风力发电机球铁底座铸件的生产

发布日期:2019-10-23

 

摘要:利用 2 20 t 中频电炉熔炼铁液,生产质量为 60 t 6.0 MW 超大型风力发电机球铁底座铸件。采用底注式浇注系统,厚大部位设置冷铁,顶部设置冷冒口,低温快速浇注。通过严格控制化学成分和出炉温度,合理设计熔化工艺及球化处理、孕育处理流程,尽量缩短铁液停留时间,解决了小容量电炉生产超大型厚壁球墨铸铁件容易导致球化衰退和石墨畸变的难题。

 

风能作为 种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视。随着技术进步和环保事业的发展,风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争。

 

近年来,在国家政策支持和能源供应紧张的背景下,中国风电设备制造业也迅速崛起,已经成为全球风电 为活跃的场所。但是,我国超大型风电机组的制造技术却相对落后,大部分重要部件仍然依赖国外进口。风力发电机的轮毂和底座是发电机组的关键部件,实现国内批量生产尤为重要,为此,笔者公司进行了超大型风力发电机底座铸件生产的试验研究。

 

铸件结构及技术要求6.0 MW 风力发电机底座的单件质量约为60 t,轮廓尺寸为 5 400 mm×4 500 mm×4 350mm, 大截面壁厚为 320 mm, 小截面壁厚为90 mm。铸件结构如图 1 所示。对 6.0 MW 风力发电机底座的技术要求:材料牌号为 EN-GJS-400-18U-LT,铸件本体球化率要求达到 90%,抗拉强度不得小于 370 MPa,屈服强度不得小于 220 MPa,伸长率要超过12%;在-20 ℃的条件下,单个铸件的低温冲击韧度超过 7 J,平均值则要超过 10 J;必须适用于低温、耐蚀等恶劣环境;其外观面应严格按照ASTM A 802 标准,即粗糙度不超过 A2;非金属夹杂不超过 B1;气孔不超过 C1,机械加工表面不能超过H1

 

2 铸造工艺方案

2.1 铸件结构分析及整体工艺方案的确定从图 1 可以看出,该底座的整个形貌由曲面组成,轮廓尺寸较大,主要壁厚均在 150~200mm,属于厚大件。所以应采用底注式浇注系统,并采取低温快浇的浇注方法;在关键部位及厚大部位应采用冷铁冷却;顶部设置冷冒口进行液态补缩。

2.2 浇注系统设计

采用封闭—开放式浇注系统 [1]

1) 小阻流截面积

根据球墨铸铁件浇注时间的经验公式:t=(2.53.5 G

2)浇注系统各组元的截面积

3 化学成分设计

3.1 各元素的作用及铸件成分确定

1CwC)量高可提高碳当量(CE),改善铁液的流动性,增加石墨析出量,使石墨化体积膨胀增加,有利于铸件的自补缩,减少铸件缩孔缩松缺陷,改善力学性能;但 wC)量过高,会导致碳当量(CE)超过共晶成分而引起石墨漂浮,还可能产生开花状石墨,降低力学性能,另外伸长率也会随着 wC)量的增加而降低。为此控制 wC)量 3.4%~3.7%。

2Si

Si 固溶于 γ-Fe 中阻碍 Fe 原子和 C 原子的化合,促进石墨析出,wSi)量较高可有效避免共晶碳化物的析出,使球墨铸铁的强度升高;但wSi)量超过 定范围时,则使塑性降低,导致韧—脆转变温度升高,使低温冲击韧度降低。故控制wSi)量在 2.0%~2.3%。

3Mn

在球墨铸铁中 Mn 能扩大奥氏体区,使共析转变温度降低。溶入奥氏体中的 Mn 有强烈的正偏析倾向,这些 Mn 元素富集于共晶团的晶界处,严重时,可在晶界处形成晶间碳化物,使球墨铸铁韧性降低。所以,控制 wMn)量在 0.2%以下。

4P

P 具有很严重的偏析倾向,易在晶界上形成磷共晶,严重降低球墨铸铁的伸长率和韧性;P还可增大球墨铸铁的缩松倾向,使球墨铸铁呈现明显的冷脆现象。因此,控制 wP)量在0.04%以下。

5S

S 是反球化元素,当铁液中的 wS)量过高时,S Mg Re 生成硫化物,其密度小,上浮到铁液表面后,与空气中的 O 发生反应生成 S,即2MgS+SiO 2 Si+2MgO+S,这些 S 还可能再次回到铁液中,重复上述过程,反复消耗 wMg)和wRe)量,影响球化效果。S 与球化元素 Mg RE 化合产生的 S 化物,还使铸件产生夹渣缺陷。因此,控制 wS)量在 0.02%以下。

6Mg RE

Mg RE 都是强烈稳定碳化物的元素,使铁液有较大的结晶过冷和形成白口倾向。wRE)量偏高还易使厚壁件产生碎块状石墨;因此,应该尽可能降低它们的残留量。为此,控制 wMg )量在0.04%~0.06%,控制 wRE )量在 0.01%~0.02%。根据对 6.0 MW 风力发电机底座的技术要求,将化学成分设计为如表 1 所示。

3.2 配料

由于风电铸件有低温冲击性能要求,必须保证铁液足够纯净,因此,选用了杂质含量少高纯度生铁、成分可知的废钢和洁净、没有粘砂的同 牌号回炉料。具体的炉料配比为:生铁 70%~60%;回炉料 15%~20%,废钢 15%~20%

4 熔炼及浇注工艺

4.1 生产设备

该铸件需浇注铁液 85 t,而笔者公司只有 2 20 t 中频感应电炉,并且只有 2 30 t 浇包和 3 20 t 浇包;2 台熔炼炉同时熔化, 次 多能熔炼 44 t 铁液,为此该铸件只能用 3 个浇包的铁液同时浇注。

4.2 球铁铁液熔化及处理工艺

4.2.1 铁液处理流程

球墨铸铁的熔化原则是快速熔化,并尽量避免在高温停留的时间过长,以免石墨核心烧损过多。整个熔化、处理流程包含 3 个阶段: 阶段为熔化铁液阶段,第二阶段为温度调节阶段,

第三阶段为球化、孕育、浇注阶段,其流程如图 3所示。

4.2.2 球化处理和孕育处理

众所周知,温度越高,铁液氧化越严重。由于Mg RE 易与氧及氧化物发生反应:

Mg +OMgO 3

Ce +OCeO 4

2Mg+SiO 2 Si +MgO 5

这些反应使 wMg )和 wRE )量降低。铁液温度过高,将增加 Mg 的烧损和蒸发;铁液温度过低,球化剂不能熔化,也不能被铁液吸收,而会上浮至铁液表面燃烧或被氧化 [2] 。所以,控制球化处理温度在 1 430~1 450 ℃,以防止球化剂严重烧损。在操作的过程中,要保证装包质量,防止球化剂提前反应,铁液扒渣后要用聚渣剂和硅酸铝板覆盖。

由于现场设备制约,对 3 包铁液分别进行球化处理和孕育处理。采用抗衰退能力强的重稀土球化剂为主的复合球化剂,并对球化反应的速度进行控制,延长球化反应时间,避免球化反应过快;采用三 孕育处理方法,并使用特殊孕育装置对铁液进行瞬时孕育处理,在铁液分别充满 3个拔塞浇口杯后,拉起塞头,同时打开专用随流孕育装置进行随流孕育,以增加非自发形核核心,增加瞬时孕育效果,以防止球化衰退和孕育衰退,保证铸件内在质量。其中球化剂的加入量为 1.1%~1.4%;包底孕育的孕育剂加入量为0.2%~0.3%,随流孕育的孕育剂加入量为 0.4%~0.5%,瞬时孕育的孕育剂加入量为 0.1%~0.2%,控制总孕育剂的加入量在 0.6%~1.0 %。采用的球化剂和孕育剂的成分及粒度如表 2 所示。

4.3 浇注工艺

采用 3 包铁液同时浇注,控制浇注温度在1 310~1 330 ℃,从球化处理完毕到浇注结束时间不超过 20 min

5 结果及分析

5.1 金相组织

利用金相显微镜对附铸试块和铸件本体的看出,铸件本体及附铸试块(尺寸为 70 mm×180mm×105 mm)的球化率达到 91%,球墨直径为 5~6 mm,珠光体体积分数为 5%

5.2 力学性能

EN-GJS-400-18U-LT 材料标准与附铸试块的力学性能对比如表 3 所示。从表 3 可以看出,经过上述生产方法生产出的附铸试块的抗拉强度、屈服强度、伸长率以及-20 ℃低温冲击韧度均超过 EN-GJS-400-18U-LT 材料的指标要求。

 

以上内容为转载,河南省化工机械制造有限公司专业铸造大型铸件,风电电机壳铸件、风电机座铸件等,公司有15吨中频电炉,严格遵守工艺流程,做标准大型铸件

 

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