我国大型铸锻件行业发展回顾与展望

李骏骋

(1.中国重型机械工业协会大型铸锻件分会，四川618000；2.二重(德阳)重型装备有限公司，四川618000)

大型铸锻件行业是我国重要的工业基础之一，是关系国家安全和国民经济命脉的战略性行业。国家一直高度重视大型铸锻件行业的发展，特别是改革开放40余年来，行业获得了前所未有的高速发展，取得了一系列重要成果，制造设备数量、等级和生产规模都达到了世界第一，为国家重要装备和重大工程提供了坚强保障。

本文总结和介绍了我国大型铸锻件行业近30余年来取得的进步，分析行业发展面临的挑战，对行业创新发展和可持续发展提出了一些建议。

1 行业发展情况和主要成就

1.1 生产能力得到大幅提升

我国大型铸锻件行业的自主发展，得益于新中国成立后国家迅速推进重工业和国防工业体系建设，到20世纪80年代末，大型铸锻件行业具备了一次性提供500 t钢水、300 t钢锭、300 t铸件、200 t锻件的能力，骨干企业年产规模在钢水10万吨、锻钢件3.5万吨、铸钢件1.5万吨水平，但生产设备和生产模式仍然较为落后，国内仅有3台万吨自由锻水压机[1]以及100 t·m模锻锤、3万吨模锻水压机。自由锻主要依靠300 t级行车配合翻钢机进行生产，生产效率低，产品质量控制水平受限，“肥头大耳”情况严重；冶炼还主要依靠平炉炼钢，大型钢包精炼设备刚开始建设使用。

近30年，我国工业的迅猛发展促进了大型铸锻件行业的发展。现在，我国具备了一次性提供900 t优质钢水、700 t钢锭、500 t铸件、400 t锻件的极限制造能力，代表性企业年产出规模无论在钢水还是在锻钢件、铸钢件等方面均跃上了一个新的台阶。火电铸锻件供应能力从年11.5 GW左右[2]提高到60 GW以上(近年来火电增速大幅降低，如果市场需求规模足够，火电铸锻件年供应能力应该在100 GW以上)。

主要骨干企业拥有800 MN模锻压机、185 MN油压机、160 MN水压机等万吨自由锻压机为代表的锻压设备群，配备750 t·m等规格大型锻造操作机，基本已实现压机与操作机的联动；建成了大型筒节轧机、16 m环轧机、垂直挤压机等专用成形设备，并逐步实现批量化生产。全国拥有8 MN～50 MN自由锻压机351台，60 MN～90 MN自由锻压机35台，万吨以上自由锻压机25台，80 MN以上模锻液压机30台，6 m以上轧环机15台，万吨以上挤压机12台[3]。行业在20世纪90年代起开展了平改电技术改造，现已配备成系列电炉、150 t钢包精炼炉、700 t级真空浇注室，450 t、125 t电渣重熔炉等先进冶炼设备，具备了常规钢种50 t～700 t、低碳不锈钢60 t～300 t的双真空能力，以及3 t～150 t下注锭和10 t～320 t电渣重熔锭制造能力。

1.2 热加工极限制造技术取得巨大进步

(1)冶炼铸锭技术方面。随着冶炼技术和检测水平的进步，化学成分控制精度大幅提升，C元素从距离目标值的±0.01%提高到目前的±0.002%，P+S+H+O+N稳定的控制在≤100×10-6(最低可达到70×10-6)，As、Sn、Sb、Cu等达到材料痕迹值。掌握了超纯净钢冶炼(低P、低S、低O)、低硅控铝钢冶炼、特大型优质双真空钢锭制造、超低碳不锈钢冶炼(C可达到0.002%以下)、100 t级大型不锈钢特殊材料电渣重熔等关键技术，开发了包覆式铸锭、无痕构筑等增材制坯新技术[4]。图1为50 t级电渣重熔锭，材质为13Cr9Mo2Co1NiVNbNB，B、Si、Al等易烧损元素实现精确控制，氧含量控制在10×10-6～15×10-6范围内。

图1 50t级特殊材质电渣重熔锭Figure 1 50 t class electroslag remelting ingot with special material

图2 核电一体化异形水室封头整锻成形
Figure 2 Complete forging of head of nuclear power integrated special-shaped water chamber

(2)铸造技术方面。材质特殊、材料性能要求高的复杂结构件的铸造能力大幅提升，掌握了全树脂砂造型工艺，复杂空间曲面铸件在线三维检测，超(超)临界9%～12%Cr不锈钢材料铸件制造，700 MW～1000 MW级大型水电全套铸件制造，大型导叶铸件的电渣熔铸工艺，大型冶轧设备铸件、砧座特厚大实心铸件制造，大直径薄壁环形铸件尺寸变形控制等技术。

(3)锻造技术方面。锻造尺寸规格大幅提高，钢锭利用率从约50%提高到近70%。配套加热炉群和蓄热炉得到广泛应用，加热能耗比原来降低30%以上；开发运用了激光测量等高温在位检测技术；掌握了特大钢锭高效锻透压实工艺，特大型锻件缺陷修复与预防理论及工艺控制，大型奥氏体不锈钢晶粒度控制，大型复杂构件模具设计与近净成形工艺等关键技术。

(4)热处理技术方面。针对大型锻件尺寸和重量的增大，为满足性能的精准控制，开发掌握了分区热处理工艺技术、微合金化和晶粒细化关键技术、亚温淬火、较高碳当量合金钢双液淬火、超大模数齿条表面淬火及热处理防变形等关键技术[5]。

(5)其他特殊成形技术方面。近年来，行业持续推进一体化锻造、模锻化成形等技术的研究和应用，包括带内外台阶大型筒体锻件的仿形锻造成形技术、带直边锥形筒体锻件成形技术、以锻代铸核电泵壳锻造成形技术、多类型异形复杂一体化封头锻造成形技术、带非均布多管嘴变截面异形筒体锻造成形技术、带多管嘴超低碳控氮奥氏体不锈钢整锻成形技术、特大型压力容器异形过渡段收口锻造成形技术、超大尺寸筒(环)锻轧组合成形技术等。图2为核电一体化异形水室封头整锻成形。

(6)试验研究和数值模拟方面。大力推广运用辅助手段开展研究和生产，引进和应用了DEFORM、Procast、Sysweld、JmatPro等主流模拟软件，为开展工艺仿真试验研究、高端大型铸锻件工艺研发及传统工艺优化与改进提供理论支撑。具备极限无损检测能力，超声检测从单一的脉冲-反射法到衍射时差法(TOFD)和相控阵，从纯手工检测发展到机械、半自动和自动检测，开发了中心孔磁粉和超声检测技术。

1.3 产品开发取得全面突破

20世纪80年代，我国大型铸锻件产品等级主要为：具备300 MW火电、300 MW水电、300 MW核电、4200 mm轧机部分铸锻件制造能力，开始研制国产化600 MW火电铸锻件[2]。高端、大规格关键铸锻件主要依靠进口。

目前，我国大型铸锻件产品取得全面突破，产品品种极大丰富、产品等级大幅提升、质量水平稳健进步，水电、火电、核电等部分重要产品居于国际先进水平，高端产品比例得到较大幅度提升。

能够生产常规机组、亚临界、超临界、600 MW～1000 MW超超临界火电机组成套铸锻件，三峡级700 MW～1000 MW水电机组全套铸锻件和400 MW等级抽水蓄能机组铸锻件，二代、二代加和AP1000、华龙一号、CAP1400为代表的第三代核电机型全套铸锻件，重型燃机转子体系列锻件和燃烧室、压气机、透平铸件等全套铸锻件，轧钢、锻压、水泥等领域大型铸钢件，加氢反应器、轧辊、高铁、风电、矿卡、石油钻采等领域铸锻件实现批量化，重型压力容器单台达2500 t级，C919大飞机在2018年底实现全套锻件国产化。代表性产品火电转子产品从合格率不足90%提高到一次合格率98%以上，支承辊硬度均匀性从±2HS提高到±1HSD、有效淬硬层深度提高30 mm以上。

开发和研制了一大批重大产品[6]，代表性的有620℃1000 MW超超临界中压内缸、Cr12型1000 MW级超超临界汽轮机高中压转子、白鹤滩1000 MW水电铸锻件、5.5 m宽厚板轧机支承辊、CAP1400和华龙一号核岛容器类锻件、堆内构件、主管道和核电发电机半速转子、300M钢主起外筒锻件、国产G50燃机转子锻件等。图3为CAP1400主管道热段A(整体锻造+冷弯成形)，图4为世界最高等级1000 MW水轮机分瓣式不锈钢上冠(用于白鹤滩水电站)，图5为300 MW燃机压气机超纯净钢轮盘，图6为超高转速抽水蓄能发电电动机转子中心体(用于长龙山抽水蓄能电站)。

图3 CAP1400主管道热段AFigure 3 Hot section A of CAP1400 main pipe

图4 1000 MW水轮机分瓣式不锈钢上冠
Figure 4 1000 MW hydraulic turbine divided disc type of stainless steel upper crown

图5 300 MW燃机压气机超纯净钢轮盘
Figure 5 Ultra-pure steel wheel disc of 300 MW gas turbine compressor

图6 超高转速抽水蓄能发电电动机转子中心体Figure 6 Rotor central body of ultra-high speed pumped storage motor

1.4 科技创新效果显著

(1)积极承担大量国家重大科技项目。国家发改委、工信部、科技部等有关主管部门，通过实施工业强基等重要战略规划和科技计划，指导大型铸锻件行业开展一系列基础共性技术研究、关键产品和材料开发、技术改造和产业升级活动，提升了我国大型铸锻件及制造装备的自主创新能力。30年来，行业主要骨干企业承担国家部级以上科技项目150项以上，代表性的项目有工业强基工程“一条龙”应用计划项目“超大型构件先进成形、焊接及加工制造工艺”，“十一五”国家科技支撑计划“大型铸锻件制造关键技术与装备研制”等。

(2)取得丰硕的技术成果。通过实施国家科技项目和企业科技创新，大型铸锻件制造关键技术与装备及共性技术方面取得丰硕的成果，行业主要企业获省部级以上科技奖项300项以上，其中“400 t锻焊结构热壁加氢反应器研制”、“150 MN锻造水压机”、“1100 MW级核电机组特大型半速发电机转子研制”等能源、航空领域、石化的代表性项目获国家科学技术奖一等奖和国家能源局科技进步一等奖。

(3)注重知识产权保护。大型铸锻件行业主要企业获得大型铸锻件相关专利500项以上，涵盖大型铸锻件生产工艺、设备工装、试验评价、模拟分析、质量控制和新材料等。

(4)持续推进标准化工作。大型铸锻件行业标准化工作开始于20世纪70年代，目前已基本形成融合开放的技术标准体系，大型铸锻件标委会归口管理87项，其中国家标准10项，行业标准77项，涵盖关键零部件、基础材料、检测评价和共性技术标准。其中最具代表性的发电设备大型铸锻件标准，已发布了1972、1985、1993、2002、2014共5个版本，标准数量由最初的7项增加到47项。

(5)长期开展行业交流。行业于1989年成立大型铸锻件行业协会，持续激发企业创新活力，推进行业技术进步、提升行业管理水平，为行业学术和管理交流建立起了良好的平台。

2 行业面临的发展形势

2.1 与国外同行的差距

(1)技术差距。我国大型铸锻件行业与国外的技术差距主要在材料的基础研究及新材料的开发方面。部分工艺技术深度实验研究不够，对关键制造工艺中关键点的控制仍然缺乏系统的生产试验验证和成熟、完整的数据库支撑；数字化、智能化、绿色化以及标准化工艺、量化操作规范等方面研究深度不足；原创性创新不足，特别是新材料开发仍以再创新+集成创新为主。

(2)产品结构差距。中低端锻件过剩，超超临界Cr12、FB2转子，630℃高温铸件和转子锻件，650～700℃高温铸件和转子锻件，1000 MW核电机组汽轮机焊接转子等为代表的顶级铸锻件缺乏竞争力或开发进程缓慢。

(3)质量成本差距。高端产品质量稳定性与国外先进企业存在差距，中低端锻件成本控制相比于国外先进企业缺乏竞争力。

(4)行业管理差距。行业集中度低[7]，造成大量重复性技术研究工作；企业管理手段较为传统，铸锻件制造成本偏高、制造周期长。

2.2 行业面临的形势

总体而言，我国经济发展面临的困难挑战和不确定、不稳定因素明显增多。大型铸锻件行业作为实体经济的重要组成部分，具有明显的重资产特征，在国内经济下行压力加大的大背景下，面临的困难相比其他行业还要更多。

(1)行业规模大而不强，面临双向挤压。虽然我国拥有25台万吨级以上自由锻压机，但设备开工率不足50%，远低于其他机械制造行业76%～79%的水平；一些行业企业形成了一些代表性的产品，但整个行业中低端产品竞争仍然严重，高端产品供给不足；行业人均劳动生产率低，多处于70万元～100万元水平，与国外的200万元～300万元还有很大差距。同时，我国大型铸锻件行业面临着来自国际高端市场和中低端市场的双向挤压，一方面，先进国家以较高的行业集中度、深厚的技术基础、主机设备市场位势和原创性热工技术创新体系等优势，长期主导着高端市场的话语权，另一方面，发展中国家用“中国智慧”发展劳动密集型业态造成中低端市场供给替代，如印度拉森特博洛公司、巴西盖尔道都在从先进国家引进热加工技术。

(2)处于转型升级道口，挑战和机遇并存。能源、矿山等传统行业市场规模大幅压缩，国内产能严重过剩、同质化竞争激烈，对行业企业生存带来严峻挑战，同时，随着世界经济格局发生深刻变化，新产业、新业态、新模式不断涌现，“一带一路”建设和装备“走出去”工程广泛、深入推进，又为行业带来新的市场机遇。人才流失、人员断档、技术技艺传承的危机已经愈演愈烈，同时，两化融合、工业机器人、数字化又为行业提供了新的工具。生产经营方式单一、工厂制管理模式仍然制约着企业经营管理，同时，我国深化国有企业改革、鼓励民营经济发展、发展服务型制造等为传统企业的变革提供了新的路径。

3 对行业发展的建议

(1)准确把握国家战略发展方向。大型铸锻件行业要始终牢记行业使命，要把行业发展摆在关系国家安全和国民经济命脉的重要战略位置，要把解决国家“有与无”，解决装备“好与不好”的问题，破解产业发展瓶颈，解决“卡脖子”难题作为首要任务。形成稳定的产-学-研-用联合、促进机制，积极融入和支撑国家重要战略实施和重大工程建设，积极争取政府的引导和政策、项目支持。紧紧围绕制造强国战略，为贯彻落实“中国制造2025”等国家重要政策规划中提出的大型飞机、航空发动机及燃气轮机、节能与新能源汽车、海洋工程装备及高技术船舶、核电装备等一系列高端装备创新工程提供坚强保障。

(2)注重发展质量。把可持续、高质量发展作为行业发展的主旋律，推进两化融合和虚拟制造，实施精益化生产，对内夯实管理基础，提升企业管理效能；开展产品结构升级，业务模式转型，积极开拓新兴领域和国际市场，推进差异化发展，合理配置行业生产资源，实现行业互利共赢；积极推广应用新技术和新工艺，探索运用“区块链思维”，确保数据不可篡改和全程可追溯，提升产品质量效益，增强用户对行业信赖度。

(3)增强技术基础。热加工技术是高度知识密集型的技术，要把大型铸锻件共性技术和基础研究作为保证行业持续进步的根本保障。持续开展钢锭纯净、致密、均质铸造，一体化、精确化和自动化锻造，智能化和节能化热处理，自动化检测，相变特性及组织与性能控制等技术研究和应用，以及重要产品和材料的研究开发，探索运用工业云、大数据、数字化设计与制造等新工具和新模式，提高研究效率，增强技术融合，形成行业技术合力。