大型鑄鍛件行業及熱處理領域技術發展

李駿騁，蔣新亮，董濤

?

大型鑄鍛件行業及熱處理領域技術發展

李駿騁，蔣新亮，董濤

（二重（德陽）重型裝備有限公司，四川 德陽 618013）

介紹了國內外大型鑄鍛件行業及熱處理領域的現狀和發展趨勢，分析了國內與國外同行業間存在的差距。在此基礎上對國內大型鑄鍛件熱處理領域的發展提出建議：積極開展熱處理工藝及參數基礎研究工作，注重熱處理工藝及實施過程的精準化控制，提高熱處理質量；注重熱處理共性技術及基礎研究、熱處理組織與應力數值模擬分析、信息化及智能化在熱處理領域的應用等；促進大型鑄鍛件材料研究和熱處理技術的發展。

大型鑄鍛件；熱處理；信息化及智能化

大型鑄鍛件是重大裝備典型的關鍵構件，既可獨立作為各行業大型設備的備品備件[1]，又可作為各行業重大裝備的重要受力部件，而制造中的熱處理環節，是決定大型部件材料性能、提高產品使用壽命和可靠性的關鍵[2]。

1 國內發展現狀及趨勢

整個“十一五”期間和“十二五”前期是我國大型鑄鍛件發展的黃金時期，市場需求增加和價格上升促使大型鑄鍛件制造企業在工藝裝備水平、產品等級及生產能力等方面有了大幅提升，特別是極限制造能力得到了重大突破。借助近幾年來的大量技改項目和設備投資，目前已具備澆注900 t鋼水的鑄件、700 t鋼錠、400 t鍛件的能力。同時為適應激烈的市場競爭，幾乎所有的大型鑄鍛件企業都特別重視科研開發，產品優化升級和質量保證工作取得良好成效。近幾年傳統能源裝備領域大型鑄鍛件基礎材料研究不斷取得突破，核電、超超臨界火電機組、海洋工程等新興領域也取得了長足進步，大型鑄鍛件正在向中高端轉型，為重大裝備的轉型升級提供了強有力的支撐，其標志性的重大產品及技術進步主要有以下幾個方面。

（1）二重裝備、一重、上重建成了9000～11000 mm大型機械攪拌強冷淬火水槽，解決了超大鍛件淬火冷卻能力不足的問題，開發出了第三代核島主設備用超大型鍛件，并形成了批量生產能力，典型產品有CAP1400、華龍一號核島主設備成套鍛件、核電主管道等。解決了400 t級A508-3優質鋼錠、大型復雜件如封頭、錐形筒體、接管的成型和厚壁復雜件的晶粒細化和性能熱處理問題，使A508鋼的強度和韌性同時得到大幅提升，解決了大型主管道的粗晶問題；二重裝備和一重研制出了4.2～5.5 m特大寬厚板支承輥，其差溫淬火技術，處于國際同行前列；形成了完整的冷熱連軋和寬厚板系列支承輥材料；啟動了700℃超超臨界機組高溫合金大型鑄鍛件項目；開發出了雙超石化加氫反應器鍛件，解決了材料性能不穩定問題。

（2）二重裝備研制出了核電常規島發電機轉子鍛件，并形成穩定批量生產，解決了500～700 t級高純鋼錠制造、超大型鋼錠鍛造壓實和晶?？刂?、特大型鍛件淬火應力控制及性能熱處理關鍵技術，實現了極限制造技術的重大突破；研制出了全套1000 MW超超臨界火電機組關鍵鑄鍛件，解決了10%Cr型轉子鍛件和汽缸鑄件粗晶混晶及性能熱處理技術問題；開發出的CB2汽缸；研制出了大型船用柴油機（95～98機）鍛件，并經材料改進提升了性能和壽命。

（3）上重開發了大型核反應堆堆內構件，解決了超低碳不銹鋼復雜件的鍛造成型及防變形熱處理技術；解決了以H13大型鍛件（用于大型擠壓機）為代表的模具鋼組織優化和淬火與防止開裂技術；開發了金屬高溫汽冷堆鍛件。

（4）以二重裝備、一重和大連重工為主研制出的800 MW～1000 MW水電機組成套鑄鍛件，解決了特大型馬氏體不銹鋼鑄件淬火、開裂及強度和韌性的匹配問題，解決了超大型水電軸類鍛件的高強度和高韌性問題。

（5）中信重工裝備了5000 mm井式滲碳爐，已生產出直徑4000 mm的滲碳淬火齒圈。

（6）熱處理數值模擬技術得到了深入的研究和更廣泛的應用，對溫度場、應力場、相變計算分析及淬火冷卻介質流場模擬等已成為不可缺少的工藝研究工具，對復雜熱處理工藝制定起到了重要的指導作用。

近幾年來行業發展也面臨著不少問題，目前不含停建和規劃中的萬噸以上自由鍛液壓機有25臺之多，產能嚴重過剩，且高度重合和產品同質化的現狀短時期內難以得到化解。另外，國際同行企業紛紛進入中國市場，搶占市場份額，導致市場競爭進一步加劇[3]。傳統產品領域需求不足，新建和技改項目同步減少，行業主導產品價格有較大幅度下降。同時，能源、人工、資金、環境等要素成本不斷上升，擠壓了大型鑄鍛件制造企業的利潤空間，大型鑄鍛件行業處于低谷期運行狀態，但自2017年以來有所回升。

2 國外發展現狀及趨勢

國外大型鑄鍛件制造企業從注重產量向注重高技術含量方面發展，主動合并或重組以期做大規模、突出專長，從而增強了抵御風險的能力，目前逐步走向復蘇。在高端鑄鍛件上，技術沉淀深厚，整體實力較強。

國外大型鑄鍛件的生產能力主要集中在日本、韓國、歐洲，生產制造方面處于先進水平的企業主要有JSW、韓國斗山重工等。其中JSW整體技術水平世界領先，德國薩爾鍛造廠在超超臨界高中壓轉子制造方面具有很大優勢，而斗山重工生產規模世界最大。

日本JSW安裝了大型核電轉子鍛件性能熱處理用的井式爐和垂直噴射淬火設備，以及大直徑環鍛件和壓頭用的淬火槽。該企業最大可生產670 t鋼錠，擁有成熟的600 t鋼錠制造技術，具備生產百萬千瓦等級核電核島壓力容器，火電和核電常規島轉子、汽缸、200 t鍛鋼支承輥等大型鑄鍛件產品的制造能力[4]。在鎳基合金大型鍛件研制方面上走在了前列，同時開發氫儲存用高可靠性蓄壓器、氫氣壓縮器，為今后氫能源汽車做好支撐。研發的國際熱核聚變實驗堆（ITER）用超導線圈箱用JJ1材料（12Ni- 12Cr-10Mn-5Mo-0.2N），應用于運行條件最為苛刻的TF線圈箱，要求極低溫、強磁場環境下的強度、韌性及無磁性，采用ESR鋼錠鍛造，后續在1040～1056 ℃保溫進行固溶熱處理。

日本JCFC新配備130 MN油壓＋450 t·m操作機，可實現同步激光測量。JCFC近年來通過大型設備的引進和制造技術的發展，建立了一個由650 t鋼錠制造低壓整體式轉子軸和由145 t ESR錠制造高鉻轉子軸的制造系統。近些年，新裝了1臺立式淬火設備、7臺井式爐、1臺感應加熱爐和其他熱處理設備?？缮a1000 MW級別的核電和火電超超臨界機組的鑄鍛件，以及重型燃氣輪機鍛件等，10%Cr型轉子是該公司出口全球的核心產品[4-5]。

韓國斗山重工新投資了170 MN壓機并于2017年4月投產。配備有2臺產能分別為100 t和30 t的電爐，還配備有2臺155 t鋼包精煉爐，每年可生產26萬噸鋼水和14萬噸鍛件產品。代表產品為核電整體低壓轉子，在核電壓力容器、船用曲軸等方面有很好的業績[6]。研發高端DPX1超級鏡面模具鋼，應用于汽車、家用電器領域。同時在壓鑄用DTX2和用于ESR工藝的DTX4取得突破。

德國薩爾公司是世界上最現代化的自由鍛造企業之一，大約有1100名員工，致力于高端鍛件的生產，核心業務為能源發電用大型轉子，在超超臨界高中壓轉子方面具有較大優勢。新鍛造車間在2010年5月啟用，總投資規模達4.5億歐元，新鍛造車間的布局完全按照生產工藝流程來設計施工，且配備有最先進的從冶煉到精加工設備。新生產線由一臺120 MN大型鍛壓機、一臺100 t和一臺200 t軌道式鍛壓操作機組成，配備有2臺軌道式操作機的新鍛壓生產線具有較強的競爭力[7]。

歐洲在COST-FB2制造經驗基礎上，為了滿足650℃火電機組的需要，重啟了FB-2-2LN高耐熱鋼材料研究，準備將其用于650℃高中壓轉子鍛件。

國外近幾年開發了大型立式淬火設備，并對水槽循環流體運動進行模擬研究。為制造具有良好的抗疲勞能力與抗磨損性能的大型支承輥產品，配備了整體旋轉感應加熱＋噴水淬火設備。目前日本產支承輥單件的硬度波動可以控制在±1 HS。

行業發展有以下特點：

（1）加熱爐、熱處理爐智能化、運行過程可視化控制管理應用較廣泛，在實現節能、提高效率上效果明顯。采用聚合物淬火介質和各種水性淬火介質逐漸取代傳統的淬火油，并開展新型冷卻介質的開發與應用，例如采用冷卻強度可調整的噴水－噴霧冷卻技術，實現分區域、分時段的冷卻強度智能控制。

（2）進行熱處理工藝與材料的集成研究，滿足產品極限服役性能。采用超純凈材料制造特大型鑄鍛件，在400℃以上可保持很好的抗回火脆性能力，具有好的高溫斷裂韌性和強度。為縮短滲碳時間，節約能源，開發出了1010℃ 以上的高溫滲碳工藝和低壓滲碳工藝。

（3）采用熱處理計算機模擬技術預測工件在熱處理中的應力變化和畸變，發展了高效優化的熱處理技術，并建立預測模型，開發了熱處理數值模擬軟件工具與豐富的材料數據庫。

（4）重視新材料開發以及工藝和配套設備系統性建設。

3 國內與國外同行業間存在的差距

3.1 工藝裝備能力和技術水平

我國目前已基本建成了世界上最大等級的大型鑄鍛件生產基地，中低端產品供大于求，而高端產品供給不足，COST-E，FB2，9%～12%Cr等材料產品大部分依然需要進口。

國際上大型鑄鍛件產品的發展趨勢是：產品規格大型化、制造技術精細化及技術指標極限化。制造技術的發展趨勢是：鋼錠規格超大型化、鋼水質量超純凈化、鍛造過程的精確化和自動化、熱處理工藝過程智能化和節能化、檢測手段的自動化以及數值模擬技術在各個熱加工工序中得到普遍應用。

與國外同行業相比，我國大型鑄鍛件行業的整體生產裝備能力和技術水平仍存在差距，主要表現在[8-9]：

（1）基礎研究、新工藝和新材料的應用以及新技術新產品的研發能力相對薄弱，無法形成應用、開發、儲備的技術梯度，高端產品質量還不穩定，重要技術裝備仍然依靠進口。

（2）產品結構不合理，低檔產品積壓，高檔產品相當部分不能穩定生產或不能生產，產品配套能力差，產品總量和生產能力不均衡，結構性矛盾比較突出。

（3）整個行業中低端設備占有率偏高，高端、先進設備投入不足，設備配套性較差，更新換代較慢，設備智能化程度低于國外先進企業。

（4）我國的大型鑄鍛件生產能力分散，企業多而散，綜合能力弱，行業集約化程度不高，整個行業缺乏規模競爭的優勢。

3.2 大型鑄鍛件熱處理技術

多年來，我國在材料設計和體系建設上還比較缺乏完全自主化，材料、熱處理工藝與服役性能關聯方面的基礎研究較弱，工藝創新不足，熱處理研究手段比較簡單，定性分析多，定量分析少。與此同時，國外對大型鑄鍛件熱處理技術實施了封鎖。當前國內與國外技術相比差距主要體現在以下方面：

（1）高端產品批量制造性能穩定性差，數據波動值相對較大，對超大型鑄鍛件熱處理的控制仍缺乏比較準確的理論依據和基礎數據支撐，限制了熱處理對性能和組織的精準化控制。

（2）熱處理工藝參數制定大部分還是憑現場經驗積累，缺乏深入研究和實驗支持，數值模擬技術應用較少，應用的專用計算軟件缺乏配套材料數據庫支撐，仿真模擬結果與實際生產結合不夠緊密并且誤差較大。

（3）材料、工藝標準體系不夠完善，缺乏熱處理量化操作規范，工藝實施過程比較粗放，可視化、智能化控制程度低，導致熱處理效果不穩定，返修率較高。

（4）缺乏對產品制造過程的集成研究，如冶煉、鍛造對材料及熱處理結果的影響研究較少，不能充分發揮材料的潛力，引起性能指標不穩定。

（5）設備智能化、自動化程度不高，使用和維護不規范，蓄熱式爐推廣應用不足，勞動成本占比大，能耗較高。

（6）不少企業仍然用油作為淬火介質，并嚴重老化，使用效果不理想，且對環境有影響。

4 發展建議

目前，結合2025中國制造，國家層面已經出臺了《中國熱處理與表層改性技術路線圖》，涉及特大型構件、虛擬熱處理、感應熱處理、淬火介質以及熱處理設備等十多個方面，針對具體問題提出了5～15年技術發展目標[10]。

結合我國大型鑄鍛件熱處理領域的特性，應對以下方面予以關注和重視：

（1）針對產品結構不合理的問題，應加大對高端產品的研制力度，開發FB2型620℃火電機組高中壓轉子，突破其大型鋼錠的電渣重熔技術和優化材料的韌性指標；對高端H13模具鋼鍛件研究合理的成分配比和熱處理工藝，進一步提高其強韌性和抗疲勞壽命；深入研究百萬千瓦級水電不銹鋼上冠、下環、葉片鑄件的防變形與應力控制熱處理技術，實現對其尺寸的精確控制并防止裂紋產生；繼續開展核電A508-3材料大型鍛件微觀組織和性能關系研究，優化熱處理工藝，提高落錘試驗和沖擊韌性指標的穩定性；開展大型加氫容器鍛件及復雜形狀核電容器類鍛件精準成形和防變形熱處理技術，減少鍛件余量，提高材料利用率；開展連軋板帶鋼支承輥先進表淬設備和表淬熱處理工藝研發，并將硬度偏差控制在HSC≤2范圍內，減少工作層的硬度梯度，提高支承輥的使用壽命；針對大型水電主軸類鍛件高性能指標，研究微合金化及先進的熱處理工藝，滿足三峽水電機組主軸高強韌指標要求；開展液化天然氣及蓄氫裝置用低溫高韌性用鋼材料研究，滿足新能源容器鍛件需要；要特別重視重型燃氣輪機壓氣機和透平用大型鑄鍛件的研制，盡早形成批量生產能力，為燃機的國產化提供支撐。研發高端鑄鍛件，逐步取代進口，改變我國大型鑄鍛件產品結構不合理的局面，并鼓勵企業間合并或重組，取長補短，在做精做強上下功夫，走出困境。

（2）注重熱處理共性技術及基礎研究，加強企業、院校間的合作與交流。根據大型鑄鍛件的特征，深入開展應力控制、大型工件內部應力對相變的影響、粗晶與混晶的形成規律、微合金化對宏觀組織和性能的作用、偏析對組織與性能的影響等研究，并研究減少偏析的措施。研究計算機模擬，建立完善的虛擬平臺，逐步完成模擬所需的材料數據庫。注重模擬與熱處理過程的驗證對比，通過實測與工件解剖分析研究，不斷積累數據，逐步提高計算模擬的準確度，為復雜工藝制定提供分析和指導，降低熱處理過程風險并提高熱處理質量。

（3）用信息化及智能化工具改造傳統熱處理設備，積極推廣蓄熱式加熱爐和熱處理爐，實現計算機控制及熱處理過程可視化控制，保證熱處理工藝的準確執行，并進一步降低能耗和人工成本；推廣先進的淬火介質替代淬火油，提高冷卻效果，減少污染。同時借助信息化技術，對生產數據與實際結果進行大數據歸集、分析，建立信息化的知識模型，有利于技術規律的有效總結及再應用。

（4）注重熱處理精益化操作，提高作業的規范性?！笆濉逼陂g，國內重機廠采用了5S、TPM管理和全員職工教育等方式，以提升現場管理、熱處理設備維護以及人員技能素養的水平，這些工作是開展精益作業的基礎，需要持之以恒，養成嚴格按照工藝規范作業的良好習慣。同時還要嚴格控制產品全工藝流程。熱處理工序并非決定材料性能的唯一因素，冶煉、鑄造、鍛造、焊接等工序都會對材料性能產生不同程度的影響，而且熱處理時的組織轉變與前面各道工序所形成的組織有密切關系，因此熱處理精益控制離不開全流程作業控制。

（5）注重行業及熱處理領域工藝技術標準化研究。要提高大型鑄鍛件產品性能的穩定性，應圍繞具體產品，在熱處理工藝技術規范的標準化方面進一步優化，平衡好質量、成本與制造周期間的關系，提高企業產品核心競爭力。另一方面要以全國大型鑄鍛件標準化技術委員會為平臺，完善大型鑄鍛件熱處理標準體系、提升標準整體水平，為熱處理工藝制定提供依據。加大大型鑄鍛件基礎材料標準的研究和對比分析，開展高端大型鑄鍛件材料研發試驗驗證規范性研究，為新材料原發性研究做好支撐。促進新型高端大型鑄鍛件材料的科研成果及時轉化為標準，實現服務企業、規范行業和發展產業的目標。

[1]于海江. 推動大型設備鑄鍛件國產化[N]. 中國電力報，2015-03-19006.

[2]潘健生，顧劍鋒，王婧. 我國熱處理發展戰略的探討[J]. 金屬熱處理，2013，38（1）：4-14.

[3]王硯丹. 借助35億債務重整利得二重重裝扭虧[N]. 每日經濟新聞，2016-04-11010.

[4]呂政. 上重公司大型鑄鍛件發展規劃戰略研究[D]. 上海：上海交通大學，2015.

[5]Osamu Matsumoto. Recent Trends and Developments in the Heavy Open-Die Forging Industry in Japan[C]. 20thIFM, Congress Graz，Austria，2017：38-47.

[6]JOONG-HE OH，SE-HYUN JANG. Open Die Forging Market and Industry Overview in Korea[C]. 20thIFM，Congress Graz，Austria，2017：48-59.

[7]Dieter Bokelmann. Development Since 2014 in the Open Die Forging Industry in Austria, Germany, Sweden and Switzerland Mainly in Association with the Steel Institute Vdeh[C]. 20thIFM，Congress Graz，Austria，2017：13-21.

[8]王孜. 尚存六大差距中國鑄鍛件產業亟待升級[N]. 中國工業報，2006-09-11B04.

[9]王銀毓. 我國大型鑄鍛件行業分析[J]. 對外經貿，2013（1）：79-81.

[10]中國熱處理與表層改性技術路線圖[J]. 金屬熱處理，2015，40（8）：217-218.

Technology Development of Large-Scale Casting and Forging Industry and Heat Treatment Field

LI Juncheng，JIANG Xinliang，DONG Tao

( Erzhong (Deyang) Heavy Equipment Co.,Ltd., Deyang 618013, China )

The status quo and development trend of large-scale casting and forging industry and heat treatment field at home and abroad are introduced, and the gap between domestic and foreign industries is analyzed. On this basis, the following suggestions are made for the development of domestic large-scale casting and forging heat treatment: tightly grasp the heat treatment process research work, pay attention to heat treatment lean production, pay attention to heat treatment quality; pay attention to heat treatment common technology and basic research, carry out heat treatment organization and stress numerical simulation analysis, strengthen technical exchanges in the industry; pay attention to the application of information technology and intelligent heat treatment technology; focus on industry and heat treatment field operation and process technology standardization research, and promote the scientific research results of new high-end large-scale casting and forging materials can be converted into standards in time.

large castings and forgings；heat treatment；information and intelligent

F416.4

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.12.020

1006－0316 (2018) 12－0073－06

2018－08－29

李駿騁（1964－），男，四川綿陽人，本科，教授級高工，主要從事鑄造工藝研究及企業管理工作。