發(fā)揮電渣冶金的優(yōu)勢，大力開發(fā)大型鑄鍛件

耿茂鵬，唐建軍，饒 磊，張 瑩

(南昌大學(xué) 機電工程學(xué)院，南昌 330031)

發(fā)揮電渣冶金的優(yōu)勢，大力開發(fā)大型鑄鍛件

耿茂鵬，唐建軍，饒 磊，張 瑩

(南昌大學(xué) 機電工程學(xué)院，南昌 330031)

詳細闡述了當(dāng)前在電力、石化、冶金等領(lǐng)域大型鑄鍛件發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢;分析了國內(nèi)大型鑄鍛件能力水平與國際先進水平的差距和當(dāng)前大型鑄鍛件市場的巨大需求;建議發(fā)揮電渣冶金的優(yōu)勢，大力開發(fā)大型鑄鍛件，以適應(yīng)市場的需求

電渣冶金;大型鑄鍛件

1 重大裝備極端化趨勢對大型鑄鍛件的要求

裝備制造業(yè)的一個突出技術(shù)發(fā)展趨勢是極端制造，一方面是朝超微超精發(fā)展，另一方面是朝超大發(fā)展。以發(fā)電設(shè)備為例，火電機組今后發(fā)展將以600 MW和1 000 MW級的超臨界、超超臨界機組為主;核電將以1 000 MW級以上機組為主;水電將以混流式700 MW級以上機組和用于抽水蓄能的軸流式機組為主。電力、石化、冶金等領(lǐng)域裝備大型化、復(fù)雜化對大型鑄鍛件行業(yè)提出了更高要求.

核電核島鑄鍛件，核島部分的壓力殼、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器的殼體和管板普遍采用低合金鋼鍛件，在1 000 MW級核電機組中，無論是二代加，還是三代AP1000、EPR，都含有大量技術(shù)要求高、規(guī)格大、形狀復(fù)雜的鑄鍛件.

超純凈汽輪機低壓轉(zhuǎn)子鍛件，為滿足超超臨界汽輪機組高參數(shù)設(shè)計要求，其回火脆性是技術(shù)關(guān)鍵，目前國內(nèi)尚屬空白.國外已用超純凈35NiCrMoV鋼取代傳統(tǒng)用鋼，鋼錠必須采用真空精煉和真空澆注，以保證化學(xué)成分的純凈和均勻性.

超臨界機組高中壓復(fù)合轉(zhuǎn)子，要求制造兼具高中壓功能的復(fù)合轉(zhuǎn)子，難點是要求整體轉(zhuǎn)子兩端有不同的性能.該技術(shù)的關(guān)鍵是選擇合適的化學(xué)成分，和采用特殊的熱處理方法.國外更多采用超純凈冶煉技術(shù)和新材料，轉(zhuǎn)子質(zhì)量在100 t左右，所需鋼錠超過了200 t.

大型混流式水輪機鑄鍛件，三峽工程采用的700 MW機組是目前世界上最大功率等級的水輪機組，其不銹鋼水輪機轉(zhuǎn)輪直徑達到了9.8m，質(zhì)量達500 t，上冠、下環(huán)和葉片不僅需要大容量的不銹鋼冶煉設(shè)備和精煉鋼水設(shè)備，而且對冶煉工藝要求也很高.三峽工程中主要依靠進口，國內(nèi)只有鞍重、大重華銳等少數(shù)企業(yè)攻關(guān)成功.目前，三峽開發(fā)總公司正在論證烏東德、白鶴灘電站采用1 000 MW水輪機組的可行性，一旦實施，對水電大型鑄鍛件又提出了新的要求.

大型抽水蓄能水輪機鑄件，大型軸流式水輪機葉片鑄件的制造是關(guān)鍵.這種葉片通常采用不銹鋼制造，尺寸大，各處截面尺寸相差很大，型線要求嚴(yán)格，重達幾十噸，對煉鋼、澆鑄、熱處理設(shè)備和工藝都有特殊要求.

石化、冶金裝備和造船領(lǐng)域，也需要越來越大、越來越重的鑄鍛件，如大型鍛焊結(jié)構(gòu)加氫反應(yīng)器，一重生產(chǎn)的世界最大的單臺重量已超過2 000 t.5.5 m寬厚板軋機的支撐輥凈重230 t，需要600 t級鋼錠目前國內(nèi)不具備生產(chǎn)能力;其機架作為整體鑄件，凈重410 t.組合式船用曲軸長度可達18 m，重量達到300 t.

2 國內(nèi)大型鑄鍛件能力水平與國際先進水平的差距

在生產(chǎn)能力上，世界上大型鑄鍛件的生產(chǎn)能力主要集中在日本、韓國、中國和歐洲.日本每年鍛件生產(chǎn)量在75萬t左右，日本JSW整體技術(shù)水平世界領(lǐng)先，2007年產(chǎn)鍛件8.7萬t，它擁有600 t級鋼錠制造能力，裝備有兩臺300 t煉鋼天車、100 t電渣重熔爐.韓國產(chǎn)量在90萬t左右.韓國斗山重工生產(chǎn)能力世界最大，2007年，生產(chǎn)鍛件12萬t.法國克魯索公司擁有空心鋼錠制造技術(shù)，在筒形鍛件制造上獨占鰲頭.中國能夠提供大型鑄鍛件的主要企業(yè)是一重、二重和上重.2007年一重鍛件產(chǎn)量11萬t，二重7萬t，上重5萬t.在生產(chǎn)能力上，無法滿足國內(nèi)旺盛的市場需求.像火電設(shè)備汽輪機、發(fā)電機每年需要的轉(zhuǎn)子幾百根，前幾年80%以上都依靠進口.這么大的市場拱手讓人，其中原因既有水平不行，也有能力不足.

在勞動生產(chǎn)率方面，國內(nèi)企業(yè)與國外先進企業(yè)仍有較大差距.拿一重與韓國斗山相比，2007年，一重產(chǎn)值約12億美元，斗山48億美元，一重職工超出10 000人，斗山只有5 000人左右，相比而言，一重的勞動生產(chǎn)率僅相當(dāng)于斗山的1/8.在技術(shù)水平方面，中國企業(yè)還有一定的差距，部分大型、復(fù)雜鑄鍛件尚未攻關(guān)成功，只能依靠進口.

3 大型鑄鍛件市場需求巨大，國內(nèi)外供不應(yīng)求

未來10～15年將是中國推進工業(yè)化的關(guān)鍵時期，電力、石化、冶金、船舶等行業(yè)都將繼續(xù)快速發(fā)展，孕育著對大型鑄鍛件的空前需求.在核電裝備領(lǐng)域，根據(jù)中國核電中長期發(fā)展規(guī)劃，到2020年核電裝機容量將達到4萬MW.近兩年已經(jīng)或即將開工建設(shè)的二代改進型和三代1 000 MW級核電機組在20臺以上.法國在其核電建設(shè)高峰期最多年份開工建設(shè)10臺左右，中國每年開工建設(shè)量將會創(chuàng)造世界核電發(fā)展史上新記錄.一套1 000 MW壓水堆核電機組核島部分的反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器的殼體及管板、主管道鍛件按3億元計算，平均每開工建設(shè)10臺核電機組，大型鑄鍛件市場就在30億元以上.

在火電裝備領(lǐng)域，到 2007年年底，全國71.3萬MW裝機容量中火電占到了77%以上，特別是近年新增裝機中，80%以上是火電.按照現(xiàn)在發(fā)展態(tài)勢，今后中國火電建設(shè)速度將會適當(dāng)放緩.即便如此，未來若干年每年火電裝機也都會維持在大約5萬MW，預(yù)計每年火電鍛件年均需求量在2萬t左右.

在水電裝備領(lǐng)域，按水電發(fā)展規(guī)劃，國內(nèi)15年內(nèi)將新增單機容量500 MW級以上大型水電機組近400臺，每年平均新裝30臺500 MW級以上大型水電機組，每臺大型水電機組需要大型鍛件200～240 t，年鍛件市場需求在6 000～7 000 t.

在石化裝備領(lǐng)域，預(yù)計中國原油加工能力2010年達到4億t，2020年達到5億t左右，為此將新建和改造20多個千萬噸級大型煉油廠，預(yù)計每年需鍛焊結(jié)構(gòu)的厚壁重型容器30臺左右，其中千噸級以上加氫反應(yīng)器占1/3.

在煤化工裝備領(lǐng)域，神華集團已在內(nèi)蒙古開工建設(shè)中國第一座年產(chǎn)油品500萬t的煤液化工程，一期工程第一條線為 100萬 t/a.每套100萬t/a的裝置需要加氫反應(yīng)器12臺，其中2 000 t級超大型加氫反應(yīng)器就有4臺.此外，煤制烯烴、甲醇、二甲醚、合成氣等煤化工項目也都需要大量的反應(yīng)容器.

在冶金設(shè)備領(lǐng)域，隨著鋼鐵工業(yè)的技術(shù)升級和結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐進一步加快，預(yù)計"十一五"期間，每年冷熱連軋機新建和配件所需鍛鋼支承輥約700支左右，毛坯鍛件約5萬t(每支毛坯鍛件70 t);每年中、寬厚板軋機鍛鋼支承輥新建和配件約150支(每支毛坯鍛件100 t)，毛坯鍛件約1.5萬t.熱軋工作輥每年需要毛坯鍛件約3萬t.合計起來，每年需在萬噸級水壓機上生產(chǎn)的大型軋輥毛坯鍛件接近10萬t.

在船舶裝備領(lǐng)域，2007年中國承接新船訂單已占世界市場份額42.5%，成為世界造船史上第一個訂單量超億噸的造船大國，未來幾年，中國造船能力也會成長為全球第一.預(yù)計到2010年，國內(nèi)每年將需要大型船用曲軸300根以上，組合式船用曲軸長度可達18 m，重量達到300 t.

國際上大型鑄鍛件近期明顯供不應(yīng)求，很多主機廠的生產(chǎn)進度受到大型鑄鍛件的影響和制約.JSW、斗山重工等大型鑄鍛件生產(chǎn)企業(yè)都是滿負荷生產(chǎn)，訂單排到幾年后.甚至有消息傳出，GE、西屋、法瑪通三家核電技術(shù)裝備供應(yīng)商對JSW不能按時提供鍛件提出意見，稱其已經(jīng)制約了世界核電事業(yè)的發(fā)展，市場對國內(nèi)裝備制造業(yè)提出了新的挑戰(zhàn).

根據(jù)規(guī)劃和當(dāng)前形勢，未來10～15年，中國核電將會迎來世界核電建設(shè)史上前所未有的大發(fā)展.這樣一塊容量大、技術(shù)含量高的市場對國內(nèi)裝備制造業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)，其中大型鑄鍛件的研制又是重中之重，是最有可能制約核電建設(shè)進度的“卡脖子”問題.我們不能指望依靠買國外大型鑄鍛件支撐中國核電發(fā)展，一是因為買國外的大型鑄鍛件，價格至少高出30%～50%，二是國外鑄鍛件生產(chǎn)企業(yè)任務(wù)也很滿，交貨周期長，三是關(guān)鍵時候想買也買不來.

4 大型鑄鍛件的共同特點

總的說來是技術(shù)要求高、規(guī)格大、形狀復(fù)雜，其特點主要有以下幾個方面:

(1)純凈度均勻度高.超純凈汽輪機低壓轉(zhuǎn)子鍛件，國外已用超純凈35NiCrMoV鋼取代傳統(tǒng)用鋼，鋼錠必須采用真空精煉和真空澆注.

(2)體積大，質(zhì)量大，如700 MW機組是目前世界上最大功率等級的水輪機組，其不銹鋼水輪機轉(zhuǎn)輪直徑達到了9.8 m，質(zhì)量達500 t.

(3)組織致密，晶粒度高.晶粒度是影響核電鍛件內(nèi)部質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，一般要求反應(yīng)堆壓力殼鍛件的晶粒度達到5～6級.

(4)形狀較復(fù)雜的構(gòu)件如核電核島鑄鍛件壓力容器整體頂蓋、下封頭、錐形筒體等形狀復(fù)雜的鍛件都需要整體鍛造.此外，特厚餅形件的蒸發(fā)器管板鍛造以及主泵泵殼、主管道等不銹鋼鑄鍛件的制造難度也都很大.大型抽水蓄能水輪機鑄件，通常采用不銹鋼制造，尺寸大，各處截面尺寸相差很大，型線要求十分嚴(yán)格.

(5)大型筒體鍛件由空心鋼錠制作，主要用于核電核島部分的壓力殼、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器的殼體及在石化裝備領(lǐng)域的煤液化加氫反應(yīng)器等.大型簡體鍛件是核電、石化等能源裝備的關(guān)鍵零件，提高其成形制造技術(shù)水平是我國重大技術(shù)裝備實現(xiàn)國產(chǎn)化的關(guān)鍵.大型筒體鍛件用鑄造方法澆注成型后經(jīng)大型水壓機鍛造而成.提高鋼錠澆鑄質(zhì)量和改善鋼錠構(gòu)形是提高大型筒體鍛件質(zhì)量的根本，而有效實施控制鍛造、優(yōu)化產(chǎn)品內(nèi)部晶粒結(jié)構(gòu)則是提高大型筒體鍛件質(zhì)量的關(guān)鍵因素.大型化、細觀化是目前大型筒體鍛件發(fā)展的主要趨勢.中科院金屬所與中國二重合作，通過計算機模擬，合理設(shè)計了鋼錠的澆注和冷卻工藝，開發(fā)了混合氣體霧化引射器，釆用空心鋼錠大溫差冷卻技術(shù)和大風(fēng)量冷卻技術(shù)，使鋼錠的凝固時間顯著縮短，減輕了宏觀偏析缺陷.

(6)形狀相對簡單的圓柱形，筒狀類如汽輪機、電機的低壓轉(zhuǎn)子，支撐輥等屬圓柱形構(gòu)件.

圖1 核工業(yè)管道相對大型筒體鍛件由空心鋼錠屬空心錠形構(gòu)件(這類構(gòu)件電渣重熔可首先攻克)Fig.1 Nuclear piping relatively large barrel forgings by hollow ingot of hollow ingot form component(this kind of components can be conquered by ESR)

5 電渣冶金在開發(fā)大型鑄鍛件中的優(yōu)勢和困難

李正邦院士在他的新著“電渣冶金的理論與實踐”中對電渣冶金的優(yōu)勢做了以下闡述:

(1)性能的優(yōu)赿性，電渣冶金產(chǎn)品金屬純凈、組織致密、成分均勻、表面光潔，產(chǎn)品性能優(yōu)良.

(2)生產(chǎn)的靈活性，電渣重熔可生產(chǎn)圓錠、方錠、扁錠及空心錠，還可生產(chǎn)圓管、橢圓管、偏心管及方管.

(3)工藝的穩(wěn)定性，質(zhì)量與性能的再現(xiàn)性高.

在此基礎(chǔ)上，我再補充二點∶

(1)電渣冶金的連續(xù)性，電渣重熔可通過更換自耗電極連續(xù)生產(chǎn)，從而可實現(xiàn)用較小功率的設(shè)備生產(chǎn)較大的構(gòu)件.

(2)電渣冶金設(shè)備的可疊加性，電渣重熔可通過多臺設(shè)備同時連續(xù)生產(chǎn)一個大型構(gòu)件，如上海重型機械廠的200 t級電渣爐.

電渣冶金的上述優(yōu)勢對開發(fā)大型鑄鍛件具有重大作用!用電渣重熔工藝已生產(chǎn)岀的大型構(gòu)件，如圖2至圖8所示.

圖2 上重研發(fā)大型電渣重熔技術(shù)Fig.2 Large ESR technique of shzhongxing

圖3 上重研發(fā)大型電渣重熔鋼錠Fig.3 Large ESR ingot of shzhongxing

電渣冶金在開發(fā)大型鑄鍛件中的困難:

(1)用電渣重熔生產(chǎn)大型異形構(gòu)件還是較為困難的.如圖9所示的二個構(gòu)件:

(2)從電渣冶金的優(yōu)勢看，用電渣重熔法是可以生產(chǎn)任意大的形狀簡單的構(gòu)件的，但在實際生產(chǎn)中，對大直徑的鋼錠和大型鋼錠板坯，還是容易產(chǎn)生偏析、縮松等缺陷的.

大型鑄鍛件特別是大直徑的鑄錠，在凝固過程中的熱交換，受到結(jié)晶器換熱條件和渣皮的隔熱作用的局限這就提岀了一個問題:在開發(fā)大型鑄鍛件中，電渣冶金工藝有沒有極限?可不可突破這個極限?

圖4 大型扁錠電渣重熔技術(shù)Fig.4 ESR large flat ingot electricity

圖5 300 mm×340 mm合金鋼方坯Fig.5 300 mm ×340 mm steel billet

圖6 大型圓柱錠Fig.6 Large cylindrical pounds

圖7 沈陽鑄造研究所電渣熔鑄大型水輪機導(dǎo)葉Fig.7 Shenyang institute of casting’s large turbine guide vane in the electroslag casting

圖8 電渣熔鑄三峽整鑄導(dǎo)葉(毛坯13.5 t)Fig.8 The whole cast diffuser of three gorges in the electroslag casting(blank 13.5 tons)

6 建議

(1)發(fā)揮電渣冶金的優(yōu)勢，進一步優(yōu)化電渣重熔工藝，開發(fā)新的更大型的電渣熔鑄件.

(2)進一步加強大型電渣熔鑄過程的計算機模擬研究，特別是大型電渣熔鑄過程熱傳導(dǎo)熱交換和微觀組織的模擬研究.

(3)大力提倡電渣技術(shù)與先進的鑄造技術(shù)結(jié)合.

圖9 大型異型鑄件Fig.9 Large alien castings

［1］李正邦.電渣冶金的理論與實踐［M］.北京:冶金工業(yè)岀版社，2010.

［2］向大林.我廠大型電渣重熔技術(shù)的研發(fā)歷程及超大型電渣重熔技術(shù)的應(yīng)用前景［C］//全國電渣冶金學(xué)術(shù)會議論文集.2008.

［3］姜周華.電渣重熔技術(shù)的新進展［C］//全國電渣冶金學(xué)術(shù)會議論文集.2008.

［4］陳瑞.電渣熔鑄大型水輪機導(dǎo)葉簡介［C］//全國電渣冶金學(xué)術(shù)會議論文集.2008.

［5］鐘志平.大型筒體鍛件組織性能控制與高溫裂紋修復(fù)實驗研究［D］.1998.

Develop the strengths of electro－slag metallurgy，vigorously develop large scale casting

GENG Mao-peng，TANG Jian-jun，RAO Lei，ZHANG Ying
(School of Mechanical and Electronic Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China)

The current development situation and trend of large scale casting used in electricity，petrifaction and metallurgy field have been expound detailedly in this paper.The production capacity different of large scale casting between china and developed nation has been analyzed.In response to tremendous demand，developing the strengths of electro－slag metallurgy and vigorously develop large scale casting is promising.

electro－slag metallurgy;large scale casting

TF 142

A

1671-6620(2011)S1-0029-05

2010-10-15.

耿茂鵬 (1939—)，男，河北束鹿人，南昌大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，E－mail:maogengzh@126.com.