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1、真空铸造在风电铸件生产上的应用李子龙 1,马宏伟 2,程宏斌 2(1.Gamesa wind,上海 200050; 2.南昌汇新电力有限公司,江西南昌 330200摘要 : 伴随着新能源产业需求的不断扩大,加之近期核能源危机的爆发,风电铸件的需求势必会日益增 大,且面临的成本降低与质量要求升高的矛盾也将日益突出。突破传统的树脂砂生产方式,寻求新的生产工 艺,成为铸造行业的一大新的挑战。本文将结合 V 法工艺的特点及生产球铁件的实践,浅述 V 法生产在风电球 铁件生产的应用前景。关键词 : 风电; 低温球铁; V法真空铸造Application of v-process foundry in p
2、roduction of wind energy castingsLI Zi-Long1, MA Hong-Wei2, CHEN Hong-Bin2(1. Gamesa, Shanghai 200050, China; 2. Huixin Dian Li Co.,Ltd, Nanchang 330200,Jiangxi,China Abstract : Responding to the increasing demand of new energy industry and nuclear crisis in Japan, the demand of wind turbine casting
3、s will definitely leap, what s more, the conflict between lower cost and high quality requirement will also be highlighted. According to the fact above, break the traditional manufacturing method and explore new technology for wind energy castings will be a new coming challenge in foundry field. Thi
4、s article will combine the characters of V-process foundry and the practice of ductile iron with the attempt to share something of V foundry in wind energy castings manufacture.Key words: Wind energy; low temperature ductile ; Vacuum foundry process近几年我国采用真空铸造的企业不断增多。但是用 V 法铸造生产技术质量要 求较高的风电铸件的厂家并不多,
5、采用真空铸造生产风电铸件可以降低造型材料成 本,突破传统的树脂砂生产方式。本文针对 V 法工艺的特点及生产球铁件的实 践,浅述 V 法生产在风电球铁件的应用。1 真空铸造1.1 真空铸造的起源真空铸造正式被应用于铸造实际生产是在 1971年的日本,随后这种新颖的铸造方式 引起了秋田、三菱、新东等公司的重视,并不断被改进和系统化。越来越多的铸造厂将其 应用在各种金属制品的生产上,如铝合金、铸铁、铸钢等 1。随后,这种采用纯粹的干砂 来进行造型的工艺被不断的改进,凭借着成本低廉、表面质量好、砂处理简单等诸多优点 在铸造行业占领了一席之地。但是同样由于砂型强度低、过程控制要求严格以及在生产复 杂性铸
6、件上的短板造成其在铸造行业一直难有大的作为。1.2 真空铸造特点真空铸造工艺作为一种新兴的铸造方法,既有其无法替代的优势,也有无法避免的劣 势。因此在打算采用这一方式进行铸件生产之前,需详细了解并权衡其特点。关于真空铸造的优点,诸如不需要粘结剂、有害挥发物质少、落砂简单、不需要再生 砂系统、表面质量好等等优点,相信已经使用 V 法铸造和打算使用 V 法铸造的人都已经十分了解了。但是对于 V 法工艺的劣势或者说是工艺控制的难点,其中很多还不为多数人 所知。砂型表面硬度 - 对于很多铸造厂可能都未必已经将这个数据纳入过程要点控制之中, 但这个数据却是衡量真空负压度是否合适的关键因素。本文所涉及的铸
7、造厂就曾因种种原 因,进行过多次升高或降低表面硬度的尝试,也从中得到了许多的经验。对于一般铸件的 生产,砂型硬度适宜稳定在 80-90之间(SYS 型硬度计测量,这个数值甚至低于高密度 湿型砂的硬度。但如果一味的追求高硬度,提高负压强度则会造成诸多弊端。诸如,负压 过大,铁水将克服表面张力浸渗砂型造成表面粗糙甚至是粘砂缺陷。当然,这个硬度值也 不能过低,过低铸件的尺寸精度难以保证,而在正常的 V 法生产中尺寸精度达到 CT-9还 是比较容易实现的。砂型负压度 -对于砂型的负压度,在不同的工位当有不同的要求,设置可以采用特设 真空泵以良好的真空系统足够大的抽气量来达到这样的目的。因为在浇注时,随
8、着大量挥 发物质的溢出和空气受热产生的体积膨胀的影响以及薄膜烧损造成的密封度降低,需要更 高的压力差和抽气量来平衡。一般造型及转运工位 0.04-0.06MPa, 但是在浇注工位尽量保 证控制在 0.06-0.07MPa 。 型砂粒度分布 - V 法中型砂 粒度分布的要求比其他造型工艺 更严格,砂子过粗会影响整个砂 型 的 密 封 度 , 表 面 质 量 也 会 下 降。对于一般铸件的生产 AFS100左 右 的 砂 子 , 也 就 是 我 们 说 的 100-200目硅砂是比较合适的。同 时对于微粉含量(270和底盘也 要多加关注,如果微粉含量超过 3%, 则 需 要 对 除 尘 布 袋 进
9、 行 清 理 , 并 加 大 除 尘 机 功 率 进 行 调 整。一般来说 V 法型砂经过多次循环使用砂粒会越来越细,需要定期补充新砂平衡其粒度分布 2。V 法砂型的高纯净度 - 由于 V 法铸造,除了干砂,薄膜,以及涂料基本上没有其他 有机物的存在,因此使用 V 法进行球铁件的生产将有效避免由于杂质干扰造成的球化不良 等缺陷。同时为了保证持之有效的高纯净度,最好在落砂时将型砂和其他工艺生产的芯砂进 行 分 离 , 并 监 控 灼 烧 减 量 LOI 的 变 化 。 一 般 高 于 新 砂 的 2倍 以 上 , 则 要 进行新砂补加或者增加除尘的处理,一般新砂在 0.5%左右,也就是说 V 法
10、型砂 LOI 高于 1.5%则需要引起注意。V法铸造的浇注系统设计 -鉴于 V 法铸造的特点一般采用开放式或半开放式的浇注系 统,合理的浇注系统一方面保证铁水平稳充型防止对强度较低的 V 法铸型造成冲击,另一 方面保证一定的充型速度,防止薄膜烧损过快造成真空丧失产生其他的缺陷如塌型等。2 风电球铁铸件的 V 法实践2.1 风电部件的要求表 1. V法铸造型砂粒度分布 为了适应在恶劣环境 下工作的要求,风电铸件 不仅对机械性能及化学成 分做出了严格的控制,另 外石墨形态和 NDT 检测 也有相应较高的要求,以 我公司的风电部件反应臂 (Reaction Arm为例, 材质为 GJS-400-18
11、U-LT, 铸件重量 1568Kg, 轮廓尺 寸 1925x1525x328, 平均壁 厚 70mm 最大壁厚240mm 。力学性能要求三 个冲击试样均值大于 12J ,单个不小于 9J 。需做解剖测试,本体取样,对于表层按照 ISO945标准, V 型与 VI 石墨大于 90%,尺寸 6-7,珠光体含量小于 10%, 碳化物小于 0.5%。另外需做 UT,MT 测试。中心部位,本体取样 V和 VI 型石墨大于70%。根据以往认证经验,许多厂家主要失败在石墨形态和本体试样低温冲击这两方面。2.2 V法工艺的应用采用中间分型工艺,弧形横浇道沿顶部圆形搭建,内浇口均布,石墨冷铁布置在热节 区域。氧
12、化锆过滤片置于横浇 道前过滤。浇注系统比例 F 直:F 横:F 内 =1:2:1.2,确保 内浇口压力不是很大防止砂型 冲坏造成夹砂缺陷。 V 法铸造 中,尽量应使用石墨冷铁,石 墨冷铁相比铸铁冷铁轻并且不 容易损伤 V 法铸造的薄膜。 上型横浇道下型内浇口的工艺 的设计,可以避免浮渣进入型 腔,同时接口的内浇口可以减 少铁水对 V 法铸型的冲击, 避免冲砂。采用乙醇基石墨涂 料 35-40Baume 对 EVA 薄膜 进行喷涂。由于 V 法的干砂保温效果 和真空抽吸作用能提高金属液 的流动性 3,适当选较低温度浇注,延长铁水孕育球化的有效时间。另外对于有低温冲击 要求的球铁件在配料的时候 需
13、要掌握高碳低硅原则,因此 此次采用的炉料配比如下。图 1. 反应臂 图 2. 浇注系统设计 浇注重量 1850Kg ,出炉温度 1480,浇注温度 1360,浇注时间 107S 。经光谱分析最终成分如下表。 2.3 铸件检测结果经检测该样件各项指标均达到规范要求,而且经本体解剖取样,金相组织结果符合要 求。这在树脂砂生产中如果不采取一些特殊的冶金及涂料应用是很难看到的,主要是因为 V 法铸造没有任何粘结剂的使用,大大降低了有害杂质尤其是 S 的产生。 3 结束语通过使用 V 法铸造工艺对风电关键部件进行的实践生产以及最终检测结果来看, V 法铸造作为一种较新的铸造工艺,完全可以依靠自身特点打破
14、传统的生产局限,实现一次新 的突破。表 2. 炉料配比及孕育球化处表 3最终金属成分图 3. 表层本体金相(腐蚀后图 4. 心部本体金相(腐蚀后参考文献 :1 Herman-Sinto V-Process Company. V-Process Technical Know How Book M. North America, 1977 2 夏风,马宏伟,武海军,李子龙 . V法铸造生产铸铁锅炉片的工艺优化 J. 铸造, 2010, 59 (11:1220-12233 叶升平,郝礼,周德刚 . V法铸造与消失模铸造的比较及复合铸造实践 J. 铸造, 2010, 59 (6:578-580作者简介:李子龙(1982- , 男,山东平度人,工程师,现从事风力发电铸件铸造工艺的研究工 作。 E-mail:通讯作者 :马宏伟,高工, E-mail :
