超高强度铝合金及其产业化建设可行性研究报告.docx

1、超高强度铝合金及其产业化建设可行性研究报告第一章概述1.1项目的提出1.1.1项目提出的背景安徽科皖特种铸造有限公司成立于一九九九年，是由民营资本组建的有限责任公司。公司技术力量雄厚，拥有先进的铸造生产设备和理化检测设备，是生产各类精密铸件的专业厂家，二零零五年五月通过ISO9001-2000质量体系认证。科皖公司有较强的产品研制开发能力。KW系列微型合金磨球系本公司开发的高科技产品之一，现已广泛应用于磁性材料、粉末冶金等行业的金属制粉工艺。各类中小精密铸件以优秀的性价比赢得广大用户的青睐，特别是球墨铸铁件在兵器工业部专家的指导下，已成为军工企业的配套产品，现已批量生产，取得了良好的社会和经济

2、效益。随着世界范围内极端天气情况出现次数的增多，人们对全球生态环境的关注力度越来越大。发展“低碳经济”已被广大的专家学者提到议事的日程。同时，“能源危机”等概念也渐渐地崭露于报纸、电视、网络等媒体上。而我国石油资源和石油产量相对不足，石油供需缺口正在逐渐扩大，能源安全问题日显突出。据统计，2000年，发达国家人均能源消费量为7.85吨，而中国人均能源消费量仅为1.05吨，大约为发达国家的13。中国能源资源总体比较丰富，但人均能源资源占有量和消费量较低，仅为世界人均占有储量的56。煤炭储量比较丰富。但石油、天然气储量不足，人均占有储量仅为世界人均占有储量的8和6。虽然新能源和可再生能源有一定的发

3、展潜力，但受技术和成本的限制，在2020年以前还不可能替代化石能源。能源对经济和社会发展的制约作用正在不断地加剧。除了在开源寻找新的、清洁的能源方面下功夫外，更得在节流减少工业生产、社会生活等各领域的耗能上做足文章。以保障社会发展的科学、和谐、持续性。国家“十一五”规划中明确提出“节能减排”发展“低碳经济”的约束性指标。“十一五”期末的主要节能目标是：万元GDP(按2005年价格计算)能耗下降到0.98吨标准煤，比“十五”期末降低20%左右，平均年节能率为4.4%。发展低碳经济，加强节能减排俨然已成为当前最热门的话题之一。尤其哥本哈根会议之后，气候问题已经成为全球共同关注的焦点之一。在我国，节

4、能减排已经纳入战略性发展目标，2009年 11月26日，中国公布到2020年的减排目标单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降4045，并作为约束性指标纳入“十二五”规划。1.1.2超高强度铝合金的应用前景1.1.2.1超高强度铝合金在汽车工业中的应用世界汽车保有量与日俱增，正以巨大的影响力改变着人们的工作与生活，但随之而来的能源短缺、环境污染等一系列问题也日益突出。轻型、节能、环保、安全、舒适、低成本成为各汽车制造厂家追求的目标，尤其是节能和环保更是关系人类可持续发展的重大问题，节能减排已成为汽车工业界亟待解决的问题。汽车轻量化的内涵是在保证汽车性能不受影响的前提下，既要有目标的减轻汽车

5、自重，又要保证汽车行驶的安全性和舒适性等，同时使汽车本身的造价不被提高。从汽车产品的整个生命周期看，油耗费用是汽车生命周期总费用的主体，占汽车生命周期费用的71，汽车客户迫切希望降低油耗费用以节约后期的运行成本。由于汽车质量的大小影响到滚动阻力、爬坡阻力与加速阻力，因此汽车质量与其燃油消耗有着极为密切的关系。据分析，降低油耗的主要方法有：减轻重量(轻量化)占50，提高发动机效率占20，降低行驶阻力占30，其中最有效的方法是汽车轻量化。世界铝业协会提出的报告指出，汽车质量每减小10，可降低68的油耗。因此，在汽车设计中，轻量化是一个必须考虑的问题。汽车的轻量化不仅可以减小各种行驶阻力，降低燃油消

6、耗，而且也有利于改善汽车的转向、加速、制动和排放等多方面的性能。我国发改委要求是2010年与2003年相比，乘用车新车的平均油耗要减少15，要完成这个指标，没有轻量化是实现不了的。应当指出，不仅乘用车要求轻量化，同样也适用于商用车。轻量化可改善燃油经济性，提高载货质量，商用车与乘用车同样具有明显的效果。同时，随着计重收费范围的扩大和油价不断上涨，载货车用户既要多承载，又要油耗少的呼声越来越高，各大卡车企业也正集中力量进行卡车轻量化研发。汽车轻量化有很多的途径可以选择，但最直接、有效的方法莫过于应用新型轻质材料，使用密度小、强度高的轻质材料，如铝、镁合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料等；使用同密度、

7、同弹性模量而且工艺性能好的截面厚度较薄的高强度钢；使用基于新材料加工技术的轻量化结构用材，如连续挤压变截面型材、金属基复合材料板、激光焊接板材等。其中，高强度铝合金的系列化商品化程度较高。如，1996年奥迪公司生产的全铝A8轿车，采用铝合金挤压车架，质量降低了35，抗扭强度增加了50%。铝合金车轮、悬挂系统零件、车身、热交换器等。铝代替传统的钢铁制造汽车零部件，可使整车重量减轻3050。在PNGV的进度计划中，用于车身的铝结构设计有几种方案，可减小质量达55，并可以投入批量生产。通用汽车公司在凯迪拉克的悬挂系统使用了铝合金部件，还加大了悬挂系统转向节的制造中以铝替代铸铁的规模。福特公司使用了铝

8、合金的制动盘，该制动盘质量仅为2.27kg，为原铸铁盘的1/3。克莱斯勒公司的NeodLite车底盘由于使用了大量的铝合金部件，质量减轻了许多，如转向机万向节质量降低3kg，下控制臂降低2.6kg，转向机壳降低1.36kg，转向轴降低1.9kg等。可见，铝合金在汽车工业中具有广阔的应用前景，尤其是超高强度铝合金更是凭借其优异的比强度在汽车工业的发展中占有举足轻重的作用。1.1.2.2超高强度铝合金在航空、航天中的应用2006 年2 月9 日，国务院颁布国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006 年2020 年)，大型飞机被确定为“未来15 年力争取得突破的16 个重大科技专项”之一。同年3 月

9、，十届全国人大四次会议上，温家宝总理宣布，我国将在“十一五”期间启动大型飞机研制项目。2007年2月26日，温家宝总理主持召开国务院常务会议，原则批准大型飞机研制重大科技专项正式立项，引起了国内外的高度关注。2008年5月中国大飞机项目合资公司成立，标志着中国正式进入国产航空运输大飞机的领域。材料是飞机结构的基础，铝合金由于其具有比强度高、成形和加工性能好、耐腐蚀性能好等特点，将作为非常重要的飞机结构材料，在大飞机结构中占有很大的使用比例。国外大型民用客机从波音707 发展到现在以波音787 和A380 为代表的新一代大型民机，从舒适性、安全性、经济性等主要考核民机性能指标上，发生了很大的变化

10、，设计方法也从静强度设计、到破损安全设计、到现在的损伤容限设计，其采用的材料也从片面追求高强度、到要求疲劳强度较好的材料、到除考虑损伤容限之外，同时考虑抗蚀性和低成本的新要求，因此主体结构材料也发生了很大的变化，特别是随着先进复合材料用量大幅度增加，对传统轻质合金的用量冲击很大，如B787 飞机的复合材料用量达50%，而铝合金的用量只有20%。但目前正在使用的民用客机，以及即将投入使用的大型客机A380，铝合金还占着主导作用。波音777是美国波音公司九十年代推出的大型民用客机，采用的材料多是80 年代末90 年代初比较成熟的材料，或90 年代商品化的材料。因此，它的选材具有一定的代表性。其主要

11、部位的材料选用见表1。表1 波音777 主要部位用材一览表部位 材料上翼面蒙皮上翼面长桁7055-T77517055-T77511下翼面蒙皮 2324-T39下翼面长桁 2224-T3511翼梁上缘条下缘条腹板7150-T775112224-T35112324-T39机身长桁、座椅滑轨、龙骨梁 7150-T77511侧框（锻件） 7050-T7452机身蒙皮 2524-T3锻件 7150-T77襟翼滑轨 Ti-10-2-3起落架轮托架 Ti-10-2-3尾喷管 21S尾锥 21S后整流罩 21S部位 材料上翼面蒙皮上翼面长桁7055-T77517055-T77511下翼面蒙皮 2324-T39

12、下翼面长桁 2224-T3511翼梁上缘条下缘条腹板7150-T775112224-T35112324-T39机身长桁、座椅滑轨、龙骨梁 7150-T77511A380作为法国Airbus公司推出的面向21世纪的大型民用客机，其机体结构材料，优质铝合金用量最大，占重量的61，复合材料占25（22为CFRP，用量达32t；3为首次用于民机的GLARE），钛和钢占10，其他4，A380 飞机主要部位的材料选择见表2。表2 A380飞机主要部位选用材料部位 选用的材料机身上机身用Glare，中央翼盒CFRP，襟翼/肋CFRP，上地板梁CFRP，后舱门CFRP，吊舱钛合金SPF/DB，密封隔板用Gla

13、re，机身地板桁条IM CFRP，机身气密舱的球面框用ROHACELL 的PMI 硬质泡沫芯。2024/2524 蒙皮 2024T42 挤压框，上壁板Glare，PAX 门，RTM 铰链，下层梁CFRP IM 纤维座椅滑轨 7349/7055 主层梁 Al-Li C460/2196 T8511 货物舱门梁 7175 T79511、座椅轨道 Ti6Al4V下壁板 6013 T6 焊接（机身-蒙皮）曲面舱门壁板 60566013 和6056 焊接机身下壁板主翼盒上蒙皮 7055 T7951 7055/7449 HF T7951分析国际主要大型民用客机制造企业的机型可以看出，超高强度铝合金作为飞机的

14、结构材料仍然占据着非常重要的地位。结合我国大力发展民用大型客机的总体形势可以看出，超高强度铝合金在航空领域也是有着很广阔的市场应用前景。近年，我国一系列“神舟”号宇宙飞船的发射升空。尤其将杨利伟等航天员送上太空，中国的航天技术达到了一个新的水平。正在建设嫦娥号空间站、“北斗”卫星导航系统等都可以看出中国在航天领域的发展正如火如荼。复合材料在航天结构上的应用扩大，铝合金在以固体火箭发动机为动力的战略导弹上的应用明显减少。但在今后相当长时问内，超高强度铝合金仍然是运载火箭、宇宙飞船和空间站等航天器的主体结构材料，也是导弹等武器系统的重要结构材料之一。目前国内、外飞船、航天飞机起结构件还是以铝合金为

15、主。1.1.2.3超高强度铝合金在建筑行业中的应用随着建筑材料中绿色材料（减少材料使用量、可回收）要求的提高、以及建筑行业中门窗面积的增大，尤其是在一些体育场馆、展览会场的建设中，轻质超高强度铝合金型材的需求将十分大。项目所开发的超高强度铝合金，可以应用于建筑业中需求轻质超高强度、高塑性型材的场合，如体育场馆、展览会馆、临时性住宅等的结构用材，还可应用于有一定承载要求的铝合金建筑门窗和玻璃幕墙， 阳台护栏，广告牌、交通桥梁设施。由于研发的超高强度铝合金的轻质高强度特性，将大大降低建筑物的整体重量，简化建筑结构，减少建筑用材；由于材料的高塑性特性，将进一步使建筑的外观结构多样美观化；由于材料良好

16、的耐腐蚀性能，将减少建筑的维护成本。同时，由于铝合金材料易于回收，将减少建筑垃圾，美化环境。从而大大降低建筑行业的能耗，实现节能减排的目标。1.1.2.4超高强度铝合金在其它行业中的应用超高强度铝合金具有高强度、高硬度、低密度优异的抗腐蚀性能等特点，使得其在促进节能减排，降低单位GDP能耗和增加经济效益方面具有不可忽视的重要市场地位。其不仅可以应用在汽车、航空、航天、建筑等领域，而且可以应用于自行车、纺织工业、模具等行业中。1.2设计工作的依据和范围1.2.1设计工作的依据根据安徽科皖特种铸造有限公司的地理位置、公司现有设备、技术和当地人文社会情况；国家关于有色金属生产过程中的相关标准主要有：

17、铝加工厂建设标准、GB 50482-2009铝加工厂工艺设计规范；以及国家关于实施节能减排战略和环境保护的规定等作为本设计的依据1.2.1设计工作的范围 设计工作的范围为安徽科皖特种铸造有限公司投资兴产超高强度轻质铝合金生产线、车间的总平面布置、工艺流程、设备的选型以及水、电力、节能、环保、消防、投资估算、和整个项目的经济效益分析。1.3主要结论（1）.安徽科皖特种铸造有限公司投产超高强度铝合金是扩大产业规模转化现有产业优势持续发展企业的需要。同时也是建立在国家大力发展汽车、航空、航天总体趋势的需要和国家对于节能减排减少单位GDP能耗的强烈要求下应时、应势而为的。（2）.安徽科皖特种铸造有限公

18、司注重人才的培养、重视技术在生产中所占的比重，时常和国内外知名院校的教授、学者请教科学文化知识；定期举办技术交流研讨会。在工作和生活上对于技术人员都给以了极大地支持和鼓励。（3）年产5000吨超高强度铝合金制品的生产线采用的现有成熟的技术和经实践证明具有优越的生产效能的新设备。在技术上本项目是可行的。（4）根据工程建设方案的制定及其投资分析，本项目的中投资为人民币37827万元。投资建设期为1年。（5）本项目财务效益良好，全部投资所得税前内部收益率为所得税后内部收益率为投资回收期全部投资所得税前为 所得税后为1.3主要问题和建议(1)本项目建成投产后，其机械化水平和自动化水平高，另外由于采用的

19、是新工艺、新设备。因此建议在本项目投产以前加强技术工人的培训和管理人才的支持。(2)本项目的建设和投产需要当地政府的大力配合和支持。第二章 企业概况安徽霍山科皖特种铸造有限责任公司坐落在皖西革命老区霍山县，紧靠风景秀丽的新中国第一坝佛子岭水库和大别山主峰旅游区，位于安徽军工发源地“九厂一院”的所在地，国道105贯穿城区，省道318线环城而过，距宁西铁路、合武高速铁路站30Km，距京福高速入口仅66Km，距离正在兴建的新桥国际机场36Km，交通非常便捷。 公司成立于1999年7月，为股份制企业。是安徽省重点调度的成长型企业之一，六安市重点调度的规模工业企业。是南京战区唯一一家特种铸造军工资质企业

20、、军民结合重点扶持企业。公司现有职工138人，各类专业技术人员22人，其中：工程技术人员11人、高级职称4人、中级职称7人。公司注册资本600万元，总资产3600万元，固定资产1552万元，占地面积172.4亩，拥有铸造生产设备120台（套），理化检测设备先进、齐全，各种计量器具50台（套）。生产制造和坚持能力具备了规模生产和质量保证能力。为了全面提高企业现代化管理水平，不断提升企业核心竞争力，公司全面贯穿GB/T19000-ISO9000:2000:标准，公司质量管理工作走向科学化和规范化的轨道。2005年5月公司获得了GB/T190001-2000质量管理体系认证，2008年5月通过了国家

21、军品科研生产单位保密资格认证，2008年12月通过GJB9001A-2001军工产品质量管理体系认证。09年6月取得了国家国防科工局武器装备科研生产许可证，09年7月取得解放军总装备部武器装备科研生产承制单位资格证书。公司有较强的研制开发能力，聘请了中国兵器工业设计研究院、中国兵器工业安全技术研究生、合肥工业大学的专家教授为技术顾问。精密铸造件在中国兵器工业设计研究院专家的技术指导下，产品质量、性能、价格达到军方要求，现已批量生产，并具备为核电工业生产配套产品的研发生产能力，得到核电专家的认同。目前公司采用熔模铸造、树脂砂型铸造等先进的铸造技术。主要产品有：军工产品，合金钢泵阀，汽车、叉车、矿

22、山机械、冶金设备配套件，合金球磨，金属模具等产品。公司严格遵守国家法律法规，诚信经营，多年来得到各级领导和部门的关系和支持，公司连续多年获得市、县、镇“优秀民营企业”、“先进民营企业”、“突出贡献企业”；省、市“民营科技企业”、“安徽省重点调度的成长型小企业”的称号，被安徽省国防工办确定为省军民结合重点支持发展企业，多次被部队评为“军地双拥工作优秀企业”、“军队两用人才培训基地”多次被评为“中合体守信用单位”、“价格、计量、质量信得过单位”、“安徽省市场质量放心产品”。第三章 市场预测及生产纲领3.1拟建规模3.1.1产品名称本生产线以生产超高强度铝合金为主，并具备按需生产该合金型材、棒材、板

23、材及其它零部件的能力。设计年产超高强度铝合金制品5000吨。3.1.2产品规格（见表3.1）表3.1 产品规格表序号产品名称规格备注1板材、型材厚度5-500mm按需生产2棒材、管材5-500mm；L： 10-5000mm按需生产3锻件包括自由锻件和模锻件投影面积1650cm2厚度150mm4零部件汽车大梁、模具及其它按需生产3.1.3产品结构（见表3.2）表3.2 产品结构表序号产品类型产量产品比列备注1板材、型材3000吨/年60%可根据产品要求进行热处理2棒材、管材700吨/年14%3锻件1000吨/年20%4零部件300吨/年6%3.1.4产品性能本项目所生产的超高强度铝合金，具有非常

24、高的比强度以及良好的综合理化性能。典型产品的机械及物理性能如表3.3所示。表3.4 典型产品超高强度铝合金板材（T651）机械性能抗拉强度MPa6300.2%屈服强度MPa560伸长率14体膨胀系数m3/(m3*K)68*10-6弹性模具E/GPa72硬度HB180密度KG.m32810.53.1.5产品用途随着国际、国内对环境、能源的大力关注，经济发展的同时，人们都在大力倡导节能减排。在中国节能减排已经被写入相关法律法规。在这样的背景下，作为超高强度、具有良好的抗腐蚀、电化学综合性能的轻质铝合金其应用前景不可限量。可作为航天、航天工业中的结构件，在大大降低其生产、运行成本的同时又能实现节能减

25、排。在汽车工业中，可作为汽车大梁、底盘、轮毂等主要结构件，显著地减轻整车的重量，减少油耗。在建筑行业中，可作为建筑结构件型材。另外还可被应用于如染织机中的梭子、机械手臂等其他行业中的动力结构件中，以减少机构在运行过程中能量消耗促进节能减排规划的发展。3.2市场需求预测超高强度具有优异的综合性能的轻质合金无论是在航空、航天等高端领域。还是在普通的民用领域，一直以来都占据着非常重要的地位。本项目讨论的超高强度铝合金其力学性能、综合性能超过进口7075、7050合金，而且拟建的工厂具备对合金进行挤压、锻造、热处理、预拉伸、阳极氧化等工艺的能力。而进口7075T651合金的价格在11万元/吨，远高于一

26、般铝合金的价格，这一直是轻质铝合金不能被应用到一些民用工业结构件中的重要原因。面对如此高的价格，考虑到产品的成本，很多行业都为了降低成本而放弃了选用超高强度铝合金的打算。而安徽霍山县科皖特种铸造有限责任公司，地处中部地区。便利的交通、丰富的劳动力资源、以及优秀的管理团队和德艺双馨的技术人员这些都为其生产的产品注入了优质的潜在价值，大大的降低了该超高强度铝合金产品的价格。可以看出，随着节能减排大趋势的蓬勃发展；航天、航天领域的迫切需求；多行业领域对轻质高强度合金的强烈愿景；具有很大的价格优势和综合物理、化学性能的国产超高强度铝合金的市场供求是失衡的。本项目生产的超过强度铝合金将具有良好的市场前景

27、。第四章 公用动力条件4.1地理位置 安徽科皖特种铸造有限责任公司位于皖西革命老区霍山县，霍山地处安徽省西部、大别山北麓，面积2043平方公里，人口36.7万，辖16个乡镇、130个村、15个社区，属北亚热带温湿季风区，植被丰富，物种众多，森林覆盖率达 71.5%，生物物种多达6500余种，是一个生态系统相对完备、森林植被垂直分布、珍稀物种丰富的天然基因宝库。这里有丰富的矿产、药材、茶叶、蚕桑、毛竹、水电、板栗、森林等自然资源，素有“金山药岭名茶地，竹海桑园水电乡”的美誉。公司所在地毗邻佛子岭水库和大别山主峰旅游区，位于安徽军工发源地“九厂一院”的所在地。4.2气候条件地属亚热带湿润季风气候和

28、温带半湿润季风气候的过渡地带。其特征是季风显著，气候湿润，四季分明，无霜期长，光、热、水条件优越。常年平均气温为15，平均无霜期为220天，常年平均降雨量为1400毫米，平均降雨日为141天，最少111天。4.3运输条件安徽科皖特种铸造有限责任公司毗邻国道105，省道318线环城而过，距宁西铁路、合武高速铁路站30Km，距京福高速入口仅66Km，距离正在兴建的新桥国际机场36Km，交通非常便捷。公司和各原料供应产区有多条运输道路相连，交通运输状况良好。4.4供电条件 经安徽省电力局同意，选经过公司附近的高压线接线供电。4.5水源 本公司所在地属亚热带湿润季风气候和温带半湿润季风气候，气候湿润，

29、常年平均降雨量为1400毫米，且公司毗邻佛子岭水库。水源非常丰富加上取水成本低廉，完全可以保证公司的生产、生活用水。4.6排水本公司对生产、生活产生的污水进行净化处理后循环利用。做到产区内消化，不外排。4.7通讯通过电话、传真、互联网和外界保持联系，公司有内线电话，作为厂区内部联系使用。第五章 物料供应及协作5.1用电负荷及供电情况安徽科皖特种铸造有限责任公司现有装机容量500Kw，远远不能满足新生产线的供电需求，因此将公司的装机容量增加为9800Kw，计算有功功率为6860Kw。安徽科皖特种铸造有限责任公司现有1台变压器，为560Kw，本项目设计新安装6台变压器，均为1600Kw。5.2水资

30、源供应情况安徽科皖特种铸造有限责任公司现有引水管道其出水量为20m3/h，还有一个100m2的清水池，并设有二级泵站一个，其水质负荷生活饮水标准和生产用水水质的要求。公司的给排水自成系统，公司每小时用水为40吨，需新架设管道一条，其出水量为20m3，并增设100m3清水池和二级泵站一个，其水质负荷生活饮水标准和生产用水水质的要求。5.3原料安徽科皖特种铸造有限责任公司拟投产的超过强度铝合金生产所需要的主要原料为：电解铝锭；锌锭；镁锭；Al-50Cu中间合金；Al-Sc中间合金； Al-4.1Y中间合金；Al-10Sr中间合金；Al-4Zr中间合金；Al-15%Mn中间合金；变质、精炼剂；覆盖剂

31、；润滑油；模具等。所需原材料都可以在附近地域购得，具有供应链稳定、质量较好、运距短、交通方便、价格便宜等优点。第六章 主要生产设施及设备6.1生产工艺过程综述本生产线主要有：原料清理检查、称量和配料、熔炼、浇铸、均匀化退火、热轧、热挤压、锻造、性能检测、包装等生产工段。6.2原料清理、检查工段生产所需原料主要经由公路运输进厂。进厂原料首先存放在露天堆料厂，然后分类存放进仓库。将大块原料破碎、清洗、清理回炉料。并抽样检查原料品质。保证原料的质量。6.3称量、备料工段 确定合金的配料标准、炉料组成和每炉的全部炉料量，进行炉料的准备过程。根据经验确定出各辅料的实收率范围之后，依据产品成份要求，计算得出配料所需各物料的具体数值，然后按照各辅料添加方法加入熔体。另6.4熔炼、浇铸工段6.4.1概述 目前国内外大中型铝加工厂的铸锭生产仍以半连续铸造法为主，它的主要特点是单机生产能力大，适合于各种牌号系列的铝及铝合金扁锭铸造，扁锭经热轧后可进一步轧制成各种用途的高精度板、带、箔材，适合于大、中型铝加工厂采用。其生产工艺技术正朝着增大锭重、提高产品质量、