南山铝业公司汽车板生产厂简介

杨立民,刘 畅

(山东南山铝业股份有限公司,山东 龙口 265700)

山东南山铝业股份有限公司(以下简称南山铝业)旗下的南山铝业板带事业部分为东海和南山两个厂区,这两个厂区于2019年11月整合在一起。南山厂区主要生产包装材料(罐体料、罐盖料)和铝箔。东海厂区主要生产汽车板(ABS-Auto Body Sheet)和航空板。

南山铝业板带事业部能生产1×××系～8×××系铝合金全部压延产品,目前主要有包装材料、铝箔、电池箔、船板、汽车板和航空板等高端核心产品。两个厂区的熔铸、热轧、冷轧和精整设备都是从国外引进的先进装备,具备互通生产条件,可以在保证产品质量情况下大大提高产品的交付率。即使部分产品受市场的影响,随时可以调整产品结构来保证公司正常运行,同时将市场风险降到最低。

汽车覆盖件用铝合金薄板是铝合金板带中的顶级产品,对产品技术指标和表面质量要求高,需要长时效稳定性、高成形性、高烘烤硬化性、高翻边延性、高连接性、高抗凹性、无罗平线、良好表面质量、良好油漆工艺兼容性和油漆表面光鲜性等。这些相互矛盾的性能需要合理匹配,其生产技术非常高[1]。

汽车板的主要生产工艺:熔炼-铸造-均热-热轧-冷轧-连退-包装,在汽车铝合金带材的整个生产工艺流程中,熔炼、铸造、热轧、冷轧工序的装备和技术与其他包装材料的基本相同,但热处理设备及工艺技术则有较大差异,其中关键装备是气垫炉(以下简称连退线)(CAL-Continue Annealing Line)[1]。2017年下半年,板带事业部第一条连退线完成调式并批量供货;2019年下半年,第二条连退线完成调式批量供货;2023年2月,第三、第四条连退线开工建设。四条连退线建成后公司将具备40万t汽车板生产能力,也是目前中国生产汽车板产能最大、连退线设备最多的企业。下面介绍汽车板生产设备和工艺情况。

1 设备配置

1.1 熔铸设备

板带事业部共有12条熔铸生产线,南山区域1条,东海区域11条,设备的配置均采用2+2+1的方式,即两个熔炼炉、两个保温炉和一个铸造机。熔炼炉配有电磁搅拌和电解铝水加入口。保温静置炉配有炉外处理在线精炼设备和先进的铸造机[2]。炉外精炼采用双转子或三转子的SNIF除渣、除氢设备精炼,同时采用板式过滤和管式过滤组合过滤,使用在线测渣仪LIMCA(液态金属洁净度分析法)监测熔体渣含量[2]。结晶器的宽度950 mm～2 800 mm,最大能生产34 t的大扁锭。

1.2 加热设备

加热设备包括5台均火炉和13台奥地利艾伯纳工业炉公司(EBNER)的推进式加热炉,30多台国产中间退火炉。

1.3 压延设备

2条热连轧生产线,一条是引进日本石川岛-播磨重工业株式会社IHI(Ishkawajima Harina Heavy Industries)设计制造的1+4热连轧生产线,控制系统由TMEIC提供,生产线配有智能化平面库、高精度磨床。热连轧设备主要特点:粗轧机配有立辊、精轧机配有TP辊、钢丝刷和尼龙刷辊,以保证产品表面质量,在F4出口配有六区域多通道的IMS的测厚仪[2]。另一条是引进德国西马克(SMS)设计制造的1+5热轧生产线,TMEIC控制系统,因厚板需求在原来粗轧前又增加一台达涅利(DANIELI)粗轧机,变成了1+1+5热连轧机。卷材厚度1.8 mm～16 mm,宽度1 200 mm～2 800 mm。

6台冷轧机设备,其中3台西马克六辊单机架冷轧机、1台达涅利(DANIELI)EDT单机架冷轧机、1台西马克六辊双机架冷连轧机、1台西马克六辊三机架冷连轧机,卷材厚度0.1 mm～10 mm,宽度950 mm～2 800 mm。

冷轧机的特点:热油边部控制系统HES(Hot edge sprays)、HS水平稳定化系统、各机架的板形和厚度连续监控,保证带材每米长度的板形和厚度均受控。生产出的成品冷轧卷在98%带材长度上,在线板形控制在8I以内,厚度偏差控制在±0.003 mm,带材表面残油量小于35 mg/m2,为高精度产品提供可靠质量保障[2]。

国内首次引进SMS六辊中间辊连续可变凸度CVCplus三机架冷连轧,同时也是世界第一台使用油基冷却的三机架冷连轧机。先进设备配置和工艺技术为高端板带材的表面质量、板形、厚度控制提供了保障[2]。

1.4 连退设备

连退线有两种设计方式,一种是热处理线设备和化学表面处理线设备放到一起,另一种是将这两套设备分开放置。为了保证生产线连续生产,在出、入口均采用活套、双开卷和双卷取。

热处理线设备和化学处理线设备组合在一起见图1,热处理完成后直接到化学线进行表面处理,表面处理后进行预时效和涂油。生产工艺流程:开卷→切边→清洗→固溶→矫直→碱洗→酸洗→Ti/Zr处理→切边→喷码→时效→涂油→表检→卷取。此种设计对设备运行的联动性要求很高,工艺流程可以直接出成品,生产效率高;但只要某一个环节出问题,整条生产线无法生产。

1-开卷机;2-入口切边机;3-预清洗单元;4-入口活套;5-炉子单元;6-水淬单元;7-风冷单元;8-矫直单元;9-酸碱洗钝化单元;10-出口活套单元;11-出口切边机;12-喷码机;13-预时效单元;14-涂油机;15-卷取机图1 连退线布局图Fig.1 Layout of continuous annealing line

热处理线和化学处理线设备分开的布置见图2、图3。铝带在热处理后不是进化学线,而是直接卷成带卷,然后再经过化学线完成全部表面处理工序生产出成品,或仅完成部分表面处理再到重卷线生产出成品。热处理线生产工艺流程:开卷→切边→清洗→固溶→矫直→切边→时效→卷取;化学线生产工艺流程:①开卷→切边→矫直→碱洗→酸洗→Ti/Zr处理→喷码→涂油→表检→卷取,②开卷→切边→矫直→碱洗→酸洗→Ti/Zr处理→卷取;重卷机生产工艺流程:开卷→矫直→切边→喷码→涂油→表检→卷取。此设计工艺生产灵活,热处理线、化学生产线和重卷机各自独立运行,先热处理再进行化学表面处理,化学表面处理后可以直接出成品或者在重卷机生产出成品。不同生产线装有不同油品型号,选择哪种工艺路径,要根据主机厂(OEM-Original Equipment Manufacturer)油品型号要求来制定。

1-开卷机;2-入口切边机;3-预清洗;4-入口活套;5-炉子单元;6-水淬单元;7-风冷单元;8-矫直单元;9-出口活套;10-出口切边机;11-预时效单元;12-涂油机;13-卷取机图2 连退线热处理布局图Fig.2 Layout of continuous heat treatment line

1-开卷机;2-切边机;3-入口活套;4-矫直单元;5-酸碱洗单元;6-钝化单元;7-出口活套;8-喷码机;9-涂油机;10-卷取机图3 化学线布局图Fig.3 Continuous surface treatment line

1.5 精整设备

为了满足生产线的要求,同时保证成品质量,精整生产线全部引进国外的先进设备,在精整线配有多台切边机、拉弯矫直机、重卷机、横切机、纵切机、包装线,在横切机、重卷机和切边机还配置有涂油机。

2 产品类型

南山铝业板带事业部产品有汽车板、航空板、包装材、铝箔和电池箔等。汽车板是南山铝业板带事业部主要产品之一,公司目前开发的汽车板主要有汽车内板、外板和低碳绿色汽车板。3×××系铝合金、5×××系铝合金和部分6×××系铝合金用于汽车内部的结构件,部分6×××系铝合金用于汽车外板的包覆件。常用汽车板合金牌号产品等级见表1。

表1 铝板等级合金及用途Table 1 Alloy series, designations and common applications

2.1 汽车内板

汽车内板是未暴露表面用于内部的配件,常用的有机盖内板、门窗内板、铰链支撑、门的加强件、翼子板内板、保险杠支撑等。汽车内板使用合金种类多,产品等级和规格多,使用的零部件数量也多。每一个主机厂使用的合金牌号也不一样,有的主机厂使用3×××系、5×××系和6×××系铝合金产品,有的主机厂使用5×××系和6×××系铝合金产品,还有主机厂只使用6×××系铝合金不同产品。

6×××系铝合金不同等级产品用于生产汽车内板,不但表面质量好,性能高,生产时便于管理,在汽车报废时更方便与6×××系铝合金外板一起回收处理。

相比其他牌号铝合金在汽车板上的应用,5×××系铝合金成形性、焊接性能好,但5×××系铝合金内板的表面质量较6×××系铝合金内板逊色。5×××系高Mg合金在塑性变形过程中普遍存在PCL(Portevin-Le Chatelier)效应,导致板材表面产生A型和B型吕德斯带见图4。吕德斯带除了跟化学成分有关,还与变形应变速率、材料变形量、晶粒尺寸等因素有关。合金中晶粒尺寸小,强度高,在冲压时容易产生吕德斯带;晶粒尺寸大,强度低,在折弯时容易产生橘皮。根据材料的变形程度,需要对吕德斯带和橘皮问题进行平衡取舍。

图4 铝镁板材成形过程中的吕德斯带Fig.4 Lüders band in Al-Mg sheet forming

3系和5系铝合金都是O状态交货,6×××系铝合金内板是T4P状态交货。T4P预时效(Preaging)是在自然时效前,在较高的温度下保温一段时间,以使过饱和固溶体有足够多且稳定的第二相。根据主机厂的需求,带材表面可分为轧制表面(MF-Mill Finish) 和电火花毛化 (EDT-Electron Discharge Texture)表面,表面需要Ti/Zr处理,喷码,涂油。O状态产品生产工艺流程:熔铸→铣面→加热→热轧→冷轧(MF/EDT)→退火→Ti/Zr处理→喷码→涂油→表检→包装。T4P状态生产工艺流程:熔铸→铣面→加热→热轧→冷轧(MF/EDT)→固溶→ Ti/Zr处理→喷码→时效→涂油→表检→包装。

2.2 汽车外板

汽车外板主要用于暴露的外表部件,如汽车前门、后门、前机盖、后背箱盖和侧围等外表暴露部件。汽车外板使用要求:常用6×××系铝合金作为覆盖件,部件尺寸大,厚度薄,成形性好,烘烤强度高,包边质量好,无罗平线,表面质量好,不允许有压坑、划痕、擦划伤、振纹、横向条纹、纵向条纹等影响外观使用的缺陷。外板交货状态是T4P,生产工艺流程:熔铸→铣面→加热→热轧→冷轧(MF/EDT)→固溶→Ti/Zr处理→喷码→时效→涂油→表检→包装。

外板除了要求合格的性能和表面质量外,还要确保产品高包边质量和无罗平线,这也是外板材料控制的难点和重点。

包边质量与材料的化学成分、热处理、材料强度、材料厚度、成形工艺参数、材料的组织和织构有着密切关系。包边质量的判别是材料通过10%或15%预拉伸后,再进行180°的折弯包边试验,观察包边的开裂情况,常见包边质量判别要求见图5。

图5 包边质量Fig.5 Hemming quality

罗平线(Roping)是外板控制的另一个重要指标。铝合金板材在横向拉伸应变达到一定程度时,使用砂托或油石对拉伸后的表面适度打磨,沿轧制方向呈现出来的细长条纹称为罗平线。罗平线的长度一般在10 mm～30 mm,宽度0.3 mm～2 mm,峰谷差10 μm～30 μm,间隔宽度0.5 mm～2 mm。

罗平线与材料的化学成分、加工工艺、热处理工艺、组织和织构有关。图6是稍微打麿后的罗平线。图7是打磨后的材料蚀刻后通过EBSD显现出来的罗平线。图8是稍微打磨后无罗平线的表面。图9是对打磨后无罗平线的样片进行阳极氧化后的表面。

图6 稍微打磨后有罗平线的表面Fig.6 Slightly grinded surface with roping lines

图7 有罗平线的蚀刻表面+EBSDFig.7 Surface etched+EBSD

图8 稍微打磨后无罗平线的表面Fig.8 Slightly-grinded surface without roping lines

图9 无罗平线外板阳极氧化后的表面Fig.9 Anodised surface without roping lines

2.3 低碳铝产品

为实现国家“碳达峰、碳中合”绿色发展理念,汽车行业除了在新能源汽车上寻求技术突破,汽车轻量化也将成为行业节能减排的核心驱动力。再生铝在我国汽车行业的应用将快速提高。

南山铝业板带事业部建有一条10万t的再生铝处理线,并陆续推出系列低碳绿色产品:低强度5×××系铝合金、高强度5×××系铝合金,低强度6×××系铝合金、高强度6×××系铝合金、高包边6×××系铝合金、高成形6×××系铝合金、高表面质量6×××系铝合金等。部分低碳产品使用主机厂同等级回收再生铝或自产再生铝,用量可达到60%～90%,特殊产品可达到100%。有效地将同等级再生铝保级使用,以达到低碳减排,实现高效循环绿色经济。

低碳产品使用的再生铝主要分两种,从主机厂回收的再生铝和从社会上回收的再生铝。主机厂再生铝回收一个关键控制点是Fe含量。主机厂钢铝混用,废旧钢板无意识的混入回收再生铝中,熔炼后Fe含量超标,可使用Fe元素清除剂或使用电解铝液冲淡。另一个控制点是同等级再生铝中Si和Mg元素偏高,同样可以使用元素清除剂或电解铝液冲淡来控制合金成分。

社会上回收再生铝杂质含量较多,成分复杂,通过再生铝回收处理线的磁选法和重力法,去除不含铝的杂质,再进行相关的熔体质量净化处理,确保熔体质量和成分达到工艺要求,生产不同系列的低碳产品。

3 认证供货

汽车板产品在市场的销售与其他铝板带材不同,在供货前都必须通过材料认证、工厂认证和零件认证,取得认证资格后才能首件供货、切换供货和接包供货。

材料认证:主要包括工艺开发,材料试制,内部测试,数据包积累、数据包评估,样卷生产,样片提交,主机厂各项应用性检测及评估。任何一个环节不合格或工艺变更都要重新开始。

工厂认证:主机厂审核主要内容包括生产线配置、工艺开发能力、生产过程管控能力、实验室检测能力、项目管理能力、供应商管理能力、商务能力、客户服务能力和物流管理能力等。

零件认证:材料认证和工厂认证通过后,主机厂会确定一个零件做生产性验证,以检验材料是否可以满足装车要求。

首件供货:汽车行业最重要的供货要求是材料的稳定性和可靠性。主机厂先给一个或两个非核心内板件让新供应商供货,积累半年左右的稳定供货业绩,才会给新的零件发包或者进一步开启其他难度更高材料的认证。

切换供货:主要是切换料生产、小批量装车、大批量装车、现有供应商库存料消化。

接包供货:主机厂新车型发包通常提前进行,若新供应商材料通过认证就赶上新车型发包并且顺利拿到发包,最少也要等1～2年后新车型投产才能开始批供。若错过发包节点,只能等下一个用铝车型发包。

南山铝业板带事业部目前供货和认证的有:国际某知名新能源车主机厂、蔚来汽车、广汽埃安、北汽新能源、华晨宝马、上汽通用、东风日产、北京现代、福特汽车、上汽大众、一汽大众、一汽奥迪、一汽红旗、一汽丰田、理想汽车、长城汽车、东风岚图、捷豹路虎、戴姆勒、沃尔沃、吉利汽车、Rivian、赛力斯、斯巴鲁等主机厂,2021年上半年实现月供货量突破万吨,目前供货量是国内最大的汽车板供应商。

4 市场服务

产品投放市场后,随着南山铝业汽车板在国内和国外市场份额增长,还需要对产品从机理研究、应用性研究和EVI(Early Vender Involvement)支持提供服务,保证汽车板产品在主机厂的高效应用。

4.1 汽车板机理研究

南山铝业不但有自己的有色材料研究院还跟国内外多所高校合作,为汽车板机理研究提供支持。

汽车板前期成分设计、加热工艺、轧制工艺、固溶时效,都需要从机理上把性能、组织、织构和表面处理研究清楚,每一个工序的工艺窗口都要试验出来,确保产品技术指标在受控的范围内。一些技术指标相互制约,需根据每一个主机厂的材料应用变形程度和使用要求,来设计生产时的各项工艺参数。

4.2 应用研究

南山铝业不仅与中国汽车工程研究院合作,还跟中科院下属一些材料研究所合作,同时也跟国内外一些大型的第三方实验室合作,为应用性研究提供支持。

生产出合格的汽车板,需要做不同的应用性研究,如焊接类的电阻点焊、激光焊;铆接类的自冲铆接、流钻螺钉、无铆钉铆接、实心铆接;胶接类的减震胶、密封胶、折边胶;腐蚀类的晶间腐蚀、丝状腐蚀、剥落腐蚀,结痂腐蚀等。只有先把这些应用研究搞清楚后才能更好地服务于各主机厂。

4.3 EVI支持

根据包装材料的市场技术服务经验,南山铝业汽车板市场技术服务已经成功导入EVI(供应商的先期介入)。有汽车主机厂的区域就有EVI技术支持团队,确保每一个主机厂在使用南山铝材的时候,能得到及时的服务。国外的资深专家不定期地对南山铝业的EVI支持团队进行培训提高团队的业务能力,以便更好地为主机厂服务。

5 结束语

南山铝业作为我国铝加工高端企业中的“龙头”,其汽车板产品研发较其他产品晚,但依托企业先进的设备和技术储备以及市场占有率最大的包装材料生产经验,为汽车板的研发、生产、过程控制提供了支持。南山铝业的汽车板在短时间内就获得了主机厂的认证,并形成批量供货。但南山铝业在汽车板生产方面要在国际铝加工行业中做大、做强还有很长的路要走,需要向国际先进铝加工企业对标,缩短差距,提高竞争优势。