【 黄天佑2007】我国大型铸钢件生产的现状与关键技术

海边拾贝

大型铸钢件的制造业是国家装备制造的基础行业，其发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项目的质量、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
   
1.1 我国大型铸钢件生产企业现状    我国的大型铸件生产企业有30多家，大部分是国有大中型企业。目前能够生产200 t级以上铸钢件的只有一重、二重等少数几个厂家。整个行业的产品主要供给国内市场，很少一部分出口。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索工作，取得了一批具有国际先进水平且拥有自主知识产权的成果。如研制成功300 MW核电大刑铸锻件、550 MW水轮机组成套大型铸锻件等。目前，我国可以生产的最大普通碳钢铸钢件为450 t，不锈钢铸件为180 t;具有一次性生产700 t级钢液、一次性浇注单重500 t级铸钢件、400墩优质铸钢件的能力。

    虽然我国大型铸钢件的生产取得了长足的进步，在生产能力上甚至步人世界前列，但在铸件产品品质上存在明显的不足，尤其是一些高端产品难以满足国内市场的需求，高端铸件还依赖于进口。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基本全部从国外进口。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。其中叶片和上冠铸件浇注成功，_并已经用于左岸机组。但是由于还没有很好掌握铸件的变形规律，铸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，要么出现残缺(缺肉)，造成焊补量大。如叶片是空间曲面形状，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，因此加工能力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有限公司各中标4台。在水轮机组和发电机组方面我国企业已经掌握了设计和制造技术，但是其中大型铸锻件的生产技术我国还没有或未完全掌握。另一方面，在进口国外高端铸件过程中，发达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然受制于(外国)人。
1.2 与国外先进企业的整距
    与工业发达国家相比，目前我国大型铸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采用不锈钢材料，其质量要求极高，我国尚未掌握自主生产技术，基本全部依赖进口。主要差距表现为:①我国企业没有掌握这类大型不锈钢铸件整体铸造工艺及技术;②对材料冶炼中化学成分控制，特别是有害微量元素控制以及钢的纯度控制水平不高;③在材料力学性能控制及铸件质量的稳定性控制等方面均存在差距。
    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:①产品设计水平不高;②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;③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成本等综合指标上低于国外的先进企业，综合能力比先进国家落后约5—10年。
  
2 我国大型铸钢件生产的发展趋势
    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进，也给我国大型铸钢件行业带来了更为广阔的市场前景。

2.1 国内市场器求
    仅水电行业，我国在“十一五”和未来巧年将有巨大的发展，70万kw机组面临着巨大需求。长江三峡工程右岸需要12台70万kW水轮机组，地下电站需要6台;已经开工的总装机容量为530万kW的广西龙滩水电站，装机总容量1 260万kW的溪洛渡电站，向家坝电站等，金沙江和黄河上游等还将需求32台以上70万kW特大型机组。国务院批准的怅江流域综合利用规划简要报告》表明，以溪格渡建设为开端，金沙江中下游将规划兴建梯级电站12座。今后2030年是我国水电开发的黄金时期，预计到2010年水电装机容量将由1.1亿kW发展达到1_6亿kW, 2020年水电装机容量达到2.7雀弘W。据专家估计，未来十五年我国将需要上百台70万kW水轮机组。这就需要上百件水轮机上冠、下环铸件、上千片水轮机叶片。寸为5.2 mx3.6 mx1.28 m，重I6t;下环外径10.3 m,高2.59 m，重104 t，如图2所示。

                               
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图1.重430t的三峡水轮机转轮
Fig.1 Hydraulic turbine tuntter (weight 430 t)

                               
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图2 直径10m的三峡水轮机下环
Fig. 2 A Francis 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洁净煤发电新技术，具有效率高、可靠性高、技术成熟、实现国产化生产较快等优势。积极促进超超临界燃煤发电机组的应用，是当前我国发电结构调整的重要任务和电力工业发展的必然趋势。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，必须主要依靠我国自己生产。
    在轧锅方面，宽厚板轧机的发展对轧机机架铸件提出了更大、更高的要求。德国成功铸造了净重413 t的世界最大轧钢机机架，浇注钢液610 t。二重浇注的宝钢5 m轧钢机机架铸件重380 t,钢液重量达706 t，其断面尺寸在1m以上，见图30随着我国钢铁行业热轧、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提供了大量的市场需求，同时也对铸件产品的质量提出了更高的要求。

                               
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图3 5m轧钢机机架铸件(380 t)
Fig. 3 A heavy mill stand casting   (5 m,  380 t)
2.2 国外市场需求
    随着经济的发展和对环境的要求，发达国家部分大型铸件生产制造的重心已经逐渐向发展中国家转移，世界制造业的加工基地也逐渐向发展中国家转移。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，凭借着不断提高的技术实力和相对较低的劳动力成本，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计划，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发展，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，我国应该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，发展技术含量高、附加值高的出口产品，提高产品在国际市场上的竟争力。
3 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，形状复杂，截面厚薄悬殊口这类铸件常处于高温、高压工作状态，对其性能及质量要求非常严格，尤其对高温性能要求更加严格。铸件从小做到大，不是简单的仿制和机械式的放大;使用条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复杂的系统工程，生产满足国内需求的高精尖产品必然涉及到众多新材料、新工艺、新技术，其制造过程中的关键技术也必然涉及到材料加工过程中的众多领域和方面。
3.1 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精确控制技术，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术的发展，无论是国内还是国外都在向高纯度钢液获得技术发展。大型铸钢件生产中，钢液的冶炼基本淘汰平炉设备，主要发展电炉，特别是发展高功率直流电弧炉，并积极推广应用炉外精炼和真空处理技术等进行二次精炼。
    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控制又是保证浇注顺利关键环节，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、RH炉法、VD炉法等普遍为一些大型重机厂所采用。采用这些设备可以有效脱碳、脱硫、去除钢液中的[H]，[0]，[N]等气体杂质，实践表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、冷轧双板轧机机架的生产过程中，钢液的冶炼采用转炉+LF或srcF炉精炼，通过确定合理的精炼工艺，在熔炼过程中一次性提供足够的精炼钢液，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，脱碳非常困难，因此对于这类合金的精炼通常需采用特殊的方法，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，通过恰当控制工艺，可以冶炼[Cr]20%--30%，[C+N]<=100μg/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、材质的成分控制方面具有优势。目前，我国重机行业也已拥有一批炉外精炼设备，在生产中发挥了重大作用;但是从总的情况来看，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发展阶段。
    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:①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、抗疲劳性能及焊接性能；②超声波探伤达到CCH70-3及ASTM A609标准中Φ3当量1级要求;③抗汽蚀性能比普通砂型铸造提高30% ；④毛坯加工余量小，材料利用率高，达78%以上；⑤电渣熔铸工艺可生产单件重0.1--20 t的电渣熔铸特种铸件。近年来，沈阳铸造研究所已为三峡等几十个国内外大中型电站提供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然有许多技术难题需要攻克。
3.2 铸造工艺技术
    大型铸件生产周期长、工序复杂，一般要经历众多工序(如图4所示)，合理设置其铸造过程中各项工艺是决定铸件最终成功铸造的关键要素。

                               
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图4 大型铸件生产过    Fig. 4 Production process of heavy casting
3.2.1 造型工艺 大型铸件造型大都采用地坑造型，可以将砂箱置于地坑中，也可以不用砂箱直接在地坑中造型。大型铸钢件通常具有厚大断面和高压头，加上铸件凝固过程中铸件/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表面粘砂等缺陷。因而大型铸钢件对铸型的高温力学性能、型砂材料的抗粘砂能力有极高的要求。
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，但铸件表面质量差，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采用铬铁矿砂等特种砂，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离技术也是一项关键性技术。
3.2.2 浇注工艺
浇注过程控制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采用多包、多水口同时挠注。浇注技术的关键包括:①严格控制钢液的浇注温度和补浇钢液的温度；②合理采用引流方式，避免引流砂落人型腔内，同时为确保水口开启的快速顺利，加强钢包的烘烤、引流砂型的烘烤与灌装；③控制精炼时间等以及对于多水口开启步调的一致性也需严格控制。
对于特大型铸钢件，其技术关键之一是如何保证铸件凝固顺序和铸件的充分补缩，这是控制铸造缺陷、获得优质大型铸钢件的重要条件。考虑到充分补缩，通常需要合理设置冒口，并配合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控制凝固顺序均有较大影响。为提高冒口补缩效果，除尽量用保温冒口、和高效覆盖剂外，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，另一方面也可以一定程度上解决熔炼能力不足的问题。
3.2.3 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掌握，也是保证获得铸件基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结构等多方面因素有关。目前我国企业对这方面的预测和控制大多仍然依靠经验。
总之，大型铸钢件铸造工艺复杂，涉及关键技术较多，需要较长时间的技术积累和储备，同时，也需要引进国外企业的先进工艺、先进技术进行消化和吸收。
3.3 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可避免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，严重影响了其力学性能。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，一是消除或减小铸造应力，二是改善组织以获得满意的力学性能(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，故通常需要较严格的热处理工艺，常用的热处理规范有退火、正火、正火+回火等。
3.4 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、热处理等过程进行模拟分析，据有关资料，一个新产品的问题60%以上可以在设计阶段消除，国际上90%的机械产品和装备都要采用模拟技术分析。大型铸钢件的常见缺陷为缩孔缩松、裂纹、残余应力和残余变形、偏析等。因此铸件凝固过程数值模拟技术也围绕着这些缺陷的预测，在传热、流动、应力、传质等方面开展研究。
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。并密切结合长江三峡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行了研究。这些研究在铸件缩孔、缩松形成机理等方面取得一系列创新性成果。目前，缩孔、缩松的问题通过采用凝固模拟手段并结合经验积累已经基本解决。
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、刘小刚等采用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行了轧钢机机架、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预测研究，为工厂的生产提供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形情况的模拟计算，模拟中采用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的确定提供了定量参考。2005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展开合作，借助数值模拟手段预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研究性工作，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，模拟出了铸锭中C元素的负偏析和正偏析，如图6所示。

                               
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图5 大型水轮机下环变形及收缩量模拟预测Fig. 5 Radial shrinkage and deformation prediction of a band casting
目前，国内铸造企业越来越重视数值模拟技术在辅助工艺设计中的重要作用，许多企业包括重机厂已经初步普及了凝固模拟技术中的温度场计算和缩孔缩松预测。国内FT-STAR、华铸CAE ,国外Magamasoft,Procast等凝固过程数值模拟软件在国内铸造企业中已经比较广泛地得到应用。缩孔、缩松的问题通过采用凝固模拟手段并结合经验积累已经基本解决。但是，热应力分析以及在此基础上的裂纹预测、残余应力和变形预测尚未成熟，没有普及应用。铸件的偏析等仍然处于研究阶段，距离实用还有一定的距离。

                               
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图6 凝固后的c溶质场分布比较
Fig. 6 The distribution of carbon after solidification
4 结束语
(1)面对未来5--10年中我国大型铸钢件领域中巨大的需求，国外制造商都在加速研发、扩大产能以争取中国市场份额，国内的企业更应抓住机遇，采取积极的应对措施，在竞争中迎接挑战。
(2)高校应与企业紧密结合，组织大型铸件制造关键技术与装备研制等联合攻关项目，加大科研与技术开发的投人，并建立以企业为主体的产、学、研相结合的合作创新体系。
(3)应通过引进技术，积极进行消化、吸收和再创新，发挥各方面的优势力量，掌握大型装备制造业中的关键技术与核心技术，努力提高我国大型铸钢件制造水平。