淺談風(fēng)機輪轂球墨鑄鐵的工藝
一、風(fēng)機輪轂?zāi)壳盃顩r2009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行近精量化工藝開發(fā)，精簡風(fēng)機輪轂澆注設(shè)計，改善補縮系統(tǒng)，利用計算機模擬技術(shù)模擬鑄造流程，同時采用x-ray技術(shù)實時觀測澆注過程，減少設(shè)計成本，從而實現(xiàn)球墨鑄鐵風(fēng)機輪轂的零缺陷與優(yōu)勢產(chǎn)品開發(fā)。
二、存在問題1）風(fēng)機輪轂結(jié)構(gòu)特點——尺寸大、重量大、壁厚不均勻的殼體型結(jié)構(gòu)，造成其實際鑄造過程中產(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)不滿足要求等缺陷；2）由于風(fēng)機輪轂采用球墨鑄鐵進行鑄造，在鑄造過程中易產(chǎn)生石墨化析出，產(chǎn)生體積膨脹，因此導(dǎo)致鑄件尺寸與實際零件尺寸偏差較大，容易產(chǎn)生后續(xù)機械加工量大、生產(chǎn)周期長、產(chǎn)品成本提高。3）由于鑄件尺寸較大、殼體型結(jié)構(gòu)，而且壁厚極不均勻，易導(dǎo)致鑄件產(chǎn)品存在較大的殘余應(yīng)力，如何在鑄造過程中調(diào)整工藝設(shè)計減少鑄件的應(yīng)力與變形時一個難點。
三、解決方案1）采用計算機模擬技術(shù)對球墨鑄鐵風(fēng)機輪轂鑄造全過程進行模擬分析，分析工藝參數(shù)對充型凝固過程中的鑄件缺陷預(yù)測、分析鑄件凝固過程中的應(yīng)力分布的影響，進而通過模擬對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，降低鑄造風(fēng)機輪轂的殘余應(yīng)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，減少充型過程熱量損失，實現(xiàn)球墨鑄鐵的無冒口設(shè)計，并通過對砂型結(jié)構(gòu)的設(shè)計，實現(xiàn)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(yīng)力過大產(chǎn)生較大變形進而影響到鑄件的尺寸。3）針對充型凝固過程不可觀測，導(dǎo)致在充型凝固過程產(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程x-ray實時觀測系統(tǒng)對風(fēng)機輪轂?zāi)Ｐ图蔫T造充型凝固過程進行實時觀測，分析并改進工藝方案，提高產(chǎn)品合格率。
四、通過對風(fēng)機輪轂球墨鑄鐵的近精量化工藝設(shè)計，要實現(xiàn)以下幾個目標：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(tǒng)外，液體金屬全部進入鑄件型腔內(nèi)，從而實現(xiàn)材料與能源的節(jié)約，同時縮短整個產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。2）通過控制輪轂鑄造工藝參數(shù)，改進澆注系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)風(fēng)機輪轂在凝固過程中，冷卻速率保持基本一致，從而保證風(fēng)機輪轂微觀組織中球墨形態(tài)均勻，殘余應(yīng)力與參與應(yīng)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：1）計算機設(shè)計與優(yōu)化鑄造工藝，實現(xiàn)鑄件產(chǎn)品的近精量化和零缺陷；2）通過x-ray射線對澆注過程實時觀測，實現(xiàn)澆注系統(tǒng)和鑄件結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化；3）低溫快速充型技術(shù)，表面鑄造過程產(chǎn)生缺陷，同時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(nèi)大型風(fēng)機輪轂均采用球墨鑄鐵制造。由于風(fēng)機輪轂結(jié)構(gòu)特點——殼體件、壁厚不均勻，空洞較大，以及球墨鑄鐵在凝固過程中存在石墨化析出，使其體積膨脹這一特點，導(dǎo)致砂鑄風(fēng)機輪轂產(chǎn)品的合格率低、工藝出品率低、后續(xù)機械加工量大，加工周期長，生產(chǎn)成本高。為了突破傳統(tǒng)砂型鑄造的尺寸精度差、缺陷多、存在應(yīng)力變形等問題。在大型風(fēng)機輪轂的設(shè)計上首先采用了計算機模擬進行工藝參數(shù)優(yōu)化，利用計算機模擬確定各部位的冷卻速度，進而針對性的改進砂型結(jié)構(gòu)；其次利用x-ray技術(shù)實時觀察鑄件充型凝固過程，確定液體進入型腔時間和填充時間，從而確定所設(shè)計的工藝參數(shù)能夠保證鑄件充型完整。
六、適應(yīng)范圍及推廣前景的技術(shù)性說明及市場分析和經(jīng)濟效益預(yù)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124%；占全球新增裝機總量的34.7%，排名世界第一。同時累計裝機總量達到25805.3mw，年同比增長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(dāng)年新增市場的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(shù)據(jù)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)機重量大于同類型的陸地風(fēng)機重量，如vestas-3mw(initial)風(fēng)機僅機艙和轉(zhuǎn)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(yīng)該更大，我國某個企業(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)會等單位預(yù)測歐洲每年增加約6000mw風(fēng)力發(fā)電機組，約需鑄件10萬噸/年，2005-2008年全世界約增加40,000mw，每年需鑄件20萬噸。隨著節(jié)能減排的要求，風(fēng)電將以超常規(guī)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，這將大大推動對風(fēng)機輪轂的需要，可以說在風(fēng)電市場上，生產(chǎn)高質(zhì)量球墨鑄鐵的市場前景非常廣闊。
二、存在問題1）風(fēng)機輪轂結(jié)構(gòu)特點——尺寸大、重量大、壁厚不均勻的殼體型結(jié)構(gòu)，造成其實際鑄造過程中產(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)不滿足要求等缺陷；2）由于風(fēng)機輪轂采用球墨鑄鐵進行鑄造，在鑄造過程中易產(chǎn)生石墨化析出，產(chǎn)生體積膨脹，因此導(dǎo)致鑄件尺寸與實際零件尺寸偏差較大，容易產(chǎn)生后續(xù)機械加工量大、生產(chǎn)周期長、產(chǎn)品成本提高。3）由于鑄件尺寸較大、殼體型結(jié)構(gòu)，而且壁厚極不均勻，易導(dǎo)致鑄件產(chǎn)品存在較大的殘余應(yīng)力，如何在鑄造過程中調(diào)整工藝設(shè)計減少鑄件的應(yīng)力與變形時一個難點。
三、解決方案1）采用計算機模擬技術(shù)對球墨鑄鐵風(fēng)機輪轂鑄造全過程進行模擬分析，分析工藝參數(shù)對充型凝固過程中的鑄件缺陷預(yù)測、分析鑄件凝固過程中的應(yīng)力分布的影響，進而通過模擬對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，降低鑄造風(fēng)機輪轂的殘余應(yīng)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，減少充型過程熱量損失，實現(xiàn)球墨鑄鐵的無冒口設(shè)計，并通過對砂型結(jié)構(gòu)的設(shè)計，實現(xiàn)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(yīng)力過大產(chǎn)生較大變形進而影響到鑄件的尺寸。3）針對充型凝固過程不可觀測，導(dǎo)致在充型凝固過程產(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程x-ray實時觀測系統(tǒng)對風(fēng)機輪轂?zāi)Ｐ图蔫T造充型凝固過程進行實時觀測，分析并改進工藝方案，提高產(chǎn)品合格率。
四、通過對風(fēng)機輪轂球墨鑄鐵的近精量化工藝設(shè)計，要實現(xiàn)以下幾個目標：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(tǒng)外，液體金屬全部進入鑄件型腔內(nèi)，從而實現(xiàn)材料與能源的節(jié)約，同時縮短整個產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。2）通過控制輪轂鑄造工藝參數(shù)，改進澆注系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)風(fēng)機輪轂在凝固過程中，冷卻速率保持基本一致，從而保證風(fēng)機輪轂微觀組織中球墨形態(tài)均勻，殘余應(yīng)力與參與應(yīng)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：1）計算機設(shè)計與優(yōu)化鑄造工藝，實現(xiàn)鑄件產(chǎn)品的近精量化和零缺陷；2）通過x-ray射線對澆注過程實時觀測，實現(xiàn)澆注系統(tǒng)和鑄件結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化；3）低溫快速充型技術(shù)，表面鑄造過程產(chǎn)生缺陷，同時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(nèi)大型風(fēng)機輪轂均采用球墨鑄鐵制造。由于風(fēng)機輪轂結(jié)構(gòu)特點——殼體件、壁厚不均勻，空洞較大，以及球墨鑄鐵在凝固過程中存在石墨化析出，使其體積膨脹這一特點，導(dǎo)致砂鑄風(fēng)機輪轂產(chǎn)品的合格率低、工藝出品率低、后續(xù)機械加工量大，加工周期長，生產(chǎn)成本高。為了突破傳統(tǒng)砂型鑄造的尺寸精度差、缺陷多、存在應(yīng)力變形等問題。在大型風(fēng)機輪轂的設(shè)計上首先采用了計算機模擬進行工藝參數(shù)優(yōu)化，利用計算機模擬確定各部位的冷卻速度，進而針對性的改進砂型結(jié)構(gòu)；其次利用x-ray技術(shù)實時觀察鑄件充型凝固過程，確定液體進入型腔時間和填充時間，從而確定所設(shè)計的工藝參數(shù)能夠保證鑄件充型完整。
六、適應(yīng)范圍及推廣前景的技術(shù)性說明及市場分析和經(jīng)濟效益預(yù)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124%；占全球新增裝機總量的34.7%，排名世界第一。同時累計裝機總量達到25805.3mw，年同比增長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(dāng)年新增市場的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(shù)據(jù)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)機重量大于同類型的陸地風(fēng)機重量，如vestas-3mw(initial)風(fēng)機僅機艙和轉(zhuǎn)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(yīng)該更大，我國某個企業(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)會等單位預(yù)測歐洲每年增加約6000mw風(fēng)力發(fā)電機組，約需鑄件10萬噸/年，2005-2008年全世界約增加40,000mw，每年需鑄件20萬噸。隨著節(jié)能減排的要求，風(fēng)電將以超常規(guī)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，這將大大推動對風(fēng)機輪轂的需要，可以說在風(fēng)電市場上，生產(chǎn)高質(zhì)量球墨鑄鐵的市場前景非常廣闊。
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