高温合金行业专题研究:供给能力和企业分析.docx
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1、高温合金行业专题研究:供给能力和企业分析1、高技术壁垒的高温合金制备行业1.1 高温合金的主要熔炼设备:VIM、ESR、VAR高温合金采用特种熔炼方法制备,冶炼方法较多,既可以用电弧炉 (EFM)、感应炉(IM)或真空感应炉(VIM)进行一次熔炼,也可 以用电渣炉(ESR)或真空自耗炉(VAR)进行二次熔炼或三次熔炼。 如何选择工艺路线,主要是根据高温合金的成分特点:合金化程度低, 可以选用大气下电弧炉或感应炉熔炼,或者再进行电渣重熔或真空自 耗重熔;如果合金化程度很高,通常都采用真空感应炉熔炼,然后再 经真空自耗炉或电渣炉进行二次或三次熔炼。高温合金熔炼技术在 20 世纪 5060 年代取得
2、重大进展,形成了目前国内外较为成熟的真空感 应熔炼、电渣重熔和真空自耗电弧熔炼等生产工艺。高温合金的成分和杂质含量与其性能有密切的关系,而它们的成分与 杂质含量又与其冶炼工艺息息相关,因此,选择正确的冶炼工艺是保 证耐热钢和高温合金具有高性能的重要手段。1.2 高温合金的熔炼工艺:持续探索、优中选优熔炼是高质量高温合金制备的关键环节。高温合金母合金的质量会直 接影响到后续的处理工艺,对高温合金产品最终的性能表现形成重要 影响。在成分一定的条件下,需要选择适当的生产工艺,控制合金的 偏析、纯净度等,最终才能制备得到符合性能要求的高温合金制品。 国内外高温合金的熔炼方法包括单联、双联和三联工艺,联
3、用越多, 成品质量越好,但工艺复杂且成本会更高。变形高温合金可以单联,也可以用双联、三联的方法生产。铸造高温 合金母合金主要采用真空感应熔炼。粉末高温合金母合金方面,俄罗 斯粉末高温合金采用 VIM 或 VIM VAR 双联熔炼工艺;美国粉末高温合金采用 VIM ESR VAR 三联熔炼工艺;我国粉末高温合金 的熔炼工艺基本采用 VIM 单联工艺。1.3 高温合金的制备工艺:千锤百炼、锻铸精品变形高温合金的制备工艺主要包括熔炼、铸锭开坯与锻造、锻轧、热 镦、冷轧、冷镦、冷拔和热处理等方法,制成棒材、锻件、环形件、 板材、管材、带材和丝材等形式的产品,上述产品进一步采用锻造、 机加工、焊接、冲压
4、成形等工艺方法制备成最终的零件。铸造高温合金母合金是合金原材料经过精炼后,成分精确的初级合金 材料,是铸造高温合金和变形高温合金制备的前置产品。母合金重熔 浇筑获得的铸造高温合金,主要用于制备形状比较复杂的产品,如采 用冷却技术的空心叶片,内部型腔复杂,只能采用精密铸造工艺才能 生产。粉末高温合金是一种新型高温合金,一般是将高合金化、难变形的高 温合金用各种方法制成粉末,然后采用热等静压或热挤压等方法进一 步制成坯料,最后制成涡轮盘。2、国内熔炼设备以进口为主,自产设备与国外相比有一定差距2.1 真空感应炉自 1916 年 Wilhelm Rohn 第一次用真空感应熔炼炉熔炼出金属后,真 空熔
5、炼设备与技术已有很大发展,可以生产容量为 1kg(甚至几十克) 至 60 吨(甚至更大)的真空感应熔炼炉。1923 年德国采用 4 吨容量 的真空感应熔炼炉制备 Ni、Co 高温合金,开始了 VIM 设备的工业化 应用。我国于 1956 年进口了 2 台 10kg 级真空感应熔炼炉,并开始开 展高温合金研究。目前国内高温合金专业化冶金厂及相关企业在用的各种容量真空感 应熔炼炉近千台。例如,抚钢安装有 1 吨、3 吨、12 吨真空感应熔炼 炉,正在采购 30 吨真空感应熔炼炉;宝钢特钢的 VIM 设备容量包括 150 千克、1 吨、6 吨、12 吨;攀钢集团长城特钢有 6 吨真空感应熔 炼炉。科
6、研院所如北京航材院的 VIM 设备容量有 500 千克、1 吨、2 吨;钢研总院设备容量为 500 千克、2 吨等。近年一些新兴高温合金 企业如中航上大(1 吨、4 吨、6 吨)、中航钛业(500 千克、2 吨)、 无锡隆达(3 吨)等,都采购安装了先进的真空感应熔炼炉。其中, 一些容量较小(1015 千克)的真空感应熔炼炉多用在航空发动机厂, 主要用于制备小型高温合金铸件(如航空发动机叶片、结构件等)。 目前,国内设备厂家在真空感应熔炼炉制备方面技术较成熟,与国外 差距相对较小。2.2 电渣炉我国抚钢安装有吨、3 吨、15 吨电渣炉,正在采购 30 吨电渣炉; 宝钢特钢有 1 吨、3 吨、4
7、 吨、7 吨、15 吨、20 吨容量的电渣炉;长 钢有 5 吨容量的电渣炉;一些新兴企业如中航上大、中航钛业等都安 装了先进的数吨级的保护气氛电渣炉。此外,浙江电渣核材有限公司 成功安装了一台用于核电站大型构件制备的 130 吨级电渣炉。我国上 海重型机器厂的 450 吨级的电渣炉是世界较大的电渣炉。目前 ALD 公司为德国萨尔钢厂建造的 165 吨电渣炉是国外容量最大的电渣设备。2.3 真空自耗炉目前,我国抚顺特钢安装有 2 吨、3 吨、6 吨、18 吨真空自耗炉,正 在采购进口的 30 吨真空自耗炉;宝钢特钢有 150 千克、1 吨、6 吨、 12 吨真空自耗炉;攀钢集团长城特钢有 20
8、吨真空自耗炉;国内一些 高温合金新兴企业如中航上大、中航钛业等已安装了数吨级的进口真 空自耗炉。近年来,真空自耗炉的先进技术包括熔滴凝固控制成形技 术、同轴供电技术、动态实时称重控制技术等。目前国内真空自耗炉 的制备技术水平与国外相比仍有差距,存在自动控制软件编制、精密 称重系统设计等难题,这也是国内变形高温合金厂家多从 ALD 公司 或 CONSAC 公司进口设备的原因。2.4 国内外高温合金冶炼设备主要生产厂家目前国内外有数百家高温合金熔炼设备制造商,比较著名的设备商包 括德国 ALD 真空工业股份公司(ALD 公司)、美国应达集团的 CONSARC(康萨克)公司、奥地利因泰克(INTEC
9、O)公司等。德国 ALD 公司发展历史悠久,期间经历了多次更名,从 1916 年以德 国 HARAEUS(海拉斯)公司为起源,进入高温合金冶金领域,1930 年更名为 LEY-BOLD(莱宝)公司,1994 年采用 ALD 名称并沿用至 今,是当今世界最主要的真空熔炼设备生产商之一。美国康萨克(Consarc)公司是美国应达(Inductotherm Group)集团 下属子公司。应达集团是世界上最大的开发高性能金属和合金熔化与 加工技术的公司之一。当前,全球超过一半的真空或可控气氛熔炼炉 都是康萨克公司生产的。通过设备引进,短时间内我国变形高温合金冶金厂的熔炼装备达到了 国际先进水平,但是自
10、主研制熔炼设备特别是控制系统软件的设计等 方面与国外设备厂商还有差距。此外,国内熔炼出的高温合金材料虽 然能够满足使用需求,但是始终与国外材料在冶金质量和性能上有一 些差距,集中体现在夹杂物含量较高、成分控制波动范围宽、冶金缺 陷出现概率高、棒材内部残余应力大等方面。3、当前国内高温合金产能约1.6万吨,需求推动产能提升3.1 国内主要企业产能难以满足需求国内目前从事高温合金生产的企业数量有限,主要包括特钢生产企 业、科研院所及相关企业、少量民企等。特钢生产企业以抚顺特钢、 宝钢特钢、长城特钢等企业为代表,以量大易规模化生产的高温合金 产物为特点,产品以变形高温合金为主;科研院所及相关企业以中
11、科 院金属所、北京航材院、钢研高纳为代表,其特点为产品覆盖面广、 部分具有生产柱晶/单晶等高温合金的技术水平与研发能力。民企数量 较少,如图南股份、隆达股份等,凭借各自特色与优势成功进入了高 温合金行业。经统计,目前国内高温合金产能约为 1.6 万吨。3.2 产能估算方法及实例真空感应炉是当前高温合金主流熔炼方法的第一步,真空感应炉的产能直接影响高温合金的产能,当前我国高温合金生产的主要瓶颈是真 空感应炉产能不足,按照真空感应炉产量进行产能估计具有较高的准 确性。真空感应炉装满料熔炼成感应锭的出材率按照 90%估计,感应 锭经锻造、机加形成棒状坯料按照 70%估计成材率。高温合金材料 学中记录
12、的 6T 真空感应炉制备 G4698 合金的熔炼时间为 13 小时, 据此推算一年熔炼的炉数。考虑设备检修、人员正常休息时间,按照 工作日每日一炉进行估算,即年生产炉数 250 炉。以隆达股份为例:截至 2020 年 12 月 31 日,隆达股份主要熔炼设备 为 1 台 2.5 吨康萨克真空感应炉、1 台 8 吨康萨克真空感应炉。根据 估算,隆达股份现有产能 2363 吨,与公司公告中的 2000 吨现有产能 基本相符。再以西部超导为例:截至 2019 年 12 月 31 日,西部超导主要熔炼设 备为 1 台 8 吨真空感应炉、1 台 3 吨真空感应炉。根据估算,西部超 导当时产能 2475
13、吨,与公司公告中的 2600 吨产能基本相符。3.3 国内主要企业产能提升情况面对日益增长的高温合金需求,国内主要高温合金上市公司均制订了 产能提升计划。预计到十四五末,我国高温合金总产量或可达 3.8 万 吨/年。 美国变形高温合金年产量约 4 万吨,按照变形高温合金占比 70%估算, 美国高温合金年产量约为 5.7 万吨。国内高温合金产能与美国相比仍 有较大差距。4、高温合金冶炼企业数量逐渐增多,产能不断扩充高温合金冶炼企业主要包括抚顺特钢、宝武特冶、长城特钢等为代表 的特钢生产企业,中科院金属所、北京航材院、钢研高纳为代表的科 研院所,近年来,民营企业通过与科研院所合作等方式开始进入高温
14、 合金冶炼产业,如图南股份、隆达股份、山东瑞泰等,高温合金冶炼 企业数量逐渐增多,不少企业通过定增等方式募资进行扩产,国内高温合金产能得到不断扩充。4.1 抚顺特钢:国内变形高温合金龙头,已开始大规模扩产公司作为老牌特钢生产企业,是我国高温合金产品的主要供货商。抚 顺特钢曾是东北特钢集团旗下最重要的生产基地之一,是中国国防军 工、航空航天等领域特殊钢材料的生产研发基地。公司以特殊钢和合 金材料的研发制造为主营业务,主要产品“三高一特”即合金结构钢、 工模具钢、不锈钢和高温合金。目前,抚顺特钢高温合金在航空航天 市场占有率高达 80%以上,超高强度钢在航空航天市场占有率高达 90% 以上,其高温
15、合金产品主要以锻材、轧材、板材等形式的变形高温合 金为主。2020 年,公司实现营业收入 62.72 亿元,其中高温合金营收为 11.6 亿元,占比 18.5%;毛利方面,公司 2020 年毛利为 13.8 亿元,其中 高温合金业务贡献毛利 4.68 亿元,占比 34%,是公司主要的利润来源 之一。2020 年,公司共生产高温合金 5500 吨,平均单价 19.94 万/吨,2021 年前三季度生产高温合金 4500 吨,同比基本持平,平均单价为 21.88 万/吨。随着抚顺特钢高温合金新建产能的逐步达产,公司高温合金 营业收入有望保持较快增长。4.2 钢研高纳:具备生产国内 80%以上牌号高
16、温合金的技术和能力, 向 PCC 看齐钢研高纳具备生产国内 80%以上牌号高温合金的技术和能力,主要从 事高温合金、高均质超纯净合金、铝(镁、钛)合金材料及制品的研 发、生产和销售,产品主要服务于航空、航天、船舶等领域以及燃机、 石化等部分民品领域,工艺覆盖铸造、变形、粉末等制备技术。公司营收与净利润稳步提升,营收以铸造高温合金为主,新型高温产 品逐渐发力。2021 年 1-9 月,公司实现营业总收入 14.25 亿元,归母 净利润 2.53 亿元,同比上涨 33%与 95%。营收结构方面,2021H1,铸 造高温合金产品占公司营收的主要部分,变形高温合金、新型高温合 金次之。公司以“成为国内
17、乃至国际航空、航天、石化市场铝、镁、钛、高温 合金铸造产品的龙头企业,在国际上逐步成为与美国精密铸件公司 (PCC)具有同样竞争力的国际知名企业”为战略目标,保持并提升 国内航空、航天、燃机用变形高温合金、粉末高温合金、金属间化合 物等新型高温合金盘锻件产品的龙头和技术领先地位,逐步成为国内 3D 打印高温合金粉末材料、特种镍基板、管、丝、带材料及制品的产 业基地。4.3 图南股份:兼具铸造和变形高温合金能力,航发大型复杂薄壁结 构件重要供应商图南股份是国内少数能同时批量化生产变形高温合金、铸造高温合金 (母合金、精密铸件)产品的民营企业之一。图南股份前身丹阳市精密 合金厂于 1991 年 5
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