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芻議航空航天器鋁材專業廠建設

中國有色金屬報2019/08/15 08:39:43

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鋁業網

鋁道網】所謂航空航天鋁材專業廠就是該廠的管理與生產工藝都是為生產航空航天器材料服務的,所產主要材料品種的60%以上是直接用于制造航空航天器,制造這類材料的管理與工藝文件應有完的可追溯性,工廠的管理、生產工藝與產品品質等都要經過機構與航空航天器制造廠的認證,且是固定的材料供應商。

中國已邁過世界航空工業門坎,正在朝著世界大國與強國目標奮進。眾所周知,一代材料,一代航空航天器,所以為了助推我國航空航天工業的大發展,應該建立一個完整的材料生產與供應鏈,而在航空器制造用的結構材料中*主要的是鋁材與鋁基復合材料,例如在航空器制造中,用這兩種材料制造的結構件凈質量約占結構件總凈質量的80%,不過有的航空器鋁材用得多一些,而另一些航空器則鋁基復合材料用得多一些。

鋁材生產工藝:鋁土礦開采-氧化鋁提取-原鋁電解-重熔用鋁錠鑄造-合金配制、熔熔鑄造-鋁材加工-交貨。這僅是大的生產工藝工序,為了生產優質航空航天鋁材與建立材料的健全可溯性,必須從源頭抓起。

固定鋁土礦、氧化鋁與原鋁生產基地

大家知道,合金與材料的性能首先決定于它的成分,不但與其主要成分相關,而且與微量元素及雜質含量關系較大,合金元素主要決定強度與加工成形性能,而微量元素含量則對材料韌性與疲勞裂紋擴展速度有很大影響,航空航天鋁材對合金元素含量必須嚴加控制。雜質Fe與Si是鋁的固有雜質,鋁土礦的采掘區固定后,礦中的Fe、Si含量也就固定了,所以提取氧化鋁的鋁土礦應是二三十年都來自同一礦區,這樣就從源頭控制住了雜質的種類和含量。

氧化鋁廠收到進口的鋁土礦原料后(國內鋁土礦不但質量不盡如人意,而且沒有可保證開采二三十年的大礦點),切不要混入其他礦石,之后經過提取原鋁后鑄成供航空航天鋁材加工廠用的重熔用鋁錠,或進一步鑄成供加工廠軋制板帶材用的扁錠與生產擠壓材用的圓錠

生產7255合金(Si≤0.06%、Fe≤0.09%)、7085(Si≤0.06%、Fe≤0.08%)、2624(Si≤0.06%、Fe≤0.08%)、2295(Si≤0.08%、Fe≤0.08%)必須用A199.90重熔用錠配料,甚至還用一部分高純鋁配料,才能確保合金雜質含量不超標,而生產2099、2199鋁-鋰合金(Si≤0.05%、Fe≤0.07%)、2060鋁-鋰合金(Si≤0.07%、Fe≤0.07%)宜全部用高純鋁配料。

另外,85%以上的航空航天鋁合金如2XXX系、5XXX系、6XXX系合金及7XXX合金都含有Mg,對Mg雜質的含量不可大意。總之,建立專業化鋁土礦、氧化鋁、重熔用鋁廠,對保證鋁及鋁合金化學成分的穩定性與可追溯性大有好處。美國奧科寧克鋁業公司達文波特軋制廠(Savenport Works)與拉斐特廠(Lafayette)用的重熔用鋁錠都是固定的鋁廠提供的,前者生產軋制材;后者生產擠壓材與鍛件,還生產鋁-鋰合金錠。

很有必要建立專業航空鋁材擠壓廠與緊固件廠

中國已進入航空工業大發展時期,對C919、運-20、AG600“三兄弟”正在擼起袖子加油干;更大的國之三大重航容器——CR929、安-225、H-26已開始起跑;直升機大家族已直沖云霄;無人機開始翱翔藍天。筆者估測,今后20年中國航空鋁材與鋁基復合材料的年復合增長率可達15%以上,2040年的需求量有可能上升到400kt,其中平軋材占58%左右,擠壓機約占40%,鍛件的占比不會大于2%。

軋制廠與鍛壓廠生產能力足夠大

中國平軋鋁產品與鍛壓產品的生產能力足夠大,其中生產航空航天鋁材的生產能力更大,全部運轉可滿足全世界的需求。可生產航空航天鋁板帶的主要企業:東北輕合金有限責任公司、西南鋁業(集團)有限責任公司、南南鋁加工有限公司、南山集團航材園20萬噸項目、愛勵(鎮江)鋁板帶有限公司、忠旺天津鋁板帶有限公司等。

關于航空航天鋁合金鍛件生產,中國已躋身世界先進行列,早在10多年前西南鋁業(集團)有限責任公司的鋁合金鍛件就已裝上波音飛機,當前有成千上萬架波音飛機含有西南鋁鋁合金鍛件翱翔天空。中國有世界上*大的800MN鍛壓機,有20多家可生產航空鍛件的企業,擁有近90臺先進的鍛壓機。

雖然軋制與鍛壓生產能力足夠大,但都是半成品,幾乎沒有深加工的可供飛機制造廠組裝的零部件或很少,這是急待補的短板。例如,一塊用5.08mm厚×7.0m長×2.3m寬的板銑削加工而成的飛機壁板用的合金為包鋁的2024-T30,實際上這樣的壁板完全可在鋁軋制廠進行。由鋁加工廠深加工是一項雙贏的工作,加工廠可提高板材附加值,留下切屑,飛機制造廠可大大降低零件機械加工費用。可由鋁加工廠深加工的飛機零部件數不勝數。

完善現有航空鋁材擠壓廠裝備與建立緊固器廠

在中國現有的超千家鋁材擠壓廠中,除中鋁西北鋁加工廠等兩三個廠外,其他廠都不是為現代航空工業服務的,因此都存在一些不足之處。現代航空工業鋁材擠壓廠的特點在裝備的表征是:有2MN~160MN的擠壓機群,因為有些無人機與直升機需要很小的擠壓材與管材,實際上按單位長度上的質量算,92%以上的擠壓鋁材都可以用≤60MN擠壓機生產;在擠壓機中,反向擠壓機宜占60%左右;應有航空器零部件深加工中心或車間;除母公司有中央研究院外,工廠*好還有自己的研究發展中心,以便及時解決一些小的及臨時性的問題;表面處理車間也是不可少的,但與建筑鋁材的表面處理有所不同,主要用于處理深加工零件;宜有獨立的熔鑄車間,用感應爐熔煉與用美國阿爾梅克斯公司(Almex)的熔體凈化與鑄造設備。現對美國通用合金公司歐州廠(Universal Alloy Corporatioh Euyope,UACE)的簡況作一介紹,供參考。

美國通用合金公司

美國通用合金公司(Universal Alloy Corporatioh,UAC)成立于1991年,位于美國加利福尼亞州阿拉海姆市(Anaheim,CA),目前它是世界*大的機身(Fuselage)鋁合金擠壓材生產者,約占市場份額的50%;1992年它的航空航天擠壓鋁材即占北美、歐洲、印度市場份額的40%~50%,下有兩個擠壓廠。

坎頓擠壓廠1997年投產,有4臺擠壓機,至今仍在正常生產。1999年,航空航天市場開始下滑,公司決定向下延伸產業鏈,生產航空航天擠壓鋁材深加工產品,另一方面增加擠壓材品種,從斯派克特盧里特·康沙迪公司(Spectrulite Consortium)購了一些二手擠壓機,其中有1臺原屬道屋(Dow)化學公司的16200Ustf的重型擠壓機,2003年從道屋化學公司的密蘇里州圣路易絲(St Louis,Mo)工廠搬到坎頓擠壓廠,此機原是美國空軍重型擠壓機計劃(U.S.Air Force heavy press program)中的一臺,制造者是德國杜伊斯堡(Duisburg)市液壓機公司(Hydraulik GmbH),建于上世紀30年代中期,在第二次世界大戰期間用于生產軍工鋁材,1946年作為戰利品被美國沒收。之后由水壓改為油壓,并增加了反擠壓功能,2005年投產。

羅馬尼亞擠壓廠于2010年投產,它成了此后一二十年內通用合金公司快速發展的引擎。它是一個完整的擠壓鋁材生產企業,有熔煉-鑄造車間、擠壓車間和表面處理車間,后者2014年建成,有陽極氧化和涂漆工段。此廠建成后,通用合金公司的銷售收入連續幾年都以兩位數增長,它位于羅馬尼亞一個邊遠的縣城,生產成本低,效益好,于是公司有能力建設全球技術中心(Global Technology Center,GTC),并于后來加入歐盟(European Union)。通用合金公司歐洲(Universal Alloy Corporation Europe,UACE),不但能生產經表面處理的高端擠壓、鋁材,而且可以生產航空器供組裝的零部件,這個過程大約經過10年的時間,該企業發展模式值得我們有條件的企業借鑒。

擠壓

通用合金公司歐洲2010年7月投產后,于2011年第三季度達到設計產能,有4臺擠壓機,航空航天擠壓、鋁材生產能力2000t/a,即166t/mo,2011年的實際生產能力達2500t/a。

通用合金公司歐洲的4臺擠壓機都是反向,其中1臺1800Tf的可用254mm的圓錠擠壓149mm外接圓的擠壓材。反向擠壓機與牽引機相結合可生產高品質的長大的材料,工廠擁有完善的實驗裝備,擠壓車間有完備的擠壓輔助設備,有1臺13m的立式固深處理爐,4臺退火時效爐,自動化包裝線。在此需特別指出的是,擠壓機與拉伸矯直機由通用合金公司設計,并提供控制裝備,由中國成套制造的,時效、退火爐是美國塞科/瓦威克公司(SECO/Warwick)提供的,所有設備都能滿足生產能力2500t/a的要求。擠壓機與拉伸機很可能是太原重型機器股份有限公司制造的。

通用合金公司歐洲有一個非常高效且有競爭力的擠壓工模制造部門,實行24h服務,工模具鋼材全球采購,由于公司管理嚴謹有方,東歐勞動力成本又低,所銷售的工模具單位成本是世界上*低的,交貨期比任何其他公司都要短,2015年擠壓模生產能力已達5000套/a~7000套/a,用戶遍布北美、歐洲與亞洲,并擁有一批固定用戶。

鑄造

通用合金公司歐洲投資590萬歐元(754.7萬美元)建了一個現代化的鑄造車間,可生產高品質的擠壓用圓錠,質量上乘,生產成本低且工藝廢料也得到有效利用。新熔鑄車間有2臺感應爐,采用先進的除氣與鑄造設備。

鑄造機為立式的,有1臺步進式均勻化退火爐,鋸切機1臺,還有3臺車皮機,錠坯車皮后進入超聲波探傷系統。通用合金公司歐洲現在的鑄造與熔煉設備可以生產5000t/a錠,足以滿足現在4臺擠壓機對錠坯的需求,但車間大小可以生產8000t/錠,可為未來公司擴大到6臺擠壓機提供足夠的優質錠坯。

通用合金公司歐洲(羅馬尼亞工廠)和美國加利福尼亞州阿拉海姆工廠鑄造車間的鑄造設備都是阿爾梅克斯美國公司(Almex USA Inc.)提供的,是全球公認的鑄造航空航天鋁合金錠的首 選,對鑄錠品質有著充分的保證。

鑄造機與2臺感應爐的全部工藝參數控制由計算機執行,它們都聯為一個網絡,感應爐是美國感應熱公司(Induction Thermal Corporation)提供的,每臺的容量為3t。感應爐熔煉工藝與除氣裝備能確保熔體品質與純凈度滿足航空材料標準要求。

通用合金公司歐洲2017年~2020年擬進行擴建;增加2臺擠壓機,1臺固溶熱處理爐,2臺時效退火爐,提升生產能力3500t/a;鑄造熔煉車間進行相應的擴建,增加1臺感應熔煉爐

深加工

為了延伸產業鏈,提高產品附加值,通用合金公司歐洲建了一個擠壓產品深加工中心。中心產品直接瞄準機身零件,例如,座椅導軌、桁條、地板結構件、貨物裝卸系統、機翼零件等。這些零件的制造加工還與表面處理、配套(kitting)與組裝(assemb/y)車間密切關聯。

通用合金公司歐洲的深加工部門現有23臺長床加工中心,其中有8m加工中心及1臺Chiron MPS 15加工機。加工中心與組裝車間位于同一5600m2的廠房內。

組裝

航空器零部件的組裝也是通用合金公司歐洲(羅馬尼亞擠壓廠)一個很重要的單元,是該公司提高效益的核心部門。航空器結構組裝是一個勞動密集型工作,不管對零部件供應企業與航空器制造廠都是非常重要的關鍵部門之一。

羅馬尼亞工廠在2012年~2016年不但向航空器制造公司提供零部件,也向建筑工程公司供應了一些結構件。現在則主要為空客公司A350提供電纜槽(electrical yaceways)以及為厐巴迪支線噴氣客機)生產地板的一些次要結構件。

表面處理

表面處理也是航空航天零部件制造加工鏈中很重要的一環,可以提高零部件的附加值。表面處理包括陽極氧化、化學銑削涂漆與噴印標記。羅馬尼亞工廠可向市場供應10m長的表面處理材與經表面處理的航空器工件,該廠的表面處理液不含鉻,完全符合空客公司與波音公司的無鉻處理規范TSA與BSA,所有的處理工序都可以滿足NADCAP的規范,可完全滿足當前*嚴格的環保法規與條例要求。

認證與認可

通用合金公司歐洲(羅馬尼亞擠壓廠)經過多家權威機構與部門的認證與認可(certifications and recognition):2009年11月獲得AS9100 EN9100:2009認證,現在又得到修正版C的認證;2010年4月獲空客公司產品質量證書,2011年獲波音公司產品質量確認;不但獲得NADCAP的環保認證,并擴認到ISO 14001∶2009。

2011年,通用合金公司歐洲獲得空客公司頒發的1#*佳供應商獎(#1 Best Perfor SQIP Award),榮獲此獎對提高通用合金公司歐洲聲望大有裨益。

結語

本文介紹的通用合金公司歐洲是美國通用合金公司建在羅馬尼亞的一家子公司,企業不大,所有擠壓機都是反向的,同時都是中國制造的,專門擠壓航空器鋁材,占歐洲航空航天擠壓市場份額40%以上,還制定了近中期規劃,準備進行大規模建設,與母公司在一起,朝著占全球航空航天擠壓鋁材市場份額50%目標前進。幾年前,還成立了環球技術中心(GTC),對公司技術與經營管理的發展起到一定的促進作用。

通用合金公司歐洲的另一特點是建了一個擠壓鋁材航空器零部件深加工中心,技術先進,并達到一定規模,直接向航空器制造廠提供組裝某些零部件,這是一項雙贏的工作。中國鋁加工企業在航空器零部件深加工方面尚處于起步階段,甚至尚未邁出第 一步,筆者撰寫此文的目的之一,是希望有條件的企業能在航空航天鋁材深加工方面下點功夫,直接為航空器制造企業提供可組裝的高端零部件。中國有些鋁材擠壓企業已具備了建深加工車間的條件,有些仍需增加一些必要的裝備。熔鑄車間*好用感應爐、阿爾梅克斯公司鑄造設備、大中小配套齊全的反向擠壓機與加工中心。(王祝堂)

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