我國大型鑄鋼件生產(chǎn)的現(xiàn)狀與關鍵技術

1、我國大型鑄鋼件生產(chǎn)的現(xiàn)狀與關鍵技術大型鑄鋼件的制造業(yè)是國家裝備制造的基礎行業(yè)，其發(fā)展水平是衡量一個國家綜合國力的 重要標志。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 核電設備中的不銹鋼主泵泵體、汽輪機缸體，水電機組的轉輪、葉片、上冠、下環(huán)，火電 機組中的汽缸體件，大型冶金設備中的軋機機架、車L輾、大型軸承座等。這些大型鑄鋼件的制造直接關系到國家重點工程項目的質量、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1.1我國大型鑄鋼件生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)狀我國的大型鑄件生產(chǎn)企業(yè)有 30多家，大部分是國有大中型企業(yè)。目前能夠生產(chǎn) 200 t級以上鑄鋼件的只有一

2、重、二重等少數(shù)幾個廠家。整個 行業(yè)的產(chǎn)品主要供給國內市場，很少一部分出口。品種主要為電站、冶金部件和石油化工 設備、船用設備、礦山設備以及航空航天設備用大型鑄件廣品。在過去的10年中，國內一些企業(yè)如一重、二重等在大型鑄件領域開展了大量研發(fā)和探 索工作，取得了一批具有國際先進水平且擁有自主知識產(chǎn)權的成果。如研制成功300 MW核電大刑鑄鍛件、550 MW水輪機組成套大型鑄鍛件等。目前，我國可以生產(chǎn)的最大普通碳鋼 鑄鋼件為450 t ,不銹鋼鑄件為180 t;具有一次性生產(chǎn) 700 t級鋼液、一次性澆注單重 500 t級鑄鋼件、400墩優(yōu)質鑄鋼件的能力。雖然我國大型鑄鋼件的生產(chǎn)取得了長足的進步，在

3、生產(chǎn)能力上甚至步人世界前列，但 在鑄件產(chǎn)品品質上存在明顯的不足，尤其是一些高端產(chǎn)品難以滿足國內市場的需求，高端 鑄件還依賴于進口。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)和葉片鑄件的毛坯基本全部從國外進口。在三峽左岸機組的轉輪制造中，一重和二重都嘗試澆鑄了 相關鑄件，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 和上冠鑄件澆注成功，并已經(jīng)用于左岸機組。但是由于還沒有很好掌握鑄件的變形規(guī)律，鑄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，要么出現(xiàn)殘 缺（缺肉），造成焊補量大。如葉片是空間曲面形狀，要求5軸聯(lián)動機床加工，由于加工余量過大

4、，加工一片的周期為半月，每臺水輪機轉輪需要13或15片葉片，因此加工能力根本不能滿足生產(chǎn)需要。三峽右岸機組12臺中，東方電機和哈爾濱電機股份有限公司各中標4臺。在水輪機組和發(fā)電機組方面我國企業(yè)已經(jīng)掌握了設計和制造技術，但是其中大型鑄鍛件的生產(chǎn)技術我國還沒有或未完全掌握。另一方面，在進口國外高端鑄件過程中，發(fā)達國家不轉讓大型鑄件生產(chǎn)技術，即高端大型鑄件方面我們仍然受制于（外國）人。1.2與國外先進企業(yè)的整距與工業(yè)發(fā)達國家相比，目前我國大型鑄鋼件生產(chǎn)在產(chǎn)品品種、工藝水平、質量等級以 及制造裝備等整體水平方面均存在著較大差距。在大型核電設備中。主泵、核電汽輪機缸體等大型鑄鋼件多采用不銹鋼材料，其質量

5、 要求極高，我國尚未掌握自主生產(chǎn)技術，基本全部依賴進口。主要差距表現(xiàn)為：我國企業(yè)沒有掌握這類大型不銹鋼鑄件整體鑄造工藝及技術；對材料冶煉中化學成分控制，特別是 有害微量元素控制以及鋼的純度控制水平不高；在材料力學性能控制及鑄件質量的穩(wěn)定 性控制等方面均存在差距。大型水電機組中的代表性鑄鋼件是轉輪的上冠、下環(huán)和葉片。這些鑄件的質量好壞直 接影響整個水輪發(fā)電機組的使用性能一機組出力、效率、空蝕和穩(wěn)定性等。與國外先進企 業(yè)相比，國產(chǎn)轉輪的差距主要表現(xiàn)在：產(chǎn)品設計水平不高；制造技術水平低，如在鑄造 技術、熱處理技術等方面存在較大差距：鑄件產(chǎn)品質量穩(wěn)定性不高，尺寸檢驗、質量檢測 技術水平低。由于上述一些

6、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 量成本等綜合指標上低于國外的先進企業(yè)，綜合能力比先進國家落后約5 10年。2我國大型鑄鋼件生產(chǎn)的發(fā)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進，也給我國大型鑄鋼件行業(yè)帶來了 更為廣闊的市場前景。2.1國內市場器求僅水電行業(yè)，我國在“ 一五”和未來巧年將有巨大的發(fā)展，70萬kw機組面臨著巨大需求。長江三峽工程右岸需要12臺70萬kW水輪機組，地下電站需要 6臺；已經(jīng)開工

7、的總裝機容量為530萬kW的廣西龍灘水電站，裝機總容量 1 260萬kW的溪洛渡電站，向家壩 電站等，金沙江和黃河上游等還將需求32臺以上70萬kW特大型機組。國務院批準的悵江流域綜合利用規(guī)劃簡要報告表明，以溪格渡建設為開端，金沙江中下游將規(guī)劃興建梯級 電站12座。今后2030年是我國水電開發(fā)的黃金時期，預計到2010年水電裝機容量將由1.1億kW發(fā)展達到1_6億kW, 2020年水電裝機容量達到 2.7雀弘W 據(jù)專家估計，未來十五年 我國將需要上百臺 70萬kW水輪機組。這就需要上百件水輪機上冠、下環(huán)鑄件、上千片水 輪機葉片。寸為 5.2 mx3.6 mx1.28 m ，重I6t;下環(huán)外徑1

8、0.3 m,高2.59 m，重104 t ,如 圖2所示。url=/amtoverview/Article68427.htm圖1.重430t的三峽水輪機轉輪Fig.1 Hydraulic turbine tuntter (weight 430 t)圖2直徑10m的三峽水輪機下環(huán)Fig. 2 A Francis turbine band casting超超臨界燃煤發(fā)電技術是目前國際上公認的具有代表性的潔凈煤發(fā)電新技術，具有效率高、 可靠性高、技術成熟、實現(xiàn)國產(chǎn)化生產(chǎn)較快等優(yōu)勢。積極促進超超臨界燃煤發(fā)電機組的應 用，是當前我國發(fā)電結構調整的重要任務和電力工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。我國自行設計、自行制造的

9、第一個百萬千瓦級超超臨界燃煤發(fā)電機組一浙江華能玉環(huán)電廠超超臨界燃煤機組 正在加緊施工建設，之后，我國將又有一批這樣的發(fā)電機組投人建設。而這里大型、耐高壓、高溫的缸體鑄件也是關鍵零件之一，必須主要依靠我國自己生產(chǎn)。在軋鍋方面，寬厚板軋機的發(fā)展對軋機機架鑄件提出了更大、更高的要求。德國成功鑄造了凈重413 t的世界最大軋鋼機機架，澆注鋼液610 t。二重澆注的寶鋼 5 m軋鋼機機 架鑄件重380 t,鋼液重量達706 t ,其斷面尺寸在1m以上，見圖30隨著我國鋼鐵行業(yè)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。這些領域均為大型鑄鋼件行業(yè)提供了大量的市場需求，同時也對鑄件產(chǎn)品的

10、質量提出了更高的要求。url=/amtoverview/Article68427.htm/url圖3 5m軋鋼機機架鑄件（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)濟的發(fā)展和對環(huán)境的要求，發(fā)達國家部分大型鑄件生產(chǎn)制造的重心已經(jīng)逐漸向 發(fā)展中國家轉移，世界制造業(yè)的加工基地也逐漸向發(fā)展中國家轉移。我國的重型機械大型 鑄鍛件制造業(yè)在技術與市場方面與世界不斷接軌，憑借著不斷提高的技術實力和相對較低 的勞動力成本，使我國在大型鑄件中的轉包生產(chǎn)和分包生產(chǎn)的外貿任務量不斷擴大。國外 一些特大型制造企業(yè)都逐步在中國實施轉包生

11、產(chǎn)計劃，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)濟的發(fā)展，對冶金、電站設備的需求量越來越大，對中國的訂單也日益增多。目前，我國應該盡快縮小在產(chǎn)品質量、交貨期和價格上與國際先進企業(yè)的差距，發(fā)展技術含量高、附加值高的出口產(chǎn)品，提高產(chǎn)品在國際市場上的竟爭力。3大型鑄鋼件生產(chǎn)中的關鍵技術大型鑄鋼件大多為重大技術裝備中的主要承載件和支撐件，鑄件尺寸巨大，形狀復雜，截面厚薄懸殊口這類鑄件常處于高溫、高壓工作狀態(tài)，對其性能及質量要求非常嚴格，尤其對高溫性能要求更加嚴格。鑄件從小做到大，不是簡單的仿制和機械式的放大；使用條件和使用環(huán)境對其

12、力學性能、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)過程是一個復雜的系統(tǒng)工程，生產(chǎn)滿足國內需求的 高精尖產(chǎn)品必然涉及到眾多新材料、新工藝、新技術，其制造過程中的關鍵技術也必然涉及到材料加工過程中的眾多領域和方面。3.1金屬材料冶煉技術核電、水電、火電及冶金設備等領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 分的精確控制技術，雜質及有害元素去除技術，真空凈化除氣技術等對保證大型鑄鋼件的 性能有著重要的作用。當前大型鑄鋼件制造技術的發(fā)展，無論是國內還是國外都在向高純 度

13、鋼液獲得技術發(fā)展。大型鑄鋼件生產(chǎn)中，鋼液的冶煉基本淘汰平爐設備，主要發(fā)展電爐， 特別是發(fā)展高功率直流電弧爐，并積極推廣應用爐外精煉和真空處理技術等進行二次精煉。精煉操作是提高鑄件優(yōu)質鋼液的關鍵工序，同時精煉工序的科學控制又是保證澆注順 利關鍵環(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)中廣泛應用的一系列爐外精煉技術如LF（鋼包）爐法、RH爐法、VD爐法等普遍為一些大型重機廠所采用。采用這些設備可以有效脫碳、脫硫、去除鋼液中的H , 0 , N等氣體雜質，實踐表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

14、（30-40）x10 。例如馬鋼機制公司在熱軋、冷軋雙板軋機機架 的生產(chǎn)過程中，鋼液的冶煉采用轉爐+LF或srcF爐精煉，通過確定合理的精煉工藝，在熔煉過程中一次性提供足夠的精煉鋼液，最終確保澆注鋼液的成分、溫度，尤其是鋼中及全一鋁含量均滿足要求，熱軋機架滿足德國DIN1681標準，冷軋機架滿足日本_JISG5101標準。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，脫碳非常困難，因此對于這類合金的精煉通常需采用特殊的方法，現(xiàn)階段、VOD度空吹氧脫碳）法和AOD佻氫氧脫碳）法，已經(jīng)成為最為普遍的不銹鋼精煉工藝。通過這些精煉丁藝可以較好的實現(xiàn)不銹

15、鋼冶煉中降碳保銘目的，通過恰當控制丁藝，可以冶煉Cr20%-30% , C+N<=100夕g/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)的連鑄連札、.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、材質的成分控制方面具有優(yōu)勢。目前，我國重機行業(yè)也已擁有一批爐外精煉設備，在生產(chǎn)中發(fā)揮了重大作用是從總的情況來看，一批中小重機廠還沒有精煉設備，有精煉設備的，設備利用率還不高,一些重要的精煉工藝及苴相關技術尚處于發(fā)展階段。電渣熔俺工藝是把電渣重熔精煉號俺件凝固成形（金屬型）兩道工序結合，一次完成俺 件成形的鑄造工藝。所生產(chǎn)的鑄件既有良好的內部質量

16、，又有較高的材質性能。電渣熔鑄導葉主要優(yōu)點是：降低了鑄件中的含硫量（0.007% 0.015%） 及雜質含量，使組織致密, 因而具有較高的韌性、抗疲勞性能及焊接性能；超聲波探傷達到CCH70-3及ASTM A609標準中。3當量1級要求；抗汽蝕性能比普通砂型鑄造提高30% ;毛坯加工余量小,料利用率高，達 78%以上；電渣熔鑄工藝可生產(chǎn)單件重0.1-20 t的電渣熔鑄特種鑄件°近年來，沈陽鑄造研究所已為三峽等幾十個國內外大中型電站提供了水輪機導葉等上萬噸優(yōu)質電渣鑄件產(chǎn)品。但是生產(chǎn)更大型的電渣熔鑄鑄件仍然有許多技術難題需要攻克。3.2鑄造工藝技術大型鑄件生產(chǎn)周期長、工序復雜，一般要經(jīng)歷

17、眾多工序（如圖4所示），合理設置其鑄造過程中各項工藝是決定俺件最終成功俺造的關鍵要素。url=/amtoverview/Article68427.htm或芯:枝嘉明 造型憐勤時 元?爆切到7nE； ITo提，注機械后&性能熱扯建k紂退I伯蛀打*. -wor §ZurlJ圖4大型禱件生產(chǎn)過程圖4大型鑄件生產(chǎn)過程Fig. 4 Production process of heavy casting321造型工藝大型鑄件造型大都采用地坑造型，可以將砂箱置于地坑中，也可以不用砂箱直接在地坑中造型。大型鑄鋼件通常具有厚大斷面和高壓頭，加上鑄件凝固過程中鑄件/鑄型間熱作用溫度局、持續(xù)時間長

18、,易造成鑄件尺寸穩(wěn)定性差和表面粘砂等缺陷。因而大型鑄卒岡件對鑄型的高溫力學性能、型砂材料的抗粘砂能力有極高的要求°目前國內重機行業(yè)用于大型鑄鋼件的造型用砂主要有水玻璃砂（CO 2吹氣硬化和有機醋自 硬化）、制寸月旨自硬時峽喃制寸月旨自硬時、 堿酚醛樹'月旨自 硬時）。水玻璃砂雖然原材'料便宜,但鑄件表面質量差，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)電機等設備所需要的高質量、高精度、高性能鑄件生產(chǎn)的需要;國內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改造。大型鑄鋼件的面砂一般采用銘鐵礦砂等特種砂，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)

19、中銘鐵礦砂與石英砂的分離技術也是一項關鍵性技術。3 2 2.=.澆注工藝、澆注過程控制將直接影響澆注的成敗和鑄件的質量，大型鑄件澆注工藝應滿足大流量、快速平穩(wěn)地充型，實際生產(chǎn)中一些廠家采用多包、多水口同時撓注。澆注技術的關鍵包括：嚴格控制鋼液的澆注溫度和補澆鋼液的溫度；合理采用引流方式，避免引流砂落人型腔內，同時為確保水口開啟的快速順利，加強鋼包的烘烤' 引流砂型的烘烤頃灌裝；控制精煉時間等以及對于多水口開啟步調的一致性也需嚴格控制。對于特大型鑄鋼件，其技術關鍵之一是如何保證鑄件凝固順序和鑄件的充分補縮，這是控制鑄造缺陷、獲得優(yōu)質大型鑄鋼件的重要條件?？紤]到充分補縮，通常需要合理設置冒

20、口，并配合適當?shù)闹羯袄滂F工藝，設計時冷鐵布置' 拄砂層厚度等工藝對控制凝固順序均有較大影響。為提高冒口補縮效果，除盡量用保溫冒口、和高效覆蓋劑外，工藝上還要求補澆冒口U對大型鑄件而言，補澆工藝一方面可以提高冒口補縮效率，另一方面也可以一定程度上解決熔煉能力不足的問題c3.2.3 鑄造收縮對鑄鋼件在鑄型內凝固和冷卻過程中收縮和變形規(guī)律的掌握，也是保證獲得鑄件基本 ,外形輪,廓和尺寸精，度的 項關鍵技術C 其變形規(guī)，律及變形量的大小與合金材.質、鑄件尺寸規(guī)模、型芯材料及鑄件本身結構等多方面因素有關C目前我國企業(yè)對這方面的預測和控制大多仍然依靠經(jīng)驗°總之，大型鑄鋼件鑄造工藝復雜，涉

21、及關鍵技術較多，需要較長時間的技術積累和儲備，同時，也需要引進國外企業(yè)的先進工藝、先進技術進行消化和吸收。33熱處理技術大型鑄鋼件澆注后，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，當鑄件完全冷卻后不可避免地會在鑄件內部產(chǎn)生較大的鑄造應力。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品，嚴重影響了其力學性能。所以，大型鑄件毛坯都需要經(jīng)過適當?shù)臒崽幚矶⌒駽熱處理的目的也表現(xiàn)為兩方面，一是消除成減小鑄造應力，一是改善組織以荻得滿意的力學性能（如強度、硬度、沖擊性能等_）。一般對大型鑄鋼件產(chǎn)品力學性能及其內 部質量要

22、求較高，故通常需要較嚴格的熱處理工藝，常用的熱處理規(guī)范有退火、正火、正火+回火等u3.4計算機模擬技術大型鑄鋼件尺寸大，生產(chǎn)周期長，一般為小批量甚至單件生產(chǎn)C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)值模擬技術在大型鑄件的生產(chǎn)中就顯得尤為重要。事實上國內外在大型鑄件的生產(chǎn)中也廣泛使用數(shù)值模擬技術來指導生產(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、熱處理等過程進行模擬分析，據(jù)有關資料，一個新產(chǎn)品的問題60%以上可以在設計階段消除，國際上90%勺機械產(chǎn)品和裝備都要采用模擬技術分析。大型鑄鋼件的常見缺陷為縮孔縮松、裂紋、殘余應力和殘余變形、偏析等。

23、因此鑄件凝固過程數(shù)值模擬技術也圍繞著這些缺陷的預測,在傳熱、流動、應力、傳質等方面開展研究。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鍵技術組織了科技攻關。并密切結合長江三峽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進行了研究。這些研究在鑄件縮孔、縮松形成機理等方面取得一系列創(chuàng)新性成果。目前，縮孔、縮松的問題通過采用凝固模擬手段并結合經(jīng)驗積累已經(jīng)基本解決°近年來，本文作者所在的課題組在大型鑄件凝固過程應力場模擬方面開展了大量工作。張雷、劉小剛等采用清華大學開發(fā)的有限差分 1有限元集成鑄件熱應力分析系統(tǒng)進行了軋 鋼機機架、軋鋼機橫梁、水輪機葉片等大型鑄件的應力和應變的數(shù)值模擬及熱裂和變形的預測研究，為工廠的生產(chǎn)提供了有價值的科學指導。圖5為劉小剛對二重生產(chǎn)的某整鑄下環(huán)變形情況的模擬計算，模擬中采用接觸單元方法處理鑄柳鑄型的邊男條件，提高了模擬精度，為該鑄件鑄造收縮率等丁藝參數(shù)的確定提供了定量參考c2005年一重集團公司鑄造分廠又就厚壁鑄鋼件中的內裂紋問題與清華大學展開合作，借助數(shù)值模擬手段預測其熱裂紋傾向和變形問題，以優(yōu)化不同丁藝方案，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