Page 50 - 数值模拟驱动的高温合金热加工技术

Numerical Simulation Driven Hot Working Technology for High-temperature Alloys
数值模拟驱动的高温合金热加工技术

由于热加工过程中的材料利用率（加工去除率）、生产效率（人均生产率）、
废弃物排放量（环境友好性）、能源消耗量（资源可承受性）等指标关系到企业
的可持续发展，以铸造行业为例，将国内外铸件的生产进行了统计与对比：

①材料利用率（加工去除率）：我国铸件毛重比国外平均高出 10%~20%，
铸钢件工艺出品率平均为 55%，国外可达 70%；后续机械加工量比国外高出 1
倍以上；螺旋桨等船用大型有色铸件的工艺出品率为 70%~80%，材料利用率（成
品重量 / 毛坯重量 ×100%，下同）一般为 85%~90%；柴油机机身、缸套等大型

铸铁件工艺出品率一般为 73%~80%、材料利用率一般为 65%~70%；轴承座等大
型铸钢件工艺出品率一般为 52%~56%、材料利用率一般为 50%~60%。
②生产效率（人均生产率）：发达国家铸造企业自动化程度和规模集中度高，
铸铁企业年产量一般在 8900t/ 年以上，铸钢一般在 3800t 以上，分别为我国的 7

倍和 4 倍以上；人均生产率很高，如日本人均产量约 150t/ 人年。
③废弃物排放量（环境友好性）：我国铸造行业每生产 1t 合格铸件，大约要排
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放粉尘 45kg；废气 1000~2000m ；固体废弃物 1.5~1.7t；整个铸造行业 2019 年排放
污染物总量约为粉尘 150 万吨，废气 300 亿 ~580 亿立方米，废砂 3700 万 ~4500 万吨，

废渣 800 万吨。发达国家生产 1t 合格铸件的三废排放量约是我国的 1/9。
④能源消耗量（资源可承受性）：2019 年我国铸件总产量 9800 万吨，据估算，
需金属材料 9800 万吨，造型材料 10600 万吨，各种耐火材料 5100 万吨，其他辅
助材料 2800 万吨，总计需要各种原辅材料 1.9 亿吨。

2. 基础数据支撑 CAE 应用
为了提高工艺稳健性，发达国家普遍采用数字化工艺仿真 + 半实物 / 数字化
验证环境方式，利用准确可靠的 CAE 软件和比较完善的数据库、知识库，进行
可视化工艺设计，实际投产时绝大部分的缺陷隐患已经消除，只需有限数次的工

艺验证解决遗留问题，从而工艺稳健性得到极大保证。知识工程应用在重大装
备零部件的设计与制造过程中，基础数据支撑 CAE 技术稳健发展。热加工工艺
CAE 软件一般都各自包含多种合金在模拟时所需参数的材料库，并可以进行其
他合金材料库的扩充。但对于具体的材料，需要实测准确的化学成分，而不是相

近材料牌号或名义化学成分，因为名义成分中元素含量是一个区间范围，因此，
实测数据是实验的基础，无论实物实验还是仿真实验，都需实测材料的元素组成
及准确的成分含量；之后需要设计实验方案进行实物实验（传统的正交实验法、

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