铸 钢

《铸造技术路线图》摘录

1 概述

在机械制造业中，铸钢的应用颇为广泛，其高强度和良好的韧性，适用于制造承受重载荷、冲击以及振动等特殊工况的部件。

铸钢件的特点之一是设计的灵活性，设计人员对铸件的形状和尺寸有最大的设计选择自由。与目前普遍采用的锻造、焊接成形相比，铸钢件具有短流程、高效、精确成形的优势，非常适合于生产形状复杂、高强度的铸件。随着目前钢液精炼水平的不断提高，铸钢材料合金化水平的进步，特种铸造方法的日趋成熟，铸钢件的力学性能已达到同材质锻轧材的标准要求。

其二是铸钢件熔炼制造适应性和可变性最强，可以选择不同化学成分和组织，适应各种不同工程的要求。可以通过不同的铸件热处理工艺在较大的范围内选择力学性能和使用性能，并有良好的焊接性和加工性。

其三是铸钢材料的各向同性和铸钢件整体结构性较强，因而提高了工程可靠性。另外其减轻重量的设计和交货期短等优势，在价格和经济性方面有竞争优势。

铸钢件适用范围广，主要有以下几方面。

（1）电站设备。电站设备中的高压进气缸、高中压排气缸、超高压阀体、高压内缸等是高技术产品。

（2）铁路机车及车辆。机车车辆中的车轮、侧架、摇枕、车钩等关键部件，都是传统铸钢件。辙岔是承受剧烈冲击的部件，目前均采用高锰钢铸造。

（3）建筑、工程机械及其他车辆。运动系统中的主动轮、承重轮、摇臂、履带板、挖掘机斗齿等。

（4）矿山设备。破碎机颚板、球磨机锤头及衬板等耐受冲击磨损的零件均为高锰钢铸件，机架则多为碳钢或低合金钢铸件。

（5）锻压及冶金设备。锻压机械的机座、十字架、横梁、机架和冶金设备的轧钢机架、轴承座等重要零件均为铸造成形的铸钢件。

（6）航空及航天设备。飞机起落架壳体、发动机支架、制动器支撑板等。

此外，在高压容器设备、船舶农用机械、油井及化工设备、医疗机械、海洋装备等领域铸钢件的适用性也十分广泛。

目前我国小型批量铸件已普遍采用造型线生产，并初步具备以典型产品为核心的质量技术体系。但生产线主要设备制造水平偏低，生产线先进程度及技术含量有待提高。

我国的大型铸钢件生产企业大部分是国有大中型企业。能够生产200 t级以上铸钢件的只有少数几个厂家。国内一些企业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。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。大型铸钢件生产中，钢液的冶炼主要以电炉，特别是发展高功率直流电弧炉为主，并积极推广炉外精炼和真空处理技术等进行二次精炼。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吹气硬化和有机脂硬化）、树脂自硬砂（呋喃及碱酚醛树脂自硬砂）。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。对于特大型铸钢件的成形工艺，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。另外数值模拟技术已广泛应用于工艺设计中。

目前我国铸钢市场产能过剩，市场竞争越来越激烈，许多中小企业面临重新洗牌局面。呈现如下的特点：

1）低端市场处于劣质低价恶性竞争局面。

2）中端市场铸件利润越来越低小，质量要求越来越严。

3）高端市场虽有较高利润，但缺少自主技术创新的能力和高端人才队伍及核心铸造工艺技术。

4）出口产品受技术条件及汇率影响，致使许多企业不敢涉及。

5）中小企业缺乏产学研合作的意识，产品铸造技术以拿来引进为主。

随着劳动力成本和铸造原材料成本的增加，铸件的价格反而越来越低。所以企业的根本出路是提高技术和管理水平，生产高附加值的铸件。

与工业发达国家相比，主要差距表现为：

1）对材料冶炼中化学成分控制，特别是有害微量元素和钢的纯度控制水平不高。

2）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。

3）数值模拟虽然在铸造行业应用多年，但是一些核心算法以及工程参数还不够精细，造成分析结果不能准确指导生产。

4）在某些高端铸件冶炼过程中针对有害元素及标准成分的优化问题，工程数据缺乏。未建立起以服役条件为指导的质量及制造体系。

目前国内铸钢领域的发展趋势包括以下几个方面：

1）钢液冶炼，向高纯度钢液技术发展，严格控制冶炼过程，控制S、P和夹杂物含量。采用钢液的精炼提高钢液质量。

2）在铸造工艺设计过程中，采用计算机模拟技术，应模拟铸件的浇注、凝固过程，从而优化铸造工艺，提高铸件质量。

3）紧跟机械行业装备领域转型发展的需求，积极主动地研发新材料铸件，逐步取代进口，提高中国铸钢件生产整体水平。

4）加强产业结构调整与优化，形成合理经济规模。

5）加强技术进步，提高技术创新能力，开展高端铸件的材料及制造工艺的研究。

6）开展绿色铸造技术，提高清洁化生产水平，提高铸钢件生产过程后处理工序的机械化与智能化操作水平。

2 关键技术

2.1 海洋工程用铸造双相不锈钢材料开发

2.1.1 现状

双相不锈钢除了高强度之外，还耐孔蚀、抗晶间腐蚀，尤其是在氯离环境下耐应力腐蚀，因此特别适合做海水环境下工作的零部件。我国的船舶行业是应用双相不锈钢较早的行业，同时也是我国应用双相不锈钢最主要的行业之一，如2002年我国建造的化学液货船使用了 200 t的022Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢，占当年全国双相不锈钢使用量的1/3[1]，我国的船用双相不锈钢使用中，如货舱壁，管系等构件，其形状多为板、带、管等，适合采用轧制或锻造工艺，这方面的技术发展也比较成熟。但也有一些形状复杂的件，如阀体、叶轮[2]、导叶[3]等，则适合采用铸件，而核电、船舶、海洋工程用铸造双相不锈钢研究和应用的报道则较少。

在我国国家标准GB/T 20878—2007《不锈钢和耐热钢牌号及化学成分》中列入了11种双相不锈钢的牌号和化学成分，这11种双相不锈钢并未规定所采用的制造方法，即这些牌号和化学成分范围既适用于轧材和锻材，也适用于铸材，而对于其他化学成分的铸造双相不锈钢，包括国外引进的和国内研发的各种化学成分的铸造双相不锈钢，其牌号则是参照我国国家标准GB/T 221—2008《钢铁产品牌号表示方法》和GB/T 5613—2014《铸钢牌号表示方法》。

我国船舶行业应用铸造双相不锈钢较早，采用铸造双相不锈钢的主要是一些形状复杂的构件，如阀体、泵壳、叶轮等。

2.1.2 挑战

目前我国现有船用铸造双相不锈钢的牌号还比较少，现有牌号的双相不锈钢轧材和锻材的生产工艺技术已经比较成熟，但铸造双相不锈钢的一些基本数据如化学成分范围的上下限、铸造性能（流动性、线收缩和体收缩等）、耐腐蚀性能、力学性能技术指标要求，甚至热处理工艺，都简单地套用双相不锈钢轧材和锻材的技术指标，需进一步开展铸造双相不锈钢尤其是含有高氮（0.2%～0.35%N，有的也含W和C u）的具有更高的耐蚀性和力学性能的铸造超级双相不锈钢的研究工作，制定出符合铸件技术条件要求的化学成分范围和制备工艺，铸造双相不锈钢存在的一些问题，如气体敏感性，尚未完全弄清其作用机理，需进一步研究和分析。

2.1.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

伴随铸造双相不锈钢组织及相关耐蚀性研究的深入，以及对应该材质的造型材料、铸态焊补材料的开发，铸造双相不锈钢将广泛用于对耐蚀性要求较高的石化管道、化工、造纸、建筑、海洋平台、能源、淡水处理等工业领域。在建筑工程中，双相不锈钢的进一步应用在满足力学性能同时还具有美观、耐用、环保、维护费用低等特点。在石油、天然气等设备应用中，双相不锈钢表现出色，尤其在耐点蚀和缝隙腐蚀性能方面优于标准奥氏体不锈钢。在生物燃料工业，双相不锈钢也将得到快速的发展。

2）预计到2030年，要达到的目标：

铸造双相不锈钢将凭借其良好的成本优势（与含镍量较高的奥氏体不锈钢相比）和质量稳定性，并以成功的工程案例展现其优异性能、成本优势以及新的标准和牌号，实现设计并将初级产品转化为最终成品的过程，最终说服市场、设计人员、终端用户和制造商对其的广泛应用，进而在不锈钢领域里占有一席之地。

2.2 大型钢锭的纯净、致密、均质铸造技术

2.2.1 现状

近年来，随着核电、火电等现代工业领域的飞速发展，大型化是现代锻造生产的发展趋势，要获得质量好、强度高的大型锻件势必需要优质大型钢锭。随着锻件的大型化发展趋势，对大型钢锭的质量要求也越来越高[4-5]。

大型钢锭的主要缺陷有裂纹[6]、非金属（主要来自耐火材料）夹杂、缩松、合金元素偏析等。我国大型铸锻件制造中的材料利用率仅为50%～55%，低于国外的70%～75%，所以大型钢锭材料利用率偏低也是亟待解决的问题。

近年来大型钢锭在生产技术上的研究也有了很大的进展。中国科学院金属研究所主持了“大型合金钢锭及铸锻件缺陷与组织控制[7]”项目，发现夹杂物是形成A型偏析缺陷的根源，发展了宏观偏析形成理论，在该基础上开发多包延迟浇注、多梯度稳态热冒口及低氧纯净化控制技术。控制100 t级30Cr2Ni4MoV低压转子用钢锭的碳偏析在±0.02%之内、铸态缺陷当量小于φ3 mm，国内的中国第一重型机械集团公司、上海重型机器厂有限公司、烟台台海玛努尔核电设备股份有限公司等企业先后配备了电渣重熔炉用于高端大型钢锭的生产。

2.2.2 挑战

与中、小型钢锭相比，大型钢锭产品有其不同的工况条件，如火电和核电设备的转子采用大型钢锭制作，要求其在长期的高速运行过程中，能承受大的工作应力，并具有高的可靠性；核电站的压力容器工作中会受到中子辐射，将导致钢材脆化等。这些极端的工作条件对大型钢锭的质量提出了更严格的要求，包括控制杂质元素以及低的气体和夹杂物含量，减小偏析，使钢锭化学成分均匀等。然而钢锭越大，性能要求就越难达到。目前国内制备大型钢锭主要有传统模铸和电渣重熔两种方法，而电渣重熔在直径2 000 mm以上（约200 t）级别的钢锭鲜有成功案例，而且对于缺陷的成因尚在探索之中（偏析及晶粒粗大等）。传统模铸条件下，钢锭所表现的缺陷主要在以下几方面：

l）白点和发纹，这是由于钢液中氢的形为而造成的钢锭内部裂缝，从而成为裂纹源，且不能通过轧制方法焊合，对最终产品危害较大；

2）大型夹杂，如在出钢和浇注过程中，耐火材料被侵蚀而致钢锭内带有夹杂物；

3）不均匀性（偏析），由于钢液的组成元素多样，这些元素的溶解度在液相和固相中不同，导致钢锭凝固时发生了溶质再分配，造成钢锭内部成分不均匀（偏析），而且随着钢锭的增大以及凝固时间的延长，这种成分偏析就愈严重。钢液在模具中凝固后，体积收缩会形成缩孔和疏松，这些缺陷随着钢锭吨位越大而越严重。

2.2.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

大型模铸钢锭（200 t以上）工艺出品率提升至78%以上。中间包及浇注系统产生的夹杂物及氧化夹杂减少30%以上，C成分偏差控制在0.06%以下。在保证凝固质量的前提下，电渣100 t级重熔锭冶金质量达到目前炉外精炼水平。

2）预计到2030年，要达到的目标：

大型模铸钢锭（200 t以上）工艺出品率提升至80%以上。中间包及浇注系统产生的夹杂物及氧化夹杂减少70%以上，C及合金元素成分偏差控制在0.04%以下。电渣重熔400 t及超大钢锭稳定生产，小吨位（400 t以下）电渣重熔锭冶金质量优于炉外精炼。

2.3 超超临界、二次再热超超临界汽轮机高合金耐热钢铸件制造

2.3.1 现状

随着蒸汽参数的不断提高，汽缸等汽轮机部件用高温铸件材料也已经从耐高温580℃的Cr-Mo-V钢发展成各类耐高温600℃的9%～12%Cr和耐高温620℃的Z G13Cr9Mo2C o1Ni V N b N B高合金耐热马氏体不锈钢，国内外企业及研究人员将耐热钢铸件的品质提升定位于新材料的研发、微量元素精确点控制及冶金质量提升。

与传统的1%Cr的Cr MoV钢铸件相比，新开发的9%～12%Cr马氏体耐热钢铸件的使用温度提高约50～60℃。但是，9%～12%Cr马氏体耐热钢的成分非常复杂，采用这种钢制造汽缸、阀壳等大型厚壁铸件的难度也大大增加。因此，国外非常重视9%～12%Cr铁素体耐热钢的开发和应用研究，比如欧洲的CO S T501、522、536计划等，日本的T O S系列9%～12%Cr马氏体耐热钢高温铸件研发计划等。

国内的电站装备汽轮机其材料开发与应用极大部分停留在570℃等级，而600℃～620℃等级只有上海电气集团实现产业化突破，应用在660 MW～1 000 MW超超临界与二次再热高效超超临界的燃煤火电汽轮机上，极少数企业在国内铸造行业分别于2007年和2013年取得了600℃～620℃等级材料铸钢件自主生产的突破，并形成对二次再热超超临界汽轮机机组核心铸件产品的配套与服务。国外这方面的材料生产技术领先于国内，10年前就已开发和研究，主要是在欧洲，但实际商业运行的汽轮机还在进一步试验与验证过程中，而未来的应用市场是在中国。

2.3.2 挑战

我国在消化吸收国外超临界、超超临界汽轮机汽缸、阀壳用高温铸件材料技术的基础上，开发了改良型9%～12%Cr钢铸件材料，如ZG12Cr9Mo1VNbN，ZG12Cr10Mo1W1NiVNbN等（见表1），并且已经采用这些材料广泛制造温度达600℃的超超临界汽轮机阀壳、汽缸等部件。目前，对于620℃等级的新型耐热钢铸件ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB（见表 1）.我国目前只有极少数铸造企业开发与研究，国内只有上海宏钢电站设备铸锻有限公司实现了产业化批量生产，并已经应用于我国首台套安徽田集电厂的660 MW二次再热汽轮机和国电江苏泰州电厂的世界首台套620℃等级二次超超临界汽轮机机组中。二次再热汽轮机技术是我国“十二五”六大创新成就展的核心技术突破之一，然而我国制造的耐高温600℃材料9%～12%Cr钢和耐高温 620℃材料ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB耐热钢铸件还存在制造生产数量与质量的局限性，对于毛重超过40 t的高压进气缸、中压内缸等大型铸钢件，目前国内状况是铸造工艺稳定性差，性能热处理工艺技术未突破，特别是ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB耐热钢铸件，超100 t的钢液冶炼及精炼过程的化学成分控制、铸件后处理的裂纹清除、个别性能指标，尤其是短时持久性能，难以满足材料标准的要求，如高压进气缸、中压内缸等核心铸件还是依赖进口，严重制约超超临界汽轮机机组制造质量和周期的服务与配套，包括上述耐高温马氏体不锈钢材料的汽轮机大型转子目前全部由欧洲极少数供应商垄断。

2.3.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

电站装备核电汽轮机铸件产品与服务，建议修订我国核电用铸钢件国家标准；电站装备汽轮机产品升级新材料的研究与开发；燃气轮机铸钢件产品的自主技术开发与应用，建议制定我国燃气轮机铸钢件国家标准；大型舰船动力装置与涡轮汽轮机铸钢件的自主开发与应用；电站装备大型超超与二次再热超超临界汽轮机铸件产品与服务，建议修订大型超超临界汽轮机用铸钢件国家标准等。

2）预计到2030年，要达到的目标：

表1 耐高温600℃、610℃、620℃马氏体高合金不锈钢新材料成分

400 MW、600 MW、800 MW、1 000 MW等级系列以上第四代高温反应堆电站设备汽轮机机组铸钢件配套与开发和支持服务；973国家自主创新的中小型燃气轮机、国家重大项目高温反应堆氦气透平装置、大型舰船重大动力装置汽轮机配套与开发和支持服务；核电、超超临界、二次再热超超临界超大型汽轮机机组大型铸件的自主化生产配套与服务；更新一代的耐高温620℃以上的大型二次再热超超临界汽轮机新材料铸钢件的开发与应用等；300 MW以上重型燃气轮机机组超耐高温热部件导流体、轮毂高镍合金钢铸钢件的自主化生产与服务。

2.4 大型曲面等异形件电渣熔铸成形技术

2.4.1 现状

电渣熔铸最大的特点是集精炼与铸造于一体，可以有效去除钢中的S、P等有害元素、氮氢氧等有害气体以及非金属夹杂物，得到金属纯净、组织致密、成分均匀的理想组织[8]。

鉴于电渣熔铸的显著优势，相关技术在世界各国获得了极大的发展，广泛用于耐高温、耐高压、高强度、耐腐蚀、耐疲劳等要求的铸件生产中，产品从形状简单的圆锭、板坯到形状复杂的涡轮盘、水轮机导叶、大型整体曲轴、火电阀体、复合轧辊，从实心的圆锭到空心的管坯件，从几十克的小件到几百吨的大件，涵盖面广、应用价值高[8]。例如我国自主生产开发的电渣熔铸水轮机导叶已成功地应用于三峡等水电站[9]。

电渣熔铸是个耗材过程，常规的电渣熔铸需要自耗电极沿着公共型腔连续送入结晶器熔化，对于形状复杂的铸件，由于公共型腔过小无法保证有效充型，导致电渣熔铸只能铸造形状简单的铸件。技术人员一直在努力尝试使用电渣熔铸方法铸造形状复杂的铸件，开发出了电渣熔铸一步成形、分步成形等工艺技术（包括电渣焊接成形技术），推动了电渣熔铸的发展，为电渣熔铸在形状复杂铸件上的应用奠定了基础。总结以往各种工艺技术，主要存在两方面不足：工艺十分复杂，难以操作；工艺不稳定。故用电渣熔铸铸造复杂形状铸件未取得实质性进展。

2.4.2 挑战

为了实现电渣熔铸的工艺稳定性和可操作性，新工艺方法的应用及控制更加重要。进行大型曲面异形件、其他电渣异形件的稳定制造及市场推广需要解决的主要问题是：

1）大型曲面异形件板坯（宽厚比≥15）长程稳定成形

提升大型电渣熔铸设备变压器输出精度，增加电极空间自由度，调整熔渣高温特性，解决长程（24 h以上）、渐变功率、窄间隙（电极与结晶器距离≤30mm）熔铸的渣池及熔池稳定性问题。

2）无公共型腔异形件电渣熔铸固定、移动电极成形关键技术

移动自耗电极熔化的金属液体向固定自耗电极下部金属熔池内补充过程与铸件结构、电渣熔铸参数之间的关系。移动自耗电极熔化的金属液体对铸件顶部的补缩能力与铸件结构、熔铸工艺参数之间的关系。移动自耗电极和固定自耗电极双重熔化条件下的金属熔池温度场分布特点，以及对铸件充型质量的影响。

3）大型电渣熔铸件质量评判及相关标准的建立

电渣熔铸与传统砂型铸造及锻造具有不同的凝固模式，急需建立针对电渣熔铸成形手段的热处理制度、检验方法及标准。另外，对于典型电渣熔铸件的服役性评判还需要工程数据积累。

2.4.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标：

大型复杂曲面异形电渣熔铸件（10 t以上），取代常规砂型铸件，在水电等高端行业开始局部试点应用并体现优势，从理论及制造角度的品质优势向实际工程应用过渡，逐渐形成针对电渣熔铸件的产品标准体系。

2）预计到2030年，要达到的目标：

大型复杂曲面异形电渣熔铸件将得到终端客户普遍认可，国内市场占有率达到50%以上，国际市场占有率达到30%以上。相关标准基本健全。在大型冶金轧辊、耐热钢、泵阀等核心关键部件上电渣熔铸异形件将获得行业的认可。

3 技术路线图

技术路线图如图1.

图1 技术路线图

图1 技术路线图