我国大型铸钢件生产的现状与关键技术

1、我国大型铸钢件生产的现状与关键技术大型铸钢件的制造业是国家装备制造的根底行业，其进展水平是衡量一个国家综合国力的重要标志。大型铸钢件广泛用于电站、石油化工、冶金、船舶等装备以及装备制造业，如核电设备中的不锈钢主泵泵体、汽轮机缸体，水电机组的转轮、叶片、上冠、下环，火电机组中的汽缸体件，大型冶金设备中的轧机机架、车L 辊、大型轴承座等。这些大型铸钢件的制造直接关系到国家重点工程工程的质量、安全及进度，对于国计民生具有重要的意义。1 生产企业状况及与国外的差距我国大型铸钢件生产企业现状 30200 t个行业的产品主要供给国内市场，很少一局部出口。品种主要为电站、冶金部件和石油化工设备、船用设备、矿

2、山设备以及航空航天设备用大型铸件产品。在过去的 10 年中，国内一些企业如一重、二重等在大型铸件领域开展了大量研发和探究工作，取得了一批具有国际先进水平且拥有自主学问产权的成果。如研制成功300 MW 核电大刑铸锻件、550 MW450 t180 t700 t500 t400虽然我国大型铸钢件的生产取得了长足的进步，在生产力量上甚至步人世界前列， 但在铸件产品品质上存在明显的缺乏，尤其是一些高端产品难以满足国内市场的需求，高 端铸件还依靠于进口。例如，长江三峡一期水电工程左岸14 台机组中的上冠、下环和叶片铸件的毛坯根本全部从国外进口。在三峡左岸机组的转轮制造中，一重和二重都尝试浇铸 了相关铸

3、件，一重铸造了一片叶片，二重铸造了一片叶片、一个上冠和一个下环。其中叶 片造的毛坯要么加工余量很大(肥头大耳)，造成工艺出品率低、加工周期长，要么消灭残 缺(缺肉)，造成焊补量大。如叶片是空间曲面外形，要求5 轴联动机床加工，由于加工余量过大，加工一片的周期为半月，每台水轮机转轮需要13 或 15 片叶片，因此加工力量根 本不能满足生产需要。三峡右岸机组12 台中，东方电机和哈尔滨电机股份各中标4 台产技术我国还没有或未完全把握。另一方面，在进口国外高端铸件过程中，兴旺国家不转让大型铸件生产技术，即高端大型铸件方面我们仍旧受制于(外国)人。与国外先进企业的整距与工业兴旺国家相比，目前我国大型铸

4、钢件生产在产品品种、工艺水平、质量等级以及制造装备等整体水平方面均存在着较大差距。在大型核电设备中。主泵、核电汽轮机缸体等大型铸钢件多承受不锈钢材料，其质 量要求极高，我国尚未把握自主生产技术，根本全部依靠进口。主要差距表现为:我国企业没有把握这类大型不锈钢铸件整体铸造工艺及技术;对材料冶炼中化学成分把握，特别是有害微量元素把握以及钢的纯度把握水平不高;在材料力学性能把握及铸件质量的稳定性把握等方面均存在差距。大型水电机组中的代表性铸钢件是转轮的上冠、下环和叶片。这些铸件的质量好坏 直接影响整个水轮发电机组的使用性能机组出力、效率、空蚀和稳定性等。与国外先进 企业相比，国产转轮的差距主要表现在

5、:产品设计水平不高;制造技术水平低，如在铸 造技术、热处理技术等方面存在较大差距;铸件产品质量稳定性不高，尺寸检验、质量检测技术水平低。由于上述一些差距的存在，使我国大型铸件行业在劳动生产率、热加工产值产量和质量本钱等综合指标上低于国外的先进企业，综合力量比先进国家落后约510我国大型铸钢件生产的进展趋势我国国民经济高速增长，对能源、冶金、船舶、石化等工业提出了巨大的需求，这 也间接对大型铸钢件提出了巨大的、高水平的需求。此外，随着我国三峡工程、西气东输、西油东送以及振兴东北工业基地等重要工程的逐步推动，也给我国大型铸钢件行业带来了更为宽阔的市场前景。国内市场器求70kw1270kW6530k

6、W1 260kW坝电站等，金沙江和黄河上游等还将需求3270kW江流域综合利用规划简要报告说明，以溪格渡建设为开端，金沙江中下游将规划兴建梯 1220302022亿kW1_6 亿kW, 20222.7 雀弘W。据专家估量，将来十70kW5.2 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超超临界燃煤发电技术是目前国际上公认的具有代表性的干净煤发电技术，具有效率高、牢靠性高、技术成熟、实现国产化生产较快等优势。乐观促进超超临界燃煤发电机组的应 用，是当前我国发电构造调整的重要任务和电力工业进展的必定趋势。我国自行设计、自 行制造的第一个百万千瓦级超超临界燃煤发电机组浙江华能玉环电厂超超临界燃煤机组 正在加紧施工建设，之后，我国将又有一批这样的发电机组投人建设。而这里大型、耐高 压、高温的缸体铸件也是关键零件之一，必需主要依靠我国自己生产。在轧锅方面，宽厚板轧机的进展对轧机机架铸件提出了更大、更高的要求。德国成功413 t610

8、t5 m380 t706 t1m30热轧、冷轧生产线的不断投人，这类大型铸钢件的需求量也逐步扩大。这些领域均为大型铸钢件行业供给了大量的市场需求，同时也对铸件产品的质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 国外市场需求随着经济的进展和对环境的要求，兴旺国家局部大型铸件生产制造的重心已经渐渐向进展中国家转移，世界制造业的加工基地也渐渐向进展中国家转移。我国的重型机械大型铸锻件制造业在技术与市场方面与世界不断接轨，凭借着不断提高

9、的技术实力和相对较低的劳动力本钱，使我国在大型铸件中的转包生产和分包生产的外贸任务量不断扩大。国外一些特大型制造企业都逐步在中国实施转包生产打算，如大型火电站的缸体铸件、大型冶金机械配件、矿山机械用耐磨铸件等在国外都有比较好的市场。另外，随着第三世界国家经济的进展，对冶金、电站设备的需求量越来越大，对中国的订单也日益增多。目前，我国应当尽快缩小在产品质量、交货期和价格上与国际先进企业的差距，进展技术含量高、附加值高的出口产品，提高产品在国际市场上的竟争力。大型铸钢件生产中的关键技术大型铸钢件大多为重大技术装备中的主要承载件和支撑件，铸件尺寸巨大，外形复 杂，截面厚薄悬殊口这类铸件常处于高温、高

10、压工作状态，对其性能及质量要求格外严格， 件和使用环境对其力学性能、物理性能、缺陷等都有更为苛刻的要求，这就为其制造提出 了更高的要求。因此，大型铸钢件的生产过程是一个简单的系统工程，生产满足国内需求 的高精尖产品必定涉及到众多材料、工艺、技术，其制造过程中的关键技术也必定涉及到材料加工过程中的众多领域和方面。金属材料冶炼技术核电、水电、火电及冶金设备等领域中的大型铸钢件使用条件严格、性能参数高， 要求具有优良的常温性能、高温性能、制造性能和热处理性能等。大型铸钢件金属冶炼中成分的准确把握技术，杂质及有害元素去除技术，真空净化除气技术等对保证大型铸钢件的性能有着重要的作用。当前大型铸钢件制造技

11、术的进展，无论是国内还是国外都在向高纯度钢液获得技术进展。大型铸钢件生产中，钢液的冶炼根本淘汰平炉设备，主要进展电炉，特别是进展高功率直流电弧炉，并乐观推广应用炉外精炼和真空处理技术等进展二次精炼。精炼操作是提高铸件优质钢液的关键工序，同时精炼工序的科学把握又是保证浇注 顺当关键环节，其主要目的是确保浇注钢液成分、温度、时间节点等满足浇注要求。目前， 冶金行业中广泛应用的一系列炉外精炼技术如LF(钢包)炉法、RHVDH，0，N等 气体杂质，实践说明钢包炉的脱硫率可达60%，成品硫含量可降至 0.005%以下，氢含量可降至 2x10 以下，氧含量降至(30-40)x10。例如马钢机制公司在热轧、

12、冷轧双板轧机机架的生产过程中，钢液的冶炼承受转炉+LFsrcF一次性供给足够的精炼钢液，最终确保浇注钢液的成分、温度，尤其是钢中及全 铝含量均满足要求，热轧机架满足德国DIN1681 标准，冷轧机架满足日本JISG5101 标准。广泛用于水轮机铸件的不锈钢，在冶炼过程中，往往需要尽可能地降低碳含量，由于不锈 钢中的Cr 含量高，脱碳格外困难，因此对于这类合金的精炼通常需承受特别的方法，现阶段、VOD(真空吹氧脱碳)法和AOD(吹氢氧脱碳)法，已经成为最为普遍的不锈钢精炼工艺。 通过这些精炼工艺可以较好的实现不锈钢冶炼中降碳保铬目的，通过恰当把握工艺，可以冶炼Cr20%-30%，C+N=100g

13、/g 的超低碳不锈钢。由于上述的一些钢液炉外精炼法已普遍用千钢铁冶金行业的连铸连轧、板坯连铸的生产中，所以冶金行业比一般的机械行业在对大型铸件用钢液的精炼、材质的成分把握方 但是从总的状况来看，一批中小重机厂还没有精炼设备，有精炼设备的，设备利用率还不高，一些重要的精炼工艺及其相关技术尚处于进展阶段。电渣熔铸工艺是把电渣重熔精炼与铸件凝固成形(金属型)两道工序结合，一次完成 铸件成形的铸造工艺。所生产的铸件既有良好的内部质量，又有较高的材质性能。电渣熔 铸导叶主要优点是:降低了铸件中的含硫量(0.007%-0.015%)及杂质含量，使组织致密， 因而具有较高的韧性、抗疲乏性能及焊接性能；超声波

14、探伤到达CCH70-3 及 ASTM A609 标准中3130%78%以上；电渣熔铸工艺可生产单件重0.1-20 t近年来，沈阳铸造争辩所已为三峡等几十个国内外大中型电站供给了水轮机导叶等上万吨优质电渣铸件产品。但是生产更大型的电渣熔铸铸件仍旧有很多技术难题需要攻克。铸造工艺技术大型铸件生产周期长、工序简单，一般要经受众多工序(如图 4 所示)，合理设置其铸造过程中各项工艺是打算铸件最终成功铸造的关键要素。url=/amtoverview/Article68427.htm/url4 大型铸件生产过程Fig. 4 Production process of heavy casting造型工艺大型

15、铸件造型大都承受地坑造型，可以将砂箱置于地坑中，也可以不用砂箱直接在/铸型间热作用温度高、持续时间长，易造成铸件尺寸稳定性差和外表粘砂等缺陷。因而大型铸钢件对铸型的高温力学性能、型砂材料的抗粘砂力量有极高的要求。目前国内重机行业用于大型铸钢件的造型用砂主要有水玻璃砂(CO2 吹气硬化和有机醋自硬化)、树脂自硬砂峡喃树脂自硬砂、碱酚醛树脂自硬砂)。水玻璃砂虽然原材料便 宜，但铸件外表质量差，旧砂再生困难，所以难以满足大型水轮发电机和火力发电机等设 备所需要的高质量、高精度、高性能铸件生产的需要;国内一些主要大型铸件生产企业已逐步完成使用树脂砂工艺的技术改造。大型铸钢件的面砂一般承受铬铁矿砂等特种

16、砂，这些 原砂比硅砂的价格高出很多。因此，对于旧砂再生系统中铬铁矿砂与石英砂的分别技术也是一项关键性技术。浇注工艺浇注过程把握将直接影响浇注的成败和铸件的质量，大型铸件浇注工艺应满足大流 量、快速平稳地充型，实际生产中一些厂家承受多包、多水口同时挠注。浇注技术的关键 包括:严格把握钢液的浇注温度和补浇钢液的温度；合理承受引流方式，避开引流砂落人型腔内，同时为确保水口开启的快速顺当，加强钢包的烘烤、引流砂型的烘烤与灌装；把握精炼时间等以及对于多水口开启步调的全都性也需严格把握。对于特大型铸钢件，其技术关键之一是如何保证铸件凝固挨次和铸件的充分补缩， 这是把握铸造缺陷、获得优质大型铸钢件的重要条件

17、。考虑到充分补缩，通常需要合理设置冒口，并协作适当的挂砂冷铁工艺，设计时冷铁布置、挂砂层厚度等工艺对把握凝固挨次均有较大影响。为提高冒口补缩效果，除尽量用保温冒口、和高效掩盖剂外，工艺上还要求补浇冒口。对大型铸件而言，补浇工艺一方面可以提高冒口补缩效率，另一方面也可以肯定程度上解决熔炼力量缺乏的问题。铸造收缩对铸钢件在铸型内凝固和冷却过程中收缩和变形规律的把握，也是保证获得铸件根本外形轮廓和尺寸精度的一项关键技术。其变形规律及变形量的大小与合金材质、铸件尺寸规模、型芯材料及铸件本身构造等多方面因素有关。目前我国企业对这方面的推测和控制大多仍旧依靠阅历。总之，大型铸钢件铸造工艺简单，涉及关键技术

18、较多，需要较长时间的技术积存和储藏，同时，也需要引进国外企业的先进工艺、先进技术进展消化和吸取。热处理技术大型铸钢件浇注后，铸件不同部位、外表及芯部等冷却速度存在很大的差异，砂芯对铸件冷却过程中的收缩也有较强的阻碍作用，因此，当铸件完全冷却后不行避开地会在铸件内部产生较大的铸造应力。另外，大型铸件断面面积大，凝固时速度较慢，通常铸态组织为较粗大的柱状晶，严峻影响了其力学性能。所以，大型铸件毛坯都需要经过适当的热处理工序。热处理的目的也表现为两方面，一是消退或减小铸造应力，二是改善组织以获得满足的力学性能(如强度、硬度、冲击性能等)。一般对大型铸钢件产品力学性能及其内部质量要求较高，故通常需要较

19、严格的热处理工艺，常用的热处理标准有退火、正火、正火+回火等。计算机模拟技术大型铸钢件尺寸大，生产周期长，一般为小批量甚至单件生产。因此传统的试错法 不再适合于大型铸钢件的生产，否则会给企业带来巨大的损失。铸件凝固过程数值模拟技 术在大型铸件的生产中就显得尤为重要。事实上国内外在大型铸件的生产中也广泛使用数 值模拟技术来指导生产。国外主要生产厂家已经普遍使用计算机对铸锭、铸造、热处理等 过程进展模拟分析，据有关资料，一个产品的问题60%以上可以在设计阶段消退，国际上90%的机械产品和装备都要承受模拟技术分析。大型铸钢件的常见缺陷为缩孔缩松、裂纹、 剩余应力和剩余变形、偏析等。因此铸件凝固过程数

20、值模拟技术也围围着这些缺陷的推测，在传热、流淌、应力、传质等方面开展争辩。早在“八五”和“九五”期间，我国就已对引进的火电机组大型铸件和核电站机组大型铸件的关键技术组织了科技攻关。并亲热结合长江三峡70 万kW 大型水轮机用上冠、下环、叶片等大型铸件的材料和铸造技术进展了争辩。这些争辩在铸件缩孔、缩松形成机理等方面取得一系列创性成果。目前，缩孔、缩松的问题通过承受凝固模拟手段并结合阅历积存已经根本解决。近年来，本文作者所在的课题组在大型铸件凝固过程应力场模拟方面开展了大量工作。张雷、刘小刚等承受清华大学开发的有限差分t 有限元集成铸件热应力分析系统进展了轧钢机机架、轧钢机横梁、水轮机叶片等大型铸件的应力和应变的数值模拟及热裂和变形的推测争辩，为工厂的生产供给了有价值的科学指导。图5 为刘小刚对二重生产的某整铸下环变样子况的模拟计算，模拟中承受接触单元方法处理铸柳铸型的边界条件，提高了模拟精度，为该铸件铸造收缩率等工艺参数确实定供给了定量参考。2022 年二重集团公司铸造分厂又就厚壁铸钢件中的内裂纹问题与清华大学开放合作，借助数值模拟手段推测其热裂纹倾向和变形问题，以优化不同工艺方案，现已取得了初步进展。另外，针对铸件中偏析的数值模拟也开展了一些争辩性工作，马长文等人考虑自由等轴晶移动，模拟了铸钢锭内的宏观偏析，模拟出了铸