大型铸锻件行业及热处理领域技术发展

李骏骋，蒋新亮，董涛



大型铸锻件行业及热处理领域技术发展

李骏骋，蒋新亮，董涛

（二重（德阳）重型装备有限公司，四川 德阳 618013）

介绍了国内外大型铸锻件行业及热处理领域的现状和发展趋势，分析了国内与国外同行业间存在的差距。在此基础上对国内大型铸锻件热处理领域的发展提出建议：积极开展热处理工艺及参数基础研究工作，注重热处理工艺及实施过程的精准化控制，提高热处理质量；注重热处理共性技术及基础研究、热处理组织与应力数值模拟分析、信息化及智能化在热处理领域的应用等；促进大型铸锻件材料研究和热处理技术的发展。

大型铸锻件；热处理；信息化及智能化

大型铸锻件是重大装备典型的关键构件，既可独立作为各行业大型设备的备品备件[1]，又可作为各行业重大装备的重要受力部件，而制造中的热处理环节，是决定大型部件材料性能、提高产品使用寿命和可靠性的关键[2]。

1 国内发展现状及趋势

整个“十一五”期间和“十二五”前期是我国大型铸锻件发展的黄金时期，市场需求增加和价格上升促使大型铸锻件制造企业在工艺装备水平、产品等级及生产能力等方面有了大幅提升，特别是极限制造能力得到了重大突破。借助近几年来的大量技改项目和设备投资，目前已具备浇注900 t钢水的铸件、700 t钢锭、400 t锻件的能力。同时为适应激烈的市场竞争，几乎所有的大型铸锻件企业都特别重视科研开发，产品优化升级和质量保证工作取得良好成效。近几年传统能源装备领域大型铸锻件基础材料研究不断取得突破，核电、超超临界火电机组、海洋工程等新兴领域也取得了长足进步，大型铸锻件正在向中高端转型，为重大装备的转型升级提供了强有力的支撑，其标志性的重大产品及技术进步主要有以下几个方面。

（1）二重装备、一重、上重建成了9000～11000 mm大型机械搅拌强冷淬火水槽，解决了超大锻件淬火冷却能力不足的问题，开发出了第三代核岛主设备用超大型锻件，并形成了批量生产能力，典型产品有CAP1400、华龙一号核岛主设备成套锻件、核电主管道等。解决了400 t级A508-3优质钢锭、大型复杂件如封头、锥形筒体、接管的成型和厚壁复杂件的晶粒细化和性能热处理问题，使A508钢的强度和韧性同时得到大幅提升，解决了大型主管道的粗晶问题；二重装备和一重研制出了4.2～5.5 m特大宽厚板支承辊，其差温淬火技术，处于国际同行前列；形成了完整的冷热连轧和宽厚板系列支承辊材料；启动了700℃超超临界机组高温合金大型铸锻件项目；开发出了双超石化加氢反应器锻件，解决了材料性能不稳定问题。

（2）二重装备研制出了核电常规岛发电机转子锻件，并形成稳定批量生产，解决了500～700 t级高纯钢锭制造、超大型钢锭锻造压实和晶粒控制、特大型锻件淬火应力控制及性能热处理关键技术，实现了极限制造技术的重大突破；研制出了全套1000 MW超超临界火电机组关键铸锻件，解决了10%Cr型转子锻件和汽缸铸件粗晶混晶及性能热处理技术问题；开发出的CB2汽缸；研制出了大型船用柴油机（95～98机）锻件，并经材料改进提升了性能和寿命。

（3）上重开发了大型核反应堆堆内构件，解决了超低碳不锈钢复杂件的锻造成型及防变形热处理技术；解决了以H13大型锻件（用于大型挤压机）为代表的模具钢组织优化和淬火与防止开裂技术；开发了金属高温汽冷堆锻件。

（4）以二重装备、一重和大连重工为主研制出的800 MW～1000 MW水电机组成套铸锻件，解决了特大型马氏体不锈钢铸件淬火、开裂及强度和韧性的匹配问题，解决了超大型水电轴类锻件的高强度和高韧性问题。

（5）中信重工装备了5000 mm井式渗碳炉，已生产出直径4000 mm的渗碳淬火齿圈。

（6）热处理数值模拟技术得到了深入的研究和更广泛的应用，对温度场、应力场、相变计算分析及淬火冷却介质流场模拟等已成为不可缺少的工艺研究工具，对复杂热处理工艺制定起到了重要的指导作用。

近几年来行业发展也面临着不少问题，目前不含停建和规划中的万吨以上自由锻液压机有25台之多，产能严重过剩，且高度重合和产品同质化的现状短时期内难以得到化解。另外，国际同行企业纷纷进入中国市场，抢占市场份额，导致市场竞争进一步加剧[3]。传统产品领域需求不足，新建和技改项目同步减少，行业主导产品价格有较大幅度下降。同时，能源、人工、资金、环境等要素成本不断上升，挤压了大型铸锻件制造企业的利润空间，大型铸锻件行业处于低谷期运行状态，但自2017年以来有所回升。

2 国外发展现状及趋势

国外大型铸锻件制造企业从注重产量向注重高技术含量方面发展，主动合并或重组以期做大规模、突出专长，从而增强了抵御风险的能力，目前逐步走向复苏。在高端铸锻件上，技术沉淀深厚，整体实力较强。

国外大型铸锻件的生产能力主要集中在日本、韩国、欧洲，生产制造方面处于先进水平的企业主要有JSW、韩国斗山重工等。其中JSW整体技术水平世界领先，德国萨尔锻造厂在超超临界高中压转子制造方面具有很大优势，而斗山重工生产规模世界最大。

日本JSW安装了大型核电转子锻件性能热处理用的井式炉和垂直喷射淬火设备，以及大直径环锻件和压头用的淬火槽。该企业最大可生产670 t钢锭，拥有成熟的600 t钢锭制造技术，具备生产百万千瓦等级核电核岛压力容器，火电和核电常规岛转子、汽缸、200 t锻钢支承辊等大型铸锻件产品的制造能力[4]。在镍基合金大型锻件研制方面上走在了前列，同时开发氢储存用高可靠性蓄压器、氢气压缩器，为今后氢能源汽车做好支撑。研发的国际热核聚变实验堆（ITER）用超导线圈箱用JJ1材料（12Ni- 12Cr-10Mn-5Mo-0.2N），应用于运行条件最为苛刻的TF线圈箱，要求极低温、强磁场环境下的强度、韧性及无磁性，采用ESR钢锭锻造，后续在1040～1056 ℃保温进行固溶热处理。

日本JCFC新配备130 MN油压＋450 t·m操作机，可实现同步激光测量。JCFC近年来通过大型设备的引进和制造技术的发展，建立了一个由650 t钢锭制造低压整体式转子轴和由145 t ESR锭制造高铬转子轴的制造系统。近些年，新装了1台立式淬火设备、7台井式炉、1台感应加热炉和其他热处理设备。可生产1000 MW级别的核电和火电超超临界机组的铸锻件，以及重型燃气轮机锻件等，10%Cr型转子是该公司出口全球的核心产品[4-5]。

韩国斗山重工新投资了170 MN压机并于2017年4月投产。配备有2台产能分别为100 t和30 t的电炉，还配备有2台155 t钢包精炼炉，每年可生产26万吨钢水和14万吨锻件产品。代表产品为核电整体低压转子，在核电压力容器、船用曲轴等方面有很好的业绩[6]。研发高端DPX1超级镜面模具钢，应用于汽车、家用电器领域。同时在压铸用DTX2和用于ESR工艺的DTX4取得突破。

德国萨尔公司是世界上最现代化的自由锻造企业之一，大约有1100名员工，致力于高端锻件的生产，核心业务为能源发电用大型转子，在超超临界高中压转子方面具有较大优势。新锻造车间在2010年5月启用，总投资规模达4.5亿欧元，新锻造车间的布局完全按照生产工艺流程来设计施工，且配备有最先进的从冶炼到精加工设备。新生产线由一台120 MN大型锻压机、一台100 t和一台200 t轨道式锻压操作机组成，配备有2台轨道式操作机的新锻压生产线具有较强的竞争力[7]。

欧洲在COST-FB2制造经验基础上，为了满足650℃火电机组的需要，重启了FB-2-2LN高耐热钢材料研究，准备将其用于650℃高中压转子锻件。

国外近几年开发了大型立式淬火设备，并对水槽循环流体运动进行模拟研究。为制造具有良好的抗疲劳能力与抗磨损性能的大型支承辊产品，配备了整体旋转感应加热＋喷水淬火设备。目前日本产支承辊单件的硬度波动可以控制在±1 HS。

行业发展有以下特点：

（1）加热炉、热处理炉智能化、运行过程可视化控制管理应用较广泛，在实现节能、提高效率上效果明显。采用聚合物淬火介质和各种水性淬火介质逐渐取代传统的淬火油，并开展新型冷却介质的开发与应用，例如采用冷却强度可调整的喷水－喷雾冷却技术，实现分区域、分时段的冷却强度智能控制。

（2）进行热处理工艺与材料的集成研究，满足产品极限服役性能。采用超纯净材料制造特大型铸锻件，在400℃以上可保持很好的抗回火脆性能力，具有好的高温断裂韧性和强度。为缩短渗碳时间，节约能源，开发出了1010℃ 以上的高温渗碳工艺和低压渗碳工艺。

（3）采用热处理计算机模拟技术预测工件在热处理中的应力变化和畸变，发展了高效优化的热处理技术，并建立预测模型，开发了热处理数值模拟软件工具与丰富的材料数据库。

（4）重视新材料开发以及工艺和配套设备系统性建设。

3 国内与国外同行业间存在的差距

3.1 工艺装备能力和技术水平

我国目前已基本建成了世界上最大等级的大型铸锻件生产基地，中低端产品供大于求，而高端产品供给不足，COST-E，FB2，9%～12%Cr等材料产品大部分依然需要进口。

国际上大型铸锻件产品的发展趋势是：产品规格大型化、制造技术精细化及技术指标极限化。制造技术的发展趋势是：钢锭规格超大型化、钢水质量超纯净化、锻造过程的精确化和自动化、热处理工艺过程智能化和节能化、检测手段的自动化以及数值模拟技术在各个热加工工序中得到普遍应用。

与国外同行业相比，我国大型铸锻件行业的整体生产装备能力和技术水平仍存在差距，主要表现在[8-9]：

（1）基础研究、新工艺和新材料的应用以及新技术新产品的研发能力相对薄弱，无法形成应用、开发、储备的技术梯度，高端产品质量还不稳定，重要技术装备仍然依靠进口。

（2）产品结构不合理，低档产品积压，高档产品相当部分不能稳定生产或不能生产，产品配套能力差，产品总量和生产能力不均衡，结构性矛盾比较突出。

（3）整个行业中低端设备占有率偏高，高端、先进设备投入不足，设备配套性较差，更新换代较慢，设备智能化程度低于国外先进企业。

（4）我国的大型铸锻件生产能力分散，企业多而散，综合能力弱，行业集约化程度不高，整个行业缺乏规模竞争的优势。

3.2 大型铸锻件热处理技术

多年来，我国在材料设计和体系建设上还比较缺乏完全自主化，材料、热处理工艺与服役性能关联方面的基础研究较弱，工艺创新不足，热处理研究手段比较简单，定性分析多，定量分析少。与此同时，国外对大型铸锻件热处理技术实施了封锁。当前国内与国外技术相比差距主要体现在以下方面：

（1）高端产品批量制造性能稳定性差，数据波动值相对较大，对超大型铸锻件热处理的控制仍缺乏比较准确的理论依据和基础数据支撑，限制了热处理对性能和组织的精准化控制。

（2）热处理工艺参数制定大部分还是凭现场经验积累，缺乏深入研究和实验支持，数值模拟技术应用较少，应用的专用计算软件缺乏配套材料数据库支撑，仿真模拟结果与实际生产结合不够紧密并且误差较大。

（3）材料、工艺标准体系不够完善，缺乏热处理量化操作规范，工艺实施过程比较粗放，可视化、智能化控制程度低，导致热处理效果不稳定，返修率较高。

（4）缺乏对产品制造过程的集成研究，如冶炼、锻造对材料及热处理结果的影响研究较少，不能充分发挥材料的潜力，引起性能指标不稳定。

（5）设备智能化、自动化程度不高，使用和维护不规范，蓄热式炉推广应用不足，劳动成本占比大，能耗较高。

（6）不少企业仍然用油作为淬火介质，并严重老化，使用效果不理想，且对环境有影响。

4 发展建议

目前，结合2025中国制造，国家层面已经出台了《中国热处理与表层改性技术路线图》，涉及特大型构件、虚拟热处理、感应热处理、淬火介质以及热处理设备等十多个方面，针对具体问题提出了5～15年技术发展目标[10]。

结合我国大型铸锻件热处理领域的特性，应对以下方面予以关注和重视：

（1）针对产品结构不合理的问题，应加大对高端产品的研制力度，开发FB2型620℃火电机组高中压转子，突破其大型钢锭的电渣重熔技术和优化材料的韧性指标；对高端H13模具钢锻件研究合理的成分配比和热处理工艺，进一步提高其强韧性和抗疲劳寿命；深入研究百万千瓦级水电不锈钢上冠、下环、叶片铸件的防变形与应力控制热处理技术，实现对其尺寸的精确控制并防止裂纹产生；继续开展核电A508-3材料大型锻件微观组织和性能关系研究，优化热处理工艺，提高落锤试验和冲击韧性指标的稳定性；开展大型加氢容器锻件及复杂形状核电容器类锻件精准成形和防变形热处理技术，减少锻件余量，提高材料利用率；开展连轧板带钢支承辊先进表淬设备和表淬热处理工艺研发，并将硬度偏差控制在HSC≤2范围内，减少工作层的硬度梯度，提高支承辊的使用寿命；针对大型水电主轴类锻件高性能指标，研究微合金化及先进的热处理工艺，满足三峡水电机组主轴高强韧指标要求；开展液化天然气及蓄氢装置用低温高韧性用钢材料研究，满足新能源容器锻件需要；要特别重视重型燃气轮机压气机和透平用大型铸锻件的研制，尽早形成批量生产能力，为燃机的国产化提供支撑。研发高端铸锻件，逐步取代进口，改变我国大型铸锻件产品结构不合理的局面，并鼓励企业间合并或重组，取长补短，在做精做强上下功夫，走出困境。

（2）注重热处理共性技术及基础研究，加强企业、院校间的合作与交流。根据大型铸锻件的特征，深入开展应力控制、大型工件内部应力对相变的影响、粗晶与混晶的形成规律、微合金化对宏观组织和性能的作用、偏析对组织与性能的影响等研究，并研究减少偏析的措施。研究计算机模拟，建立完善的虚拟平台，逐步完成模拟所需的材料数据库。注重模拟与热处理过程的验证对比，通过实测与工件解剖分析研究，不断积累数据，逐步提高计算模拟的准确度，为复杂工艺制定提供分析和指导，降低热处理过程风险并提高热处理质量。

（3）用信息化及智能化工具改造传统热处理设备，积极推广蓄热式加热炉和热处理炉，实现计算机控制及热处理过程可视化控制，保证热处理工艺的准确执行，并进一步降低能耗和人工成本；推广先进的淬火介质替代淬火油，提高冷却效果，减少污染。同时借助信息化技术，对生产数据与实际结果进行大数据归集、分析，建立信息化的知识模型，有利于技术规律的有效总结及再应用。

（4）注重热处理精益化操作，提高作业的规范性。“十二五”期间，国内重机厂采用了5S、TPM管理和全员职工教育等方式，以提升现场管理、热处理设备维护以及人员技能素养的水平，这些工作是开展精益作业的基础，需要持之以恒，养成严格按照工艺规范作业的良好习惯。同时还要严格控制产品全工艺流程。热处理工序并非决定材料性能的唯一因素，冶炼、铸造、锻造、焊接等工序都会对材料性能产生不同程度的影响，而且热处理时的组织转变与前面各道工序所形成的组织有密切关系，因此热处理精益控制离不开全流程作业控制。

（5）注重行业及热处理领域工艺技术标准化研究。要提高大型铸锻件产品性能的稳定性，应围绕具体产品，在热处理工艺技术规范的标准化方面进一步优化，平衡好质量、成本与制造周期间的关系，提高企业产品核心竞争力。另一方面要以全国大型铸锻件标准化技术委员会为平台，完善大型铸锻件热处理标准体系、提升标准整体水平，为热处理工艺制定提供依据。加大大型铸锻件基础材料标准的研究和对比分析，开展高端大型铸锻件材料研发试验验证规范性研究，为新材料原发性研究做好支撑。促进新型高端大型铸锻件材料的科研成果及时转化为标准，实现服务企业、规范行业和发展产业的目标。

[1]于海江. 推动大型设备铸锻件国产化[N]. 中国电力报，2015-03-19006.

[2]潘健生，顾剑锋，王婧. 我国热处理发展战略的探讨[J]. 金属热处理，2013，38（1）：4-14.

[3]王砚丹. 借助35亿债务重整利得二重重装扭亏[N]. 每日经济新闻，2016-04-11010.

[4]吕政. 上重公司大型铸锻件发展规划战略研究[D]. 上海：上海交通大学，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. 尚存六大差距中国铸锻件产业亟待升级[N]. 中国工业报，2006-09-11B04.

[9]王银毓. 我国大型铸锻件行业分析[J]. 对外经贸，2013（1）：79-81.

[10]中国热处理与表层改性技术路线图[J]. 金属热处理，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

李骏骋（1964－），男，四川绵阳人，本科，教授级高工，主要从事铸造工艺研究及企业管理工作。