6MW海上风电轮毂的铸造工艺设计.pdf

垂：帅煮 Sep．2016VOI．65 N0．9P●，、●‘_、●‘州-^’呻{经验交流}■、^●、，■^■、，■’■～1●1■一_一6MW海上风电轮毂的铸造工艺设计李云飞1，邹良利1，杨 勇2侯云霞2，秦大鹏1(1．大连华锐重工铸业有限公司，辽宁大连116300；2．沈阳鼓风机集团核电泵业有限公司，辽宁沈阳110869)摘要：从铸造工艺和熔炼工艺两方面，介绍了6兆瓦级风力发电机主机架铸造生产中的关键技术，具体包括浇注系统的设计、排气冒口设计、数值模拟、化学成分控制、球化及孕育方法等。通过对这些关键技术进行控制，最终生产出质量符合要求的铸件+关键词：大型球墨铸铁；均衡凝固；球化及孕育处理中图分类号：TG242 文献标识码：B 文章编号：1001—4977(2016)09—0914—03Casting Process of 6MW Offshore Wind Turbine HubLI Yun～feil，ZOU Liang—lil，YANG Yongz，HOU Yun—xia2，QrN Da-pen91(1．Dalian Huarui Heavy Industry Casting Co．，Ltd．，Dalian 1 1 6300，Liaoning，China；2．Shenyang Blower Works Group Nuclear Pump Co．，Ltd．，Shenyangl 10869，Liaoning，China)Abstract：The key technologies in the casting production of6MW offshore hub were introduced,on the basis ofcasting and melting technology,including gating system design,exhausting riser，numerical simulation,chemical composition control，methods of spheroidization and inoculation etc．By the control of the keytechnologies，the quality ofcasting meets the technology requirements．Key words：heavy ductile i’ron casting；equilibrium solidification；spheroidization and inoculation treatment海上风电具有资源丰富、发电利用小时数高、不占用土地、不消耗水资源和适宜大规模开发的特点，近几年欧美国家均把风电开发的重点转向海上，许多大型风电开发企业、设备制造企业正积极探索海上风电发展之路。我公司拟制造的6 MW海上风电轮毂就属于大型海上风电铸件，该轮毂轮廓尺寸大、壁厚变化大、尺寸精度要求高。且处于海上恶劣环境，对铸件的基体组织、低温冲击韧性等要求非常严格。1 轮毂的结构、技术参数及质量要求我公司生产的6 Mw海上风电轮毂材质为EN．GJS一400—18U—LT，毛重42 924 kg，净重38 488 kg，铁液量55 k譬，铸件不仅轮廓尺寸大(4 644 lll／lq×4 01 1 mmx3 985 mm)，而且轮毂中间带有连接迎风端与主轴端的筒壁，结构十分复杂，具体如图1所示。6 MW海上风电轮毂综合力学性能要求很高，按照客户标准要求采用200 mmxl50 mmxl50 mm附铸试块，力学性能要求见表1所示，附铸试块金相组织按照Is0945执行，见表2所示。铸件首件100％UT、MT检测，关键区域uT检测要求达到ENl2680．3 2级要求、MT检测达至1]ENl369 2级要求，非关键区域uT检测要求达到ENl2680．3 3级要求、MT检测达到ENl369 3级要求。2铸造工艺设计2．1 工艺方案的选择6 Mw轮毂壁厚变化大，最小壁厚为中间筒壁壁厚50 mm，最大壁厚为弧面大凸台，壁厚350 nlnl，铸件壁厚变化较大，热节较多．易出现缩松。图1 6 Mw海上风电轮毂结构Fig．1 Structure of6 MW offshore wind turbine hub表1力学性能要求Table 1 Mechanical properties requirements冲击功／J(．20℃)抗拉强度州Pa NH臣j虽N／MPa伸长率7％ii更度HSW—覃不—_；：ir>360 >220 >12 120—150 >7 >10收稿日期：2016一)5—19q始1]初稿，2016_06—1 I收到修订稿，作者简介：李云飞(1982一)，男．_T程师，主要从事球墨铸铁方面的研究。E—mail：Iiyfa@dhidcw．corn万方数据铸造 李云飞等：6MW海上风电轮毂的铸造工艺设计表2金相组织要求Table 2 Metallurgical requirements轮毂高度达3 985 mm，铁液充满型腔上升这么大的高度，温度下降较快，温度低时流动性差且易产生浮渣，这将会造成铸件上表面MT缺陷较多。根据轮毂结构特点，按照“铸件重要加工面或主要受力面等要求较高的部位放置在下面”的工艺原则，拟将轮毂主轴法兰面放置在下型，采用底返式浇注工艺方案。所谓底返式浇注是指内浇道位于铸件底部，金属液从型腔底部注入铸型。该浇注系统的金属液充型平稳，不会产生激溅、铁豆，型腔内的气体易从顶部排出，金属氧化少。2．2浇注系统设计大型球墨铸铁生产按照铸件均衡凝固与有限补缩的工艺原则，浇注系统一般采用大孔出流原理。通过合理设计浇注系统，可以控制铁液流量，从而控制浇注时间，使铁液平稳进入型腔，并起到挡渣、隔渣作用，以大流量、小流速、平稳、分散为原则【11，达到型腔温度场均匀实现铸件均衡凝固。浇注系统截面比例在小于5的范围内变化，属于大孑L出流【2|。对于大件采用开放式浇注系统，初定截面比：F直：如：如=l：4：4．5。内浇道则采用分散均匀分布，内浇道沿壁厚方向设置，以避免铁液冲刷型芯导致铁液紊流形成浮渣。考虑到该轮毂具有外、内两层壁厚，内浇道根据两部分的铁液量分内、外两圈布局，初步设定外圈36个qb60 mm内浇道，内圈12个多60 mm内浇道。2．3冒口系统设计球墨铸铁冷却凝固时石墨长大膨胀可以抵消大部分收缩，甚至在一定条件下完全可以抵消收缩量，故按照球墨铸铁均衡凝固与有限补缩的工艺原则，6 MW轮毂冒口设计采用出气冒口和发热补缩冒口相结合工艺，在轮毂迎风端法兰设置6个发热补缩冒口以补缩弧面及迎风端厚大法兰区域，轮毂最高点(变桨法兰顶端)则设置3个出气冒口，以收集顶端的冷铁液和浮渣。2．4工艺方案模拟优化首先在不加冷铁的情况下，通过MAGMA软件对铸件进行充型、凝固等模拟，确定铸件的热节区域，根据热节区域的模数大小设置相应的冷铁厚度。同时分析充型情况，以调节浇注系统比例。经不断的模拟和工艺参数调整，确定最终的工艺方案如图2所示。3铁液熔炼。浇注工艺设计3．1铁液成分控制化学成分对球墨铸铁的性能影响较大，一般材料化学成分控制非常严格：为保证铁液良好的流动性和充型能力，一般都把球铁的CE选择在共晶点附近，CE过低则铸件容易产生缩松，CE过高则容易产生石墨漂浮。CE控制在4．2％～4．5％较好：C是促进石墨化元素，通常需要较高的埘(C)量以增加凝固时的石墨化膨胀作用；但甜(C)量过高可能会导致CE过高而引起石墨漂浮：埘(C)控制在3．6％～3．9％较好。Si也是促进石墨化的元素，W(Si)量高有利于铁素体生成，同ttgSi能显著提高强度，一般原铁液中川(Si)量控制在1．2％～1．4％。Mn是促进珠光体生成和细化的元素，且有强烈的正偏析倾向，可在晶界上形成晶间碳化物，严重降低球铁的冲击韧度，所以W(Mn)量控制在0．20％～0．25％较好。P在球铁中有严重的偏析倾向，易在晶界处形成磷共晶，严重降低球铁的伸长率和冲击韧度，因此应控制W(P)在0．035％以下。S易与球化剂中的Mg及RE生成硫化物或硫氧化物，不但消耗球化剂，更增加了铸件的夹杂、夹渣类缺陷，严重降低铸件的力学性能和表面质量，因此应控制W(S)在0．025％以下。图2 6 MW海f：风电轮毅铸造工艺Fig．2 Casting Process of 6 MW offshore wind turbine hub为保证球化质量，避免铁液经球化处理后过早衰退，铁液中应有适当的残余镁量，一般残余镁量控制在0．04％～0．05％即可保证球化质量。适量RE可排除球化干扰元素的影响和保证球化质量，但加(RE残)量过高会恶化石墨形态，降低力学性能，故应控制W(RE残)量在0．05％以下：6 Mw海上风电轮毂铁液的化学成分控制范围见表3所示。表3化学成分控制范围Table 3 Control range of chemical composition ww％3．2铁液的球化及孕育大型球铁件所需铁液量大，球化及孕育时间相应也较长，故要保证铁液质量，则需要选择合适的球化剂、孕育剂和采取合理的球化处理、孕育处理方法。风电球墨铸铁件铁液熔炼通常采用低稀土镁硅球化剂，球化剂中含镁量为7％、含硅量为43％、含钙量万方数据FOUNDRYSep．2016VOI．65 NO．9为2％。球化剂的加入量受球化剂本身的特性、铁液的特性、铸件的大小、壁厚及球铁材质和处理工艺四大因素影响。本公司的球化处理方法为冲人法，即在铁液包底砌筑一定高度的堤坝，将球化剂放置在堤坝较窄小的一侧，逐层紧实后再铺盖一层铁屑，然后最上层铺盖一层钢板。根据6 MW轮毂的基本参数和球化处理方法，确定球化剂的加入量为铁液重量的1％左右。在浇注阶段，将少量碳硅材料加入铁液中，促使形成新的结晶核心以改善金属组织和物理、力学性能的方法叫做孕育处理【3】，球墨铸铁孕育处理主要是在铁液凝固时促进石墨球的生成，阻止碳以渗碳体的形式出现。生产大型球墨铸铁件铁液量大、孕育量大、孕育处理时间长，容易出现孕育衰退现象。故生产6 MW轮毂时采用含Ba硅铁长效孕育剂两次孕育，即炉前翻包时进行第一次孕育，浇注时进行第二次孕育，孕育剂加入量为铁液量的0．9％。3．3铁液的浇注工艺6 MW轮毂需要铁液55 t，需要熔炼两炉铁液，铁液过程控制不好难以保证浇注温度，易出现球化、孕育衰退现象。故将铁液出炉温度控制在1 480～l 490℃，同时将铁液出炉及浇注顺序制定为：2台30 t炉分别熔化35 t铁液，出炉时35 t、30 t包分别翻出28 t、27 t铁液。第一包运至浇口箱侧后等第二包上电瓶车后即开始翻包，先在18 t箱中翻出18 t，剩余l 0t翻入另一18 t箱内。第二包运到继续向该箱内翻人8 t铁液至总铁液量18 t，剩余铁液19 t翻入30 t浇口箱内。测量三个浇口箱内铁液温度，若温度达到工艺要求的l 350～1 370℃范围内，则三个浇口箱同时压杆进行浇注。4首件试制结果附铸200 mmxl50 mmxl50 mm试块截取的金相块检测基体铁素体含量>90％，球化等级>2级，石墨球尺寸为5．6级，见图3所示。经过优化的化学成分设计和熔炼过程控制，附铸图3铸件金相组织Fig．3 Metallographic ofcasting试块力学性能检测符合客户标准要求，检测结果见表4所示。表4附铸试块力学性能Table 4 Mechanical properties of the cast test block轮毂首件清理后外观检测表面光滑平整，达到外观要求。NDT经第三方SGS检测UT、MT也达到ENl2608—3、ENl369标准要求。5结束语通过合理的浇注系统设计、有限的发热冒口补缩及合理的冷铁布局，解决了铸件表面浮渣及内在缩松问题，达到标准要求。通过合理的化学成分设计、严格控制浇注过程操作，保证了铁液的球化及孕育处理效果，使铸件的综合力学性能完全合格。参考文献：[1】张进，周恒湘．用呋喃树脂砂生产大型铸铁件的工艺分析[J】．铸造，2009(12)：1260—1263．[2]魏兵，袁森，张卫华．铸件均衡凝固技术及其应用[M】．北京：机械工业出版社，1998．[3】吴德海．球墨铸铁[M]．北京：中国水利水电出版社，2006．(编辑：刘冬梅，Idm@foundryworld．com)．+-+-+-+w+-+-+-十“+一十-十一十-+-+-+-十一十一十-+-+-+-+一+-+一+一+一+-+一十-+一+一+一十一十一+一+-+一+。。卜。—+一。—+一。—+一。—+_。—+一。—．卜。—+。。—卜。+2016年7月中国铝合金车轮出口情况简析2016年7月，中国铝合金车轮出口额3．23亿美元，同比减少1．2％，出El量7．00万吨，同比增]Jfl4．9％，出口单价4．61美元／公斤。1—7月中国铝合金车轮出El额21．464L美元，同比减少4．7％，出口量46．05万吨，同比增JJ[]2．2％，出El单价4．66美元／公斤，出15I厂商990家，其中前40位厂商出口总金额17．75亿美元，占该产品出口总金额的82．7％；前100家厂商出口总金额20．48亿美元，占该产品出口总金额的95．4％。出口排名前10位厂家为：中信戴卡股份有限公司、盛旺汽车零部件(昆山)有限公司、浙江万丰奥威汽轮股份有限公司、保定市立中车轮制造有限公司、六和轻合金(昆山)有限公司、连云港启创铝制品制造有限公司、广州驭风旭铝铸件有限公司、上海明岐铝业有限公司、浙江跃岭股份有限公司、浙江今飞凯达轮毂股份有限公司。2016年1—7月，中国铝合金车轮共计出口154个国家和地区，其中出151前40位国家和地区总金额20．92亿美元，占该产品出口总额的97．5％。出口排名前10位国家和地区：美国、日本、墨西哥、泰国、印度、德国、马来西亚、俄罗斯联邦、加拿大、土耳其。(来源：中汽协会车轮委员会)万方数据