領(lǐng)域?qū)τ诟叨虽X材的旺盛需求，正是做強中國鋁加工產(chǎn)業(yè)的*佳時機。”王昭東教授認(rèn)為，需求是創(chuàng)新*大的動力，也是團隊把論文寫在祖國生產(chǎn)線上的“用武之地”。
受制于人：裝備和技術(shù)被國外壟斷價格昂貴供貨周期長
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)國外大公司供貨，但價格昂貴，每條氣墊爐生產(chǎn)線需要人民幣3億元左右；供貨周期長，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，維護和升級成本更高。
“國內(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)及連軋自動化國家重點實驗室韓毅道出了企業(yè)的困境和堵點。
長期以來，高性能鋁合金汽車板、中厚板、型材一直是我國鋁加工業(yè)的薄弱領(lǐng)域，一個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)核心裝備長期受制于人，尚未實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)自主可控。
軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室李家棟老師告訴記者，按照國際汽車行業(yè)用鋁合金的趨勢，在國內(nèi)市場上，售價在10萬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。中國汽車工業(yè)協(xié)會預(yù)測，2020年，我國汽車產(chǎn)量將達(dá)到3000萬輛以上，保守估計1500萬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30～45萬噸以上。
在航空領(lǐng)域，僅國內(nèi)某型號軍用飛機所需高端鋁合金板帶材、型材零件就超過了3000項，新型大型運輸機和大型客機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，我國引進(jìn)的生產(chǎn)裝備遠(yuǎn)無法滿足汽車、航空等高端制造領(lǐng)域鋁合金板帶及型材的用量需求，也不能實現(xiàn)按照我國鋁合金品種研發(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)線實際產(chǎn)能為4萬噸，現(xiàn)在需求產(chǎn)能9萬噸；中厚板輥底爐實際產(chǎn)能為5萬噸，現(xiàn)在需求產(chǎn)能10萬噸。
“開發(fā)出具有我國自主知識產(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)品升級的強烈需求，符合國家節(jié)能減排的形勢，具有重要的經(jīng)濟和戰(zhàn)略意義。”中國工程院院士、東北大學(xué)教授王國棟表示。
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“根兒”上做起。據(jù)王昭東估算，用上國產(chǎn)裝備自主生產(chǎn)后，現(xiàn)在價格在4萬元/噸的高端鋁材可降至約2～3萬元/噸。
東北大學(xué)的先進(jìn)軋制技術(shù)與熱處理創(chuàng)新團隊，以王國棟教授、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，團隊對高端鋁材關(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)與整線工藝自動控制平臺技術(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態(tài)穩(wěn)定漂浮及快速均勻換熱機理，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驗平臺，利用此平臺，團隊研發(fā)出了適合實際氣墊爐生產(chǎn)線的高等級鋁合金高效固溶、淬火、預(yù)時效及表面處理工藝。
——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、全自動工藝控制系統(tǒng)。
目前，團隊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，團隊可完成示范線的設(shè)計、制造和調(diào)試，以打破國外壟斷，實現(xiàn)高端鋁合金汽車板、航空板的國產(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)方面實現(xiàn)自主可控。
來源：材料科學(xué)與工程
