廣西南南鋁加工有限公司，是一家集研發(fā)生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)為一體的大型鋁合金材料制造企業(yè)，它的許多產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于航空、汽車(chē)、船舶、泛半導(dǎo)體等領(lǐng)域，可以說(shuō)天上飛的，地上跑的，手上用的很多都能看到這家企業(yè)產(chǎn)品的影子。在近日公布的2022 年度廣西科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獎(jiǎng)勵(lì)名單中，由廣西南南鋁加工有限公司牽頭推進(jìn)的《高品質(zhì)鋁合金大規(guī)格鑄錠制備及成果轉(zhuǎn)化》項(xiàng)目，榮獲了廣西科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。這一項(xiàng)目不僅解決了多年以來(lái)國(guó)內(nèi)同行業(yè)“卡脖子”的技術(shù)難題，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，還打破了國(guó)家重要戰(zhàn)略材料長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口的局面。
鋁合金是鋁與其他金屬元素以一定比例混合而成的合金。純凈的鋁金屬又輕又軟，沒(méi)有一般金屬的硬度，但往里面添加了銅、鋅等金屬后，就會(huì)變得堅(jiān)硬的同時(shí)，又保持了鋁金屬原有的耐腐蝕、比重輕和延展性好等特點(diǎn)。因此，鋁合金被廣泛應(yīng)用于建筑、航空、汽車(chē)、機(jī)電等領(lǐng)域，在我國(guó)，它的需求量?jī)H次于鋼鐵，我國(guó)也因此成為鋁合金制造大國(guó)。根據(jù)添加金屬的分類(lèi)和比例，鋁合金產(chǎn)品又被分為不同的種類(lèi)，被用于不同的工業(yè)領(lǐng)域。
在分類(lèi)眾多的鋁合金產(chǎn)品當(dāng)中，高端鋁合金是指具有較高的技術(shù)難度、準(zhǔn)入門(mén)檻和較高附加值的鋁合金材料。大規(guī)格、高純凈、高均勻鋁合金鑄錠是制備航空航天、軌道交通、汽車(chē)輕量化等裝備用高端鋁材的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，屬于國(guó)家戰(zhàn)略材料的一類(lèi)。如何改變這一戰(zhàn)略材料長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口的局面，一直是國(guó)內(nèi)鋁合金行業(yè)的共同難題，也是制約鋁合金行業(yè)技術(shù)的瓶頸。過(guò)去，受到鋁合金鑄錠質(zhì)量及規(guī)格的制約，我國(guó)高鐵鋁合金枕梁、軸箱體等材料，以及部分航空用鋁合金材料長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口，極大地影響了我國(guó)重大工程的實(shí)施。
為了做到重要戰(zhàn)略材料的自主可控，實(shí)現(xiàn)大規(guī)格高品質(zhì)鋁合金制備技術(shù)突破是迫在眉睫、勢(shì)在必行。南南鋁加工的技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)抱著不服輸?shù)膭蓬^，毅然接受了這一艱巨的挑戰(zhàn)。
鋁合金鑄錠的生產(chǎn)制備一般流程主要有配料、熔煉、保溫、鑄造、均勻化退火、機(jī)加工等環(huán)節(jié)。航空航天鋁合金是在高端領(lǐng)域應(yīng)用的典型代表，航空航天鋁合金厚板需要突破大規(guī)格高潔凈鋁合金鑄錠制備技術(shù)、強(qiáng)應(yīng)變軋制技術(shù)、殘余應(yīng)力評(píng)估與消減技術(shù)、精密熱處理技術(shù)等技術(shù)方面的難題。
航空航天用超高強(qiáng)鋁合金需要添加的合金元素比例較高，隨著合金化程度的提高，鋁合金在熔煉過(guò)程中吸氫的幾率增大，熔體中氫氣、金屬雜質(zhì)等渣含量等可引起鋁鑄錠產(chǎn)生氣泡、夾雜、疏松、裂紋、白斑等產(chǎn)品缺陷，因此需要在生產(chǎn)中嚴(yán)格控制鑄錠中的氣體和渣含量。
我們使用混合氣體進(jìn)行多級(jí)精煉，氣體通過(guò)轉(zhuǎn)子進(jìn)入液態(tài)金屬中。加入的混合氣體形成細(xì)微的氣泡，帶動(dòng)夾雜物、其他雜質(zhì)上浮，達(dá)到凈化金屬液體的作用。采用多級(jí)靜電除氫系統(tǒng)，通過(guò)爐內(nèi)精煉和在線(xiàn)除氣精煉，使得鋁熔體氫含量≤0.08毫升/100克鋁，大大減少了高合金化鑄錠產(chǎn)生內(nèi)部質(zhì)量缺陷的可能性。
南南鋁加工的技術(shù)團(tuán)隊(duì)通過(guò)開(kāi)發(fā)高合金化鋁熔體凈化技術(shù)，很好地控制了氫含量和渣含量，生產(chǎn)出的鋁合金在拉伸性能、斷裂韌性、疲勞性能、成型性能、焊接性能、氧化性能等方面都得到極大改進(jìn)，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。在攻克熔體凈化這一難題后，如何解決大規(guī)格高合金化鋁鑄錠生產(chǎn)過(guò)程中極為普遍的開(kāi)裂難題，成為技術(shù)團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)攻關(guān)的方向。
高合金化鋁合金鑄錠鑄造過(guò)程極易開(kāi)裂，并且隨著鑄錠尺寸的增大，開(kāi)裂的傾向更大。根據(jù)實(shí)踐中得出的經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)裂問(wèn)題和生產(chǎn)過(guò)程中的鑄造溫度、鑄造速度、冷卻水都有著密切的關(guān)系，尤其是冷卻水直接影響著開(kāi)裂的程度。
為了做到完全無(wú)裂，技術(shù)團(tuán)隊(duì)的熔鑄小組仔細(xì)研究，在結(jié)晶器內(nèi)添加濾網(wǎng)，防止雜質(zhì)堵塞出水口造成鋁錠冷熱不均；拓寬排水系統(tǒng)，避免冷卻水溢出導(dǎo)致鋁錠局部受冷。在經(jīng)歷700多次技術(shù)攻關(guān)后，熔鑄小組成功開(kāi)發(fā)出可移動(dòng)刮水環(huán)鑄造技術(shù)，這意味著已經(jīng)向成功邁進(jìn)了一大步。
正式熔鑄前進(jìn)行了最后一次實(shí)驗(yàn)，就在距離成功只有咫尺之遙的關(guān)鍵時(shí)候，卻發(fā)生了意想不到的情況。當(dāng)錠鑄造長(zhǎng)度達(dá)到400毫米時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)了漏鋁的緊急情況，導(dǎo)致了不得不暫停此次實(shí)驗(yàn)。
漏鋁是熔鑄環(huán)節(jié)中的另一大難題，當(dāng)冷卻水接觸到從結(jié)晶器中流出形成的扁錠時(shí)，在扁錠外圍引起快速地凝固和收縮，造成錠尾變形，也就是末端向上翹曲。發(fā)生翹曲后，部分鋁水從鑄錠和結(jié)晶器縫隙中流出就產(chǎn)生了漏鋁。漏鋁出現(xiàn)的原因有很多，熔鑄小組經(jīng)過(guò)層層排查后發(fā)現(xiàn)，問(wèn)題出現(xiàn)在水流量控制器上。由于實(shí)驗(yàn)次數(shù)過(guò)多，水流量控制器內(nèi)水垢堆積，水流量偏差影響了結(jié)晶器的導(dǎo)熱性，導(dǎo)致了漏鋁的發(fā)生，這也迫使熔鑄小組不得不更換生產(chǎn)線(xiàn)。隨后，他們選擇了裝備最為成熟的6號(hào)生產(chǎn)線(xiàn)，但這也讓熔鑄小組壓力又增加了一層。
為解決新出現(xiàn)的問(wèn)題，熔鑄小組幾乎吃住都在模擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。冷卻水強(qiáng)度、鑄造速度、填充時(shí)間，他們對(duì)每個(gè)重要參數(shù)和操作細(xì)節(jié)都做了反復(fù)地推敲和論證，做好了充分的準(zhǔn)備。2018年5月25日，鑄造試驗(yàn)再次啟動(dòng)，鋁水從流槽注入結(jié)晶器，隨著時(shí)間慢慢推移，鑄錠長(zhǎng)度一點(diǎn)點(diǎn)隨之增加。兩個(gè)小時(shí)后，鑄錠達(dá)到設(shè)定長(zhǎng)度，最終一次性成功鑄造寬度2520毫米的世界最大規(guī)格7050鋁合金扁錠。這是新的世界紀(jì)錄，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)在該項(xiàng)技術(shù)的“領(lǐng)跑”。
對(duì)于高品質(zhì)鋁合金，由于加入合金元素比較多，規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程容易造成組織成分的不均勻性，這就會(huì)影響鑄錠的質(zhì)量及變形加工工藝。且隨著合金化程度的提高和鑄錠尺寸的增大，不均勻性現(xiàn)象會(huì)更加嚴(yán)重。成分和組織均勻性對(duì)大規(guī)格鋁合金鑄錠最終產(chǎn)品的質(zhì)量有決定性影響，而鑄錠質(zhì)量的高低又與鋁合金板材的加工成材率和使用性能密切相關(guān)。
在鑄造較大規(guī)格鑄錠時(shí)，通過(guò)結(jié)晶器的冷卻，由于鑄錠芯部與外壁冷卻速度的差異，將不可避免地導(dǎo)致鑄錠凝固組織和成分的不均勻，而這種不均勻程度往往隨著鑄造錠的尺寸增大而變得更加嚴(yán)重。隨著鋁合金鑄錠凝固殼層的增厚，傳熱系數(shù)減小，芯部和表層晶核的形核率和長(zhǎng)大的不一致將導(dǎo)致鑄錠晶粒大小、形狀也隨之發(fā)生變化。而這些最終將導(dǎo)致鋁合金鑄錠的一致性變差，引起鋁合金鑄錠加工的性能也隨之變差，最終導(dǎo)致產(chǎn)品性能的不均勻。
項(xiàng)目組針對(duì)這些問(wèn)題，開(kāi)展了結(jié)晶器改造、鑄造參數(shù)優(yōu)化研究，通過(guò)一次間接式緩冷對(duì)冷卻水進(jìn)行加熱，減小一次間接冷卻跟二次直冷的溫度梯度差，極大細(xì)化內(nèi)部晶粒，有效提高了結(jié)晶器中鋁合金熔體的溫度分布均勻性，降低邊部與芯部區(qū)域的冷卻溫度梯度，最終達(dá)到提升合金成分及組織均勻性的目的。解決了大規(guī)格高品質(zhì)鋁合金鑄錠生產(chǎn)相關(guān)的一系列技術(shù)難題，開(kāi)發(fā)出高品質(zhì)鋁合金鑄錠生產(chǎn)技術(shù)，部分技術(shù)指標(biāo)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外空白。項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的鑄錠用于生產(chǎn)航空航天、汽車(chē)輕量化、3C泛半導(dǎo)體等裝備用高端鋁材，促進(jìn)了我國(guó)鋁加工工業(yè)技術(shù)水平的提升。項(xiàng)目得到了科技廳等相關(guān)政府部門(mén)的高度肯定，榮獲2022年度廣西科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)。
得益于此科研項(xiàng)目的技術(shù)突破，南南鋁加工成功生產(chǎn)了超高強(qiáng)、耐熱7系鋁合金鍛件，航空用大規(guī)格高性能7系鋁合金板材，新能源汽車(chē)用6系板材等一系列用于國(guó)家重點(diǎn)領(lǐng)域的鋁合金產(chǎn)品，成功打破國(guó)外技術(shù)壟斷。其中鋁合金超大規(guī)格扁錠制備方法等7項(xiàng)技術(shù)獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)。
目前，南南鋁加工在大規(guī)格鑄錠的制備技術(shù)方面已走在了世界前列，但在航空航天工業(yè)中極具應(yīng)用前景的輕質(zhì)鋁鋰合金的熔鑄方面，熔鑄裝備水平和生產(chǎn)技術(shù)水平與國(guó)外仍存在較大的差距。未來(lái)我們將聯(lián)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)單位在鋁鋰合金的生產(chǎn)工藝技術(shù)方面加強(qiáng)攻關(guān)，力爭(zhēng)彌補(bǔ)差距，為推動(dòng)我國(guó)航空航天事業(yè)的發(fā)展做出自己的貢獻(xiàn)。
