铸造行业“十三五”技术发展规划纲要

铸造行业“十三五”技术发展规划纲要1编者按：2014年6月21日，经中国机械工程学会铸造分会（以下简称“全国铸造学会”）第九届理事会第三次理事长工作会议讨论研究，决定编制《铸造行业“十三五”技术发展规划纲要》（以下简称“《纲要》”）。全国铸造学会秘书处确定了《纲要》的“编制路线”和编制时间进度，并成立了“专家咨询委员会”和“编制工作委员会”。《纲要》编制工作会议于2014年9月27日在西安召开，确定了《纲要》编制的涵盖专业领域分类和工作分工、内容及编写规范、工作进度安排。《纲要》审查会于2015年5月17日在沈阳召开，对《纲要》每个专业领域进行了认真、严格的审查，提出了有针对性的修改和补充意见。《纲要》审定会于2015年10月25日在长沙召开，审议通过了修改后的《纲要》。《纲要》的有关内容作为上报材料的重要组成部分已先后提交至中国工程院和工信部。《纲要》作为科学技术发展专题规划，纳入由中国铸造协会组织编制的《铸造行业“十三五”发展规划建议》。《纲要》由18个部分组成：铸钢、铸铁、铸造有色合金、铸造金属基复合材料、铸造耐磨材料、快速铸造、熔模铸造、压铸、反重力铸造、挤压铸造、消失模铸造、数值模拟、网络制造、造型材料、铸造装备与检测技术、环保与安全、汽车铸件、铸造标准。在《中国制造2025》十大重点领域中，有8个领域与铸造密切相关，甚至有些领域铸造技术作为发展瓶颈，大部分领域都对铸造技术有强烈的需求，或者需要铸造技术和铸造产品进行支撑。《纲要》作为铸造行业技术发展指导性的文件，在政策层面，向政府提出了建设性的建议；在技术发展层面，对各个专业技术领域提出了重点发展的项目及关键技术。《纲要》具有全局性、战略性和前瞻性。为了充分发挥《纲要》的指导作用，扩大《纲要》在铸造行业技术发展方面的影响，在全国铸造学会第九届理事会第四次理事长工作会议上决定将《纲要》在《铸造》杂志上全文刊登。本刊在本期刊登《纲要》全文，以馈广大读者。铸造行业“十三五”技术发展规划纲要（中国机械工程学会铸造分会编制）引言“十二五”期间，我国在铸造技术创新、行业进步等方面取得了显著成果。2014年我国铸件总产量达到4620万吨，较2013年的4450万吨增长了3.8%，连续15年位居世界铸件产量第一大国。但是仍未解决我国铸造行业“大而不强”的问题，一方面在大量出口低端铸件的同时，仍需要进口大量高端铸件产品；另一方面在国防和国家重点工程建设急需的重大技术装备的研发过程中，由于国外技术封锁，关键铸件常常成为制约相关领域发展的瓶颈。“十三五”时期是深入实施创新驱动发展战略，加快建设创新型国家的关键时期。对于在装备制造业中发挥重要作用的铸造业，是科技提升、产业转型、提升核心竞争力的重要机遇期。为了清晰认识国际铸造科技发展大势，规划铸造技术发展方向，根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》、《国家“十三五”科学和技术发展规划》和《中国制造2025》提出的目标和任务，结合我国铸造行业科技发展实际，编制了《铸造行业“十三五”技术发展规划纲要》（以下简称《纲要》）。《纲要》由18个部分组成：铸钢、铸铁、铸造有色合金、铸造金属基复合材料、铸造耐磨材料、快速铸造、熔模铸造、压铸、反重力铸造、挤压铸造、消失模铸造、数值模拟、网络制造、造型材料、铸造装备与检测技术、环保与安全、汽车铸件、铸造标准。其中《纲要》中的13个领域的规划内容涉及到《中国制造2025》全部五个重大工程，覆盖了高端装备创新工程10大领域中的8个领域。《纲要》结合国内外铸造技术发展现状，结合发展热点问题和中国铸造技术发展需求，指出了发展目标和发展重点，提出了重点发展的项目及关键技术。《纲要》突出了战略性和宏观性，具有针对性和可操作性，可作为中国铸造行业2016—2020年铸造技术发展的指南。铸造行业“十三五”技术发展规划纲要2第1章铸钢1国内外发展现状及发展趋势1.1国内发展现状及发展趋势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。我国铸钢市场也是产能过剩，由于受到劳动力、废钢和造型材料价格上升而铸件价格反而回落的影响，市场竞争越来越激烈，许多中小企业步履艰难，面临重新洗牌局面。1.2国外发展现状及发展趋势（1）完全的炉前快速检测，成分波动少，检测仪器性能稳定；（2）很多企业采用精炼手段，并在铸型上采用过滤网，保证钢液纯净度；（3）发达国家大批量生产的中、小型铸件的铸型，大多采用高紧实率的高压、高速、射压等高效流水线，采用树脂砂制芯，造型设备数控化率较高；（4）发达国家普遍采用CAD、CAM等软件的集成技术，基本全部采用工艺模拟，工艺数据库已经很好应用；（5）铸造原、辅材料质量和品种以及社会化、专业化、商品化供应方面已经日臻成熟；（6）工业CT设备等先进检测设备逐步应用到产品检测中；（7）大型铸钢件的冶金技术在向高纯度钢液技术发展，成分均匀性、内部缺陷、尺寸精准度等控制技术仍优于国内。1.3国内外的差距与工业发达国家相比，目前我国大型铸钢件生产在产品品种、工艺水平、质量等级以及制造装备等整体水平方面均存在着较大差距。在大型核电设备中，主泵、核电汽轮机缸体等大型铸钢件多采用不锈钢材料，其质量要求极高，我国尚未掌握自主生产技术，基本依赖进口。1.4问题分析与解决思路针对国内外差距情况，问题主要在我国工程化数据薄弱，例如：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。在某些高端铸件熔炼过程中针对有害元素及成分标准内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。针对核电、燃机等领域用高端铸件，建立以高端质量为核心的研发及生产体系并形成数据积累机制以指导未来部件设计及制造，强化基础工程数据积累及相关技术固化并在行业内推广。调整产业结构，增加高端铸件在整个铸钢行业的比重，转型升级或淘汰落后、污染严重、技术含量低的企业。2发展目标提高我国高端铸件生产水平、增加基础数据积累、优化产业结构。（1）小件生产技术集成化，生产规模化；（2）造型技术多样化；（3）铸造用砂高温化；（4）粘结材料化学化、自硬化、无毒化；（5）铸件本体材料合金化；（6）冶炼技术精炼化；（7）工艺设计模拟化；（8）热处理技术智能化；（9）铸钢检测技术可视化；（10）大型铸钢件生产技术高端化。3发展重点3.1技术路线分别从铸钢件开发与应用领域、熔炼与铸造领域、热处理领域、装备制造领域、产业共性技术创新体系建设领域开展工作，构成合理技术路线。3.2技术研究（1）海洋工程用耐海水腐蚀双向铸造不锈钢材料；（2）开展更多铸造双相不锈钢牌号在舰船上的应用研究；（3）特大型合金钢铸锭的纯净、致密、均质铸造技术；（4）超临界、超超临界蒸汽轮机高合金耐热钢铸件，百万千瓦水轮机转轮不锈钢铸件，第三代核电技术常规岛汽轮机组高合金钢铸件，海洋石油钻井平台、桥梁等重大工程配套铸钢件的研发及产铸造行业“十三五”技术发展规划纲要3业化；（5）ZG1Cr10MoNiWVNbN等高合金耐热钢材料和C460等低温用铸钢材料工艺研究；（6）大型铸钢件砂型（芯）的快速、低成本成形技术研究；（7）节能降耗、再生和综合利用技术研究；（8）大型铸钢件智能铸造工厂；（9）大型曲面等异形件电渣熔铸成形技术；（10）非均质砂型3D打印设备及工艺研究。3.2.1共性技术研究主要包括：金属材料冶炼技术，铸造工艺，热处理技术，计算机模拟技术，微合金化技术。特大型合金钢锭的纯净、致密、均质制造技术，曲面异形件电渣熔铸成形技术、大型冶金轧辊复合成形技术、非均质砂型3D打印工艺技术。3.2.2关键技术研究高效率、高适应性、高纯净度钢液精炼技术和智能化AOD精炼系统；高效、节能、环保的铸件热处理及后处理技术和自动化系列装备；大型铸钢件3D无模造型技术及装备；高温合金燃气轮机叶片精铸芯壳制造技术与凝固梯度控制技术；大型二维电渣板坯制造技术；高品质大型冶金轧辊制造技术。4重点项目4.1工程目标水电、核电、冶金轧机、超超临界燃煤、大型船舶（含军用舰船）、大型冶金设备、高速机车等。4.2工程内容第二代半到第三代核电项目配套常规岛汽缸、阀体、隔板等大型铸钢件，AP1000、CAP1400、CAP1700装备国产化；单机容量在70～100万千瓦大型水轮机组乌冬德、白鹤滩等发电设备配套叶片、上冠、下环等不锈钢铸件；超临界、超超临界电厂建设项目配套低合金钢外缸和高合金耐热钢阀门及内缸铸件；大型桥梁、石油钻井平台、矿场建设等工程项目配套机架、壳体、端盖等大型碳钢铸件；大功率船用发动机设备配套铸钢件；高铁用高速大功率机车铸钢件。5政策建议建议在钢液冶金质量提升、新型造型材料应用、计算机辅助设计、绿色制造等几大领域给予支持，对某些高端领域实现以高端铸造方法代替锻造及其他制造方法的工程化评价给予支持。第2章铸铁1国内外发展现状及发展趋势1.1国内发展现状及发展趋势铸铁量大面广，企业近2万家，2014年我国铸铁件产量为3380万吨（其中，灰铸铁2080万吨，球墨铸铁1240万吨，可锻铸铁60万吨），占当年铸件总产量4620万吨的73.2%；球墨铸铁在铸件中所占的比重由2004年的25%增至2014年的26.8%，球墨铸铁与灰铸铁的比例由0.497上升到0.596。我国铸铁行业在原辅材料、工艺装备、生产技术、检测控制等方面均已具备生产高端铸铁件的能力。（1）质量控制和检测（特别是在线检测）水平稳步提升；（2）原辅材料供应品种和质量有了很大改善；（3）计算机CAD、CAM、CAE和炉前热分析等技术手段日益受到重视，应用逐步增加；（4）部分骨干企业的规模、装备和技术水平已达到世界一流水平，并在国际竞争中取得明显优势；（5）部分产品的性能达到了国际先进水平；（6）高铁机车转向架轴箱、变速箱、电机壳等零件，风电轮毂、底座和数控机床横梁等关键零部件已批量生产和应用；（7）年产铸铁件万吨以上、生产设备较先进、质量较稳定的厂已达上百家，多采用电炉或冲天炉-电炉双联熔炼，配有炉前氮氢氧测定仪、真空直读光谱仪和扫描电镜等先进的设备和检测手段；（8）一大批企业使用了国际水平的熔化、造型和检测设备。1.2国外发展现状及发展趋势工业发达国家的铸件产量已从金融危机中恢复过来，铸造厂的任务饱满，生产规模和专业化程度高，铸件综合质量和技术经济效益好。主要表现在：（1）普遍采用CAD/CAE/CAM，重视通过产品数值模拟和建立生产基础数据库等进行产品和铸造行业“十三五”技术发展规划纲要4工艺的前期优化设计，实现产品研发设计数字化，铸造自动化水平普遍较高；（2）在造型、制芯方面，采用机械手，用视觉系统监控组芯过程，铸件尺寸精度高，加工余量小；（3）在铁液熔炼方面，除了采用光谱分析之外，重视采用热分析技术，对炉前铁液质量进行精确控制，包括化学成分如碳含量、硫含量等，同时测量铁液的N、H、O含量，铁液质量稳定，化学成分波动小；（4）采用电炉熔炼、喂丝法球化和孕育处理工艺，整个熔化、球化和孕育处理过程连贯，数字化程度高，没有镁光烟尘；（5）通过微量合金化和特殊的铁液处理技术，能够稳定控制铸件的组织和性能，内在质量好、精度保持性好；（6）排放低，环保达到国际先进标准。“中国制造2025”已经公布，它的终极目标是把互联网、物联网引入制造业，使产品的生产达到高技术、高质量、高效率、智能化。未来铸造行业的发展趋势是向大型化、轻量化、精确化、智能化、数字化、网络化及清洁化的方向发展，而技术含量高的高端铸铁件将成为发展方向。1.3国内外的差距国内铸铁厂除了多而分散、产能过剩、两极分化外，与工业发达国家相比，差距主要表现在：（1）质量的稳定性、一致性差是我国铸铁件生产的突出问题：相同碳当量，灰铸铁强度低1级；铸件尺寸精度低1-2级，表面粗糙度差1级；废品率高，铸件的缩孔、缩松和变形问题日益突出；铸铁件的弹性模量和残余应力等指标，长期未列入验收范围；（2）铸铁行业专业化生产程度不高，数字化、智能化水平低；