大型合金钢锭及铸锻件缺陷与组织控制

  中国科学院金属研究所

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项目简介

大型铸锻件是重大工程的核心部件,其制造能力是衡量一个国家工业水平的重要标志。大型合金钢锭和铸锻件尺寸规格大、凝固时间长、使役条件苛刻,导致缺陷预防难、组织控制难、加工成形难。中国科学院金属研究围绕中国能源电力、冶金机械、船舶制造等重点产业的发展需求,采用计算机模拟、X射线实时观察、缩比件与等比件解剖等可视化方法,系统研究了厚断面超大尺寸构件的成形、缺陷与组织演化规律,形成工艺图纸、规范、软件等成套原型技术,联合骨干企业进行工业化试制,解决了大型合金钢锭及铸锻件的制造难题。

所形成3项创新成果如下:1.低偏析微缺陷大型钢锭制备技术。发现了夹杂物是形成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100t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φ3mm。2.合金相定量化和组织均匀化控制技术。阐明系列材料中合金相的作用与调控机理,控制ZG04Cr13Ni4Mo马氏体钢中易引起裂纹的8铁素体含量为零,提升韧性的逆变奥氏体含量为10%-18%,实现强韧性最佳匹配,满足三峡水轮机转轮铸件综合性能要求;首次建立形变-相变同步耦合介观尺度模型,开发低合金钢形变与热处理过程组织均匀化协同控制技术,实现厚大断面船用曲轴晶粒度分布为5-6级。3.基于模拟计算的近终形成形技术。在构建的热成形过程多尺度、全流程模拟计算体系中,基于逆向模拟,开发曲轴弯锻技术,消除折叠裂纹等缺陷;建立锥度动态控制模型,开发锥形筒体锻件一体化成形技术,材料利用率提高30%;开发铸件全流程反变形控制技术,大型水轮机叶片单面加工余量由50-60mm降至20-80mm。

应用领域

通过上述创新成果的应用,中国自主掌握了特大型钢锭制造技术,成功浇注世界最大的600t级钢锭;在系统研究工作基础上,牵头制定了700MW级水轮机转轮铸件技术规范,在水电行业普遍推广,已指导上冠、下环、叶片三大标志性不锈钢铸件制造,应用于直径10m、重450t的三峡水轮机转轮;曲轴锻件获得2家国际专利公司和9家船级社认证,实现了重200t的90机船用曲轴制造;已批量生产直径5m的1000MW级核电锥形筒体和250吨重的5.5m轧机用支承辊。该项目获授权发明专利24项,注册软件1套;中国第一重型机械股份公司、二重集团(德阳)重型装备股份有限公司和宁夏共享铸钢有限公司近3年实现新增销售额20多亿元。相关技术已推广应用到国内50多家企业;实现了重大工程急需的关键部件国产化;提升了中国大型铸锻件整体制造技术水平,为科研院所与大型企业集团合作提供了成功的案例。国内同行专家鉴定认为:“大型合金钢锭及铸锻件缺陷与组织控制技术总体达到国际领先水平”。

 

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