“看得见摸得着”的铸造热加工

    “睁眼造型，闭眼浇注”是传统铸锻技术的一大特色，随着计算机技术将热加工领域的工艺技术模拟出来，变成可视化信息，高达千度高温的铸造热加工变得“看得见摸得着”。
近年来，中国科学院金属所材料加工模拟研究部将可视化技术推广到铸造企业。材料加工模拟研究部主任李殿中告诉《中国科学报》记者：“在与企业的合作过程中，我们看到了企业渴望技术和人才，而我们依靠企业这个平台能更好地发现并解决问题，将科研成果真正转化为生产力。”
    瞄准国家需求
    热加工的基础是铸造，我国铸件产量从2001年起超过美国成为世界第一，产量达到1800万吨，占全球产量的1/5。我国2004年钢产量达到2.4亿吨，成为世界第一产钢大国。
装备制造业的迅速发展，带动了热加工等传统产业的快速发展。据李殿中介绍，我国热加工行业由于使用落后的工艺技术，尤其是铸造浇注系统设计一直沿用几十年前的技术，导致产品的合格率低、成材率低、原材料消耗多、能耗严重、资源环境压力大。
    多年来，我国的大型铸锻件集中表现为加工余量大和“三孔一裂”（即气孔、渣孔、缩孔和裂纹）缺陷多。李殿中还列举了一些特殊关键构件，如轧钢行业大量使用的大型铸钢支承辊，船舶行业的大型船用曲轴等是制约行业发展的“瓶颈”，国内还不能生产，全部依赖进口。
    他说：“在轧钢行业里，带钢产品量大面广，如普通碳素结构钢和微合金钢，虽然经济效益好，如果能采用新技术优化合金设计，降低生产成本，将扩大其发展空间。”
热加工工艺技术落后的一个主要原因是热加工过程“看不见”，技术人员经常凭经验和“试错法”设计工艺，可能造成产品报废，热加工过程“可见”的技术开发势在必行。
    为此，李殿中带领材料加工模拟研究部开发了可视化技术，在“看得见”的条件下制订新的工艺设计原则。
    可视化铸造技术
    李殿中表示，可视化铸造技术是指首先采用数值技术，模拟铸件充型和凝固过程，然后用三维x射线实时监测系统观察浇注过程，最后通过模拟、观测与实践的对比确定工艺设计原则。
“通过控制铸件平稳充型和金属液流速，我们大大减少了传统浇注过程中金属液中卷气、夹杂等缺陷，提高了铸件合格率和工艺出品率。”
    可视化技术是计算机模拟技术的延伸，是理论、模拟与实测相结合的一项关键技术。在铸造基础上发展起来的可视化技术也适用于钢的热轧、锻造和热处理过程，这个新技术在大型铸锻件的工艺设计过程中发挥了关键作用。
    在国家“热轧带钢组织性能预报”项目的资助下，材料加工模拟研究部用5年时间开发了具有自主知识产权的热轧模拟软件，使我国成为世界上第5个拥有该类软件源代码的国家。
由于使用软件后节省了合金加入量，提升了钢材质量，鞍钢新增利润上千万元。该软件共采用了70多个物理冶金模型，可以指导带钢热轧过程成分与工艺优化，稳定带钢质量，提高轧制过程的自动化水平。
    此外，材料加工模拟研究部开发的深过冷奥氏体变形技术在csp轧钢生产线应用，解决了广州珠江钢厂汽车板冷弯微裂纹问题。
    与企业密切合作
    李殿中指出：“我们将可视化技术推广到铸造企业后，工程技术人员对铸造工艺设计有了新的认识，很多企业期望引进该项技术。”
    中国一重集团公司曾用十多年时间进行开发大型铸钢轧辊制造技术，凭借经验设计和“试错法”均未成功。材料加工模拟研究部在中科院院士李依依、工程院院士柯伟和英国johncampbell的支持下，承担了中国一重集团公司铸钢轧辊制造技术的开发项目。
    “这种轧辊有7米多高，不能凭借经验试制，也不允许反复试制，每次试制的失败都意味着上百万元的经济损失，并且浪费大量时间。”李殿中介绍，“我们经过分析认为，采用可视化技术进行电脑试生产是解决问题的根本途径。”
    材料加工模拟研究部科研团队通过模拟发现，造成铸件报废的主要原因是浇注系统设计不合理，金属液流动不平稳，造成许多夹杂缺陷，比如，由于模具设计不合理，铸件没有实现顺序凝固，造成厚大部位产生了热裂纹缺陷。
    李殿中带领团队采用国际上先进的浇注系统设计技术，用两年时间，成功开发了50吨铸钢支承辊的浇注技术，试制获得成功。
材料加工模拟研究部不但采用可视化技术解决了一些大型关键铸锻件“有无问题”，还在东北地区选择一些企业进行技术示范，提高铸锻件批量生产的合格率和成材率，实现节能降耗的目标。
李殿中说：“我们解决了沈阳铁路局铁路道叉心轨、中国一汽集团汽车用差速器壳体等铸造难题，为东北老工业基地振兴作出了贡献。”

来源：《中国科学报》