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重型鑄鋼件及水輪機葉片制造技術成果轉化

一、項目意義： 
　  隨著國家經(jīng)濟的高速發(fā)展，在能源日益緊張、環(huán)境污染日益嚴重的今天，作為世界第一水力資源大國的中國，及時調整了國家的能源政策，已經(jīng)開始大幅度開發(fā)和利用現(xiàn)有豐富的江河資源，大力發(fā)展水電事業(yè)。因此，水輪機組大型關鍵鑄鍛件實現(xiàn)國產(chǎn)化是十分必要的。
　  大型水輪機機組設計和制造難度很大，其配套鑄鋼件技術指標要求高，尺寸較大，幾何形狀復雜，設計制造難度高，鋼水精煉純凈度高，其制造技術長期為國外少數(shù)幾家大公司所擁有，這嚴重制約著我國水電事業(yè)的迅速發(fā)展。盡管近幾年來，國內(nèi)個別大型鑄造企業(yè)已經(jīng)開始生產(chǎn)大型水輪機鑄件，但無論從產(chǎn)品質量，還是生產(chǎn)規(guī)模上來講都仍然不能滿足國內(nèi)電站建設的需求，因此，共享鑄鋼如果能盡快實現(xiàn)批量生產(chǎn)，將會獲得更多的市場機會。
　  同時，在2006年6月新華社受權發(fā)布的《國務院關于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》中明確將水電機組列為對國家經(jīng)濟安全和國防建設有重要影響，對促進國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展有顯著效果，對結構調整、產(chǎn)業(yè)升級有積極帶動作用的重點技術裝備，是國家鼓勵發(fā)展的重點產(chǎn)業(yè)。如此，解決重大裝備制造業(yè)發(fā)展的瓶頸，實現(xiàn)大型關鍵鑄鍛件國產(chǎn)化也自然成為了國內(nèi)鑄造企業(yè)的責任和使命。 
　  根據(jù)國家規(guī)劃，未來10～15年，國家將建設12個大水電基地，規(guī)劃裝機容量9025億千瓦。進口水輪機鑄件的采購單位成本比國產(chǎn)鑄件單位成本高3~4萬元/噸，規(guī)劃中提到的2020年投產(chǎn)的130臺700MW以上大型水電機組，如果都能實現(xiàn)配套鑄件國產(chǎn)化，將為國家節(jié)省資金超過20億元，并可保證國家重大水電項目按期完成。
　  水力發(fā)電設備鑄鋼件主要是指用在大中型水輪機設備上的通流部件，材質大都采用鑄造高合金鋼、低合金鋼和碳鋼，具體的產(chǎn)品包括葉片、上冠、下環(huán)、轉輪體、輪轂、推力頭、閥體、活門等。適合共享鑄鋼開發(fā)的比較典型的是葉片、上冠、下環(huán)和轉輪體，這些鑄鋼件都是水輪機上的大件。共享鑄鋼作為一家很有實力的專業(yè)鑄鋼生產(chǎn)企業(yè)，在水電機組鑄件生產(chǎn)方面具有良好的技術基礎。
　  本項目將主要開發(fā)混流式水輪機上冠、下環(huán)，軸流式水輪機葉片、輪轂，貫流式水輪機葉片，水泵式（抽水蓄能）轉輪體、活門等高難度水輪機配套鑄件，涉及水電行業(yè)各個機型、各類零部件，這不僅對提升區(qū)內(nèi)裝備制造業(yè)水平意義重大，更重要的是將提高國內(nèi)水電設備鑄件的自主化程度，降低生產(chǎn)成本，縮短供貨周期。通過本項目的實施，使共享鑄鋼繼續(xù)擴大在國內(nèi)外水電設備配套鑄件制造的市場份額，為國內(nèi)外各大水利工程的建設生產(chǎn)出質量更好的鑄件，提供更好的保障。 
　  二、項目目標： 
　  本項目的目標是完成《重型鑄鋼件及水輪機葉片制造技術》的成果轉化，將這些技術應用在抽水蓄能（水泵式）、貫流式、潮汐發(fā)電等水輪機機組鑄件（如上冠、下環(huán)、轉輪體、輪轂、推力頭、閥體、活門等）上，完成產(chǎn)品的試制成功，并實現(xiàn)小批量生產(chǎn)。鑄件重量從1噸到45噸不等，最大尺寸介于1米到5米之間，材質涉及碳鋼、低合金鋼、高合金鋼、不銹鋼等不同鋼種，產(chǎn)品全部要求精加工交貨，尺寸精度要求高，產(chǎn)品力學性能、化學成分要求嚴格，產(chǎn)品技術含量很高，制造難度較大。
　  本項目在研制和生產(chǎn)過程中，對于我公司自主研究的技術，公司享有完全自主知識產(chǎn)權；對于和中科院金屬研究所合作研究的技術將共有知識產(chǎn)權。本項目在未來兩年間，預計將就核心技術申報國家專利2-4項，在國家省部級以上刊物上發(fā)表論文5篇以上。
　  三、主要任務： 
　  本項目在《重型鑄鋼件及水輪機葉片制造技術》的成果轉化過程中，將根據(jù)軸流式、貫流式、水泵式等水輪機配套鑄件的結構、材質特點，在生產(chǎn)實踐中將進行以下幾方面技術的研究：
　  1、各類水輪機葉片及上冠、下環(huán)等薄壁結構鑄件的反變形量設計
　  此項工作目的在于通過工藝設計數(shù)值模擬，在鑄件容易變形的位置預先添加工藝反變形量, 從而來抵消凝固收縮時產(chǎn)生的變形。同時，要求在滿足反變形的前提下最大限度地減小反變形量和加工量，以此提高產(chǎn)品表面質量、減輕機械加工工作量、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。
　  2、水輪機鑄件的澆注系統(tǒng)設計
　  此項工作目的在于優(yōu)化鑄件造型過程中澆口杯、直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道的設計方案，降低鑄件產(chǎn)生夾渣、夾砂等缺陷的風險，提高產(chǎn)品內(nèi)在質量。
　  3、復雜曲面結構鑄件模具制作工藝的優(yōu)化
　  此項工作目的在于通過改善模具、芯盒設計方案（如采用鋼結構框架、表面環(huán)氧樹脂涂層等方法）提高模具尺寸精度和表面光潔度，同時優(yōu)化模具結構，使之更加方便于造型現(xiàn)場操作，從而有效保障產(chǎn)品質量。 
　  4、熔煉工序鋼水冶煉過程中的化學成分優(yōu)化
　  此項工作目的在于通過應用六西格瑪工具研究鑄件力學性能和化學成分之間的關系，并在符合產(chǎn)品國際、國家、行業(yè)或顧客標準的前提下，制定出更有利于提高產(chǎn)品力學性能、更為嚴格的企業(yè)內(nèi)部標準，以此降低風險，確保產(chǎn)品性能100%符合顧客要求。
　  5、水輪機薄壁結構鑄件熱處理工藝技術
　  此項工作目的在于針對鑄件結構特點,設計專用工裝，確保熱處理過程中不發(fā)生自重變形，同時設計更為合理的正火、回火等熱處理方式，確保鑄件力學性能、材料金相組織符合顧客要求。
　  6、水輪機鑄件型線檢測技術
　  此項工作目的在于通過研究公司現(xiàn)有測量臂、激光跟蹤儀、三維劃線機的功能特點和水輪機鑄件的結構特點，開發(fā)出一種更為高效、準確的水輪機鑄件型線尺寸測量技術，確保鑄件尺寸符合圖紙要求。
　  7、水輪機鑄件數(shù)控加工技術
　  此項工作目的在于設計出合理的水輪機鑄件曲面加工工藝和特殊工裝，并應用國際先進的UG軟件編寫數(shù)控加工程序，進行加工過程的模擬優(yōu)化，從切削深度、切削速度、進給速度和刀路寬度、刀路寬度等方面來提高加工效率和加工精度，以縮短大型水輪機鑄件的加工周期。
　  四、已有技術基礎： 
　  本項目成果來源于2006年立項的寧夏科技廳國際科技合作項目《重型鑄鋼件及水輪機葉片制造技術》，知識產(chǎn)權為共享鑄鋼有限公司完全所有。
　  2007年底，該項目研發(fā)的三峽地下電站巨型水輪機轉輪葉片經(jīng)國務院三峽工程建設委員會三期工程重大設備制造檢查組組織的以中國工程院柳百成院士和中國科學院李依依院士為副組長的專家委員會鑒定，認為產(chǎn)品符合三峽葉片顧客新技術標準，主要技術指標化學成分、機械性能、有害元素控制、氣體含量控制等均達到國外同類產(chǎn)品先進水平，實現(xiàn)了高純凈度、高性能超低碳不銹鋼材料的研制，此葉片鑄件可以用于三峽地下電站。
　  2008年11月，公司“重型鑄鋼件及水輪機葉片制造技術” 項目經(jīng)自治區(qū)科技廳組織區(qū)內(nèi)有關專家鑒定，成為2008年自治區(qū)科技成果。
　  2009年7月，該項目正式被自治區(qū)人民政府授予科技進步一等獎。
　  同時，各級專家認為本項目主要有如下創(chuàng)新點：
　  1、試制葉片的化學成分、氣體含量、夾雜物、機械性能等指標符合三峽地下電站機組技術要求，達到了國際同類產(chǎn)品先進水平；
　  2、冶煉采用EAF＋LF＋VOD工藝流程和計算機實時跟蹤控制先進技術，獲得了高純凈、超低碳不銹鋼鋼液；
　  3、為保證三峽葉片試制成功，進行了1：4小葉片的中間試驗及有關基礎性試驗，獲得的數(shù)據(jù)對三峽葉片試制具有較強的指導意義。
　  4、基于先進的計算機輔助設計和模擬技術，制訂的鑄造工藝合理可行。
　  另外，從2008年至今，共享鑄鋼已經(jīng)先后從國內(nèi)外顧客處獲得了一些大型水電項目近200片、2500余噸大型水輪機葉片的生產(chǎn)訂單。可以說目前公司已經(jīng)完全掌握了大型混流式水輪機葉片的制造技術。本項目期望將這些技術在抽水蓄能（水泵式）、貫流式、潮汐發(fā)電等其它水輪機機組鑄件（如上冠、下環(huán)、轉輪體、輪轂、推力頭、閥體、活門等）上得到轉化和應用，并實現(xiàn)這些產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)。目前，該項目已經(jīng)開始開展研發(fā)階段的鑄造工藝設計工作。 
　  五、配套條件及資金籌措： 
　  通過大型混流式水輪機葉片的研發(fā)和生產(chǎn)，共享鑄鋼建立了一整套水電鑄鋼件生產(chǎn)的科學流程和制度，不僅形成了水輪機產(chǎn)品開發(fā)從市場、生產(chǎn)到技術、質量方面的技術管理人員團隊，還建立了由100多人組成的十幾個水電鑄件專業(yè)化生產(chǎn)小組，這樣的人才團隊和組織機制對技術、生產(chǎn)能力起到了有效的保障作用，也為本項目開展奠定了堅實的基礎。
　  本項目總投資2300萬元，其中技術開發(fā)各項內(nèi)容投資1000萬元，產(chǎn)品生產(chǎn)原輔材料、燃料動力、檢測加工、設備等各其它投資1300萬元。資金籌措來源主要為企業(yè)自籌，并期望能夠從上級政府部門得到專項資金支持，以此來減輕項目投資壓力。
　  本項目在2010年6月到2011年10月主要處于技術研發(fā)階段，此階段的技術開發(fā)投資預計是1000萬元，這期間與產(chǎn)品研制相關的設備購置和改造費用預計將支出550萬元；2011年10月以后主要是開展已研制成功核電產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)試驗工作，預計此階段產(chǎn)品制造各項費用總計投資約為750萬元。
　  資金使用范圍和資金使用明細
　  序號 項目名稱 規(guī)格型號 總價（萬元）
　  一 技術開發(fā)
　  1000
　  1 研發(fā)人員費用 100
　  2 試制材料費 400
　  3 燃料及動力費 150
　  4 測試化驗及加工費 200
　  5 產(chǎn)學研合作研究費 100
　  6 會務及管理費用 50
　  二 設備購置及改造 550
　  1 工裝砂箱 6m×6m×3m 300
　  2 檢測設備 50
　  3 粉末切割機等預清理設備 40
　  4 機床改造、刀具購置 160
　  三 產(chǎn)品制造各項費用 750
　  合計 2300
　  六、技術、經(jīng)濟效益、推廣應用及產(chǎn)業(yè)化前景： 
　  1、效益分析
　  大型水輪機機組鑄件由于其性能要求嚴格，技術難度大，因此經(jīng)濟附加值較高。根據(jù)當前市場狀況，到2012年6月，本項目將生產(chǎn)的抽水蓄能（水泵式）、貫流式、潮汐發(fā)電等水輪機機組鑄件，按照現(xiàn)有訂單，保守估計銷售收入會超過3000萬元，實現(xiàn)利稅約1400萬元。隨著水電建設事業(yè)的發(fā)展和市場需求的持續(xù)增加，預期效益將更為顯著。
　  大型水輪機是對國家經(jīng)濟安全和國防建設有重要影響，對促進國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展有顯著效果，對結構調整、產(chǎn)業(yè)升級有積極帶動作用的重點技術裝備，是國家鼓勵發(fā)展的振興裝備制造業(yè)的重點產(chǎn)業(yè)，水電也是高效、環(huán)保、符合低碳經(jīng)濟的能源。通過配套大型鑄件的制造，顯著提升了公司的技術水平和市場競爭能力，為改變依賴進口，受制于人的局面做出了積極的貢獻，同時也提升了國家重大裝備制造企業(yè)在國際行業(yè)內(nèi)的競爭力。
　  2、推廣應用及產(chǎn)業(yè)化前景
　  本項目完成后，共享鑄鋼公司在水電鑄件制造上的國際、國內(nèi)市場份額將進一步得到提高。本項目開發(fā)出的核心技術，將極大提高公司的技術水平，使公司具備在水電行業(yè)向更高方向發(fā)展的實力，有利于公司開發(fā)難度更大的其它類型的水輪機組配套產(chǎn)品。同時，本項目開發(fā)出的高合金鋼材料熔煉、焊接、熱處理技術也可推廣到其他行業(yè)配套的高合金鋼閥體、缸體等鑄件的生產(chǎn)方面，這對促進公司產(chǎn)品結構調整，降低經(jīng)營風險是非常有利的。
　  3、風險分析
　  市場風險及對策——隨著國際國內(nèi)社會對環(huán)保問題的日益重視，清潔能源得到了充分的發(fā)展。中國已經(jīng)在核電、水電、風電方面作了全面的布局，相關產(chǎn)品市場需求潛力較大。歐美等發(fā)達國家也紛紛出臺國家政策支持清潔能源發(fā)展，因此本項目針對的產(chǎn)品應用前景廣闊。寧夏共享鑄鋼公司在能源鑄件產(chǎn)品方面有獨特優(yōu)勢，主導產(chǎn)品為高技術含量的燃氣輪機、蒸汽輪機、水力發(fā)電設備、核電設備、風力發(fā)電設備等高效清潔發(fā)電設備鑄鋼件，在能源設備市場上有很強的競爭力。通過本項目，公司將在水電產(chǎn)品開發(fā)上更進一步，產(chǎn)品結構將更加合理，同時能夠將很好的提高產(chǎn)品質量，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的市場競爭力，擴大市場份額
　  技術風險及對策——共享鑄鋼有限公司產(chǎn)品質量和技術水平位于全國領先水平，在國際上具有較強的競爭力。大型燃氣輪機鑄鋼件生產(chǎn)技術世界一流，供貨產(chǎn)量和生產(chǎn)品種數(shù)居世界第一；巨型水電（如三峽）葉片鑄造技術世界一流；60萬千瓦~100萬千瓦超臨界、超超臨界蒸汽發(fā)電機鑄鋼件制造技術世界一流。同時公司擁有大批經(jīng)驗豐富的技術工人、國家級企業(yè)技術中心（共享集團企業(yè)技術中心）和先進的生產(chǎn)和檢測裝備，近幾年開發(fā)成功的發(fā)電設備鑄件填補了國內(nèi)空白，相關產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)驗和人才儲備可以保證本項目的順利實施。
　  本項目產(chǎn)學研合作單位中科院金屬所是是我國材料科學與工程研究的重要基地，長期與國內(nèi)重型企業(yè)合作，在鑄鍛件熱加工工藝模擬與優(yōu)化方面擁有雄厚的技術實力和解決工程難題的豐富經(jīng)驗，相關技術得到了國內(nèi)眾多企業(yè)以及行業(yè)內(nèi)專家的認可，這也為本項目的順利實施創(chuàng)造了有利條件。 
　  七、計劃實施年限： 
　  序號 工作階段 進度計劃 備注
　  1 項目可行性研究及前期準備工作 2010.06——2010.09
　  2 水輪機鑄件（轉輪體、活門、輪轂等）鑄造工藝研發(fā) 2010.07——2010.11
　  3 水輪機鑄件模具制作 2010.11——2011.02
　  4 水輪機鑄件（轉輪體、活門、輪轂等）鑄造生產(chǎn) 2011.2——2011.08
　  5 鑄件檢測、工藝驗證及修改完善 2011.08——2011.10
　  6 水輪機鑄件技術成果鑒定及轉化，小批量試生產(chǎn) 2011.10——2012.04
　  7 項目工作總結，提請驗收 2012.05——2012.06
　  八、組織措施及實施方案： 
　  1、實施方式
　  為確保各種類型水輪機鑄件研發(fā)的順利開展，經(jīng)公司研究決,在原有水輪機葉片研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項目上制定了“每年進步，領先一步”的戰(zhàn)略目標，并組建了新的項目組來組織開展日常工作：
　  項目負責人：
　  彭凡 正高級工程師 負責項目日常工作指導，技術顧問等
　  羅永建 工程師 負責研發(fā)項目日常工作組織管理，資源協(xié)調等
　  序號 姓 名 職 責 備注
　  1 李永新 負責項目工作對外業(yè)務交流，外部技術支持等
　  2 張立文 負責水輪機鑄件技術質量工作，并主持鑄造工藝設計
　  3 劉力 負責項目日常生產(chǎn)組織管理工作
　  4 馬斌 參與水輪機鑄件鑄造工藝設計
　  5 付龍 水輪機鑄件鑄造工藝設計指導
　  6 常明發(fā) 造型工藝文件及作業(yè)指導書編制，培訓、現(xiàn)場指導及總結
　  7 扈廣麒 造型工藝文件及作業(yè)指導書編制，培訓、現(xiàn)場指導及總結
　  8 胡進林 冶煉/澆注工藝文件及作業(yè)指導書編制，培訓、現(xiàn)場指導及總結
　  9 郝亞麗 熱處理工藝文件、專項作業(yè)指導書的編制，培訓、現(xiàn)場指導及總結
　  10 侯玉鵬 焊接工藝技術文件、專項作業(yè)指導書的編制培訓、現(xiàn)場指導及總結
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