風電輪轂鑄件的澆注系統探討

杭家友，劉 根

（1.好圣汽車零部件制造有限公司，四川綿陽 621000；2.普什鑄造有限公司，四川宜賓 644000）

1 概述

輪轂鑄件是風電機組中非常重要的零部件，鑄件的尺寸大（直徑及高度超過2 000 mm），質量大（超過10 000 kg），壁厚差異大（薄壁處超過40 mm，厚壁處超過200 mm），是一種要求高（全身進行UT、MT檢測）的厚大類球墨鑄鐵鑄件。

因為其質量要求高，導致公司在開發該產品的階段，輪轂的廢品率很高，主要是UT、MT檢測不合格。而當前鑄造生產中都著重于球鐵的球化處理、孕育處理等熔煉工藝方面，或多或少忽視了鑄造造型工藝方面（主要是澆注系統設計方面）對鑄件質量的影響。本文基于生產實踐，結合鑄造理論，淺析如何通過改進工藝（澆注系統）來提高鑄件（輪轂）的質量。

2 輪轂鑄件主要質量問題及原因分析

2.1 輪轂鑄件主要質量問題

輪轂鑄件主要質量問題突出表現為UT不合格和MT不合格。

2.2 原因分析

2.2.1 輪轂鑄件最主要的缺陷是夾渣（雜）、渣氣孔

（a）UT不合格

一種情況表現為：單個或連續區域的缺陷波，經解剖可發現鑄件內部出現縮松（縮孔）缺陷，此類缺陷容易解決，在本公司生產的輪轂鑄件上甚少出現；

另一種情況主要表現為底波下降。用UT檢測，發現靠近鑄件上方10～30 mm厚的一層“渣”，渣層太厚，將超聲波吸收或分散，導致底波下降嚴重，本公司生產的輪轂鑄件上甚多此類缺陷，是導致鑄件報廢的最主要原因。

（b）MT不合格

鑄件外觀質量差，主要表現在鑄件頂面夾渣（雜）嚴重，渣氣孔很多、很厚。

綜上所述，導致公司輪轂鑄件報廢的主要原因在于鑄件夾渣嚴重。

2.2.2 產生渣（雜）的單元

產生夾渣的主要原因有：①電爐里面的渣（雜）；②澆包內的渣（雜）；③與澆注系統有關的渣（雜）；④與型砂有關的渣（雜）；⑤澆注溫度的影響。

從生產實踐來說，要使鐵液非常干凈，還是非常困難的，甚至是難以實現的！如果鐵液實在不干凈，那就必須從造型工藝方面（主要指澆注系統方面）想辦法。

澆注系統從廣義來講，包括澆口盆（外澆口）、直澆道、直澆道窩、橫澆道、內澆道、橫澆道末端延長段等部分。

澆注系統哪部分能夠擋渣？一般認為澆注系統中只有橫澆道能夠擋渣。實際上這是不完整的。

橫澆道的確是澆注系統中有擋渣功能的關鍵部分,但不是唯一部分,我們認為也不是最理想的部分。

澆注系統中最應該擋渣的部分是澆口盆。如果渣（雜）進入了橫澆道，就很難避免渣（雜）進入型腔，導致鑄件夾渣(夾雜)。如果渣（雜）被擋在澆口盆中，而不進入橫澆道，則型腔（鑄件）就會干凈得多。

所以說，擋渣的優先級排列順序應該如下：

保證各種爐料干凈—保證電爐干凈—保證澆包干凈—保證鐵液扒渣干凈—提高澆口盆擋渣能力—提高橫澆道擋渣能力—在型腔內設置溢流冒口或集渣包等。

越是靠后，解決夾渣的能力越弱，比如放集渣包，那僅僅是一種“心理安慰”罷了。在生產實踐中，放置集渣包對于解決鑄件夾渣（夾雜）的效果并不理想。

3 對輪轂鑄件舊工藝（澆注系統）的解析

3.1 對澆口盆的擋渣能力分析

對澆口盆的擋渣能力分析,主要體現在兩方面：

一方面，澆口盆內的鐵液液面高度要≥3倍直澆道的直徑尺寸（也有資料顯示為5倍），才能有效避免鐵液表面形成漩渦，否則，漩渦容易將鐵液表面的渣吸入型腔，導致鑄件夾渣。

另一方面，澆口盆中鐵液出現漩渦（液面高度≤3倍直澆道的直徑尺寸）時，此時澆口盆中的鐵液總質量要≤澆注系統的質量，確切的說，此澆注系統的質量是指直澆道、直澆道窩、部分橫澆道（直澆道與第一個內澆道之間的部分橫澆道）的總質量。

原工藝采用大澆口盆澆注，澆口盆內沒有任何擋渣的結構，澆口盆的內腔尺寸為（長×寬×高）1 500 mm×1 500 mm×750 mm。

直澆道瓷管內徑100 mm，澆口盆內鐵液液面高度必須大于300 mm，在澆口盆內才不會出現漩渦，否則，懸浮于液面的渣就會被漩渦吸入澆注系統，進而有可能進入型腔，導致鑄件夾渣。

按照澆口盆內液面高度的最低要求—液面高度等于3倍直澆道直徑，即300 mm高的液面進行驗算，其鐵液質量為4 725 kg，這部分鐵液是最臟的，不但有孕育、球化產生的渣雜，還有鐵液長時間與空氣接觸而產生的氧化渣。

也就是說，輪轂鑄件澆注質量共13 000 kg，在澆注最后的4 725 kg鐵液時，鐵液表面容易形成漩渦，鐵液中的渣很有可能被漩渦吸入型腔，導致鑄件夾渣。

而且，舊工藝的澆注系統總質量為1 005 kg，那么4 725-1 005=3 720 kg的“臟”鐵液（含渣雜的鐵液）就一定會進入型腔，在鑄件內形成夾渣缺陷。

所以說，對于輪轂鑄件舊工藝，采用大澆口盆的澆注方式，其擋渣效果是很差的。要想解決夾渣缺陷,此澆口盆必須重新設計,使澆口盆具有擋渣功能。

3.2 對澆注系統的擋渣能力分析

輪轂鑄件舊工藝如圖1所示。橫澆道位于分型面位置，內澆道位于橫澆道正下方。F直=78.5 cm2，F橫=210 cm2，F內=88.2 cm2，則各單元比值為，F直∶F橫∶F內=1∶2.68∶1.12。從截面積比值來看，澆注系統為開放式澆注系統。

圖1 輪轂鑄件舊工藝示意圖

從圖1以及計算的澆注系統面積可以看出，采用開放式澆注系統，加之如圖1所示的澆道搭接形式，可以斷定澆注系統擋渣能力非常差，鑄件出現夾渣的幾率非常高。因此，此澆注系統（直澆道、橫澆道、內澆道等）也必須重新設計。

4 新工藝（澆注系統）的改進設計

4.1 設計專用的澆口盆

圖2 新工藝澆口盆示意圖

如圖2所示，澆口盆內設有擋渣泥芯，在放直澆道瓷管的部位做有深200 mm的凹坑。直澆道瓷管直徑80 mm，按照最低要求（即液面高度為直澆道直徑3倍）計算，得出液面高度為240 mm，可以計算出澆口盆內的鐵液質量為210 kg，也就是說，最后的210 kg鐵液中渣可能會進入型腔。

新工藝的澆注系統質量為480 kg，480 kg＞210 kg，也就是說，澆口盆內最后的210 kg最“臟”的鐵液會全部留在澆注系統內，而不會進入型腔。鑄件夾渣的風險大大降低。兩種澆口盆進行對比，可以看出專用澆口盆的擋渣優勢非常明顯。

4.2 重新設計澆注系統

如圖3所示，直澆道瓷管內徑80 mm，采用底注、開放式澆注系統，多點進流，三次擋渣。

圖3 新設計澆注系統

此澆注系統的擋渣能力強，從實際驗證結果（后面有對比照片）可以看出，提高澆注系統的擋渣能力，能有效解決鑄件夾渣（雜）問題。

5 新舊工藝生產的鑄件的質量對比

5.1 舊工藝生產的鑄件質量

舊工藝生產的輪轂鑄件，UT、MT探傷都大面積超標，夾渣非常嚴重，如圖4所示。

圖4 舊工藝生產的輪轂鑄件

5.2 新工藝生產的鑄件質量

圖5是按新工藝生產的輪轂鑄件照片（剛拋丸狀態）。

圖5 新工藝生產的輪轂鑄件

從照片對比來看，輪轂鑄件外觀質量得到很大的改進，并且鑄件全身UT探傷以及全身MT探傷都合格。

6 小結

（1）澆注系統能擋渣（雜），要充分利用澆口盆的擋渣作用。

（2）要想橫澆道擋渣效果好，澆注系統中各組成單元的位置、搭接方式、面積都很重要。

（3）防止鑄件出現夾渣缺陷，生產控制的優先順序是：保證各種爐料干凈—保證電爐干凈—保證澆包干凈—保證鐵液扒渣干凈—提高澆口盆擋渣能力—提高橫澆道擋渣能力—在型腔內設置溢流冒口或集渣包等。