CN101332492B - 无冷铁、无冒口铸造大功率风力发电机低温球铁轮毂的工艺方法 - Google Patents

Abstract

无冷铁、无冒口铸造大功率风力发电机低温球铁轮毂的工艺方法，采用低温抗冲球墨铸铁件铸造，采用低温抗冲球墨铸铁件铸造，造型型砂采用呋喃树脂砂，砂型上无冒口无冷铁，造型完成后进行微震紧实，铸铁液进入型腔的浇注速度控制在0.3-0.8m/s之间，浇注时间控制在160-600S铸铁液浇注时采用过滤网对铸铁水进行过滤。砂型分型分芯将轮毂的厚大断面即和主轴的结合面放置于砂型的上箱的最高处。本发明在不使用冷铁、不用冒口即可铸造出大功率风力发电用轮毂，大大降低了劳动强度，提高了工艺出品率和生产效率，降低了生产成本，提高了铸件的内在质量和表面质量。

Description

无冷铁、无冒口铸造大功率风力发电机低温球铁轮毂的工艺方法

技术领域

本发明涉及一种风电技术领域重要零件——MW级风力发电机的低温球铁轮毂的铸造造型工艺，尤其是在无冷铁、无冒口的条件下铸造大功率风电零件轮毂的铸造方法。

背景技术

目前在全球能源价格高涨、石油危机的情况下，风能作为可再生能源和绿色能源，是各国均大力推广的首选项目。MW级风力发电机已经成为风电产业的主流产品，并将成为电网的重要电能来源。

轮毂是大功率风力发电机的关键零部件，其工作环境恶劣，承受巨大的动载荷和静载荷，使用寿命要达到20年以上。对铸件的外在表面质量和内在组织致密、缩孔、缩松等要求非常高。目前普通的型砂分型造型难以保证底平面的铸造质量。全部区域需做UT(超声波无损探伤)检测，需达到UT检测的EN DIN12680-3的2或3级标准；主要和关键区域需做MT(表面磁粉探伤)检测，需达到MT检测的EN DIN1369的3级标准；外观不得有超过壁厚的缺陷，不允许焊补，表面粗糙度要达到Ra50-100。

另外，为达到使用性能的要求，轮毂材料为有低温冲击要求的球墨铸铁件，常用的材料牌号为EN-GJS-400-18U-LT或EN-GJS-350-22U-LT；在结构上轮毂铸件为大型复杂件，外轮廓尺寸达到4-5m，壁厚在60-200mm，重量在10-25T之间。轮毂的结构是厚壁壳体，用以安装叶片并安装在旋转上旋转。球墨铸铁件虽然使用性能优于其它材料，但在铸造过程中球墨铸铁比其它材料难于控制，易于出现缩孔、缩松、一次渣和二次氧化渣，大型结构复杂、大断面的球墨铸铁表现得更为严重，极不易达到UT检测的EN DIN 12680-3的2或3级标准，和MT检测的EN DIN1369的3级标准。为减少和消除缩松，国内、国际上普遍对轮毂热节处放置冷铁，此种方案虽有一定效果，但使用冷铁后冷铁本身极易和铁液进行化学反应，产生二次氧化渣或气孔，使表面磁粉探伤不合格。采用冷铁使砂型的制造工艺复杂，会影响生产效率。CN200710144925.3还提出一种适于厚大断面铸件的快速强制冷却系统，是解决现有厚大断面球铁经过较长时间的液态冷却和共晶凝固，导致球化衰退、球墨畸变、石墨飘浮、元素片析、缩松、缩孔等缺陷，导致厚大断面球铁力学性能急剧降低的问题。采用液氮罐的出口端与低温截止阀的一端相连接，低温截止阀的另一端与液氮急冷器的进口端相连接，液氮急冷器的另一端设在冷却芯管的空腔内，空腔内的液氮急冷器上设有喷嘴。但上述方法显然成本过高。

为减少和消除缩松，达到EN DIN 12680-3中2、3级探伤标准，国内、国际上还普遍采用在砂型的最高处放置多个保温或发热冒口进行补缩。但使用保温、发热冒口也降低了工艺出品率，提高了生产成本，降低了铸造厂的整体效益。

轮毂作为球墨铸铁件，由于球铁本身特点易产生一次渣和二次氧化渣。为减少表面夹渣，国外采用优质炉料和电炉精炼方法，但在国内由于生铁等原料远低于国外，并且冶炼技术也与国际上有一定差距，因此国内生产大型轮毂时表面夹渣不易消除，不易以达到EN DIN 1690三级探伤标准。

CN200510022689.9铸态无Ni低温球铁铸造大型高韧部件的方法，采用(1)低温球铁的成分配方是：3.6-3.9％C；1.7％至3％Si；0.1％至0.4％Mn；不加Ni；Mg的残余含量0.045％至0.07％之间，剩余的是铁和制备过程中产生的杂质，P低于0.04％；(2)上述含量铸造球铁的成分通过添加球化剂获得；(3)球化后铸造工艺：在1300℃至1380℃之间将所述液态混合物浇铸到的铸型中；并使其在砂型中缓慢冷却到400℃以下从铸型中清出。成分中S低于0.02％。填补了国内无-40℃下冲击韧性要求的低温韧性球铁的空白。

CN200710022743.9 -40℃低温铸态无Ni球铁铸造兆瓦级风电机组部件方法用于铸造兆瓦级风电机组部件——轮毂、轮毂，所述低温铸态无Ni球铁的成分配方是：C 3.6％～3.9％，Si 1.7％～2.5％，Mn 0.1％～0.3％，不加Ni，Mg的残余含量0.045％～0.07％，剩余的是铁和杂质，杂质中P＜0.04％，S＜0.02％；上述含量低温铸态无Ni球铁的成分是通过添加球化剂、孕育剂及采用二次孕育方法获得；球化后铸造工艺为：在1300℃～1380℃将球化后的液态混合物浇铸到铸型中，并使其在铸型中缓慢冷却到400℃以下，从铸型中清出。但上述方法还不能保证产品的高合格率。

发明内容

本发明目的是：提出一种MW级风力发电机低温抗冲球铁轮毂的铸造方法，尤其是不使用冒口、不放冷铁铸造大功率风力发电机关键零件——轮毂，并且减少和消除缩松，达到EN DIN 12680-3中2、3级探伤标准。

无冷铁、无冒口铸造大功率风力发电机低温球铁轮毂的工艺方法，即MW级风力发电机低温抗冲球铁轮毂的铸造方法，采用低温抗冲球墨铸铁铸造，造型型砂采用呋喃树脂砂，砂型上无冒口，造型完成后进行微震紧实，铸铁液进入型腔的浇注速度控制在0.3-0.8m/s之间，浇注时间控制在160-600s。

铸铁液浇注时采用过滤网对铸铁水进行过滤。

浇铸时及浇铸后采用压铁对砂型重压，压铁重量为浇注量的2-6倍。

大功率风力发电机关键零件——轮毂材料为有低温冲击要求的球墨铸铁件，材料牌号为EN-GJS-400-18U-LT和EN-GJS-350-22U-LT分别对应于国标QT400-18AL和QT350-22AL(正拟订)，也可采用CN200510022689.9所述的铸态无Ni低温球铁材料。轮毂为大型复杂件，外轮廓直径达到3m，壁厚在60-200mm，重量在5-20T之间。轮毂的外观不得有超过壁厚的缺陷，不允许焊补，表面粗糙度为Ra50-100。

本发明工艺方案的原理：：铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现缩孔和缩松。对于球墨铸铁件，凝固方式为糊状凝固，不易得到铁液的补充，更易于产生缩孔和缩松，但球墨铸铁在凝固过程因析出石墨，产生石墨化膨胀，能够抵充部分凝固收缩，本工艺原理是制定各种工艺参数和工艺方法，使铸件在凝固过程中石墨化膨胀充分抵消液态收缩和凝固收缩。消除缩孔和缩松。

球墨铸铁必须进行球化处理，会造成铁液中含有大量一次氧化渣，并且在浇注过程中铁液极易和空气、铸型、冷铁进行化学反应，产生二次氧化渣，本发明工艺是制定各种工艺参数和工艺方法，使用浇注系统和过滤系统分离铁液中的一次氧化渣，并使铁液减少和空气、铸型的化学反应，减少二次氧化渣。

本发明的有益效果是：和传统工艺不同，无冷铁无冒口工艺生产轮毂时进行特殊的分型，使铸铁液趋向均衡凝固，减少了缩孔缩松，并且利于排渣、排气。针对轮毂特点采用特定的浇注系统及制定合理的浇注速度和浇注时间，使得浇注系统充分起到挡渣功能，铁水平稳进入型腔，并提高铁液的自补缩能力，采用的过滤系统，使铁液的纯净度进一步得到提高。采用专用的压铁，防止石墨化膨胀时抬箱，减少缩松。轮毂全部区域需做UT(超声波无损探伤)，达到UT检测的EN DIN12680-3的2或3级标准；轮毂主要和关键区域需做MT(表面磁粉探伤)，需达到MT检测的ENDIN1369的3级标准；轮毂的外观不得有超过壁厚的缺陷，不允许焊补，表面粗糙度为Ra50-100。针对轮毂特点采用特定的浇注系统及制定合理的浇注速度和浇注时间，使得浇注系统充分起到挡渣功能，铁水平稳进入型腔，并提高铁液的自补缩能力。尤其是采用呋喃树脂自硬砂造型，并控制型砂可使用时间，进行微震紧实对铸件的质量保证更可靠。

具体实施方式

无冷铁、无冒口铸造轮毂的具体工艺方案：村料根据标准的配方要求，最后通过添加球化剂、孕育剂及采用二次孕育方法；球化后铸造工艺在1300℃～1380℃将球化后的液态混合物浇铸到铸型中，并使其在铸型中缓慢冷却到400℃以下，从铸型中清出。

根据轮毂结构特点采用特定的分型、分芯方法，使铸造工艺性适合工艺要求

(1)造型采用呋喃树脂自硬砂，树脂砂和其它型砂相比，铸件表面光洁度好、尺寸精度高、，砂型强度高利于铁液在凝固过程中自补缩，减少缩孔缩松；并且铸型和铁液不易发生化学反应，不易产生氧化渣。因此采用无冷铁无冒口工艺生产轮毂须使用呋喃树脂自硬砂。

(2)大功率(常用的是1.5-5MW)风力发电风机用轮毂为大型铸件，外型和泥芯一般用砂量在10-30T，使用20T/h或40T/h混砂机造型，采用无冷铁无冒口铸造轮毂工艺，针对此问题使用专用的混砂设备，将型砂填充时间控制在30分钟之内，型砂可使用时间控制在30-40分钟。微震方法是指采用大型微震平台对砂型进行微震紧实(微震数分钟至二十分钟，亦可砂型边成型边震动)，增加型砂强度，符合工艺要求。

(3)针对轮毂特点砂型采用特定的分型分芯方法，使铁液趋向均衡凝固。和传统工艺不同，无冷铁无冒口工艺生产轮毂时将厚大断面——和主轴的结合面放置于砂型上箱的最高处，使此处的温度最低，减少液态收缩。

(4)直浇道采用变径方法使铁水迅速充满型腔，直浇道的变径成浇道径有宽有窄或弯的浇道，避免铁液在直浇道内产生紊流，卷气卷渣，进入型腔的浇注速度控制在0.3-0.8m/s之间，使铁液充型更加平稳，浇注量控制在20-60kg/s之间(实际上取25、40和60kg/s无明显差别)，减小各部位的温度差异，并减小铁液的液态收缩。

(5)采用专用的过滤网系统和滤网材料，在10T以上过铁量、浇注时间更好控制在200-600S，采用无机材料滤网构成过滤系统，在浇铸过程中不被冲破，充分过滤铁液中的杂质。

(6)采用专用的压铁，防止石墨化膨胀时抬箱，减少缩松。压铁重量最好为浇注重量的3-6倍，方能起到效果。

实施例：按无冷铁无冒口铸造大功率风力发电机零件——轮毂的造型工艺，在美国GE公司1.5MW轮毂、金风科技1.5MW轮毂、北京重机1.5MW轮毂上实施，生产的轮毂达到UT探伤的EN12680-3的2级标准和MT的EN-DIN1369的3级标准，得到了客户的认可，并已稳定生产，产量达到1.5MW轮毂千件以上，产品的优良成品率达到95％以上。

Claims (2)

1. 无冷铁、无冒口铸造大功率风力发电机低温球铁轮毂的工艺方法，采用低温抗冲球墨铸铁铸造，其特征是造型型砂采用呋喃树脂砂，砂型上无冒口无冷铁，造型完成后进行微震紧实，铸铁液进入型腔的浇注速度控制在0.3-0.8m/s之间，浇注时间控制在160-600s；铸铁液浇注时采用过滤网对铸铁液进行过滤；砂型分型分芯将轮毂的厚大断面即和主轴的结合面放置于砂型的上箱的最高处；浇铸时采用压铁对砂型重压，压铁重量为浇注量的2-6倍。

2.根据权利要求1所述的大功率风力发电机低温球铁轮毂的工艺方法，其特征是轮毂的球墨铸铁为EN-GJS-400-18U-LT或EN-GJS-350-22U-LT。