無冷鐵、無冒口鑄造大功率風力發電機低溫球鐵底座的工藝方法
2023-06-16 09:52:16 1
專利名稱：無冷鐵、無冒口鑄造大功率風力發電機低溫球鐵底座的工藝方法
技術領域：
本發明涉及一種風電技術領域重要零件__MW級風力發電機的低溫球鐵底座 的鑄造造型工藝，尤其是在無冷鐵、無冒口的條件下鑄造大功率風電零件底座的鑄造 方法。
背景技術：
目前在全球能源價格高漲、石油危機的情況下，風能作為可再生能源和綠色能源， 是各國均大力推廣的首選項目。MW級風力發電機已經成為風電產業的主流產品，並 將成為電網的重要電能來源。
底座是大功率風力發電機的關鍵零部件，其工作環境惡劣，承受巨大的動載荷和 靜載荷，使用壽命要達到20年。對鑄件的外在表面質量和內在組織緻密、縮孔、縮 松等要求非常高。目前普通的型砂分型造型難以保證底平面的鑄造質量。全部區域需 做UT (超聲波無損探傷)檢測,需達到UT檢測的EN DIN12680—3的2或3級標準； 主要和關鍵區域需做MT (表面磁粉探傷)檢領U，需達到MT檢測的EN DIN1369的3 級標準；外觀不得有超過壁厚的缺陷，不允許焊補,表面粗糙度要達到Ra50-100。
另外，為達到使用性能的要求，底座材料為有低溫衝擊要求的球墨鑄鐵件，常用 的材料牌號為EN-GJS-400-18U-LT或EN-GJS-350-22U-LT;在結構上底座鑄件為大型 複雜件，外輪廓尺寸達到4-5m，壁厚在60-200mm，重量在10-25T之間。底座的結 構是底平面的面積大且為厚壁零件，用以支撐齒輪箱、輪廓等部件。球墨鑄鐵件雖然 使用性能優於其它材料，但在鑄造過程中球墨鑄鐵比其它材料難於控制，易於出現縮 孔、縮松、 一次渣和二次氧化渣，大型結構複雜、大斷面的球墨鑄鐵表現得更為嚴重， 極不易達到UT檢測的EN DIN 12680—3的2或3級標準，和MT檢測的EN DIN1369 的3級標準。更因為底座的結構特點是底平面的面積大，普通的型砂分型造型難以 保證底平面的鑄造質量。為減少和消除縮松，國內、國際上普遍對底座熱節處放置冷 鐵，此種方案雖有一定效果，但使用冷鐵後冷鐵本身極易和鐵液進行化學反應，產生 二次氧化渣或氣孔，使表面磁粉探傷不合格。採用冷鐵使砂型的製造工藝複雜，會影 響生產效率。CN200710144925.3還提出一種適於厚大斷面鑄件的快速強制冷卻系統， 是解決現有厚大斷面球鐵經過較長時間的液態冷卻和共晶凝固，導致球化衰退、球墨 畸變、石墨飄浮、元素片析、縮松、縮孔等缺陷，導致厚大斷面球鐵力學性能急劇降 低的問題。採用液氮罐的出口端與低溫截止閥的一端相連接，低溫截止閥的另一端與 液氮急冷器的進口端相連接，液氮急冷器的另一端設在冷卻芯管的空腔內，空腔內的 液氮急冷器上設有噴嘴。但上述方法顯然成本過高。
為減少和消除縮松，達到EN DIN 12680-3中2、 3級探傷標準，國內、國際上還 普遍採用在砂型的最高處放置多個保溫或發熱冒口進行補縮。但使用保溫、發熱冒口
也降低了工藝出品率，提高了生產成本，降低了鑄造廠的整體效益。
底座作為球墨鑄鐵件，由於球鐵本身特點易產生一次渣和二次氧化渣。為減少表
面夾渣，國外採用優質爐料和電爐精煉方法，但在國內由於生鐵等原料遠低於國外，
並且冶煉技術也與國際上有一定差距，因此國內生產大型底座時表面夾渣不易消除，
不易以達到EN DIN 1690三級探傷標準。
CN200510022689.9鑄態無Ni低溫球鐵鑄造大型高韌部件的方法，本申請人採用
(l)低溫球鐵的成分配方是3.6-3.9%C; 1.7X至3XSi; 0.1X至0.4XMn;不加Ni;
Mg的殘餘含量0.045%至0.07%之間，剩餘的是鐵和製備過程中產生的雜質，P低於
0.04%; (2)上述含量鑄造球鐵的成分通過添加球化劑獲得；(3)球化後鑄造工藝在
1300'C至138(TC之間將所述液態混合物澆鑄到的鑄型中；並使其在砂型中緩慢冷卻 到40(TC以下從鑄型中清出。成分中S低於0.02X。填補了國內無-4(TC下衝擊韌性要 求的低溫韌性球鐵的空白。
CN200710022743.9 -40°〇低溫鑄態無Ni球鐵鑄造兆瓦級風電機組部件方法是本 申請人:的另一項申請，鑄造兆瓦級風電機組部件——輪轂、底座的方法，所述低溫 鑄態無Ni球鐵的成分配方是C3.6% 3.9%， Sil.7% 2.5%， Mn0.1% 0.3%， 不加Ni， Mg的殘餘含量0.045% 0.07%，剩餘的是鐵和雜質，雜質中P〈0.04X， S <0.02%;上述含量低溫鑄態無Ni球鐵的成分是通過添加球化劑、孕育劑及採用 二次孕育方法獲得；球化後鑄造工藝為在1300'C 138(TC將球化後的液態混合物 澆鑄到鑄型中，並使其在鑄型中緩慢冷卻到40(TC以下，從鑄型中清出。但上述方法 還不能保證產品的高合格率。
發明內容
本發明目的是提出一種無冷鐵、無冒口鑄造大功率風力發電機低溫球鐵底座的 工藝方法即MW級風力發電機低溫球鐵底座的鑄造方法，減少和消除縮松，達到EN DIN 12680-3中2、 3級探傷標準。
本發明的技術方案是MW級風力發電機低溫球鐵底座的鑄造方法，材料為有低 溫衝擊要求的球墨鑄鐵件，材料牌號為EN-GJS-400-18U-LT和EN-GJS-350-22U-LT
造型型砂採用呋喃樹脂砂，砂型上無冒口，造型完成後進行微震緊實，使砂型強 度和鑄型剛性遠高於未經微震緊實的砂型；本發明的底座砂型分型時採用底座面垂直 地面進行砂型的分型，這種砂型的分芯結構方法，使底座的鑄造工藝性符合特定的工 藝要求；
本發明的改進還在於制定合理的澆注速度和澆注時間，使得澆注系統充分起到 擋渣功能，鐵水平穩進入型腔，並提高鐵液的自補縮能力。
制定合理的澆注速度和澆注時間進入型腔的澆注速度控制在0.3-0.8m/s之間， 使鐵液充型更加平穩，澆注量控制在20-60kg/s之間；澆注時間控制在160-600S。
採用過濾網對鑄鐵水進行過濾。
本發明的改進還包括澆鑄時及澆鑄完成後採用壓鐵對砂型重壓，防止石墨化膨
脹時抬箱，減少縮松。壓鐵重量一般為澆注量的2-6倍。
底座材料為有低溫衝擊要求的球墨鑄鐵件，材料牌號為EN-GJS-400-18U-LT和 EN-GJS-350-22U-LT;分別對應於國標QT400-18AL和QT350-22AL (擬訂)，也可採 用CN200510022689.9所述的鑄態無Ni低溫球鐵材料。
本發明工藝方案的原理:鑄件在凝固過程中，由於合金的液態收縮和凝固收縮， 往往在鑄件最後凝固的部位出現縮孔和縮松。對於球墨鑄鐵件，凝固方式為糊狀凝固， 不易得到鐵液的補充，更易於產生縮孔和縮松，但球墨鑄鐵在凝固過程因析出石墨， 產生石墨化膨脹，能夠抵充部分凝固收縮，本工藝原理是制定各種工藝參數和工藝方 法，使鑄件在凝固過程中石墨化膨脹充分抵消液態收縮和凝固收縮。消除縮孔和縮松。
球墨鑄鐵必須進行球化處理，會造成鐵液中含有大量一次氧化渣，並且在澆注過 程中鐵液極易和空氣、鑄型、冷鐵進行化學反應，產生二次氧化渣，本發明工藝是制 定各種工藝參數和工藝方法，使用澆注系統和過濾系統分離鐵液中的一次氧化渣，並 使鐵液減少和空氣、鑄型的化學反應，減少二次氧化渣。
本發明的底座為大型複雜件，外輪廓尺寸達到4-5m，壁厚在60-200mm，重量在 10-25T之間，對應於5MW以上的風電底座則更重更大，本發明亦能滿足其質量要求。
本發明的有益效果是和傳統工藝不同，無冷鐵無冒口工藝生產底座時將底座豎 立分型，使鑄鐵液趨向均衡凝固，減少了大平面的縮孔縮松，並且利於排渣、排氣。 針對底座特點採用特定的澆注系統及制定合理的澆注速度和澆注時間，使得澆注系統 充分起到擋渣功能，鐵水平穩進入型腔，並提高鐵液的自補縮能力，釆用的過濾系統， 使鐵液的純淨度進一步得到提高。採用專用的壓鐵，防止石墨化膨脹時抬箱，減少縮 松。底座全部區域需做UT (超聲波無損探傷)需達到UT檢測的EN DIN12680—3 的2或3級標準；底座主要和關鍵區域需做MT (表面磁粉探傷)，需達到MT檢測 的ENDIN1369的3級標準；底座的外觀不得有超過壁厚的缺陷，不允許焊補，表面 粗糙度為Ra50-100。本發明使底座的鑄造工藝性符合特定的工藝要求。
具體實施例方式
無冷鐵、無冒口鑄造輪轂的具體工藝方案村料根據標準的配方要求，最後通過
添加球化劑、孕育劑及採用二次孕育方法；球化後鑄造工藝在130(TC 138(TC將球 化後的液態混合物澆鑄到鑄型中，並使其在鑄型中緩慢冷卻到40(TC以下，從鑄型中 清出。
(1) 造型採用呋喃樹脂自硬砂，樹脂砂和其它型砂相比，鑄件表面光潔度好、尺寸 精度高、，砂型強度高利於鐵液在凝固過程中自補縮，減少縮孔縮松；並且鑄型和鐵 液不易發生化學反應，不易產生氧化渣。因此採用無冷鐵無冒口工藝生產底座須使用 呋喃樹脂自硬砂。
(2) 大功率(常用的是1.5-5MW)風力發電風機用底座為大型鑄件，外型和泥芯一 般用砂量在10-30T，使用20T/h或40T/h混砂機造型，採用無冷鐵無冒口鑄造底座工 藝，針對此問題使用專用的混砂設備，將型砂填充時間控制在30分鐘之內，型砂可 使用時間控制在30-40分鐘。微震方法是指採用大型微震平臺對砂型進行微震緊實(微 震數分鐘至二十分鐘，砂型邊成型邊震動)，增加型砂強度，符合工藝要求。
(3) 針對底座特點採用特定的分型分芯方法，使鐵液趨向均衡凝固。和傳統工藝不 同，無冷鐵無冒口工藝生產底座時將底座豎立(底座的長或寬的方向豎立均可)分型， 使底座的軸承結合面和塔架連接面位於垂直面，減少了大平面的縮孔縮松，並且利於 排渣、排氣。
(4) 直澆道採用變徑方法使鐵水迅速充滿型腔，直澆道的變徑成澆道徑有寬有窄或 彎的澆道，避免鐵液在直澆道內產生紊流，巻氣巻渣，進入型腔的澆注速度控制在 0.3-0.8m/s之間，使鐵液充型更加平穩，澆注量控制在20-60kg/s之間(實際上取25、 40和60kg/s無明顯差別)，減小各部位的溫度差異，並減小鐵液的液態收縮。
(5) 採用專用的過濾網系統和濾網材料，在10T以上過鐵量、澆注時間更好控制在 200-600S，採用無機材料濾網構成過濾系統，在澆鑄過程中不被衝破，充分過濾鐵液 中的雜質。
(6)採用專用的壓鐵，防止石墨化膨脹時抬箱，減少縮松。壓鐵重量最好為澆 注重量的3-6倍，方能起到效果。
更具體的實施例按無冷鐵無冒口鑄造大功率風力發電機零件——底座的造型工 藝，GE公司的1.5MW底座、金風科技1.5MW底座、北京重機1.5 MW底座上實施， 生產的底座達到UT探傷的EN12680-3的2級標準和MT的EN-DIN1369的3級標準。
權利要求
1、無冷鐵、無冒口鑄造大功率風力發電機低溫球鐵底座的工藝方法，採用低溫抗衝球墨鑄鐵件鑄造，其特徵是造型型砂採用呋喃樹脂砂，砂型上無冒口無冷鐵，造型完成後進行微震緊實，底座砂型分型採用底座平面垂直地面進行砂型的分型。
2、 根據權利要求1所述的大功率風力發電機低溫球鐵底座的鑄造工藝方法，其 特徵是鑄鐵液進入型腔的澆注速度控制在0.3-0.8m/s之間，澆注時間控制在160-600S。
3、 根據權利要求1所述的大功率風力發電機低溫球鐵底座的鑄造工藝方法，其 特徵是鑄鐵液澆注時採用過濾網對鑄鐵水進行過濾。
4、 根據權利要求1所述的大功率風力發電機低溫球鐵底座的鑄造工藝方法，其 特徵是澆鑄時釆用壓鐵對砂型重壓，壓鐵重量為澆注量的2-6倍。
5、 根據權利要求1所述的大功率風力發電機低溫球鐵底座的鑄造工藝方法，其 特徵是底座球墨鑄鐵為EN-GJS-400-18U-LT或EN-GJS-350-22U-LT。
全文摘要
無冷鐵、無冒口鑄造大功率風力發電機低溫球鐵底座的工藝方法，採用低溫抗衝球墨鑄鐵件鑄造，造型型砂採用呋喃樹脂砂，砂型上無冒口無冷鐵，造型完成後進行微震緊實，底座砂型分型採用底座平面垂直地面進行砂型的分型；鑄鐵液進入型腔的澆注速度控制在0.3-0.8m/s之間，澆注時間控制在160-600S。鑄鐵液澆注時採用過濾網對鑄鐵水進行過濾。本發明在不使用冷鐵、不用冒口即可鑄造出大功率風力發電用底座，提高了工藝出品率和生產效率，降低了生產成本，提高了鑄件的內在質量和表面質量。
文檔編號B22D3/00GK101342579SQ20081002136
公開日2009年1月14日 申請日期2008年8月4日 優先權日2008年8月4日
發明者華永犖, 吳躍彬, 強 王, 王建宏, 陳玉芳 申請人:江蘇吉鑫風能科技股份有限公司