摘要：本文以某风电铸件的6MW转子为例，对铸铁工艺的难点与工艺流程进行分析，重点探究浇注系统、排气与冷铁技术、形状固定方法与熔炼技术等内容。根据模拟制造结果可知，该铸件的力学性能与产品需求相符合、石墨球化效果理想，没有出现石墨畸变等质量病害，超声探伤指标良好，可以批量生产并投入使用。
关键词：风电球墨；铸铁转子；工艺开发
引言：在风力发电机运行过程中，温度通常低于-20℃，且风速变化较大，风机受到强大冲击力的影响，对内部零件的球墨铸铁件质量提出较高要求，要求其使用寿命最短为20年。球墨铸铁件作为发电机中的重要部件，近年来机型日益丰富，重量也不断提升，工作效率与质量也更加良好。
1铸铁工艺难点
在本文的研究中，以某风电铸件的6MW转子为例，其主要材质为QT400-18AL，造型以呋喃树脂砂为主，对铸件质量提出严格要求，不得出现夹渣、裂纹、缩松等问题。在工艺指标方面，应满足以下规定，如下表1所示。由于该铸件属于大平面大断面，与其特点相结合，可对工艺难点进行分析，主要体现在性能、结构操作等方面。在性能方面，铸件的壁厚相对较大，最厚之处达到200mm，冷却速度相对较慢，凝固时长较长，容易出现球化衰退、石墨畸变等质量病害，使其性能很难达到规定标准。在结构方面，铸件内部带有许多加强筋，部分区域容易出现热节，由此形成缩松；铸件的直径相对较大，容易出现尺寸变形，且内部浇道的设置困难，铁液的提升速度缓慢，与空气之间产生较大的接触面积，铁液温度骤降容易形成夹渣等病害[1]。
表 1 铸件规格
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2铸铁工艺实施
2.1浇注系统
在型面设置中，主要应对制芯、造型与合箱等操作综合考虑，为了便于工艺开展，可适当建设砂芯的数量，为起膜提供便利。铸件作为厚端面结构，可采用三箱造型模式，整体放在中箱，上箱利用吊砂工艺，可减少砂芯数量，为后续工艺开展提供便利；在下箱实施开圈处理，将砂芯打磨成圆弧形，两侧为正负斜度，并将其位置固定，根据先后次序组芯，以此缩短组芯产生的累积缝隙。对于大型铸件来说，在浇注时因铁液提升速度缓慢，与空间充分接触，促使其长距离流动，温度骤然降低，很容易产生夹渣、冷隔等质量病害。对于上类问题，浇注系统以底注式为主，可在内部设置过滤装置，避免液体残渣流入型腔之中，缩短铁液的流动距离。因铁液冷却速度缓慢，应尽快浇注完毕。据实验研究表明，将浇注时间设置为180s，再分别利用两个18t的做包与30t浇包相配合，便可达到理想的浇注效果。
2.2排气与冷铁技术
在排气设计方面，利用MAGMA软件对该铸件的凝固过程进行模拟后，可确定热节点。在此基础上设置相应的排气口。同时，为了强化排气性能，还可在铸件表面设置多个出气装置。因该铸件中间位置属于大平面，且带有加强筋，在凝固时无法自动补缩，且该范围内的超声波探伤规定2级，因此需要设置6个排气口。与液体入口截面相比，排气口截面超过1.5倍，可确保腔内的气体顺畅排出，以免因憋气出现缩松、缩孔等质量病害，还可快速将内部的氧化渣排出。在冷铁设计方面，与热节区域的分布特点相结合，参考近年相似铸件的生产经验，可将冷铁设置在厚大面与R角热节之处。为了提高冷却速度，缩短凝固时长，还可将冷铁技术引入其中。与铸件形状、浇注系统、出气设计等方面相结合，开展多次模拟分析，使各项细节不断的更新完善，最终明确造型工艺与方案。结合模拟结果，铸件缩松与超声波探伤规定相符合，只有5处出现缩松病害。
2.3形状固定
在大平面铸件中，尺寸控制的难度相对较大，在水平层面可采用砂框箱刚性给予保障；在垂直方面可发挥砂箱的阻拦作用，难以确保铸件的形状不发生改变。对此，在工艺开展中可采取以下措施对形状进行固定。
首先，在下箱外模放置之前，应在地面上打好地坪，在六个角处放置钢板，再利用激光水平仪进行平整；在地面铺设一层湿砂，经过校平之后以钢板为标准，利用铝合金尺将其刮平，当砂芯全部反应后，在地坪上放置下箱外模，避免浇注后箱体底部悬空，由此产生变形；
其次，在上箱平面处放置两个专门的龙筋，分别为15t和37t，与18个压铁。在箱面的上方总重量为毛坯的6.5倍，可有效抑制石墨膨胀造成的抬箱问题，尽可能减少尺寸方面的误差产生。在铸件生产中，应对砂性能与强度进行全面控制，将微粉含量始终保持在0.5%以内，在铸型时势必要捣紧实；
最后，在保温时间方面。为了尽可能缩短铸件加工中出现的应力变形等情况，应实现对该项工艺进行模拟，绘制相应的曲线图，明确凝固冷却时间。根据实验结果显示，在保温7天后，箱体内部温度下降到300℃。在实际生产中，可在铸件内部安装热电偶，此时重新开箱测温，便可确保实际结果与模拟结果相同。
2.4熔炼技术
（1）材料选用。因风电铸件的技术要求相对较高，对于大型铸件来说，且冷却时长相对缓慢，对材料质量提出严格要求。对此，可采用含钛量、含磷量、含钒量相对较低的生铁，使微量元素的总数低于0.06%；
（2）成分配置。在球墨铸铁方面，碳含量对铸件性能的影响相对较大，如若碳含量较高，则有助于碎块状石墨的产生。在铸铁过程中，如若锌含量较低，有助于控制碎块石墨的形成。对于大面积铸铁件来说，其内部锌的含量在1.8—2.2%之间，且壁厚越大，锌含量便会越小。同时，为了避免碳含量过低导致大量缩孔、缩送等质量病害发生，应对碳当量进行严格控制，使其处于4.5—4.6%之间。Mn属于球化剂中的重要元素，与液体中的氧、硫等元素结合后容易出现球化反应。如若Mn的含量过低，则会影响球化效果；如若含量过高，则会出现夹杂、畸变等质量病害。因此，一般将该项元素含量控制在0.25以下。P与炉料一同进入铁液之中，不会对球化反应产生不良影响。为了获得理想效果，可将其含量控制在0.05%以内，便可获得良好的球化率[2]。
3铸件模拟制造结果
通过前期对造型、熔炼工艺、生产流程的精确控制，该铸件被成功研发出来。该铸件中的各项性能检测结果如下表2所示。根据结果可知，该铸件的力学性能与产品需求相符合。从金相组织图表明，石墨球化效果理想，没有出现石墨畸变等质量病害。通过腐蚀检验，基体以铁素体为主。超声探伤结构显示，该项指标与规定相符。通过上述检测结果可知，该项铸件能够满足技术规定，可以批量生产并投入使用。
表 2 铸件性能与金相检测结果
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结论：综上所述，通过本文研究可知，对于特大风电铸件来说，采用低温快烧技术可取得理想效果。在布置进气装置时，应与铸件结构、模拟结果相结合；为确保铸件尺寸精度，应事先打地坪，并用水平激光仪校平；上箱表面设置出气装置，确保腔内顺畅排气，减少表面夹渣的形成；选择优质的材料、合理分配化学成分比例，使铸件性能得到最大保障，更好的满足客户对产品的性能要求。
参考文献：
[1]潘斌,颜夕文.特大型风电球墨铸铁轮毂的铸造工艺设计[J].铸造技术,2019(08):2182-2184.
[2]贾保恒,廖敦明,周建新.大型风电球墨铸铁轮毂铸造工艺CAD系统的研究与开发[J].热加工工艺,2019(23):38-39.