王云飛

(洛陽有色金屬加工設(shè)計研究院，河南洛陽471039)

鋁的密度約為鋼的1/3，可使車輛部件減重提高到50%(在所替換的鋼的強(qiáng)度和鋁合金強(qiáng)度相當(dāng)條件下)，通過加入適量的合金元素、結(jié)合適當(dāng)?shù)奶幚頎顟B(tài)可獲得良好的強(qiáng)度性能，而且由于鋁的表面易氧化形成致密而穩(wěn)定的氧化膜，所以耐蝕性好。鋁還具有加工性好、減震性好、壽命周期成本低等優(yōu)點(diǎn)，是軌道車輛輕量化實現(xiàn)節(jié)電、高速運(yùn)行的重要途徑之一，是鋼制車體的理想替代材料。

1 國內(nèi)軌道車輛鋁型材生產(chǎn)現(xiàn)狀

目前世界上生產(chǎn)軌道車輛用鋁型材的國家有法國、德國、瑞典、日本、中國等，產(chǎn)量較大的企業(yè)有日本輕金屬擠壓公司(KOK)、瑞典薩帕集團(tuán)(Sapa)、力拓－加拿大鋁業(yè)公司、德國科魯斯公司(Corus)、吉林麥達(dá)斯鋁業(yè)有限公司等。這類企業(yè)都裝備有軌道車輛用鋁型材擠壓機(jī)及相關(guān)配套設(shè)施，同時這些地區(qū)也是鋁合金專用型材應(yīng)用最為廣泛和發(fā)展最為迅速的地區(qū)。

目前軌道車輛用鋁型材只有擠壓力在50MN以上的大型擠壓機(jī)才能生產(chǎn)，據(jù)統(tǒng)計，全世界共有50MN以上的大型鋁擠壓機(jī)77臺，其中中國28臺、美國18臺、俄羅斯11臺、歐洲12臺、日本6臺、韓國2臺。擠壓力50MN～80MN的61臺、擠壓力81MN～100MN的6臺、擠壓力＞100MN的10臺。

截至2010年底，中國擁有的28臺可生產(chǎn)軌道車輛用鋁型材的大型擠壓機(jī)分布在15家企業(yè)，總擠壓力為2020MN，可年產(chǎn)軌道車輛用鋁型材約16萬噸。在這些擠壓機(jī)中，吉林麥達(dá)斯鋁業(yè)有限公司、山東叢林鋁材有限公司、忠旺集團(tuán)鋁材公司、西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司、國鑫鋁業(yè)股份有限公司各有1臺擠壓力在100MN以上(含100MN)的擠壓機(jī)，其他企業(yè)擠壓機(jī)的擠壓力則在50－95MN之間。

目前國內(nèi)有9臺在建大型擠壓機(jī)，總擠壓力為790MN，在這9臺擠壓機(jī)中，已有部分完成安裝或鑄錠供應(yīng)工作，今明兩年將進(jìn)入生產(chǎn)運(yùn)行。國內(nèi)已建及在建大型擠壓機(jī)分布見表1。

表1 中國大型擠壓機(jī)分布

企業(yè)名稱 擠壓力(MN) 企業(yè)名稱 擠壓力(MN) 50興發(fā)鋁業(yè)有限公司 60 愛勵鋁業(yè)(天津)有限公司忠旺集團(tuán)鋁材公司 55 南山鋁業(yè)股份有限公司50南平鋁業(yè)有限公司 55 東北輕合金有限責(zé)任公司50中鋁西北鋁 50 金橋鋁型材有限公司56 12560西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司80 亞洲鋁業(yè)集團(tuán)50國鑫鋁業(yè)股份有限公司100 利源鋁業(yè)有限公司60 55 湖南晟通鋁業(yè)公司75在建大型擠壓機(jī)90×2 150忠旺集團(tuán)鋁材公司 兗礦集團(tuán)有限公司75×2 80 55南山鋁型材有限公司吉林利源鋁業(yè)公司100 75

據(jù)統(tǒng)計，2010年我國軌道車輛用鋁型材產(chǎn)量約4萬噸，在這些可生產(chǎn)軌道車輛用鋁型材的企業(yè)中，只有吉林麥達(dá)斯鋁業(yè)有限公司、山東叢林鋁材有限公司、愛勵鋁業(yè)(天津)有限公司和南山鋁業(yè)股份有限公司4家企業(yè)獲得鐵道部使用認(rèn)證資格，其他企業(yè)則因擠壓工藝復(fù)雜、生產(chǎn)過程控制難度大而難于提高成品率以進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)。吉林麥達(dá)斯鋁業(yè)有限公司由于與鐵道部合作較早且生產(chǎn)專業(yè)化，占有國內(nèi)軌道車輛用鋁型材市場約80%的份額。

目前國內(nèi)軌道車輛用鋁型材產(chǎn)量不到大型擠壓機(jī)總產(chǎn)能的30%，而日本輕金屬擠壓公司(KOK)1臺95MN重型擠壓機(jī)年生產(chǎn)軌道車輛用鋁型材能力在1萬噸左右，除供給本國使用外，還出口國際市場。這說明生產(chǎn)軌道車輛用鋁型材并不需要頂尖的設(shè)備，但對工藝技術(shù)水平、配套設(shè)備、管理水平等要求較高。

2 軌道車輛用鋁型材的需求

2.1 鋁合金型材在軌道車輛上應(yīng)用

國外很早開始制造鋁合金車輛，鋁合金車體在高速動車組中已得到廣泛應(yīng)用。

多數(shù)高速鐵路客車時速在200－300公里之間，少數(shù)列車則更快，這對車體制造工藝和材料選用提出了很高要求。龐巴迪、阿爾斯通、西門子、川崎等企業(yè)為適應(yīng)列車高速運(yùn)行，特別重視客車結(jié)構(gòu)的輕量化，廣泛采用大截面鋁合金型材制造客車車體以減輕自重。

日本、法國、德國三國在高速鐵路發(fā)展領(lǐng)域保持領(lǐng)先。日本新干線高速動車組、德國ICE系列高速動車組、法國TGV雙層高速動車組均采用了鋁合金車體，它們是當(dāng)前技術(shù)最先進(jìn)、運(yùn)行最安全的高速列車代表。

鋁材在軌道車輛車體應(yīng)用設(shè)計時，必須滿足強(qiáng)度、剛度和疲勞強(qiáng)度的要求，同時也要考慮制造過程中焊接和加工的可行性。目前，鋁合金車體設(shè)計中一般采用6000和7000系的鋁合金材料。鋁合金車體地板及地板邊梁、側(cè)墻、車頂、端墻都采用6000系鋁合金型材，而牽引梁、枕梁、緩沖梁采用7000系的7005鋁合金型材。鋁型材在軌道車輛上的應(yīng)用見圖1。

圖1 鋁合金車體結(jié)構(gòu)

為減少車體焊接數(shù)量和提高制造效率及滿足車輛高速運(yùn)行的需要，對車體用大斷面空心鋁合金型材的機(jī)械性能和斷面截面積有嚴(yán)格的要求(參照德國DIN標(biāo)準(zhǔn))，其機(jī)械性能要求超出普通鋁合金型材的30%;并且能擠壓成鼓形、梯形、矩形等復(fù)雜大斷面(如:970mm×300mm)的中空薄壁超寬(如:﹥500mm)、長(30m－60m)鋁型材。

目前中國城市軌道車輛、城際高鐵、客運(yùn)專線都在采用鋁合金車體。如上海和北京地鐵都同國內(nèi)外知名制造廠簽訂了鋁合金車體協(xié)議;中國設(shè)計的高鐵機(jī)車CRH2、CRH3、CRH5等型號大都采用大型中空鋁合金型材。

2.2 國內(nèi)軌道車輛發(fā)展對鋁型材的需求預(yù)測

到2010年底，國內(nèi)共運(yùn)行鋁合金車體高速動車組470余列，近2年內(nèi)還將有400多列動車組分別由中國南車和中國北車陸續(xù)交貨。

截至2010年，全國有36個城市正在籌備建設(shè)城市軌道車輛，其中28個城市的軌道車輛建設(shè)規(guī)劃已經(jīng)獲得國務(wù)院批復(fù)。2015年前后，北京、上海、廣州等22個城市將建設(shè)79條軌道車輛線路，總長2500多公里，總投資1萬億元。目前上海地鐵的標(biāo)配是7輛/公里，個別線路如上海2號線，平均每公里車輛保有量達(dá)到11.7輛，北京則是8.6輛/公里。而在國外，無論紐約、倫敦還是東京，其每公里的車輛保有量均在11輛以上。若國內(nèi)城市軌道車輛按8輛/公里計算，且上述如期建設(shè)，預(yù)計2011年到2015年間，國內(nèi)城市軌道車輛凈需20000輛，考慮到每輛車用軌道車輛用鋁型材成品率，約需鋁型材11噸，軌道車輛用鋁型材總需求量約22萬噸。

據(jù)鐵道部中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃方案，到2020年將建立省會城市及大中城市間的快速客運(yùn)通道，規(guī)劃“四縱四橫”等客運(yùn)專線以及經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)和人口稠密地區(qū)城際客運(yùn)系統(tǒng)，客運(yùn)專線建設(shè)里程在16000公里以上。按客運(yùn)專線建設(shè)進(jìn)度，2011～2015年共建設(shè)客運(yùn)專線11400公里，運(yùn)行速度全都在200km/h以上，所有車輛全是鋁合金車體。2011年7月之后，國內(nèi)高速鐵路軌道車輛運(yùn)行密度大幅降低，鐵道部采取時速300公里和250公里動車組混跑的模式開行，例如目前運(yùn)行狀況較好的武廣高鐵運(yùn)行密度在1.2～1.4輛∕公里間，鄭西高鐵運(yùn)行密度只有0.3輛/公里，京津城際運(yùn)行密度達(dá)到10.2輛/公里。近期來看，國內(nèi)高速鐵路運(yùn)行速度在保安全的前提下還不會大幅提高，運(yùn)行密度按1輛/公里保守計算，預(yù)計2011年到2015年，國內(nèi)客運(yùn)專線約需高速列車11400輛，考慮到每輛車用軌道車輛用鋁型材的成品率，每輛車約需鋁型材13噸，凈需鋁型材約15萬噸。

中國自主研發(fā)的C80型鋁合金運(yùn)煤敞車主要運(yùn)行在大秦鐵路，目前共需約1.5萬多輛，以每輛用鋁型材4.5噸計算，則需要鋁型材約6.7萬噸以上。除大秦鐵路外，國內(nèi)還有神黃鐵路、候月鐵路等幾條運(yùn)煤專線，估計2011年到2015年間約需要4萬輛，需鋁型材18萬噸。

綜上所述，2011年到2015年間，國內(nèi)凈需軌道車輛用鋁型材約55萬噸，平均年需求量約11萬噸。

3 軌道車輛用鋁型材供應(yīng)能力預(yù)測及分析

軌道車輛車體鋁合金型材，生產(chǎn)難度大，技術(shù)要求高，只有具備50MN以上擠壓機(jī)、專有技術(shù)和人才及相應(yīng)配套設(shè)備的企業(yè)才能生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。我國目前已投產(chǎn)的此類擠壓機(jī)有28臺，而在建的擠壓機(jī)已有部分完成安裝或鑄錠供應(yīng)工作，今明兩年內(nèi)進(jìn)入生產(chǎn)運(yùn)行，5年內(nèi)完全能夠達(dá)產(chǎn)，其總擠壓力為790MN，投產(chǎn)后新增產(chǎn)能約6萬噸，屆時我國軌道車輛車體鋁型材總產(chǎn)能將在22萬噸左右。

今后幾年隨著國內(nèi)大型擠壓機(jī)的投產(chǎn)，有更多企業(yè)進(jìn)入爭奪軌道車輛用鋁合金型材市場，產(chǎn)能釋放后國內(nèi)大擠壓機(jī)總生產(chǎn)能力將是市場年需求量的2倍，可見，國內(nèi)市場激烈競爭已成事實。

［1］Scott Good，Chris Boland，Steve Mosser等.鋁合金在軌道車輛上的應(yīng)用［J］.中國鋁業(yè)，2008，113(5)

［2］胡智敏，王祝堂.改革開放30年:中國成為工業(yè)鋁材大擠壓機(jī)最多的國家［J］.輕合金加工技術(shù)，2010，38(3)

［3］王登文.高速鐵路快速發(fā)展大型鋁合金材料機(jī)遇難求鋁型材企業(yè)蜂擁搶市場［N］.中國有色金屬報，2009－7－23(5)