大型風電輪轂無冒口砂型鑄造研究

胡志強，蒲遠忠，劉紅才

（天津重型裝備工程研究有限公司，天津 300457）

0 引言

隨著經濟的高速發展，全球能源的儲備量急劇下降，尋求新能源迫在眉睫。在此情形下，風力發電作為一種新興可再生的潔凈能源得到廣泛的應用。風電既可以較好地緩解能源危機，又能帶來經濟效益，因此，風電在我國正得到重視并蓬勃發展。風電設備主要由風輪、齒輪箱體、底座、軸承座等構件組成，其中風輪由葉片與輪轂組成，而輪轂要承受葉片旋轉工作時產生的作用力與各種力矩，受力情況特別復雜[1-2]，由此可見，輪轂在風力發電中有舉足輕重的作用。由于結構形狀復雜，壁厚較大，必須經過UT、MT，不允許存在縮松、裂紋、氣孔、夾渣類缺陷，制造難度較大，另外國內對于無冒口鑄造的研究較少[3]。因此，研究輪轂的無冒口鑄造工藝有很大的應用價值。

輪轂常用材質為QT400-18與QT350-22，而QT500-14球墨鑄鐵具有抗拉強度與硬度更均勻、切削性能更好等優點[4]，但要得到QT500-14往往需要加入很多合金并執行苛刻的球化孕育工藝，其工藝在國內應用較少，合金的加入也導致生產成本的增加。因此，通過對高碳低硅與低碳高硅兩種成分進行試驗，先確定高硅固溶強化的生產工藝。本研究對QT500-14材質的3.5 MW大型風電輪轂進行無冒口鑄造工藝設計，利用MAGMASOFT軟件模擬凝固過程的溫度場分布分析，并預測鑄造缺陷，從而優化鑄造工藝，最后成功生產出符合技術要求的輪轂。本次研究結果對大型風電輪轂的制造具有一定的參考價值。

1 輪轂結構參數與技術要求

輪轂的大體輪廓為球狀殼體，葉片軸孔與主軸的軸孔處結構復雜，輪廓尺寸約為3 500 mm×3 000 mm×3 200 mm，主要壁厚為60 mm～80 mm，最大壁厚達到350 mm，凈重約18 000 kg，利用三維設計軟件進行建模，如圖1所示為輪轂三維模型。

圖1 輪轂三維模型

由于本次采用的QT500-14材質要求抗拉強度≥500 MPa，延伸率≥14%，因此，在進行鑄造工藝設計之前，需要對材料進行一定研究，通過10 t與15 t中頻感應電爐熔煉出高碳低硅和低碳高硅兩種成分的球鐵，分別球化孕育后澆注成試樣，對試樣進行檢測分析。為保證球化率高，石墨形貌理想，采用優質生鐵與廢鋼，多次優化球化工藝，最終本次采用優化后的低碳高硅球墨鑄鐵。

2 鑄造工藝設計

在鑄造工藝設計中，最重要的就是結合實際生產設備情況，既要能保證鑄造工藝方案的實施，又要能降低實際生產造型的難度。鑄造工藝設計主要包括澆冒口設計、造型方式設計、冷鐵與補貼設計等，還要考慮鑄件凝固成型原理，確保在本體上不產生鑄造缺陷。

2.1 冒口設計

球墨鑄鐵的凝固方式是糊狀凝固，即在整個斷面上存在相當寬的液固共存區，使其補縮通道狹窄，并且開始凝固時會析出石墨。由于石墨比容小，會產生體積膨脹，可以通過對鐵液中的碳當量、砂箱剛性以及砂型強度的控制，利用石墨化膨脹原理抵消液態鐵的凝固收縮量。另外，采用低溫快澆也可減少液態收縮，在厚大部位放置外冷鐵激冷以達到同時凝固。因此，本次研究利用石墨膨脹特性而采用無冒口鑄造。

2.2 冷鐵設計及補貼

冷鐵的放置可以控制鑄件的凝固過程，一般放置在鑄件熱節處，加速熱節的冷卻，使鑄件各部分冷卻速度均勻。從該輪轂的結構上分析，熱節部位分布在葉片安裝孔輪廓與附近的凸臺上，在這些位置極易產生縮孔縮松缺陷與晶粒粗大。因此，在葉片孔輪廓處放置隨型冷鐵，在凸臺處放置相應大小的長方體冷鐵進行激冷而加快熱節凝固。

鑄鐵件在充型的過程中，由于鐵水的溫度低，鐵水渣不會完全上浮，或者砂型的砂黏度不夠造成砂子脫落，從而會導致鑄鐵件夾渣的產生。為避免夾渣缺陷的產生，加高了輪轂上端三個凸臺的高度用以進行鐵水渣的上浮。

2.3 澆注系統與分型面設計

將輪轂與主軸連接的厚大面放在底部。為防止鑄造缺陷在輪轂軸孔及葉片孔周圍產生，并遵照平穩、大流量和快速充型的原則[5]，采用底返式澆注方式；為起模順利，選用與鑄件主軸軸線垂直的分型面，過內外球面同球心處，解決了輪轂結構復雜帶來的造型操作難的問題，更有利于芯盒的制備與造型操作；采用開放式澆注系統，為避免鐵液在充型過程中沖擊作用劇烈，澆注系統截面積比例關系為F內∶F橫∶F直=3∶1.2∶1。

2.4 造型與澆注

造型方式采用手工砂箱方式，兩箱造型。型砂采用呋喃樹脂自硬砂，采用醇基鉛粉涂料涂刷3～4遍，撞制主型與砂芯時要預留好十字線，合箱時用十字線對正，防止錯位，抽凈型腔內的浮砂；內澆道陶瓷管中心線要處于規定的中心線上。型、芯之間墊好石棉繩，防止跑火。最終澆注溫度為1 280℃～1 300℃，液重23 000 kg。

根據上述分析結果，最終得到如圖2所示的輪轂鑄造工藝模型圖。

圖2 輪轂鑄造工藝模型圖

3 凝固過程溫度場模擬

將鑄造工藝模型的各部件轉化為STL文件，分別導入MAGMASOFT軟件中劃分網格，利用有限差分法對輪轂在上述鑄造工藝下的凝固過程進行模擬分析，網格數量為1 500萬，材料及邊界條件設置如表1所示。

表1 主要參數設置情況

3.1 凝固過程結果及分析

該輪轂的壁厚差別較大，若在沒有冷鐵的情況下，壁厚大的部位凝固時間長，極易產生鑄造類缺陷，放置冷鐵后對該處產生激冷作用，提高了溫度梯度，有利于鑄件同時凝固。采用瞬間充滿的狀態作為凝固過程的開始時刻，如圖3所示為輪轂凝固過程中的溫度場，可以看出，開始時刻與冷鐵接觸的鑄件表面溫度降低，說明冷鐵開始發揮激冷作用，隨著凝固的進行，熱量進行熱傳導，整個輪轂鑄件溫度降低，冷鐵始終作為鑄件的末端冷卻區。從輪轂的最終凝固溫度場可看出凝固方式基本達到了同時凝固，說明本鑄造工藝中的冷鐵位置與厚度設置較為合理，解決了由于輪轂壁厚不均導致的冷卻速率不同的問題，有效防止了缺陷的產生。

圖3 輪轂凝固溫度場

3.2 縮孔縮松缺陷結果及分析

如圖4所示為輪轂的縮孔分布圖，可看出輪轂鑄件本體上沒有宏觀縮孔出現，只在三個凸臺的加高位置產生少量縮孔，但這不影響鑄件本體的質量。一般縮孔形態應該是內凹形狀，例如矮U型或者深V型，而輪轂三個凸臺縮孔區域形態，為“中間高四周低”形態，可以表明是鐵水凝固過程中，石墨化膨脹導致體積增大，受到砂型剛性的限制導致凸臺處形成“中間高四周低”的形態。

圖4 縮孔分布圖

對于縮松采用的是NIYAMA判據，其特點是不僅考慮鑄件結構的影響，而且準確考慮了流動壓力損失。如圖5所示為輪轂的縮松分布圖，可看出縮松缺陷沒有出現在本體上，只出現在凸臺用于集渣的加高部位，說明本次鑄造工藝設計較為合理。

圖5 縮松分布圖

4 實際驗證

按照上述鑄造工藝方案對輪轂進行澆注，采用雙包澆注，雙包澆注可達到低溫快澆的目的，從而減少液態收縮便于自補縮。澆注完成后進行保溫，輪轂鑄件熱處理后進行清理打磨和噴砂精整，如圖6所示，為得到的輪轂鑄件實物，進行毛坯100%超聲波探傷檢測，探傷標準《風力發電機組 球墨鑄鐵件（GB/T25390—2010）》，探傷質量良好。

圖6 輪轂鑄件實物

對附鑄試塊進行檢測，結果顯示：球化率達到90%，石墨大小等級為6級；抗拉強度達到520 MPa，屈服強度達到403 MPa，伸長率18%，硬度193 HB。

5 結束語

利用MAGMASOFT在鑄造方面的應用，成功設計出3.5 MW輪轂鑄件的鑄造工藝，有效地實現了輪轂的生產。MAGMASOFT模擬軟件給工藝設計人員提供了便捷又準確的參考，既降低了研發成本，又縮短了研發周期。

結合公司實際生產能力，以低溫快澆工藝、無冒口鑄造以及輔助冷鐵激冷作用的方式順利完成了試生產，制造出輪廓尺寸大、壁厚差別大、結構復雜的風電輪轂鑄件，性能及探傷檢測達到目標要求，研制的風電輪轂用球墨鑄鐵QT500-14材料達到預期技術指標，固化該工藝后可進行批量化生產。