CN101773990A

CN101773990A - 兆瓦级风力发电机轮毂的低温快浇及无冒口铸造工艺

Info

Publication number: CN101773990A
Application number: CN 201010118729
Authority: CN
Inventors: 杨金德; 何晓松; 邵建华; 郁晓兵
Original assignee: Nantong Hongde Mechanical Co Ltd
Current assignee: Nantong Hongde Mechanical Co Ltd
Priority date: 2010-03-05
Filing date: 2010-03-05
Publication date: 2010-07-14

Abstract

本发明提供一种兆瓦级风力发电机轮毂的低温快浇及无冒口铸造工艺，包括造型工序、熔炼铁液工序、球化工序、浇注工序，所述的浇注工序中铁液进入型腔的浇注温度1310℃±10℃，浇注速度在1.1～1.4m/s，浇注时间控制在80～100秒。该工艺以低温、快浇，使铁液刚充满型腔就开始共晶凝固膨胀，利用此膨胀压力来克服铸件在凝固过程中的缩孔和缩松缺陷，实现无冒口、无冷铁铸造兆瓦级风力发电机关键件低温球铁轮毂。保证铸件质量达到UT(超声波无损探伤)检测的EN DIN12680-3的2级标准以及MT(表面磁粉探伤)检测的EN DIN1369的3级标准。

Description

兆瓦级风力发电机轮毂的低温快浇及无冒口铸造工艺

技术领域

本发明涉及一种兆瓦级风力发电机关键零部件——耐低温冲击球墨铸铁轮毂的铸造工艺，特别涉及低温快浇条件下的无冒口、无冷铁铸造大功率风力发电机零件轮毂的工艺方法。

背景技术

大力发展循环经济，建设资源节约型、环境友好型社会，实现可持续发展，是全世界共同的目标。在经济不断发展，对能源的需求日益增长的情况下，可再生能源的利用受到了各国广泛的关注。风能是除水能外最具前途的可再生能源，风力的利用不仅可以提供清洁能源，而且不危害环境，风力发电问世不久就已成为增长最快的替代能源，可以说现在已经是最具有发展前途的新兴产业之一。

从上世纪80年代一些欧洲国家率先利用风力发电到2004年，全世界风力发电装机总容量已达47616MW，相当于47个标准核电站。预计到2020年，全世界风力发电装机总容量将达1231000MW，占世界发电能力的12％，被称为“风力12％蓝图”。

我国2004年以前装机容量为764MW，2005年增加容量约240MW，已超过1000MW。按照目前的规划，2010年风电设备装机总容量的目标为4000MW，“十一五”规划期间，平均每年增加装机容量约600MW。预计2015年装机容量将达到10000MW，2020年可能达到20000MW。

风电设备体积、重量巨大，架设在几十米甚至上百米的高处运行，不便于经常维修，而且维修成本极高，设备在设计时确定的维修期通常为20年甚至30年，因此，对铸件的疲劳强度要求非常高，对铸件质量的可靠性和耐用性，都有非常严格的要求。加上风电部件的工作条件十分恶劣，工作环境温度变化大，需要在-20℃甚至-40℃低温下承受风力大小变化，因此，对铸件材质的强度、冲击韧性的要求也是非常高的。

大型风力发电机组用风电铸件主要有轮毂、底座、轴承座、齿轮箱等，其中轮毂将直接承受并传递巨大的动载荷和静载荷，作用最为关键。对于1～3MW风力发电机，轮毂铸件的重量一般在10～25吨，为具有厚大断面的球墨铸铁件。由于轮毂铸件的断面大，浇注铁液重量重达12吨以上甚至达到30吨，所以，铁液进入型腔后冷却极为缓慢，凝固时间长，很容易出现球化衰退和孕育衰退现象，甚至出现石墨畸变或漂浮，导致球化率和石墨尺寸等级不达标而引起报废；同时由于浇注的铸型高，导致铁液压力头高，铁液进入型腔时速度很快，极易引起喷溅、严重紊流以及涡流卷气等现象，因此很容易出现氧化夹渣、浮渣、大型气孔等缺陷；而且在铸件的3个法兰端面的根部都有直径巨大的热节，稍微控制不好就会出现缩孔、缩松等内部组织致命缺陷。

由于轮毂的作用至关重要，检验时对其内部组织致密度的要求非常严格，铸件需要同时做UT(超声波无损探伤)检测和MT(表面磁粉探伤)检测。其要求做UT检测的区域为铸件的全部区域，检测结果需达到UT检测的EN DIN12680-3的2级标准，在3个法兰端面根部要求更为严格，且所有区域不得有缩孔、夹渣、夹砂、气孔等缺陷；同时在3个法兰端面根部要求做MT检测，检测结果需达到MT检测的EN DIN1369的3级标准，表面浮渣深度不得超过铸件截面的5％且最大浮渣深度不超过10mm。铸件外观目测最大缺陷长度不得超过10mm，表面不得有任何焊补。

为解决轮毂铸造的技术难点，达到UT和MT检测的质量要求，国内、国际上对此都做了大量改进工作和大胆的工艺尝试。其中针对产品的缩孔、缩松问题，比较普遍的工艺方案都是采用在铸件顶端安放多个保温或发热冒口来对铸件进行补缩，并利用冷铁来改变和调整铸件的热节，有的工艺甚至对铸件全身都布满了不同尺寸的冷铁。采用保温或发热冒口有利于对铸件进行补缩，但却增加了铸件的几何热节，因为冒口本身就是热节，对于轮毂铸件这样大的热节尺寸，冒口很难控制，控制不好很容易导致更为严重的收缩缺陷，使冒口起反作用；而且使用冒口增加了多方面的成本，导致工艺出品率和工作效率降低。采用冷铁的好处是可以改变铸件热节，利于在重要部位得到致密的内部组织，但可能会引起冷隔、内裂纹或气孔。铸件全身安放冷铁更是不合理。

为减轻浇注时的严重紊流以及涡流卷气等问题，从而避免严重的氧化夹渣、浮渣、大型气孔等缺陷，现行工艺中比较普遍的解决方案都是采用底注工艺使充型尽量平稳，但由于铸型高，铁液压力头大，浇注时容易引起喷溅现象，同样导致严重的氧化夹渣和浮渣、甚至大型气孔。

由于铸件断面厚大，铁液进入型腔后冷却缓慢、凝固时间长，很容易出现球化衰退和孕育衰退现象，甚至出现石墨畸变或漂浮，导致球化率和石墨尺寸等级不达标而引起报废，部分工艺采用在铸件全身布满冷铁来加快铁液凝固，这样做是很危险的，因为冷铁降低了砂型的透气性，容易导致型腔内气体排不掉而出现气孔；同时，如果铁液被冷铁激冷过大，可能会导致冷隔甚至内部裂纹。

另外，现行绝大多数工艺的分型都采用多芯组合，将内芯分为4个部分：内部球面为一个部分，三个法兰处用三个芯子，这样不仅使下芯困难，容易引起掉砂、铸型错位，更是增加了法兰处的热节数量和尺寸，极容易在这三个区域缩孔和缩松，而且可能导致铁液流到三个法兰端面根部时不能很好过度而形成死水区，产生表面不球化或球化不良，甚至严重夹渣。

发明内容

本发明的目的是：提出一种兆瓦级风力发电机铁轮毂的低温快浇及无冒口铸造工艺，特别是低温快浇条件下的无冒口、无冷铁铸造大功率风力发电机零件轮毂的工艺方法，消除缩孔，减小缩松，减轻氧化夹渣和浮渣、气孔，以得到内部组织致密且表面质量优良的铸件。

一种兆瓦级风力发电机轮毂的低温快浇及无冒口铸造工艺，包括造型工序、熔炼铁液工序、球化工序、浇注工序，其特征在于：所述的浇注工序中铁液进入型腔的浇注温度1310℃±10℃，浇注速度在1.1～1.4m/s，浇注时间控制在80～100秒。使铁液刚充满型腔就开始共晶凝固膨胀，利用此膨胀压力来抵消共晶凝固前的液态收缩(一次收缩)和共晶凝固时的凝固收缩(二次收缩)，达到消除缩孔、减小或克服缩松的目的。

所述造型工序中造型型砂采用呋喃树脂砂，型芯对称划分上下各一半分型，砂型上无冒口无冷铁。不仅使得合型更为方便、精确，最重要的是减小了3个法兰端面根部(检验要求最高、最容易出现缩松和裂纹的位置)的热节数量和尺寸，大大提高了成品率，同时也省去了在此布置冷铁的必要，避免了因冷铁设计不合理使铸件相应位置产生冷隔、气孔甚至裂纹的危险。同时，这样分型还能避免铁液流到3个法兰端面根部后不能过度而产生死水区，影响表面质量。

所述熔炼铁液工序中铁液中化学成分质量比为碳C 3.5～3.8％，硅Si 2.2～2.4％，锰Mn 0.25～0.28％，磷P 0.025～0.035％，硫S 0.015％，镁Mg 0.055％，稀土Re 0.015％，余量为铁。

所述球化工序中铁液在1530℃进行脱硫处理，脱硫后铁液中S含量低于0.015％，铁液脱硫后回炉升温，然后在1450℃进行球化处理，球化剂采用稀土镁硅铁，加入量为铁液质量的0.8％，采用传统的冲入球化处理方法，处理前在包底堤坝一侧凹坑中装入球化剂，然后覆盖包内孕育剂，加入量为铁液质量的0.5％、砸实，再压上少量铁屑和生铁块。铁液处理完毕后进行扒渣、吹尘，处理后的铁液要覆盖上一层薄的集渣剂。

所述浇注工序中浇注时采用随流孕育处理，随流孕育量0.1％，铁液进入型腔前经耐高温玻璃纤维过滤网过滤。

所述浇注工序中浇口杯采用拔塞式除渣杯，使铁液充满浇口杯后再拔塞输送铁液，直浇道采用上大下小的变径陶瓷管，横浇道采用高而窄的梯形断面，内浇道采用陶瓷管，并在陶瓷管末端安装楔形浇口阀来防止铁液产生喷溅、卷气和严重紊流。。

所述浇注工序中直浇道截面∑F直＝1256mm²，横浇道截面∑F横＝8500mm²，内浇道截面∑F内＝6000mm²。各截面经过严格计算和修正，保证铁液刚充满型腔就开始共晶凝固膨胀。

本发明工艺方法的原理在于：铸铁在凝固过程中需要经历两次收缩——液态收缩(一次收缩)和凝固收缩(二次收缩)。如果铸件在液态收缩时得不到很好的补缩，就会出现缩孔缺陷；如果是在凝固收缩时得不到很好的补缩，就有可能产生缩松。由于球墨铸铁的凝固是以一种“糊状凝固”的特殊方式进行，凝固过程中的补缩相对于其它铸铁显得更为困难，往往在铸件最后凝固的部位产生缩松甚至缩孔，造成铸件UT(超声波无损探伤)检测不合格而报废。但球墨铸铁在凝固过程中的共晶反应阶段会析出大量球状石墨，此时会产生较大的石墨化膨胀压力，如果能有效地利用这部分膨胀压力，就能使铸件在凝固过程中的收缩得到抵消，从而实现铸件的自补缩，同样可以消除缩孔和缩松缺陷，实现球墨铸铁的无冒口铸造。

由于球墨铸铁的铁液在浇注前要经过球化处理，处理后的铁液中会残留部分球化元素Mg和稀土以防止铁液出现球化衰退，但Mg和稀土极容易跟空气中的氧或砂型中的硫起反应而生成氧化夹渣。如果浇注过程中铁液充型不平稳而产生喷溅、严重紊流或者涡流卷气，就会导致铁液氧化严重而产生夹渣、浮渣和气孔，并可能导致球化衰退使球化率和石墨尺寸等级不合格。本发明的工艺方法是利用陶瓷管以底注方式引入铁液，避免严重紊流和卷气，并采用在陶瓷管末端内浇口处安装楔形浇口阀来缓冲铁液进入型腔的速度，防止喷溅，从而减轻氧化夹渣、浮渣和气孔。

本发明的有益效果是：将传统工艺中普遍采用的高温以提高铁液充型能力、慢浇以保证铁液充型平稳的方法扭转为低温、快浇，使铁液刚充满型腔就开始共晶凝固膨胀，利用此膨胀压力来克服铸件在凝固过程中的缩孔和缩松缺陷，实现无冒口、无冷铁铸造兆瓦级风力发电机关键件低温球铁轮毂的工艺方法。铁液经高温净化，铁液进入型腔前经过滤网过滤，浇注时利用陶瓷管以底注方式引入铁液，并在陶瓷管末端内浇口处安装楔形浇口阀来防止铁液因快浇而产生喷溅、卷气和严重紊流，以达到减轻氧化夹渣、浮渣和气孔的目的。为保证工艺可靠，将型芯对称划分上下各一半分型以减小3个关键处的热节数量和尺寸，保证铸件质量达到UT(超声波无损探伤)检测的EN DIN12680-3的2级标准以及MT(表面磁粉探伤)检测的EN DIN1369的3级标准。

本发明工艺制备的产品的性能检测

一，材质及力学性能检验

表1：兆瓦级风力发电机低温球铁轮毂的材质和力学性能要求

表2：兆瓦级风力发电机低温球铁轮毂的材质和力学性能检测

检验结果评定：材质及力学性能均符合EN-GJS-400-18U-LT材质牌号的标准。

二，UT(超声波无损探伤)、MT(表面磁粉探伤)检验

表3：兆瓦级风力发电机低温球铁轮毂UT及MT检验要求与检验结果

检验结果评定：UT及MT检测均符合所要求的标准。

具体实施方式：

下述实施例仅用于说明本发明，对本发明保护范围不构成任何的限制。

实施例1

(1)分型面的选择：将现行轮毂铸造工艺中普遍采用的一个球面内芯、三个法兰端面芯子的四芯组合更改为两个芯子组合，型芯对称划分上下各一半分型，很大程度上减小了三个法兰端面根部(最容易出现缩孔、缩松，而UT和MT检验要求最严格的部位)的热节数量和尺寸，省去了在此布置冷铁的必要性，同时避免因冷铁设计不合理使铸件产生冷隔、气孔甚至裂纹的危险。另外，这样分型还能避免铁液流到3个法兰端面根部后不能过度而产生死水区，影响表面质量。

(2)浇注系统设计：采用半封闭式浇注系统，充分利用横浇道的避渣作用，并使横浇道大流量地输送铁液。浇口杯采用特别设计的拔塞式除渣杯，使铁液充满浇口杯后再拔塞输送铁液，以避免初期的低温和氧化严重的铁液进入型腔，同时也有利于避免大块渣被冲进横浇道。直浇道采用上大下小的变径陶瓷管，使铁液能呈充满式进入型腔，以防卷气和紊流。横浇道设计成高而窄的梯形断面，便于除渣。内浇道采用陶瓷管，并在陶瓷管末端安装楔形浇口阀，以防止铁液因快浇而产生喷溅和严重紊流。

所有浇注系统的截面比都经过严格计算和修正，浇注工序中直浇道截面∑F直＝1256mm²，横浇道截面∑F横＝8500mm²，内浇道截面∑F内＝6000mm²，保证铁液刚充满型腔就开始共晶凝固膨胀。

(3)造型：采用有自硬效果的呋喃树脂砂进行造型，混砂机流量25T/h，砂箱钢板加厚，边放砂边振实，以保证铸型具有高的强度和刚度，减小共晶凝固膨胀时的压力损失，利于得到组织致密的铸件。而且呋喃树脂造型尺寸精度高，表面质量好，也便于铸件清理。型砂的可使用时间控制在20-300min，起模时间控制在30-40min。

(4)合型、压箱：合型之前将铸型进行表面处理，包括上涂料和烘干。铸型中埋通气绳，便于型腔排气。合型后上螺栓锁紧，并压箱。压箱铁20-25T，防止铁液在共晶凝固膨胀时抬箱而造成压力损失。

(5)铁液成分配制和处理：铁液中化学成分质量比为碳C 3.5～3.8％，硅Si 2.2～2.4％，锰Mn 0.25～0.28％，磷P 0.025～0.035％，硫S 0.015％，镁Mg 0.055％，稀土Re0.015％，余量为铁。

采用3.5T中频感应电炉进行熔炼。铁液在1530℃进行脱硫处理，要求脱硫后铁液中S质量含量低于0.015％。铁液脱硫后回炉升温，在1450℃进行球化处理，球化剂采用稀土镁硅铁，加入量为铁液质量的0.8％，采用传统的冲入球化处理方法，处理前在包底堤坝一侧凹坑中装入球化剂，然后覆盖包内孕育剂，加入量为铁液质量的0.5％、砸实，再压上一层铁屑和生铁块。铁液处理完毕后进行扒渣、吹尘，为防止铁液降温和氧化，处理后的铁液要覆盖上一层薄的集渣剂。

(6)浇注：浇注时采用随流孕育处理，随流孕育量0.1％，。铁液经耐高温玻璃纤维过滤网过滤。浇注温度控制在1310℃±10℃，浇注时间控制在80～100秒。采用陶瓷管以底注方式引入铁液，保证大的压力头和充型平稳。

(7)冷却、开箱：铸件浇注后，待冷却到500℃进行开箱清理，保证90％以上铁素体基体和低的应力。铸件经表面清理后进行UT(超声波无损探伤)和MT(表面磁粉探伤)检测。

Claims

1.一种兆瓦级风力发电机轮毂的低温快浇及无冒口铸造工艺，包括造型工序、熔炼铁液工序、球化工序、浇注工序，其特征在于：所述的浇注工序中铁液进入型腔的浇注温度1310℃±10℃，浇注速度在1.1～1.4m/s，浇注时间控制在80～100秒。

2.根据权利要求1所述的兆瓦级风力发电机轮毂的低温快浇及无冒口铸造工艺，其特征在于：所述造型工序中造型型砂采用呋喃树脂砂，型芯对称划分上下各一半分型，砂型上无冒口无冷铁。

3.根据权利要求1所述的兆瓦级风力发电机轮毂的低温快浇及无冒口铸造工艺，其特征在于：所述熔炼铁液工序中铁液中化学成分质量比为碳C 3.5～3.8％，硅Si 2.2～2.4％，锰Mn 0.25～0.28％，磷P 0.025～0.035％，硫S 0.015％，镁Mg 0.055％，稀土Re 0.015％，余量为铁。

4.根据权利要求1所述的兆瓦级风力发电机轮毂的低温快浇及无冒口铸造工艺，其特征在于：所述球化工序中铁液在1530℃进行脱硫处理，脱硫后铁液中S质量百分比低于0.015％，铁液脱硫后回炉升温，然后在1450℃进行球化处理，球化剂采用稀土镁硅铁，加入量为铁液质量的0.8％，采用传统的冲入球化处理方法，处理前在包底堤坝一侧凹坑中装入球化剂，然后覆盖包内孕育剂，加入量为铁液质量的0.5％、砸实，再压上一层铁屑和生铁块，铁液处理完毕后进行扒渣、吹尘，处理后的铁液要覆盖上一层集渣剂。

5.根据权利要求1所述的兆瓦级风力发电机轮毂的低温快浇及无冒口铸造工艺，其特征在于：所述浇注工序中浇注时采用随流孕育处理，随流孕育量0.1％，铁液进入型腔前经耐高温玻璃纤维过滤网过滤。

6.根据权利要求1所述的兆瓦级风力发电机轮毂的低温快浇及无冒口铸造工艺，其特征在于：所述浇注工序中浇口杯采用拔塞式除渣杯，使铁液充满浇口杯后再拔塞输送铁液，直浇道采用上大下小的变径陶瓷管，横浇道采用高而窄的梯形断面，内浇道采用陶瓷管，并在陶瓷管末端安装楔形浇口阀。

7.根据权利要求6所述的兆瓦级风力发电机轮毂的低温快浇及无冒口铸造工艺，其特征在于：所述浇注工序中直浇道截面∑F直＝1256mm²，横浇道截面∑F横＝8500mm²，内浇道截面∑F内＝6000mm²。