大型风力发电机组中箱体铸造工艺设计.pdf

· 16 · 垂篙帅焉Jan．2017V01．66 NO．1大型风力发电机组中箱体铸造工艺设计傅明康1，宋贤发1，陈倩慧1，陈建军1，付 明，，吴兆寿2(1．日月重工股份有限公司，浙江宁波315113；2．浙江大学宁波理工学院，浙江宁波315100)摘要：中箱体铸件是风力发电机组中重要的承载部件，其质量是决定风机性能的关键因素之一。本文分析了中箱体铸件结构，从分型面设计、砂芯设计、浇注系统设计、冷却系统设计、模具制作、铁液化学成分的控制以及合适的球化和孕育处理工艺等方面，论述了厚大断面球墨铸铁中箱体铸件生产中应采取的质量控制措施及工艺参数，确定了大型风力发电机组中箱体铸件的铸造工艺方案。应用这些措施，生产出了各项性能指标合格的大型风力发电机组中箱体铸件。关键词：球墨铸铁；风电铸件；铸造工艺；质量控制中图分类号：TGl43．5 文献标识码：A 文章编号：1001—4977(2017)01—0016一05Casting PrOcess Design fOr Middle BOx Of Large—ScaIe WindPOwer GeneratiOn UnitFU Ming-kan91，SONG Xian—fal，CHEN Qian—huil，C卸三N Jian_junl，FU Min91，WU Zhao—shou2(1．黜”e Heavy Indus仃y Corporation Ltd．，Nin曲o 3 15113，Zhejiang，China；2．Nin曲o mstitute ofTecllIl0109y，zhejiang UniVersit)，，Nin曲o 3 1 5 1 00，Zhejiang，China)Abs由阻ct： Middle box casting is an important part in wind power generation unit，which is one ofthe kev factorsto determine the quali够of the wind power generation．h1 this paper，stmcture of middle box casting wasanalyZed，and a series of qual时con仃01 measures were discussed such as the paning surface desi阴，sand coredesign，gating system design，c001ing system desig玛pattem plate design，chemical composition control ofm01ten iron，and proper nodularizing and inoculation treatment process．The proper quantity control andcounte眦easure and process parameters were presented as well．By adopting these quali田contr01 measures，qualified middle box castings were obtained with aU properties meeting requirements．1时Ⅵroa旧s： ductile iron；wind power castings：casting process：quality con缸01风能是一种清洁可再生能源，受到世界各国的普遍重视。齿轮箱体、行星架等球墨铸铁件作为风电机组的关键零部件，常年在高达几十米至一百多米的高空运行，不但工作环境恶劣，而且服役周期通常要求20年左右，如发生意外失效，更换费用和相关损失巨大旧，因此铸件综合性能指标要求较高。本研究以2．5 Mw风力发电机组中箱体铸件作为研究对象，从铸造工艺设计、模具制作、化学成分控制及优化熔炼工艺等方面阐述此类铸件的生产方法。1铸件工艺分析中箱体铸件形状如图1所示，其外形属于盘状铸件，轮廓尺寸西1 910 mm(函1 297 mm)×395 IIlIn，净重1 200 kg，铸件的平均壁厚约25 mm，最大壁厚122 mm，属于厚壁球铁铸件。该产品铸造难点主要体现在：①70 mm×105 mm×180 mm附铸试块力学性能满足抗拉强度≥360 MPa、屈服强度≥220 MPa、伸长率≥12％，一20℃的夏氏V型口试样的冲击功单个不小于7 J，三个试样的平均值不小于10 J；②70 mm×105 mm×180 mm附铸试块金相组织满足铁素体≥90％，珠光体≤10％，渗碳体≤1％，球化率≥90％，石墨大小4～7级；③铸件全部进行超声波和磁粉探伤，关键部位符合ENl2680．3和DINENl369标准中的1级要求，其他部位2级。在制定铸造工艺方案以及选择工艺参数的过程中必须有针对性地采取措施才能保证产品试制成功。图1 中箱体铸件二三维造型图Fig．1 3D model ofthe middle box casting收稿日期：2016—10_2l收到初稿，2016—11—10收到修订稿。作者简介：傅明康(1963一)，男，工程师，现主要从事球墨铸铁件及产业化的研究。电话：0574．55007049，E—mail：gyb．2@riyuehi-com万方数据铸造 傅明康等：大型风力发电机组中箱体铸造工艺设计2铸造工艺方案2．1分型面设计为方便起模，分型面一般应选择在铸件的最大截面位置，同时薄壁部应置于底部或侧面，以防浇不到冷隔[4]。此外，均衡凝固理论认为厚大断面球铁铸件冷却凝固过程中，组成铸件的各个相互衔接之间由于彼此牵制，厚实部分收缩会部分被石墨化膨胀所补偿酗。结合以上分析，本铸件采用三箱造型，将函1 910 mm厚实部分朝下进行浇注(如图2所示)，使其在浇注过程和凝固初期处于较高的铁液静压力作用下，以利用铁液的后补量和相邻区域的石墨化膨胀进行自补缩。铸件成形后，上部机械加工余量12 mm，下部、侧部均8 mm，孔单边10 mm。为了使铸件的尺寸精度、表面粗糙度达到要求，全部采用冷硬呋喃树脂自硬砂进行造型和制芯，并在砂型制作时增加气动振动进行辅助紧实，上好涂料后对砂型和砂芯表面做打磨处理：副面jB一口 !B比例l：6 L图2铸件分型面示意图F培2 The schematic draWing ofthe parting surface2．2砂芯设计由于本铸件结构为带有筋板的箱体式结构，造型中共采用4种砂芯，以便中箱活块的拆取及固定。1缈芯1个，外形轮廓尺寸函760 mm×265 mm，重150埏；24砂芯1个，外形轮廓尺寸函1 160 mm×285 m瑚，重300 kg，结构如图3所示；为方便起模，3彬眇芯、4带眇芯各1个。所有砂芯均采用冷硬呋喃树脂自硬砂进行制做，砂芯安放位置如图2所示。2．3浇注系统设计合中箱体铸件的结构特点，采用开放底注式浇注系统(如图4所示)。直浇道用具有一定锥度的变径陶瓷管制作，以防止吸人气体和冲砂，横浇道内设置挡渣措施，内浇口开设在铸件中间法兰处，2个扇形同圆柱轴方向成20。～30。角平稳地进铁液，另外在铸件顶面均布9个函20 111In出气孔，以便浇注过程中能顺利排除型腔内的气体。直浇道截面积∑一=28 cm2，过渡浇道1与过渡浇道2连接处的截面积∑F2_=58×2 cm2=116 cm2，过渡浇道2同过渡浇道3连接处的截面积∑F3=109×2 cm毫218 cm2，内浇口截面积∑睁163×2 cm2=326 cm2，整个浇注系统各单元比(经修正)为∑E：∑疋：∑局：∑睁1：4．1：7．8：11．6。过渡浇道1、过渡浇道2、过渡浇道3避免了铁液紊流，有效防止了气体卷入、吸收及金属的过度氧化。铁液经直浇道进入圆柱体缓冲过渡浇道1后，再通过2个对称的扇形过渡浇道2和过渡浇道3进入铸型，顺利实现了1 200 kg铁液平稳充型。a)浇注系统布局图，／≮，钕谚 ／※7 L直浇道嗽。k芥《一广心jf川 M}’¨ …1和蕊÷。：怒蓼：I．．。汀……一飞D 拶7 、。影j?(b)浇注系统各单元图4铸件浇注系统结构图Fig．4 The stmcture ofthe feeding system依据“大流量、低流速、平稳充型”的原则，并结 2．4冷却系统设计图3砂芯结构图Fig．3 The structure of sand cores铸件为箱体式结构且壁厚相差较大，壁厚部位容易产生缩孔、缩松缺陷。为了实现均衡凝固，厚壁部位应适当提高冷却速度，生产中常用外加冷铁、强制冷却(如通水、雾、液氮等)及综合运用冷铁与强制冷却等方法来提高冷却速度同。由于2．5Mw风力发电机组中箱体铸件采用呋喃树脂砂造型，局部位置冷却速度较慢，综合考虑生产成本并结合实际条件采用铸铁万方数据· 18 · FOUNDRYJan．2017VOI．66 N0．1冷铁和石墨冷铁冷却来消除热节效应，冷铁的厚度取铸件壁厚的0．5～0．8倍。所用冷铁布置如图5所示，尺寸及数量如表1所示，其中1怜铁为石墨冷铁，2怜铁、3“冷铁为铸铁冷铁二图5冷铁布局图F喀5 Thc 1ayout ofchil：|b】ock8表1冷铁尺寸、数量Table 1 The size and quantity of chill blocks2．5模具制作根据工艺设计要求，模具分为上模具、下模具，形状如图6所示。模具主体采用20～40 mm高强度多层夹板制作，型板由20～40 mm高强度多层夹板和200 mm×100 mm×10 mm厚方管焊接的底框组装而成，高强度多层夹板的厚度不少于80 mm，底框长度方向的方管必须用整根焊接，确保了模具的整体刚度和尺寸精度。同时模具要嵌入型板内20 mm深，并用M20螺芯头型芯头型板丝与底框连接，保证型板与模具固定牢固。3熔炼及浇注工艺3．1成分控制材料成分是影响铸件微观组织的主要因素，为达到使用性能要求，在生产球墨铸铁中箱体过程中应严格控制c、si、№、P、s、Mg、RE及微量元素含量睁彻。一般情况下，较高的碳当量可以增加金属的流动性，有利于石墨的析出和实现铸铁件的自补缩，从而减少收缩缺陷，但cE过高易产生石墨漂浮，使铸件综合性能降低[11]。选择碳含量时，应从球墨铸铁件的力学性能和铸造性能这两个方面来综合考虑，一般认为碳当量应控制在4．1％～4．3％较为适宜。硅可提高球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度和硬度，但降低其塑性并会导致低温脆性，即便是铁素体基体球墨铸铁，硅量也应限制在2．5％以下，这是生产有低温性能要求铸件的关键因素。有的研究者认为口21，在厚大断面球铁件中硅含量应限制在1．8％～2．3％。锰是促进碳化物形成的元素，可以提高强度和硬度，但对冲击韧度和脆性转变温度有不利的影响。另外，锰易产生偏析，含量过多时易在共晶团边界形成化合物，降低铸件的力学性能，一般锰的含量应控制在0．30％以下。硫属于反石墨球化元素，铁液中硫与镁、稀土亲和力很强，易形成MgS、RES渣，当铁液含硫量过高时会造成球化元素残留量少而导致球化不良，但适当(a)上模具且(b)下模具图6模具布局图Fig．6 The layout ofmold万方数据铸造 傅明康等：大型风力发电机组中箱体铸造工艺设计 · 19 ·的硫含量可获得石墨球数多、石墨球形好、碳化物减少、缩孔倾向减弱的铸件。磷一般是随金属炉料带人球墨铸铁中的，在球铁中溶解度很低，当磷超过某一含量时，易偏析于共晶团边界形成磷共晶，磷降低铸件的塑性、韧性和强度，并且使铸件产生冷裂。一般S、P的含量应控制在0．03％以下。铁液中有一定的镁和稀土元素的残留量才能保证石墨成球[13]。在稀土．镁球铁中，镁起主要球化作用，稀土起辅助球化作用，但过高的残留量可能导致异形石墨的形成和在晶界产生碳化物，降低冲击韧度。一般在保证球化的前提下，尽量降低残余稀土和镁的含量。根据多年生产经验并结实公司实际情况，2．5 MW风力发电机组中箱体铸件的化学成分设计范围如下：3．75％～3．80％C，1．90％～2．20％Si，Mn<0．20％，P<0．02％，S<0．012％，0．010％～0．020％RE，0．025％～0．040％Mg，4．38％～4．48％CE。3．2熔炼及浇注过程控制铁液由18讹冲天炉和5 t中频感应电炉双联熔炼获得，炉料配比为50％～70％生铁、20％～40％回炉铁、10％～20％废钢。其中回炉铁一般为同材质的浇冒口、废品，便于合金回用降低成本，也有利于铁液成分控制。采用堤坝式冲人法球化处理，堤坝高度为100～200 mm。球化剂加入球化包堤坝靠炉体一侧后，用0．2％的粒度为3～8 mm孕育剂覆盖在球化剂上，并用铁叉捣平捣紧，球化剂加入量约为铁液重量的1．0％～1．2％。孕育剂选用75FeSi，为提高孕育效果并合理控制终硅量，采用二次孕育处理方式：①出铁时随铁液流加入0．3％的孕育剂，孕育剂粒度3～8 mm，铁液在进行球化处理的同时发生孕育作用；②在浇注前将铁液从球化包转入浇包时在铁液表面加入0．2～0．3％的粒度为3～8 mm的孕育剂作为二次孕育，可以有效防止孕育衰退提高孕育效果。浇注温度过高则收缩量会增加，易产生缩孔和缩松；浇注温度过低，薄壁处也会出现冷隔缺陷，本铸件铁液的浇注温度控制在1 340℃±10℃。4生产验证通过采用上述工艺措施，生产的2．5 Mw风力发电机组中箱体(如图7所示)，其力学性能、金相组织、铸件的尺寸精度、无损检测都达到了铸件验收规范(70 mm×105 mm×180 mm附铸试块力学性能如表2，试样金相组织如表3、图8。5结束语随着风力发电装机容量的增长，风电产品铸件的零。≥j。 ?0。。8饕：黪f‘^_#9≥j 参 ≯j；节锄≤≤；糠馘蟹4：||≥≮4。8。≥Fj℃掌≈*；。。。2黟鬈褥≯∥|j◇致黪i；番 ’；。答黪积 姥糠毒霉48母{ 攀簪万方数据· 24 · FOUNDRYJan．2017V01．66 NO．1能力。并通过JSCAST软件对改进后工艺方案进行数值模拟，结果显示磨球的厚大部位处不会出现缩孔缺陷。采用新的工艺方案生产的铸件质量符合要求，经x光检测和机械加工后未发现缩孔缺陷。参考文献：[1] Kang J M．A study on the wear model of wam and hot forging[J]．Metal and Materials，1998(14)：447—483．[2]龙创平．浅析箱体类零件加工工艺[J]装备制造技术，2012(11)：82—84．[3]程俊伟，蔡安克．铸造缺陷分析技术的应用和思考[J]铸造设备与工艺，20lO(1)：47—49．[4]刘国英．120C型主阀体铸造工艺设计及生产实践[J]冷热工艺，2005(1)： 13—14．[5]米国发，陈立林，王海燕，等．阶梯轴铸钢件的铸造工艺设计及数值模拟[J]．热加工工艺，2叭1(17)：62—64．[6]田迎新，曾维和，曾小勤，等．基于Anycasting球磨铸铁曲轴铸造工艺数值模拟及试验研究[J】．铸造，2015(11)：l 102—1107．[7]屈银虎，王风，粱涛，等．挡板槽帮铸件的工艺优化[J]铸造，2014 (7)：712—714．[8]张争险，黄放，孟伟娜．基于Any casting蒸汽发生器支承件的铸造缺陷分析及工艺优化[J]．铸造，2015(12)：1239—1246．[9]张俊善，尹大伟．铸造缺陷及其对策[M]．机械工业出版社，2008：29．[10]石远进，张战场，刘睿．基于流场优化的熔模铸钢件缩孔缺陷改善[J]．铸造，2014(9)：910一914．(编辑：潘继勇，pjy@foundr)，、Ⅳorld．com)．+。+n+”+一+一+一+”+*+-+一+一+一十一十一+-+一+一+一+一+-+-+一十-+一+一+-+-+-十-+-+-+一+一+一+一+一+一+一+-+-+一+-+-—-}-——}一—。+-一—‘F-—。}·(上接第19页)[8]李继强，张坤，高文理，等．厚断面球墨铸铁件组织与性能分析[J]．铸造，2015，64(9)：869—873[9] Moumjarvi A，widell K，Saukkonen T，et a1．hnuence ofchunky乒aphite on mechallical alld f乱igue properties of thick．section castiron [J]． Fatigue and Fracture of Enginecring Materials a11dStmctures，2009，32(5)：379—390．[10]贾志欣，李继强，宋贤发，等．cAE分析在二板式注塑机用百吨级球墨铸铁定模板开发中的应用[J]．铸造，2叭4，63(5)：46l一454．[11]段汉桥，韦世鹤，肖理明，等．厚大断面球铁生产中的几个主要问题[J]中国铸造装备与技术，2001(3)：7—12．[12]刁晓刚．厚大断面球铁石墨析出行为及其铸件的物理模拟研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2叭O．[13]Padan D S．Microalloying in austempercd ductile iron(ADI) [J]．AFS Tmnsactions，2012(120)：277—288．(编辑：潘继勇，pjy@foundryworld．com)·+-+一+一+-+*+”+-+一+一+-+-+一十一+-+-+*+一+一十一+-+-+一+一+*+一+-—卜-+-—。卜-—。卜-—+一。—1卜。—。卜。—。+-‘—●一。—叶一-+一+-+-+-+-—。卜-—1卜。—。+_。—。_卜。—‘卜。—+一。—‘卜‘仓储笼泛应用于原已经深入到存储、运输具有以1．仓储使用空间的2．仓储降低企业的3．仓储空问，从而4．仓储自动化作业5．仓储体仓库使用仓储笼加拿大、美术制箱的理万方数据