可视化热加工技术.doc

可视化热加工技术一、 内容简介热加工是装备制造业的基础，而热加工主要以铸锻为主。我国铸锻件产量从2001年起超过美国成为世界第一，2005年产量达到2400多万吨。其中，东北三省铸锻件产量约占全国的1/7，产值300多亿元。但是在热加工行业，我国不是世界强国。长期以来，我国铸锻件和关键结构件存在两大问题：一是高附加值铸锻件依赖进口，需要解决“有无”问题，如船舶行业的大型船用曲轴，钢铁行业大量使用的大型铸钢支承辊，水电行业大型水轮机转轮不锈钢铸件等，成为制约行业发展的瓶颈；二是批量生产铸锻件合格率低、材料利用率低、能耗高、原材料消耗高、机加工量大、环境污染严重，脱离了以人为本的科学发展观。热加工领域的工艺技术有的已经几十年不变，工艺落后。一个根本原因是加工过程看不到，凭经验和主观想法去设计工艺。要从根本上改变落后的局面，根本出路在于采用信息技术，中国科学院金属研究所在国家发改委、中科院、辽宁省科技厅等的支持下开发了可视化热加工技术。可视化热加工技术包括三部分内容：首先采用计算机模拟和热加工理论，模拟金属成形过程；其次用三维X射线等实时观察和透视金属成形过程；最后通过中试并与模拟、监测结果对比，确定最佳的热加工工艺。可视化热加工技术是将信息技术、X射线技术、冶金学等相结合形成的专利技术。可视化热加工技术包括专有技术和共性技术。专有技术包括大型船用曲轴毛坯制造技术、大型铸钢支承辊整体铸造技术、提速铁路高锰钢组合辙叉制造技术，解决了国内关键件的“有无”问题；共性技术包括无气隙平稳充型浇注系统、夹杂物和变形控制技术等，解决规模化铸锻件的合格率、材料利用率、加工余量问题，降低生产成本，节能降耗，提升企业自主创新能力和工艺设计水平。大型船用曲轴受制于人，依赖进口，而毛坯制造技术是曲轴制造中的技术瓶颈。金属所突破了曲轴毛坯材料研制、弯锻技术开发和性能评价等核心技术，并且在上海重型和鞍钢重应用。上重应用该技术生产了合格的60机和90机曲轴毛坯。鞍重利用该技术成功地生产了60机和90机曲轴毛坯，成形完美，ManB&W曲轴专利公司认为，鞍重90机曲轴毛坯成形质量国内第一，如图1所示。大型铸钢支承辊整体铸造在国内研制多年，由于铸造过程中产生裂纹而一直未开发成功。金属所在可视化技术基础上，突破了多项关键技术，并且成功在一重和鞍重进行了应用。一重应用该技术开发的50吨级铸钢支承辊在太钢不锈钢生产线上应用，产品使用性能优于国外同类产品，填补了国内空白。鞍重应用该技术成功浇注了国内最大的65吨铸钢支承辊，如图2所示。可视化技术开发的长寿命、低成本的高锰钢组合辙叉成功试车，满足了提速铁路要求。可视化热加工技术在大重、鞍重、一重、上重、沈鼓集团、沈阳黎明发动机集团等推广示范，提高缸体件合格率30%、材料利用率5%和钢锭生产效率12%，效果显著。 图 1 鞍重90机曲轴毛坯 图2 65吨铸钢支承辊铸造毛坯二、主要技术指标1）以计算机模拟作为研究手段，依靠先进的实验条件，对6090机曲轴毛坯的冶炼、浇注、锻造、热处理等工序进行了大量的研究工作，开发了集合金成分优化设计、洁净化钢锭技术、近终形弯锻技术、高效热处理技术、性能表征与评价为一体的经济、高效和适合大生产的大型船用曲轴毛坯制造技术。在鞍钢重机和上海重型进行了60机、90机曲轴毛坯的成功锻造，实现了大型船用曲轴毛坯制造的国产化。鞍重制造的毛坯成形质量居国内领先水平，达到国际先进水平。2）采用先进的无气隙平稳充型浇注系统、模拟技术、铁模覆砂及顺序凝固技术、滑动辊颈技术、电加热冒口技术成功开发的大型铸钢支承辊制造技术，填补了国内空白。钢支承辊的表面柱状晶层深度超过100mm,探伤结果没有超过2mm的夹杂物和疏松缺陷，使用寿命超过进口同类支承辊，整体水平达到国际先进。3）开发的铁路提速高锰钢组合辙叉，其性能优于合金钢锻件，实现了以铸代锻，降低了合金消耗。使用寿命达到了2亿吨货物通过量，远远超过整体辙叉的寿命。 4）利用技术平台传输面向规模化铸锻件的可视化技术，已经在1中国一重、上海重型、鞍钢重机、大连重工、沈阳黎明发动机公司和沈鼓集团等进行推广示范，提高缸体件合格率30%、材料利用率5%和钢锭生产效率12%。三、项目投资、市场应用前景及经济效益1、项目投资利用金属所专有技术进行新产品生产，所需投入将比较大，包括厂房改造，大型设备投入。具体的投资情况需要根据企业现有基础进行估算。在完全没有基础的情况下，大型船用曲轴毛坯制造技术需要一台4000吨以上的水压机、一台真空精炼设备及曲轴毛坯转用加工机床等，总投资在3.5亿元左右；生产大型铸钢支承辊，各种设备和生产车间的总投资也接近8000万元；如果生产高锰钢组合辙叉，则需要机械加工机床，至少需要三台，每台价值200万元左右，再上相应的热处理设备及装配设施，总投入需要1000万元左右可视化热加工共性技术转让，其投入主要体现在计算机硬件投入和软件投入以及相应的工装设备改造上，包括使用新的浇注系统等。其中：硬件投入主要购置计算机及配套设施 5万元软件投入 30万元工装费 60万元材料热物性参数测试费用 20万元试验费 60万元人员调研费、机动费 15万元 以上投入合计为200万元。2、市场应用前景我国力争成为世界第一造船国，曲轴目前依赖进口。我国目前每年至少需要200根曲轴，产值在16亿元以上，到2010年，我国每年大约需要曲轴400多根，产值达32亿元。而且曲轴是消耗品，市场是长期存在的，因此，在发改委支持下，我国在上海和大连各建立一条生产线，力争解决我国的船用曲轴供应问题。轧钢工业发展越快，轧辊的需求量也越大。未来5-10年，以年产钢4亿吨计算，每年需要各类轧辊近万只，其中大型铸钢支承辊需要1000支以上，产值约20亿元左右。而且轧辊是消耗品，每年需求量逐步增加。全国铁路每年各类道岔预计需求量在5万套，产值6亿元以上。但普通高锰钢道岔使用寿命短，而合金钢道岔合金含量高，制造成本高。而金属所课题组采用纯净化技术生产的叉心轨组合道岔寿命和性能好于传统的高锰钢道岔和合金钢道岔。东北地区的模铸钢锭每年产量大约在40万吨，如果采用可视化技术进行浇冒口优化设计，每年将节约大量钢水，实现节能降耗的目标。我国普通铸锻件位居世界第一，年产量约2000万吨，东北约300万吨，产值300多亿。成本上涨、合格率低、加工余量大是制约所有热加工企业发展的瓶颈。可视化共性技术可以使铸件合格率提高5%，工艺出品率提高5%，降低加工余量，实现近终形铸锻造。同时，可视化共性技术还可以指导企业进行新工艺开发，增加企业产品类型，扩大技术储备。由此可见装备制造业采用可视化技术的广阔市场前景。3、经济效益传输专有技术，可以使企业新增产值5.45亿元。平均每年生产100支支承辊，每支价值280万元，可以新增产值2.8亿元。大型船用曲轴国内现在每年需要100根以上，到2015年将达到400根，如果按100根计算，每年毛坯用量将超过1万吨，产值超过4亿元。如果锻造5000吨曲轴毛坯,可以形成2.25亿元新增产值。全国铁路每年各类道岔预计需求量在5万套，产值10亿元以上。如果有采用组合提速辙叉2000套，则产值可以超过4000万元。传输可视化共性技术，可以使企业节省开支。在多家企业进行可视化技术推广，使可视化技术覆盖产品总量达到50万吨，同时使企业铸锻件合格率提高5%，工艺出品率提高5%。可以减少铸锻件废品2.5万吨，铸锻件每吨1.2万元，可以节约开支3亿元。四、合作方式大型船用曲轴毛坯制造技术、大型铸钢支承辊整体铸造技术以双方共同进行技术开发的方式进行合作；提速铁路高锰钢组合辙叉技术以技术转让的方式进行合作。可视化热加工技术以技术传输的方式