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电渣熔铸导叶：三峡水轮机组的“中国心” |
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| http://cn.newmaker.com
8/30/2008 9:04:00 AM
中国工业报
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从1998年以来，“大型水轮机关键件双精炼铸造技术及产品”为三峡电站、龙滩电站、彭水电站等10多个大中型电站提供了近8000吨优质铸件。其中，三峡电站一期工程左岸机组总承包方为国外公司，中方为其配套生产的导叶铸件，系惟一拥有自主知识产权的国产铸锻件。
谈及此事，沈阳铸造研究所科技管理部副部长祝强言语中流露出为该领域拥有自主知识产权产品的自豪之情。这一技术获得了2007年度国家科学技术进步二等奖。
三峡水轮机组是世界上已装机容量最大的发电机组，其左岸、右岸及地下26台水电机组中的大型铸锻件几乎全部依赖于进口，电渣熔铸大型水轮机导叶为左岸机组项目中惟一拥有自主知识产权的国产产品，并达到了国际领先水平。“目前，我们正在生产三峡三期地下电站6台份用导叶。”祝强表示，该研究成果已进入产业化阶段，市场前景广阔。
砂型铸造导叶外坚内松质量不稳
电渣熔铸导叶是针对传统的砂型铸造导叶而言，那么，要说这一新产品独特的优越性及自主创新点到底在哪，还要从传统工艺的弊端说起。
乍一看“电渣熔铸”工艺，不懂冶炼铸造技术的人很难理解其中原理。作为该获奖项目的主要推荐人，中国机械工业联合会科技工作部处长马敬坤给出了一个“冰棍成形”的形象比喻：就像水放在模具里冷却成冰，其外部先开始凝固结晶，因热胀冷缩原理，容易造成外部坚实，内部晶体硕大不实。
虽然马敬坤多次重申此比喻不具科学性，但却让记者深刻理解了传统砂型铸造导叶的“弱点”，即在金属结晶过程中，由于先四边后中间的顺序，大型钢锭冷却后往往体积变小，导致中间部分质地疏松，加上钢水补充得不及时，就会形成晶粒硕大，强度不好。同时，由于每种金属材料的凝固点不同，浇铸过程中形成的杂质往往又集中在中间部分，进而导致成品的机械性能较差。
也就是说，导叶是水轮发电机组导水机构中最重要的铸锻件之一，它的制造一直是大型水轮机组制造面临的一大难题。导叶以往多采用砂型铸造生产，铸件内部质量不稳定，易于产生缩松、缩孔、气孔、夹杂、裂纹等常见铸造缺陷。
近年来，国外跨国水电设备公司参与我国大中型水电站的开发建设，推动了我国水电制造业的发展。举世瞩目的三峡电站，水轮机重要零部件质量要求按国际标准订货，砂型铸造导叶很难达到技术要求。
因此，如何实现此类关键铸件的自主化、国产化，形成批量产业化生产，成为我国水电装备制造业面临的重大课题。
沈阳铸造研究所采用先进的电渣熔铸技术，通过“九五”、“十五”国家重点科技项目（《三峡水轮机导叶电渣熔铸关键技术的研究》）的资助，攻克了电渣熔铸大型水轮机导叶的材料、工艺工装及设备等方面的关键技术。
沈阳铸造研究所还先后为东方电机厂、哈尔滨电机厂生产了10台份三峡水轮机导叶铸件，为天生桥、龙滩、二滩、大柘溪、万家寨、彭水等国内外大中型水电站生产了近30台机组导叶，改变了我国此类高端部件依赖进口的局面。
成本降低30%寿命提高30%
“电渣熔铸工艺是把电渣重熔精炼与铸件凝固成型两道工序结合，一次完成铸件成型的铸造工艺。所生产的铸件既有良好的内部质量，又有较高的材质性能。”
作为该项目课题组的主要成员，祝强更愿意从理论层面介绍项目的主要突破点，包括材料技术、工艺技术、工艺装备及设备与控制系统等多个方面。
在材料技术方面，该工艺通过优化材料的化学成分、优化热处理工艺、控制残余元素含量、控制微观组织，最终获得以低碳板条马氏体不锈钢为基体的高强韧性铸造马氏体不锈钢材料，做到了技术先进性和工程可靠性的统一。
针对水轮机导叶的水内和水外不同使用工况，工艺发明了一种电渣熔铸异种钢水轮机导叶，导叶的瓣体和轴分别采用低碳马氏体不锈钢和普通碳钢材料制造，在满足使用性能和整体质量的前提下，可降低导叶铸件成本30%以上。
在工艺技术方面，通过归纳得出导叶产品电渣熔铸过程基本控制参数的计算公式，提出工艺参数综合判据，在此基础上建立电渣熔铸工艺设计专家系统，并结合生产实际，建立导叶铸件和结晶器的数学模型，开发了电渣熔铸工艺过程实用模拟软件ESRC3D，对工艺进行模拟，优化工艺参数。
另外，针对电渣熔铸大型导叶存在的“起弧”操作困难，发明了特殊电起弧装置；在电渣熔铸导叶换箱操作机构及定位系统的研究中，发明一套适合熔铸大型水轮机导叶的可靠实用误差测量技术。
在工艺装备方面，水冷结器是电渣熔铸件的关键工装，设计与制造结晶器成为电渣熔铸大型导叶的技术难点之一。通过研究，解决了结晶器材料的选择、组合方式与密封方法的制定，变形规律及校型方法。
该工艺提出了电渣熔铸可退让结晶器的设计思想，从根本上解决了金属结晶器的退让性问题，有效解决了电渣熔铸大型复杂铸件裂纹的问题，是电渣熔铸行业的创新研究。
在设备与控制系统方面，研制出了适合电渣熔铸大型导叶需要的多功能电渣炉，实现电渣炉与台车配合形成五个方向的自由度，便于调节自耗电极；电渣熔铸工艺过程实现可编程计算机程序控制，提高控制系统的稳定性和可靠性。
实践证明，电渣熔铸大型水轮机导叶金属纯洁、组织致密、成分均匀。材料中S、P等有害元素和非金属类杂物含量明显降低，具有良好的耐磨性，耐气蚀、抗氢脆等性能，使用寿命比采用砂型工艺铸件提高30%左右。
此外，电渣熔铸技术还在节能环保方面具有突出贡献。其工艺上没有造型工序，不存在粉尘、烟尘及噪声对环境的污染；旧渣可回收利用，固体废物排放极少，仅占铸件重的3%~5%；实行循环水冷却金属型结晶器，无铸造废水；电渣熔铸近净成形技术符合现代绿色环保节能加工的理念。
潜在市场每年约10亿元
有关数据显示，截至2007年年底，我国开发利用的水能资源占可开发资源的36%左右，而发达国家已经达到70%以上。可见，我国水能资源开发空间很大。
根据国家“十一五”规划，到2020年，将对黄河上游、长江中上游及其干支流、红水河、澜沧江中下游和乌江等流域的水力资源进行开发，在建及待建的大型水电站有数十座，对水轮机导叶铸件的需求量将成倍增加。
到2020年,中国将投产的单机容量仅在70万~80万千瓦的混流机组就达到150台左右，单机容量在30万~40万千瓦的抽水蓄能机组约有150台，单机容量在3万~6万千瓦的大型贯流机组约有150台，市场前景极为广阔，年需大型水轮机导叶2万吨以上，该项工艺产品潜在市场需求每年约10亿元。
另外，随着水轮发电机组向着大容量、高效率方向的发展趋势，对大型水轮机导叶铸件的质量需求也在逐年提高。
祝强告诉记者，目前，沈阳铸造研究所以此为契机，已投资5000万元建成了新的产业化生产基地，具备年产4000吨大型水轮机导叶的生产能力。
按他预计，未来三年时间，该企业可实现年产3亿元的经营指标，利税可达8000万元。该项目不但解决了大型水轮机关键铸件的质量问题，满足了我国大型水电设备国产化的急需，同时也使我国大型关键铸件的制造水平跨入了世界先进行列，具有很大的经济、社会效益。
“大型水轮机关键件双精炼铸造技术及产品”项目在“十五”国家重大技术装备研制项目和国家863计划项目资助下，以大型电站水轮机关键件为依托产品，针对“高强韧性马氏体不锈钢材料及其生产方法”、“电渣熔铸大型电站水轮机铸件的关键技术及产品”两部分内容，研究出了双精炼铸造系列关键技术，并成功地应用到包括三峡电站在内的大型水轮机制造中，取得了化学成分的优化与钢水纯净度的控制、微观组织的控制、分体组合式可退让结晶器的研制、特殊起弧方法、异种钢水轮机导叶研制等8项新技术，获得4项专利。
该研究成果达到国际领先水平，为国内首创。其中，所研制的高强韧性马氏体不锈钢材料的各项力学性能指标已达到或超过当前国际知名公司；采用精炼电极加电渣熔铸双精炼铸造技术生产的大型电站水轮机铸件，产品质量指标达到国际同类产品最高等级。研究成果已进入产业化阶段，为大型电站水轮机关键件制造开创了一个新领域。
该项目不但解决了大型水轮机关键铸件的质量问题，满足了我国大型水电设备国产化的急需，同时也为我国水轮机材料的应用研究及特种铸造方法提供了一些共性技术，推动了行业的科技进步，社会效益显著。
阳铸造研究所科技管理部副部长 祝强
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