鑄 鋼

《鑄造技術(shù)路線圖》摘錄

1 概述

在機(jī)械制造業(yè)中，鑄鋼的應(yīng)用頗為廣泛，其高強(qiáng)度和良好的韌性，適用于制造承受重載荷、沖擊以及振動等特殊工況的部件。

鑄鋼件的特點(diǎn)之一是設(shè)計(jì)的靈活性，設(shè)計(jì)人員對鑄件的形狀和尺寸有最大的設(shè)計(jì)選擇自由。與目前普遍采用的鍛造、焊接成形相比，鑄鋼件具有短流程、高效、精確成形的優(yōu)勢，非常適合于生產(chǎn)形狀復(fù)雜、高強(qiáng)度的鑄件。隨著目前鋼液精煉水平的不斷提高，鑄鋼材料合金化水平的進(jìn)步，特種鑄造方法的日趨成熟，鑄鋼件的力學(xué)性能已達(dá)到同材質(zhì)鍛軋材的標(biāo)準(zhǔn)要求。

其二是鑄鋼件熔煉制造適應(yīng)性和可變性最強(qiáng)，可以選擇不同化學(xué)成分和組織，適應(yīng)各種不同工程的要求?？梢酝ㄟ^不同的鑄件熱處理工藝在較大的范圍內(nèi)選擇力學(xué)性能和使用性能，并有良好的焊接性和加工性。

其三是鑄鋼材料的各向同性和鑄鋼件整體結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)，因而提高了工程可靠性。另外其減輕重量的設(shè)計(jì)和交貨期短等優(yōu)勢，在價格和經(jīng)濟(jì)性方面有競爭優(yōu)勢。

鑄鋼件適用范圍廣，主要有以下幾方面。

（1）電站設(shè)備。電站設(shè)備中的高壓進(jìn)氣缸、高中壓排氣缸、超高壓閥體、高壓內(nèi)缸等是高技術(shù)產(chǎn)品。

（2）鐵路機(jī)車及車輛。機(jī)車車輛中的車輪、側(cè)架、搖枕、車鉤等關(guān)鍵部件，都是傳統(tǒng)鑄鋼件。轍岔是承受劇烈沖擊的部件，目前均采用高錳鋼鑄造。

（3）建筑、工程機(jī)械及其他車輛。運(yùn)動系統(tǒng)中的主動輪、承重輪、搖臂、履帶板、挖掘機(jī)斗齒等。

（4）礦山設(shè)備。破碎機(jī)顎板、球磨機(jī)錘頭及襯板等耐受沖擊磨損的零件均為高錳鋼鑄件，機(jī)架則多為碳鋼或低合金鋼鑄件。

（5）鍛壓及冶金設(shè)備。鍛壓機(jī)械的機(jī)座、十字架、橫梁、機(jī)架和冶金設(shè)備的軋鋼機(jī)架、軸承座等重要零件均為鑄造成形的鑄鋼件。

（6）航空及航天設(shè)備。飛機(jī)起落架殼體、發(fā)動機(jī)支架、制動器支撐板等。

此外，在高壓容器設(shè)備、船舶農(nóng)用機(jī)械、油井及化工設(shè)備、醫(yī)療機(jī)械、海洋裝備等領(lǐng)域鑄鋼件的適用性也十分廣泛。

目前我國小型批量鑄件已普遍采用造型線生產(chǎn)，并初步具備以典型產(chǎn)品為核心的質(zhì)量技術(shù)體系。但生產(chǎn)線主要設(shè)備制造水平偏低，生產(chǎn)線先進(jìn)程度及技術(shù)含量有待提高。

我國的大型鑄鋼件生產(chǎn)企業(yè)大部分是國有大中型企業(yè)。能夠生產(chǎn)200 t級以上鑄鋼件的只有少數(shù)幾個廠家。國內(nèi)一些企業(yè)在大型鑄件領(lǐng)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(jìn)水平且擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的成果。大型鑄鋼件金屬冶煉中成分的精確控制技術(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。大型鑄鋼件生產(chǎn)中，鋼液的冶煉主要以電爐，特別是發(fā)展高功率直流電弧爐為主，并積極推廣爐外精煉和真空處理技術(shù)等進(jìn)行二次精煉。國內(nèi)重機(jī)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(jī)脂硬化）、樹脂自硬砂（呋喃及堿酚醛樹脂自硬砂）。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。對于特大型鑄鋼件的成形工藝，其技術(shù)關(guān)鍵之一是如何保證鑄件凝固順序和鑄件的充分補(bǔ)縮。另外數(shù)值模擬技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工藝設(shè)計(jì)中。

目前我國鑄鋼市場產(chǎn)能過剩，市場競爭越來越激烈，許多中小企業(yè)面臨重新洗牌局面。呈現(xiàn)如下的特點(diǎn)：

1）低端市場處于劣質(zhì)低價惡性競爭局面。

2）中端市場鑄件利潤越來越低小，質(zhì)量要求越來越嚴(yán)。

3）高端市場雖有較高利潤，但缺少自主技術(shù)創(chuàng)新的能力和高端人才隊(duì)伍及核心鑄造工藝技術(shù)。

4）出口產(chǎn)品受技術(shù)條件及匯率影響，致使許多企業(yè)不敢涉及。

5）中小企業(yè)缺乏產(chǎn)學(xué)研合作的意識，產(chǎn)品鑄造技術(shù)以拿來引進(jìn)為主。

隨著勞動力成本和鑄造原材料成本的增加，鑄件的價格反而越來越低。所以企業(yè)的根本出路是提高技術(shù)和管理水平，生產(chǎn)高附加值的鑄件。

與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，主要差距表現(xiàn)為：

1）對材料冶煉中化學(xué)成分控制，特別是有害微量元素和鋼的純度控制水平不高。

2）在材料力學(xué)性能控制及鑄件質(zhì)量的穩(wěn)定性控制等方面均存在差距。

3）數(shù)值模擬雖然在鑄造行業(yè)應(yīng)用多年，但是一些核心算法以及工程參數(shù)還不夠精細(xì)，造成分析結(jié)果不能準(zhǔn)確指導(dǎo)生產(chǎn)。

4）在某些高端鑄件冶煉過程中針對有害元素及標(biāo)準(zhǔn)成分的優(yōu)化問題，工程數(shù)據(jù)缺乏。未建立起以服役條件為指導(dǎo)的質(zhì)量及制造體系。

目前國內(nèi)鑄鋼領(lǐng)域的發(fā)展趨勢包括以下幾個方面：

1）鋼液冶煉，向高純度鋼液技術(shù)發(fā)展，嚴(yán)格控制冶煉過程，控制S、P和夾雜物含量。采用鋼液的精煉提高鋼液質(zhì)量。

2）在鑄造工藝設(shè)計(jì)過程中，采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，應(yīng)模擬鑄件的澆注、凝固過程，從而優(yōu)化鑄造工藝，提高鑄件質(zhì)量。

3）緊跟機(jī)械行業(yè)裝備領(lǐng)域轉(zhuǎn)型發(fā)展的需求，積極主動地研發(fā)新材料鑄件，逐步取代進(jìn)口，提高中國鑄鋼件生產(chǎn)整體水平。

4）加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化，形成合理經(jīng)濟(jì)規(guī)模。

5）加強(qiáng)技術(shù)進(jìn)步，提高技術(shù)創(chuàng)新能力，開展高端鑄件的材料及制造工藝的研究。

6）開展綠色鑄造技術(shù)，提高清潔化生產(chǎn)水平，提高鑄鋼件生產(chǎn)過程后處理工序的機(jī)械化與智能化操作水平。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 海洋工程用鑄造雙相不銹鋼材料開發(fā)

2.1.1 現(xiàn)狀

雙相不銹鋼除了高強(qiáng)度之外，還耐孔蝕、抗晶間腐蝕，尤其是在氯離環(huán)境下耐應(yīng)力腐蝕，因此特別適合做海水環(huán)境下工作的零部件。我國的船舶行業(yè)是應(yīng)用雙相不銹鋼較早的行業(yè)，同時也是我國應(yīng)用雙相不銹鋼最主要的行業(yè)之一，如2002年我國建造的化學(xué)液貨船使用了 200 t的022Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼，占當(dāng)年全國雙相不銹鋼使用量的1/3[1]，我國的船用雙相不銹鋼使用中，如貨艙壁，管系等構(gòu)件，其形狀多為板、帶、管等，適合采用軋制或鍛造工藝，這方面的技術(shù)發(fā)展也比較成熟。但也有一些形狀復(fù)雜的件，如閥體、葉輪[2]、導(dǎo)葉[3]等，則適合采用鑄件，而核電、船舶、海洋工程用鑄造雙相不銹鋼研究和應(yīng)用的報道則較少。

在我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學(xué)成分》中列入了11種雙相不銹鋼的牌號和化學(xué)成分，這11種雙相不銹鋼并未規(guī)定所采用的制造方法，即這些牌號和化學(xué)成分范圍既適用于軋材和鍛材，也適用于鑄材，而對于其他化學(xué)成分的鑄造雙相不銹鋼，包括國外引進(jìn)的和國內(nèi)研發(fā)的各種化學(xué)成分的鑄造雙相不銹鋼，其牌號則是參照我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 221—2008《鋼鐵產(chǎn)品牌號表示方法》和GB/T 5613—2014《鑄鋼牌號表示方法》。

我國船舶行業(yè)應(yīng)用鑄造雙相不銹鋼較早，采用鑄造雙相不銹鋼的主要是一些形狀復(fù)雜的構(gòu)件，如閥體、泵殼、葉輪等。

2.1.2 挑戰(zhàn)

目前我國現(xiàn)有船用鑄造雙相不銹鋼的牌號還比較少，現(xiàn)有牌號的雙相不銹鋼軋材和鍛材的生產(chǎn)工藝技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但鑄造雙相不銹鋼的一些基本數(shù)據(jù)如化學(xué)成分范圍的上下限、鑄造性能（流動性、線收縮和體收縮等）、耐腐蝕性能、力學(xué)性能技術(shù)指標(biāo)要求，甚至熱處理工藝，都簡單地套用雙相不銹鋼軋材和鍛材的技術(shù)指標(biāo)，需進(jìn)一步開展鑄造雙相不銹鋼尤其是含有高氮（0.2%～0.35%N，有的也含W和C u）的具有更高的耐蝕性和力學(xué)性能的鑄造超級雙相不銹鋼的研究工作，制定出符合鑄件技術(shù)條件要求的化學(xué)成分范圍和制備工藝，鑄造雙相不銹鋼存在的一些問題，如氣體敏感性，尚未完全弄清其作用機(jī)理，需進(jìn)一步研究和分析。

2.1.3 目標(biāo)

1）預(yù)計(jì)到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

伴隨鑄造雙相不銹鋼組織及相關(guān)耐蝕性研究的深入，以及對應(yīng)該材質(zhì)的造型材料、鑄態(tài)焊補(bǔ)材料的開發(fā)，鑄造雙相不銹鋼將廣泛用于對耐蝕性要求較高的石化管道、化工、造紙、建筑、海洋平臺、能源、淡水處理等工業(yè)領(lǐng)域。在建筑工程中，雙相不銹鋼的進(jìn)一步應(yīng)用在滿足力學(xué)性能同時還具有美觀、耐用、環(huán)保、維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)。在石油、天然氣等設(shè)備應(yīng)用中，雙相不銹鋼表現(xiàn)出色，尤其在耐點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕性能方面優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)奧氏體不銹鋼。在生物燃料工業(yè)，雙相不銹鋼也將得到快速的發(fā)展。

2）預(yù)計(jì)到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

鑄造雙相不銹鋼將憑借其良好的成本優(yōu)勢（與含鎳量較高的奧氏體不銹鋼相比）和質(zhì)量穩(wěn)定性，并以成功的工程案例展現(xiàn)其優(yōu)異性能、成本優(yōu)勢以及新的標(biāo)準(zhǔn)和牌號，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)并將初級產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為最終成品的過程，最終說服市場、設(shè)計(jì)人員、終端用戶和制造商對其的廣泛應(yīng)用，進(jìn)而在不銹鋼領(lǐng)域里占有一席之地。

2.2 大型鋼錠的純凈、致密、均質(zhì)鑄造技術(shù)

2.2.1 現(xiàn)狀

近年來，隨著核電、火電等現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，大型化是現(xiàn)代鍛造生產(chǎn)的發(fā)展趨勢，要獲得質(zhì)量好、強(qiáng)度高的大型鍛件勢必需要優(yōu)質(zhì)大型鋼錠。隨著鍛件的大型化發(fā)展趨勢，對大型鋼錠的質(zhì)量要求也越來越高[4-5]。

大型鋼錠的主要缺陷有裂紋[6]、非金屬（主要來自耐火材料）夾雜、縮松、合金元素偏析等。我國大型鑄鍛件制造中的材料利用率僅為50%～55%，低于國外的70%～75%，所以大型鋼錠材料利用率偏低也是亟待解決的問題。

近年來大型鋼錠在生產(chǎn)技術(shù)上的研究也有了很大的進(jìn)展。中國科學(xué)院金屬研究所主持了“大型合金鋼錠及鑄鍛件缺陷與組織控制[7]”項(xiàng)目，發(fā)現(xiàn)夾雜物是形成A型偏析缺陷的根源，發(fā)展了宏觀偏析形成理論，在該基礎(chǔ)上開發(fā)多包延遲澆注、多梯度穩(wěn)態(tài)熱冒口及低氧純凈化控制技術(shù)?？刂?00 t級30Cr2Ni4MoV低壓轉(zhuǎn)子用鋼錠的碳偏析在±0.02%之內(nèi)、鑄態(tài)缺陷當(dāng)量小于φ3 mm，國內(nèi)的中國第一重型機(jī)械集團(tuán)公司、上海重型機(jī)器廠有限公司、煙臺臺?，斉瑺柡穗娫O(shè)備股份有限公司等企業(yè)先后配備了電渣重熔爐用于高端大型鋼錠的生產(chǎn)。

2.2.2 挑戰(zhàn)

與中、小型鋼錠相比，大型鋼錠產(chǎn)品有其不同的工況條件，如火電和核電設(shè)備的轉(zhuǎn)子采用大型鋼錠制作，要求其在長期的高速運(yùn)行過程中，能承受大的工作應(yīng)力，并具有高的可靠性；核電站的壓力容器工作中會受到中子輻射，將導(dǎo)致鋼材脆化等。這些極端的工作條件對大型鋼錠的質(zhì)量提出了更嚴(yán)格的要求，包括控制雜質(zhì)元素以及低的氣體和夾雜物含量，減小偏析，使鋼錠化學(xué)成分均勻等。然而鋼錠越大，性能要求就越難達(dá)到。目前國內(nèi)制備大型鋼錠主要有傳統(tǒng)模鑄和電渣重熔兩種方法，而電渣重熔在直徑2 000 mm以上（約200 t）級別的鋼錠鮮有成功案例，而且對于缺陷的成因尚在探索之中（偏析及晶粒粗大等）。傳統(tǒng)模鑄條件下，鋼錠所表現(xiàn)的缺陷主要在以下幾方面：

l）白點(diǎn)和發(fā)紋，這是由于鋼液中氫的形為而造成的鋼錠內(nèi)部裂縫，從而成為裂紋源，且不能通過軋制方法焊合，對最終產(chǎn)品危害較大；

2）大型夾雜，如在出鋼和澆注過程中，耐火材料被侵蝕而致鋼錠內(nèi)帶有夾雜物；

3）不均勻性（偏析），由于鋼液的組成元素多樣，這些元素的溶解度在液相和固相中不同，導(dǎo)致鋼錠凝固時發(fā)生了溶質(zhì)再分配，造成鋼錠內(nèi)部成分不均勻（偏析），而且隨著鋼錠的增大以及凝固時間的延長，這種成分偏析就愈嚴(yán)重。鋼液在模具中凝固后，體積收縮會形成縮孔和疏松，這些缺陷隨著鋼錠噸位越大而越嚴(yán)重。

2.2.3 目標(biāo)

1）預(yù)計(jì)到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

大型模鑄鋼錠（200 t以上）工藝出品率提升至78%以上。中間包及澆注系統(tǒng)產(chǎn)生的夾雜物及氧化夾雜減少30%以上，C成分偏差控制在0.06%以下。在保證凝固質(zhì)量的前提下，電渣100 t級重熔錠冶金質(zhì)量達(dá)到目前爐外精煉水平。

2）預(yù)計(jì)到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

大型模鑄鋼錠（200 t以上）工藝出品率提升至80%以上。中間包及澆注系統(tǒng)產(chǎn)生的夾雜物及氧化夾雜減少70%以上，C及合金元素成分偏差控制在0.04%以下。電渣重熔400 t及超大鋼錠穩(wěn)定生產(chǎn)，小噸位（400 t以下）電渣重熔錠冶金質(zhì)量優(yōu)于爐外精煉。

2.3 超超臨界、二次再熱超超臨界汽輪機(jī)高合金耐熱鋼鑄件制造

2.3.1 現(xiàn)狀

隨著蒸汽參數(shù)的不斷提高，汽缸等汽輪機(jī)部件用高溫鑄件材料也已經(jīng)從耐高溫580℃的Cr-Mo-V鋼發(fā)展成各類耐高溫600℃的9%～12%Cr和耐高溫620℃的Z G13Cr9Mo2C o1Ni V N b N B高合金耐熱馬氏體不銹鋼，國內(nèi)外企業(yè)及研究人員將耐熱鋼鑄件的品質(zhì)提升定位于新材料的研發(fā)、微量元素精確點(diǎn)控制及冶金質(zhì)量提升。

與傳統(tǒng)的1%Cr的Cr MoV鋼鑄件相比，新開發(fā)的9%～12%Cr馬氏體耐熱鋼鑄件的使用溫度提高約50～60℃。但是，9%～12%Cr馬氏體耐熱鋼的成分非常復(fù)雜，采用這種鋼制造汽缸、閥殼等大型厚壁鑄件的難度也大大增加。因此，國外非常重視9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼的開發(fā)和應(yīng)用研究，比如歐洲的CO S T501、522、536計(jì)劃等，日本的T O S系列9%～12%Cr馬氏體耐熱鋼高溫鑄件研發(fā)計(jì)劃等。

國內(nèi)的電站裝備汽輪機(jī)其材料開發(fā)與應(yīng)用極大部分停留在570℃等級，而600℃～620℃等級只有上海電氣集團(tuán)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化突破，應(yīng)用在660 MW～1 000 MW超超臨界與二次再熱高效超超臨界的燃煤火電汽輪機(jī)上，極少數(shù)企業(yè)在國內(nèi)鑄造行業(yè)分別于2007年和2013年取得了600℃～620℃等級材料鑄鋼件自主生產(chǎn)的突破，并形成對二次再熱超超臨界汽輪機(jī)機(jī)組核心鑄件產(chǎn)品的配套與服務(wù)。國外這方面的材料生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)先于國內(nèi)，10年前就已開發(fā)和研究，主要是在歐洲，但實(shí)際商業(yè)運(yùn)行的汽輪機(jī)還在進(jìn)一步試驗(yàn)與驗(yàn)證過程中，而未來的應(yīng)用市場是在中國。

2.3.2 挑戰(zhàn)

我國在消化吸收國外超臨界、超超臨界汽輪機(jī)汽缸、閥殼用高溫鑄件材料技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了改良型9%～12%Cr鋼鑄件材料，如ZG12Cr9Mo1VNbN，ZG12Cr10Mo1W1NiVNbN等（見表1），并且已經(jīng)采用這些材料廣泛制造溫度達(dá)600℃的超超臨界汽輪機(jī)閥殼、汽缸等部件。目前，對于620℃等級的新型耐熱鋼鑄件ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB（見表 1）.我國目前只有極少數(shù)鑄造企業(yè)開發(fā)與研究，國內(nèi)只有上海宏鋼電站設(shè)備鑄鍛有限公司實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)，并已經(jīng)應(yīng)用于我國首臺套安徽田集電廠的660 MW二次再熱汽輪機(jī)和國電江蘇泰州電廠的世界首臺套620℃等級二次超超臨界汽輪機(jī)機(jī)組中。二次再熱汽輪機(jī)技術(shù)是我國“十二五”六大創(chuàng)新成就展的核心技術(shù)突破之一，然而我國制造的耐高溫600℃材料9%～12%Cr鋼和耐高溫 620℃材料ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB耐熱鋼鑄件還存在制造生產(chǎn)數(shù)量與質(zhì)量的局限性，對于毛重超過40 t的高壓進(jìn)氣缸、中壓內(nèi)缸等大型鑄鋼件，目前國內(nèi)狀況是鑄造工藝穩(wěn)定性差，性能熱處理工藝技術(shù)未突破，特別是ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB耐熱鋼鑄件，超100 t的鋼液冶煉及精煉過程的化學(xué)成分控制、鑄件后處理的裂紋清除、個別性能指標(biāo)，尤其是短時持久性能，難以滿足材料標(biāo)準(zhǔn)的要求，如高壓進(jìn)氣缸、中壓內(nèi)缸等核心鑄件還是依賴進(jìn)口，嚴(yán)重制約超超臨界汽輪機(jī)機(jī)組制造質(zhì)量和周期的服務(wù)與配套，包括上述耐高溫馬氏體不銹鋼材料的汽輪機(jī)大型轉(zhuǎn)子目前全部由歐洲極少數(shù)供應(yīng)商壟斷。

2.3.3 目標(biāo)

1）預(yù)計(jì)到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

電站裝備核電汽輪機(jī)鑄件產(chǎn)品與服務(wù)，建議修訂我國核電用鑄鋼件國家標(biāo)準(zhǔn)；電站裝備汽輪機(jī)產(chǎn)品升級新材料的研究與開發(fā)；燃?xì)廨啓C(jī)鑄鋼件產(chǎn)品的自主技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用，建議制定我國燃?xì)廨啓C(jī)鑄鋼件國家標(biāo)準(zhǔn)；大型艦船動力裝置與渦輪汽輪機(jī)鑄鋼件的自主開發(fā)與應(yīng)用；電站裝備大型超超與二次再熱超超臨界汽輪機(jī)鑄件產(chǎn)品與服務(wù)，建議修訂大型超超臨界汽輪機(jī)用鑄鋼件國家標(biāo)準(zhǔn)等。

2）預(yù)計(jì)到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

表1 耐高溫600℃、610℃、620℃馬氏體高合金不銹鋼新材料成分

400 MW、600 MW、800 MW、1 000 MW等級系列以上第四代高溫反應(yīng)堆電站設(shè)備汽輪機(jī)機(jī)組鑄鋼件配套與開發(fā)和支持服務(wù)；973國家自主創(chuàng)新的中小型燃?xì)廨啓C(jī)、國家重大項(xiàng)目高溫反應(yīng)堆氦氣透平裝置、大型艦船重大動力裝置汽輪機(jī)配套與開發(fā)和支持服務(wù)；核電、超超臨界、二次再熱超超臨界超大型汽輪機(jī)機(jī)組大型鑄件的自主化生產(chǎn)配套與服務(wù)；更新一代的耐高溫620℃以上的大型二次再熱超超臨界汽輪機(jī)新材料鑄鋼件的開發(fā)與應(yīng)用等；300 MW以上重型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組超耐高溫?zé)岵考?dǎo)流體、輪轂高鎳合金鋼鑄鋼件的自主化生產(chǎn)與服務(wù)。

2.4 大型曲面等異形件電渣熔鑄成形技術(shù)

2.4.1 現(xiàn)狀

電渣熔鑄最大的特點(diǎn)是集精煉與鑄造于一體，可以有效去除鋼中的S、P等有害元素、氮?dú)溲醯扔泻怏w以及非金屬夾雜物，得到金屬純凈、組織致密、成分均勻的理想組織[8]。

鑒于電渣熔鑄的顯著優(yōu)勢，相關(guān)技術(shù)在世界各國獲得了極大的發(fā)展，廣泛用于耐高溫、耐高壓、高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐疲勞等要求的鑄件生產(chǎn)中，產(chǎn)品從形狀簡單的圓錠、板坯到形狀復(fù)雜的渦輪盤、水輪機(jī)導(dǎo)葉、大型整體曲軸、火電閥體、復(fù)合軋輥，從實(shí)心的圓錠到空心的管坯件，從幾十克的小件到幾百噸的大件，涵蓋面廣、應(yīng)用價值高[8]。例如我國自主生產(chǎn)開發(fā)的電渣熔鑄水輪機(jī)導(dǎo)葉已成功地應(yīng)用于三峽等水電站[9]。

電渣熔鑄是個耗材過程，常規(guī)的電渣熔鑄需要自耗電極沿著公共型腔連續(xù)送入結(jié)晶器熔化，對于形狀復(fù)雜的鑄件，由于公共型腔過小無法保證有效充型，導(dǎo)致電渣熔鑄只能鑄造形狀簡單的鑄件。技術(shù)人員一直在努力嘗試使用電渣熔鑄方法鑄造形狀復(fù)雜的鑄件，開發(fā)出了電渣熔鑄一步成形、分步成形等工藝技術(shù)（包括電渣焊接成形技術(shù)），推動了電渣熔鑄的發(fā)展，為電渣熔鑄在形狀復(fù)雜鑄件上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)?？偨Y(jié)以往各種工藝技術(shù)，主要存在兩方面不足：工藝十分復(fù)雜，難以操作；工藝不穩(wěn)定。故用電渣熔鑄鑄造復(fù)雜形狀鑄件未取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

2.4.2 挑戰(zhàn)

為了實(shí)現(xiàn)電渣熔鑄的工藝穩(wěn)定性和可操作性，新工藝方法的應(yīng)用及控制更加重要。進(jìn)行大型曲面異形件、其他電渣異形件的穩(wěn)定制造及市場推廣需要解決的主要問題是：

1）大型曲面異形件板坯（寬厚比≥15）長程穩(wěn)定成形

提升大型電渣熔鑄設(shè)備變壓器輸出精度，增加電極空間自由度，調(diào)整熔渣高溫特性，解決長程（24 h以上）、漸變功率、窄間隙（電極與結(jié)晶器距離≤30mm）熔鑄的渣池及熔池穩(wěn)定性問題。

2）無公共型腔異形件電渣熔鑄固定、移動電極成形關(guān)鍵技術(shù)

移動自耗電極熔化的金屬液體向固定自耗電極下部金屬熔池內(nèi)補(bǔ)充過程與鑄件結(jié)構(gòu)、電渣熔鑄參數(shù)之間的關(guān)系。移動自耗電極熔化的金屬液體對鑄件頂部的補(bǔ)縮能力與鑄件結(jié)構(gòu)、熔鑄工藝參數(shù)之間的關(guān)系。移動自耗電極和固定自耗電極雙重熔化條件下的金屬熔池溫度場分布特點(diǎn)，以及對鑄件充型質(zhì)量的影響。

3）大型電渣熔鑄件質(zhì)量評判及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立

電渣熔鑄與傳統(tǒng)砂型鑄造及鍛造具有不同的凝固模式，急需建立針對電渣熔鑄成形手段的熱處理制度、檢驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn)。另外，對于典型電渣熔鑄件的服役性評判還需要工程數(shù)據(jù)積累。

2.4.3 目標(biāo)

1）預(yù)計(jì)到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

大型復(fù)雜曲面異形電渣熔鑄件（10 t以上），取代常規(guī)砂型鑄件，在水電等高端行業(yè)開始局部試點(diǎn)應(yīng)用并體現(xiàn)優(yōu)勢，從理論及制造角度的品質(zhì)優(yōu)勢向?qū)嶋H工程應(yīng)用過渡，逐漸形成針對電渣熔鑄件的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系。

2）預(yù)計(jì)到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

大型復(fù)雜曲面異形電渣熔鑄件將得到終端客戶普遍認(rèn)可，國內(nèi)市場占有率達(dá)到50%以上，國際市場占有率達(dá)到30%以上。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)基本健全。在大型冶金軋輥、耐熱鋼、泵閥等核心關(guān)鍵部件上電渣熔鑄異形件將獲得行業(yè)的認(rèn)可。

3 技術(shù)路線圖

技術(shù)路線圖如圖1.

圖1 技術(shù)路線圖

圖1 技術(shù)路線圖