重型铸钢件及水轮机叶片制造技术成果转化

一、项目意义： 
　  随着国家经济的高速发展，在能源日益紧张、环境污染日益严重的今天，作为世界第一水力资源大国的中国，及时调整了国家的能源政策，已经开始大幅度开发和利用现有丰富的江河资源，大力发展水电事业。因此，水轮机组大型关键铸锻件实现国产化是十分必要的。
　  大型水轮机机组设计和制造难度很大，其配套铸钢件技术指标要求高，尺寸较大，几何形状复杂，设计制造难度高，钢水精炼纯净度高，其制造技术长期为国外少数几家大公司所拥有，这严重制约着我国水电事业的迅速发展。尽管近几年来，国内个别大型铸造企业已经开始生产大型水轮机铸件，但无论从产品质量，还是生产规模上来讲都仍然不能满足国内电站建设的需求，因此，共享铸钢如果能尽快实现批量生产，将会获得更多的市场机会。
　  同时，在2006年6月新华社受权发布的《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》中明确将水电机组列为对国家经济安全和国防建设有重要影响，对促进国民经济可持续发展有显著效果，对结构调整、产业升级有积极带动作用的重点技术装备，是国家鼓励发展的重点产业。如此，解决重大装备制造业发展的瓶颈，实现大型关键铸锻件国产化也自然成为了国内铸造企业的责任和使命。 
　  根据国家规划，未来10～15年，国家将建设12个大水电基地，规划装机容量9025亿千瓦。进口水轮机铸件的采购单位成本比国产铸件单位成本高3~4万元/吨，规划中提到的2020年投产的130台700MW以上大型水电机组，如果都能实现配套铸件国产化，将为国家节省资金超过20亿元，并可保证国家重大水电项目按期完成。
　  水力发电设备铸钢件主要是指用在大中型水轮机设备上的通流部件，材质大都采用铸造高合金钢、低合金钢和碳钢，具体的产品包括叶片、上冠、下环、转轮体、轮毂、推力头、阀体、活门等。适合共享铸钢开发的比较典型的是叶片、上冠、下环和转轮体，这些铸钢件都是水轮机上的大件。共享铸钢作为一家很有实力的专业铸钢生产企业，在水电机组铸件生产方面具有良好的技术基础。
　  本项目将主要开发混流式水轮机上冠、下环，轴流式水轮机叶片、轮毂，贯流式水轮机叶片，水泵式（抽水蓄能）转轮体、活门等高难度水轮机配套铸件，涉及水电行业各个机型、各类零部件，这不仅对提升区内装备制造业水平意义重大，更重要的是将提高国内水电设备铸件的自主化程度，降低生产成本，缩短供货周期。通过本项目的实施，使共享铸钢继续扩大在国内外水电设备配套铸件制造的市场份额，为国内外各大水利工程的建设生产出质量更好的铸件，提供更好的保障。 
　  二、项目目标： 
　  本项目的目标是完成《重型铸钢件及水轮机叶片制造技术》的成果转化，将这些技术应用在抽水蓄能（水泵式）、贯流式、潮汐发电等水轮机机组铸件（如上冠、下环、转轮体、轮毂、推力头、阀体、活门等）上，完成产品的试制成功，并实现小批量生产。铸件重量从1吨到45吨不等，最大尺寸介于1米到5米之间，材质涉及碳钢、低合金钢、高合金钢、不锈钢等不同钢种，产品全部要求精加工交货，尺寸精度要求高，产品力学性能、化学成分要求严格，产品技术含量很高，制造难度较大。
　  本项目在研制和生产过程中，对于我公司自主研究的技术，公司享有完全自主知识产权；对于和中科院金属研究所合作研究的技术将共有知识产权。本项目在未来两年间，预计将就核心技术申报国家专利2-4项，在国家省部级以上刊物上发表论文5篇以上。
　  三、主要任务： 
　  本项目在《重型铸钢件及水轮机叶片制造技术》的成果转化过程中，将根据轴流式、贯流式、水泵式等水轮机配套铸件的结构、材质特点，在生产实践中将进行以下几方面技术的研究：
　  1、各类水轮机叶片及上冠、下环等薄壁结构铸件的反变形量设计
　  此项工作目的在于通过工艺设计数值模拟，在铸件容易变形的位置预先添加工艺反变形量, 从而来抵消凝固收缩时产生的变形。同时，要求在满足反变形的前提下最大限度地减小反变形量和加工量，以此提高产品表面质量、减轻机械加工工作量、提高生产效率、降低生产成本。
　  2、水轮机铸件的浇注系统设计
　  此项工作目的在于优化铸件造型过程中浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道的设计方案，降低铸件产生夹渣、夹砂等缺陷的风险，提高产品内在质量。
　  3、复杂曲面结构铸件模具制作工艺的优化
　  此项工作目的在于通过改善模具、芯盒设计方案（如采用钢结构框架、表面环氧树脂涂层等方法）提高模具尺寸精度和表面光洁度，同时优化模具结构，使之更加方便于造型现场操作，从而有效保障产品质量。 
　  4、熔炼工序钢水冶炼过程中的化学成分优化
　  此项工作目的在于通过应用六西格玛工具研究铸件力学性能和化学成分之间的关系，并在符合产品国际、国家、行业或顾客标准的前提下，制定出更有利于提高产品力学性能、更为严格的企业内部标准，以此降低风险，确保产品性能100%符合顾客要求。
　  5、水轮机薄壁结构铸件热处理工艺技术
　  此项工作目的在于针对铸件结构特点,设计专用工装，确保热处理过程中不发生自重变形，同时设计更为合理的正火、回火等热处理方式，确保铸件力学性能、材料金相组织符合顾客要求。
　  6、水轮机铸件型线检测技术
　  此项工作目的在于通过研究公司现有测量臂、激光跟踪仪、三维划线机的功能特点和水轮机铸件的结构特点，开发出一种更为高效、准确的水轮机铸件型线尺寸测量技术，确保铸件尺寸符合图纸要求。
　  7、水轮机铸件数控加工技术
　  此项工作目的在于设计出合理的水轮机铸件曲面加工工艺和特殊工装，并应用国际先进的UG软件编写数控加工程序，进行加工过程的模拟优化，从切削深度、切削速度、进给速度和刀路宽度、刀路宽度等方面来提高加工效率和加工精度，以缩短大型水轮机铸件的加工周期。
　  四、已有技术基础： 
　  本项目成果来源于2006年立项的宁夏科技厅国际科技合作项目《重型铸钢件及水轮机叶片制造技术》，知识产权为共享铸钢有限公司完全所有。
　  2007年底，该项目研发的三峡地下电站巨型水轮机转轮叶片经国务院三峡工程建设委员会三期工程重大设备制造检查组组织的以中国工程院柳百成院士和中国科学院李依依院士为副组长的专家委员会鉴定，认为产品符合三峡叶片顾客新技术标准，主要技术指标化学成分、机械性能、有害元素控制、气体含量控制等均达到国外同类产品先进水平，实现了高纯净度、高性能超低碳不锈钢材料的研制，此叶片铸件可以用于三峡地下电站。
　  2008年11月，公司“重型铸钢件及水轮机叶片制造技术” 项目经自治区科技厅组织区内有关专家鉴定，成为2008年自治区科技成果。
　  2009年7月，该项目正式被自治区人民政府授予科技进步一等奖。
　  同时，各级专家认为本项目主要有如下创新点：
　  1、试制叶片的化学成分、气体含量、夹杂物、机械性能等指标符合三峡地下电站机组技术要求，达到了国际同类产品先进水平；
　  2、冶炼采用EAF＋LF＋VOD工艺流程和计算机实时跟踪控制先进技术，获得了高纯净、超低碳不锈钢钢液；
　  3、为保证三峡叶片试制成功，进行了1：4小叶片的中间试验及有关基础性试验，获得的数据对三峡叶片试制具有较强的指导意义。
　  4、基于先进的计算机辅助设计和模拟技术，制订的铸造工艺合理可行。
　  另外，从2008年至今，共享铸钢已经先后从国内外顾客处获得了一些大型水电项目近200片、2500余吨大型水轮机叶片的生产订单。可以说目前公司已经完全掌握了大型混流式水轮机叶片的制造技术。本项目期望将这些技术在抽水蓄能（水泵式）、贯流式、潮汐发电等其它水轮机机组铸件（如上冠、下环、转轮体、轮毂、推力头、阀体、活门等）上得到转化和应用，并实现这些产品的小批量生产。目前，该项目已经开始开展研发阶段的铸造工艺设计工作。 
　  五、配套条件及资金筹措： 
　  通过大型混流式水轮机叶片的研发和生产，共享铸钢建立了一整套水电铸钢件生产的科学流程和制度，不仅形成了水轮机产品开发从市场、生产到技术、质量方面的技术管理人员团队，还建立了由100多人组成的十几个水电铸件专业化生产小组，这样的人才团队和组织机制对技术、生产能力起到了有效的保障作用，也为本项目开展奠定了坚实的基础。
　  本项目总投资2300万元，其中技术开发各项内容投资1000万元，产品生产原辅材料、燃料动力、检测加工、设备等各其它投资1300万元。资金筹措来源主要为企业自筹，并期望能够从上级政府部门得到专项资金支持，以此来减轻项目投资压力。
　  本项目在2010年6月到2011年10月主要处于技术研发阶段，此阶段的技术开发投资预计是1000万元，这期间与产品研制相关的设备购置和改造费用预计将支出550万元；2011年10月以后主要是开展已研制成功核电产品的小批量生产试验工作，预计此阶段产品制造各项费用总计投资约为750万元。
　  资金使用范围和资金使用明细
　  序号 项目名称 规格型号 总价（万元）
　  一 技术开发
　  1000
　  1 研发人员费用 100
　  2 试制材料费 400
　  3 燃料及动力费 150
　  4 测试化验及加工费 200
　  5 产学研合作研究费 100
　  6 会务及管理费用 50
　  二 设备购置及改造 550
　  1 工装砂箱 6m×6m×3m 300
　  2 检测设备 50
　  3 粉末切割机等预清理设备 40
　  4 机床改造、刀具购置 160
　  三 产品制造各项费用 750
　  合计 2300
　  六、技术、经济效益、推广应用及产业化前景： 
　  1、效益分析
　  大型水轮机机组铸件由于其性能要求严格，技术难度大，因此经济附加值较高。根据当前市场状况，到2012年6月，本项目将生产的抽水蓄能（水泵式）、贯流式、潮汐发电等水轮机机组铸件，按照现有订单，保守估计销售收入会超过3000万元，实现利税约1400万元。随着水电建设事业的发展和市场需求的持续增加，预期效益将更为显著。
　  大型水轮机是对国家经济安全和国防建设有重要影响，对促进国民经济可持续发展有显著效果，对结构调整、产业升级有积极带动作用的重点技术装备，是国家鼓励发展的振兴装备制造业的重点产业，水电也是高效、环保、符合低碳经济的能源。通过配套大型铸件的制造，显著提升了公司的技术水平和市场竞争能力，为改变依赖进口，受制于人的局面做出了积极的贡献，同时也提升了国家重大装备制造企业在国际行业内的竞争力。
　  2、推广应用及产业化前景
　  本项目完成后，共享铸钢公司在水电铸件制造上的国际、国内市场份额将进一步得到提高。本项目开发出的核心技术，将极大提高公司的技术水平，使公司具备在水电行业向更高方向发展的实力，有利于公司开发难度更大的其它类型的水轮机组配套产品。同时，本项目开发出的高合金钢材料熔炼、焊接、热处理技术也可推广到其他行业配套的高合金钢阀体、缸体等铸件的生产方面，这对促进公司产品结构调整，降低经营风险是非常有利的。
　  3、风险分析
　  市场风险及对策——随着国际国内社会对环保问题的日益重视，清洁能源得到了充分的发展。中国已经在核电、水电、风电方面作了全面的布局，相关产品市场需求潜力较大。欧美等发达国家也纷纷出台国家政策支持清洁能源发展，因此本项目针对的产品应用前景广阔。宁夏共享铸钢公司在能源铸件产品方面有独特优势，主导产品为高技术含量的燃气轮机、蒸汽轮机、水力发电设备、核电设备、风力发电设备等高效清洁发电设备铸钢件，在能源设备市场上有很强的竞争力。通过本项目，公司将在水电产品开发上更进一步，产品结构将更加合理，同时能够将很好的提高产品质量，降低生产成本，提高企业的市场竞争力，扩大市场份额
　  技术风险及对策——共享铸钢有限公司产品质量和技术水平位于全国领先水平，在国际上具有较强的竞争力。大型燃气轮机铸钢件生产技术世界一流，供货产量和生产品种数居世界第一；巨型水电（如三峡）叶片铸造技术世界一流；60万千瓦~100万千瓦超临界、超超临界蒸汽发电机铸钢件制造技术世界一流。同时公司拥有大批经验丰富的技术工人、国家级企业技术中心（共享集团企业技术中心）和先进的生产和检测装备，近几年开发成功的发电设备铸件填补了国内空白，相关产品的生产经验和人才储备可以保证本项目的顺利实施。
　  本项目产学研合作单位中科院金属所是是我国材料科学与工程研究的重要基地，长期与国内重型企业合作，在铸锻件热加工工艺模拟与优化方面拥有雄厚的技术实力和解决工程难题的丰富经验，相关技术得到了国内众多企业以及行业内专家的认可，这也为本项目的顺利实施创造了有利条件。 
　  七、计划实施年限： 
　  序号 工作阶段 进度计划 备注
　  1 项目可行性研究及前期准备工作 2010.06——2010.09
　  2 水轮机铸件（转轮体、活门、轮毂等）铸造工艺研发 2010.07——2010.11
　  3 水轮机铸件模具制作 2010.11——2011.02
　  4 水轮机铸件（转轮体、活门、轮毂等）铸造生产 2011.2——2011.08
　  5 铸件检测、工艺验证及修改完善 2011.08——2011.10
　  6 水轮机铸件技术成果鉴定及转化，小批量试生产 2011.10——2012.04
　  7 项目工作总结，提请验收 2012.05——2012.06
　  八、组织措施及实施方案： 
　  1、实施方式
　  为确保各种类型水轮机铸件研发的顺利开展，经公司研究决,在原有水轮机叶片研发及产业化项目上制定了“每年进步，领先一步”的战略目标，并组建了新的项目组来组织开展日常工作：
　  项目负责人：
　  彭凡 正高级工程师 负责项目日常工作指导，技术顾问等
　  罗永建 工程师 负责研发项目日常工作组织管理，资源协调等
　  序号 姓 名 职 责 备注
　  1 李永新 负责项目工作对外业务交流，外部技术支持等
　  2 张立文 负责水轮机铸件技术质量工作，并主持铸造工艺设计
　  3 刘力 负责项目日常生产组织管理工作
　  4 马斌 参与水轮机铸件铸造工艺设计
　  5 付龙 水轮机铸件铸造工艺设计指导
　  6 常明发 造型工艺文件及作业指导书编制，培训、现场指导及总结
　  7 扈广麒 造型工艺文件及作业指导书编制，培训、现场指导及总结
　  8 胡进林 冶炼/浇注工艺文件及作业指导书编制，培训、现场指导及总结
　  9 郝亚丽 热处理工艺文件、专项作业指导书的编制，培训、现场指导及总结
　  10 侯玉鹏 焊接工艺技术文件、专项作业指导书的编制培训、现场指导及总结
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