我國大型鑄鋼件生產(chǎn)的現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)

1、我國大型鑄鋼件生產(chǎn)的現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)大型鑄鋼件的制造業(yè)是國家裝備制造的根底行業(yè)，其進展水平是衡量一個國家綜合國力的重要標(biāo)志。大型鑄鋼件廣泛用于電站、石油化工、冶金、船舶等裝備以及裝備制造業(yè)，如核電設(shè)備中的不銹鋼主泵泵體、汽輪機缸體，水電機組的轉(zhuǎn)輪、葉片、上冠、下環(huán)，火電機組中的汽缸體件，大型冶金設(shè)備中的軋機機架、車L 輥、大型軸承座等。這些大型鑄鋼件的制造直接關(guān)系到國家重點工程工程的質(zhì)量、安全及進度，對于國計民生具有重要的意義。1 生產(chǎn)企業(yè)狀況及與國外的差距我國大型鑄鋼件生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)狀 30200 t個行業(yè)的產(chǎn)品主要供給國內(nèi)市場，很少一局部出口。品種主要為電站、冶金部件和石油化工設(shè)備、船用設(shè)備、礦

2、山設(shè)備以及航空航天設(shè)備用大型鑄件產(chǎn)品。在過去的 10 年中，國內(nèi)一些企業(yè)如一重、二重等在大型鑄件領(lǐng)域開展了大量研發(fā)和探究工作，取得了一批具有國際先進水平且擁有自主學(xué)問產(chǎn)權(quán)的成果。如研制成功300 MW 核電大刑鑄鍛件、550 MW450 t180 t700 t500 t400雖然我國大型鑄鋼件的生產(chǎn)取得了長足的進步，在生產(chǎn)力量上甚至步人世界前列， 但在鑄件產(chǎn)品品質(zhì)上存在明顯的缺乏，尤其是一些高端產(chǎn)品難以滿足國內(nèi)市場的需求，高 端鑄件還依靠于進口。例如，長江三峽一期水電工程左岸14 臺機組中的上冠、下環(huán)和葉片鑄件的毛坯根本全部從國外進口。在三峽左岸機組的轉(zhuǎn)輪制造中，一重和二重都嘗試澆鑄 了相關(guān)鑄

3、件，一重鑄造了一片葉片，二重鑄造了一片葉片、一個上冠和一個下環(huán)。其中葉 片造的毛坯要么加工余量很大(肥頭大耳)，造成工藝出品率低、加工周期長，要么消滅殘 缺(缺肉)，造成焊補量大。如葉片是空間曲面外形，要求5 軸聯(lián)動機床加工，由于加工余量過大，加工一片的周期為半月，每臺水輪機轉(zhuǎn)輪需要13 或 15 片葉片，因此加工力量根 本不能滿足生產(chǎn)需要。三峽右岸機組12 臺中，東方電機和哈爾濱電機股份各中標(biāo)4 臺產(chǎn)技術(shù)我國還沒有或未完全把握。另一方面，在進口國外高端鑄件過程中，興旺國家不轉(zhuǎn)讓大型鑄件生產(chǎn)技術(shù)，即高端大型鑄件方面我們?nèi)耘f受制于(外國)人。與國外先進企業(yè)的整距與工業(yè)興旺國家相比，目前我國大型鑄

4、鋼件生產(chǎn)在產(chǎn)品品種、工藝水平、質(zhì)量等級以及制造裝備等整體水平方面均存在著較大差距。在大型核電設(shè)備中。主泵、核電汽輪機缸體等大型鑄鋼件多承受不銹鋼材料，其質(zhì) 量要求極高，我國尚未把握自主生產(chǎn)技術(shù)，根本全部依靠進口。主要差距表現(xiàn)為:我國企業(yè)沒有把握這類大型不銹鋼鑄件整體鑄造工藝及技術(shù);對材料冶煉中化學(xué)成分把握，特別是有害微量元素把握以及鋼的純度把握水平不高;在材料力學(xué)性能把握及鑄件質(zhì)量的穩(wěn)定性把握等方面均存在差距。大型水電機組中的代表性鑄鋼件是轉(zhuǎn)輪的上冠、下環(huán)和葉片。這些鑄件的質(zhì)量好壞 直接影響整個水輪發(fā)電機組的使用性能機組出力、效率、空蝕和穩(wěn)定性等。與國外先進 企業(yè)相比，國產(chǎn)轉(zhuǎn)輪的差距主要表現(xiàn)在

5、:產(chǎn)品設(shè)計水平不高;制造技術(shù)水平低，如在鑄 造技術(shù)、熱處理技術(shù)等方面存在較大差距;鑄件產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性不高，尺寸檢驗、質(zhì)量檢測技術(shù)水平低。由于上述一些差距的存在，使我國大型鑄件行業(yè)在勞動生產(chǎn)率、熱加工產(chǎn)值產(chǎn)量和質(zhì)量本錢等綜合指標(biāo)上低于國外的先進企業(yè)，綜合力量比先進國家落后約510我國大型鑄鋼件生產(chǎn)的進展趨勢我國國民經(jīng)濟高速增長，對能源、冶金、船舶、石化等工業(yè)提出了巨大的需求，這 也間接對大型鑄鋼件提出了巨大的、高水平的需求。此外，隨著我國三峽工程、西氣東輸、西油東送以及振興東北工業(yè)基地等重要工程的逐步推動，也給我國大型鑄鋼件行業(yè)帶來了更為寬闊的市場前景。國內(nèi)市場器求70kw1270kW6530k

6、W1 260kW壩電站等，金沙江和黃河上游等還將需求3270kW江流域綜合利用規(guī)劃簡要報告說明，以溪格渡建設(shè)為開端，金沙江中下游將規(guī)劃興建梯 1220302022億kW1_6 億kW, 20222.7 雀弘W。據(jù)專家估量，將來十70kW5.2 mx3.6 mx1.28 mI6t10.3 m2.59 m104 t，2url=/amtoverview/Article68427.htm/url1.430tFig.1 Hydraulic turbine tuntter (weight 430 t)url=/amtoverview/Article68427.htm/url210mFig. 2 A Fra

7、ncis turbine band casting超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)是目前國際上公認的具有代表性的干凈煤發(fā)電技術(shù)，具有效率高、牢靠性高、技術(shù)成熟、實現(xiàn)國產(chǎn)化生產(chǎn)較快等優(yōu)勢。樂觀促進超超臨界燃煤發(fā)電機組的應(yīng) 用，是當(dāng)前我國發(fā)電構(gòu)造調(diào)整的重要任務(wù)和電力工業(yè)進展的必定趨勢。我國自行設(shè)計、自 行制造的第一個百萬千瓦級超超臨界燃煤發(fā)電機組浙江華能玉環(huán)電廠超超臨界燃煤機組 正在加緊施工建設(shè)，之后，我國將又有一批這樣的發(fā)電機組投人建設(shè)。而這里大型、耐高 壓、高溫的缸體鑄件也是關(guān)鍵零件之一，必需主要依靠我國自己生產(chǎn)。在軋鍋方面，寬厚板軋機的進展對軋機機架鑄件提出了更大、更高的要求。德國成功413 t610

8、t5 m380 t706 t1m30熱軋、冷軋生產(chǎn)線的不斷投人，這類大型鑄鋼件的需求量也逐步擴大。這些領(lǐng)域均為大型鑄鋼件行業(yè)供給了大量的市場需求，同時也對鑄件產(chǎn)品的質(zhì)量提出了更高的要求。url=/amtoverview/Article68427.htm/url3 5m(380 t)Fig. 3 A heavy mill stand casting(5 m,380 t)2.2 國外市場需求隨著經(jīng)濟的進展和對環(huán)境的要求，興旺國家局部大型鑄件生產(chǎn)制造的重心已經(jīng)漸漸向進展中國家轉(zhuǎn)移，世界制造業(yè)的加工基地也漸漸向進展中國家轉(zhuǎn)移。我國的重型機械大型鑄鍛件制造業(yè)在技術(shù)與市場方面與世界不斷接軌，憑借著不斷提高

9、的技術(shù)實力和相對較低的勞動力本錢，使我國在大型鑄件中的轉(zhuǎn)包生產(chǎn)和分包生產(chǎn)的外貿(mào)任務(wù)量不斷擴大。國外一些特大型制造企業(yè)都逐步在中國實施轉(zhuǎn)包生產(chǎn)打算，如大型火電站的缸體鑄件、大型冶金機械配件、礦山機械用耐磨鑄件等在國外都有比較好的市場。另外，隨著第三世界國家經(jīng)濟的進展，對冶金、電站設(shè)備的需求量越來越大，對中國的訂單也日益增多。目前，我國應(yīng)當(dāng)盡快縮小在產(chǎn)品質(zhì)量、交貨期和價格上與國際先進企業(yè)的差距，進展技術(shù)含量高、附加值高的出口產(chǎn)品，提高產(chǎn)品在國際市場上的竟?fàn)幜?。大型鑄鋼件生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)大型鑄鋼件大多為重大技術(shù)裝備中的主要承載件和支撐件，鑄件尺寸巨大，外形復(fù) 雜，截面厚薄懸殊口這類鑄件常處于高溫、高

10、壓工作狀態(tài)，對其性能及質(zhì)量要求格外嚴格， 件和使用環(huán)境對其力學(xué)性能、物理性能、缺陷等都有更為苛刻的要求，這就為其制造提出 了更高的要求。因此，大型鑄鋼件的生產(chǎn)過程是一個簡單的系統(tǒng)工程，生產(chǎn)滿足國內(nèi)需求 的高精尖產(chǎn)品必定涉及到眾多材料、工藝、技術(shù)，其制造過程中的關(guān)鍵技術(shù)也必定涉及到材料加工過程中的眾多領(lǐng)域和方面。金屬材料冶煉技術(shù)核電、水電、火電及冶金設(shè)備等領(lǐng)域中的大型鑄鋼件使用條件嚴格、性能參數(shù)高， 要求具有優(yōu)良的常溫性能、高溫性能、制造性能和熱處理性能等。大型鑄鋼件金屬冶煉中成分的準確把握技術(shù)，雜質(zhì)及有害元素去除技術(shù)，真空凈化除氣技術(shù)等對保證大型鑄鋼件的性能有著重要的作用。當(dāng)前大型鑄鋼件制造技

11、術(shù)的進展，無論是國內(nèi)還是國外都在向高純度鋼液獲得技術(shù)進展。大型鑄鋼件生產(chǎn)中，鋼液的冶煉根本淘汰平爐設(shè)備，主要進展電爐，特別是進展高功率直流電弧爐，并樂觀推廣應(yīng)用爐外精煉和真空處理技術(shù)等進展二次精煉。精煉操作是提高鑄件優(yōu)質(zhì)鋼液的關(guān)鍵工序，同時精煉工序的科學(xué)把握又是保證澆注 順當(dāng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其主要目的是確保澆注鋼液成分、溫度、時間節(jié)點等滿足澆注要求。目前， 冶金行業(yè)中廣泛應(yīng)用的一系列爐外精煉技術(shù)如LF(鋼包)爐法、RHVDH，0，N等 氣體雜質(zhì)，實踐說明鋼包爐的脫硫率可達60%，成品硫含量可降至 0.005%以下，氫含量可降至 2x10 以下，氧含量降至(30-40)x10。例如馬鋼機制公司在熱軋、

12、冷軋雙板軋機機架的生產(chǎn)過程中，鋼液的冶煉承受轉(zhuǎn)爐+LFsrcF一次性供給足夠的精煉鋼液，最終確保澆注鋼液的成分、溫度，尤其是鋼中及全 鋁含量均滿足要求，熱軋機架滿足德國DIN1681 標(biāo)準，冷軋機架滿足日本JISG5101 標(biāo)準。廣泛用于水輪機鑄件的不銹鋼，在冶煉過程中，往往需要盡可能地降低碳含量，由于不銹 鋼中的Cr 含量高，脫碳格外困難，因此對于這類合金的精煉通常需承受特別的方法，現(xiàn)階段、VOD(真空吹氧脫碳)法和AOD(吹氫氧脫碳)法，已經(jīng)成為最為普遍的不銹鋼精煉工藝。 通過這些精煉工藝可以較好的實現(xiàn)不銹鋼冶煉中降碳保鉻目的，通過恰當(dāng)把握工藝，可以冶煉Cr20%-30%，C+N=100g

13、/g 的超低碳不銹鋼。由于上述的一些鋼液爐外精煉法已普遍用千鋼鐵冶金行業(yè)的連鑄連軋、板坯連鑄的生產(chǎn)中，所以冶金行業(yè)比一般的機械行業(yè)在對大型鑄件用鋼液的精煉、材質(zhì)的成分把握方 但是從總的狀況來看，一批中小重機廠還沒有精煉設(shè)備，有精煉設(shè)備的，設(shè)備利用率還不高，一些重要的精煉工藝及其相關(guān)技術(shù)尚處于進展階段。電渣熔鑄工藝是把電渣重熔精煉與鑄件凝固成形(金屬型)兩道工序結(jié)合，一次完成 鑄件成形的鑄造工藝。所生產(chǎn)的鑄件既有良好的內(nèi)部質(zhì)量，又有較高的材質(zhì)性能。電渣熔 鑄導(dǎo)葉主要優(yōu)點是:降低了鑄件中的含硫量(0.007%-0.015%)及雜質(zhì)含量，使組織致密， 因而具有較高的韌性、抗疲乏性能及焊接性能；超聲波

14、探傷到達CCH70-3 及 ASTM A609 標(biāo)準中3130%78%以上；電渣熔鑄工藝可生產(chǎn)單件重0.1-20 t近年來，沈陽鑄造爭辯所已為三峽等幾十個國內(nèi)外大中型電站供給了水輪機導(dǎo)葉等上萬噸優(yōu)質(zhì)電渣鑄件產(chǎn)品。但是生產(chǎn)更大型的電渣熔鑄鑄件仍舊有很多技術(shù)難題需要攻克。鑄造工藝技術(shù)大型鑄件生產(chǎn)周期長、工序簡單，一般要經(jīng)受眾多工序(如圖 4 所示)，合理設(shè)置其鑄造過程中各項工藝是打算鑄件最終成功鑄造的關(guān)鍵要素。url=/amtoverview/Article68427.htm/url4 大型鑄件生產(chǎn)過程Fig. 4 Production process of heavy casting造型工藝大型

15、鑄件造型大都承受地坑造型，可以將砂箱置于地坑中，也可以不用砂箱直接在/鑄型間熱作用溫度高、持續(xù)時間長，易造成鑄件尺寸穩(wěn)定性差和外表粘砂等缺陷。因而大型鑄鋼件對鑄型的高溫力學(xué)性能、型砂材料的抗粘砂力量有極高的要求。目前國內(nèi)重機行業(yè)用于大型鑄鋼件的造型用砂主要有水玻璃砂(CO2 吹氣硬化和有機醋自硬化)、樹脂自硬砂峽喃樹脂自硬砂、堿酚醛樹脂自硬砂)。水玻璃砂雖然原材料便 宜，但鑄件外表質(zhì)量差，舊砂再生困難，所以難以滿足大型水輪發(fā)電機和火力發(fā)電機等設(shè) 備所需要的高質(zhì)量、高精度、高性能鑄件生產(chǎn)的需要;國內(nèi)一些主要大型鑄件生產(chǎn)企業(yè)已逐步完成使用樹脂砂工藝的技術(shù)改造。大型鑄鋼件的面砂一般承受鉻鐵礦砂等特種

16、砂，這些 原砂比硅砂的價格高出很多。因此，對于舊砂再生系統(tǒng)中鉻鐵礦砂與石英砂的分別技術(shù)也是一項關(guān)鍵性技術(shù)。澆注工藝澆注過程把握將直接影響澆注的成敗和鑄件的質(zhì)量，大型鑄件澆注工藝應(yīng)滿足大流 量、快速平穩(wěn)地充型，實際生產(chǎn)中一些廠家承受多包、多水口同時撓注。澆注技術(shù)的關(guān)鍵 包括:嚴格把握鋼液的澆注溫度和補澆鋼液的溫度；合理承受引流方式，避開引流砂落人型腔內(nèi)，同時為確保水口開啟的快速順當(dāng)，加強鋼包的烘烤、引流砂型的烘烤與灌裝；把握精煉時間等以及對于多水口開啟步調(diào)的全都性也需嚴格把握。對于特大型鑄鋼件，其技術(shù)關(guān)鍵之一是如何保證鑄件凝固挨次和鑄件的充分補縮， 這是把握鑄造缺陷、獲得優(yōu)質(zhì)大型鑄鋼件的重要條件

17、?？紤]到充分補縮，通常需要合理設(shè)置冒口，并協(xié)作適當(dāng)?shù)膾焐袄滂F工藝，設(shè)計時冷鐵布置、掛砂層厚度等工藝對把握凝固挨次均有較大影響。為提高冒口補縮效果，除盡量用保溫冒口、和高效掩蓋劑外，工藝上還要求補澆冒口。對大型鑄件而言，補澆工藝一方面可以提高冒口補縮效率，另一方面也可以肯定程度上解決熔煉力量缺乏的問題。鑄造收縮對鑄鋼件在鑄型內(nèi)凝固和冷卻過程中收縮和變形規(guī)律的把握，也是保證獲得鑄件根本外形輪廓和尺寸精度的一項關(guān)鍵技術(shù)。其變形規(guī)律及變形量的大小與合金材質(zhì)、鑄件尺寸規(guī)模、型芯材料及鑄件本身構(gòu)造等多方面因素有關(guān)。目前我國企業(yè)對這方面的推測和控制大多仍舊依靠閱歷?？傊?，大型鑄鋼件鑄造工藝簡單，涉及關(guān)鍵技術(shù)

18、較多，需要較長時間的技術(shù)積存和儲藏，同時，也需要引進國外企業(yè)的先進工藝、先進技術(shù)進展消化和吸取。熱處理技術(shù)大型鑄鋼件澆注后，鑄件不同部位、外表及芯部等冷卻速度存在很大的差異，砂芯對鑄件冷卻過程中的收縮也有較強的阻礙作用，因此，當(dāng)鑄件完全冷卻后不行避開地會在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生較大的鑄造應(yīng)力。另外，大型鑄件斷面面積大，凝固時速度較慢，通常鑄態(tài)組織為較粗大的柱狀晶，嚴峻影響了其力學(xué)性能。所以，大型鑄件毛坯都需要經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砉ば?。熱處理的目的也表現(xiàn)為兩方面，一是消退或減小鑄造應(yīng)力，二是改善組織以獲得滿足的力學(xué)性能(如強度、硬度、沖擊性能等)。一般對大型鑄鋼件產(chǎn)品力學(xué)性能及其內(nèi)部質(zhì)量要求較高，故通常需要較

19、嚴格的熱處理工藝，常用的熱處理標(biāo)準有退火、正火、正火+回火等。計算機模擬技術(shù)大型鑄鋼件尺寸大，生產(chǎn)周期長，一般為小批量甚至單件生產(chǎn)。因此傳統(tǒng)的試錯法 不再適合于大型鑄鋼件的生產(chǎn)，否則會給企業(yè)帶來巨大的損失。鑄件凝固過程數(shù)值模擬技 術(shù)在大型鑄件的生產(chǎn)中就顯得尤為重要。事實上國內(nèi)外在大型鑄件的生產(chǎn)中也廣泛使用數(shù) 值模擬技術(shù)來指導(dǎo)生產(chǎn)。國外主要生產(chǎn)廠家已經(jīng)普遍使用計算機對鑄錠、鑄造、熱處理等 過程進展模擬分析，據(jù)有關(guān)資料，一個產(chǎn)品的問題60%以上可以在設(shè)計階段消退，國際上90%的機械產(chǎn)品和裝備都要承受模擬技術(shù)分析。大型鑄鋼件的常見缺陷為縮孔縮松、裂紋、 剩余應(yīng)力和剩余變形、偏析等。因此鑄件凝固過程數(shù)

20、值模擬技術(shù)也圍圍著這些缺陷的推測，在傳熱、流淌、應(yīng)力、傳質(zhì)等方面開展?fàn)庌q。早在“八五”和“九五”期間，我國就已對引進的火電機組大型鑄件和核電站機組大型鑄件的關(guān)鍵技術(shù)組織了科技攻關(guān)。并親熱結(jié)合長江三峽70 萬kW 大型水輪機用上冠、下環(huán)、葉片等大型鑄件的材料和鑄造技術(shù)進展了爭辯。這些爭辯在鑄件縮孔、縮松形成機理等方面取得一系列創(chuàng)性成果。目前，縮孔、縮松的問題通過承受凝固模擬手段并結(jié)合閱歷積存已經(jīng)根本解決。近年來，本文作者所在的課題組在大型鑄件凝固過程應(yīng)力場模擬方面開展了大量工作。張雷、劉小剛等承受清華大學(xué)開發(fā)的有限差分t 有限元集成鑄件熱應(yīng)力分析系統(tǒng)進展了軋鋼機機架、軋鋼機橫梁、水輪機葉片等大型鑄件的應(yīng)力和應(yīng)變的數(shù)值模擬及熱裂和變形的推測爭辯，為工廠的生產(chǎn)供給了有價值的科學(xué)指導(dǎo)。圖5 為劉小剛對二重生產(chǎn)的某整鑄下環(huán)變樣子況的模擬計算，模擬中承受接觸單元方法處理鑄柳鑄型的邊界條件，提高了模擬精度，為該鑄件鑄造收縮率等工藝參數(shù)確實定供給了定量參考。2022 年二重集團公司鑄造分廠又就厚壁鑄鋼件中的內(nèi)裂紋問題與清華大學(xué)開放合作，借助數(shù)值模擬手段推測其熱裂紋傾向和變形問題，以優(yōu)化不同工藝方案，現(xiàn)已取得了初步進展。另外，針對鑄件中偏析的數(shù)值模擬也開展了一些爭辯性工作，馬長文等人考慮自由等軸晶移動，模擬了鑄鋼錠內(nèi)的宏觀偏析，模擬出了鑄