编辑导语：

6 160 mm×3 670 mm、壁厚变化90～350 mm、探伤等级2级，对铸造工艺要求较高。并且该铸件处于海上恶劣工作环境，对本体的金相组织、低温冲击等机械性能也要求严格。

(资料图)

大型风电转轴不仅轮廓尺寸大，而且筒壁与支撑板交汇处的热节多，缩松倾向严重，具体如图1所示，技术参数见表1。

图1 风电转轴铸件的三维结构图

表1 风电转轴铸件的主要技术参数

综合力学性能要求很高，按照客户标准要求，采用200 mm×70 mm×70 mm附铸试块，机械性能要求见表2所示，附铸试块的金相组织按照ISO 945执行，见表3所示。

表2 风电转轴铸件的力学性能要求

表3 风电转轴铸件的金相要求

铸件100%范围做UT、MT检测，关键区域UT检测要求达到EN 12680-3的2级要求、MT检测要求达到EN 1369的2级要求，非关键区域UT检测要求达到EN 12680-3的3级要求、MT检测达到EN 1369的3级要求。

2.1 工艺方案的选择

由于转轴壁厚变化大，最小壁厚是中间筒壁，壁厚90 mm，最大壁厚是弧面大凸台，壁厚350 mm以上，铸件壁厚上的热节较多，故易出现铸造缩松缺陷。

转轴高度达3 700 mm，铁水充型应保持平稳、通畅。由于铸型高度较高，尽可能减少开边层数，既减少披缝产生，又降低温度损失。由于在凝固过程中披缝影响铸件自补缩效果，因此需在披缝处考虑采取保障措施，避免缩松缺陷形成。

根据转轴结构特点综合考虑，利用集中排渣方式，将转轴小端朝下，大端朝上，采用底返式浇注工艺方案。即在铸件底部进入铁水，逐层上升，保持液面平稳，减少紊流产生的氧化夹渣。同时控制芯头间隙，防止型芯在铁水浮力作用下产生漂浮或移位，形成移壁缩松，充分利用球墨铸铁的自补缩能力，提高铸件的内在质量。

2.2 铸型要求

砂型在浇注过程中，型腔形状都会产生变化。铸型表面的砂型因膨胀会产生型壁移动，如强度不高的铸型(图2a），型壁运动是向外的，即型腔扩大导致铸件体积增大，尺寸精度不高；如铸型强度高（图2b），则型壁向内运动。因型壁向内移动可以部分或完全取代冒口作用，尺寸精度提高。

(a)强度不高的铸型

(b)强度高的铸型

图2 风电转轴铸件的铸型要求

提高铸型强度措施：

⑴设计随型砂箱，保持安全吃砂量（200 mm）的前提下，尽可能缩小砂箱尺寸，减小型砂退让空间，增强铸件自补缩能力；

⑵对砂箱结构设计进行抗压模拟计算，确认砂箱强度在高温铁水压力下的变形可控；

⑶控制铸型披缝及采用螺栓锁紧方式，保证型芯在铁液凝固膨胀过程中减少位移倾向。

2.3 浇注系统设计

因球化过程中，产生残留Mg及氧化杂质，为最大限度避免铁水中杂质进入型腔，降低充型过程中二次氧化，故采用浇注箱和开放式浇注系统。浇注箱浇注可以使铁水中炉前扒渣后，残存杂质浮在浇注箱上表面，通过加聚渣剂形成硬壳捞出，从而减少杂质进入型腔。开放式浇注系统可以减少紊流，达到充型平稳目的，有利于减少充型过程中氧化夹渣的产生，同时便于型腔内杂质上浮到冒口或集渣台。

大型球墨铸铁生产按照铸件均衡凝固与有限补缩的工艺原则，浇注系统一般采用大孔出流原理，目的是控制浇注时间，使铁液平稳进入型腔，起到挡渣、隔渣作用，以大流量、小流速、平稳、分散为原则，达到型腔温度场均匀，实现铸件均衡凝固。浇注系统截面比例小于5的范围内变化，属于大孔出流。

合适浇注时间的确定根据式（1）：

式中：

t_合适——铸件的合适浇注时间，s；

f——材质系数，其取值情况见表1；

G_件——铸件重量，kg；

δ ——铸件的主要壁厚，mm；

n ——浇注系统组数

G_件=72 000 kg,δ =200 mm , f=0.8，n=2, 由式（1） 计算得t_合适=274 s

选择直浇道与浇口箱的尺寸,使实际浇注时间t尽量靠近t_合适=274 s，实际浇注时间t的计算则根据《基于拔塞式浇口箱浇注时间的计算方法》。表4、表5为风电转轴铸件的浇注系统的计算过程及主要参数。

选择2个35吨浇口箱，其长为3.64 m，宽为1.3 m，当直浇道直径D=Φ0.1 m时，t=283 s靠近t_合适=274 s，所以直浇道直径确定为Φ100 mm，选取2个Φ100 mm的直浇道。

选择开放式浇注系统根据ΣS_直：ΣS_内=1：7.2，选取内浇道为40 个Φ60 mm。

表4 浇注系统的计算参数示意

表5 浇注系统的计算过程示例

2.4 冒口系统设计

采用12个排气冒口，直浇口横截面：157 cm²,冒口根部面积=1:1.1~1.5。同时排气冒口具有一定的铁水储存量，补充自补缩及因披缝、胀箱等情况引起的铁水不足。

2.5 冷铁设计

冷铁采用常规冷铁和异形冷铁相结合方式，为使铸件外表层快速形成硬壳，以强化铸型刚度，达到同时凝固的条件及提升自补缩能力。通过MAGMA软件对充型、凝固过程进行模拟，根据铸件热节区域的模数大小与模拟结果相比对，逐步优化调整工艺参数，确定出最终的工艺设计方案。

3.1 熔炼浇注

⑴成分控制

目的在保证铸件性能前提下，提高石墨化膨胀的自补缩能力。首先，原材料应采用高纯生铁、优质压块废钢、洁净回炉料以减少铁液杂质。生铁中有害元素以P、S、Ti为主要代表，一级高纯生铁中P含量小于0.03%，S含量小于0.025%，Ti含量小于0.03%。为降低缩松倾向，在考虑性能金相要求的同时，将成品碳当量设计为4.2～4.7。即使在1 350 ℃温度下浇注时，若化学成分中C为3.6%~3.9%，Si为2.1%~2.4%，则膨胀量依然大于收缩量，可实现无补缩冒口铸造方案。

由于Mn和P偏析于晶界中，并且容易形成碳化物和磷共晶，严重降低球铁的伸长率和冲击韧度。所以，要求Mn和P处于较低水平，避免由于石墨量的减少导致石墨膨胀量的不足。S易与球化剂中的Mg及RE生成硫化物或硫氧化物，不但消耗球化剂，更增加了铸件的夹杂、夹渣类缺陷。

鉴于以上对各主要元素的分析，将球铁最终化学成分确定为表6所示。

表6 球铁的最终化学成分（质量分数，%）

⑵球化及孕育

球化孕育过程采用钇基重稀土球化剂，以抵抗球化衰退和石墨畸变，使用含Ba、Bi、Sb、Zr的长效孕育剂，其特殊作用主要在于延缓孕育衰退、提高石墨球数和石墨球圆整度。高效球化剂和孕育剂的使用，在抵抗球化衰退和石墨畸变上作用明显。增加石墨球数，促进形核的另一重要途径，就是预处理剂的应用，其中包括石墨预处理剂和SiC预处理剂，我公司使用的是美国卓越公司的Desulco石墨预处理剂，对铸件石墨球数和基体的形核能力提供帮助。为保证球化质量，避免铁液经球化处理后过早衰退，铁液中应有适当的残余镁量，一般残余镁量控制在0.04%～0.06%即可。

⑶浇注控制

转轴工艺铁水量为72吨，需要熔炼2～3炉铁液，如果熔炼过程控制不好难以保证浇注质量。故将铁液出炉温度控制在1 480～1 490 ℃范围内，同时将铁液出炉及浇注顺序制定为：2台电炉分别熔化36 吨铁水，出炉时对应2铁水包，分别装36吨铁水。当第一包运至浇口箱时，待第二包球化后即开始翻第一包铁液，完成后再将第二包翻入对应浇注箱内。最后测量两个浇口箱内铁水温度，达到工艺要求的1 350～1 370 ℃范围，则同时进行浇注。

3.2 试制结果

⑴石墨形态与基体组织

附铸200 mm×70 mm×70 mm试块截取的金相块检测基体铁素体含量>90%，球化等级>2级，石墨球尺寸为5～6级，见图3所示。

图3 附铸试块的金相图片

⑵机械性能

经过优化的化学成分设计和熔炼过程控制，附铸试块的机械性能检测符合客户标准要求，检测结果见表7所示。

表7 附铸试块的力学性能

⑶NDT检测

铸件清理后，外观检测表面光滑平整，达到标准规范规定的检测要求,UT、MT也符合EN12608-3、EN1369标准要求。

科学设定化学成分，合理选用高质量材料，通过合理设计浇注系统并进行数值模拟优化，采取提高铸型强度方案，严格控制熔炼过程，以及优化冷铁布局等措施，针对操作过程中可能发生的质量偏差，进行各环节把关，同时充分利用球墨铸铁材质的自补缩能力，最终生产出各项性能指标优良的大型海上风电球墨铸铁产品。

作者单位：大连华锐重工铸业有限公司

编辑审核：柳建国

微信编辑：蔡文娟

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