开拓进取,为新时代贡献力量,打造铝合金型材“新智能制造”基地

北京和平铝业衡水基地

打造铝合金型材“新智造”基地

河北日报记者 焦 磊

3月3日,武强县北京和平铝业有限公司衡水基地,占地30多亩的挤压二车间内,一根根铝型材闪着银光从机器中喷吐而出,经过大型机械手精准锯切后,自动输送到下一道工序。在立式涂粉生产线上,刚刚出炉的铝型材顺着智能轨道进入全自动喷涂设备,不到2分钟便“盛装而出”了。

尽管车间内生产线机器轰鸣作响,工人却屈指可数。“智能自动化铝型材生产设备的应用,不仅让企业产能得到大幅提升,也让产品更加优质,还实现了生产环节的节能环保。”车间主任毕守攀边熟练调整自动化生产线的参数边说。

随着社会经济的发展,铝型材在工业领域得到越来越广泛的应用,工业型材成为铝型材行业新的增长点,也成了包括北京和平铝业在内的各大铝型材企业的“必争之地”。北京和平铝业衡水基地负责人郭大龙介绍,北京和平铝业在武强投建的年产30万吨高性能铝合金型材及精深加工项目,是公司第三个专业生产和销售铝型材的现代化生产基地,也是他们出于自身发展,布局全国发展的重要一步。

“项目总投资45亿元,总建筑面积78.2万平方米。项目全部投产达效后,将形成30万吨高性能铝合金型材、100万平方米高品质铝合金节能环保门窗、100万平方米单元体幕墙、10万吨高品质铝合金深加工产品的生产能力。”郭大龙说,他们对衡水基地项目寄予厚望,并将公司产品研发、智能制造、精密制造等优势资源和业务板块集中投放于此。未来产品也将应用于航空航天、兵器、轨道交通、新能源汽车、5G等高新产业领域。

该项目自2019年9月开始建设,2020年10月首个车间投入使用,2021年3月一期项目顺利投产。目前,衡水生产基地已建成12条智能挤压生产线,3条立式喷粉生产线、1条卧式喷漆生产线,5条复合穿条、注胶发泡、深加工生产线,年生产能力达到铝型材5万吨。自去年3月份首支型材下线以来,日产值已达400万元,月产值也突破亿元大关。

项目实现快速投产,离不开当地政府精准高效的服务。办理各种证照手续,有专人“一对一”对接领办、代办;简化审批流程,提供优惠政策,保障了项目顺利推进;举办专场和网络招聘会,解决了企业用工需求。“政府强有力的支持和服务,不仅为企业发展扫清了障碍,也让我们更加心无旁骛谋发展。”这是郭大龙的切身感受。

不久前,在武强县2022年第一季度项目集中开工仪式上,北京和平铝业衡水基地二期项目顺利开工。郭大龙信心满怀地说:“开局就是决战,起步就是冲刺。我们将加快建设速度,确保项目如期投产,并继续发挥企业全产业链、新智造、一站式配套服务特色,将北京和平铝业衡水基地打造成工业型材‘新智造’现代化生产基地,助推河北工业型材产业化能力、智能制造水平再上新台阶。”

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2021年度中国铝合金工业“年度总结”业务及2022年度行业前景预测

中商情报网讯:铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料,在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。2021年铝合金行业运行平稳,产量突破1000万吨,市场规模扩大。

一、2021年铝合金行业发展现状回顾

1、铝合金产量突破1000万吨

我国是铝合金生产大国,近年来,我国铝合金产量稳步增长。2021年全国铝合金产量突破1000万吨达到1068万吨,同比增长14%。

数据来源:中商产业研究院数据库

2、铝合金市场规模扩大

由于铝合金耐高温、可循环利用、低成本等优点,近年来日益受到各个领域的广泛应用。2017年铝合金行业市场规模为2011.18亿元,2020年增长至2765.53亿元。2021年铝合金行业市场规模约2997.55亿元,2022年将进一步达到3318.34亿元。

数据来源:中商产业研究院整理

3、铝合金新增企业减少

2014-2019年中国铝合金相关企业注册量持续增长。2019年铝合金相关企业注册量突破10万家,此后随着环保趋于严格,铝合金企业相关企业注册量连续2年下降。2021年新增铝合金企业相关企业不足3万家,同比减少57.2%。

数据来源:企查查、中商产业研究院整理

4、铝合金企业云集山东

据不完全统计,目前在业/存续铝合金相关企业71.42万家,10个省市在业/存续铝合金相关企业超3万家。山东在业/存续铝合金相关企业最多达8.59万家,占比12.0%。江苏、广东排名第二和第三,在业/存续铝合金相关企业分别为5.89万家、5.42万家。湖南、安徽、湖北、江西、浙江、贵州、河北进入前十,依次排名第4-10名。

数据来源:企查查、中商产业研究院整理

二、铝合金行业发展前景

1、政策利好铝合金行业发展

铝合金相较于其他金属材料,具有绿色、环保、高效、高精度和可循环使用等综合优势,近年来,铝合金行业受到国家产业政策的鼓励和支持。积极推进新型轻质高强材料的新原理与新技术,重点研发先进铝合金、镁合金、钛合金等轻质高强材料的新型轻质材料/结构一体化、智能化、柔性化设计与制造技术的研发。积极推广铝合金应用领域,利好铝合金行业发展。

2、汽车轻量化推动铝合金需求增长

材料轻量化是汽车轻量化最直接也是最有效的路径。铝合金相比钢,密度较小,减重潜力大;相比镁合金,成本较低,成型工艺和连接方式较为成熟。另外,铝的储量较大,耐腐蚀性好,回收利用率高,因此逐步成为汽车轻量化的主流材料,推动铝合金的需求增长,进一步带动了铝合金消费的增加。

3、铝合金应用领域扩展助推行业发展

铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料,目前铝合金行业已发展成相对成熟的市场。在低碳经济成为大势所趋的今日,由于市场需求的增加以及铝加工技术的提高,铝合金在新能源汽车、高铁、船舶、航空等高端领域的应用也越来越广,预计随着铝合金应用领域的不断探索与拓展,将进一步推动铝合金行业的发展。

更多资料请参考中商产业研究院发布的《中国铝合金行业市场前景及投资机会研究报告》,同时中商产业研究院还提供产业大数据、产业情报、产业研究报告、产业规划、园区规划、十四五规划、产业招商引资等服务。

物质战争的启示:有色金属和铝合金在火药的烟雾下闪闪发光

(报告出品方/分析师:中航证券 邓轲)

一、乘风而起的人们

1.1 铝的规模化生产

古代中国人就已经用明矾净水了,古代希腊和罗马人也用明矾作染料和收殓剂。西方人把明矾叫做 alum,拉丁文的意思是“苦涩的盐”,跟硫酸镁的“泻盐”区分开。有人将碱加入明矾溶液,得到了白色的沉淀,并在煅烧后的到了白色的粉末,但当时没有人说得清楚这些粉末和明矾的关系。

1754年,炼金术士马格拉夫发现这种白色的粉末性质和石灰完全不同,在与硫酸溶解后,蒸发掉水分,就得到了明矾的晶体,因此他推断白色粉末是其中的组分,将这种白色粉末命名为矾土,并视其为自己的独门绝技;

随后 1789 年化学家拉瓦锡和德莫乌将矾土作为化学元素,排进了他们的元素名单中,但是随后德莫乌自己否定了这一结论,他认为这种化学元素或许不是矾土本身,而是其中的组 分。

几十年后,化学家戴维也是受到了德莫乌的启发,从电解碱中寻找新的元素,在他成功的用电流分解了钠钾镁钙之后,他把目光投向了矾土、石英、锆石以及绿柱石,经过仔细的研究,他确定这几种物质中有他想要的答案:“我是多么幸运,现在已经有十足的证据证明, 这中间存在我希望的找到的金属元素,我将其命名为:硅、铝、锆、铍。”然而出乎戴维意料 的是,事实上他得到的只不过是铁铝合金,并不是纯净的铝。

直到 1825 年丹麦科学家奥斯特将钾溶解在水银里没让得到的钾汞齐与无水氯化铝反应,从而得到了一团新的金属,这就是纯净的铝。

就这样,一直隐藏在各类化合物中的金属铝,终于以这样的方式与人类见面了。

尽管铝在实验室被人们了解,但距离它大规模生产还有很多的问题,其中最为突出的矛盾就是铝过高的制造成本。

尽管法国化学家德维尔尝试用钠替代钾来还原氯化铝,但成本依然是普通人无法承担的。事实上,直到 19 世纪 80 年代,铝的价格都非常昂贵。

在 1855 年的巴黎博览会上,铝作为一种高贵的金属被与王冠上的宝石一同展出,标签上注明“来自黏土的白银”。

在当时,一盎司(30g)铝和普通工人一天的工资差不多。铝在实验室制备的方法主要存在两个问题,第一,还原铝的化合物是钾和钠,都是很贵的金属,本身也容易受潮,不易保存,第二,当时电力刚刚使用,电解铝需要达到 2300 度的高温,能耗很高,因此制造成本居高不下;好在很快人们发现通过加入冰晶石可以有效降低电解铝的熔点,同时西门子的发电机又大幅的降低了电力成本。

1886 年美国的霍尔和法国的埃鲁分别独立的发明了制铝的新工艺,这种方法被成为“霍尔-埃鲁法”,该工业化一直沿用至今。

值得一提的是,霍尔和埃鲁不仅在毫无交流的情况下独自发明了铝工业化生产的方法,还是同年出生同年去世的缘分,不由让人感慨造化弄人。

随着铝的大规模工业化生产,铝价也逐渐随着各类应用普及开来而降低,不像刚出现时那样贵如黄金,从而为铝在航空领域的大显身手提供了充分条件。

1.2 齐柏林飞艇

在美国内战时期(1861-1865),费迪南德·齐柏林伯爵作为军事观察员,在美国考察。

当他第一次在葛底斯堡战役中体验到氢气球这种高空监视战场的交通工具,这种新奇的体验 给他留下了深刻的印象。

他决定自己做一种比载人气球更好的飞行器。退役后的齐柏林决定改进当时德军装备的热气球,制造一种可以完成长途运输、空中侦察、空中作战等多种用途的大型飞行器。在体验了多种方案之后,他将希望寄托在飞艇的身上。

事实上,齐柏林伯爵并不是飞艇的发明者,在此之前,德国已经有十多位发明家投入到飞艇的研发过程中,但他们的飞艇却有着非常明显的缺点,那就是操控的不稳定性和本身的脆弱性,本质上仍然是氢气球,也就是早期的软式飞艇;要解决飞艇结构强度的问题,同时又不能增加太多的重量,齐柏林伯爵将目光投在了当时方兴未艾的新材料——铝上。

在齐柏林飞艇出现之前,欧洲大部分的飞艇都是软式飞艇,一般是一个由胶棉和亚麻布制作的大型气囊。而齐柏林飞艇则完全不同,通过铝制骨架和十几个充满氢气的气囊,齐柏林飞艇得以兼顾重量和强度。

1900 年,齐柏林的 LZ-1 号,终于试飞成功,此后的所有齐柏林飞艇都在此基础上加以改进。

飞艇从而一举成为一战初期德国军队最有力的武器。

1.3 飞行者一号

几乎在同一时间,另外一种在当时被人怀疑的新型飞行器,也登上了历史舞台。

1903 年 12 月 17 日,在美国北卡莱纳州的一个晴朗的冬天上午,莱特兄弟坐上了那架后来被称为“飞行者 1 号”的飞行器上。

当时受邀见证的只有五人,试飞成功后,莱特兄弟发电报告诉家人这一好消息,他们的二哥洛林当即拿着电报去找当时代顿市的日报编辑,没想到编辑根本没当真,后来有人将这件事告诉了美国陆军部,他们也对此不以为然,事实上,在莱特兄弟之前,就已经有许多航空界的先驱,探索过什么样的飞行器更适合飞行了。

莱特兄弟并不是类似爱迪生那样的专业发明家,他们本来是自行车商,至少在发明创新这块,他们显得有些业余。

当时没有人相信两个普通的自行车商,仅仅使用了 1000 美元,就搞定了那些大名鼎鼎的人前前后后花费数万美金都没有结果的事情;

那么,是什么原因使他们能够造出世界上第一款飞机的呢?

奥秘就在于,当时的人们造飞机的主要思路是先造好飞机,然后想如何能够驾驶它,而莱特兄弟的思路则截然不同,他们决定先学会驾驶飞机然后制造飞机。

原来,之前的发明家都没有亲自去高空体会飞翔的感觉,仅凭借自己的经验和空想来设计飞机,而飞机造好之后就想着如何去适应飞机的飞行,从来没有想过自己先尝试一下飞行的感觉,寻找突破口。

而莱特兄弟则完全不同,没有经验的他们首先制造了一架滑翔机,然后在北卡莱罗纳州的基蒂霍克试飞,经过多次实验,他们终于意识到平衡性和轻量化对于飞机升空至关重要;由于当时发动机马力不足,两人重新设计了飞机的发动机,同样面临发动机过重的问题。

无独有偶,得益于铝的工业化生产,使用铝制曲柄发动机在成本相差不多的情况下重量减轻 了一半。

于是,莱特兄弟采用铝制造的曲柄发动机就被安装在飞行者一号身上。在1903 年 12 月 17 日,莱特兄弟改写了航空历史,奥威尔第一次实现了人类历史上真正意义上的飞行,持续 12 秒,随后威尔伯将这个记录提升至 59 秒。

新的材料加新的构思,让人类从此进入了航空时代。

二、硝烟下的熠熠生辉

在 20 世纪初的黄金年代里,铝被制成了各种新奇的民用品,包括珠宝、日用品、眼镜、光学仪器和餐具中,铝装点了 20 世纪初繁荣的欧洲,1900 年的巴黎万国博览会,就展出了许 多用铝制成的珠宝和先进的光学仪器。

但是流连于美丽的珠宝和精密的仪器之间的人们怎么也想不到,欧洲大陆即将笼罩在战争的硝烟之中。

2.1 一战初出茅庐

随着第一次世界大战的打响,世界航空工业迎来了重要发展机遇。

除去早期德军使用过少部分飞艇以外,一战的大部分制空权是由飞机主导的。

早期的飞机,大多都是木制的,因为其轻巧灵便,制作材料用时相对较短,对于发动机的需求也不用很高,当时一台汽车的直列四缸发动机就足以驱动一架木制的飞机了。

但随后人们很快就发现了木制飞机最大的问题,那就是木制飞机的机翼很怕下雨——因为下雨导致木头重量变重,从而无法起飞,因此需要为飞机储备足够多的机库,而战争中来回变动的防线使得修建大型机库无从谈起,紧张的作战形式由不得飞机在常年下雨的欧洲大陆上间歇性罢工。

因此当时的有识之士就提出要寻找材料制作防水的飞机;

由此,轻质铝飞机的概念被大家提出,但当时的铝受限于较软的材质无法担此大任。

随后,德国科学家威尔姆通过在铝中掺杂少量的铜和镁,提出了铝合金的时效硬化现象,并制造出人类的第一块硬铝。

硬铝的出现使得轻质飞机得以使用铝合金的蒙皮,从而大大拓展了铝合金在飞机上的应用;

于是一战结束后,世界各国纷纷开始探索新型材料,美国铝业作为当时铝制品的生产公司,也参与了这次对于新材料的探索中。

当时的飞机设计对于材料的要求是静强度高,目的是减轻结构重量的同时,降低载重和航程对于发动机的要求。

20 世纪 20 到 30 年代,美国业发明了第一款工业航空铝合金研制的 2017-T4 合金,1924 年德国人将其应用于 Junker F-13 飞机,飞机使用的是 170 马力的奔驰 DⅢa 直列六缸发动机 SOHC,这也是世界上第一架全金属覆盖的商用飞机;

此外,除了对于航空用铝的探索以外,一战期间德国等国家出现了钢材短缺,不得不使用铝作为备选方案,铝在军用水壶、头盔、防毒面具等领域也有许多的应用。

1909年,美国陆军步兵装备委员会引进了一套完整的野战装具系统,这就是 M1910 装具系统,其中包括了一个设计容量为 1 夸脱(946 毫升)的铝制水壶,并备有铝制水杯和帆布水壶套。一次世界大战期间,美国陆军军需部接管了单兵装备的生产,其中包括水壶。

1918年美国军需部与生产商签署了水壶的生产合同,这些水壶表面进行了磨砂处理,以减少反光。一战期间总共生产了 1000 万到 1100 万只铝制 M-1910 水壶,由于该时期生产的水壶数量太多,因此从一战结束到 20 世纪 40 年代几乎都没有生产新的水壶了;

航空工业和铝制军用品的需求井喷带来的铝的供不应求,铝价也出现了大幅上涨,在 1914 年第一次世界大战爆发后价格到达顶点,随后在 1916 年后随着战争中各国对铝矿资源的管制而逐步回落。

这一时期的铝矿主要产地是英国、法国等国的殖民地,因此当时的战争双方都不得不从海外殖民地中运输铝土矿到本国;

一战是人类社会上第一次大规模机械化战争。

战争中的潜艇、坦克、战车、飞机都是消耗的各种金属材料,因此战争开始之后各国就迅速封锁了对方的矿产开采、冶炼和加工的来源,试图通过饥饿封锁来削弱对方。

例如 1917 年至 1918 年,德国就通过潜艇破坏英国到其殖民地的海上供应链以及美国的海运支援。这些举措使得英国被打了个措手不及,相关的钢铁、铜以及各种合金的供应受到很大影响。

于是英国同样对德国也采取了相似的措施,包括贸易管制等措施,成功切断了德国与其原材料长期供应国玻利维亚的贸易往来。这迫使德国加强了对铝制品的原料回收,甚至铝制的罐头盒、钟、琴等都被用于回收用于军事。

在一战结束后,各国都加强了对于铝料回收和铝材代替传统金属制品的研究,这进一步加深了铝制品的渗透率。

2.2 铝合金研究的黄金年代

随着第一次世界大战结束,对铝合金的研究迎来了黄金时期。1925 年福特公司宣布进军航空业,设计师亨利福特设计了一个使用三引擎,全金属波纹铝的飞机 4-AT。

当时的航空界对于新材料的渴求非常旺盛,稍微一点的进步和强化都令人激动。

波纹铝表面有助于节省重量和阻力,在当时是现成的材料,这一大胆的设计迅速风靡了航空界;

波纹铝在低速阶段具有表面粗糙的优点,这为飞机提供了足够的升力。

但是随着飞机发动机技术的进步,飞机的速度也逐渐增加,波纹铝重量过高和阻力过大的缺陷也暴露出来。

于是人们继续在此基础上为飞机寻找“光滑的皮肤”,以减少因为飞机时速提高带来的边界层 转捩问题。由于边界层转捩,飞机原先的气动布局和升力将发生变化,从而影响性能;

为此,1933 年美国铝业集团发明了 2024 合金,这成为了目前较为常用的一种合金,2024 铝合金给飞机结构和性能带来了巨大变化,同时也为 2xxx 系合金奠定了基础。

2024-T3 被用于世界上第一种成功的商业飞机 DC-3 的主体结构材料(全机重量的 90%以上),一共生产了 10564 架,成为铝合金发展史上重要的里程碑。

2024 铝合金具有较高的塑性、疲劳寿命、断 裂韧性和抗疲劳裂纹扩展性能,因此主要用于机身、机翼、抗剪肋板和腹板等高强度结构件上。

虽然有抗蚀性较差、材质仍然较软的问题,但是这些缺点可以通过人工时效等方式弥补。

2.3 二战大显神威

二战期间美国制造的飞机的数量迅速攀升。

1938 年美国全年只生产了 900 架飞机,而 1940 年到 1945 年,这一数字跃升至 30 万架。

这中间包括了英国和法国的订单,法国受到战争波及,二战期间每年只能生产 500 多架军用飞机,而英国每年这一数字也不过 1800 架。

二战期间,美国飞机制造业指数从 1934 年的 32 飙升至 1941 年的 1103。

尤其是 1940 年,美国宣布参加第二次世界大战后,当年飞机制造业指数翻了四倍。

借助第二次世界大战,美国的军事实力尤其是飞机制造实力得以快速提升。二战结束后,美国的飞机制造业的基础使其成为当时世界上少有的航空大国;

在此过程中,2024 铝合金被大量用于美国军机的制造中。

二战期间,美国制造的军用飞机上铝合金占到全机重量的 70%,因此总共生产消耗了 30 亿磅的铝。二战前美国的铝主要通过船只进口苏里南和圭亚那的铝土矿,但战争爆发后海上运输线被切断。

此后数年,阿肯色 州的铝土矿产量激增,从 1940 年的 44.6 万吨(占美国总需求的 41%)提高到 1943 年的 633.3 万吨(占美国总需求的 80%)。

1914 年到 1920 年,美国铝土矿工业贡献了世界上一半的产能,在一战刚开始的前两年(1914-1915),美国产能供应占比甚至达到了 94%。

二战期间,阿肯色州提供了美国开采的 90%以上的铝土矿。可以说,美国的铝土矿工业在第一次和第二次世界大战中都具有世界级的重要性;

吸取了第一次世界大战中铝短缺的教训,世界各国都意识到过快增长的需求会导致铝价格过高从而超过采购的预算,在战前就已经开始了铝资源的准备。

德国元首希特勒在战前就意识到一战期间的铝饥饿的教训,因此他设法在德国建立起完整的铝工业,尽管德国本土并没有铝土矿,除了位于莱茵费尔登的一家小厂,每年仅能供应 800 吨铝材,德国本土甚至都没有一家铝加工企业。

1943 年,德国控制了奥地利、捷克斯洛伐克、挪威、法国、匈牙利、南斯拉夫以及意大利等几个欧洲国家的轻金属工业后,德国的铝土矿产能大幅扩张,从原先一个不重要的位置,上升成为当时最大的铝生产国和消费国(1936 年为 15.5 万吨/年);随着德国的步伐向外扩张,英国也开始加速铝工业的建设和产能的扩张。由于各种封锁和德国入侵法国导致铝土矿产量不确定等因素,英国选择发展铝回收工业,在二战期间英国的回收铝占到其总需求的三分之一。

因此航空领域,英国并没有受到战争的影响,其飞机产 量迅速爬升。

通过进口加拿大和美国的铝以及自身的铝回收工业,英国的铝加工产能在 1939 年达到8.3 万吨,1943年达到36.3万吨; 而美国同样大量的扩张其产能,1940 年,美国颁布了伟大防御计划的法案,国会拨款20亿美元,将全国的发电量提高了 3 倍,从1934 年年发电量1000 亿千瓦时到 1945 年接近3000千瓦时,这使得当年的铝生产的电力供应充足稳定,欧洲1941 年以后的铝的产能逐渐减少,对应的是北美的美国和加拿大的铝及其制成品的市场份额的扩大,到 1943 年,这一比例甚至高达 60%。

美国的铝土矿产能在几年激增,到 1943 年,美国铝加工产能达到了近 90 万吨的巨大数字; 苏联一战期间就饱受铝饥饿的困扰,一五计划期间则专门在列宁格勒建造了两座铝冶炼工厂,以满足国内的需求。苏联认为,“原料是国家安全能力的重要组成部分”。

天然资源在现代战争中具有关键作用。

1939 年 1 月至 1941 年 1 月,苏联的铁矿储备增加 5 倍,铜 2 倍,锌 2 倍以上,然而战争期间面对庞大的铝制品需求,苏联仍面临巨大的缺口,以至于斯大林甚至说出“给我 3 万吨铝,我将赢得这场战争”;同时各国也将强了国内的铝土矿的价格管制,以美国为例,1940 年,美国国会通过了《国际法》授权总统禁止或限制军事装备和物资的出口,同时国会通过了价格管制的法案,限制了本国铝土矿的价格,各国纷纷效仿之下,尽管铝土矿的需求旺盛,但根据年鉴数据统计,二战期间铝的价格并没有出现大幅上涨,而是保持在恒定的价格,这反映出各国对铝土矿价格的管制措施有效;

三、为了更快更高更强的目标

3.1 更高的天空

二战前期,军用飞机在大部分巡航时间内飞行员会敞开座舱盖飞行,一方面是螺旋桨活塞 发动机的压缩机和热燃机效率限制了飞机升限,以零式飞机为例,大约升限 4200 米,也就是 对流层中部,而此处的温度大约比地面低 30 度,飞行员完全可以穿厚点的夹克,空气也未稀 薄到一定程度。

另一方面,当时的通讯技术不支持密封环境,敞盖设计可以方便飞行员通过 打手势快速协同作战。

而二战后期,随着美军装备了更加先进的星型活塞发动机,飞机的升限达到了上万米,日本的零式飞机再也无法与美军战机匹敌了。而随着封闭式机舱和升限提高带来的问题就是 2000 系铝合金的强度不足以支撑飞机在平流层飞行,而美国铝业公司为此研发出了第二款航空铝合金——7000 系铝合金。

7075 高强度合金的目标是提高静强度,虽然断裂韧性和耐腐蚀性并没有被考虑在内,但 7075 高强度合金仍给飞机制造带来了极大的改变,原先的开放式的机舱被封闭式的机舱取代,原先中低空飞行的轰炸机和战斗机升限制被大大提高,由此诞生了美国第一款升限破万米轰炸机 B29。

3.2 更快的速度

随着美苏冷战铁幕的落下,世界铝合金的发展也步入了美苏科学界各自独立发展竞争的 阶段。

两国分别成立了北约和华约联盟,试图构建以美苏为首的世界两极体系,将全球各地方的势力划分清楚。

在划分势力范围的过程中,两国开始思考如何快速进行力量的投射,最直接的办法就是高速飞机,而活塞发动机由于飞行速度被发动机功率限制,逐步退出了历史舞台。涡喷发动机迅速发展,很快便出现了亚音速的飞机,通过加装助力燃烧室,飞机得以冲击音障。

然而,这样的速度下,强大的激波阻力和高温的燃烧空间对材料要求更高,人们急需一种质量更轻、结构强度更高的铝合金来帮助飞机突破音障,于是二战后两国科学家都开始了对耐热腐蚀和高强合金的研究;

1948 年,获悉美国材料情报的苏联同样研制出 B95 铝合金,其配料大致与 7075 合金类似,性能也相差无几。

此后,为了在战争中夺取优势,两国在军备竞赛的过程中将铝合金材料的研制不断推进,在这一时期,先后诞生了许多影响后世的铝合金系列,例如 7075 的 T6 系列、7150 系列合金等。

二战结束后,航空界普遍判断下一个潮流是喷气化。

德国的实战的喷气式战斗机,尽管因为材料资源等问题,德国空军的 Me-262 战机数量严重不足,但是其成果却着实让人震惊,取得了一共击落 300 多架轰炸机和 100 多架其他飞机的战果。

随后前来接收技术的美国和苏联人员被这些技术所震惊,这也成为两国航空技术发展的催化剂,此后的 F86 和米格 9 都深受德国 Me-262 的影响。

但随后苏美也分道扬镳,走上了各自独特的发展道路;在上世纪四五十年代,当时美国军机的采购大多数情况是这样的:

由空军、海军等提出要更换型号,然后各军工大佬拿出一套飞机的设计,最后拿着样品说服国会掏钱,“我们是多么需要这样一款战斗机”——这就是传统的先开发产品然后创造需求的玩法,是早期喷气式战斗机研发中常有的一幕。

于是最后的结果就是各型号生产商拼拼凑凑一大堆设计方案,涵盖各种稀奇古怪的气动布局,而对于新材料、新工艺的研究则浅尝辄止,毕竟没有人有动力冒险尝试新的材料工艺。

而被军迷们喜闻乐道的鬼怪Ⅱ(FH-4)的到来,则彻底改变了游戏规则;

当时在朝鲜战场上一众喷气式飞机无力与米格-15 抗衡的惨烈表现深深的刺激了美国国防部,于是海军上下决定发奋图强,摆脱统一采购的桎梏,宣布也要搞自己的超音速大飞机, 然而传统的格鲁曼和道格拉斯还没有摆脱传统的思想,固守在 2xxx 系合金和活塞发动机的研究中。

当时海军提出的目标是:“在距离母舰 250 海里处巡逻 2 小时以上,在无法空中加油的情况下持续飞行 3 小时以上。”

这是传统活塞发动机无法达到的,因此对各大飞机厂提出 了新的挑战。

1955 年海军注意到了当时年轻有为的麦克唐纳公司,要求其在 F-3H 的基础上,制造一款双发双座全天候战斗机,武器要全面导弹化。

当时的麦克唐纳相比于其他的老前辈,就好像一个初出茅庐的小伙子,二战期间也没有什么惊艳的机型,此前也从未接到海军的订单,但正是因为如此,他们才大胆采用了新型的材料 7178 铝合金,这使得他们的飞机的最高时速达到了 2.8 马赫,最终 F-4H 击败了沃特的 F-8U-3,赢得了海军的全天候舰载导弹发射平台项目;鬼怪Ⅱ的出现不仅震惊了它的美国竞争对手,对当时的另一大国苏联也是一次不小的冲击——自从撞大运引进了罗罗的 Nene 发动机之后,苏联航空就一发不可收拾,在喷气式飞机技术上一日千里,眨眼功夫就和美英等老牌航空强国平起平坐。

当时世界上仅有的三款量产破万的喷气式飞机,苏联就有两款(米格-9、米格-15)。

事实上,在导弹决定论和速度决定论的五十年代,美国和苏联可以说亦步亦趋,差距非常小。因此被老对手研制的鬼怪Ⅱ全面超越,这对于骄傲的苏联人来说是一种侮辱。

于是,针对鬼怪,米高扬设计局和苏霍伊设计局各自拿出了自己的设计方案,最终米格凭借三角翼布局的方案击败了后掠翼方案的苏霍伊,完成了米格的帽子戏法——这就是大名鼎鼎的米格 21。

米格 21 以轻巧、简单、灵活以及超音速性能好的特点著称,符合苏联暴力美学的单推大牛拉小车式发动机,让其在航电系统逊色情况下,用不到鬼怪 1/3 的成本做到了与后者相近的性能,在空中博弈中表现出色。

米格 -21 在越战中的精彩表现与苏联研制出的 B95 铝合金密切相关。

总的来说,二战后到 50 年代末,是世界航空史中浓墨重彩的篇章,是美苏两国航空技术发展最为迅速的年代。

二战结束后,由于军用需求大幅降低,飞机产能过剩引发了制造商的 焦虑,同时战争中各大飞机制造商赚的盆满钵满,有这个实力将大量的资金投入到新型喷气式战斗机的研发中。因此这段时期大量新的材料和新的装备交相辉映。

这十年内,NASA 主导 的 X 系列项目(X 项目代表前沿试验性项目)的数量超过了战后 60 年所有 X 飞机计划的一半。在这个黄金十年内,超音速飞机出现并迅速成熟,成为这个时期航空领域最为火热的话题;越战结束后,美苏两国进入了新的交锋,但 70 年代的航空领域并没有太多突破性的创新,主要以大型航空集团之间的并购和重组为主。

不过在此期间,科研领域仍然诞生了引领未来二十年的方向——隐身化。洛克希德公司从 50 年代开始就已经对雷达隐身技术非常感兴趣,终于,1947 年,其在一架 T-33 试验机上整体覆盖了雷达吸波涂层,还在外形上采用了圆滑倒角工艺,以减少雷达的回波,成功试验了世界上第一款隐身飞机;

受益于计算机模拟技术的发展,使得工程师们可以通过数字模拟的方式设计隐身外形,这种特殊的结构使雷达的回波闪烁不定,无法锁定目标。

最后,洛克希德将这项技术运用在了 F-117 隐身战斗机上,从此开创了隐身飞机的时代。而苏联方面似乎对隐身并不看好,60 到 70 年代,苏联推出的几款机型,包括米格 25,苏 27 等,都是朝着更快的速度的目标去的。

当然,不论是哪种路线,新型的铝合金如 7075-T73 合金、7049 合金以及 7075 合金都在这些机型上得到了应用。尽管冷战后期,随着美苏两国把目光投向外太空,航空领域的研究不再像战后黄金年代那样如火如荼,但航空铝合金一直未曾停止其前进的脚步。

3.3 日本轻金属的崛起美苏争霸落幕后的 90 年代,日本材料学迅猛发展,在铝合金的研究上屡获佳绩。事实上,日本的铝合金工业早在 20 世纪初就已经蹒跚起步了,二战期间逐渐成熟,冷战时期亦步亦趋,而到了近代则逐渐展现出自己的特色。故事要从 1916 年讲起,当时一架齐柏林飞艇在伦敦坠毁,驻扎伦敦的日本海军将其中一部分碎片带回日本,并由当时的住友铜业公司进行研究,这就是日本产业界接触硬铝的开始。

随后,受军部所托,日本住友开始尝试研发硬铝技术,并在多款飞机上加以尝试;

二战期间,日本海军对于铝合金的需求很多,大量的舰载机需要一种比美国的 24S 更轻, 同时抗拉强度更强的新型铝合金,于是他们要求住友集团配合开发一款新型的铝合金,在军 部研究所的北原五郎和五十岚勇的支持下,一份全新的铝合金开发计划书被制作出来,上面 详细介绍了预计开发这款合金需要的资金和使用计划等。

最终这款合金在 1936 年 6 月被制造出来,五十岚勇将其命名为锻造用强轻合金;

二战前,三菱重工名古屋飞机制造有限公司的设计工程院被要求设计一种在航空母舰上使用的舰载机,按照当时的眼光来看,这款飞机无疑是超越时代的,时任三菱重工设计主任的崛越二郎如此描述这款飞机——“这是一款超越航空界常识的伟大战机,如果能够达到(设计要求),那么它将超越蜘蛛蟹(吸血鬼战机,最初定名为 Spider Crab)”。

为满足军队的需求,这款飞机使用了之前三菱战机使用的硬铝 SDH。尽管碰到了许多问题,最终崛越先生还是完成了这一令对方闻风丧胆的杰作——零式战机;

战后一段时间内日本的飞机制造和研发被完全禁止。

随着朝鲜战争的爆发,日本成为美军重要的空军维修基地,美国逐渐放开对日本航空铝合金的管制,日本对于铝合金的研究也逐渐恢复。

借助波音的 YX 和 YXX 计划,日本本土的飞机制造商和材料供应商得以迅速发展起来。

之前一直只能生产飞机边缘材料的住友轻金属工业公司也借这机会进入了波音的供货序列。

经过多年积累,1992 年,住友公司终于生产出抗拉强度超过 700Mpa 的超高强度铝合金。 20 世纪 90 年代末,住友公司又开发了新一代的抗拉强度为 760-810MPa 超高强度铝合金,后来被用于交通运输等要求高强度和耐应力腐蚀的结构件。

经过一百多年的努力,日本终于跻身世界铝合金强国的序列。

3.4 铝合金的新挑战

21 世纪以来,随着复合材料的崛起,尽管铝合金的制作工艺水平不断进步,但传统的2000 系和 7000 系合金渐渐的也无法满足军用需求了。

尤其是新世纪以来,区域性的政治环境要求地区大国在区域内拥有更加快速、更加高效的打击能力,因此催生出高超声速发动机的需求。

而高超声速飞机作战过程中的高温高压工况,对于传统铝合金结构来说过于极限,复合材料 则可以在有效降低飞机重量的同时,不断加大结构强度、提高高温高压工况下正常工作的能 力。因此在长期来看或许会对铝合金构成挑战;

但即使是铝合金用量在军用战斗机上逐渐降低,但仍不可否认,铝合金仍然是目前航空航天行业最重要的材料。

目前的大型客机,仍然需要大量的 7000 系和 2000 系的铝合金作为主要的合金组分,因此,他们仍然能在民用航空领域发光发热;

从一战的木头飞机到黄金年代的全金属商用飞机,从二战的敞篷机舱到战后的高速飞机,从冷战的超音速飞机到现代的高超声速飞机,航空工业的更快更高更强的目标,始终伴随着铝合金的强度、耐热性和重量的改进而不断实现突破。

同时铝合金的进步也指引了航空工业努力的方向,因此航空铝合金的发展史始终与航空工业的发展密切相关。

四、岁月静好下的光彩

随着二战后军用铝制品需求的减少和经济的复苏,战场上所向披靡的“航空之子”铝合金同样需要铸剑为犁。

在工业化制铝之前,铝被人们认为是非常珍稀的金属,拿破仑对铝情有独钟,他在宴会上用铝制叉子招待客人,在当时的人们看来,这是一种至高无上的礼遇。甚至在拿破仑的加冕仪式上的那顶皇冠,都是用铝做的。

在那个年代,铝可谓是价格最为昂贵的金属,黄金和铝相比都显得微不足道,200公斤的黄金才等于一斤铝,拿破仑作为皇帝,人生中最重要的加冕仪式中,使用当时世界上最珍贵的金属,自然是再合适不过。

而随着电解铝工艺工业化后,铝受益于航空行业的腾飞,在战争中发挥了不可磨灭的作用。随着铝产能的扩大,铝的生产成本也不断走低;战后,大量的铝加工的工厂转型做民品。先锋的年轻人首先接受了这一“飞在空中的金属”。

20 世纪 30 年代,金属家具已经流行起来,尽管社会上并没有多少人愿意尝试铝制的家具,但以沃伦麦克阿瑟为代表的先进派就已经尝试将这些铝制品用在除了他的战场以外的地方,比如他的办公椅。

随后,20 世纪 50 年代,大众消费逐渐兴起,一位二战老兵设计并制造了最初的草坪椅。这位名叫弗雷德里克阿诺德的前 P38 战斗机飞行员提出了简化现有可折叠椅子的想法。

在前往教堂做礼拜的过程中,他萌生出了使用战争中他最熟悉的铝制作家具的想法,事实证明,这种窄铝管非常适合制作椅子,即使他在 1947 年的原始设计比今天的金属折叠椅要简陋粗糙的多,但不可否认的是,这种极简设计的思路受到了 20 世纪中叶早期现代主义思潮的影响。

在得到大量赞誉和订单后,这位退役老兵专心开起了公司对椅子的形状和尼龙织带进行了改进,使它更加轻便和坚固,到了 20 世纪 50 年代,阿诺德的公司每年要销售超过 14000 把便携椅子。设计的荷载力、实用性和简约的风格使其成为无处不在的家具用品。这位老兵和他的“亲密战友”一样,虽然从战场上退役,但仍然在民用领域绽放出新的光彩;

1959年,年轻的设计师费雷兹,在帮当时的一家罐头厂设计包装的时候,偶然诞生了一个想法——既然罐头可以使用铝制,为什么不能用来装饮料呢?

但是当时大部分灌装的饮品都是以碳酸饮料为主,里面都注有大量的二氧化碳气体,因此铝罐壁内承受着较大的压力,会像气球一样鼓起来,因此他利用铝罐变形性好的特点,将铝罐底部设计成内陷的碟状,这种拱形的结构很好的抵挡了罐底的压力。

此外,由于铝罐内部压力很大,需要保证任何一个人都能够轻松打开它。聪明的弗雷兹在苦苦思索后,终于找到了解决方法,他利用罐顶凸出的部分充当支点,把附近的位置磨薄至少一半的厚度,这样通过杠杆原理,人们就可以很轻松的打开铝罐,品尝其中的饮料了。经过改进的铝罐方便实用,迅速风靡美国,并形成了独特的易拉罐文化;

此外,在船舶和汽车等领域,铝也有不俗的应用场景,比如二战时以战车出名的捷豹家族,就曾经推出过一款全车身用全铝打造的概念汽车捷豹 XJ,这一信号甚至一度成为新型汽车的象征。

在货运汽车中,铝合金也开始了它的轻量化应用,全车铝合金的货车比使用他的“兄弟”钢板少 10 吨的重量。

而船舶制造商,则是欣赏铝抗腐蚀和坚固的特性,一些轮船开始采用全铝打造,此后的德国制造商更是造出了长达 315m 的铝制远洋邮轮,除了船体运用了铝,船身内部的家具也一样用铝打造。

令人啧啧称奇的是,投付使用后的铝制船体尽管经受了 30 年的海水和海浪的腐蚀,仍然不会出现金属疲劳,非常容易就可以维护。

目前,超过一半的户外航海发动机都是铝制的,一艘现代的渡船大约要消耗超过 400 吨的铝材;

大量铝制品的应用也催生出庞大的消费者市场,从而使得生产铝制品的公司经久不衰。美国铝业于 1888 年成立,距今已经 100 多年了,但仍然经久不衰。

值得一提的是,手机等消费电子行业近年来也选用航空铝合金来制造手机的外壳,例如苹果手机 iphone6 使用的就是 6000 系列铝合金,因为强度不够容易变形,所以在下一代的 iphone7 中,则使用了 7000 系铝合金;从中世纪炼金术士的独门秘方,到拿破仑奢华的铝制餐具,从一战二战资源管制的航空之子,到如今融入我们生活的消费品如铝合金门窗、铝制易拉罐、铝镁合金轻量化汽车,铝在不断变换着自己的身份,但一直在为我们服务。

虽然在航空航天领域,更有潜力、发展更快的技术和材料正在逐步取代传统的材料,但是这些传统的材料仍然在我们的生活中扮演着极其重要的角色。

五、结语

回顾百年军用铝合金的发展史,既有不断变化的作战环境对航空材料提出新的要求和挑战,也有新材料性能提升推动新型装备的发展。

从一战初期的木制飞机到一战后期的全铝商用飞机,从二战前期的半开放航空铝飞机到二战后期的亚音速全封闭高强铝飞机,应用端的变化催生了各国对于航空器性能以及相关材料条件的要求,进而加速了铝合金工艺技术的改善。

同时铝合金学科基础理论的进步也推动了新材料以及新装备的出现。二战结束后,铝合金的故事远未止步,冷战阴霾笼罩下的世界,新型高强铝合金支持全球航空业向着更快更高高强的

目标不断突破人类的极限;走向新世纪,铝合金的研究在全球范围内百花齐放、百家争鸣。战争外的世界,铝合金装点和丰富了人们的生活;铝合金发轫于一战,成长于二战,在冷战达到巅峰,铝合金性能不断进步的过程,是战争层次不断升级的过程。

战争推动了铝合金在军用领域的普及应用,也驱动了铝合金向民用领域的拓展。战争随着人类永不满足的欲望滋生,促使人类寻求更好的装备,对于新材料和新工艺的追求将永远在路上……

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不足价格正在快速上涨!为什么“铝”的价格再次上涨

来源:央视财经

近期,铝价迎来新一轮快速上涨,截至2月17日,沪铝期货主力合约报每吨22585元,较两个月之前每吨上涨近4000元,涨幅超过20%。铝价大幅上涨背后有哪些原因?对下游铝加工企业又有怎样的影响?

铝价再度迎来大涨 两个月涨幅超20%

在上海市宝山区的一家门窗销售市场,记者发现,多家门店的铝合金门窗价格有小幅上涨。一家铝门窗销售门店的负责人李印介绍,春节以后铝材价格大幅上扬,他们的生产成本被迫抬升,因此门窗销售价格每平方米提高了约100元。

上海某门窗装饰材料公司总经理 李印:铝门窗整个的产品构造,铝材占很大的配比,铝锭的涨幅决定了每平方的成本,1月份到现在为止,每吨已经涨了两三千元,折合每平方米成本都要上扬大概在50元左右,对我们影响很大。

铝材料价格上扬,人工成本也随之增加,这样一来终端客户的消费情绪也受到了影响。

上海某门窗装饰材料公司总经理 李印:因为采购价格是按照当天铝的价格加加工费,现在这么高位的铝锭价格进过来的话对销售量肯定有很大压力,因为客户不一定会认可,毕竟铝价实在太高了。

实际上,铝价在2021年曾迎来爆发行情,因为限电限产和能耗双控政策,国内铝价在去年三季度一度涨至每吨24765元,创15年新高。在去年四季度短暂回落后,今年年初又迎来快速上涨行情。

南山铝业董事长兼总经理 吕正风:2022年年初,由于国家宏观的调控再加上广西的疫情,铝价再度暴涨到每吨23000元,我们公司的产品包括大交通材料、包装材料,现在供不应求。

业内人士分析,此轮铝价上涨,主要原因是铝材供需偏紧。今年春节期间,我国电解铝的主要产地广西百色疫情防控升级,限制了当地产能。另一方面,随着国内基建地产板块的回升和铝材板带在新能源汽车和航空材料中的广泛应用,铝材市场需求正在迎来快速增长

铝土矿国际供应稳定 铝企满负荷生产缓解供应压力

我国铝土矿资源储量较少,每年对于进口铝土矿的依赖度超过70%。山东港口烟台港是我国铝土矿进口的主要口岸,每年铝土矿到港量超过5000万吨。近期这里铝土矿的到港情况怎么样?

在山东港口烟台港,一艘来自非洲几内亚的30万吨级散货船在大雪中进行接卸作业。

山东港口烟台港矿石公司副总经理 于新国:装的是铝矾土,从非洲经过1万多海里,历经45天到达烟台港,我们采用的技术,在整个干散货专项码头的应用节省人力30%。

负责人介绍,最近铝土矿到港量很大,当天就有三艘大型货船靠泊接卸,船上接卸的矿石通过自动抓取料机和运输管带运往后方的散货堆场。

这些棕红色的矿石是铝钒土,铝金属就是从这里面提炼出来,因为最近到港的船非常密集,整个堆场里的机器都在紧锣密鼓地进行着作业,据了解,堆场里目前存放超过2000万吨的铝矾土,占整个烟台港全年接卸量的接近一半。

山东港口烟台港生产业务部部长 矿石公司总经理 徐亮:1月份我们进口了353万吨铝土矿,相比较去年有16%的降幅,但是2月份整体船舶数量较多,近期每天都有船,最多的一天来4条船,数量比较可观。

一家铝生产企业的业务部负责人隋信栋介绍,公司主要经营氧化铝、电解铝和各类铝箔、板带等深加工产品,近期,公司原材料供应稳定,全部生产线24小时满负荷生产。

南山铝业板带事业部总经理 隋信栋:平均日产量在3500吨左右,形成了年生产120万吨的供应能力,目前的生产能够完全满足订单需求。

据了解,目前全球铝市场仍处在供需紧平衡的状态,短期内铝价仍有支撑,但另一方面,目前处在产业链下游的铝加工企业已面临较大压力。专家分析,未来铝价走势主要关注需求端的边际变化。