搶下高端鋁材生產裝備的技術“山頭”
——王昭東教授團隊在高端鋁合金生產裝備上取得突破性進展
“十三五”期間，是我國有色金屬工業轉型升級、提質增效，邁入世界有色金屬工業強國行列的關鍵時期。隨着交通運輸輕量化、新能源汽車、高端裝備制造、節能環保等戰略性新興產業的發展，熱處理強化型高端鋁合金板帶材需求持續增長，然而我國自主供貨能力嚴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國和消費國，但始終處於鋁產業鏈的中低端，以鋁合金汽車外板、航空鋁合金預拉伸機翼板等爲代表的高精尖產品一直大量依賴進口，根本原因就在於高性能鋁合金的生產裝備和工藝沒跟上。”軋制技術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業，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”等爲代表的高端鋁材生產線建設及升級改造步伐。
瞄準國家需求，對標世界一流，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品的突破，立足自身力量，致力於使航空、乘用車及貨運列車用高性能鋁合金等從根本上實現穩定供給，在打破高端鋁材對國外先進裝備、技術和產品依賴上邁出堅實步伐。
高端鋁材：交通領域應用材料的“藍海”
鋁是最常用的輕金屬之一，也是地殼中分布最廣、儲存量最多的元素之一。鋁和鋁合金材料具有一系列優良特性，如比重小，比強度高，具有良好的成形性能、力學性能、物理性能以及工藝性能，同時還具有易於回收、可再生的環境友好型特點。
在全球金屬行業中，鋁的應用排名第二，僅次於鋼鐵，被廣泛地應用於工業生產的各個部門。高性能鋁合金薄板、中厚板、型材是交通運輸、航空航天、海洋船舶等國民經濟發展和國防建設領域的關鍵基礎材料，在消費電子、新能源、智能裝備等領域也有着廣泛的用途。
超輕新能源汽車，國產大飛機，高速列車用板帶材、型材是鋁合金材料中的高端產品。近年來，隨着汽車工業、航空工業、高鐵等交通產業的高速增長，對“貴族”鋁合金板帶型材的需求也愈加旺盛。
隨着節約油耗和減少排量的要求逐漸提高，輕量化汽車成爲當前高端鋁材的應用熱點。據王昭東介紹，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。我國鋁企在汽車應用領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用需要一個過程，如鋁合金專業衝壓設備問題、熱處理設備問題、技術標準問題等；同時汽車鋁材應用成本也需要通過量化應用等措施進行優化。
據中國有色金屬報報道，鋁材在車身、安全系統等部件上的試用，規模化應用估計還需要2～3年，預計到2020年，汽車輕量化大規模用鋁材將會實現。
“航空航天是高端鋁材應用的一個重要領域，但是目前國內鋁材尚未在該領域大規模應用，問題就在於國產鋁材在性能穩定性和一致性上還需要提高。”軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室李勇老師介紹道。
隨着中國大飛機制造的快速發展，國產鋁材在這一領域有着巨大的應用空間。但是，由於碳纖維復合材料受到特殊青睞，鋁企則把大力發展新一代鋁鋰合金和鋁基復合材料等新型航空航天鋁材作爲重點，以拓展發展空間，佔領市場，提高自身競爭力。
“交通領域對於高端鋁材的旺盛需求，正是做強中國鋁加工產業的最佳時機。”王昭東教授認爲，需求是創新最大的動力，也是團隊把論文寫在祖國生產線上的“用武之地”。
受制於人：裝備和技術被國外壟斷 價格昂貴 供貨周期長
氣墊爐技術，是高端鋁材生產加工熱處理的核心技術。目前，氣墊爐主要由艾伯納、容克等極少數國外大公司供貨，但價格昂貴，每條氣墊爐生產線需要人民幣3億元左右；供貨周期長，每套設備建設周期大約需要3年，並在核心控制工藝上進行嚴密的技術封鎖，企業生產成本過高，維護和升級成本更高。
“國內傳統鋁合金中厚板、型材固溶處理設備多爲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，組織性能不穩定、板形差、殘餘應力大，因此無法生產航空、汽車等用途的高性能鋁合金中厚板和型材。”軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室韓毅道出了企業的困境和堵點。
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的薄弱領域，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線關鍵裝備的研究基礎薄弱，高性能鋁合金板型材熱處理生產涉及的工藝參數多、工序復雜，開發難度較大，相關核心裝備長期受制於人，尚未實現關鍵技術自主可控。
軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室李家棟老師告訴記者，按照國際汽車行業用鋁合金的趨勢，在國內市場上，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。中國汽車工業協會預測，2020年，我國汽車產量將達到3000萬輛以上，保守估計1500萬輛汽車將選用鋁合金板帶材，汽車行業用板帶材將達到30～45萬噸以上。
在航空領域，僅國內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、型材零件數量超過了10000件。
然而，到2017年底，我國引進的生產裝備遠無法滿足汽車、航空等高端制造領域鋁合金板帶及型材的用量需求，也不能實現按照我國鋁合金品種研發所需的技術改進。以廣西南南鋁公司爲例，氣墊生產線實際產能爲4萬噸，現在需求產能9萬噸；中厚板輥底爐實際產能爲5萬噸，現在需求產能10萬噸。
“開發出具有我國自主知識產權的氣墊爐裝備、中厚板及型材輥底爐技術，符合我國汽車、航空業、高鐵等產業結構調整和產品升級的強烈需求，符合國家節能減排的形勢，具有重要的經濟和戰略意義。”中國工程院院士、東北大學教授王國棟表示。
關鍵一招：自主研發高端鋁合金生產熱處理設備和工藝
“氣墊式熱處理爐、中厚板及型材輥底爐裝備國產化可以爲高性能鋁材板帶材、型材研制及穩定生產提供必需的設備及生產技術。”王昭東認爲，解決難題的關鍵一招要從自主研發生產裝備這個“根兒”上做起。據王昭東估算，用上國產裝備自主生產後，現在價格在4萬元/噸的高端鋁材可降至約2～3萬元/噸。
東北大學的先進軋制技術與熱處理創新團隊，以王國棟教授、王昭東教授等行業專家領軍，中青年科技創新骨幹爲主體，用創新譜寫綠色，用實幹破解難題，在鋁材生產“造血”能力提升的關鍵環節—生產熱處理裝備和研發新工藝上精準發力，布下了高端鋁材生產“先手棋”。
2018年，團隊對高端鋁材關鍵熱處理裝備—氣墊爐、輥底爐從理論上開始攻關，着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鍵裝備技術以及配套處理設備集成技術與整線工藝自動控制平臺技術，目前已經取得了突破性進展：
——摸清了氣墊式熱處理的動態穩定漂浮及快速均勻換熱機理，優化了氣墊爐核心部件關鍵結構，建立了氣墊控制模型，在此基礎上自主研制成功了大型氣墊爐的中試裝備，實現了鋁帶的非接觸式、高精度、高均勻性和高效熱處理。
——搭建了鋁合金先進熱處理及表面處理實驗平臺，利用此平臺，團隊研發出了適合實際氣墊爐生產線的高等級鋁合金高效固溶、淬火、預時效及表面處理工藝。
——自主研發出了鋁合金氣墊式連續熱處理及表面處理全線多級、全自動工藝控制系統。
目前，團隊正在與廣西南南鋁加工公司合作，如火如荼地建設汽車、航空等交通運輸用高端鋁合金生產的氣墊式熱處理示範線、中厚板輥底爐熱處理示範線、型材輥底爐熱處理示範線。2019年，團隊可完成示範線的設計、制造和調試，以打破國外壟斷，實現高端鋁合金汽車板、航空板的國產裝備、工藝和生產技術的突破，在鋁合金高端材料關鍵熱處理裝備和工藝技術方面實現自主可控。
