风电轮毂铸造技术研究.pdf

《大型铸锻件》 HEAVY CASTING AND FORGING No．1 January 2015 风电轮毂铸造技术研究 刘 鹏 (东方汽轮机有限公司铸造事业部，四川618000) 摘要：通过对2 MW风电轮毂大型铸件的铸造技术研究，采用CAD及MAGMA模拟软件进行综合应用及 生产试验，完成了2 MW风电轮毂铸件的生产，满足了我公司2 MW风电机组配套需求，同时积累了相关经验 为日后生产更大风电铸件做准备。 关键词：铸造技术；轮毂；风力机组 中图分类号：TG2 文献标志码：B Research on Casting Techinology for Wind Turbine Hub Liu Peng Abstract：Based on the research on the casting technology for the heavy casting of 2 MW wind turbine hub，CAD and MAGMA simulation software are used for comprehensive application and production test，and the production of 2 MW wind turbine hub casting is completed，which meets the matching demand of 2 MW wind turbines in our company， and accumulates the experience for the future production of larger wind power castings． Key words：casting techinology；hub；wind turbine 我国风力资源丰富，总资源量达20亿千瓦。 陆地上加上近海的风力资源有15亿千瓦以上。 目前风电机组正向着大容量、优化发电质量、提高 材料利用率、减少噪音、降低成本、提高效率的方 向发展。风力机已由1 MW、1．5 MW等级向大型 化方向发展。因此研究开发2 Mw风电机技术已 经势在必行。 作为风电机组铸件配套的主要部件，2 MW 轮毂与1．5 MW轮毂相比技术难点更大、更突出。 我们通过对2 MW轮毂的铸造工艺技术进行研 究。生产出合格的铸件。 匀且结构复杂。对操作水平提出了较高要求。 质量及安全等级要求高，轮毂整体壁薄。强度 要求高，对本体缺陷的要求更严格。顶部有3个 薄壁支架。位置处在铸件的最高处．容易出现石墨 漂浮而无法满足无损检测要求。 由于轮毂不允许补焊，本体壁厚相对减薄后 对铸件缺陷控制将更加严格．对操作过程的控制 提出了更高的要求。同时轮毂作为风力发电机组 的主要承力部件，要求铸件除具有高强度外还应 具有高致密度组织、强稳定性、耐低温等优异性 能，保证铸件的内在质量和使用寿命。 1 技术研究难点 2铸造工艺技术研究 1．1材料要求 材料力学性能要求见表1。 表1 轮毂铸件材料力学性能要求 Table 1 Mechanical properties requirement of materials for hub casting R Rp0 2 A5 布氏硬度 冲击功／J 类型(组织类型) ／MPa ／MPa (％) HBW 均 单个值 EN—GJS-350-22U—LT ≥320 ≥20O ≥15 ≤160 ≥10f≥7 1．2铸造技术难点 该轮毂要进行100％的超声检测．加工面要 求达到2级，非加工面达到3级。铸件壁厚不均 收稿日期：2014—05—13 2．1铸造工艺设计 在铸造工艺设计中，充分考虑了造型操作的 可执行性，在保证铸件质量要求的基础上降低造 型操作的难度。铸造工艺设计涉及到浇注系统设 计、砂芯设计、外模设计、冒口及冷铁设计等。要 考虑铸件凝固顺序、液态补缩等相关工艺措施，以 保证铸件内在组织致密、无缩孔缩松、无夹渣等缺 陷。 2．1．1浇注位置及分型面选择 该轮毂结构如图1所示，整体形状近似球壳． 在球面上下有2个轴承孔，侧面有3个叶片管口 在顶部轴承孔上有3个支架，叶片管口有多个小 凸台，铸件结构很复杂。为保证球墨铸铁的孕育 处理及球化处理效果．缩短浇注时间，采用快速浇 39 No．1 January 2015 《大型铸锻件》 HEAVY CASTING AND F0RGING 图1轮毂结构三维示意图 Figure 1 3 D sketch of hub structure 图2砂芯设计及布放位置示意图 Figure 2 Schematic drawing of sand core design and distribution position 注的原则。选取将轮毂与主轴连接的重要受力面 放在底部，同时保证3个叶片管口主要工作面在 侧面，采用底返式浇注方式防止铸件在主轴孔及 侧面叶片管口等重要位置产生砂眼、气孔、夹杂等 铸造缺陷。 根据以上所选择的浇注位置，为方便模型起 模，选用水平分型面。分型面选在铸件的最大截 面处(即与轴线垂直过内外球面同球心处)。这 样可以保证芯盒的制备能力，简化了因为铸件结 构复杂带来操作难的问题。 2．1．2机械加工余量确定 按照GB／T6414--1999《铸件尺寸公差与机 械加工余量》标准及图纸技术要求选取尺寸精度 等级为CT12级，选取机械加工余量等级为RMA (K)级。主轴连接孔处加工余量取15 mm，3个侧 面的加工余量取10 mill。其他加l丁位置选取8 mm～10 mm的机械加工余量。 2．1．3 冒口及冷铁设计 40 当其他条件相同时，铸件越厚，冷却速度就越 慢。该轮毂铸件属于厚大球墨铸铁件，厚壁处容 易出现石墨漂浮和球径很大的石墨球．将直接影 响铸件的力学性能。在共析转变时则有转变成铁 素体的倾向。如铸件壁厚逐渐变薄，由于冷却速 度相应加大，可以形成较细的石墨。如果铸件继 续变薄至一定程度，过冷加大，则会出现过冷石 墨，共析转变时会出现大量的铁素体，致使铸件强 度、硬度降低。因此在该轮毂的铸造工艺设计中 除了降低浇注温度、出炉前加生铁增加形核核心 等工艺措施外，还充分利用球墨铸铁在凝固中的 石墨化膨胀自补缩作用，在不能消除缩孔缩松缺 陷的位置处设置不同蓄热系数的冷铁来改变铸件 局部位置的冷却速度．结合冒口补缩来消除铸件 缺陷。 3个叶片管口及主轴孑L位置是轮毂的主要承 力位置，所以对该区域的铸件组织致密性及质量 等级要求相对较高。工艺设计中在该区域增加冷 铁，使该区域的温度梯度增大，确保该冷铁区域先 于未设置冷铁的位置开始凝固．同时先于未设置 冷铁的位置完成凝固。这样有利于在该区域形成 球化率高、球化等级及金相组织良好的铸件组织。 2．1．4砂芯及外模设计 砂芯的主要作用是用来形成铸件的内腔、孔 以及铸件外形不易出砂的部位。为了降低制芯的 操作难度以及保证砂芯的准确定位，三个叶片管 口的筋板由砂芯形成．以保证铸件内腔尺寸的整 体性。砂芯的分盒面采用与砂型同一分型面，起 芯与起模斜度的大小与方向一致，这样可以保证 由砂芯和砂型之间所形成的壁厚均匀，减少皮缝， 便于下芯合型。叶片管口外端分别设计一个芯头 来定位主体砂芯，有效解决铸件尺寸控制的难点。 同时采用这种砂芯的设计可以保证铸件有宽敞的 捣砂面便于填砂和舂砂操作，可以方便的安放芯 骨、采取排气措施。 根据以上设计原理，该轮毂共设计9个砂芯， 其主要作用如表2所示，砂芯设计及布放位置如 图2所示。 2．2铸造工艺MAGMA模拟及验证 2．2．1充型过程模拟 铸造T艺设计时采用底返开放式浇注系统。 利用MAGMA模拟软件对铸件充型并进行模拟分 析，模拟结果见图3。从充型过程模拟结果可以 看出，金属液充型平稳，处于紊流状态的铁水较 少 NO．1 January 2015 《大型铸锻件》 HEAVY CAs11NG AND F0RGING 表3轮毂同心度检测结果 设备名称 激光跟踪仪T340 准确度等级 5 LLn1／ m 要求值／mm 测量值／ram 结论 l 046．665 0 1 046．963 6 1 046．646 1 合格 l 046土l l 046．678 1 1 046．838 4 1 046．487 4 合格 1 046．579 l 1 046．285 4 1 046．580 5 合格 表4轮毂本体取样性能检测结果 Table 4 Test results of the hub body sampling 编号 RP 0 2／MPa R ／MPa A (％) HBW 结论 259248 245 375 25 13l 合格 259249 245 375 23 129 合格 对其同心度进行检测，检测结果见表3。 从检测结论可判定按照该_T艺生产的轮毂铸 件表面质量及尺寸符合标准要求。 为了对铸件内在质量有进一步的掌握和了 解，研究过程中抽取一件轮毂进行破坏性试验。 对主要位置进行局部加T解剖．对加_丁端面做液 体渗透检查，结果无明显缺陷显示。同时对主轴 及叶片管口附近球面进行本体取样做理化性能分 析。试验结果如表4所示。 从本体取样检测结果可以看出铸件的抗拉强 度、屈服强度、延伸率均达到标准要求。 4结论 通过对2 MW风电轮毂铸造技术研究，我公 司完成了该风电轮毂从熔炼工艺、铸造工艺等多 个方面的技术攻关。生产出了质量合格的高品质 铸件。目前按照该工艺生产2 Mw轮毂已经顺利 通过相关质量见证及检验，为公司2 MW风电机 组装机配套提供了保障。 参考文献 [1] 中国机械工程学会铸造分会．铸造手册铸造工艺卷．北京： 机械工业出版社．2006． [2] 中国机械工程学会铸造分会．铸造手册铸铁卷．北京：机械 工业出版社．2006． [3] 王文清，李魁盛．铸造工艺学．北京：机械工业出版社，2005． 编辑李韦萤 (一卜接第38页) 表2不同流量时钢水N含量(×10 ) Table 2 N content in molten steel under 第1组 第2组1第3组 氮气流量／(Nm0／min) 300以下 400～500 600以上 钢水中[N](平均值) 345 432 287 表3不同吹氮时间钢水N含量(×10 ) Table 3 N content in molten steel under different 第1组 第2组 第3组 吹氮时间／rain 30 60 l0o 钢水中[N](平均值) 263 420 671 因此，在钢包精炼炉冶炼中采用吹氮合金化 技术时。吹氮的切入时间宜选择在钢水真空处理后。 2．2吹氮时钢水温度的控制 在一定压强下，气体在溶剂中的溶解度一般 随着温度升高而减少。因此，从理论上来说，钢水 温度越低，钢中溶解状态的『N]含量越高。但在 实际生产中，钢水温度若太低，渣层易结板．不利 于后续的送电操作。所以，实际生产中，吹氮时的 钢水温度我们选择了1 580—1 600℃。 2．3吹氮时氮气流量的选择 真空处理后，钢水温度在1 580～1 600％时， 对其它条件大致相同的9炉钢以3炉为一组吹入 不同流量、相同质量的氮气．然后对钢水中氮含量 42 作分析，分析结果见表2。分析结果表明，在对钢 水吹入氮气总质量相同的情况下，以(400～500) Nm。／rain的流量吹氮，钢水对氮气的吸收最好。 2．4吹氮时间的控制 真空处理后．钢水温度在1 580～1 600oC时． 以(400～500)Nm ／min的流量对钢水中吹入氮 气。同样以3炉为一组在不同时间对钢水中氮含 量作分析，分析结果见表3。分析结果表明，在不 加入氮化类合金调整[N]含量的情况下，完全采 用吹氮合金化技术实现某钢种的『N]成分调整 时，吹氮时间宜控制在60 min～1O0 nliI1。 3结论 在钢包精炼炉中，采用吹氮合金化技术实现 某钢种[N]成分调整要求时，可以采取以下措施： (1)吹氮的切入时间应选择在真空处理后； (2)吹氮时钢水温度保持在1 580～1 600~C； (3)吹氮时氮气流量控制在(4【I】～500)N ／min； (4)吹氮的总时间控制在60 min～100 min。 参考文献 f1]刘守平，孙善长．含氮钢吹氮合金化．重庆大学学报( 然 科学版)，2002，25(5)：83—85． [2 j 耿文范．奥氏体不锈钢的高氮合金化及其应用现状．钢铁研 究，1991，63(6)：50—55． 编辑 青泉