1.5兆瓦风力发电关键零部件异形环件精确轧制技术

概 要
　  
　  大型风力发电机组制造所需的关键零部件之一是大型异形轴承环件的制造，生产难度非常大。该项目通过开展大型异型环件精确轧制技术进行研究，在环轧成形前制作的环坯采用从矩形截面设计改变为异形截面设计的方案，以解决环件终轧时坯料的分配和降低轧制力的问题，在该合金大型异形截面环坯的制坯时采用环轧+大型胎膜胀型分料的复合变形工艺来制坯，以解决制坯时由于坯料的重量和合金材料的变形抗力较大的使成形较为困难的难题，采用异形截面组和辗轧模具，轧制出沿零件外形分布的异形环件，提高零件组织的组织性能，且节约材料，降低消耗。从而解决制约大型风力发电机组制造上的技术难题，满足大型风力发电机的制造和使用要求。
　  
　  第一部分
　  一、 前言
　  贵州航宇科技发展有限公司成立于2006年9月，是贵州省科技厅批准成立的“贵州省先进锻压工程技术研究中心”。是专门从事先进锻压技术应用研究与工程化研究的专业化企业。主要面向航空、航天、兵器、核工业、电力、船舶、汽车、化工等行业，提供高新技术产品和先进的技术服务与支持。是贵州省2008年首批经国家重新认定的高新技术企业。下设1个先进锻压技术研究所、1条800吨快锻生产线、1条φ1600㎜精密辗环生产线、3条机械加工生产线。公司现年产高温合金、钛合金、不锈钢等锻件可达5000吨。
　  1、技术团队
　  航宇公司在册职工122人，研究人员46人，管理人员20人、技术工人52人。研究人员中硕士1人、高级工程师9人、工程师3人。公司与北京航空材料研究院、西北工业大学等研究院所建立了良好的战略伙伴合作关系，技术实力雄厚。
　  2、研发能力和水平
　  公司成立近四年，申请了国家发明专利6项，其中有4项获得了授权；四年来公司主要承担了省科技厅和国家科技部的科技型中小企业创新基金项目以及与国内材料领域著名研究院所北京航空材料研究院、中国科学院金属研究所、北京钢铁研究总院等单位的科研合作项目共计10项。2009年开发了具有国内先进水平的新产品180项，仅2009年公司的高新技术产品销售收入达到占公司全年销售收入的80%。航宇公司2009年销售收入5189万元，其中部分产品已出口美国、瑞典、英国等地。
　  3、公司近三年的生产经营情况
　  公司近三年的生产经营情况如下表1：
　  表1
　  年份 总资产
　  （万元） 销售收入
　  （万元） 利润
　  （万元） 税收
　  （万元）
　  2007年 1547 2115 531 394
　  2008年 5578 3968 863 483
　  2009年 9064 5189 1495 422
　  
　  4、2007年，贵州航宇科技发展有限公司率先研制成功了1.5兆瓦风力发电机用大型异形环件精确轧制技术。并申请了4项国家发明专利。利用该技术制造的大型风力发电机用轴承异形环锻件性能满足国际发达国家相关标准，而且产品精度高于国外发达国家同类产品，尤其是原材料利用率大幅提高（由5%提高到15%），制造成本较低，，目前该技术已通过了中试和省级新产品鉴定，其技术经济性远远高于世界同行业制造水平。由于该技术与传统制造方法相比具备诸多优势，经过3年的发展，得到国内外诸多用户的高度评价和认可。
　  
　  二、 实施背景
　  1.5兆瓦风力发电机用大型异形环件精确轧制技术产业化技术改造项目主要针对大型风力发电机的关键零部件---大型轴承环锻件的制造而提出。长期以来，我国一直以煤炭发电为主，由于多年来无止尽的开采，我国煤炭储量已经不能支持我国的电力发展，同时带来了空气污染、水污染等环境问题。中国正在以历史上最脆弱的生态系统，承受着历史上最多人口和严峻的能源压力。因此，提高能源效率和发展新能源与再生能源已是燃眉之急。作为可再生能源和清洁能源，风电的发展，更令人瞩目，能够承担能源供应和环境保护的双重使命，体现了人与自然相互依存、和谐发展的理念，在促进我国国民经济和持续发展的历程中，展现了广阔的发展前景。
　  目前，风电产业是世界上发展最快的能源产业之一，近5年来，发达国家的风电装机容量每年都以40%的速度增长，预计未来20-25年，世界风能市场每年将递增25%。到2003年止，全世界风电装机容量已达到39294万千瓦。我国目前可以利用的风能资源大概可以达到30-40亿千瓦，从开采量的角度来看，大概是10亿千瓦左右。在我国，2005年底全国发电设备容量为51718.48万千瓦，而风电只占总量的0.2%，到了2006年底全国风电装机容量已达到260万千瓦，占全国发电设备总容量的0.4%，比2005年增长了105%，全国已有3311台风电设备分布在16个省市区的91个风电场。随着中国政府风电特许项目的陆续推出和中华人民共和国《可再生能源法》的实施，中国风电正迎来了生机蓬勃的春天，国家计划至2020年风电装机容量达到3000万千瓦。
　  2007年1-6月中国进口风力发电机组数量总计610台，用汇1.9亿美元；而同期中国出口风力发电机组配件，创汇金额只有215万美元。由此可见，尽管近两年我国风电行业发展比较迅速，但国内的风电设备主要依靠进口，对外依赖性很强。风力发电设备及备件国产化已成为当前我国亟待解决的问题。而作为风电设备配件之一的锻环件，国内目前仍存在着巨大的供需缺口，并且随着锻环件在机械行业、汽车制造业、造船、航天航空等领域的广泛运用，这一缺口已成为逐年扩大的态势。
　  目前国内外同行业均采用传统制造技术，既矩形截面轧制技术。该技术所制造的产品性能不稳定，而且材料利用率低，制造成本高昂。国外少数企业开始尝试异形轧制，均未达到规模生产。我国亦无生产该类大型轴承异型环件的先例。
　  2007年，贵州航宇科技发展有限公司率先研制成功了1.5兆瓦风力发电机用大型异形环件精确轧制技术。并申请了4项国家发明专利。利用该技术制造的大型风力发电机用轴承异形环锻件性能满足国际发达国家相关标准，而且产品精度高于国外发达国家同类产品，尤其是原材料利用率大幅提高（由5%提高到15%），制造成本较低，目前该技术已通过了中试和省级新产品鉴定，其技术经济性远远高于世界同行业制造水平，
　  本项目的创新点：
　  1、本项目首次提出将材料最优先轨迹引入难变形材料数据库，以实现按照服役性能查询和推荐合理工艺参数范围的功能。对难变形材料热加工工艺特性和所具有的性能水平的分类数学描述。
　  2、应用有限元方法进行环件轧制过程数值模拟来解决压下量分配和芯辊转速未知的困难。大幅度缩短计算时间。
　  3、本项目首次提出综合运用材料最优轨迹和数值模拟技术建立面向服役性能的环件轧制工艺设计与优化方法和数值化工具。
　  关键技术：
　  1、大型异型环的精确轧制技术。
　  2、厚壁异型环坯的制备技术。
　  3、大型异型环超细晶环坯制备技术
　  航宇科技公司所研制风能发电用大型异形环件优势：
　  1、组织性能均匀；
　  2、变形抗力小、工艺可控性好；
　  3、由于异形截面轧制，所以产品精度高，减小了机加余量，提高了产品的材料利用率（由5%提高到15%），减少了材料消耗、机加工时及刀具损耗。
　  产品技术指标
　  1、硬度：同一锻件在任一端面均布三点进行检查，三点硬度差不大于20HB，硬度值200～240HB。
　  2、晶粒度：退火后按ASTM E112不低于7级
　  3、产品精度万分之五
　  4、力学性能：室温力学性能如下：
　  力 学 性 能
　  σb
　  MPa σ0.2
　  MPa δ5
　  % ψ
　  % KIC
　  MPa•m1/2
　  ≥1175 ≥1080 ≥10 ≥45 62
　  
　  第二部分
　  
　  一、 项目成果内涵
　  该项目突破了大型异形环件的精确轧制技术和厚壁异形环坯的制备技术等多项关键技术。产品组织性能均匀、工艺可控性好、锻件质量稳定性能优良。采用异形截面轧制技术，不仅大幅度提高了材料利用率、减小了机加余量，而且提高了产品的性能。采用异形截面精确轧制技术生产的“1.5兆瓦风力发电关键零部件异形环件”属国内首创，处于国内领先水平。通过该项目的实施，公司已攻克了实施本项目产业化所需的关键技术，申请了4项国家发明专利，为产业化奠定了基础。
　  已申请国家发明专利：
　  不锈钢锥形环锻件的辗轧成形方法（专利申请号：200810068724.4）；
　  钛合金锥形环锻件的辗轧成形方法（专利申请号：200810068725.9）；
　  铝合金锥形环锻件的辗轧成形方法（专利申请号：200810068726.3）；
　  镍基高温合金锥形环锻件的辗轧成形方法（专利申请号：200810068727.8）
　  该成果还可以推广应用到以下行业：
　  民用航空： 大型客机、大型运输机、大涵道比航空发动机；
　  能 源： 风力发电、核电站、地面燃气轮机、烟气轮机；
　  交 通： 高速列车轮毂；
　  其他民用装备： 齿轮环、轴承环、管接头、大型起重机和隧道挖掘机安装圈。
　  
　  二、 具体做法
　  该项目通过开展大型异型轴承环件精确轧制技术进行研究：在环轧成形前制作的环坯采用从矩形截面设计改变为异形截面设计的方案，以解决环件终轧时坯料的分配和降低轧制力问题；在该合金大型异形截面环坯的制坯时采用环轧＋大型胎模胀型分料的复合变形工艺来制坯，以解决制坯时由于坯料的重量和合金材料的变形抗力较大的使成形较为困难的难题；采用异形截面组合辗轧模具，轧制出沿零件外形分布的异形环件，提高零件的组织性能，且节约材料，降低消耗。从而解决制约大型风力发电机组制造上的技术难题，满足大型风力发电机的制造和使用要求。
　  由于该产品国内外市场前景极为广阔，为此，航宇公司在贵阳国家高新技术产业开发区新建了一条生产线，进一步扩大该产品的生产能力。并通过了ISO 9001:2008国际航空标准认证、GJB 9001A-2001军工质量管理体系认证、GB/T 28001-2001职业健康安全管理体系认证、GB/T 24001-2004环境管理体系认证、GB/T19001-2008质量体系的认证，并通过了美国的TIMKEN公司、GE公司、ALFALAVAL公司等公司客户的生产线投运考核验证。
　  第三部分
　  一、 项目实施的效果
　  1、经济效益
　  由于该产品采用了异形截面精确轧制技术，相比常规锻造具有多方面的优势，尤其是较大程度提高了材料的利用率，降低了制造成本。因此获得了国内外用户的高度认可。目前该产品凭借其各方面的优势，在满足国内外市场需要的同时，已拓展了国际市场，如瑞典SKF公司、美国的TIMKEN公司。
　  近三年的经济指标：
　  单位：万元
　  年度 产值 利润 节材
　  2007年 260 57 15.4
　  2008年 890 269 39.8
　  2009年 2365 775 114.6
　  2010年 5000 1310 242.3
　  合计 8515 2411 412.1
　  
　  2、社会效益
　  1）解决了我国风力发电关键零件的制造瓶颈，极大地提升了我国该制造领域的技术水平。
　  2）可以带动我国锻造行业的技术发展，使我国锻造业在该领域的制造水平得到极大的提高。
　  3）节材是本项目的优势之一，对倡导节约资源，实现可持续发展战略具有重大意义。
　  4）增加就业岗位，减轻社会就业压力。
　  
　  第四部分
　  
　  一、持续改进措施
　  第一、本项目成果已申请了4项国家发明专利，很好地保护了该项目的成果。
　  第二、本项目的完成，攻克了大型异型环件精确轧制技术在工程化应用中的过程控制技术；大型异形截面环坯环轧＋大型胎模胀型分料的复合变形制坯技术的工程化应用等一系列关键技术，提升了企业的核心竞争力。
　  第三、项目形成了一条风能发电机用等系列环件的生产线，扩大了风能产品的生产能力，抢占了市场，为公司进一步开拓国内外市场打下基础。
　  第四、项目成果可以推广到核电、民用航空、航天、高速列车、地面燃气轮机、烟气轮机关键部件以及其他民用装备的制造领域。，为企业形成产业化生产，打开当前国内