镁、铝、钛及其合金同为力学性能优良的轻金属或轻合金结构材料, 这其中, 镁和铝的金属特性及应用特点更为接近^[1].

2015年, 我国原铝产量超过了3 000万t, 铝生产和加工企业的利润为540亿元 (利润位居有色金属第一位, 比排名第二位金属铜的利润高65亿元), 利润同比增长22%(另外, 金属银的利润同比增长1.6%, 除金属铝和银外的其他金属均出现不同程度的下降).其中, 铝板带材的产量达到了千万吨的级别, 而现代化、专业化的铝板带材生产企业多达400余家.近年来, 铝板带材的产量占原铝产量的比例一直维持在20%~30%.

而在同期, 国内原镁产量约80万t, 镁生产和加工企业的利润约为12亿元 (总利润排在铝、铜、铅锌、钨钼、稀土、银之后, 锑、镍、钴、锡之前), 利润同2014年相比下降约30%.镁合金板材的产量仅为千吨的级别.而现代化、专业化的镁合金板材生产企业的数量较少, 多为钛、铝板带加工企业辅助性生产或带料加工.有的镁合金板带生产企业还停留在产业化开发或工业化试生产阶段, 国内还没有国有大型的专业化镁合金板带生产企业.镁合金板带材的产量占原镁产量的比例不到1%, 前些年甚至低至0.1%左右, 远远低于铝板带材占原铝20%~30%的比例.

由以上数据可知, 国内原镁、镁合金板带材 (下文简称“镁板”) 的产量与原铝、铝及铝合金板带材 (下文简称“铝板”) 的产量存在着非常大的差距.这些差距同时也体现在合金品种、产品规格和质量、生产企业的状况、生产集中度、专业化生产程度和加工设备的装机水平、利润水平以及利润增长率等方面.

同时, 国内镁板的年产量相比于钢铁板带材超亿吨、铜及铜合金板带材超百万吨、稀有金属中的钛及钛合金板带材超万吨的年产量差距也较为明显, 其年产量与难熔金属钼及钼合金板材的年产量基本相同.

镁板的实际年产量和市场供应量不仅与原材料、生产成本、工艺技术、市场需求量、产品质量和价格等因素有关, 也与科技和社会发展水平、客户和市场的认知和认可程度、板带材产品的实际深加工技术和现状、装备制造业发展水平以及国家相关政策等客观因素息息相关.就目前来说, 镁板在工业化合金品种、生产技术、市场应用、研究开发和工艺数据等方面与钢铁、铜铝等有色金属还存在较大差距, 处于规模开发与市场应用的初级阶段.

在国家安全生产监督管理总局2015版的《危险化学品目录》中, 将含镁＞50%的镁合金 (片状、带状或条状) 包含在内, 并将其归为“易燃固体、遇水放出易燃气体的物质和混合物”一类.由于归类为危险化学品和易燃固体, 这给镁薄带、片和条的生产线设计、厂房设计、加工设备设计、产品及中间制品的生产、存放和运输等带来了一定的困难, 提高了相应产品的生产成本, 加大了产品的市场推广应用难度.

但是, 随着生产工艺技术的进步和突破、产品质量和性价比的不断提高, 以航空航天和交通运输领域为代表的材料轻量化的实际需求尤其是“中国制造2025”规划的实施, 作为具有密度小、比强度和比刚度高、导热和散热性能好以及屏蔽和抗振性能好等特点的镁板尤其是宽幅中厚板一定会发挥其优势.在即将到来的“十三五”期间实现其自身价值、特有应用和规模化材料替代, 其专业化生产设备和生产线的建设、工业化批量生产和应用也将会迎来一个高峰.

1 航空航天领域 1.1 航空航天领域铝板的应用

目前, 在世界范围内, 航空航天领域总用铝量约占铝消费量的5%.但由于铝的消费量大, 而且航空航天领域所使用的铝板技术含量高、利润附加值高, 因而成为世界各铝板企业开发和生产的热点^[2].

以往, 由于航空航天工业用材研制开发的落后, 国内飞机制造所用的铝板多为进口.西南铝和中铝东轻是国内最早进行航空航天领域用铝板开发和生产的企业.目前, 山东南山铝业、广西南南铝业等也开始进入航空航天用铝板的开发和生产.国产C919大飞机项目批量使用了西南铝的中厚铝板材 (提供铝材达到千吨级别), 产品种类主要为7系铝合金 (7系铝合金添加的合金元素以锌为主, 同时含有少量的镁、铜等).

航空航天领域对铝板的要求不仅体现在高冶金质量、高性能的技术指标以及规格多、尺寸复杂等特点, 其组织、性能和表面质量, 尤其是对外体现的强度、塑性、耐腐蚀性和抗疲劳度的要求也极其严格.7005和7075铝板是航空航天领域用7系铝合金中档次最高的产品, 可进行热处理强化.7075铝板主要用于制造强度高、抗腐蚀性能强的高应力飞机结构件, 如飞机的上下翼面壁板、桁条等.

某企业生产规格20 mm×1 200 mm×3 000 mm、状态为T7651的7075航空用预拉伸厚板的生产工艺流程如下^[3]:煤气炉内700~750 ℃熔炼→705~715 ℃以55~60 mm/min的速度进行半连续铸造→450~460 ℃进行40 h的电阻炉内均匀化处理→圆盘锯切规格为300 mm×1 280 mm×1 200 mm的铸块→铣床进行每面15 mm深度的表面铣削→航空用油清洗铸锭表面→加热炉内370~410℃进行4~8 h的加热→ϕ700 mm/ϕ1 250 mm×2 000 mm四辊可逆热轧机在开轧400 ℃、终轧350 ℃轧制29个道次至20.5 mm厚度→重型液压剪剪切长度3 800 mm→盐浴炉内500 ℃×70 min淬火处理→11辊厚板矫直机矫直→45 MN预拉伸机进行1.5%~2.0%的预拉伸→箱式时效炉内双级人工时效 (一级时效 (115~125)℃×5 h, 二级时效 (160~170)℃×18 h)→锯切取样及成品锯切→尺寸规格和表面质量的检验→人工垫纸和木箱包装.

截至2015年, 全球航空航天铝板生产企业达40多家, 总生产能力约220万t.预计2016—2020年期间, 中国航空客运周转量的年均增长率为8%.中国将在未来10~20年内新增5 000余架客机和3 000架直升机, 成为仅次于美国的全球第二大市场.目前全球航空航天铝合金板用量约80万t, 预测到2020年全球航空用铝板将达到110万t.2015年, 中国国内航空航天领域用铝中厚板约5万t, 如果按15%增长率计算, 到2020年国内航空航天铝板需求量约10万t.

图 1为A380客机主要结构件对选材材质的性能要求.目前, A380客机主要结构件中61%为铝材, 22%为复合材料, 10%为钛材 (及钢材), 3%为金属和纤维材料经层压制造而成的Glare材料, 2%为涂层等保护材料, 2%为其他材料.

1.2 航空航天领域镁板应用与替代分析

2015年, 国内镁板生产线总产能超过了15 000 t, 实际产量约3 000~5 000 t, 而以热轧开坯轧制方式生产的镁板约600 t.在600 t轧制产品板材中, 应用在航空航天的中厚镁板 (4~6 mm厚) 产品占70%以上.

目前, 镁板尤其是宽幅中厚板在航空航天的具体应用为:6~100 mm厚度的镁板主要用于制造卫星和登月飞船底座、导弹和火箭的仪表舱壁板、导弹和飞机的尾翼、战斗机副油箱及衬板以及其他结构零部件; 3~6 mm厚度的中板可用于生产航空发动机、减速器、箱体等部件的外壳或箱盖, 以及支架、门壳体、助推系统等飞机机身零部件^[4-5].

航空航天用镁板尤其是宽幅中厚镁板不仅技术含量高、经济附加值高, 而且由于其只能用热轧开坯方式进行生产 (保证良好的组织和力学性能), 而热轧开坯方式生产镁板是传统的、技术成熟可靠的生产工艺.这也从工艺设备上规避了目前如铸轧、带式法等不成熟技术生产镁板带的难题^[6-7].

中铝洛铜铝镁板带分厂在超过1万t的镁板总产量中, 也是以航空航天用中厚镁板为主.而闻喜银光、华陵镁业、西部钛业和宝鸡钛业等公司也利用宽厚板热轧机生产了一定量的航空航天用宽幅中厚镁板.

某企业航空航天用镁中厚板的成熟工艺技术流程^[8]:加热→热轧 (少量产品需二次热轧)→矫直→退火 (部分产品选用)→成品锯切→检验→涂油包装.以上镁中厚板流程相对镁薄板生产来说, 工艺流程简单、技术参数易固化、流程短、设备可靠.

中色科技股份有限公司 (原洛阳有色金属加工设计研究院) 设计的某项目航空航天用镁宽幅中厚板的工序流程及参数见表 1(合金种类:ME20M;状态:F; 铸锭规格:300 mm×900 mm×1 200 mm; 成品规格:15 mm×1 280 mm×1 500 mm).

目前, 国内热温轧镁板应用在航空航天领域每年不足500 t.如果按照国内经济年增长率约7%考虑, 至2020年航空镁板也仅为千吨级别, 该预测增长率下的需求量明显不足.因此, 在提高预测增长率的同时, 必须考虑对应用在航空航天领域铝板 (及少量钛板) 的金属替代.

2015年, 国内航空航天用铝中厚板约5万t, 按10%的金属替代率, 该领域对镁板的需求量可达到5 000 t/a.航空航天领域对镁板的需求量已超过2015年所有工艺技术 (含热轧、温轧、冷轧、挤压、直接铸造、压铸、铸轧和金属复合等) 所生产的镁板量.至2020年, 航空航天用镁板的预测需求量将达到10 000 t/a.另外, 如果按金属常规预测替代率30%考虑, 2020年航空航天领域的镁板需求量即可达到30 000 t/a.这对金属镁行业的发展、国内镁板的生产和应用都将产生巨大的推动和促进作用.

同时, 应针对材料自身和加工使用特性, 在航空航天领域开发和规模化使用镁-铝轧制复合板 (包括内部镁合金、外部为铝的复合铸造所形成的铸锭直接进行热轧的板材)、镁-钛轧制复合板, 以及推动航空航天领域专用镁-锂合金板的试验化开发和应用.

2 交通运输领域 2.1 交通运输领域铝板的应用

2015年, 我国交通运输领域的铝需求量超过了500万t, 占国内总体铝消费量的15%以上.预计未来几年, 交通运输领域对铝消费量的增长率约为12%.

铝板在交通运输领域的应用具体包括:覆盖件、车门、车顶板、车身侧板、发动机盖、行李箱盖和挡泥板; 热交换器; 汽车和铁路货车的车厢板; 集装箱的壁板和顶板等^[9-11].

货车车身一般使用3~6 mm厚的铝板, 为增加车身的耐磨性, 往往使用钢板做内衬.目前, 日本货车车厢基本全部铝化.货车车厢板为复合结构, 外层为0.5~3.0 mm厚的铝板, 中间为填充层, 内层为铝板.美国为半挂厢式车开发出铝合金车身侧板和车身内板, 由1~5 mm厚的铝板制成^[12-13].

汽车用铝分为两大系列:一是车身结构, 其用量占车身用铝量的70%, 成形性能好, 有足够的强度, 焊接性能优良, 厚度为0.8~4.0 mm, 最大宽度为2 000 mm; 二是车门、发动机盖和行李箱盖等, 厚度为0.6~2.0 mm, 最大宽度为1 900 mm.

目前, 国外在铝合金汽车覆盖件的使用上, 无论是总量还是单车用量都处于领先水平.覆盖件类别上, 发动机盖是使用铝板最多的部件, 其次是挡泥板和行李箱盖.欧盟轻型汽车平均每辆车用铝材约150 kg, 其中覆盖件薄板和其他板材各占约4.0%;日本平均每辆车用铝材120 kg, 其中覆盖件薄板约占2.0%, 其他板材约占3.1%.

Alcoa和Alcan是世界上最大的两个铝合金车身铝板的供应商, 尤其是原属Alcan公司的Novelis Inc目前已成为全球领先的汽车铝板制造商.目前, 有约100款的汽车与轻型卡车在各种车身覆盖件或结构部件上使用了Novelis生产的铝板, 汽车制造商如宝马、奥迪、梅赛德斯-奔驰、通用、福特和雷诺都选择Novelis作为他们铝制车身覆盖件的铝材供货商.

中国汽车铝化率与发达国家相比尚有一定的差距, 但已进入高速发展阶段.压铸件和铸件在汽车用铝中所占的比例大大高于铝加工材.

2016年4月7日, 国内首家专制全铝车身车间在奇瑞捷豹路虎常熟工厂竣工投产.车间占地面积48 384 m², 拥有全球最先进的铆接胶合技术和设备, 拥有335台机器人, 自动化程度达100%.据悉, 吉利汽车目前也在进行全铝车身的开发.

虽然中国在汽车轻量化领域才刚刚起步, 但随着汽车轻量化进程的加快, 预计今后中国将会有更多车辆采用铝合金板材制造的覆盖件、发动机盖、行李箱后盖、车身顶盖、前后轮盖和车门板等.预计到2020年中国国内汽车用铝板需求量将达到20万t以上^[14].

铝材在轨道列车上主要用于结构面板、上侧梁、檐梁和底车顶梁、转向架部件、门窗以及车内装饰、设备控制装置、水箱、行李架、座椅、信号指挥系统用导管、线架、仪表框架、通风与制冷空调系统的管道、输电系统的接触网络、汇流排与线夹等.

目前使用铝合金车体的轨道车辆有:城市轨道交通 (包括地铁、城市轻轨、磁悬浮列车等) 和动车组CRH2、CRH3、CRH5均使用大型中空型材铝合金车体.预计到2020年国内轨道交通需铝板材10万t.

2.2 交通运输领域镁板应用与替代分析

目前, 镁板在汽车、轨道交通等行业的应用相对铝板还处于起步阶段, 但其市场前景广阔.据了解, 闻喜银光和中国中车、山东华盛荣和北汽集团、中铝洛铜和郑州宇通、中国铝业和吉利汽车、中国铝业和东风汽车、国家镁合金工程中心和长安汽车、南京宝奇 (德国驶多飞) 和上海通用等中外合资车企正在进行合作 (或特殊供货商和客户的关系), 大力推进镁板工业化、规模化应用在汽车和轨道交通领域.

在国外, 宝马3系座椅靠背、奥迪A8和大众POLO车门内板、梅赛德斯-奔驰轿车顶板、法国高铁的座椅靠背等均已使用了由德国蒂森克虏伯MgF公司提供的厚度在1.5~2.0 mm的镁板.目前德国蒂森克虏伯、韩国浦项和英国伊利科创这3家国外最具代表性的镁板研发和生产企业正在进行合作, 联合进行汽车工业用镁板的生产和销售.德国驶多飞公司挤压镁板也已工业化供应给欧宝等汽车公司.

在使用规格上, 厚度1.2~3.0 mm的镁板, 用于制造仪表面板、车门板、发动机盖板、行李箱盖板、车顶板、变速器盖、座椅骨架和靠背等; 0.6~3.5 mm厚度的产品用于制造蜂窝地板的上下面板; 列车内衬板、物品架使用的镁板厚度为3~5 mm; 列车裙板、座椅、卧铺板使用的镁板厚度为5~7 mm; 列车内部的受力件使用的镁板厚度多在4~12 mm.

在汽车、轨道交通、船舶和集装箱等领域, 除了可直接使用镁板的部件外, 可考虑采用镁-铝、镁-钢和镁-高分子材料等复合板材.复合板的界面除了采用轧制、爆炸、挤压等高等级分子结合外, 很多部件采用螺栓、销轴、铆接、黏结和外包装的方式即可满足使用要求 (这种简单的复合方式更有利于推动镁板的应用).

2015年, 国内应用在汽车、轨道交通和集装箱等领域的铝板在5万t左右.考虑到我国目前的发展趋势和行业发展比重, 预计到2020年, 交通运输领域对铝板的需求量将达到20~30万t (交通铝材的需求量将超过目前排名第一的建筑铝材需求量).按10%的金属替代率进行考虑, 目前国内交通领域对镁板的需求量合理应在5 000 t/a, 到2020年, 预测该领域对镁板的替代需求量将高达20 000~30 000 t/a.如果按金属常规预测替代率即30%考虑, 到2020年, 交通运输领域对镁板的替代需求量将高达近10万t/a.

3 国内镁板项目建设与发展建议 3.1 镁板建设项目成为热点

从2013年起, 国内钢铁巨头宝钢集团就启动了铝、镁、钛等有色金属材料的研发, 并且开始推进包括“从钢铁到材料”为内容的战略转型.2015年6月, 宝钢集团、北汽集团和山东华盛荣镁业公司进行战略合作, 规划打造以汽车和轨道交通用镁合金材料的生产制造和研发基地.

另外, 首钢、鞍钢和太钢等大型钢铁联合企业也正在调研或规划, 准备进军以镁合金为代表的轻质有色金属材料的研制开发、生产线建设和工业化生产.作为变形镁合金最具代表性、最具技术含量、最具工业化生产和最具市场发展规模化应用的加工材产品—镁板材将最先有可能被以上钢铁企业所青睐, 钢铁企业的人才、技术、生产、管理和投资等模式也将有效提高和推进镁板的工业化生产与应用.个别大型钢企已开始委托专业设计院进行镁板建设项目的可行性研究分析或规划.

目前, 以镁合金加工企业、原镁生产基地、航空航天或交通运输等行业、大学和科研单位以及央企等投资方合作建设的镁板生产线, 已在洛阳、鹤壁、西安、榆林、运城、重庆、上饶、菏泽、唐山、六盘水、白山、鄂尔多斯和常德等地开始实施或进行规划.

由于镁板市场需求量的不断提高且前景看好, 因而作为新中国第一家建设的铝镁合金加工厂东北轻合金加工厂 (现在的中铝东轻), 在时隔40年后的2015年再次进行镁合金铸造方形锭坯的批量试生产 (东轻公司是国内最早利用铝板带轧机进行镁板生产的企业).

原洛阳铜加工厂 (目前分为中铝洛铜和洛铜集团) 是国内最早进行镁板专业研发和生产的企业.一直到20世纪末, 中国可生产镁板的企业仅此一家, 为中国国防军工和国民经济的发展作出了重要贡献 (镁板累计生产量超过了1万t).目前, 虽然国内以轧制法进行镁板生产的企业和生产线不断建成, 但这些企业和生产线的产品种类、工艺技术、合金数据和产品执行的国家标准等, 或多或少都源自于洛铜铝镁板带分厂生产线.到目前为止, 中铝洛铜仍是国内唯一具备提供军事工业用镁板材的企业.

最近, 中铝洛铜正计划利用其搬迁改造的机会, 对原有镁板生产线的工艺设备进行整体升级改造和完善.在进一步加强其军工用镁板研发和生产的优势外, 准备工业化进入市场潜力大但又对性价比要求较高的民用镁板的生产领域, 最终是将其镁板生产线打造成为中铝公司镁板研发和生产基地.

另外, 中铝洛铜集团在其原铝镁板带分厂生产技术和人才基础上, 建设了洛阳铜麒镁业有限公司, 现已试生产出幅宽近1 000 mm的铸轧带坯.中铝洛铜集团投资建设的“洛铜集团宜阳产业园”项目在镁板带生产工艺流程方面规划齐全, 中厚板材利用铸锭热轧开坯法进行生产, 薄板带材利用铸轧方式供坯然后再进行后续卷式法温冷轧, 生产线设计产能为10 000 t/a, 镁板产品的最大幅宽超过了2 000 mm.中铝洛铜集团准备将该项目建设成为河南省镁及镁合金板带材加工基地.

2016年3月16日, 鹤壁地恩地新材料科技有限公司、中色科技股份有限公司、河南镁业有限公司和鹤山区蓝天园区管理有限公司签约设立合资公司, 计划投资2.83亿元在鹤壁市鹤山区姬家山乡产业园区建设年产5 000 t的镁板项目.

鹤壁地恩地中色镁板有限公司项目采用的镁板炉卷轧制技术, 是镁板生产工艺及装备的一个全新突破.将采用世界首条超薄宽幅 (1 600 mm) 镁板带炉卷轧机, 其产品可广泛应用于航天航空、武器装备、汽车轻量化和3C电子产品等领域^[15-16].

3.2 国内镁板发展建议

(1) 镁板生产线和加工设备规模化、专业化:小批量、辅助性、零星化或阶段性进行镁板的生产不是长久之计 (虽然在目前情况下显得比较“经济实惠”), 工程项目、生产线、加工设备的专业化和完善化是所有材料工业化规模生产和应用的前提和标志, 钢铁、铝铜钛钼等有色金属板带材均为如此.目前, 其他金属板带材的生产专业化程度已经具体到了某一种产品类型;

(2) 镁板生产工艺技术应多样化和借鉴化:在目前情况下, 镁板生产线的工艺技术选择应多流程化, 如铸锭热轧开坯法、双辊铸轧法和挤压法, 其生产线、产品方案、加工设备在选择目前应用较为成熟的工艺设备外, 应借鉴铝、钛等板带材的生产工艺和加工设备进行规划, 同时也具有发展性和引领性;

(3) 生产连续化和低成本化:以卷式法轧制和精整来生产薄规格产品可以有效提高生产效率、产品质量和生产线产能, 同时降低生产成本和提高成品率.厚板选择块式法时, 如果能够连续化进行生产, 也能有效降低生产成本和提高生产效率;

(4) 新上项目平稳化和逐期过渡化:根据目前镁板的生产应用现状及工艺、应用的发展趋势及前景, 从投资和风险方面考虑, 可以将新建项目规划为逐期推进.比如, 一期产品方案、产能、工艺流程和生产设备尽可能地成熟和可靠.比如, 卷式法的精整设备可以预留, 待轧机可以工业化稳定生产出合格薄带卷后再进行预留设备的项目实施;

(5) 生产线工程设计专业化:镁板生产工厂、生产线的建设和工艺设备的选型等应由专业化的设计院进行规划和设计;

(6) 产品多样化和差异化:考虑目前镁板的现状和发展趋势, 生产线工艺设计单位和加工企业应将镁板产品的产品方案、实际生产和供应进行合金品种、产品规格状态、表面质量和力学性能进行多样化和分级差异化.同时根据金属特性采用与铝、钛、钢等金属复合的形式来改变目前镁板单一材料制品的现状, 进而推动镁板更好地进行市场推广和应用, 同时提高生产企业的经济效益;

(7) 板带材深加工协作化和就地化:工程设计单位和生产企业应充分考虑下游用户的实际需要, 联合用户、深加工设备厂家和科研机构等对镁板在加工成最终制品过程中可能或实际出现的技术问题进行有效解决, 同时考虑就地加工成合格制品进行供应;

(8) 扩大产品应用以市场需求为推动化:目前生产企业在推进镁板市场应用方面付出了很多努力, 也取得了一定的成效, 但远没有达到预期期望.除了需进行军工认证的航空和军事领域用材外, 在民用镁板市场方面各方应进行以市场需求为特点的推动化应用, 进而实质性地促进镁板生产和技术的进步.