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1.5兆瓦風力發電關鍵零部件異形環件精確軋制技術

概 要
　  
　  大型風力發電機組制造所需的關鍵零部件之一是大型異形軸承環件的制造，生產難度非常大。該項目通過開展大型異型環件精確軋制技術進行研究，在環軋成形前制作的環坯采用從矩形截面設計改變為異形截面設計的方案，以解決環件終軋時坯料的分配和降低軋制力的問題，在該合金大型異形截面環坯的制坯時采用環軋+大型胎膜脹型分料的復合變形工藝來制坯，以解決制坯時由于坯料的重量和合金材料的變形抗力較大的使成形較為困難的難題，采用異形截面組和輾軋模具，軋制出沿零件外形分布的異形環件，提高零件組織的組織性能，且節約材料，降低消耗。從而解決制約大型風力發電機組制造上的技術難題，滿足大型風力發電機的制造和使用要求。
　  
　  第一部分
　  一、 前言
　  貴州航宇科技發展有限公司成立于2006年9月，是貴州省科技廳批準成立的“貴州省先進鍛壓工程技術研究中心”。是專門從事先進鍛壓技術應用研究與工程化研究的專業化企業。主要面向航空、航天、兵器、核工業、電力、船舶、汽車、化工等行業，提供高新技術產品和先進的技術服務與支持。是貴州省2008年首批經國家重新認定的高新技術企業。下設1個先進鍛壓技術研究所、1條800噸快鍛生產線、1條φ1600㎜精密輾環生產線、3條機械加工生產線。公司現年產高溫合金、鈦合金、不銹鋼等鍛件可達5000噸。
　  1、技術團隊
　  航宇公司在冊職工122人，研究人員46人，管理人員20人、技術工人52人。研究人員中碩士1人、高級工程師9人、工程師3人。公司與北京航空材料研究院、西北工業大學等研究院所建立了良好的戰略伙伴合作關系，技術實力雄厚。
　  2、研發能力和水平
　  公司成立近四年，申請了國家發明專利6項，其中有4項獲得了授權；四年來公司主要承擔了省科技廳和國家科技部的科技型中小企業創新基金項目以及與國內材料領域著名研究院所北京航空材料研究院、中國科學院金屬研究所、北京鋼鐵研究總院等單位的科研合作項目共計10項。2009年開發了具有國內先進水平的新產品180項，僅2009年公司的高新技術產品銷售收入達到占公司全年銷售收入的80%。航宇公司2009年銷售收入5189萬元，其中部分產品已出口美國、瑞典、英國等地。
　  3、公司近三年的生產經營情況
　  公司近三年的生產經營情況如下表1：
　  表1
　  年份 總資產
　  （萬元） 銷售收入
　  （萬元） 利潤
　  （萬元） 稅收
　  （萬元）
　  2007年 1547 2115 531 394
　  2008年 5578 3968 863 483
　  2009年 9064 5189 1495 422
　  
　  4、2007年，貴州航宇科技發展有限公司率先研制成功了1.5兆瓦風力發電機用大型異形環件精確軋制技術。并申請了4項國家發明專利。利用該技術制造的大型風力發電機用軸承異形環鍛件性能滿足國際發達國家相關標準，而且產品精度高于國外發達國家同類產品，尤其是原材料利用率大幅提高（由5%提高到15%），制造成本較低，，目前該技術已通過了中試和省級新產品鑒定，其技術經濟性遠遠高于世界同行業制造水平。由于該技術與傳統制造方法相比具備諸多優勢，經過3年的發展，得到國內外諸多用戶的高度評價和認可。
　  
　  二、 實施背景
　  1.5兆瓦風力發電機用大型異形環件精確軋制技術產業化技術改造項目主要針對大型風力發電機的關鍵零部件---大型軸承環鍛件的制造而提出。長期以來，我國一直以煤炭發電為主，由于多年來無止盡的開采，我國煤炭儲量已經不能支持我國的電力發展，同時帶來了空氣污染、水污染等環境問題。中國正在以歷史上最脆弱的生態系統，承受著歷史上最多人口和嚴峻的能源壓力。因此，提高能源效率和發展新能源與再生能源已是燃眉之急。作為可再生能源和清潔能源，風電的發展，更令人矚目，能夠承擔能源供應和環境保護的雙重使命，體現了人與自然相互依存、和諧發展的理念，在促進我國國民經濟和持續發展的歷程中，展現了廣闊的發展前景。
　  目前，風電產業是世界上發展最快的能源產業之一，近5年來，發達國家的風電裝機容量每年都以40%的速度增長，預計未來20-25年，世界風能市場每年將遞增25%。到2003年止，全世界風電裝機容量已達到39294萬千瓦。我國目前可以利用的風能資源大概可以達到30-40億千瓦，從開采量的角度來看，大概是10億千瓦左右。在我國，2005年底全國發電設備容量為51718.48萬千瓦，而風電只占總量的0.2%，到了2006年底全國風電裝機容量已達到260萬千瓦，占全國發電設備總容量的0.4%，比2005年增長了105%，全國已有3311臺風電設備分布在16個省市區的91個風電場。隨著中國政府風電特許項目的陸續推出和中華人民共和國《可再生能源法》的實施，中國風電正迎來了生機蓬勃的春天，國家計劃至2020年風電裝機容量達到3000萬千瓦。
　  2007年1-6月中國進口風力發電機組數量總計610臺，用匯1.9億美元；而同期中國出口風力發電機組配件，創匯金額只有215萬美元。由此可見，盡管近兩年我國風電行業發展比較迅速，但國內的風電設備主要依靠進口，對外依賴性很強。風力發電設備及備件國產化已成為當前我國亟待解決的問題。而作為風電設備配件之一的鍛環件，國內目前仍存在著巨大的供需缺口，并且隨著鍛環件在機械行業、汽車制造業、造船、航天航空等領域的廣泛運用，這一缺口已成為逐年擴大的態勢。
　  目前國內外同行業均采用傳統制造技術，既矩形截面軋制技術。該技術所制造的產品性能不穩定，而且材料利用率低，制造成本高昂。國外少數企業開始嘗試異形軋制，均未達到規模生產。我國亦無生產該類大型軸承異型環件的先例。
　  2007年，貴州航宇科技發展有限公司率先研制成功了1.5兆瓦風力發電機用大型異形環件精確軋制技術。并申請了4項國家發明專利。利用該技術制造的大型風力發電機用軸承異形環鍛件性能滿足國際發達國家相關標準，而且產品精度高于國外發達國家同類產品，尤其是原材料利用率大幅提高（由5%提高到15%），制造成本較低，目前該技術已通過了中試和省級新產品鑒定，其技術經濟性遠遠高于世界同行業制造水平，
　  本項目的創新點：
　  1、本項目首次提出將材料最優先軌跡引入難變形材料數據庫，以實現按照服役性能查詢和推薦合理工藝參數范圍的功能。對難變形材料熱加工工藝特性和所具有的性能水平的分類數學描述。
　  2、應用有限元方法進行環件軋制過程數值模擬來解決壓下量分配和芯輥轉速未知的困難。大幅度縮短計算時間。
　  3、本項目首次提出綜合運用材料最優軌跡和數值模擬技術建立面向服役性能的環件軋制工藝設計與優化方法和數值化工具。
　  關鍵技術：
　  1、大型異型環的精確軋制技術。
　  2、厚壁異型環坯的制備技術。
　  3、大型異型環超細晶環坯制備技術
　  航宇科技公司所研制風能發電用大型異形環件優勢：
　  1、組織性能均勻；
　  2、變形抗力小、工藝可控性好；
　  3、由于異形截面軋制，所以產品精度高，減小了機加余量，提高了產品的材料利用率（由5%提高到15%），減少了材料消耗、機加工時及刀具損耗。
　  產品技術指標
　  1、硬度：同一鍛件在任一端面均布三點進行檢查，三點硬度差不大于20HB，硬度值200～240HB。
　  2、晶粒度：退火后按ASTM E112不低于7級
　  3、產品精度萬分之五
　  4、力學性能：室溫力學性能如下：
　  力 學 性 能
　  σb
　  MPa σ0.2
　  MPa δ5
　  % ψ
　  % KIC
　  MPa•m1/2
　  ≥1175 ≥1080 ≥10 ≥45 62
　  
　  第二部分
　  
　  一、 項目成果內涵
　  該項目突破了大型異形環件的精確軋制技術和厚壁異形環坯的制備技術等多項關鍵技術。產品組織性能均勻、工藝可控性好、鍛件質量穩定性能優良。采用異形截面軋制技術，不僅大幅度提高了材料利用率、減小了機加余量，而且提高了產品的性能。采用異形截面精確軋制技術生產的“1.5兆瓦風力發電關鍵零部件異形環件”屬國內首創，處于國內領先水平。通過該項目的實施，公司已攻克了實施本項目產業化所需的關鍵技術，申請了4項國家發明專利，為產業化奠定了基礎。
　  已申請國家發明專利：
　  不銹鋼錐形環鍛件的輾軋成形方法（專利申請號：200810068724.4）；
　  鈦合金錐形環鍛件的輾軋成形方法（專利申請號：200810068725.9）；
　  鋁合金錐形環鍛件的輾軋成形方法（專利申請號：200810068726.3）；
　  鎳基高溫合金錐形環鍛件的輾軋成形方法（專利申請號：200810068727.8）
　  該成果還可以推廣應用到以下行業：
　  民用航空： 大型客機、大型運輸機、大涵道比航空發動機；
　  能 源： 風力發電、核電站、地面燃氣輪機、煙氣輪機；
　  交 通： 高速列車輪轂；
　  其他民用裝備： 齒輪環、軸承環、管接頭、大型起重機和隧道挖掘機安裝圈。
　  
　  二、 具體做法
　  該項目通過開展大型異型軸承環件精確軋制技術進行研究：在環軋成形前制作的環坯采用從矩形截面設計改變為異形截面設計的方案，以解決環件終軋時坯料的分配和降低軋制力問題；在該合金大型異形截面環坯的制坯時采用環軋＋大型胎模脹型分料的復合變形工藝來制坯，以解決制坯時由于坯料的重量和合金材料的變形抗力較大的使成形較為困難的難題；采用異形截面組合輾軋模具，軋制出沿零件外形分布的異形環件，提高零件的組織性能，且節約材料，降低消耗。從而解決制約大型風力發電機組制造上的技術難題，滿足大型風力發電機的制造和使用要求。
　  由于該產品國內外市場前景極為廣闊，為此，航宇公司在貴陽國家高新技術產業開發區新建了一條生產線，進一步擴大該產品的生產能力。并通過了ISO 9001:2008國際航空標準認證、GJB 9001A-2001軍工質量管理體系認證、GB/T 28001-2001職業健康安全管理體系認證、GB/T 24001-2004環境管理體系認證、GB/T19001-2008質量體系的認證，并通過了美國的TIMKEN公司、GE公司、ALFALAVAL公司等公司客戶的生產線投運考核驗證。
　  第三部分
　  一、 項目實施的效果
　  1、經濟效益
　  由于該產品采用了異形截面精確軋制技術，相比常規鍛造具有多方面的優勢，尤其是較大程度提高了材料的利用率，降低了制造成本。因此獲得了國內外用戶的高度認可。目前該產品憑借其各方面的優勢，在滿足國內外市場需要的同時，已拓展了國際市場，如瑞典SKF公司、美國的TIMKEN公司。
　  近三年的經濟指標：
　  單位：萬元
　  年度 產值 利潤 節材
　  2007年 260 57 15.4
　  2008年 890 269 39.8
　  2009年 2365 775 114.6
　  2010年 5000 1310 242.3
　  合計 8515 2411 412.1
　  
　  2、社會效益
　  1）解決了我國風力發電關鍵零件的制造瓶頸，極大地提升了我國該制造領域的技術水平。
　  2）可以帶動我國鍛造行業的技術發展，使我國鍛造業在該領域的制造水平得到極大的提高。
　  3）節材是本項目的優勢之一，對倡導節約資源，實現可持續發展戰略具有重大意義。
　  4）增加就業崗位，減輕社會就業壓力。
　  
　  第四部分
　  
　  一、持續改進措施
　  第一、本項目成果已申請了4項國家發明專利，很好地保護了該項目的成果。
　  第二、本項目的完成，攻克了大型異型環件精確軋制技術在工程化應用中的過程控制技術；大型異形截面環坯環軋＋大型胎模脹型分料的復合變形制坯技術的工程化應用等一系列關鍵技術，提升了企業的核心競爭力。
　  第三、項目形成了一條風能發電機用等系列環件的生產線，擴大了風能產品的生產能力，搶占了市場，為公司進一步開拓國內外市場打下基礎。
　  第四、項目成果可以推廣到核電、民用航空、航天、高速列車、地面燃氣輪機、煙氣輪機關鍵部件以及其他民用裝備的制造領域。，為企業形成產業化生產，打開當前國內