鋁合金添加劑的應用現(xiàn)狀與發(fā)展
王祝堂
>(中國有色金屬加工工業(yè)協(xié)會,北京 100814)
鋁合金元素添加劑是近年來發(fā)展起來的新型的鋁合金熔鑄用材料,因其顯著優(yōu)勢得到了廣泛重視。本文綜述了鋁合金元素添加劑的作用、分類、在鋁行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中的地位及發(fā)展和應用情況,檢索了近年來鋁合金添加劑的發(fā)明專利和中國知網(wǎng)入庫的相關(guān)科技成果,分析了其存在的問題及未來的發(fā)展趨勢。
變形鋁合金;鋁合金元素添加劑;鋁合金熔煉
鋁合金的強度、耐腐蝕性、導熱性以及可塑性等性能優(yōu)良,在諸多領(lǐng)域得到廣泛的應用。鋁合金常用的合金元素有硅、鐵、銅、錳、鎂、鉻、鎳、鋅、鈦、鋯等,這些元素可以改善鋁合金的性能和加工特性。對于錳、鐵、銅、鈦、鉻等熔點高且在合金中含量多的合金元素,不能采用直接加入的方法。隨著先進制造技術(shù)和材料科學的發(fā)展,合金元素添加劑的應用越來越廣泛,成為鋁合金材料研究領(lǐng)域中的重要方面[1]。
本文對鋁合金元素添加劑的應用現(xiàn)狀和發(fā)展進行了綜述,介紹了其作用、發(fā)展以及應用范圍,為相關(guān)研究提供參考。
1 鋁合金元素添加劑
1.1 鋁合金元素添加劑概述
鋁合金元素添加劑是先進合金制造的關(guān)鍵添加材料,屬于新型金屬功能性材料。鋁合金元素添加劑主要由添加元素粉末和助劑組成,其用途是在鋁合金制備過程中添加一種或多種其他元素,以增強鋁合金性能。
在制備鋁合金時,需添加一種或多種金屬或非金屬元素以增強其性能,對于低熔點的合金元素,如鎂、鋅、錫、鉛、鉍、鎘、鋰等,多以直接加入的方式添加;對于熔點高的合金元素,如銅、錳、鈦、鉻、鎳、鐵、硅等,可使用鋁合金元素添加劑進行添加,即將擬添加的難熔組分預先制成粉末,再與助劑按配比混合后通過粘合、壓制、燒結(jié)成型等方式制成餅塊,在熔煉合金時將其加入熔體中熔化,最終完成合金化[1]。
1.2 鋁合金元素添加劑在鋁產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)系
鋁合金元素添加劑在鋁合金產(chǎn)業(yè)中至關(guān)重要,其主要用于鋁合金產(chǎn)業(yè)的中游環(huán)節(jié)[2],如圖1所示。
圖1 鋁合金元素添加劑產(chǎn)業(yè)鏈
Fig.1 Aluminum alloy composition additive industry chain
Fig.1 Aluminum alloy composition additive industry chain
2 鋁合金元素添加劑發(fā)展概況
現(xiàn)階段鋁合金制備中合金元素的主流添加方法有中間合金加入法和合金元素添加劑加入法。合金化是合金生產(chǎn)工藝流程中最重要的一環(huán),合金元素在鋁熔體中的熔化、分布的均勻性以及熔體純凈度影響合金材料的最終性能。由于鋁的熔點約為660 ℃,而鋁合金制備需加入的錳、鈦、硅、鐵、鉻等高熔點金屬(均在1 200 ℃以上)與鋁的熔點差距較大,若以單質(zhì)形式(純金屬)加入鋁熔體中熔解,則熔煉的溫度需超過合金元素的熔點,這樣會造成鋁熔體的汽化,且鋁熔體易與周圍的氧、水等發(fā)生反應,形成難以去除的雜質(zhì),導致鋁合金性能下降,甚至導致鋁合金報廢[2-3]。另外,將熔爐大幅升溫需耗費更多的能源,且升溫時間長,從而導致制備過程的高成本、低效率、低質(zhì)量。
20世紀90年代中期鋁合金元素添加劑在我國鋁合金行業(yè)中開始試驗,2000年前后開始陸續(xù)試用,解決了高熔點金屬低溫熔化問題。合金元素添加劑生產(chǎn)時無需高溫熔煉,合金元素含量(質(zhì)量分數(shù))可以不小于75%,含雜質(zhì)低,實收率高,在提升鋁合金制造效率、減少材料燒損、提高合金材料性能等方面具有明顯優(yōu)勢。
3 鋁合金元素添加劑行業(yè)情況
鋁合金元素添加劑是鋁合金制備時的關(guān)鍵添加材料,其終端需求行業(yè)及需求量與鋁合金行業(yè)需求基本一致。
3.1 鋁合金行業(yè)市場情況
3.1.1 全球鋁消費量及預測
根據(jù)Statista數(shù)據(jù),2021～2027年全球鋁消費量(表1)將由2021年的64.2 Mt增長到2027年的74.89 Mt。
表1 2021-2027年全球鋁消費量
Table 1 Global aluminum consumption in 2021-2027
Table 1 Global aluminum consumption in 2021-2027
注:2023年以后消費量為預測數(shù)據(jù)
3.1.2 鋁合金行業(yè)消費結(jié)構(gòu)
20世紀80年代之后,世界經(jīng)濟快速發(fā)展帶動鋁合金在各行業(yè)中的應用。隨著鋁合金加工技術(shù)的進步,鋁合金進入航天軍工、交通、光伏、機械、醫(yī)療、環(huán)保、電子家電等眾多領(lǐng)域。2020年世界鋁合金消費結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 2020年世界鋁合金消費結(jié)構(gòu)[4]
Fig.2 Global aluminum alloy consumption structure in 2020
Fig.2 Global aluminum alloy consumption structure in 2020
3.2 鋁合金元素添加劑市場
鋁合金元素添加劑主要用于變形鋁合金生產(chǎn)。根據(jù)Statista數(shù)據(jù)計算[4],2021年世界軋制鋁和擠壓鋁總產(chǎn)量約為57.42 Mt。根據(jù)國家標準《變形鋁及鋁合金化學成分》中變形鋁合金中添加元素含量占比測算,2021年全球鋁合金元素添加劑需求量約為600～700 kt。根據(jù)Statista預測的2022～2027年全球原鋁市場增長率為5.5%計算,預計2027年鋁合金元素添加劑需求量將達到926.3 kt。2023～2027年全球鋁合金元素添加劑市場預測如表2所示。
表2 2023-2027年全球鋁合金元素添加劑市場規(guī)模預測
Table 2 Forecast of global aluminum alloy composition additive market size from 2023 to 2027
Table 2 Forecast of global aluminum alloy composition additive market size from 2023 to 2027
3.3 鋁合金元素添加劑研發(fā)情況
20世紀80年代,英國發(fā)明了鋁合金元素添加劑。在它被發(fā)明之前,用來調(diào)整鋁合金成分的產(chǎn)品是鋁基中間合金,這種產(chǎn)品存在一些缺點,如制備時的燒損較大、二次熔煉造成的能耗較高,從而導致使用成本過高,進而造成鋁合金產(chǎn)品的價格過高,一定程度上制約了鋁合金的推廣與應用。鋁合金元素添加劑的問世解決了原來鋁基中間合金存在的不足,很快得到了市場的認可,從而得到了廣泛的應用。在20世紀90年代,哈爾濱東盛金材科技股份有限公司、江西永特等企業(yè)也開始研發(fā)和生產(chǎn)鋁合金元素添加劑[5]。
針對近鋁合金元素添加劑發(fā)明專利進行信息檢索,2021～2023年鋁合金元素添加劑相關(guān)的專利如表3所示。
綜合來看,鋁合金元素添加劑正朝向綠色環(huán)保方向發(fā)展,主要體現(xiàn)在降低其助劑含量,降低熔點、縮短熔化時間、提高元素含量等方面。
4 鋁合金元素添加劑主要下游應用情況
鋁合金行業(yè)的需求直接決定著鋁合金元素添加劑的需求,鋁合金行業(yè)的主要需求市場如下。
4.1 建筑行業(yè)
得益于鋁材輕質(zhì)、美觀、耐腐蝕和易加工等特點,在建筑方面的應用越來越廣泛[6],主要有:
表3 2021～2023年鋁合金元素添加劑相關(guān)發(fā)明專利
Table 3 Invention patents related to aluminum alloy composition additives from 2021 to 2023
Table 3 Invention patents related to aluminum alloy composition additives from 2021 to 2023
注:信息來源于中國國家知識產(chǎn)權(quán)局和中國知網(wǎng)
1)窗框、門框和幕墻。鋁合金門窗具有輕質(zhì)、美觀、防火、防盜、密封、隔音等特點,廣泛應用于各種建筑的門窗和幕墻。
2)建筑外墻和屋頂裝飾材料。鋁合金板材和型材廣泛用于建筑的外墻和屋頂,可以實現(xiàn)多種顏色和形狀的設計,并具有防腐、耐候、易清潔等優(yōu)點。
3)內(nèi)飾裝飾材料。鋁合金薄板、型材和復合材料等可用于建筑的內(nèi)飾裝飾,如天花板、隔斷、吊頂?shù)取?/div>
4)樓梯和平臺。鋁合金可用于制造各種類型的樓梯和平臺,具有輕便、耐腐蝕和易清潔等特點。
4.2 交通運輸行業(yè)
交通運輸業(yè)是鋁材應用的重要市場,鋁材促進了交通工具的輕量化和高效化。
1)汽車。鋁合金輕量化與汽車生產(chǎn)設計相結(jié)合,可降低汽車重量,增加強度,以達到節(jié)能減排的目的[7]。
2)高速列車和城市軌道交通。鋁合金在高速列車和城市軌道交通中得到廣泛應用,主要用于車體、車門、車窗、座椅等部件,可以減輕車重,提高運行速度和能源效率。
3)飛機和航空航天器。鋁合金廣泛應用于飛機主承力框、梁、壁板、蒙皮等部位,占飛機結(jié)構(gòu)重量的40%～70%,是非常重要的結(jié)構(gòu)材料[8]。
4)船舶。鋁合金可以用于制造船舶的船體、船艙、桅桿、甲板等部件,可以減輕船重、提高速度和節(jié)能效果。
4.3 機械設備
隨著我國城市化進程的穩(wěn)步推進,城市道路、橋梁等基礎(chǔ)設施建設加快,城市建筑數(shù)量不斷增加,需求的大型機械設備隨之增長。同時大工程量的施工作業(yè)對機械長時間穩(wěn)定工作提出了更高的要求,對車輛熱管理系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。車輛冷卻系統(tǒng)作為車輛熱管理中的核心子系統(tǒng),其狀態(tài)對各個相關(guān)系統(tǒng)的工作性能和工作狀態(tài)有著至關(guān)重要的影響。鋁材具有質(zhì)輕、易加工成型和熱傳輸高效性等特點,便于加工成各種特殊形狀以幫助大型機械設備各個部位散熱,因此被逐步應用于大型機械設備的冷卻系統(tǒng)。
4.4 包裝材料
包裝鋁材作為金屬包裝的重要原材料之一,具有良好的延展性和強度,能夠阻隔紫外線、水蒸氣等,具有良好的綜合防護性能,具有特殊的金屬光澤,能夠讓商家更好地裝飾和定制商品包裝。
1)食品包裝。鋁合金在食品包裝中應用廣泛,可以用于制造罐頭、飲料瓶蓋、巧克力紙、咖啡包裝袋等。
2)醫(yī)療器械包裝。鋁合金也廣泛應用于醫(yī)療器械包裝中,如藥品包裝袋、注射器等。
3)化妝品包裝。鋁合金在化妝品包裝中也有應用,如口紅管、粉盒等。
4)香煙包裝。鋁合金在香煙包裝中應用廣泛,可以用于制造香煙盒、煙紙等。
4.5 電力電子
從電力電子行業(yè)中長期發(fā)展的角度來看,可再生能源、節(jié)能和輕量化技術(shù)是未來長期的研究方向,研發(fā)成果轉(zhuǎn)化成新產(chǎn)品的速度較快,產(chǎn)品市場普及程度不斷提高。在消費電子、新能源電池等各個電力電子的細分領(lǐng)域中,鋁材以質(zhì)輕、耐腐蝕、電氣性能優(yōu)越等優(yōu)勢,廣泛用于制造消費電子產(chǎn)品支撐材料、電子電容、鋰電池的電池殼和電池箔等,預計未來市場空間將隨著電力電子產(chǎn)品在工業(yè)、生活各領(lǐng)域的普及和推廣得到擴大。
在消費電子領(lǐng)域,鋁制外殼因為質(zhì)輕被廣泛應用于制造電子產(chǎn)品支撐材料[9]。同時,電池鋁箔因為形狀設計靈活、能量密度較高等特點,符合手機、平板電腦等電子產(chǎn)品小型化、輕量化的趨勢,在消費電子領(lǐng)域滲透率不斷提高。
在新能源電池[10]領(lǐng)域,受益于產(chǎn)業(yè)政策的支持,傳統(tǒng)汽車向著輕量化、電動化、智能網(wǎng)聯(lián)化三大方向轉(zhuǎn)型升級,作為新能源汽車的“心臟”,新能源電池尤其是動力電池領(lǐng)域得到了迅猛發(fā)展。
5 鋁合金元素添加劑未來發(fā)展趨勢
鋁合金元素添加劑下游主要為航空航天、軍工、船舶、軌道交通、汽車、建筑、光伏、包裝等領(lǐng)域,隨著這些領(lǐng)域?qū)辖鹦阅芤蟮奶嵘?以及新材料技術(shù)的進步,鋁合金元素添加劑有如下發(fā)展趨勢。
1)市場規(guī)模持續(xù)擴大
隨著航空航天、軌道交通、新能源汽車、船舶、光伏和消費電子等行業(yè)高速發(fā)展,鋁合金需求量逐漸上升,鋁合金金屬添加劑產(chǎn)量也在不斷上升。預計在2022-2027年期間,得益于下游應用領(lǐng)域的發(fā)展,中國鋁合金產(chǎn)量仍將呈增長態(tài)勢,鋁工業(yè)對鋁合金金屬添加劑的需求量也仍保持增長。
2)行業(yè)整合加速,龍頭企業(yè)優(yōu)勢突出
我國鋁合金金屬添加劑制造企業(yè)絕大部分規(guī)模較小,公司運營不規(guī)范,生產(chǎn)設備和工藝相對簡單,不具備相關(guān)技術(shù)的研發(fā)條件,所以導致添加劑產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)支持跟不上終端客戶的產(chǎn)品需求。目前市場對高端鋁材的需求處于上升階段,對鋁合金添加劑的穩(wěn)定性、技術(shù)性及產(chǎn)量有著更高的要求,這就給行業(yè)龍頭企業(yè)帶來整合的機會,可以借助資本市場橫向、縱向并購整合,拓寬產(chǎn)業(yè)鏈和行業(yè)集中度,借助自身技術(shù)和規(guī)模優(yōu)勢,進一步提高產(chǎn)品性能,拓寬客戶渠道,通過技術(shù)創(chuàng)新和服務創(chuàng)新來引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展。近年來,深圳新星、立中集團、東盛金材等行業(yè)頭部地位越來越明顯。
3)環(huán)保要求越來越高
在碳達峰、碳中和等環(huán)保政策的驅(qū)動下,節(jié)能減排成為了現(xiàn)代工業(yè)中不可忽視的一項課題。鋁合金元素添加劑解決了高熔點金屬在低溫下熔化的問題,可達到大幅度節(jié)能、減少二氧化碳排放的目的。此外,高性能、高含量鋁型添加劑能減少氟化物、氯化物的添加,從而減小對環(huán)境的污染。因此,研發(fā)生產(chǎn)無氟無氯、低溫速熔、高金屬含量的節(jié)能減排型的產(chǎn)品是未來鋁合金元素添加劑行業(yè)發(fā)展的趨勢。
4)實現(xiàn)跨行業(yè)應用
在高端鋼鐵生產(chǎn)時,對合金雜質(zhì)、鋼鐵純凈度等指標要求較高,而傳統(tǒng)鋼鐵的冶煉中,一般使用鐵基中間合金或直接添加純金屬的方式添加合金元素。鐵基中間合金的優(yōu)點在于其價格較低,但其金屬元素實收率低、雜質(zhì)含量高,不利于提升鋼鐵品質(zhì),純金屬加入法價格較高且實收率較低。在鋁合金行業(yè)已廣泛應用的合金元素添加劑技術(shù)能實現(xiàn)在鋼鐵冶煉時替代鐵基中間合金和純金屬加入法,達到高實收率、低雜質(zhì)、節(jié)能減排的效果。未來合金元素添加劑技術(shù)會在高端鋼鐵等合金制造行業(yè)得到更加廣泛的應用。 更多>同類資訊
