我國大型鑄鍛件行業(yè)發(fā)展回顧與展望

李駿騁

(1.中國重型機(jī)械工業(yè)協(xié)會大型鑄鍛件分會，四川618000；2.二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

大型鑄鍛件行業(yè)是我國重要的工業(yè)基礎(chǔ)之一，是關(guān)系國家安全和國民經(jīng)濟(jì)命脈的戰(zhàn)略性行業(yè)。國家一直高度重視大型鑄鍛件行業(yè)的發(fā)展，特別是改革開放40余年來，行業(yè)獲得了前所未有的高速發(fā)展，取得了一系列重要成果，制造設(shè)備數(shù)量、等級和生產(chǎn)規(guī)模都達(dá)到了世界第一，為國家重要裝備和重大工程提供了堅強保障。

本文總結(jié)和介紹了我國大型鑄鍛件行業(yè)近30余年來取得的進(jìn)步，分析行業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，對行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展提出了一些建議。

1 行業(yè)發(fā)展情況和主要成就

1.1 生產(chǎn)能力得到大幅提升

我國大型鑄鍛件行業(yè)的自主發(fā)展，得益于新中國成立后國家迅速推進(jìn)重工業(yè)和國防工業(yè)體系建設(shè)，到20世紀(jì)80年代末，大型鑄鍛件行業(yè)具備了一次性提供500 t鋼水、300 t鋼錠、300 t鑄件、200 t鍛件的能力，骨干企業(yè)年產(chǎn)規(guī)模在鋼水10萬噸、鍛鋼件3.5萬噸、鑄鋼件1.5萬噸水平，但生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)模式仍然較為落后，國內(nèi)僅有3臺萬噸自由鍛水壓機(jī)[1]以及100 t·m模鍛錘、3萬噸模鍛水壓機(jī)。自由鍛主要依靠300 t級行車配合翻鋼機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量控制水平受限，“肥頭大耳”情況嚴(yán)重；冶煉還主要依靠平爐煉鋼，大型鋼包精煉設(shè)備剛開始建設(shè)使用。

近30年，我國工業(yè)的迅猛發(fā)展促進(jìn)了大型鑄鍛件行業(yè)的發(fā)展?，F(xiàn)在，我國具備了一次性提供900 t優(yōu)質(zhì)鋼水、700 t鋼錠、500 t鑄件、400 t鍛件的極限制造能力，代表性企業(yè)年產(chǎn)出規(guī)模無論在鋼水還是在鍛鋼件、鑄鋼件等方面均躍上了一個新的臺階。火電鑄鍛件供應(yīng)能力從年11.5 GW左右[2]提高到60 GW以上(近年來火電增速大幅降低，如果市場需求規(guī)模足夠，火電鑄鍛件年供應(yīng)能力應(yīng)該在100 GW以上)。

主要骨干企業(yè)擁有800 MN模鍛壓機(jī)、185 MN油壓機(jī)、160 MN水壓機(jī)等萬噸自由鍛壓機(jī)為代表的鍛壓設(shè)備群，配備750 t·m等規(guī)格大型鍛造操作機(jī)，基本已實現(xiàn)壓機(jī)與操作機(jī)的聯(lián)動；建成了大型筒節(jié)軋機(jī)、16 m環(huán)軋機(jī)、垂直擠壓機(jī)等專用成形設(shè)備，并逐步實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。全國擁有8 MN～50 MN自由鍛壓機(jī)351臺，60 MN～90 MN自由鍛壓機(jī)35臺，萬噸以上自由鍛壓機(jī)25臺，80 MN以上模鍛液壓機(jī)30臺，6 m以上軋環(huán)機(jī)15臺，萬噸以上擠壓機(jī)12臺[3]。行業(yè)在20世紀(jì)90年代起開展了平改電技術(shù)改造，現(xiàn)已配備成系列電爐、150 t鋼包精煉爐、700 t級真空澆注室，450 t、125 t電渣重熔爐等先進(jìn)冶煉設(shè)備，具備了常規(guī)鋼種50 t～700 t、低碳不銹鋼60 t～300 t的雙真空能力，以及3 t～150 t下注錠和10 t～320 t電渣重熔錠制造能力。

1.2 熱加工極限制造技術(shù)取得巨大進(jìn)步

(1)冶煉鑄錠技術(shù)方面。隨著冶煉技術(shù)和檢測水平的進(jìn)步，化學(xué)成分控制精度大幅提升，C元素從距離目標(biāo)值的±0.01%提高到目前的±0.002%，P+S+H+O+N穩(wěn)定的控制在≤100×10-6(最低可達(dá)到70×10-6)，As、Sn、Sb、Cu等達(dá)到材料痕跡值。掌握了超純凈鋼冶煉(低P、低S、低O)、低硅控鋁鋼冶煉、特大型優(yōu)質(zhì)雙真空鋼錠制造、超低碳不銹鋼冶煉(C可達(dá)到0.002%以下)、100 t級大型不銹鋼特殊材料電渣重熔等關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)了包覆式鑄錠、無痕構(gòu)筑等增材制坯新技術(shù)[4]。圖1為50 t級電渣重熔錠，材質(zhì)為13Cr9Mo2Co1NiVNbNB，B、Si、Al等易燒損元素實現(xiàn)精確控制，氧含量控制在10×10-6～15×10-6范圍內(nèi)。

圖1 50t級特殊材質(zhì)電渣重熔錠Figure 1 50 t class electroslag remelting ingot with special material

圖2 核電一體化異形水室封頭整鍛成形
Figure 2 Complete forging of head of nuclear power integrated special-shaped water chamber

(2)鑄造技術(shù)方面。材質(zhì)特殊、材料性能要求高的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的鑄造能力大幅提升，掌握了全樹脂砂造型工藝，復(fù)雜空間曲面鑄件在線三維檢測，超(超)臨界9%～12%Cr不銹鋼材料鑄件制造，700 MW～1000 MW級大型水電全套鑄件制造，大型導(dǎo)葉鑄件的電渣熔鑄工藝，大型冶軋設(shè)備鑄件、砧座特厚大實心鑄件制造，大直徑薄壁環(huán)形鑄件尺寸變形控制等技術(shù)。

(3)鍛造技術(shù)方面。鍛造尺寸規(guī)格大幅提高，鋼錠利用率從約50%提高到近70%。配套加熱爐群和蓄熱爐得到廣泛應(yīng)用，加熱能耗比原來降低30%以上；開發(fā)運用了激光測量等高溫在位檢測技術(shù)；掌握了特大鋼錠高效鍛透壓實工藝，特大型鍛件缺陷修復(fù)與預(yù)防理論及工藝控制，大型奧氏體不銹鋼晶粒度控制，大型復(fù)雜構(gòu)件模具設(shè)計與近凈成形工藝等關(guān)鍵技術(shù)。

(4)熱處理技術(shù)方面。針對大型鍛件尺寸和重量的增大，為滿足性能的精準(zhǔn)控制，開發(fā)掌握了分區(qū)熱處理工藝技術(shù)、微合金化和晶粒細(xì)化關(guān)鍵技術(shù)、亞溫淬火、較高碳當(dāng)量合金鋼雙液淬火、超大模數(shù)齒條表面淬火及熱處理防變形等關(guān)鍵技術(shù)[5]。

(5)其他特殊成形技術(shù)方面。近年來，行業(yè)持續(xù)推進(jìn)一體化鍛造、模鍛化成形等技術(shù)的研究和應(yīng)用，包括帶內(nèi)外臺階大型筒體鍛件的仿形鍛造成形技術(shù)、帶直邊錐形筒體鍛件成形技術(shù)、以鍛代鑄核電泵殼鍛造成形技術(shù)、多類型異形復(fù)雜一體化封頭鍛造成形技術(shù)、帶非均布多管嘴變截面異形筒體鍛造成形技術(shù)、帶多管嘴超低碳控氮奧氏體不銹鋼整鍛成形技術(shù)、特大型壓力容器異形過渡段收口鍛造成形技術(shù)、超大尺寸筒(環(huán))鍛軋組合成形技術(shù)等。圖2為核電一體化異形水室封頭整鍛成形。

(6)試驗研究和數(shù)值模擬方面。大力推廣運用輔助手段開展研究和生產(chǎn)，引進(jìn)和應(yīng)用了DEFORM、Procast、Sysweld、JmatPro等主流模擬軟件，為開展工藝仿真試驗研究、高端大型鑄鍛件工藝研發(fā)及傳統(tǒng)工藝優(yōu)化與改進(jìn)提供理論支撐。具備極限無損檢測能力，超聲檢測從單一的脈沖-反射法到衍射時差法(TOFD)和相控陣，從純手工檢測發(fā)展到機(jī)械、半自動和自動檢測，開發(fā)了中心孔磁粉和超聲檢測技術(shù)。

1.3 產(chǎn)品開發(fā)取得全面突破

20世紀(jì)80年代，我國大型鑄鍛件產(chǎn)品等級主要為：具備300 MW火電、300 MW水電、300 MW核電、4200 mm軋機(jī)部分鑄鍛件制造能力，開始研制國產(chǎn)化600 MW火電鑄鍛件[2]。高端、大規(guī)格關(guān)鍵鑄鍛件主要依靠進(jìn)口。

目前，我國大型鑄鍛件產(chǎn)品取得全面突破，產(chǎn)品品種極大豐富、產(chǎn)品等級大幅提升、質(zhì)量水平穩(wěn)健進(jìn)步，水電、火電、核電等部分重要產(chǎn)品居于國際先進(jìn)水平，高端產(chǎn)品比例得到較大幅度提升。

能夠生產(chǎn)常規(guī)機(jī)組、亞臨界、超臨界、600 MW～1000 MW超超臨界火電機(jī)組成套鑄鍛件，三峽級700 MW～1000 MW水電機(jī)組全套鑄鍛件和400 MW等級抽水蓄能機(jī)組鑄鍛件，二代、二代加和AP1000、華龍一號、CAP1400為代表的第三代核電機(jī)型全套鑄鍛件，重型燃機(jī)轉(zhuǎn)子體系列鍛件和燃燒室、壓氣機(jī)、透平鑄件等全套鑄鍛件，軋鋼、鍛壓、水泥等領(lǐng)域大型鑄鋼件，加氫反應(yīng)器、軋輥、高鐵、風(fēng)電、礦卡、石油鉆采等領(lǐng)域鑄鍛件實現(xiàn)批量化，重型壓力容器單臺達(dá)2500 t級，C919大飛機(jī)在2018年底實現(xiàn)全套鍛件國產(chǎn)化。代表性產(chǎn)品火電轉(zhuǎn)子產(chǎn)品從合格率不足90%提高到一次合格率98%以上，支承輥硬度均勻性從±2HS提高到±1HSD、有效淬硬層深度提高30 mm以上。

開發(fā)和研制了一大批重大產(chǎn)品[6]，代表性的有620℃1000 MW超超臨界中壓內(nèi)缸、Cr12型1000 MW級超超臨界汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子、白鶴灘1000 MW水電鑄鍛件、5.5 m寬厚板軋機(jī)支承輥、CAP1400和華龍一號核島容器類鍛件、堆內(nèi)構(gòu)件、主管道和核電發(fā)電機(jī)半速轉(zhuǎn)子、300M鋼主起外筒鍛件、國產(chǎn)G50燃機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件等。圖3為CAP1400主管道熱段A(整體鍛造+冷彎成形)，圖4為世界最高等級1000 MW水輪機(jī)分瓣式不銹鋼上冠(用于白鶴灘水電站)，圖5為300 MW燃機(jī)壓氣機(jī)超純凈鋼輪盤，圖6為超高轉(zhuǎn)速抽水蓄能發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子中心體(用于長龍山抽水蓄能電站)。

圖3 CAP1400主管道熱段AFigure 3 Hot section A of CAP1400 main pipe

圖4 1000 MW水輪機(jī)分瓣式不銹鋼上冠
Figure 4 1000 MW hydraulic turbine divided disc type of stainless steel upper crown

圖5 300 MW燃機(jī)壓氣機(jī)超純凈鋼輪盤
Figure 5 Ultra-pure steel wheel disc of 300 MW gas turbine compressor

圖6 超高轉(zhuǎn)速抽水蓄能發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子中心體Figure 6 Rotor central body of ultra-high speed pumped storage motor

1.4 科技創(chuàng)新效果顯著

(1)積極承擔(dān)大量國家重大科技項目。國家發(fā)改委、工信部、科技部等有關(guān)主管部門，通過實施工業(yè)強基等重要戰(zhàn)略規(guī)劃和科技計劃，指導(dǎo)大型鑄鍛件行業(yè)開展一系列基礎(chǔ)共性技術(shù)研究、關(guān)鍵產(chǎn)品和材料開發(fā)、技術(shù)改造和產(chǎn)業(yè)升級活動，提升了我國大型鑄鍛件及制造裝備的自主創(chuàng)新能力。30年來，行業(yè)主要骨干企業(yè)承擔(dān)國家部級以上科技項目150項以上，代表性的項目有工業(yè)強基工程“一條龍”應(yīng)用計劃項目“超大型構(gòu)件先進(jìn)成形、焊接及加工制造工藝”，“十一五”國家科技支撐計劃“大型鑄鍛件制造關(guān)鍵技術(shù)與裝備研制”等。

(2)取得豐碩的技術(shù)成果。通過實施國家科技項目和企業(yè)科技創(chuàng)新，大型鑄鍛件制造關(guān)鍵技術(shù)與裝備及共性技術(shù)方面取得豐碩的成果，行業(yè)主要企業(yè)獲省部級以上科技獎項300項以上，其中“400 t鍛焊結(jié)構(gòu)熱壁加氫反應(yīng)器研制”、“150 MN鍛造水壓機(jī)”、“1100 MW級核電機(jī)組特大型半速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子研制”等能源、航空領(lǐng)域、石化的代表性項目獲國家科學(xué)技術(shù)獎一等獎和國家能源局科技進(jìn)步一等獎。

(3)注重知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)。大型鑄鍛件行業(yè)主要企業(yè)獲得大型鑄鍛件相關(guān)專利500項以上，涵蓋大型鑄鍛件生產(chǎn)工藝、設(shè)備工裝、試驗評價、模擬分析、質(zhì)量控制和新材料等。

(4)持續(xù)推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化工作。大型鑄鍛件行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化工作開始于20世紀(jì)70年代，目前已基本形成融合開放的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，大型鑄鍛件標(biāo)委會歸口管理87項，其中國家標(biāo)準(zhǔn)10項，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)77項，涵蓋關(guān)鍵零部件、基礎(chǔ)材料、檢測評價和共性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其中最具代表性的發(fā)電設(shè)備大型鑄鍛件標(biāo)準(zhǔn)，已發(fā)布了1972、1985、1993、2002、2014共5個版本，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量由最初的7項增加到47項。

(5)長期開展行業(yè)交流。行業(yè)于1989年成立大型鑄鍛件行業(yè)協(xié)會，持續(xù)激發(fā)企業(yè)創(chuàng)新活力，推進(jìn)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步、提升行業(yè)管理水平，為行業(yè)學(xué)術(shù)和管理交流建立起了良好的平臺。

2 行業(yè)面臨的發(fā)展形勢

2.1 與國外同行的差距

(1)技術(shù)差距。我國大型鑄鍛件行業(yè)與國外的技術(shù)差距主要在材料的基礎(chǔ)研究及新材料的開發(fā)方面。部分工藝技術(shù)深度實驗研究不夠，對關(guān)鍵制造工藝中關(guān)鍵點的控制仍然缺乏系統(tǒng)的生產(chǎn)試驗驗證和成熟、完整的數(shù)據(jù)庫支撐；數(shù)字化、智能化、綠色化以及標(biāo)準(zhǔn)化工藝、量化操作規(guī)范等方面研究深度不足；原創(chuàng)性創(chuàng)新不足，特別是新材料開發(fā)仍以再創(chuàng)新+集成創(chuàng)新為主。

(2)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)差距。中低端鍛件過剩，超超臨界Cr12、FB2轉(zhuǎn)子，630℃高溫鑄件和轉(zhuǎn)子鍛件，650～700℃高溫鑄件和轉(zhuǎn)子鍛件，1000 MW核電機(jī)組汽輪機(jī)焊接轉(zhuǎn)子等為代表的頂級鑄鍛件缺乏競爭力或開發(fā)進(jìn)程緩慢。

(3)質(zhì)量成本差距。高端產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性與國外先進(jìn)企業(yè)存在差距，中低端鍛件成本控制相比于國外先進(jìn)企業(yè)缺乏競爭力。

(4)行業(yè)管理差距。行業(yè)集中度低[7]，造成大量重復(fù)性技術(shù)研究工作；企業(yè)管理手段較為傳統(tǒng)，鑄鍛件制造成本偏高、制造周期長。

2.2 行業(yè)面臨的形勢

總體而言，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨的困難挑戰(zhàn)和不確定、不穩(wěn)定因素明顯增多。大型鑄鍛件行業(yè)作為實體經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，具有明顯的重資產(chǎn)特征，在國內(nèi)經(jīng)濟(jì)下行壓力加大的大背景下，面臨的困難相比其他行業(yè)還要更多。

(1)行業(yè)規(guī)模大而不強，面臨雙向擠壓。雖然我國擁有25臺萬噸級以上自由鍛壓機(jī)，但設(shè)備開工率不足50%，遠(yuǎn)低于其他機(jī)械制造行業(yè)76%～79%的水平；一些行業(yè)企業(yè)形成了一些代表性的產(chǎn)品，但整個行業(yè)中低端產(chǎn)品競爭仍然嚴(yán)重，高端產(chǎn)品供給不足；行業(yè)人均勞動生產(chǎn)率低，多處于70萬元～100萬元水平，與國外的200萬元～300萬元還有很大差距。同時，我國大型鑄鍛件行業(yè)面臨著來自國際高端市場和中低端市場的雙向擠壓，一方面，先進(jìn)國家以較高的行業(yè)集中度、深厚的技術(shù)基礎(chǔ)、主機(jī)設(shè)備市場位勢和原創(chuàng)性熱工技術(shù)創(chuàng)新體系等優(yōu)勢，長期主導(dǎo)著高端市場的話語權(quán)，另一方面，發(fā)展中國家用“中國智慧”發(fā)展勞動密集型業(yè)態(tài)造成中低端市場供給替代，如印度拉森特博洛公司、巴西蓋爾道都在從先進(jìn)國家引進(jìn)熱加工技術(shù)。

(2)處于轉(zhuǎn)型升級道口，挑戰(zhàn)和機(jī)遇并存。能源、礦山等傳統(tǒng)行業(yè)市場規(guī)模大幅壓縮，國內(nèi)產(chǎn)能嚴(yán)重過剩、同質(zhì)化競爭激烈，對行業(yè)企業(yè)生存帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，同時，隨著世界經(jīng)濟(jì)格局發(fā)生深刻變化，新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式不斷涌現(xiàn)，“一帶一路”建設(shè)和裝備“走出去”工程廣泛、深入推進(jìn)，又為行業(yè)帶來新的市場機(jī)遇。人才流失、人員斷檔、技術(shù)技藝傳承的危機(jī)已經(jīng)愈演愈烈，同時，兩化融合、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)字化又為行業(yè)提供了新的工具。生產(chǎn)經(jīng)營方式單一、工廠制管理模式仍然制約著企業(yè)經(jīng)營管理，同時，我國深化國有企業(yè)改革、鼓勵民營經(jīng)濟(jì)發(fā)展、發(fā)展服務(wù)型制造等為傳統(tǒng)企業(yè)的變革提供了新的路徑。

3 對行業(yè)發(fā)展的建議

(1)準(zhǔn)確把握國家戰(zhàn)略發(fā)展方向。大型鑄鍛件行業(yè)要始終牢記行業(yè)使命，要把行業(yè)發(fā)展擺在關(guān)系國家安全和國民經(jīng)濟(jì)命脈的重要戰(zhàn)略位置，要把解決國家“有與無”，解決裝備“好與不好”的問題，破解產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸，解決“卡脖子”難題作為首要任務(wù)。形成穩(wěn)定的產(chǎn)-學(xué)-研-用聯(lián)合、促進(jìn)機(jī)制，積極融入和支撐國家重要戰(zhàn)略實施和重大工程建設(shè)，積極爭取政府的引導(dǎo)和政策、項目支持。緊緊圍繞制造強國戰(zhàn)略，為貫徹落實“中國制造2025”等國家重要政策規(guī)劃中提出的大型飛機(jī)、航空發(fā)動機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)、節(jié)能與新能源汽車、海洋工程裝備及高技術(shù)船舶、核電裝備等一系列高端裝備創(chuàng)新工程提供堅強保障。

(2)注重發(fā)展質(zhì)量。把可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展作為行業(yè)發(fā)展的主旋律，推進(jìn)兩化融合和虛擬制造，實施精益化生產(chǎn)，對內(nèi)夯實管理基礎(chǔ)，提升企業(yè)管理效能；開展產(chǎn)品結(jié)構(gòu)升級，業(yè)務(wù)模式轉(zhuǎn)型，積極開拓新興領(lǐng)域和國際市場，推進(jìn)差異化發(fā)展，合理配置行業(yè)生產(chǎn)資源，實現(xiàn)行業(yè)互利共贏；積極推廣應(yīng)用新技術(shù)和新工藝，探索運用“區(qū)塊鏈思維”，確保數(shù)據(jù)不可篡改和全程可追溯，提升產(chǎn)品質(zhì)量效益，增強用戶對行業(yè)信賴度。

(3)增強技術(shù)基礎(chǔ)。熱加工技術(shù)是高度知識密集型的技術(shù)，要把大型鑄鍛件共性技術(shù)和基礎(chǔ)研究作為保證行業(yè)持續(xù)進(jìn)步的根本保障。持續(xù)開展鋼錠純凈、致密、均質(zhì)鑄造，一體化、精確化和自動化鍛造，智能化和節(jié)能化熱處理，自動化檢測，相變特性及組織與性能控制等技術(shù)研究和應(yīng)用，以及重要產(chǎn)品和材料的研究開發(fā)，探索運用工業(yè)云、大數(shù)據(jù)、數(shù)字化設(shè)計與制造等新工具和新模式，提高研究效率，增強技術(shù)融合，形成行業(yè)技術(shù)合力。