军工合金真空自耗炉(VAR)环节的竞争格局,可以从设备与材料两条主线理解:VAR 是高温合金三大熔炼设备之一,与真空感应炉(VIM)、电渣重熔炉(ESR)并列,设备投资较高、产品成本较高,但金属收得率较高,对 Mn、N 等易挥发元素的控制较难。国内高端 VAR 设备与配套合金材料的参与者,主要在航发、燃机等高端领域形成差异化定位。
一、VAR 在熔炼环节中的位置
高温合金的制备大体分为熔炼、铸造、热处理三块,其中熔炼是最关键的环节,作用是消除氧、氮、硫等杂质,从源头提高合金纯净度。VAR 与 VIM、ESR 构成三种主要熔炼方法:只用一种叫单联法,用两种叫双联,三种都用叫三联。三联工艺优于双联,双联优于单联,因此判断一家高温合金企业的工艺水平,可以看它拥有几类设备、能否采用三联法。
从性能对比看,VAR 在活泼元素控制上"容易",在 Mn、N 等易挥发元素上"较难";氢、氧、氮含量低,疏松度低,结晶组织为发达的柱状晶;单位电耗为 0.6-1.0 KW.h/Kg,铸锭表面需扒皮处理。
二、设备与材料的主要参与者
在设备端,真空自耗炉的典型供应方包括德国 ALD 公司、美国 CONSAC 公司等,其设备实体图见于中航上大官网及美国康萨克公司官网等公开来源。
在材料端,国内主要上市公司的高温合金扩产计划中,VAR 是常见配置。例如抚顺特钢的均质高强度大规格高温合金、超高强度钢工程化建设项目,包含新建一台 30 吨真空感应炉和一台 30 吨真空自耗炉;其高温合金、高强钢产业化技术改造项目(1 期)则包含新建五台 12 吨真空自耗炉。西部超导的航空航天用高性能金属材料产业化项目,新增部分 12 吨真空感应炉、12 吨保护气氛电渣炉、12 吨真空自耗电弧炉等生产设备。图南股份、隆达股份亦公布了各自的航空级高温合金扩产计划。
需要说明的是,熔炼设备还能用于推算产能:由于三种工艺路线第一步均使用真空感应炉,真空感应炉决定了企业高温合金产能的上限。
三、需求牵引:航发与燃机
高温合金下游应用中,航空航天领域占比 55%,燃气轮机和石油化工领域占比 33%,工业、汽车及其他合计占比较小。在现代航空发动机中,高温合金用量可占发动机总量的 40%-60%。不同部件对材料要求不同:燃烧室以镍基或钴基高温合金为主,导向叶片主要采用铸造高温合金,涡轮盘则以粉末高温合金为现代高性能发动机的必选材料,涡轮叶片从变形高温合金逐步转向铸造高温合金。这一需求结构,决定了 VAR 等高端熔炼设备与配套材料企业主要围绕航发、燃机领域展开差异化竞争。
常见问题
VAR 相比其他熔炼方式有什么特点?
VAR 属于真空自耗重熔,设备投资较高、产品成本较高,金属收得率较高,氢、氧、氮含量低,铸锭疏松度低、柱状晶发达;但对 Mn、N 等易挥发元素的控制较难,铸锭表面需扒皮。它常与 VIM、ESR 组合使用,形成双联或三联工艺。
如何判断一家高温合金企业的工艺水平?
一个直观方法是看它拥有几类熔炼设备、能否采用三联法——三联优于双联,双联优于单联。此外,由于各工艺路线第一步均使用真空感应炉,真空感应炉也常被用来推算企业的高温合金产能上限。
高温合金主要用在哪些领域?
航空航天是最大下游,占比 55%;燃气轮机和石油化工占 33%;工业、汽车及其他合计约 12%。在航空发动机中,高温合金用量可占发动机总量的 40%-60%,涡轮盘、叶片、燃烧室、导向叶片等热端部件是主要应用部位。