淺談風機輪轂球墨鑄鐵的工藝
一、風機輪轂目前狀況2009年我國已成為世界上僅次于美國的第二大風電大國，但風電零部件已成為制約風電發(fā)展的一個瓶頸。本項目針對風電核心部件之一風機輪轂的球墨鑄鐵鑄造工藝進行近精量化工藝開發(fā)，精簡風機輪轂澆注設計，改善補縮系統(tǒng)，利用計算機模擬技術模擬鑄造流程，同時采用x-ray技術實時觀測澆注過程，減少設計成本，從而實現(xiàn)球墨鑄鐵風機輪轂的零缺陷與優(yōu)勢產(chǎn)品開發(fā)。
二、存在問題1）風機輪轂結構特點——尺寸大、重量大、壁厚不均勻的殼體型結構，造成其實際鑄造過程中產(chǎn)品合格率低、工藝出品率低、材料浪費較大、產(chǎn)品力學性能較差、石墨形態(tài)不滿足要求等缺陷；2）由于風機輪轂采用球墨鑄鐵進行鑄造，在鑄造過程中易產(chǎn)生石墨化析出，產(chǎn)生體積膨脹，因此導致鑄件尺寸與實際零件尺寸偏差較大，容易產(chǎn)生后續(xù)機械加工量大、生產(chǎn)周期長、產(chǎn)品成本提高。3）由于鑄件尺寸較大、殼體型結構，而且壁厚極不均勻，易導致鑄件產(chǎn)品存在較大的殘余應力，如何在鑄造過程中調整工藝設計減少鑄件的應力與變形時一個難點。
三、解決方案1）采用計算機模擬技術對球墨鑄鐵風機輪轂鑄造全過程進行模擬分析，分析工藝參數(shù)對充型凝固過程中的鑄件缺陷預測、分析鑄件凝固過程中的應力分布的影響，進而通過模擬對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，降低鑄造風機輪轂的殘余應力，減少鑄造輪轂的缺陷。2）針對風機輪轂的球墨鑄鐵鑄造，采用盡可能降低充型溫度，提高鑄件充型速度，減少充型過程熱量損失，實現(xiàn)球墨鑄鐵的無冒口設計，并通過對砂型結構的設計，實現(xiàn)對風機輪轂冷卻速度的控制，避免鑄件產(chǎn)生缺陷，和由于局部應力過大產(chǎn)生較大變形進而影響到鑄件的尺寸。3）針對充型凝固過程不可觀測，導致在充型凝固過程產(chǎn)生缺陷的不可知性，在本方案中將利用中科院金屬所的鑄造過程x-ray實時觀測系統(tǒng)對風機輪轂模型件的鑄造充型凝固過程進行實時觀測，分析并改進工藝方案，提高產(chǎn)品合格率。
四、通過對風機輪轂球墨鑄鐵的近精量化工藝設計，要實現(xiàn)以下幾個目標：1）風機輪轂的工藝出品率在85%以上，即除少量的澆注系統(tǒng)外，液體金屬全部進入鑄件型腔內，從而實現(xiàn)材料與能源的節(jié)約，同時縮短整個產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。2）通過控制輪轂鑄造工藝參數(shù)，改進澆注系統(tǒng)設計，實現(xiàn)風機輪轂在凝固過程中，冷卻速率保持基本一致，從而保證風機輪轂微觀組織中球墨形態(tài)均勻，殘余應力與參與應變較小，鑄件產(chǎn)品與零件產(chǎn)品尺寸偏差小于10%。
五、項目創(chuàng)新點：1）計算機設計與優(yōu)化鑄造工藝，實現(xiàn)鑄件產(chǎn)品的近精量化和零缺陷；2）通過x-ray射線對澆注過程實時觀測，實現(xiàn)澆注系統(tǒng)和鑄件結構的合理優(yōu)化；3）低溫快速充型技術，表面鑄造過程產(chǎn)生缺陷，同時保證球墨鑄鐵組織細小，石墨形態(tài)均勻；由于球墨鑄鐵的成本較低和球墨鑄鐵的良好減震性能，目前國內大型風機輪轂均采用球墨鑄鐵制造。由于風機輪轂結構特點——殼體件、壁厚不均勻，空洞較大，以及球墨鑄鐵在凝固過程中存在石墨化析出，使其體積膨脹這一特點，導致砂鑄風機輪轂產(chǎn)品的合格率低、工藝出品率低、后續(xù)機械加工量大，加工周期長，生產(chǎn)成本高。為了突破傳統(tǒng)砂型鑄造的尺寸精度差、缺陷多、存在應力變形等問題。在大型風機輪轂的設計上首先采用了計算機模擬進行工藝參數(shù)優(yōu)化，利用計算機模擬確定各部位的冷卻速度，進而針對性的改進砂型結構；其次利用x-ray技術實時觀察鑄件充型凝固過程，確定液體進入型腔時間和填充時間，從而確定所設計的工藝參數(shù)能夠保證鑄件充型完整。
六、適應范圍及推廣前景的技術性說明及市場分析和經(jīng)濟效益預測2009年全球新增風電裝機37466mw，累計風電裝機157899mw，中國大陸新增裝機13803.2mw，年同比增長124%；占全球新增裝機總量的34.7%，排名世界第一。同時累計裝機總量達到25805.3mw，年同比增長114%，僅次于美國位列世界第二。2007年我國兆瓦級風電機組的裝機容量已占到當年新增市場的51%，并且逐年增加，2008年占72.8%，2009年占86.8%。1-2mw的機組中所需鑄件約為15-35噸，4.5mw風力發(fā)電機組中所需鑄件達35-50噸，這些數(shù)據(jù)僅以陸地風機為例，海上風機所需鑄件重量更大，因為海上風機重量大于同類型的陸地風機重量，如vestas-3mw(initial)風機僅機艙和轉子總重104噸，而vestas-3mw(current)風機機艙重110噸。輪轂為例，某鑄鋼公司試制的1.5mw風機的輪轂達12噸，而3mw風機的輪轂一般重達20噸左右，再加上其它零部件，風機中鑄件的重量應該更大，我國某個企業(yè)生產(chǎn)的1.5mw風機，鑄件總重量達50噸。歐洲風力協(xié)會等單位預測歐洲每年增加約6000mw風力發(fā)電機組，約需鑄件10萬噸/年，2005-2008年全世界約增加40,000mw，每年需鑄件20萬噸。隨著節(jié)能減排的要求，風電將以超常規(guī)的速度發(fā)展，目前我國已有注冊的兆瓦級風電企業(yè)83家，這些企業(yè)正從1.5mw向3mw，4.5mw風機方向發(fā)展，這將大大推動對風機輪轂的需要，可以說在風電市場上，生產(chǎn)高質量球墨鑄鐵的市場前景非常廣闊。
二、存在問題1）風機輪轂結構特點——尺寸大、重量大、壁厚不均勻的殼體型結構，造成其實際鑄造過程中產(chǎn)品合格率低、工藝出品率低、材料浪費較大、產(chǎn)品力學性能較差、石墨形態(tài)不滿足要求等缺陷；2）由于風機輪轂采用球墨鑄鐵進行鑄造，在鑄造過程中易產(chǎn)生石墨化析出，產(chǎn)生體積膨脹，因此導致鑄件尺寸與實際零件尺寸偏差較大，容易產(chǎn)生后續(xù)機械加工量大、生產(chǎn)周期長、產(chǎn)品成本提高。3）由于鑄件尺寸較大、殼體型結構，而且壁厚極不均勻，易導致鑄件產(chǎn)品存在較大的殘余應力，如何在鑄造過程中調整工藝設計減少鑄件的應力與變形時一個難點。
三、解決方案1）采用計算機模擬技術對球墨鑄鐵風機輪轂鑄造全過程進行模擬分析，分析工藝參數(shù)對充型凝固過程中的鑄件缺陷預測、分析鑄件凝固過程中的應力分布的影響，進而通過模擬對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，降低鑄造風機輪轂的殘余應力，減少鑄造輪轂的缺陷。2）針對風機輪轂的球墨鑄鐵鑄造，采用盡可能降低充型溫度，提高鑄件充型速度，減少充型過程熱量損失，實現(xiàn)球墨鑄鐵的無冒口設計，并通過對砂型結構的設計，實現(xiàn)對風機輪轂冷卻速度的控制，避免鑄件產(chǎn)生缺陷，和由于局部應力過大產(chǎn)生較大變形進而影響到鑄件的尺寸。3）針對充型凝固過程不可觀測，導致在充型凝固過程產(chǎn)生缺陷的不可知性，在本方案中將利用中科院金屬所的鑄造過程x-ray實時觀測系統(tǒng)對風機輪轂模型件的鑄造充型凝固過程進行實時觀測，分析并改進工藝方案，提高產(chǎn)品合格率。
四、通過對風機輪轂球墨鑄鐵的近精量化工藝設計，要實現(xiàn)以下幾個目標：1）風機輪轂的工藝出品率在85%以上，即除少量的澆注系統(tǒng)外，液體金屬全部進入鑄件型腔內，從而實現(xiàn)材料與能源的節(jié)約，同時縮短整個產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。2）通過控制輪轂鑄造工藝參數(shù)，改進澆注系統(tǒng)設計，實現(xiàn)風機輪轂在凝固過程中，冷卻速率保持基本一致，從而保證風機輪轂微觀組織中球墨形態(tài)均勻，殘余應力與參與應變較小，鑄件產(chǎn)品與零件產(chǎn)品尺寸偏差小于10%。
五、項目創(chuàng)新點：1）計算機設計與優(yōu)化鑄造工藝，實現(xiàn)鑄件產(chǎn)品的近精量化和零缺陷；2）通過x-ray射線對澆注過程實時觀測，實現(xiàn)澆注系統(tǒng)和鑄件結構的合理優(yōu)化；3）低溫快速充型技術，表面鑄造過程產(chǎn)生缺陷，同時保證球墨鑄鐵組織細小，石墨形態(tài)均勻；由于球墨鑄鐵的成本較低和球墨鑄鐵的良好減震性能，目前國內大型風機輪轂均采用球墨鑄鐵制造。由于風機輪轂結構特點——殼體件、壁厚不均勻，空洞較大，以及球墨鑄鐵在凝固過程中存在石墨化析出，使其體積膨脹這一特點，導致砂鑄風機輪轂產(chǎn)品的合格率低、工藝出品率低、后續(xù)機械加工量大，加工周期長，生產(chǎn)成本高。為了突破傳統(tǒng)砂型鑄造的尺寸精度差、缺陷多、存在應力變形等問題。在大型風機輪轂的設計上首先采用了計算機模擬進行工藝參數(shù)優(yōu)化，利用計算機模擬確定各部位的冷卻速度，進而針對性的改進砂型結構；其次利用x-ray技術實時觀察鑄件充型凝固過程，確定液體進入型腔時間和填充時間，從而確定所設計的工藝參數(shù)能夠保證鑄件充型完整。
六、適應范圍及推廣前景的技術性說明及市場分析和經(jīng)濟效益預測2009年全球新增風電裝機37466mw，累計風電裝機157899mw，中國大陸新增裝機13803.2mw，年同比增長124%；占全球新增裝機總量的34.7%，排名世界第一。同時累計裝機總量達到25805.3mw，年同比增長114%，僅次于美國位列世界第二。2007年我國兆瓦級風電機組的裝機容量已占到當年新增市場的51%，并且逐年增加，2008年占72.8%，2009年占86.8%。1-2mw的機組中所需鑄件約為15-35噸，4.5mw風力發(fā)電機組中所需鑄件達35-50噸，這些數(shù)據(jù)僅以陸地風機為例，海上風機所需鑄件重量更大，因為海上風機重量大于同類型的陸地風機重量，如vestas-3mw(initial)風機僅機艙和轉子總重104噸，而vestas-3mw(current)風機機艙重110噸。輪轂為例，某鑄鋼公司試制的1.5mw風機的輪轂達12噸，而3mw風機的輪轂一般重達20噸左右，再加上其它零部件，風機中鑄件的重量應該更大，我國某個企業(yè)生產(chǎn)的1.5mw風機，鑄件總重量達50噸。歐洲風力協(xié)會等單位預測歐洲每年增加約6000mw風力發(fā)電機組，約需鑄件10萬噸/年，2005-2008年全世界約增加40,000mw，每年需鑄件20萬噸。隨著節(jié)能減排的要求，風電將以超常規(guī)的速度發(fā)展，目前我國已有注冊的兆瓦級風電企業(yè)83家，這些企業(yè)正從1.5mw向3mw，4.5mw風機方向發(fā)展，這將大大推動對風機輪轂的需要，可以說在風電市場上，生產(chǎn)高質量球墨鑄鐵的市場前景非常廣闊。
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