关于提高风力机大部件铸造机械性能的研究

张玉花

明阳智慧能源集团股份有限公司 广东中山

摘要：随着化石能源日益枯竭，清洁能源的开发迫在眉睫。风能作为一种广泛存在且方便获取的清洁能源已经成为开发的焦点。近些年来，随着我国风力发电技术的迭代与积累，风电产业有着突飞猛进的发展，但是风力机大部件如轮毂、弯头的铸造技术还存在一些不足。本文针对风力机大部件铸造技术的研究，通过对铸造原材料及元素含量控制、石墨漂浮问题、砂芯和砂箱制作的技术措施，提出了改进铸造工艺，该工艺对我国风力发电技术的发展有着一定的参考价值。

关键词：风力机大部件；铸造；机械性能

引言：近年来，随着风力机单台装机容量MW数越来越大，我国的风力发电技术水平不断提高，不仅提升了我国风力发电的效率，还促进了我国风力发电的技术发展。当然风力机大部件也没有例外，对大部件的要求也越来越高。风力机大部件采用球墨铸铁材质经由普通砂型铸造而成，强度高、韧性高、成本低。球墨铸铁材料易成型，能达到设计所需要的任何形状，且球墨铸铁材料力学性能在低温或超低温环境温度下符合GB/T 1348的要求，满足大部件在不同环境温度下的机械性能设计要求。但是，目前我国风力机大部件铸造工艺对机械性能的影响还存在一定的技术问题，且影响了风力发电工程进一步的发展，需要即刻解决。

1. 关于风力机大部件铸造机械性能所存在的技术难点

提高我国风力机大部件铸造机械性能无论是对于风力机大部件本身的使用，还是对于我国企业的生产经营以及发展过程，都是十分重要的。目前我国风力机大部件铸造机械性能的技术难点主要存在以下两个共性难题：

1. 熔炼技术工艺

熔炼技术工艺无论是对风力机大部件的质量，还是机械性能来说，它都具有重要的意义。从目前我国熔炼技术工艺的现实情况来看，我国熔炼技术主要存在以下几个技术难题：第一，熔炼工艺本身对原材料的要求比较高。与此同时，按GB/T 228规定的拉伸试验，60mm＜毛坯壁厚≤200mm，抗拉强度≥360MPa，屈服强度≥220 MPa，伸长率≥12%；依据GB/T 229进行冲击试验，常温型铸件的冲击试验必须在-20 ℃条件下进行，低温型铸件的冲击试验必须在-40 ℃条件下进行，超低温型铸件的冲击试验必须在-45 ℃条件下进行。布氏硬度按GB/T 231.1的方法测定。一般大部件都至少需要-20℃的冲击功实验，试样Akv的平均值一定要大于或等于10J才行，而单个试样Akv的值必须要大于或等于7J；第二，风力机大型铸件本身增加了浇铸难度。由于风力机大部件铸件的重量是比较大的，通常情况下，零部件的重量高达二三十吨，这会使零部件在球化过程中难以把控，会产生石墨漂浮现象，这就给铸造熔炼工艺的球化处理增加了一定的难度；第三，我国缺少熔炼球墨铸铁方面的技术、经验，以及标准。我国2000年以前球墨铸铁铸造的标准很低，我国从2000年才开始逐渐引进国外球墨铸铁铸造的标准；我国前几年还缺少高水平的熔炼设备，从目前风力机大部件铸造厂里的现实情况来看，我国许多风力机铸造厂里都缺少高水平的专业化技术人员，熔炼设备还主要是以5t电弧炉以及12t频炉为主。

（二）铸造技术工艺

铸造技术工艺作为提高我国风力机大部件铸造机械性能中必不可少的前提条件，它所发挥的巨大作用是不容忽视的。目前，从我国风力机大部件铸造技术工艺的现实发展情况来看，我国风力机大部件铸造技术工艺主要存在以下几个技术难题：第一，分型面大，操作难。就大多数情况而言，我国风力机大部件铸件的尺寸是非常巨大的，通常情况下，零部件的尺寸高达数米，并且铸件的结构也是十分复杂，这在一定程度上使风力机大部件铸造选择的分型面比较大，对于风力机大部件铸造技术工艺来说，无疑是增加了铸造难度；第二，壁厚过大，要求多，出现的问题多。我国风力机大部件铸件壁厚是球墨铸铁件需要解决的关键性问题。＞400mm的铸件属于厚壁件，因此，风力机大部件铸件就比较容易产生缩松的现象，以及导致石墨漂浮的现象，这对于风力机大部件铸造设计工作来说，其难度是十分巨大的；第三，公差小，操控难。目前，我国风力机大部件中的壁厚公差最低误差标准为不超过6mm，实际制做的大部件壁厚与设计要求的壁厚值之间允许的制作误差标准还必须达到0mm～+5mm之间，所以风力机大部件铸造工艺的操作、控制较难。

2. 提高风力机大部件铸造机械性能的解决对策

目前我国风力机大部件铸造机械性能所出现的共性技术难题，为我国风力机大部件铸造机械性能水平的进一步提升，也为了促进企业的健康可持续发展以及国家的经济发展。我国风力机大部件铸造机械性能应从以下两个方面来改进技术，促进我国风力机大部件铸造机械性能的进一步提高：

1. 提高熔炼技术工艺水平

攻克熔炼技术工艺难题，不断加强我国风力机大部件铸造机械性能，具体地说，需要从以下几个方面来提高熔炼技术工艺水平：第一，为了保持风力机大部件熔炼技术，提高材料的机械性能,风力发电机铸造生产厂家一定要控制材料中的P、S、Si、Mn、Ni、C、Mg等元素。P含量高容易使材料出现白口化，造成脆性大、硬度大，不易加工，影响材料机械性能。S含量高容易使材料出现偏析，造成材料变脆，容易断裂，降低材料的机械性能。Si含量影响材料的拉伸和冲击性能，要求控制在1.8～2.0之间可以提高材料的机械性能。Ni含量影响材料的抗疲劳性能。Mn含量一般控制在0.35-0.46之间，以提高材料的机械性能；材料QT400-18AL 的Mn含量不要超过0.5，此材料的机械性能较好。与此同时，尽可能选择那些优质的孕育剂或球化剂，来改变材料中C成份的形状，即由片状石墨变成球状石墨，以提高材料的机械性能。多次对铁水进行孕育或球化处理，以提高球化率，来提高材料的机械性能；第二，由于风力机大部件铸件本身的超大重量，为防止球化过程中出现石墨漂浮现象，控制铁水温度、控制孕育剂和球化剂的用量，以降低生产工艺过程中出现石墨漂浮现象。为此，铸件生产商就需要在使用电弧炉的熔炼设备时，严格控制熔炼时间和浇铸温度，从而最大限度地降低石墨漂浮现象发生的概率，保证熔炼效果。

（二）提高铸造技术工艺水平

攻克铸造技术难题，不断提高我国风力机大部件铸造机械性能，具体来说，需要从以下几个方面来不断提高铸造技术工艺水平：第一，铸造采取两箱或多箱式，将分型面与轴线垂直，并将内外球的球心连接起来，这就能避免操作难的问题；第二，砂芯和砂箱制作。根据分型面的选择，砂芯中一定要设置砂芯骨，砂芯骨尽量设计大些，骨架大可以减少砂子用量。用砂比例越小，铸造成本就越降低。砂箱制作可以通过控制砂箱大小来控制用砂量。砂箱最好选用随着产品形状做出来的砂箱，即随形砂箱，以降低铁砂比。常规砂箱的铁砂比为1:7～1:11之间；随形砂箱的铁砂比可以降到1:5以下。这样在保证风力机大部件内外形尺寸的同时，又能提高质量，解决风力机大部件铸造尺寸和质量难以把控的问题。

结语：虽然本文对于提高我国风力机大部件铸造机械性能提出了几点建议，对我国风力发电技术的发展以及工程应用有着一定的参考价值，但是，我国风力机大部件铸造机械性能的提高也不是一蹴而就的，它不仅需要相关的技术考验，还需要社会多方的协同努力。我坚信在不久的将来，我国风力机大部件铸造的机械性能会实现一个全新的跨越。

参考文献： [1]刘鹏.风电轮毂铸造技术研究[J].大型铸锻件,2015(01):39-42. [2]岳明,罗超.风电轮毂铸造技术研究[J].东方电气评论,2010,24(01):36-40.

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