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新業務領域

重型金屬電熔精密成型技術

 一、項目概述 
 1、項目名稱
重型金屬構件電熔精密成型技術產業化項目(以下簡稱“項目”),包括了重型金屬構件電熔精密成型技術的工程化研發、專用工程設備的研制以及產業化的實施。
2、項目承辦單位
本項目的承辦單位為南方增材科技有限公司(以下簡稱“南方增材”,原名:佛山市南海南方風機研究所有限公司),南方增材是南方風機股份有限公司(以下簡稱“南風股份”)的控股子公司。
3、我國重大裝備制造業對重型金屬構件的需求及其制造技術現狀 
目前,核電、火電、水電、石化、冶金、船舶等行業現代重大工業裝備正向大型化、復雜化、高性能參數和極端條件下高可靠性、長壽命服役方向快速發展。以現代發電裝備為例,火力發電裝備機組今后將以60萬千瓦級和100萬千瓦級超臨界和超超臨界大型機組為主,核電裝備將以百萬千瓦級以上大型機組為主,其汽輪機高壓渦輪蒸汽進口溫度和壓力將由目前超臨界機組最高的620oC/31MPa提高到“超超臨界”機組的700oC/34MPa以上。
重大工業裝備的日益大型化和服役要求極端化,使其所需的高強度鋼、耐熱合金等重型關鍵金屬構件尺寸越來越大、性能和質量要求越來越高,例如,百萬千瓦級核電機組常規島耐熱高強鋼低壓整體轉子鍛件是目前世界上所需鋼錠最大、鍛件毛坯重量最大、截面尺寸最大、技術要求最高的實心鍛件,轉子構件重量為170噸,其鍛坯制備需600噸級鋼錠,目前世界上只有日本JSW(日本制鋼所)等為數不多的幾家企業具備制造能力,其超臨界機組高中壓復合轉子則要求整體轉子兩端有不同的性能,轉子構件重量在100噸左右,鍛坯制備所需鋼錠超過了200噸。百萬千瓦核電機組核島部分的壓力殼、蒸汽發生器、穩壓器的殼體和管板等重型關鍵構件均需采用技術要求高、規格大、形狀復雜的低合金鋼鍛件來加工制造,尤其是其反應堆壓力容器合金鋼整體頂蓋、下封頭、錐形筒體等形狀復雜的超大型核心構件及蒸發器管板都需要整體鍛造。上述重型構件的制造,需要數百噸級大型鋼錠冶煉、鑄造和萬噸級水壓機等重型鍛造工業裝備,且制造工序多、工藝復雜、質量控制難度大、生產周期長、構件成本高。低合金高強度鋼、耐熱鋼及不銹鋼等重型關鍵金屬構件制造,一直以來被世界公認為是核電、火電、水電、冶金、石化、船舶等行業重型裝備制造的基礎和國際競爭的核心技術。 
我國目前重型金屬構件制造能力尚不能滿足重大裝備發展的需要,核電機組反應堆合金鋼壓力容器殼體和不銹鋼主管道、蒸汽發生器合金鋼殼體和管板、穩壓器殼體、超臨界和超超臨界汽輪機組耐熱鋼轉子、大型水輪機轉輪等相當數量的關鍵重型金屬構件尚依賴進口。例如,我國目前實施建設中的第三代核電站成套裝備,其核反應堆壓力容器、蒸汽發生器、穩壓器等全部核島大型關鍵高強度合金鋼鍛件、百萬千瓦級核電超臨界汽輪機組低壓整體轉子耐熱鋼大型鍛件以及組合式船用曲軸等高性能大型復雜關鍵金屬構件還依靠從日本JSW、韓國斗山重工等公司進口。一方面,設備進口價格居高不下,而且在關鍵時候還受到其對中國出口的限制,一定程度上嚴重影響了項目的建設進度和增大了設備的投資,從而制約了我國核電等重型裝備制造業的發展。
4、重型金屬構件電熔精密成型技術的原理及其優勢 
(1)重型金屬構件電熔精密成型技術的原理
本項目由南方增材自主研發、具有完全自主核心知識產權。“重型金屬構件電熔精密成型技術”是一種國際首創、全新的重型金屬構件短流程精密成型制造新技術。
該技術采用專用合金鋼材、特殊粉末及其冶金輔助材料作為主要原材料,采用自主研制的電熔精密成型設備,在特殊電熔冶金環境中,利用強電流高效電熱冶金原理使原材料在強拘束條件下熔化和原位冶金精煉,通過同步高溫微區冶金和單向凝固生長,實現高致密度、高性能重型金屬構件精密坯件的增材制造,成型的構件精密坯件再經后續特殊熱處理和小余量的機械加工即可制造出高質量的重型金屬構件。 
(2)重型金屬構件電熔精密成型技術的優勢
1)無需百噸級以上的大型熔煉和鑄錠基礎設施。 
2)無需萬噸級重型鍛造工業裝備及其大型配套設施。 
3)重型金屬構件電熔精密成型構件冶金質量高、性能好。 
4)重型金屬構件電熔精密成型坯件精密,機械加工余量小,節省材料(材料利用率可達65~85%以上)。 
5)生產工序少、周期短、成本低。 
該技術對構件材料、構件幾何尺寸、形狀和用途具有很強的適用性和通用性,可廣泛應用于核電、火電、水電、石化、冶金、船舶等行業的現代重大工業裝備中所需的各種高強低合金鋼、高強高合金鋼、耐熱合金鋼、不銹鋼等重型構件的精密成型,具有突出的技術和經濟優勢。例如,某核電站蒸氣發生器低合金鋼“下筒體”零件的重量約50噸,采用傳統鍛造技術和本項目的電熔精密成型技術兩種方法制造該構件的技術經濟對比情況如下表:
對比內容 傳統制造技術 電熔精密成型技術
材料消耗 186噸(鋼錠) 75噸(線材、粉末)
主要裝備與生產工序 Ø 制造裝備:
需要200噸以上大型電弧爐等合金鋼冶煉設備及鋼水處理和鋼錠澆注設備、12500噸或15000噸水壓機等鍛造設備、大型構件熱處理淬火設備等。

Ø 制造工序;
合金鋼水電爐冶煉、鋼包精煉、真空除氣、鋼錠澆注、鋼錠冒口氣割下料、沖孔、鐓粗、芯棒拔長、馬杠擴口等鍛造、粗加工和淬火熱處理等工序。
Ø 制造裝備:
只需自主研制的重型構件電熔精密成型裝備一套。


Ø 制造工序:
電熔精密成型一道工序即可完成構件精密坯件制造。構件最終熱處理前無需機械加工,無需淬火熱處理及其淬火設備。
主要模具 鑄造模、鐓粗模、沖孔模、芯棒等 無需模具,數字化制造
材料利用率 小于30%(構件單邊加工量不少于100mm) 大于65%(構件單邊加工量小于25mm)
制造周期 超過半年 小于3個月


二、項目研發進展及發展前景

1、重型金屬構件電熔精密成型技術及工程化裝備研發進展 
南方增材自主研發的“重型金屬構件電熔精密成型技術”,是一種國際首創的重型金屬構件短流程、綠色、精密、數字化、“增材制造”新技術,在構件成型方法、材料特殊冶金技術、成型裝備原理等核心技術上完全不同于目前國內外尚處于研發階段的激光快速成型等“傳統”增材制造技術,是對大型/特大型重型金屬構件傳統加工工藝的一項變革。經過南方增材研發團隊的大量前期研究,在其工程化關鍵技術上已經取得了一定的突破性進展,為該技術的深度工程化研發和產業化應用奠定了堅實基礎,具體如下:  
(1)重型金屬構件電熔精密成型工藝、質量及工藝裝置關鍵技術 
     突破了重型構件電熔冶金單向生長精密成型方法、成型工藝及關鍵工藝參數優化、成型效率、成型工藝過程控制、成型質量控制等工藝關鍵技術及關鍵工藝裝置關鍵技術,掌握了重型金屬構件電熔精密成型工藝關鍵技術,并已成功成型制造出了重量超過10噸、直徑超過2m的高強度低合金鋼核電蒸發器筒體縮比件精密坯件樣件。 
(2)電熔精密成型重型金屬構件原材料關鍵技術 
南方增材已掌握重型金屬構件電熔精密成型專業特殊合金鋼絲原材料的冶煉、加工、檢驗、儲存關鍵技術,掌握重型金屬構件電熔精密成型特殊輔助冶金材料及其制備關鍵技術,掌握重型金屬構件電熔精密成型冶金控制關鍵技術。 
(3)重型金屬構件電熔精密成型成套裝備及控制關鍵技術 
突破了大電流密度微池冶金高效熔化冶金裝置及控制、金屬原料動態輸送裝置及穩定性控制、微池冶金狀態控制、機械系統、電氣系統、加熱系統、冷卻系統、冶金生長環境氣氛控制系統等關鍵技術,研發出適合于不同類型重型金屬構件的立式成型專用裝備、臥式成型專用裝備等工程樣機,并在上述樣機上完成直徑大于2m、重量超過10噸的低合金鋼重型構件縮比件的電熔精密成型制造。 
截至目前,南方增材已掌握并完成了重型金屬構件批量產業化大型成套裝備系統的設計和優化。 
2、重型金屬構件電熔精密成型技術應用前景 
目前,我國重型金屬構件制造能力遠不能滿足核電、火電、水電、冶金、石化、船舶等行業重大裝備制造業快速發展的需要,核電等重大裝備制造急需的大量重型關鍵金屬構件還主要依靠從日本JSW、韓國斗山重工等國際重型構件制造商巨頭進口,國家重大裝備制造業發展受制于人。
本項目自主研發的重型金屬構件電熔精密成型技術,是一種原創性的重型金屬構件短流程、綠色、精密、數字化、“增材制造”新技術,不再依賴百噸級以上的重型鑄錠冶金熔煉和鑄造工業基礎設施、萬噸級重型鍛造工業裝備及其大型系列配套設施,構件性能優異、機械加工余量小、節省材料、生產周期短、降低了制造成本,具有突出的技術優勢和經濟優勢。
隨著重型構件電熔精密成型技術的發展和進一步推廣,采用該技術制造的重大高端裝備高性能復雜關鍵重型金屬構件,在構件性能、制造周期、制造成本、材料消耗和制造裝備依賴性等方面具有突出的優勢,可望為我國重大工業裝備所需的重型金屬構件的制造技術帶來變革影響,對有效解決我國重型鍛件在技術水平、生產能力和生產效率方面的不足的問題,滿足國內旺盛的重型金屬構件市場需求,打破高端重型關鍵構件市場和技術被國外巨頭壟斷的局面,填補國內空白,及振興我國重大裝備制造業都具有重要意義。
 重型金屬構件電熔精密成型技術,采用南方增材自主研發的高技術、“輕裝備”,擺脫對傳統重型制造裝備的依賴,為我國高端重型金屬構件成型制造提供了一條全新的技術途徑,在核電、火電、水電、冶金、化工、船舶等行業高端重型裝備制造領域具有廣闊的應用前景。 
三、項目目標市場分析
根據《高端裝備制造業“十二五”發展規劃》,到2015年,高端裝備制造業銷售收入要從2010年的約1.6萬億元增長到6萬億元以上,在裝備制造業中的占比從8%提高到15%。高端裝備制造業會朝著培育成為國民經濟支柱產業的方向發展,因此,未來10~15年將是我國推進工業化的關鍵時期,核電、火電、水電、冶金、化工、船舶等行業都將繼續快速發展,孕育著對大型鑄鍛件的空前需求。 
1、核電裝備領域
根據我國核電中長期發展規劃,到2020年核電裝機容量將達到7000萬千瓦以上,設備的國產化率達到70%,加快核電大型關鍵鍛件設備國產化是首要目標。
根據初步的統計,一套百萬千瓦壓水堆核電機組核島部分的反應堆壓力容器、蒸汽發生器和穩壓器的殼體及管板、主管道鍛件按5億元計算,平均每開工建設5臺核電機組,大型鑄鍛件市場就在25億元以上。此外,核電常規島部分也需要大量的鑄鍛件。因此,無論從振興國家重大裝備制造業,實現核電國產化的角度,還是從市場經濟效益的角度,本項目在核電領域具有廣闊的發展空間。  
2、火電裝備領域 
為了滿足我國工業化和現代化建設對電力的需要,2010-2020年,將是我國電力發展的關鍵時期。我國火電裝機容量約占總發電設備裝機容量的75%,按照現在發展態勢,預計今后我國火電建設速度會適當放緩。根據國家發改委重大技術裝備協調辦公室公布資料,預計到2020年,全國裝機容量將達到900 GW 左右,因此,大型燃煤機組每年約增加100臺。根據中國重型機械工業協會統計,每臺大型燃煤機組平均需要大型鍛件約230 噸,大型鑄件約250 噸。預計每年火電需要的大型鍛件約2.3萬噸,大型鑄件約2.5 萬噸。按照從鍛件毛坯到成品鍛件的成品率55%計算,火電平均年需毛坯鑄、鍛件約7萬噸,市場容量巨大。 
 3、水電裝備領域 
我國水利資源非常豐富,但開發程度只有20% 左右。中長期來看我國的水電事業仍然將繼續發展,根據《可再生能源中長期發展規劃》估計,未來10年內將新增單機容量50萬千瓦及以上大型水電機組200多臺,每年平均新裝20臺。按照每臺大型水電機組需鍛件250噸,大型鑄件150噸計算,我國每年需要水電大型鑄鍛件8000多噸。按照從鍛件毛坯到成品鍛件成品率55% 算,水電設備年均需求毛坯鑄、鍛件1.6萬噸以上。  
4、石化裝備領域
根據《世界能源展望2008》預測,中國的石油需求增長遠高于世界增長,平均每年增長3.5%,而世界能源增長僅為每年1%。根據國家發改委《煉油工業中長期發展專項規劃》和《石化產業調整和振興規劃》,預計我國原油加工能力到2020年達5億噸左右,將新建和改造20多個千萬噸級大型煉油廠,煉油廠配套的大型加氫反應器的需求量相應增加,其中千噸級以上加氫反應器占1/3,預計每年需鍛焊結構的厚壁重型容器30臺左右,市場規模大約40-50億元。 
5、冶金設備領域
我國是鋼鐵材料生產和消費大國,隨著鋼鐵工業的技術升級和結構調整步伐進一步加快,預計“十二五”期間,每年冷熱連軋機新建和配件所需鍛鋼支承輥約1000支左右,毛坯鍛件約7萬噸(每支毛坯鍛件重70噸);每年中厚板軋機鍛鋼支承輥新建和配件約150支(每支毛坯鍛件重100噸),毛坯鍛件約1.5萬噸。熱軋工作輥每年需要毛坯鍛件約3萬噸。合計起來,每年需在萬噸級水壓機上生產的大型軋輥毛坯鍛件接近12萬噸。 
6、船舶裝備領域
2003年以來,我國船舶工業進入了快速發展軌道。產業規模不斷擴大,造船產量快速增長,造船完工量、新接訂單量、手持訂單量已連續多年居世界前列。船舶工業調整和振興規劃目標中不僅對國產化設備配套能力提出了要求,即三大主流船型本土生產的船用配套設備的平均裝船率達到65%以上,船用低速柴油機、中速柴油機、甲板機械等配套設備的國產化率達到80%以上,而且同時提出了加快報廢更新老舊船舶和淘汰單殼油輪,積極發展遠洋漁船、特種船、工程船、工作船等專用船舶;發展海洋工程裝備等措施,以上措施將增大大型鑄鍛件的需求。
2010年,中國承接新船訂單已占世界市場份額46.5%,成為世界造船史上第一個訂單量超億噸的造船大國,未來幾年,我國造船能力也將成為全球第一。因此,國內每年將需要大型船用曲軸350根以上,平均每年需要在萬噸級水壓機上生產的毛坯鍛件需求量超過5萬噸。
綜上,重型金屬構件電熔精密成型技術代表了未來高端重型金屬構件的加工趨勢,隨著我國高端重大裝備制造業的發展,該項目具有廣闊的市場前景。
四、項目財務評價
本項目總投資為16,760萬元,項目總投資所需資金擬由建設者自籌。
本項目財務評價計算期包括建設期和生產運行期,本項目建設期為二年,生產運行期按十年進行分析,計算期一共是十二年。生產運行期第一年產能按正常產能的40%計算, 生產運行期第二年產能按正常產能的80%計算, 生產運行期第三年開始產能按正常生產產能100%計算,設備折舊年限為10年,所得稅率為25%。
本項目正常每年生產電熔精密成型重型金屬構件產品約為3,500噸,包括核電、火電、水電、冶金、化工、船舶等行業裝備制造領域所需的壓力容器殼體及管板、重型容器、超臨界和超超臨界汽輪機組轉子、船用曲軸等高端重型金屬構件。本項目正常生產實現年銷售收入預計50,000萬元,總成本費用為30,204萬元,凈利潤為12,170萬元,項目經營風險較小。
本項目具有較好的盈利能力,投資回收期短,回收期為6.06年(稅后),項目財務內部收益率為24.93%(稅后),高于基準收益率(12%),財務凈現值所得稅前和所得稅后均為正值。
綜上,本項目具有較強的盈利能力,各項財務指標較好,在財務上可行。
五、項目風險分析
重型金屬構件電熔精密成型技術和裝備研究雖然取得了重大技術突破,但隨著項目的實施,依然存在以下風險: 
1、市場風險
本項目的產品屬于國家鼓勵發展的高端重大裝備制造領域,具有廣闊的市場前景。本項目最主要的市場風險原材料漲價風險方面。為此,南方增材將逐步建立健全完善的采購體系及相關管理制度,提高了風險防范能力。 
2、資金風險
資金風險主要是指建設資金供應不足或者來源中斷導致項目工期拖期甚至被迫終止,或者利率變化導致融資成本升高。但本項目投資資金來源為自籌,項目盈利能力強,資金風險可以得到有效的控制。  
3、技術風險
本項目自主研發的重型金屬構件電熔精密成型技術專用設備和材料冶金技術等核心技術均屬國內外首創,屬全新的多學科綜合交叉領域,無相關經驗可鑒,技術難度高、技術涉及面廣、研發工作量很大,完全依靠自主研究探索,具有一定的技術風險。但南方增材技術研發團隊已進行了長期研究,積累了豐富的研發經驗和技術基礎,并取得了一定的突破性進展,技術工程化產業化的技術風險較小。 
4、人力風險
本項目產業化的實施還需要大量的人才培養。本項目在研發實施過程中逐步培養鍛煉出核心技術管理團隊,并將逐步打造出一支熟悉制造、材料、機械、檢驗、裝備、電氣等多學科知識的技術和產業化隊伍。此外,防止人才的流失是公司控制人力風險的另一個重要方面,公司建立了良好的人才晉升和績效考核機制,確保團隊的穩定和團結。 
六、結論
本項目是新一代的重型金屬構件成型加工技術,是高端重大工業裝備大型、特大型關鍵金屬構件制造方式的一項變革性技術,可廣泛應用于百萬千瓦核電裝備、百萬千瓦超臨界和超超臨界火電機組及水電、石化、冶金、船舶等行業現代重大工業裝備合金鋼等重型金屬構件的制造,市場前景廣闊。項目的實施將進一步增強南方增材和南風股份的整體技術實力和市場競爭能力,提升和擴大南方風機研究和南風股份所在機械制造領域的技術地位和綜合競爭力,能夠有效打破國外對高端重型鍛件核心技術的封鎖,填補國內空白,加快高端重型裝備制造業的轉型升級。該項目的實施是提升我國產業核心競爭力的必然要求,是搶占未來經濟和科技發展制高點的戰略選擇,對于我國由制造業大國向強國轉變具有重要戰略意義。
項目投資回收期短,回收期為6.06年(稅后),項目財務內部收益率為24.93%(稅后),高于基準收益率(12%),財務凈現值所得稅前和所得稅后均為正值,項目達產后年凈利潤為12,170萬元,具有較強的盈利能力,各項財務指標較好。
因此,綜合以上各項情況及論證分析,該項目符合《高端裝備制造業“十二五”發展規劃》,具有廣闊的市場前景和重要的戰略意義,有利于促進南方增材和南風股份在高端重型金屬構件成型制造領域的發展,并能產生較好的經濟效益,項目方案可行。
重型金屬構件電熔精密成型技術產業化項目可行性分析報告::chinext.cninfo.com.cn/finalpage/2012-08-25/61478353.PDF

 

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