淺談風(fēng)機輪轂球墨鑄鐵的工藝
一、風(fēng)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(fēng)電大國，但風(fēng)電零部件已成為制約風(fēng)電發(fā)展的一個(gè)瓶頸。本項目針對風(fēng)電核心部件之一風(fēng)機輪轂的球墨鑄鐵鑄造工藝進(jìn)行近精量化工藝開(kāi)發(fā)，精簡(jiǎn)風(fēng)機輪轂澆注設計，改善補縮系統，利用計算機模擬技術(shù)模擬鑄造流程，同時(shí)采用x-ray技術(shù)實(shí)時(shí)觀(guān)測澆注過(guò)程，減少設計成本，從而實(shí)現球墨鑄鐵風(fēng)機輪轂的零缺陷與優(yōu)勢產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。
二、存在問(wèn)題1）風(fēng)機輪轂結構特點(diǎn)——尺寸大、重量大、壁厚不均勻的殼體型結構，造成其實(shí)際鑄造過(guò)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(xué)性能較差、石墨形態(tài)不滿(mǎn)足要求等缺陷；2）由于風(fēng)機輪轂采用球墨鑄鐵進(jìn)行鑄造，在鑄造過(guò)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(shí)際零件尺寸偏差較大，容易產(chǎn)生后續機械加工量大、生產(chǎn)周期長(cháng)、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(guò)程中調整工藝設計減少鑄件的應力與變形時(shí)一個(gè)難點(diǎn)。
三、解決方案1）采用計算機模擬技術(shù)對球墨鑄鐵風(fēng)機輪轂鑄造全過(guò)程進(jìn)行模擬分析，分析工藝參數對充型凝固過(guò)程中的鑄件缺陷預測、分析鑄件凝固過(guò)程中的應力分布的影響，進(jìn)而通過(guò)模擬對工藝參數進(jìn)行優(yōu)化，降低鑄造風(fēng)機輪轂的殘余應力，減少鑄造輪轂的缺陷。2）針對風(fēng)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(guò)程熱量損失，實(shí)現球墨鑄鐵的無(wú)冒口設計，并通過(guò)對砂型結構的設計，實(shí)現對風(fēng)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(guò)大產(chǎn)生較大變形進(jìn)而影響到鑄件的尺寸。3）針對充型凝固過(guò)程不可觀(guān)測，導致在充型凝固過(guò)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(guò)程x-ray實(shí)時(shí)觀(guān)測系統對風(fēng)機輪轂模型件的鑄造充型凝固過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀(guān)測，分析并改進(jìn)工藝方案，提高產(chǎn)品合格率。
四、通過(guò)對風(fēng)機輪轂球墨鑄鐵的近精量化工藝設計，要實(shí)現以下幾個(gè)目標：1）風(fēng)機輪轂的工藝出品率在85%以上，即除少量的澆注系統外，液體金屬全部進(jìn)入鑄件型腔內，從而實(shí)現材料與能源的節約，同時(shí)縮短整個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。2）通過(guò)控制輪轂鑄造工藝參數，改進(jìn)澆注系統設計，實(shí)現風(fēng)機輪轂在凝固過(guò)程中，冷卻速率保持基本一致，從而保證風(fēng)機輪轂微觀(guān)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(diǎn)：1）計算機設計與優(yōu)化鑄造工藝，實(shí)現鑄件產(chǎn)品的近精量化和零缺陷；2）通過(guò)x-ray射線(xiàn)對澆注過(guò)程實(shí)時(shí)觀(guān)測，實(shí)現澆注系統和鑄件結構的合理優(yōu)化；3）低溫快速充型技術(shù)，表面鑄造過(guò)程產(chǎn)生缺陷，同時(shí)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(fēng)機輪轂均采用球墨鑄鐵制造。由于風(fēng)機輪轂結構特點(diǎn)——殼體件、壁厚不均勻，空洞較大，以及球墨鑄鐵在凝固過(guò)程中存在石墨化析出，使其體積膨脹這一特點(diǎn)，導致砂鑄風(fēng)機輪轂產(chǎn)品的合格率低、工藝出品率低、后續機械加工量大，加工周期長(cháng)，生產(chǎn)成本高。為了突破傳統砂型鑄造的尺寸精度差、缺陷多、存在應力變形等問(wèn)題。在大型風(fēng)機輪轂的設計上首先采用了計算機模擬進(jìn)行工藝參數優(yōu)化，利用計算機模擬確定各部位的冷卻速度，進(jìn)而針對性的改進(jìn)砂型結構；其次利用x-ray技術(shù)實(shí)時(shí)觀(guān)察鑄件充型凝固過(guò)程，確定液體進(jìn)入型腔時(shí)間和填充時(shí)間，從而確定所設計的工藝參數能夠保證鑄件充型完整。
六、適應范圍及推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明及市場(chǎng)分析和經(jīng)濟效益預測2009年全球新增風(fēng)電裝機37466mw，累計風(fēng)電裝機157899mw，中國大陸新增裝機13803.2mw，年同比增長(cháng)124%；占全球新增裝機總量的34.7%，排名世界第一。同時(shí)累計裝機總量達到25805.3mw，年同比增長(cháng)114%，僅次于美國位列世界第二。2007年我國兆瓦級風(fēng)電機組的裝機容量已占到當年新增市場(chǎng)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(fēng)力發(fā)電機組中所需鑄件達35-50噸，這些數據僅以陸地風(fēng)機為例，海上風(fēng)機所需鑄件重量更大，因為海上風(fēng)機重量大于同類(lèi)型的陸地風(fēng)機重量，如vestas-3mw(initial)風(fēng)機僅機艙和轉子總重104噸，而vestas-3mw(current)風(fēng)機機艙重110噸。輪轂為例，某鑄鋼公司試制的1.5mw風(fēng)機的輪轂達12噸，而3mw風(fēng)機的輪轂一般重達20噸左右，再加上其它零部件，風(fēng)機中鑄件的重量應該更大，我國某個(gè)企業(yè)生產(chǎn)的1.5mw風(fēng)機，鑄件總重量達50噸。歐洲風(fēng)力協(xié)會(huì )等單位預測歐洲每年增加約6000mw風(fēng)力發(fā)電機組，約需鑄件10萬(wàn)噸/年，2005-2008年全世界約增加40,000mw，每年需鑄件20萬(wàn)噸。隨著(zhù)節能減排的要求，風(fēng)電將以超常規的速度發(fā)展，目前我國已有注冊的兆瓦級風(fēng)電企業(yè)83家，這些企業(yè)正從1.5mw向3mw，4.5mw風(fēng)機方向發(fā)展，這將大大推動(dòng)對風(fēng)機輪轂的需要，可以說(shuō)在風(fēng)電市場(chǎng)上，生產(chǎn)高質(zhì)量球墨鑄鐵的市場(chǎng)前景非常廣闊。
二、存在問(wèn)題1）風(fēng)機輪轂結構特點(diǎn)——尺寸大、重量大、壁厚不均勻的殼體型結構，造成其實(shí)際鑄造過(guò)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(xué)性能較差、石墨形態(tài)不滿(mǎn)足要求等缺陷；2）由于風(fēng)機輪轂采用球墨鑄鐵進(jìn)行鑄造，在鑄造過(guò)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(shí)際零件尺寸偏差較大，容易產(chǎn)生后續機械加工量大、生產(chǎn)周期長(cháng)、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(guò)程中調整工藝設計減少鑄件的應力與變形時(shí)一個(gè)難點(diǎn)。
三、解決方案1）采用計算機模擬技術(shù)對球墨鑄鐵風(fēng)機輪轂鑄造全過(guò)程進(jìn)行模擬分析，分析工藝參數對充型凝固過(guò)程中的鑄件缺陷預測、分析鑄件凝固過(guò)程中的應力分布的影響，進(jìn)而通過(guò)模擬對工藝參數進(jìn)行優(yōu)化，降低鑄造風(fēng)機輪轂的殘余應力，減少鑄造輪轂的缺陷。2）針對風(fēng)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(guò)程熱量損失，實(shí)現球墨鑄鐵的無(wú)冒口設計，并通過(guò)對砂型結構的設計，實(shí)現對風(fēng)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(guò)大產(chǎn)生較大變形進(jìn)而影響到鑄件的尺寸。3）針對充型凝固過(guò)程不可觀(guān)測，導致在充型凝固過(guò)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(guò)程x-ray實(shí)時(shí)觀(guān)測系統對風(fēng)機輪轂模型件的鑄造充型凝固過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀(guān)測，分析并改進(jìn)工藝方案，提高產(chǎn)品合格率。
四、通過(guò)對風(fēng)機輪轂球墨鑄鐵的近精量化工藝設計，要實(shí)現以下幾個(gè)目標：1）風(fēng)機輪轂的工藝出品率在85%以上，即除少量的澆注系統外，液體金屬全部進(jìn)入鑄件型腔內，從而實(shí)現材料與能源的節約，同時(shí)縮短整個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。2）通過(guò)控制輪轂鑄造工藝參數，改進(jìn)澆注系統設計，實(shí)現風(fēng)機輪轂在凝固過(guò)程中，冷卻速率保持基本一致，從而保證風(fēng)機輪轂微觀(guān)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(diǎn)：1）計算機設計與優(yōu)化鑄造工藝，實(shí)現鑄件產(chǎn)品的近精量化和零缺陷；2）通過(guò)x-ray射線(xiàn)對澆注過(guò)程實(shí)時(shí)觀(guān)測，實(shí)現澆注系統和鑄件結構的合理優(yōu)化；3）低溫快速充型技術(shù)，表面鑄造過(guò)程產(chǎn)生缺陷，同時(shí)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(fēng)機輪轂均采用球墨鑄鐵制造。由于風(fēng)機輪轂結構特點(diǎn)——殼體件、壁厚不均勻，空洞較大，以及球墨鑄鐵在凝固過(guò)程中存在石墨化析出，使其體積膨脹這一特點(diǎn)，導致砂鑄風(fēng)機輪轂產(chǎn)品的合格率低、工藝出品率低、后續機械加工量大，加工周期長(cháng)，生產(chǎn)成本高。為了突破傳統砂型鑄造的尺寸精度差、缺陷多、存在應力變形等問(wèn)題。在大型風(fēng)機輪轂的設計上首先采用了計算機模擬進(jìn)行工藝參數優(yōu)化，利用計算機模擬確定各部位的冷卻速度，進(jìn)而針對性的改進(jìn)砂型結構；其次利用x-ray技術(shù)實(shí)時(shí)觀(guān)察鑄件充型凝固過(guò)程，確定液體進(jìn)入型腔時(shí)間和填充時(shí)間，從而確定所設計的工藝參數能夠保證鑄件充型完整。
六、適應范圍及推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明及市場(chǎng)分析和經(jīng)濟效益預測2009年全球新增風(fēng)電裝機37466mw，累計風(fēng)電裝機157899mw，中國大陸新增裝機13803.2mw，年同比增長(cháng)124%；占全球新增裝機總量的34.7%，排名世界第一。同時(shí)累計裝機總量達到25805.3mw，年同比增長(cháng)114%，僅次于美國位列世界第二。2007年我國兆瓦級風(fēng)電機組的裝機容量已占到當年新增市場(chǎng)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(fēng)力發(fā)電機組中所需鑄件達35-50噸，這些數據僅以陸地風(fēng)機為例，海上風(fēng)機所需鑄件重量更大，因為海上風(fēng)機重量大于同類(lèi)型的陸地風(fēng)機重量，如vestas-3mw(initial)風(fēng)機僅機艙和轉子總重104噸，而vestas-3mw(current)風(fēng)機機艙重110噸。輪轂為例，某鑄鋼公司試制的1.5mw風(fēng)機的輪轂達12噸，而3mw風(fēng)機的輪轂一般重達20噸左右，再加上其它零部件，風(fēng)機中鑄件的重量應該更大，我國某個(gè)企業(yè)生產(chǎn)的1.5mw風(fēng)機，鑄件總重量達50噸。歐洲風(fēng)力協(xié)會(huì )等單位預測歐洲每年增加約6000mw風(fēng)力發(fā)電機組，約需鑄件10萬(wàn)噸/年，2005-2008年全世界約增加40,000mw，每年需鑄件20萬(wàn)噸。隨著(zhù)節能減排的要求，風(fēng)電將以超常規的速度發(fā)展，目前我國已有注冊的兆瓦級風(fēng)電企業(yè)83家，這些企業(yè)正從1.5mw向3mw，4.5mw風(fēng)機方向發(fā)展，這將大大推動(dòng)對風(fēng)機輪轂的需要，可以說(shuō)在風(fēng)電市場(chǎng)上，生產(chǎn)高質(zhì)量球墨鑄鐵的市場(chǎng)前景非常廣闊。
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