[发明专利]兆瓦级风力发电机轮毂的低温快浇及无冒口铸造工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种兆瓦级风力发电机关键零部件——耐低温冲击球墨铸铁轮毂的铸造工艺，特别涉及低温快浇条件下的无冒口、无冷铁铸造大功率风力发电机零件轮毂的工艺方法。

背景技术

大力发展循环经济，建设资源节约型、环境友好型社会，实现可持续发展，是全世界共同的目标。在经济不断发展，对能源的需求日益增长的情况下，可再生能源的利用受到了各国广泛的关注。风能是除水能外最具前途的可再生能源，风力的利用不仅可以提供清洁能源，而且不危害环境，风力发电问世不久就已成为增长最快的替代能源，可以说现在已经是最具有发展前途的新兴产业之一。

从上世纪80年代一些欧洲国家率先利用风力发电到2004年，全世界风力发电装机总容量已达47616MW，相当于47个标准核电站。预计到2020年，全世界风力发电装机总容量将达1231000MW，占世界发电能力的12％，被称为“风力12％蓝图”。

我国2004年以前装机容量为764MW，2005年增加容量约240MW，已超过1000MW。按照目前的规划，2010年风电设备装机总容量的目标为4000MW，“十一五”规划期间，平均每年增加装机容量约600MW。预计2015年装机容量将达到10000MW，2020年可能达到20000MW。

风电设备体积、重量巨大，架设在几十米甚至上百米的高处运行，不便于经常维修，而且维修成本极高，设备在设计时确定的维修期通常为20年甚至30年，因此，对铸件的疲劳强度要求非常高，对铸件质量的可靠性和耐用性，都有非常严格的要求。加上风电部件的工作条件十分恶劣，工作环境温度变化大，需要在-20℃甚至-40℃低温下承受风力大小变化，因此，对铸件材质的强度、冲击韧性的要求也是非常高的。

大型风力发电机组用风电铸件主要有轮毂、底座、轴承座、齿轮箱等，其中轮毂将直接承受并传递巨大的动载荷和静载荷，作用最为关键。对于1～3MW风力发电机，轮毂铸件的重量一般在10～25吨，为具有厚大断面的球墨铸铁件。由于轮毂铸件的断面大，浇注铁液重量重达12吨以上甚至达到30吨，所以，铁液进入型腔后冷却极为缓慢，凝固时间长，很容易出现球化衰退和孕育衰退现象，甚至出现石墨畸变或漂浮，导致球化率和石墨尺寸等级不达标而引起报废；同时由于浇注的铸型高，导致铁液压力头高，铁液进入型腔时速度很快，极易引起喷溅、严重紊流以及涡流卷气等现象，因此很容易出现氧化夹渣、浮渣、大型气孔等缺陷；而且在铸件的3个法兰端面的根部都有直径巨大的热节，稍微控制不好就会出现缩孔、缩松等内部组织致命缺陷。

由于轮毂的作用至关重要，检验时对其内部组织致密度的要求非常严格，铸件需要同时做UT(超声波无损探伤)检测和MT(表面磁粉探伤)检测。其要求做UT检测的区域为铸件的全部区域，检测结果需达到UT检测的EN DIN12680-3的2级标准，在3个法兰端面根部要求更为严格，且所有区域不得有缩孔、夹渣、夹砂、气孔等缺陷；同时在3个法兰端面根部要求做MT检测，检测结果需达到MT检测的EN DIN1369的3级标准，表面浮渣深度不得超过铸件截面的5％且最大浮渣深度不超过10mm。铸件外观目测最大缺陷长度不得超过10mm，表面不得有任何焊补。

为解决轮毂铸造的技术难点，达到UT和MT检测的质量要求，国内、国际上对此都做了大量改进工作和大胆的工艺尝试。其中针对产品的缩孔、缩松问题，比较普遍的工艺方案都是采用在铸件顶端安放多个保温或发热冒口来对铸件进行补缩，并利用冷铁来改变和调整铸件的热节，有的工艺甚至对铸件全身都布满了不同尺寸的冷铁。采用保温或发热冒口有利于对铸件进行补缩，但却增加了铸件的几何热节，因为冒口本身就是热节，对于轮毂铸件这样大的热节尺寸，冒口很难控制，控制不好很容易导致更为严重的收缩缺陷，使冒口起反作用；而且使用冒口增加了多方面的成本，导致工艺出品率和工作效率降低。采用冷铁的好处是可以改变铸件热节，利于在重要部位得到致密的内部组织，但可能会引起冷隔、内裂纹或气孔。铸件全身安放冷铁更是不合理。

为减轻浇注时的严重紊流以及涡流卷气等问题，从而避免严重的氧化夹渣、浮渣、大型气孔等缺陷，现行工艺中比较普遍的解决方案都是采用底注工艺使充型尽量平稳，但由于铸型高，铁液压力头大，浇注时容易引起喷溅现象，同样导致严重的氧化夹渣和浮渣、甚至大型气孔。