风电轮毂铸造技术研究.pdf

应的QT400．18AL牌号。 熔炼工艺存在如下几点技术难点： (1)根据DIN EN1563标准，该材质性能要求 如表1： 表1机械性能 go~／MPa g~／MPa 85／％ 3个Ak试v／J样 标＼能 1小{ 磷 ＼ l k IT EN1563~>220 370 ．20℃ 肇 厂标／>220>I370≥12-30℃ 从表1可知，该材料机械性能要求很高，属 于高牌号材质，还要求一20~C的低温冲击，其3个 试样Akv平均值要求≥lOJ，单个值≥7J。在低温 冲击方面，厂标要求更高，要求一3O℃的低温冲击 值达到EN 1563标准的一20~C的值。 (2)该轮毂铸件重量比较重，零件重量达 到9 300 kg，浇注重量12 500 Kg，熔炼工艺的孕 育及球化处理增加了难度，孕育及球化处理效果 较差。该风电轮毂铸件属于厚大壁厚铸件，铸件 易产生石墨漂浮现象。 (3)熔炼设备方面。公司熔炼设备前期只有5 t电弧炉，后期经过车间改造，安装了12 t中频 炉。而我公司从未采用中频炉熔炼过球墨铸铁， 没有熔炼球墨铸铁方面的经验。 1。2铸造工艺技术难点 该风电轮毂铸件结构如图1： 图1 轮廓尺寸为2 600 mm×2 300 mm×2 300 ITIm， 主要壁厚尺寸在100—180 mm之间，设计重量9 300 kg。该风电轮毂铸件在铸造工艺方面，对于我 公司来讲，存在几个难点如下： (1)该轮毂铸件轮廓尺寸大，结构复杂，分 型面的选择较大，操作难度较大。 (2)壁厚大于100 nlm厚的球墨铸铁件。该厚 大壁厚容易产生缩松、缩孔及壁的中央位置出现 组织粗大现象，表面容易出现石墨漂浮现象，生 产该类铸件没有经验可借鉴，其铸造工艺的设计 难度大。 (3)该轮毂质量要求高，要求全面uT检查和 MT检查，探伤要求按德国标准DIN EN12680—3中 的2—3级执行，不允许补焊。 (4)尺寸公差按标准DIN EN ISO8062一CT12 级，主壁的壁厚公差要求为一0+6 mm，一般壁厚 按CT13级，生产操作控制难度大。 根据我公司车间目前的生产能力情况，该风 电轮毂铸件是一种典型的厚大球墨铸铁件。该风 电轮毂铸件的内在质量要求很高，探伤要求按德 国标准DIN EN12680—3中的2—3级执行，要求整 个铸件内在组织致密，无缩松、夹渣等缺陷；超 声波检查按DIN EN 12680—3(DW402A5021A．2006) 铸造超声波检测第3部分：球墨铸铁铸件执行； 磁粉检查按DIN EN 1369执行；铸件材料按 DW812A2001B一2005的铸件材料EN．GJS一400—18 (U)．LT规范执行。 2．1熔炼工艺技术攻关 根据DW EN1563标准，该风电轮毂的机械性 能要求很高，0Ib至370 MPa，&至12％，Akv(J)要 求一30℃下三试样平均值至10 J，单个值至7 J。要 满足该要求，采取了如下措施：生铁的选择，孕 育剂和球化剂的选择，熔化温度的控制，孕育及 球化前铁水的成分控制，浇注过程的控制等。 根据中频炉的熔炼特点、球墨铸铁的特点和 公司的生产情况，根据铁水中五大元素碳、硅、 锰、磷、硫的作用和在铸件中的存在形式，采用 高碳低硅生铁，生铁的化学成分见表2： 表2生铁化学成分％ 化学成分 C Si Mn P S 含量／％ 34．50 0．20～0．40 ≤O．50 ≤0．30 ≤0．03 为了保证此材料的低温冲击性能，严格控制 P、S元素，硫磷控制在0．02％以下，选择合适的 孕育剂和球化剂。孕育剂和球化剂的化学成分； 37 该风电轮毂铸件浇注铁水很多，孕育处理时 衰退比较严重，球化处理时球化处理不充分。设 计了专用包进行孕育、球化处理，缩短了孕育及 球化处理时间，提高了孕育及球化处理效果，解 决了孕育及球化处理困难的难点。 采用中频炉熔炼球墨铸铁，其存在强度高， 延伸率、冲击吸收功低；石墨球数少而大，且分 布不均、基体组织中珠光体含量普遍偏高。必须 通过高温石墨化退火热处理才能提高冲击值，但 是增加了制造工序，延长了铸件生产周期。不是 研究的目标，我们要求铸态就能够达到机械性能 要求，不需要高温石墨化退火处理。 参考有关的资料，中频炉熔化生铁，铁水温 度升温快，很难控制温度，炉内温度不均匀，铁 水中低熔点的元素易烧损，很难控制铁水的化学 成分。根据这些分析，确认球墨铸铁存在的以上 特点主要由中频炉熔炼过程引起。 经过多次的试验，掌握了中频炉熔炼球墨铸 铁的特性。根据其熔炼的特性，采取相应的中频 炉熔炼工艺，严格控制加热功率和加热时问，升 温速度、保温时间和温度，有效控制了熔炼球墨 铸铁铁水的温度，降低了低熔点元素的烧损，有 效控制铁水孕育处理和球化处理前S、P有害元素 的百分含量，实现了很好控制熔炼各个环节的化 学成分在有利的范围内，确保了风电轮毂铸件厚 大壁不发生石墨漂浮，提高厚大壁组织的致密性， 解决了中频炉熔炼球墨铸铁存在的一些问题。 根据以上的分析讨论，采取了如下的具体措 施： (1)加强孕育处理。采用加大孕育剂量或改 用孕育效果好的孕育剂，多次孕育处理，改善孕 育处理方法； (2)熔炼时降低熔化温度、缩短保温时间， 避免过剧的脱氧反应和降低石墨球的核心烧损； (3)炉内添加少量合金元素，增加核心源， 减小白口倾向； (4)降低球化、孕育处理温度，缩短待浇时 间，减少铁液球化的衰退。 总之，本课题掌握了球墨铸铁大吨位的熔炼 工艺，实现了铁水大吨位的孕育处理及球化处理， 38 攻克了大吨位铁水孕育及球化效果差的难题，解 决了中频炉熔炼球墨铸铁存在的问题，满足了EN． GJS一400—18U．LT的机械性能要求，同时实现了 一30~C低温V型破口冲击值，即三试样平均值≥ 10J。单个≥7J。铸态性能合格率达到了99％，熔 炼工艺已稳定和成熟。 2。2铸造工艺技术攻关 铸造工艺设计既要考虑生产操作的可执行性， 又要考虑风电轮毂铸件的质量问题。在满足风电 轮毂的质量的基础上，再考虑生产操作的可执行 性。铸造工艺涉及到浇注系统、冷却系统，涉及 到砂芯的设计，外模的设计，分型面的选取等多 个方面。经过多次的工艺优化和改进，工艺情况 如下： (1)分型面的选择。风电轮毂结构近似球壳， 结构比较复杂，外球面由球心相差90 mm的两个 球面组成，只有一内球面，其球心与一个外球面 同球心。球面上有两轴承孔，且同轴线，与该轴 线垂直方向成5度夹角有三叶片管，三叶片管之 间成120度。根据风电轮毂以上情况，考虑N~'I- 模的取模和芯盒的制备能力，采用两开箱，将分 型面设置在与轴线垂直，过内外球面同球心处， 解决了多点不同面带来的问题，有效简化了轮毂 结构复杂带来操作难的问题。 (2)砂芯的设计。根据分型面的选择，考虑 砂芯制备的可操作性和定位情况，三叶片管口的 砂芯由内腔砂芯带出，形成一个整体。将三叶片 管口外端分别设置一芯头，定位轮毂的主体砂芯。 在砂芯内设置专用芯骨，便于采用整体下芯，保 证了轮毂内腔整体轮廓尺寸，有效解决了铸件操 作难度大带来的尺寸质量控制难的问题。 (3)外模的设计。分型面选择及砂芯设计完 后，外模的总体轮廓也基本确定。采用设计专用 砂箱、专用吊具和采用型板造型，也有效解决扣 箱尺寸控制难的问题。 (4)浇注系统设计。根据以上球墨铸铁的熔 炼工艺，提高孕育处理及球化处理的效果，缩短 浇注时间，采用快速浇注的原则，半开放式大流 量底返浇注系统。 (5)冷却系统的设计。该风电轮毂铸件属于厚 大壁件，容易产生石墨漂浮现象，容易形成粗大石 墨球，将影响铸件的机械性能。除了将浇注温度降 低而提高铁水中核心外，减小粗大石墨球的尺寸。 充分利用球墨铸铁在凝固中石墨膨胀而具有自补缩 性。在自补缩而不能消除缩孔的壁处设置冷铁。根 据风电轮毂的浇注情况、壁厚情况和该铸件的质量 要求情况，共设置了4种规格的冷铁。 (6)利用MAGMA软件对该工艺模拟及分析。 轮毂的充型过程见图2、热节分布模拟见图 3、球化率分布见图4、抗拉强度分布图见图5。 图2充型过程 图3热节分布图 图4球化效果图 图5抗拉强度分布图 根据模拟的充型过程(图2)看，浇注系统采用 底返，金属液刚进入型腔比较紊乱，中后期充型 比较平稳，对型腔的冲刷小，金属的二次氧化小， 二次渣少。 轮毂的主要壁厚在100～180 mm间，平稳过 渡，金属快速进入型腔后，在没有冷铁情况下， 该区域的温度梯度比较小，有利于球墨铸铁的同 时凝固原则。由于在三叶片管口区域的组织要求 相对其他区域较高，在该区域设置冷铁，使该区 域的温度梯度偏大，有利于该区域顺序凝固。且 确保设置冷铁区域先于未设置冷铁区域开始凝固 且完成凝固，从模拟的热节分布图(图3)可知，在 某时刻，三叶片管口的温度比三叶片管口间的三 角区温度低6个等级，相当于低6O℃。 球墨铸铁趋于同时凝固，当铁水中的核心较 少时，析出的石墨将依附在较少核心上，凝固过 程中存在的金相组织比较粗大，当核心较多时， 就能够形成较多石墨球，金相组织相对就致密。 铸件三叶片管口区域属于重要区域，该区域在冷 铁的作用下，温差梯度大，趋于顺序凝固，驱使 形成大量石墨核心，整个区域的石墨核心比同时 凝固区域的核心的量多得多，在该区域就有利于 形成球化率高，球化等级好，金相组织比较致密 的铸件实物。从模拟球化效果图(图4)可看出，三 管口区的球化率、球化等级及金相组织比三角区 的球化率、球化等级及金相组织都好。从模拟的 抗拉强度分布图(图5)可知，三管口的球化等级 高，组织致密，其抗拉强度就高。 (7)风电轮毂的生产情况 经过多次工艺的改进优化，我公司生产的风 电轮毂铸件探伤合格率99％以上，铸态机械性能 合格率达到95％以上。风电轮毂检测报告见表3： 表3风电轮毂检测报告 从表中知道，风电轮毂铸件的抗拉强度、延 伸率、低温冲击值均达到了标准要求，球化等级 2～3级，石墨形态主要为球状，球化率达到7级， 金相组织主要为铁素体和石墨。按照该工艺生产 的实物质量与计算机模拟的结果基本符合。 全探伤后铸件无缩孔缩松缺陷，无石墨粗大 及石墨漂浮现象。经过表面外观质量检查和尺寸 检测，该风电轮毂铸件表面外观和尺寸都符合标 准要求。 当然目前轮毂生产也存在不足，铸件缺陷主 要低级缺陷，即表面夹砂夹渣，有待从多方面采 取措施，主要从操作方面着手解决。 根据风电轮毂铸件具有轮廓尺寸大，重量较 重，壁厚厚大，结构复杂等特点，结合公司实际 ．址．喜 ．址．S屯 址．S止— L． — L ．S也 芾 0 0 P 生产能力，该风电轮毂铸件从熔炼工艺，铸造工 艺等多个方面进行技术攻关后，采用计算机技术 在铸造方面的应用，在同一铸件上不同区域合理 运用了球墨铸铁的凝固原则，按照风电轮毂铸件 的质量要求，生产出了具有代表国内铸造水平的 优质铸件，为公司1．5 MW风电机组的出机作出了 贡献。 参考文献： [1]铸造手册[M]．机械工业出版社 [2]球墨铸铁铸造新技术新工艺与产品质量控制手册[M]．北方工 业出版社 [3]球墨铸铁铸造新工艺新技术与产品质量缺陷控制适用手册 [M]．北方工业出版社． [4]铸造工业各项技术标准与国际标准[M]．吉林电子出版社 2020年全球风电装机容量预计将增至450亿千瓦 ．址 获悉，能源研究机构EmergingEnergyResearch(EER)的一份最新市场研究显示，在欧洲公用事业的引领下，海上风能产 业未来10年将大幅扩张，2020年全球风电装机容量预计将增长至近450亿千瓦。EER指出，随着短期内北欧大型公用事业 项目推动该产业发展，该产业也将为北美和亚洲海上风能的发展提供舞台。 EER高级风能分析师爱德华·萨拉(Eduard Sala de Vedruna)表示： “全球海上风能产业未来10年的发展将表现为具体的 进步，这种进步的基础是过去10年沿着学习曲线的发展。”萨拉说： “尽管成本和物流方面的挑战使得全球海上风能市场的 发展有所放缓，但是由于欧洲公用事业项目提高了对海上风能的关注，该产业如今正不断扩张，过去8年装机容量从7亿千 瓦增长到15亿千瓦。”目前，亚洲和北美正向欧洲寻求技术和成本基准。EER称，2010年至2020年期间，全球海上风能新 装机总容量的近25％将来自这两个地区。 萨拉指出： “海上风能很大程度上依旧是一个由英国领导的欧洲产业，紧接着是德国、瑞典、荷兰、比利时和丹麦。” EER预计亚洲将于2014年开发海上风能市场，由中国和韩国主导。EER称，在北美，美国深水风能(DeepwaterWind)~11)J[1拿 大奈昆(NaiKun)的试点项目可能在2012年之前完成，预计2020年装机容量将达到60亿千瓦。 来源：中国机械网