鋁合金汽車板生產技術及發展趨勢

1、國內外鋁合金汽車板市場概況
1.1
鋁合金汽車板在新能源汽車行業的應用
2021年1月至11月我國新能源汽車的銷量達到299萬輛，同比增長1.7倍。新能源汽車產業的迅速發展與電池、自動化控制、新材料等技術發展息息相關，在電池技術尚未獲得重大突破情況下，車身輕量化依然是新能源汽車行業重要研究課題。鋁合金材料具有比強度高、耐腐蝕、回收率高等優勢⑴。鋁合金鑄件應用于發動機底盤系統已有百年歷史, 但應用于車身覆蓋件的鋁合金汽車板發展卻較為緩慢,2010年以前僅在某些車型（如奧迪A8）上有較多應用特斯拉公司作為新能源汽車的企業，應用全鋁車身，碳積分管理卓有成效。特斯拉在上海建設的工廠的投產也帶動了國內新能源汽車行業的迅速發展，以蔚來為典型代表的全鋁車身新能源汽車銷售量一度搶眼。
1.2
鋁合金汽車板供應現狀
早期美國鋁業（Alcoa）、奧肯鋁業（Alusuisse）、 加拿大鋁業（Alcan）等鋁加工企業通過與汽車 主機廠如利蘭汽車（Leyland）、福特（Ford)和捷豹路虎（Jaguar Land Rover）合作開發定制化鋁合金汽車板，實現獨家供應。隨著汽車輕量化需求和新能源汽車行業的發展，以及汽車主機廠成本壓力，鋁合金汽車板技術要求有標準化趨勢，例如歐洲VDA標準統一了鋁合金汽車板技術指標：目前全球鋁合金汽車板供應商諾貝麗斯（Novelis）公司通過新增、并購等方式，2020年其位于北美、歐洲、亞洲工廠的全部產能達到100萬t/a。過去十年期間，國內紛紛投資建設鋁合金汽車生產線,受市場和技術限制， 近幾年才開始逐漸量產2020年國產鋁合金汽車板 供應商包括南山鋁業、南南鋁、中鋁瑞閩、忠旺集團 等公司產能總和約40萬t，2022年預計新增產能12萬t。目前國內外鋁合金汽車板產能仍在穩步擴展，供需尚未達到平衡狀態。
2 、鋁合金汽車板生產技術和設備瓶頸
6xxx系鋁合金汽車板主要合金牌號包括6016 ,6014、6022等，是目前應用于車身外覆蓋件的主要鋁合金。汽車板對綜合性能、表面質量和質量穩定性要求高。目前主流的鋁合金汽車板生產工藝流程較為復雜，包含熔鑄一均熱一機加工一熱軋一 冷軋一連續熱處理幾大工序。6xxx系鋁合金汽車板需要具備良好沖壓成形及翻邊性能，抗自然時效穩定性,烤漆強度增量良好,材料沖壓后表面不能出現羅平線。要滿足汽車主機廠時汽車板的特殊性能 要求不僅需要質量合格的冷軋坯料，還需要專門的熱處理技術和生產裝備鋁合金汽車板產能主要受限于該熱處理技術和設備    
2.1
主要生產工藝流程
主流汽車板生產工藝：半連續鑄造法（direct chill casting,DC）生產大規格扁錠→鋸切頭尾→銃削表面→加熱→在大型寬幅熱軋機組高溫軋制→卷坯→冷軋加工至成品厚度→用汽車板專用熱處理設備氣墊式連續熱處理爐進行熱處理。如需要調控材料顯微組織及晶粒度，可在冷軋道次中增加中間退火工序。
2.2
熱處理瓶頸工序
氣墊式連續熱處理爐是生產6xxx系鋁合金汽車板的關鍵設備，該設備的核心單元是氣墊式淬火熱處理裝置和預時效熱處理裝置，輔助單元有開卷、 縫合、清洗、活套、拉矯、卷取等設備廣義的氣墊爐設備還集成了表面預處理裝置，可以依據寶馬、大眾、豐田、本田、特斯拉等汽車主機廠后續沖壓、焊接、烤漆等工藝要求，定制化去除鋁材料表面氧化 層，通過化學藥劑形成表面轉化膜，并在材料表面涂覆保護油品。6xxx系鋁合金汽車板在高溫熱處理時強度低、表面易擦傷、溫度敏感性高。氣墊式連續熱處理生產線憑借溫控精度好、生產效率高、表面質量優良等優點成為汽車板熱處理生產工藝的方式。該設備的核心單元氣墊式連續熱處理爐一直被EBNER等國外公司壟斷，東北大學對氣墊式漂浮 技術、控制系統等開展研究，正在廣西南寧建設國產首臺套該類設備，計劃于2022年8月在廣西南南鋁加工有限公司投產。
2.3
降成本工藝路線探討
為了降低生產成本、提高 效率,鋁加工行業也在探討連鑄連軋法（coutinuous casting, CC）生產鋁合金汽車板可行性。該方法是在連續鑄造機后面配置熱軋機，連續鑄造板坯在還沒有冷卻到再結晶溫度以下時就在熱軋機軋制變形。美國聯邦鋁業研究確認,CC法生產的5754鋁合金在力學性能、耐蝕性能、焊接性能、成形性能等方面均能達到汽車公司的 要求。2017年中國金屬學會舉辦“全國薄板坯連 鑄連軋生產技術研討會”，會議重點交流我國薄板坯連鑄連軋技術及薄帶鑄軋技術寶武鋼鐵集團薄板坯連鑄連軋短流程生產的QSIE340TM、QStE420TM、 DP600、DP780、HF1500等產品在北汽、廣汽等不同車型已有應用。但連鑄連軋法生產6xxx系鋁合金汽車板冷軋坯料仍存在較多尚待解決的技術難題，包括組織均勻性控制、板形控制、表面質量控制、多機架設備自動化聯動控制等，需要將設備、工藝、材料相結合開展綜合研究開發，以盡快實現工業化生產。
3、低碳鋁合金汽車板
2021年5月我國生態環境部組織制定和發布了關于碳排放權登記、交易和結算等一系列試行管理規則。盡管汽車業還未直接納入碳交易，但碳交易的建設和落地卻與汽車行業緊密相關。整車企業屬于制造型企業，依賴上游零部件企業和物流運輸業務，又直接對接客戶端，需要承擔更大的碳減排責任。整車企業將會向供應商增設碳排放指標要求，促進零部件制造過程實現更多減碳。鋁工業碳排放生產環節包括氧化鋁冶煉和原生鋁電解，排放量分別約占總排放量的9%和88%。低碳電解鋁的減排途徑包括使用可再生能源和低碳電解技術。低碳鋁合金的減排途徑包括使用可再生能源、優化工藝設備降低能耗、添加再生鋁三種。
3.1
可再生能源低碳鋁
我國電解鋁產能達4857萬t/a,其中清潔能源產能總占比為20.3% ，水電產能又占清潔能源產能90.1%，主要集中在水電資源豐富的云南、四川。以中鋁集團旗下云南鋁業公司為代表，水電電解鋁產能超過200萬t/a,碳排放低至3 kg CO/（kg Al）。2021年阿聯酋聯合鋁業公司（Emirates Global Aluminium, EGA）使用太陽能發電生產電解鋁，并向寶馬集團供應CelestiAL綠色鋁產品，使寶馬集團每年“間接”減少22.2萬t碳排放。2020年冰島世紀鋁業公司（Century Aluminum）使用水電和地熱發電生產電解鋁，向奧地利Hammerer鋁業公司（HAI）供應15萬t Natur-Al鋁產品。
3.2
無碳冶煉技術
2018年5月美鋁（Alcoa）和力拓（RioTinto）公司宣布一項無碳鋁冶煉工藝（惰性陽極ElysisTM技術），碳排放總量低于4 kg CO 2/（kg Al）。2017年11月，俄鋁（Rusal）公司推出低碳鋁“ ALLOW"碳排放為2.5 kg CO 2/（kg Al）。2020年6月，俄鋁開始進行新型惰性陽極工業實驗，降低碳排放到創紀錄的2 kg CO 2/（kg Al）。挪威海德魯鋁業公司計劃在2030年通過自身研發的HalZero零碳電解技術，碳捕集和封存（CCS）技術，以及消費端廢鋁分選使用技術實現零排放。我國的碳陽極產品質量仍存在較大優化提升空間，可以進一步降低電解鋁能耗，減少排放。
3.3
廢鋁回收再生汽車板
隨著鋁合金汽車板使用量逐年增加，我國碳排放政策要求落地，國際碳交易市場加速對接，再生鋁合金汽車板也成為汽車行業和鋁加工企業共同探討的課題。關于汽車用再生鋁壓鑄件研究很多，市場回收的廢鋁因為成分較為復雜，雜質含量多，更適用于對耐壓耐磨有較高要求的鋁壓鑄件，使用回收廢鋁生產壓鑄件的技術難題主要在于熔體凈化” 車身沖壓用鋁合金汽車板對綜合性能要求高，因此對回收鋁的要求相應有所提升。根據零件形狀和材料沖壓成形能力，汽車板坯料沖壓成品率一般為40%~60%,沖壓邊角料清潔度較高，易收集運輸，回收后用于鋁合金汽車板尤其外板生產具有較高技術可行性，在收集廢料過程中如能做到合金系列分類，則廢料價值更高。對于市場消費端廢鋁例如易拉罐、鋁線、建筑型材以及連接鋼鐵等其他金屬 或非金屬的廢鋁，應做好拆解分類，必要時需要通過重熔精煉過濾去除雜質，才能將純度較高的再生鋁錠用于鋁合金汽車板的生產。
4、結束語
新能源汽車行業用鋁需求增長加速國內鋁合金汽車板產業發展。國內鋁合金汽車板技術成熟度明顯提升，產品質量可以與進口汽車板相媲美，已實現部分替代進口。隨著新能源汽車產能擴張及用鋁材需求的進一步增長，鋁加工行業需要推進關鍵生產設備氣墊式連續熱處理爐的國產化應用，同時在碳排放政策背景要求下，需要加快再生鋁合金汽車板的研發試制和驗證，實現車身用鋁的循環利用，達到汽車全生命周期節能減排的目的。
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