CN101585071B

CN101585071B - 利用球墨铸铁制造风力发电机主轴的消失模铸造方法

Info

Publication number: CN101585071B
Application number: CN2009100596610A
Authority: CN
Inventors: 许健; 杨屹; 许亚南; 杨刚
Original assignee: CHANGZHOU KAIDA ROLL Co Ltd; Sichuan University
Current assignee: CHANGZHOU KAIDA ROLL Co Ltd; Sichuan University
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2029-06-18
Also published as: CN101585071A

Abstract

本发明公开的利用球墨铸铁制造风力发电机主轴的消失模铸造方法，该方法是将含碳量为3.4～4.0％的球墨铸铁在熔炼炉内进行熔炼，熔炼后先在温度为1460±10℃的铁液中加入按铁液的重量计为0.2～0.8％的Inoculin390预处理剂进行处理，然后在浇铸前向铁液中加入按球墨铸铁的重量计为0.25～0.4％的孕育剂并进行充分搅拌后，再加入按球墨铸铁的重量计为0.2～0.35％的球化剂，最后将温度不低于1400℃的铁液浇注到装有模样的砂箱中，铁液在冒口液态金属的补缩下充型、凝固形成铸件，并利用铸件自身的余热进行热处理。本发明提供的消失模铸造方法不仅可代替传统的锻造工艺，而且产品成型容易，铸件组织致密，机械性能优良，生产效率高，生产成本可降低40％以上。

Description

利用球墨铸铁制造风力发电机主轴的消失模铸造方法

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，具体涉及一种利用球墨铸铁制造风力发电机主轴的消失模铸造方法。

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、具有可再生性的能源已成为世界各国面临的重大课题。而自然界存在的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并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，产品成型和后续加工困难，成型率不高，且材料消耗大，因而生产成本高，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。同时，用铸钢生产风机主轴时，由于铸钢的熔点高，熔炼时能耗大，对杂质的限制要求严格，冷却时由于收缩较大而容易在铸件中产生缩孔缩松缺陷。

因此，如果能用成本低廉的铸铁并利用工序简单的工艺如传统的砂型铸造方法来生产铸件，必然会使生产成本大大降低，生产效率大大提高。但是，传统的砂型铸造方法存在着劳动强度大、原材料消耗多、铸件重量偏重、环境污染严重、机加工工作量大等问题，尤其是容易出现的铸件致密度差、补缩不充分、缩孔缩松多等问题，这将严重影响铸件的质量，甚至导致铸件报废。安徽天钰机械股份有限公司针对现有砂型铸造方法存在的问题，发明了一种用灰铸铁制备柴油机、汽油机缸体缸盖的消失模铸造工艺。该工艺是将实物体分切成若干模片后制造出模具，再将消失模原料石蜡或泡沫注入模具中得到与实物一致的消失模模片，并在模片上浸涂耐火涂料，烘干后置于型砂箱中，在负压下振实浇注后，使消失模模片熔融气化成一氧化碳和二氧化碳排出，液体金属占据模型位置，凝固冷却后形成组织致密的灰铸铁缸体缸盖铸件。该方法虽然在一定程度上解决了传统砂型铸造方法存在的问题，但是，如果直接用该厂的方法制备风机主轴，会出现以下问题：其一，由于该方法所使用的灰铸铁中的石墨呈片状分布，片状石墨对基体的割裂性强，容易引起应力集中，致使铸件的强度较差、韧性偏低、脆性大，而风机主轴强度要求高、塑性要求好，因此用灰铸铁来制备风机主轴在性能上达不到要求；其二，由于该方法制备的柴油机、汽油机缸体缸盖属于小型铸件，小型铸件因浇注时间短、凝固速度快、模样气化发气量小、工艺参数容易控制，因此容易得到气孔缺陷少、铸件质量较好的铸件。而风机主轴属于大型铸件，如果采用同样的工艺生产，由于浇注时间长、凝固速度慢，模样气化发气量大、工艺参数不容易控制，因此得到的铸件气孔缺陷多、铸件质量较差；其三，消失模铸造在装配模具时，因是用若干分切成的小模片装配成与实物体大小相同的模具，若铸件小，装配精度容易保证。而风机主轴因铸件大，则容易造成较大偏差，不仅会影响铸件质量，还有很大可能会造成铸件报废；其四，由于该方法制备的柴油机、汽油机缸体缸盖属于小型铸件，在浇注时采用的是顶注式浇注。如果用顶注方式浇注风机主轴这样的大型件时，由于浇注的液态金属量大，冲击力强，因此一方面会严重冲刷铸型壁，另一方面会使金属液搅拌严重，容易在铸件中形成更多的气体和夹杂，而且也不利于气体和夹杂物的上浮除去，这些最终都将影响铸件的质量。

发明内容

本发明的目的是针对目前现有技术存在的问题，提供一种利用球墨铸铁制造风力发电机主轴的消失模铸造方法。

本发明提供的利用球墨铸铁制造风力发电机主轴的消失模铸造方法，该方法是将按重量百分比计含碳量为3.4～4.0％的球墨铸铁在熔炼炉内进行熔炼，熔炼后先在温度为1460±10℃的铁液中加入按铁液的重量计为0.2～0.8％的Inoculin390预处理剂进行处理，然后在浇铸前向铁液中加入按球墨铸铁的重量计为0.25～0.4％的孕育剂并进行充分搅拌后，再加入按球墨铸铁的重量计为0.2％～0.35％的球化剂，最后将温度不低于1400℃的铁液浇注到装有模样的砂箱中，铁液在冒口液态金属的补缩下充型、凝固形成铸件，并利用铸件自身的余热进行热处理。其中，涂刷于模样上的涂料中含有按涂料重量计为0.2-1.5％的麻纤维；在装配模样时，其轴心位置设置有一定位轴杆。

由于本发明提供的以上方法首先在材料上选用的是球墨铸铁，这不仅因铁液中的石墨呈球状，从而降低了对基体的割裂作用，而且，还充分利用了球墨铸铁的石墨化膨胀作用来实现了铸件凝固时的自补缩，既有效地减少了铸件内的缩松缩孔缺陷，提高了产品的成型率，又减少了补缩所需铁液的消耗，降低了成本；其次，由于在孕育处理前向铁液中加入的foseco公司生产的Inoculin390预处理剂，而该预处理剂的最大特点是其中含有的Bi元素既能阻碍基体晶粒长大，有效增加石墨数量，细化石墨，又能使铁液中的O/S控制在较低和稳定的水平，并形成稳定的形核质点，为球化反应提供良好的条件，从而得到了比常规球墨铸铁还高出5％以上的高强度、高韧性性能的铸件，达到了风机主轴的性能要求；其三，由于涂刷于模样上的涂料中含有能增加涂料透气性的麻纤维，大大提高了涂料的透气性能，使模样气化时生成的气体更容易渗漏出铸型，解决了用消失模铸造工艺生产大型铸件时由于透气性差所带来的铸件缺陷问题；其四，由于在装配模样时，在轴心位置设置了一定位轴杆，因此可使模样装配精准可靠，从而解决了大型铸件模样制作时装配精度难于控制的问题。

为减少铁液和模样中带入的氧、氢、硫及其它杂质，消除魏氏组织和柱状晶，并细化晶粒，提高冲击韧性，本发明还在熔炼的液态铁液中加入按液态铁液的重量计为0.1-0.2％的稀土元素。稀土元素优选Nd、Pr或Ce中的任一种。

为了使液态金属浇注时充型平稳，减少对铸型的冲刷，即使形成少量夹杂也容易上浮而除去，本发明的铁水浇注是采用底注式浇铸方式，且铁液在型腔中上升速度控制为200-250mm/s。

以上方法中所用的预处理剂Inoculin390的粒径为2-6mm；所用的麻纤维为荨麻纤维、黄麻纤维、红麻纤维或大麻纤维中的任一种。

以上方法在浇铸前向液态铁液中加入的孕育剂成分按重量百分比计为Si 60-65％、Ca 0.8-2.2％、Be 4-6％、Mn 8-10％，其余为Fe。

以上方法向液态铁液中加入的球化剂成分按重量百分比计为Y 55-47％、Si40-45％、Ca 5-8％。

以上方法中利用铸件自身的余热进行热处理的工艺控制条件为：在920～980℃保温2-5小时，再降温至700-750℃保温3-6小时，最后炉冷至600℃以下出炉空冷即可。

本发明与已有技术相比，还具有以下优点：

1、由于本发明采用的是消失模铸造技术来生产风机主轴，因而与采用传统的锻造方法而言，不仅简化了生产工艺，缩短了生产周期，生产效率高，生产成本低，而且使普通铸造企业都可生产风机主轴，降低了风机主轴生产苛刻的门槛要求，从而满足市场需求。

2、由于本发明选择的铸件材料是球墨铸铁，因而与铸钢相比，不仅大大降低了风机主轴的生产成本和苛刻的熔炼要求，而且由于球墨铸铁的偏析程度要比合金铸钢低，因此有利于降低铸件的成分偏析，使铸件内部成分更加均匀。

3、由于本发明可利用铸件凝固后自身的余热对铸件进行后续热处理，因而节约了能源并降低了成本。

4、本发明为风力发电机主轴的制造提供了一种全新的生产方法，这在全球面临严重能源危机的今天，可为风能这种绿色环保、再生性强并有着广阔前景的发电技术得到大力推广产生重大的意义。

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；对所得铸件进行的抗拉强度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

1)首先将聚苯乙烯的泡沫塑料压成阶梯型风机主轴毛坯的每一段，然后将石英粉、铝矾土、石墨粉按常规配比配成的耐火涂料涂刷其上并烘干。耐火涂料所选用的石英粉SiO₂＞97％，粒度200-270目；铝矾土中Al₂O₃≥75％，并且是经过高温煅烧后的高铝熟料，粒度大于300目。其中还添加有以涂料重量计为0.2-1.5％的麻纤维，以增加涂料的透气性。各实施例添加的量见表3。麻纤维为荨麻纤维、黄麻纤维、红麻纤维或大麻纤维中的任一种。

2)先以砂箱装配风机主轴模片的轴心位置设置的一定位轴杆为中心线，然后将烘干的各段模片一一粘合起来制成最终模样，取掉定位轴杆。模样外用天然圆颗粒石英砂填满砂箱并振实，砂箱的振幅在1mm±0.05mm，之后抽真空密封。石英砂粒度为40/70目，SiO₂≥85％，但砂中杂质不能大于10％。

3)本发明实施例所用的材质为四种牌号的球墨铸铁：EN-GJS-400-18U-LT、QT400-18、QT450-10、QT500-7，其常见的化学成分范围见表1，Fe为余量。

表1

在实际熔炼过程中，将以上每一种牌号的球墨铸铁均熔炼三种成分作为实施例，各实施例的具体成分如表2，Fe为余量。

表2

将以上各实施例的球墨铸铁分别进行熔炼。为了顺利去除铁液中的夹杂，熔炼过程中先向铁液中加入石灰石造渣，然后在熔炼后温度为1460±10℃的铁液中加入按铁液的重量计为0.2～0.8％的2～6mm的Inoculin390预处理剂进行处理，并在浇铸前向铁液中加入按铁液的重量计为0.25～0.4％的孕育剂(其成分为：Si60％-65％、Ca0.8％-2.2％、Be4％-6％、Mn8％-10％，其余为Fe)并进行充分搅拌后，再加入按铁液的重量计为0.2％～0.35％的钇基重稀土复合球化剂(其中Y55％-47％、Si40％-45％、Ca5％-8％)和按液态铁液的重量计为0.1-0.2％的稀土元素，各实施例的加入量如表3所示，最后将温度不低于1400℃的铁液以底注式浇铸方式，按铁液在型腔中上升速度为200-250mm/s浇注到装有模样的砂箱中，铁液在冒口液态金属的补缩下充型、凝固，当铸件冷却至表4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进行热处理，消除铸造内应力，提高韧性，并改善切削加工性，最后对其进行机加工即可得到所需的风机主轴。通过测试，铸件调质后的各项机械性能指标见表5。

表3

表4

表5

从表5可看出，用四种材质生产的风机主轴均能达到风机主轴使用要求的性能指标。因此，对风机主轴以球墨铸铁用消失模铸造方法来代替锻造方法制造风力发电机主轴是完全可行的。

Claims

1.利用球墨铸铁制造风力发电机主轴的消失模铸造方法，该方法是将按重量百分比计含碳量为3.4～4.0％的球墨铸铁在熔炼炉内进行熔炼，熔炼后先在温度为1460±10℃的铁液中加入按铁液的重量计为0.2～0.8％的Inoculin390预处理剂进行处理，然后在浇铸前向铁液中加入按球墨铸铁的重量计为0.25～0.4％的孕育剂并进行充分搅拌后，再加入按球墨铸铁的重量计为0.2～0.35％的球化剂，最后将温度不低于1400℃的铁液浇注到装有模样的砂箱中，铁液在冒口液态金属的补缩下充型、凝固形成铸件，并利用铸件自身的余热进行热处理，其中，涂刷于模样上的涂料中含有按涂料重量计为0.2-1.5％的麻纤维，且在装配模样时，其轴心位置设置有一定位轴杆；加入的孕育剂成分按重量百分比计为Si 60-65％、Ca 0.8-2.2％、Be 4-6％、Mn 8-10％，其余为Fe；加入的球化剂成分按重量百分比计为Y 55-47％、Si 40-45％、Ca 5-8％。

2.根据权利要求1所述的利用球墨铸铁制造风力发电机主轴的消失模铸造方法，该方法在浇铸前还向铁液中加入有按铁液重量计为0.1-0.2％的稀土元素。

3.根据权利要求2所述的利用球墨铸铁制造风力发电机主轴的消失模铸造方法，该方法在浇铸前向铁液中加入的稀土元素为Nd、Pr或Ce中的任一种。

4.根据权利要求1或2或3所述的利用球墨铸铁制造风力发电机主轴的消失模铸造方法，该方法中所用的预处理剂是粒径为2-6mm的Inoculin390；所用的麻纤维为荨麻纤维、黄麻纤维、红麻纤维或大麻纤维中的任一种。

5.根据权利要求1或2或3所述的利用球墨铸铁制造风力发电机主轴的消失模铸造方法，该方法的铁水浇注是采用底注式浇铸方式，铁液在型腔中的上升速度为200-250mm/s。

6.根据权利要求4所述的利用球墨铸铁制造风力发电机主轴的消失模铸造方法，该方法的铁水浇注是采用底注式浇铸方式，铁液在型腔中上升速度为200-250mm/s。

7.根据权利要求1或2或3所述的利用球墨铸铁制造风力发电机主轴的消失模铸造方法，该方法中利用铸件自身的余热进行热处理的工艺控制条件为：在920～980℃保温2-5小时，再降温至700-750℃保温3-6小时，最后在炉冷600℃以下出炉空冷即可。

8.根据权利要求4所述的利用球墨铸铁制造风力发电机主轴的消失模铸造方法，该方法中利用铸件自身的余热进行热处理的工艺控制条件为：在920～980℃保温2-5小时，再降温至700-750℃保温3-6小时，最后在炉冷600℃以下出炉空冷即可。

9.根据权利要求5所述的利用球墨铸铁制造风力发电机主轴的消失模铸造方法，该方法中利用铸件自身的余热进行热处理的工艺控制条件为：在920～980℃保温2-5小时，再降温至700-750℃保温3-6小时，最后在炉冷600℃以下出炉空冷即可。

10.根据权利要求6所述的利用球墨铸铁制造风力发电机主轴的消失模铸造方法，该方法中利用铸件自身的余热进行热处理的工艺控制条件为：在920～980℃保温2-5小时，再降温至700-750℃保温3-6小时，最后在炉冷600℃以下出炉空冷即可。