我國風電設備制造技術發(fā)展的建議
能源是經濟社會發(fā)展的重要物質基礎,要實現2020年我國GDP翻兩番的宏偉目標和國民經濟的持續(xù)高速增長,僅靠常規(guī)能源難以解決能源和電力短缺。占電力供應70%的煤電燃料---煤炭,探明的剩余開采儲量為1390億t,按2003年開采速度16.67億t/a,僅能維持83a,還將帶來嚴重的環(huán)境污染。我國的石油資源不足,天然氣資源也不夠豐富,天然鈾資源短缺。我國水能資源經濟可開發(fā)量為4.02億kW,年發(fā)電量1.7萬億kW/h,再經過20~30a的開發(fā),70%左右將被開發(fā)完,僅靠水能是解決不了我國電力短缺的。
我國的風能資源十分豐富,根據國家氣象局估計,我國10m高度以內可開發(fā)利用的地表風電能源約為10億kW,其中陸地2.5億kW,海上7.5億kW,如果擴展到50~60m以上高度,風力資源將有望擴展到20~25億kW。因此,風力發(fā)電是我國能源可持續(xù)發(fā)展的現實而重要的選擇。
風電機組(主要指并網風電機組)是風力發(fā)電的核心設備,其投資約占總投資的60%~80%。風電機組的生產和制造水平也是反映一個國家風電發(fā)展水平的重要因素,因此由進口轉化為國產,可大大降低風電廠的投資,從而有力地促進風電的快速發(fā)展。
我國與世界先進制造技術的差距
世界上先進的風電設備制造商主要在丹麥(風電機組產量占世界市場一半份額)、德國和美國。德國是世界上風電機組臺數及容量最多的國家,也是風電技術領先的國家,其風電技術的演化路徑和發(fā)展趨勢,在一定程度上代表了世界風電技術的發(fā)展路徑和發(fā)展趨勢。增大單機容量、提高能源轉換效率、降低風電成本是風電技術的改進目標。影響單機發(fā)電容量的物理參數包括葉輪直徑和軸心高度。到20世紀90年代后期,已能生產MW級風電機組,隨著近海風電技術的推廣,3~5MW級的風電機組在市場中的比例日益提高。1989~2002年,德國風機平均軸心高度增加1倍,葉輪直徑增加2倍,發(fā)電容量提高了10倍左右。
現代風能利用技術的核心技術之一是控制調整能量輸出的穩(wěn)定性。風力發(fā)電機的調節(jié)技術有兩種手段:一是槳距不變,依靠發(fā)電機的調節(jié)適應不同轉速的輸入,確保電力輸出的穩(wěn)定性。定槳距調節(jié)技術的優(yōu)點是調節(jié)簡單可靠,控制也可大大簡化,缺點是槳葉、輪轂、塔架等主要受力部件受力增大。二是依靠變化槳距調節(jié)風機轉速,保證電機轉子轉速的穩(wěn)定性。變槳距調節(jié)技術的優(yōu)點是能夠對各種不同的風速調節(jié)槳距,控制能量輸出,其對風速的調節(jié)范圍更寬,缺點是調節(jié)程序和工藝設計復雜。但從風電的調節(jié)技術發(fā)展趨勢來看,變槳距調節(jié)技術正在逐漸取代定槳距調節(jié)技術,變槳距變速調頻是世界上先進的主流技術。
2000年后世界風電市場的主力機型是兆瓦級的,且近海風電機組單機容量達到3~5MW。從風機葉片的直徑、軸心高度和風電機組的調節(jié)技術上,我國與世界先進水平差距亦較大。但近年來,我國風電機組制造技術提高迅速,可望在不遠的將來縮小和趕上世界風電設備制造的先進水平。
對我國風電建設的幾點建議
我國能源結構及能源可持續(xù)發(fā)展必須滿足國民經濟可持續(xù)發(fā)展的要求。為此,大力發(fā)展風電和快速提高風電設備制造技術水平是我國能源建設的當務之急。根據目前我國風電設備的制造技術現狀以及與世界先進技術的差距,提出如下幾點建議。
1制訂風電發(fā)展的優(yōu)惠政策
在國家發(fā)改委的統(tǒng)一領導和管理下,制訂風電建設的優(yōu)惠政策,調動各方面的積極性,大力發(fā)展風電,建議主要采取以下政策措施:
(1)規(guī)定電網管理部門允許風電就近上網,并收購全部上網電量;
(2)按發(fā)電成本加還本付息、合理利潤的原則確定上網電價,高出電網平均電價部分,建議國家開征礦石能源消費稅進行補償,風電價格實行動態(tài)管理,每年進行核算和調整,使各方面保持發(fā)展風電的積極性;
(3)風電設備生產企業(yè)屬高新技術產業(yè),享受國家相關的減免稅政策;
(4)制訂政策導向的風電建設及風電設備制造技術的技術標準,如風電廠的建設規(guī)模和新裝風電機組單機容量要達到一定規(guī)模及容量要求等。
2在引進設備的同時引進制造技術
建議通過100萬kW級大型風電廠建設,要求并鼓勵項目法人在風電設備的采購招標文件中明確:國外制造商要與國內設備制造商聯合投標,國外企業(yè)為責任方,國內企業(yè)為分包商,并附上明確分包比例,簽訂設計、制造、維修等技術轉讓協議。如果一個100萬kW級風電廠引進一家世界先進水平風電設備制造技術,幾個100萬kW級風電廠就能把世界上頂尖的風電制造技術引入到我國的風電制造企業(yè)中來,從而降低風電設備費和風電廠的建設成本,促進風電建設的大力發(fā)展。
3引進消化注意過程控制
建議國家投入一定的配套資金支持國內企業(yè)進行生產設備的改造更新,并注意:
(1)招標前,國內外風電設備企業(yè)在與項目法人和設計單位交流時,國內企業(yè)就要積極參與,從中了解國外企業(yè)的信息;
(2)在招投標階段,積極為國內企業(yè)創(chuàng)造條件,尋找國外愿意轉讓設計制造技術的合作伙伴,簽訂轉讓協議,參與投標;
(3)在中標簽合同階段,國內企業(yè)要積極參與問題澄清、合同談判,將轉讓協議作為合同附件,具備法定效力;
(4)在工程的設計階段,國內企業(yè)與國外企業(yè)聯合設計,并參與項目法人、工程設計單位與國外企業(yè)舉行的各次設計聯絡會,從而掌握風電設備的設計與工程設計或具體工程的結合; (5)生產設備改造后,在外方的指導和監(jiān)督下具體制造分包的部分;
(6)在分包制造取得一定經驗的基礎上進行整體制造;
(7)無論是國外制造還是國內制造,國內廠家都應參加設備的安裝調試及試運行,從中發(fā)現問題,以利更好地提高產品質量或找到改進的著眼點。
4引進消化后再創(chuàng)新
在引進消化基礎上,建議國內企業(yè)根據兩方面的要求進行再創(chuàng)新。①根據安裝調試和試運行過程中發(fā)現的問題以及運行單位提出的要求,有針對性地進行改造,使引進的風電設備更完善,性能指標更高,運行更可靠,從某種意義上講這也是一種創(chuàng)新。②在引進消化的基礎上結合我國風能資源特點研發(fā)新型的風電機組設備。如我國兩大風帶(三北地區(qū)及東南沿海)的風力資源與歐洲、北美的差別較大,北方有寒冬低溫、沙塵問題,南方有臺風、抗腐蝕、防雷電問題,在引進風電設備的基礎上結合我國的具體情況進行研發(fā),就能使引進的技術再創(chuàng)新。
天然和人工合成的單晶金剛石一般是按照應用領域進行產品分類,它們都能用作切削刀具、修磨機和拉絲模具。它們都被設計成為用于對表面光潔度、幾何形狀和尺寸有較高要求的精密加工應用領域。單晶金剛石刀具切削的工件表面呈連續(xù)狀,而聚晶金剛石刀具切削的工件表面呈現出微米量級的不連續(xù)狀態(tài),工件表面的狀況或多或少與金剛石刀具材料的晶粒尺寸有關,盡管對工件和加工刀具的精密特性需進行認真考慮,但有一個總的原則,那就是要求金屬表面光潔度優(yōu)于0.025μm的情形需用單晶金剛石刀具和具有高剛性和高質量支架的機加工工具。
天然金剛石早已被證明可成功應用于這些領域。然而,當前高溫高壓技術的發(fā)展使得制備出具有一定尺寸的人工合成單晶金剛石成為可能,目前最大尺寸可達8mm。采用高壓技術制備金剛石的典型例子是De Beers MONODITE系列。人工合成單晶金剛石刀具的粗坯是沿著平行于1b型合成金剛石的(1 0 0)面或沿一個厚2mm邊緣長度達8mm的薄片所提供的平面鋸開所制得。這種工程材料的優(yōu)點在于其尺寸、形狀和性能都具有良好的一致性,這在天然產品中是不可能實現的。另外各種尺寸尤其是大尺寸天然金剛石的缺乏、不同金剛石品質的區(qū)別以及對金剛石的選擇、取向和刀具尖端的預處理等專業(yè)技巧的要求都對天然金剛石的價格因素產生重要影響,從而大大限制了它在更廣泛領域的應用。當前人工合成單晶金剛石刀具材料的應用得到了迅速的發(fā)展。
聚晶金剛石(PCD)
金剛石刀具的應用已迅速擴展到許多制造工業(yè)領域,尤其是在汽車和木材加工工業(yè),成為傳統(tǒng)的WC刀具的高性能替代產品。作為一種公認價格低廉且可用刃口長度達70mm的產品,PCD的應用發(fā)展速度很快。
PCD的性能主要依賴于它的應用場合所涉及的加工過程,但選擇適當的牌號或晶粒尺寸也會對其性能產生影響。標準牌號包括002,010和025三種,它們初始晶粒平均尺寸分別為2、10、25μm。總的來說,牌號越大,其耐磨性越好;在相接近的刃口加工量下,牌號越小,其刃口質量越好。
金剛石刀具在層狀木材地板加工中的應用
近年來,人工合成單晶金剛石的一個新應用領域是木材加工業(yè),這主要是它具有高度耐磨性。PCD刀具在木材加工中早已應用于MDF和粗紙板的機械加工,當前對表面有氧化鋁涂層的高度耐磨層狀木地板的需求量越來越大,但是在研磨這種木板邊緣時對包括PCD在內的刀具提了特殊的要求,因為木板耐磨層會引起刃口的鈍化,導致氧化鋁耐磨層的碎裂。所以刀具必須經常修整,直至重新研磨或更換,這勢必導致很長的停工時間。據報道,在該領域應用時,人工合成單晶金剛石的性能優(yōu)于PCD。
化學氣相沉積金剛石
PCD、PCBN和人工合成單晶金剛石均是在高溫和高壓下合成的,而CVD金剛石是在低壓下制備的。碳基氣體和氫氣的混合物在高溫和低于大氣壓的壓力下分解形成金剛石沉積在基體上。沉積出的是交互生長極好的聚晶金剛石,它呈柱狀結構且非常致密。隨著生長條件的不同,CVD金剛石也呈現出不同的晶粒尺寸和結構。CVD金剛石不需金屬催化劑,因此它的熱穩(wěn)定性接近天然金剛石。
可以根據需要對晶粒尺寸和沉積技術進行選擇。例如在非刀具的應用場合,如熱控制和光學視窗,對CVD金剛石的性能要求明顯不同于切削刀具。根據不同的應用需要選擇不同的CVD沉積工藝可以合成出晶粒尺寸和表面形貌差別很大的聚晶金剛石。由于對刀具的性能要求是多種多樣的,所以可能要多種不同晶粒尺寸的CVD金剛石才能滿足各種應用的需要。
實際上,CVD金剛石刀具有兩種形式:第一種是在適當基體上沉積厚度小于30μm的薄層(薄膜),例如ISO刀片和麻花鉆頭的刃口是兩種典型的薄涂層。第二種是沉積厚度達1mm的無襯底的金剛石層(厚膜),如果需要的話,它可以釬焊在基體上。
CVD金剛石薄膜
如果要達到對CVD薄膜的沉積和結合強度滿意的程度,則基體材料的性質和制備顯得非常重要。直至目前,該項技術仍限制著CVD涂層的設備,因此目前在CVD制備薄膜領域的大部分工作都致力于對它的研究。好的基體材料是WC,因為它的機械性能同金剛石較匹配,而且刀具制造商對WC基的刀具材料很熟悉,很愿意用它作為基體材料。
對加有涂層的刀具材料的第二個限制是基體上的涂層必然在刃口上形成倒圓,這將限制涂層的厚度,因而有必要對加有涂層的刃口進行處理(如研磨)。至目前為止,薄膜金剛石產品的市場還不是很大。
CVD金剛石厚膜
與此相反,CVD金剛石厚膜可以通過特殊的、簡便易行的技術釬焊在所要求的基體上。然而這種釬焊點的強度決不等同于PCD強度,在用于間斷切削這種高要求的機械加工過程時,這種連接就顯得很脆弱。不然的話,CVD金剛石厚膜將能在整個機械加工應用領域同PCD競爭。它同PCD相比,其主要優(yōu)點是它的熱穩(wěn)定性更好,其缺點是較高的脆性和不導電性。缺乏導電性阻礙了它用于放電腐蝕(EDM)切削和加工技術,該項技術在金剛石刀具加工業(yè),尤其是在木材加工用刀具的生產和修整上得到了廣泛應用。但是能用EDM切削的厚CVD刀具材料已經制造出來,目前正在對它進行評估。它潛在的應用領域還有對高耐磨工件的機械加工,在這種場合主要利用了CVD金剛石厚膜中金剛石的高純度以及由此帶來的耐磨性和熱穩(wěn)定性的提高。
目前CVD金剛石厚膜的成本較高,隨著技術的發(fā)展,其制造成本會逐步降低,并最終會進入超硬工具工業(yè)領域。
CVD CBN
CVD CBN與金剛石不同,金剛石由單一元素組成,而它是化合物,包括化學計量在內的眾多問題都使它的生長工藝更為復雜。盡管經過多年研究,實際上所有的CVD CBN涂層都是多相微晶材料。同高質量的CVD金剛石相比,CVD CBN更象“類金剛石碳”(DLC)。發(fā)展涂有DLC涂層刀具的應用是很有可能的,盡管到目前為止,這種應用前景還未明顯顯現。
結論
綜上所述,各種不同形式的金剛石切削刀具能很好地相互補充。然而也存在一些相互交叉的應用領域,在這些領域需對刀具產品進行合理選擇。最有可能出現交叉應用的有以下兩類產品:①天然和人工合成的單晶金剛石;②PCD和CVD金剛石厚膜。
人工合成的單晶金剛石已經發(fā)展到一個較為先進的水平,已有國際標準對產品質量進行鑒定。在天然金剛石中,大尺寸金剛石較為少見,而人工合成大尺寸金剛石的成功為開辟新的應用領域(如木材加工業(yè))提供了可能。
可加工級的CVD金剛石厚膜具有很高的機械強度和良好的熱學性能,它的迅速發(fā)展表明CVD金剛石將在刀具工業(yè)中發(fā)揮積極作用。
用合成金剛石替代天然金剛石、用CVD金剛石替代PCD的發(fā)展程度都取決于技術和經濟兩方面的因素。價格和性能的關系、刀具制造商和最終用戶對CVD金剛石的信任程度尤其是成型、研磨和釬焊工藝的容易程度等都將影響其發(fā)展的最終結果。但有一點是肯定的,那就是必然向更高生產率和更高切削速度的方向發(fā)展。隨著更耐磨、更難加工的工件材料日益增多,各類金剛石刀具的應用也將持續(xù)增加。
對于新手們來說,一開始可別花大錢,幾十元到一兩百元就可以了。挑選原則有幾個:一是便宜,二是先選擇“軟木家具”,三是選擇造型簡單的家具,四是家具的年代至少要到民國,五是選擇的家具要有地方特色,六是“殘廢家具”也可以接受。“殘廢品”雖然不完整,但價格便宜,用于一開始的“練習”也不令人心疼,只要具有時代特征,未來一樣可以作為學習標本收藏。
找到“古家具”后,就可以開始學習將其拆開。如果用“蠻力”拆開,很容易撬壞古家具,所以一般用木板輕輕敲打榫鉚部位,令榫鉚松開,然后用手輕輕將家具的各個部分拆分開來。
在不破壞其零部件的前提下拆散后,入門者要對照書本、資料進行學習和記憶。學習的重點是榫鉚工藝。因為不同年代的榫鉚各有自己的特點,也是鑒定其年代的重要依據,同時還是判斷古家具的收藏品位和價值的重要標準。
在學習過程里,入門者還要學會清理古家具上的灰塵。建議入門者先用軟刷清理塵土,清理蟲卵防止蟲蝕,用棉布擦拭干凈后,再用干凈的棉布沾核桃油為古家具上光。如果沒有現成的核桃油,可以把核桃仁包在棉紗里,邊擠邊擦。一般一兩年需要為古家具重新上油。
最后,當把玩一段時間后,對該件家具了解透了,收藏者就要學習將其組裝起來。因為榫鉚工藝非常精巧,如果安裝不對一般是無法組裝完成的。不過,因為古家具年代久遠,榫鉚必然有所松動,有的初學者可能用化學劑粘緊。
其實化學品對古老的木材有害,而且用化學劑黏結后家具再也不能拆開。所以行內人士認為,如果是作為標本的家具,無須將其加緊,而貴重的家具應送交專業(yè)人士進行加固,主要方法是需要天然膠如把魚膘反復錘擊成的膠來進行加固。
掌握了古家具的拆裝技巧,等于深刻地了解了古家具的內部結構,令入門者“心中有數”,收藏起步更高。