兆瓦级风机关键零部件球墨铸铁材料低温冲击性能的研究

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1、二、项目研究的科学依据及意义主要包括：1科学意义和社会应用前景；2国内外研究概况、水平和发展趋势；3学术特色，立论依据；4经济及社会效益分析。1科学意义和社会应用前景；我国具有丰富的风能资源，并呈现储量大、分布广的特点，其中辽宁沿海及其岛屿年平均风速达到6-9米／秒，属于风力资源丰富地区，具有很好的开发利用条件[1-2]。然而，我国风力发电的瓶颈在于风机主要零部件和材料大多依靠进口，以兆瓦级风机为例，其主要、关键零部件的国产化率至多为70%，其中一批关键零部件的质量，还达不到发达国家的技术标准，成为阻碍我国风机走出国内市场的门槛。目前，国外主流机型为2－3M

2、W[3]，而我国主流机型也已达到1-1.5MW，随着风机容量大型化的发展趋势，风机零部件材料及制造工艺中存在的问题暴露得更为显著[4-5]。在风机关键零部件中，轴承座、变桨减速机壳体、轮毂、前机舱底盘等大部分零部件均选用球墨铸铁材料生产[6]，其原因在于从性能和成本综合考虑，球墨铸铁材料更适于制备上述具有产业化应用背景的风机关键零部件，然而风机实际运行的环境极为恶劣，再加上风机运行时受自然环境风速影响，呈现断续的运行特征，一般除了要求上述球墨铸铁材料零部件满足力学性能外，同时也要求风机零部件在低温条件下具备一定冲击性能[7-9]，这个新的性能指标在我国国家标

3、准中尚未体现，但在欧美、日本等发达国家，却严格执行包括低温冲击性能的风机零部件铸件标准[10-11]。基于技术封锁的原因，国外从没有报道风机零部件球墨铸铁材料的低温冲击性能，但对风机上述关键零部件的铸件，却设置了低温冲击性能标准，提高了企业步入的门槛值，是一种典型的技术垄断[13]。而我国风机关键零部件球墨铸铁件生产也是最近才刚刚起步，生产过程中往往凭着经验，缺少研发和技术沉淀过程，只能降低标准生产，综合的力学性能、低温冲击性能指标基本上都达不到要求，为了满足力学能的要求，通常降低低温冲击性能的门槛值[14]，故实际的风机零部件球墨铸铁件存在着不能忽略质量问

4、题和较大的事故风险，因此在我国开展风机零部件球墨铸铁材料低温冲击性能研究具有重要科学意义：通过自主研发获得同时满足力学性能和低温冲击性能的球墨铸铁材料；掌握相关合金元素对具有厚大端面特征的风机球墨铸铁铸件低温冲击性能、力学性能综合影响规律；为我国兆瓦级风机大型球墨铸铁件开发出满足低温冲击性能要求、适合低温环境的球墨铸铁材料，为我国低温地区安装大容量兆瓦级风力发电设备提供基础材料支撑。长期以来，风力发电在世界范围内呈现迅猛发展的势头，而最近几年我国风力发电领域发展则更为迅猛，数据表明：从1986-2005年期间，我国风电装机总容量仅为130余万千瓦；2006，

5、我国的风电装机猛增到260万千瓦，为我国风机产业化以来之前全国装机总量之和；2007年，我国风机新增装机容量为188.7万千瓦，是2006年新增装机总量的145.8%，在世界上新装机总量已上升至第三位。2009年，全国装机总容量达1200万千瓦，约需要球墨铸铁铸件25万吨，由于我国风电市场仍将继续呈现高速发展趋势，可见对满足低温冲击性能要求的球墨铸铁铸件市场需求极为广阔。2国内外研究概况、水平和发展趋势；球墨铸铁材料最早发现于1934年，当时N.Ahmad借助于相交的尼克尔偏光镜，第一次发现了呈径向辐射状的球状石墨，一年以后，H.A.Nipper用偏振光研究

6、了回火碳的结构，清楚地观察到了少数球状石墨的十字架图像[15]。之后，球墨铸铁材料的研究成为铸造领域的热点，认识到了镁、铈、稀土等合金元素对获得球墨铸铁的重要作用，从1948年起，全世界开始了球墨铸铁的工业生产。在世界范围内，球墨铸铁呈飞速发展趋势，例如美国，其球墨铸铁铸件生产总量已达到灰铸铁总量，我国的球墨铸铁生产总量在2006年已达灰铸铁的50％左右，且每年呈2－4％的速度发展[16-17]，如此快的发展速度源于球墨铸铁的两个主要优点：(1)可在相当宽的范围内，满足设计对材质的要求；(2)与相同水平的材质相比，球墨铸铁的价格低廉。球墨铸铁的上述两个优点，

7、正是风力发电机组关键零部件所需要的，能够满足风机在自然环境中运行对性能的苛刻要求，及风机产业化对低成本的要求。国外在风力发电机组的研发、产业化历史远远早于我国，80年代已经开始千瓦级风机的产业化应用，之后，国内一些研究单位认识到风能资源利用的重要意义，开始了风能资源开发的自主创新之路及追赶世界先进水平的历程，其中以沈阳工业大学为代表[2,12,13]，经过30年的发展、近100余名科技工作者的共同努力，先后开发了300W、500W、1kW、5kW、7.5kW、15kW、30kW、75kW、200kW系列风力发电机组，促进了我国风电技术研发大大向前迈进一步，尽

8、管此时我国风电产业化进程要远远落后于研发水平。200