《鑄造技術(shù)路線(xiàn)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(dòng)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(duì)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(shì)，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。可以通過(guò)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(shì)，在價(jià)格和經(jīng)濟(jì)性方面有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

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(chē)及車(chē)輛。機(jī)車(chē)車(chē)輛中的車(chē)輪、側(cè)架、搖枕、車(chē)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(chē)輛。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的主動(dòng)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(dòng)機(jī)支架、制動(dòng)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(guó)小型批量鑄件已普遍采用造型線(xiàn)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(xiàn)主要設(shè)備制造水平偏低，生產(chǎn)線(xiàn)先進(jìn)程度及技術(shù)含量有待提高。

我國(guó)的大型鑄鋼件生產(chǎn)企業(yè)大部分是國(guó)有大中型企業(yè)。能夠生產(chǎn)200 t級(jí)以上鑄鋼件的只有少數(shù)幾個(gè)廠家。國(guó)內(nèi)一些企業(yè)在大型鑄件領(lǐng)域開(kāi)展了大量研發(fā)和探索工作，取得了一批具有國(guó)際先進(jìn)水平且擁有自主知識(shí)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(duì)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(guó)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(shù)脂自硬砂（呋喃及堿酚醛樹(shù)脂自硬砂）。國(guó)內(nèi)一些主要大型鑄件生產(chǎn)企業(yè)已逐步完成使用樹(shù)脂砂工藝的技術(shù)改造。對(duì)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(guó)鑄鋼市場(chǎng)產(chǎn)能過(guò)剩，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)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(chǎng)處于劣質(zhì)低價(jià)惡性競(jìng)爭(zhēng)局面。

2）中端市場(chǎng)鑄件利潤(rùn)越來(lái)越低小，質(zhì)量要求越來(lái)越嚴(yán)。

3）高端市場(chǎng)雖有較高利潤(rùn)，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(shí)，產(chǎn)品鑄造技術(shù)以拿來(lái)引進(jìn)為主。

隨著勞動(dòng)力成本和鑄造原材料成本的增加，鑄件的價(jià)格反而越來(lái)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(guó)家相比，主要差距表現(xiàn)為：

1）對(duì)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(guò)程中針對(duì)有害元素及標(biāo)準(zhǔn)成分的優(yōu)化問(wèn)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(guó)內(nèi)鑄鋼領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)包括以下幾個(gè)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(guò)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(guò)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(guò)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(dòng)地研發(fā)新材料鑄件，逐步取代進(jìn)口，提高中國(guó)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(kāi)展高端鑄件的材料及制造工藝的研究。

6）開(kāi)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(guò)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(kāi)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(guó)的船舶行業(yè)是應(yīng)用雙相不銹鋼較早的行業(yè)，同時(shí)也是我國(guó)應(yīng)用雙相不銹鋼最主要的行業(yè)之一，如2002年我國(guó)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(guó)雙相不銹鋼使用量的1/3[1]，我國(guó)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(bào)道則較少。

在我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號(hào)及化學(xué)成分》中列入了11種雙相不銹鋼的牌號(hào)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(hào)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(duì)于其他化學(xué)成分的鑄造雙相不銹鋼，包括國(guó)外引進(jìn)的和國(guó)內(nèi)研發(fā)的各種化學(xué)成分的鑄造雙相不銹鋼，其牌號(hào)則是參照我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 221—2008《鋼鐵產(chǎn)品牌號(hào)表示方法》和GB/T 5613—2014《鑄鋼牌號(hào)表示方法》。

我國(guó)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(guó)現(xiàn)有船用鑄造雙相不銹鋼的牌號(hào)還比較少，現(xiàn)有牌號(hào)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(dòng)性、線(xiàn)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(jiǎn)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(kāi)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(jí)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(wèn)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(duì)應(yīng)該材質(zhì)的造型材料、鑄態(tài)焊補(bǔ)材料的開(kāi)發(fā)，鑄造雙相不銹鋼將廣泛用于對(duì)耐蝕性要求較高的石化管道、化工、造紙、建筑、海洋平臺(tái)、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(mǎn)足力學(xué)性能同時(shí)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(shì)（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(shì)以及新的標(biāo)準(zhǔn)和牌號(hào)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)并將初級(jí)產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為最終成品的過(guò)程，最終說(shuō)服市場(chǎng)、設(shè)計(jì)人員、終端用戶(hù)和制造商對(duì)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(lái)，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(shì)，要獲得質(zhì)量好、強(qiáng)度高的大型鍛件勢(shì)必需要優(yōu)質(zhì)大型鋼錠。隨著鍛件的大型化發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)大型鋼錠的質(zhì)量要求也越來(lái)越高[4-5]。

大型鋼錠的主要缺陷有裂紋[6]、非金屬（主要來(lái)自耐火材料）夾雜、縮松、合金元素偏析等。我國(guó)大型鑄鍛件制造中的材料利用率僅為50%～55%，低于國(guó)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(wèn)題。

近年來(lái)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(guó)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(kāi)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(jí)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(guó)內(nèi)的中國(guó)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(tái)臺(tái)海瑪努爾核電設(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(zhǎng)期的高速運(yùn)行過(guò)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(huì)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(duì)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(guó)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(jí)別的鋼錠鮮有成功案例，而且對(duì)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(guò)軋制方法焊合，對(duì)最終產(chǎn)品危害較大；

2）大型夾雜，如在出鋼和澆注過(guò)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(shí)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(shí)間的延長(zhǎng)，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(huì)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(jí)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?jī)?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(lèi)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(guó)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(kāi)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(guó)外非常重視9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼的開(kāi)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(guó)內(nèi)的電站裝備汽輪機(jī)其材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用極大部分停留在570℃等級(jí)，而600℃～620℃等級(jí)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(guó)內(nèi)鑄造行業(yè)分別于2007年和2013年取得了600℃～620℃等級(jí)材料鑄鋼件自主生產(chǎn)的突破，并形成對(duì)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(guó)外這方面的材料生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)，10年前就已開(kāi)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(guò)程中，而未來(lái)的應(yīng)用市場(chǎng)是在中國(guó)。

2.3.2 挑戰(zhàn)

我國(guó)在消化吸收國(guó)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(kāi)發(fā)了改良型9%～12%Cr鋼鑄件材料，如ZG12Cr9Mo1VNbN，ZG12Cr10Mo1W1NiVNbN等（見(jiàn)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(duì)于620℃等級(jí)的新型耐熱鋼鑄件ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB（見(jiàn)表 1）.我國(guó)目前只有極少數(shù)鑄造企業(yè)開(kāi)發(fā)與研究，國(guó)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(guó)首臺(tái)套安徽田集電廠的660 MW二次再熱汽輪機(jī)和國(guó)電江蘇泰州電廠的世界首臺(tái)套620℃等級(jí)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(guó)“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(guó)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(duì)于毛重超過(guò)40 t的高壓進(jìn)氣缸、中壓內(nèi)缸等大型鑄鋼件，目前國(guó)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(guò)程的化學(xué)成分控制、鑄件后處理的裂紋清除、個(gè)別性能指標(biāo)，尤其是短時(shí)持久性能，難以滿(mǎn)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(lài)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(guó)核電用鑄鋼件國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；電站裝備汽輪機(jī)產(chǎn)品升級(jí)新材料的研究與開(kāi)發(fā)；燃?xì)廨啓C(jī)鑄鋼件產(chǎn)品的自主技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，建議制定我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)鑄鋼件國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；大型艦船動(dòng)力裝置與渦輪汽輪機(jī)鑄鋼件的自主開(kāi)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(guó)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(jí)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(kāi)發(fā)和支持服務(wù)；973國(guó)家自主創(chuàng)新的中小型燃?xì)廨啓C(jī)、國(guó)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(dòng)力裝置汽輪機(jī)配套與開(kāi)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(kāi)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(shì)，相關(guān)技術(shù)在世界各國(guó)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(jiǎn)單的圓錠、板坯到形狀復(fù)雜的渦輪盤(pán)、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?lài)嵉拇蠹?，涵蓋面廣、應(yīng)用價(jià)值高[8]。例如我國(guó)自主生產(chǎn)開(kāi)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(gè)耗材過(guò)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(duì)于形狀復(fù)雜的鑄件，由于公共型腔過(guò)小無(wú)法保證有效充型，導(dǎo)致電渣熔鑄只能鑄造形狀簡(jiǎn)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(kāi)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(dòng)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(chǎng)推廣需要解決的主要問(wèn)題是：

1）大型曲面異形件板坯（寬厚比≥15）長(zhǎng)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(zhǎng)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(wèn)題。

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

移動(dòng)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(guò)程與鑄件結(jié)構(gòu)、電渣熔鑄參數(shù)之間的關(guān)系。移動(dòng)自耗電極熔化的金屬液體對(duì)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(dòng)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(chǎng)分布特點(diǎn)，以及對(duì)鑄件充型質(zhì)量的影響。

3）大型電渣熔鑄件質(zhì)量評(píng)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(duì)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(duì)于典型電渣熔鑄件的服役性評(píng)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(kāi)始局部試點(diǎn)應(yīng)用并體現(xiàn)優(yōu)勢(shì)，從理論及制造角度的品質(zhì)優(yōu)勢(shì)向?qū)嶋H工程應(yīng)用過(guò)渡，逐漸形成針對(duì)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(hù)普遍認(rèn)可，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá)到50%以上，國(guó)際市場(chǎng)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(xiàn)圖

技術(shù)路線(xiàn)圖如圖1.

圖1 技術(shù)路線(xiàn)圖

圖1 技術(shù)路線(xiàn)圖