CN101478191B - 利用铸造技术生产风力发电机主轴的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的利用铸造技术生产风力发电机主轴的方法是先将含碳量为0.1-0.6％的低、中合金钢进行熔炼，然后在其中撒入0.001～0.2％的孕育剂并进行充分搅拌，再后浇注到金属铸型内，同时施加强度为1.5-10T的磁场，待合金液开始结晶时在垂直离心铸造机带动下，于转速50-300rpm内不停地进行变速旋转，并使合金液在浇冒口液态金属的补缩和离心力的共同作用下充型、凝固形成铸件，冷却至650～750℃时取出，最后进行退火处理。本发明提供的铸造工艺不仅可代替传统的锻造工艺，使产品成型容易，铸件组织致密、机械性能优良，而且生产效率高、制造成本低(可降低生产成本40％以上)，同时还降低了对风机主轴生产苛刻的门槛要求，使铸造企业均可进行风机主轴的生产。

Description

利用铸造技术生产风力发电机主轴的方法

技术领域

本发明属于风力发电机主轴的生产方法技术领域，具体涉及一种利用重力铸造和离心铸造相结合的技术生产风力发电机主轴的方法。

背景技术

目前，随着全球能源短缺和环境污染等问题日益严峻，寻找和选择绿色环保和可再生性的能源已成为世界各国面临的重大课题。而自然界存在风能与其它能源相比，不仅蕴藏量大，分布广泛，永不枯竭，是水能的10倍，而且还具有上马快、建设周期短、比水电站建设的基础投入少、灵活性强，并能有效遏制温室效应和沙尘暴灾害，绿色环保等特点。因此，利用风能发电作为新能源开发已成为全球未来能源发展战略的重要组成部分而受到了各国的高度重视和大力支持。但是，由于目前制造风电设备的技术不够成熟，导致风力发电设备昂贵，风力发电成本较高，风电电价高于煤电电价，从而制约了风电的快速发展。

风力发电机组的关键设备之一是发电机的主轴。目前，国内外制造风力发电机主轴的方法全部都是采用锻造法。其制作过程为：将特种钢冶炼后锻造成毛坯，然后再进行热处理及机械加工。但利用锻造方法生产时，首先要求必须提供高质量电炉精炼的钢锭以满足产品的高性能需要，其次需采用特殊的成型方式(锻造)来细化晶粒以便获得性能更为优良的毛坯。如内蒙古北方重工业集团有限公司与四川德阳九益锻造有限公司等单位采用锻造方法生产风机主轴的工艺过程大致为：合金熔炼→钢锭→锻造→退火→粗车→调质→半精车→精车。因此，采用锻造法不仅生产工艺复杂，产品成型困难且成型率不高，后续加工困难，且材料消耗大，导致生产成本高，生产效率较低，一些特钢企业及锻机小的机械行业很难进行生产，致使生产的风机主轴远远不能满足市场需求，国内相当一部分风机主轴需要进口且价格昂贵。

在制造铸件方法的技术领域中，除了锻造法外，还有常用的离心铸造法和重力铸造法。离心铸造(《离心铸造》，张伯明，机械工业出版社，2004年6月)法就是将合金液浇入铸型中，然后将铸型固定在离心铸造机上旋转并逐渐达到额定转速，以使合金液在离心力的作用下充型。当合金液充型凝固后利用拔管钳或推管机将铸管从铸型中取出，部分铸件再进行后续处理。离心铸造按照旋转轴的方位分为水平离心铸造和垂直离心铸造两种，水平离心铸造主要用于长径比在一倍以上的薄壁管件的生产，而长径比小于一的厚度较大的管件常采用垂直离心铸造的方法生产。但传统的离心铸造方法主要用于生产薄壁管件、气缸套、轧辊等管套类铸件，而用离心铸造法生产风机主轴既未见相关报道也未有厂家生产。究其原因主要是风机主轴是厚大铸件，长径比远远大于一，与传统的采用水平离心铸造的方法生产长径比在一倍以上的细长薄壁管件和采用垂直离心铸造的方法生产长径比小于一的矮小厚大铸件的原则均不符合。因为若采用传统的水平离心铸造，由于风机主轴的中心孔小而无法进行浇注；若采用传统的垂直离心铸造，由于风机主轴铸件长、中心孔小、厚度大，且由于离心力的影响，容易出现成型困难和成分偏析等问题。

重力铸造是指金属液在地球重力作用下注入铸型的工艺，也称浇铸。重力铸造通常包括砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、消失模铸造、泥模铸造等。虽然传统的重力铸造法可以制造厚大铸件，但在生产厚大铸件时，由于铸型中液态金属的冷却速度缓慢、不平衡结晶以及补缩不充分等因素的影响而容易出现晶粒粗大、成分偏析(即成分不均匀)和缩孔缩松等问题，使铸件的强度和韧性较低。很显然，若采用传统的重力铸造法生产厚大的风机主轴，必然会因风机主轴的抗拉强度、延伸率和冲击韧性较低而导致其不能满足使用要求。

发明内容

本发明的目的是针对目前已有技术存在的问题，提供一种利用铸造技术生产风力发电机主轴的方法，具体的说是提供一种利用重力铸造和离心铸造相结合的铸造方法来生产风力发电机主轴。

本发明提供的利用铸造技术生产风力发电机主轴的方法是先将按重量百分比计含碳量为0.1-0.6％的低、中合金钢在熔炼炉内进行熔炼，然后在浇铸前向液态金属合金液中撒入按低、中合金钢的重量计为0.001～0.2％的孕育剂并进行充分搅拌，再后浇注到金属铸型内，同时对金属铸型施加强度为1.5-10T的磁场，待合金液冷却至开始结晶时在垂直离心铸造机带动下，于转速50-300rpm内不停地进行变速旋转，并使合金液在浇冒口液态金属的补缩和离心力的共同作用下充型、凝固形成铸件，铸件冷却至650～750℃时取出，最后进行退火处理。

本发明所用的金属铸型优选用ML20钢制成的金属铸型，其内表面事先涂有并经充分干燥的硅藻土水溶液耐火涂料；对浇冒口液态金属的补缩是通过预先数值模拟后来进行。

本发明在浇铸前向液态金属合金液中撒入的以细化晶粒的孕育剂为B、V或Ti中的任一种。当撒入的孕育剂为B时，加入量为0.001-0.003％；当撒入的孕育剂为V或Ti时，加入量为0.1-0.2％。

为了提高材料的强度、韧性、淬透性，降低回火脆性，本发明在熔炼的低、中合金钢合金中加有按低、中合金钢的重量计为0-0.35％的Cr或Ni。

为减少钢中的氧、氢、硫及其它杂质，消除魏氏组织和柱状晶，并进一步细化晶粒，提高冲击韧性，本发明还可在熔炼的低、中合金钢合金中加入按低、中合金钢的重量计为0-0.2％的稀土元素。稀土元素优选Nd、Pr或Ce中的任一种。

本发明与已有技术相比，具有以下优点：

1、由于本发明提供的利用重力铸造与离心铸造相结合的铸造工艺可替代传统的锻造工艺，将液态金属浇入铸型冷却至液态金属开始结晶时，再利用垂直离心铸造机带动铸型旋转，使合金液在离心力的作用下成型并通过对铸型进行水冷增大了合金液体的冷却速度，因而不仅可使产品成型容易，铸件组织致密、机械性能优良，而且生产效率高、制造成本低(可降低生产成本40％以上)，极大地增强了产品的市场竞争力，同时还降低了对风机主轴生产苛刻的门槛要求，使铸造企业均可进行风机主轴生产。

2、由于本发明在利用重力铸造与离心铸造相结合的铸造工艺生产风机主轴时，加入了一定数量的孕育剂，因而可对合金液进行良好的孕育并降低铸件的浇注温度，有效地细化晶粒。

3、由于本发明方法在钢水浇入铸型后，就对铸型施加了可阻碍金属液随铸型一起旋转和阻碍其中产生的异相质点在铸型中上浮或下沉的电磁场来对合金液进行强烈搅拌，并在合金液开始结晶时，又在不停变换转速的条件下进行离心铸造，既使金属液与铸型之间产生很大的相对流动(形成紊流)，又对铸型一起转动的凝固层产生较大的冲刷力，使铸件的晶粒由一般较大的板状和柱状晶粒转变为细小的等轴晶粒，因而既有效解决了厚大铸件在传统重力铸造过程中容易出现的晶粒粗大和性能较低的问题，又很好地解决了传统离心铸造过程中容易出现的成分偏析问题。

4、由于本发明方法对浇冒口液态金属的补缩是通过预先通过数值模拟后来进行的，同时，通过在重力铸造的基础上再实施离心铸造工艺，使钢水在凝固过程中，在铸件的微观补缩通道封闭前，借助离心力的作用将未凝固的钢水补充到凝固过程产生的微观缩孔中，因而进一步加强了对铸件的补缩，完全避免了传统重力铸造过程中容易出现的补缩不充分和微观缩孔缩松的产生，极大地提高了铸件的性能。

5、由于本发明方法还对材料的成分进行了设计，添加了能减少钢中杂质和提高材料的强度、韧性、淬透性，降低回火脆性的元素，并辅之以相应的热处理工艺，因而进一步提高了铸件的综合力学性能。

6、利用本发明铸造方法生产风机主轴，不仅可减少合金液的浪费，产品的成型率高，而且还可充分利用铸件刚凝固时自身的余热对铸件进行后续热处理，从而节约了能源并降低了成本。

7、本发明为风力发电机主轴的制造提供的这种全新的方法，不仅简单成熟，易于掌握，而且可使风能发电这种绿色环保、再生性强并有着广阔前景的技术得到大力推广。

具体实施方式

下面给出实施例以对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据本发明内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍属本发明的保护范围。

另外，值得说明的是以下实施例所用元素的百分比均为重量百分比；所得铸件进行了抗拉强度σ_b，屈服强度σ_s，延伸率δ₅，断面收缩率ψ，冲击韧性A_ku，材料硬度HB等机械性能的测试，其中，材料的σ_b、σ_s、δ₅、ψ是在SHT4305微机控制电液伺服万能试验机上进行的；A_ku是在JB-300S摆锤冲击韧性试验机上进行的；HB是在HB-3000型布氏硬度机上进行的。

实施例1～12

本发明实施例所用的材质为四种低、中合金钢，其牌号分别为HY-130、ZG15MnMoVCu、ZG35SiMnMoV、ZG42CrMo，其各自常见的化学成分范围见表1，Fe为余量。

表1

在实际的熔炼过程中，将每一种牌号的合金均熔炼三种成分合金作为实施例，各实施例的具体成分如表2，Fe为余量。

表2

按表2中各实施例的合金分别在炼钢炉内进行熔炼。为了尽量减少合金中P、S、O、H等杂质元素含量以提高韧性，在熔炼后期采用Mn铁、Si铁和Al复合脱氧剂等进行充分的脱氧，液态金属浇铸前在低合金钢HY-130和ZG15MnMoVCu中按表3给出的计量撒入B，在中合金钢ZG35SiMnMoV中按表3给出的计量撒入V，在合金钢ZG42CrMo中按表3给出的计量撒入Ti作为孕育剂以细化晶粒并进行充分搅拌，然后将其浇注到用ML20钢制成的、内表面上事先涂上硅藻土水溶液的耐火涂料，经干燥并预热至200℃左右的金属铸型内，盖上端盖，同时对金属铸型按表3施加相应强度的磁场和对铸型进行水冷。当钢水冷却到开始结晶时即在垂直离心铸造机带动下，对铸型于转速50-300rpm内不停地进行变速旋转，并按照预先所作的数值模拟用合金液在浇冒口进行液态金属的补缩，使之在离心力的共同作用下充型、凝固形成铸件。当铸件冷却至表3所示温度时取出，然后利用此时铸件本身的余热将其推入到退火炉中，在“1000℃×4h+空冷+880℃×1h+水冷+580℃×2h+水冷”的条件下进行热处理以提高其韧性。最后对其进行机加工即可得到长为2705mm、底部最大直径为1380mm、上部最小直径为510mm、重量为6483kg的风机主轴。通过测试，铸件调质后的各项机械性能指标见表4。

表3

表4

由上可见，四种材质经过调质处理后，均达到了风机主轴使用要求的性能指标：σ_b＝685MPa，σ_s＝540MPa，δ₅＝14％，ψ＝35％，A_ku＝39J，HB＝228。因此，对风机主轴采取以铸代锻的方式是完全可行的。

Claims (4)

1.利用铸造技术生产风力发电机主轴的方法，该方法是先将按重量百分比计含碳量为0.1-0.6％的低合金钢或中合金钢在熔炼炉内进行熔炼，然后在浇铸前向液态金属合金液中撒入孕育剂并进行充分搅拌，再后浇注到金属铸型内，同时对金属铸型施加强度为1.5-10T的磁场，待合金液冷却至开始结晶时在垂直离心铸造机带动下，于转速50-300rpm内不停地进行变速旋转，并使合金液在浇冒口液态金属的补缩和离心力的共同作用下充型、凝固形成铸件，铸件冷却至650～750℃时取出，最后进行退火处理，其中孕育剂采用B、V或Ti，且按低合金钢或中合金钢的重量计B为0.001-0.003％，V或Ti为0.1-0.2％。

2.根据权利要求1所述的利用铸造技术生产风力发电机主轴的方法，该方法在熔炼的低合金钢或中合金钢合金中加有按低合金钢或中合金钢的重量计为0-0.35％的Cr 或Ni。

3.根据权利要求1或2所述的利用铸造技术生产风力发电机主轴的方法，该方法在熔炼的低合金钢或中合金钢合金中加有按低合金钢或中合金钢的重量计为0-0.2％的稀土元素。

4.根据权利要求3所述的利用铸造技术生产风力发电机主轴的方法，该方法在熔炼的低合金钢或中合金钢合金中加入的稀土元素为Nd、Pr或Ce中的任一种。