郭偉

摘 要：通過分析大型風電設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)特征，在樹脂砂鑄造工藝條件下，對大型風電設(shè)備鑄造所面臨的各種問題進行分析和論證。首先分析大型風電設(shè)備鑄造過程中的夾渣和縮孔等問題，進而根據(jù)樹脂砂鑄造工藝的工藝特征來解決，強調(diào)鑄造過程的鑄造工藝和質(zhì)量管理，最終持續(xù)改進以獲得優(yōu)質(zhì)的鑄件。

關(guān)鍵詞：樹脂砂；風電鑄件；鑄造工藝；質(zhì)量管理

中圖分類號：TG24 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）25-0117-02

Abstract： By analyzing the structural characteristics of large-scale wind power equipment， under the resin sand casting process conditions， the problems faced by large-scale wind power equipment casting are analyzed and demonstrated. The problems such as slag inclusion and shrinkage hole in the casting process of large-scale wind power equipment are analyzed firstly， and then the casting process and quality management of the casting process are emphasized according to the technological characteristics of resin sand casting process， and finally continuous improvement is made to obtain high quality castings.

Keywords： resin sand； wind power castings； casting technology； quality management

引言

隨著近年來地球上一次性能源的大量使用，這些不可再生能源將日趨匱乏，與此同時可再生資源如太陽能、風能和海洋能將被人類廣泛利用[1]。而風力發(fā)電作為其中較為重要的一環(huán)而被人們廣泛關(guān)注，由于風資源本身的不確定性而對風力發(fā)電機組的有效使用造成較大的影響，從而對大型風電設(shè)備提出了更高的要求以完成實際工作[2]。

風力發(fā)電作為一種清潔能源，其工作原理是通過機電裝置將風能通過一定形式轉(zhuǎn)換為風電設(shè)備的機械能，再利用相應(yīng)的機電設(shè)備將機械能轉(zhuǎn)化為可以利用的電能。其中最為重要的風電鑄件有輪轂、扭力臂、葉輪等，都需要很高的技術(shù)要求[3]。樹脂砂鑄造工藝因為其獨特的精度高、廢品率低和組織致密等優(yōu)點，其使用范圍要遠遠大于一般性的砂型鑄造。樹脂砂鑄造技術(shù)同時因為其鑄造中的流動性好和硬化強度高而廣泛應(yīng)用于大型鑄件中。本文以大型風電設(shè)備為例進行樹脂砂鑄造工藝和控制等方面的研究[4]。

1 樹脂砂鑄造環(huán)節(jié)控制

鑄造是一種將金屬液體澆注到鑄造空腔形成產(chǎn)品零部件的產(chǎn)品成型工藝。作為一種歷經(jīng)幾千年的熱加工工藝，其加工工藝已處于相當高的水平，但是還是存在一定的鑄造缺陷。本文所述的樹脂砂鑄造工藝作為普通鑄造的優(yōu)化改進，可以在一定程度上減少常見缺陷，對于鑄造能力的提升具有重要作用。

1.1 鑄造工藝環(huán)節(jié)

產(chǎn)品零部件在鑄造過程中應(yīng)用的技術(shù)和方法統(tǒng)稱為鑄造工藝環(huán)節(jié)，其中較為重要的有澆冒系統(tǒng)設(shè)計、造型工藝和熔煉工藝等環(huán)節(jié)。澆冒系統(tǒng)設(shè)計需依據(jù)零件的形狀和材料的特點采用傳統(tǒng)設(shè)計方法和模擬軟件輔助完成。大型風電鑄件的壁厚通常為60～200mm，在安全冒口選擇上有壓邊冒口、縮頸式冒口等，冒口的具體尺寸信息可以依據(jù)鑄件的比例f和模數(shù)信息m，在冒口設(shè)計中需要克服金屬液體質(zhì)量的變化和保證澆注過程的平穩(wěn)性，避免金屬液體的溢出。在澆注系統(tǒng)設(shè)計中要遵循減少氣孔、廢渣缺陷的規(guī)則，降低缺陷的發(fā)生率，提高產(chǎn)品的可靠性[5]。

1.2 退火工藝環(huán)節(jié)

退火處理有兩種工藝方式。一當鑄態(tài)組織中存在自由滲碳體時，必須進行高溫石墨化退火，此工藝分兩個階段。二當鑄件組織中無自由滲碳體時，只需做低溫石墨化退火。再利用樹脂砂鑄造中，由于樹脂砂模型具有很好的溫度穩(wěn)定性，能夠有效的控制鐵液中的化學(xué)成分，再結(jié)合實際生產(chǎn)中的有效經(jīng)驗，一般大型風電鑄件我們采取型內(nèi)保溫4～6天，實現(xiàn)化學(xué)元素的緩慢變化，以增強機械性能。

1.3 質(zhì)量管理環(huán)節(jié)

大型風電設(shè)備鑄造過程非常復(fù)雜，而針對設(shè)計過程中的質(zhì)量監(jiān)管，質(zhì)量的保證需要有效的質(zhì)量管理。針對前期的工藝設(shè)計過程，需要進行預(yù)先的軟件模擬，查出設(shè)計中的不規(guī)范和缺陷，而后針對圖紙中的細節(jié)進行修改核對。在工藝文件的每個環(huán)節(jié)，容易出現(xiàn)失誤的地方，都需要車間操作工，施工員和領(lǐng)導(dǎo)的把控，實現(xiàn)真正的環(huán)節(jié)控制以達到質(zhì)量控制。

2 樹脂砂鑄造工藝探討

2.1 缺陷分析與控制措施

本文以企業(yè)實際生產(chǎn)中的大型風電鑄件輪轂為例進行說明，在輪轂的實際生產(chǎn)中，當輪轂造型、澆注、清理等鑄造工藝過程結(jié)束后，在實際的檢測后發(fā)現(xiàn)，鑄件內(nèi)腔出現(xiàn)夾砂現(xiàn)象，鑄件外表面有起皮或粘砂等缺陷，同時也會有一些夾渣、縮孔、氣孔等缺陷，這都在很大程度上影響產(chǎn)品的使用性能和合格性。

仔細分析這些缺陷的成因，缺陷的形成主要有以下幾個因素：砂型強度偏低或過高，澆注溫度不合適，傳統(tǒng)冒口補縮效率低等。眾所周知，適宜的砂型強度是獲得合格鑄件極為重要的一環(huán)，而合理的樹脂、固化劑加入量是保障砂型強度的必要條件之一。樹脂、固化劑加入量過低，砂型的強度就低，砂型局部可能會存在干砂從而導(dǎo)致砂眼缺陷的產(chǎn)生，再者砂型強度低鐵水在澆注過程中也會產(chǎn)生沖砂從而導(dǎo)致夾砂缺陷的產(chǎn)生。而加入量過高，雖然砂型的強度會增加，但附帶會直接導(dǎo)致再生砂的灼減量增加，從而導(dǎo)致砂型的發(fā)氣量變大，鑄件產(chǎn)生氣孔的可能性增加。經(jīng)過長時間的實踐摸索，我們最終將樹脂的加入量控制在了0.9%～1.2%，固化劑的理想加入量控制在了樹脂含量的40%，從而保證型砂的8小時抗拉強度達到1.0～1.2MP，保障大型風電鑄件鑄型的基本要求。至于，澆注溫度我們一般控制在1330～1350℃這個區(qū)間，如果澆注溫度偏低，會導(dǎo)致鐵水本身的流動性問題，可能導(dǎo)致夾渣甚至澆不足，如果澆注溫度偏高，也會誘發(fā)縮松等缺陷。所以澆注溫度是極為重要的一環(huán)，需要根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)以及冷鐵的使用綜合考慮，并結(jié)合實際澆注進行驗證調(diào)整，直至找到最理想的澆注溫度。另外在實際生產(chǎn)中，我們往往會發(fā)現(xiàn)冒口明明很大，模數(shù)也大于被補縮部位的模數(shù)，但冒口根部仍時有縮松的情況發(fā)生，其歸根結(jié)底在于冒口的補縮效率低。針對此種情況，我們推薦使用冷鐵和發(fā)熱冒口相結(jié)合的補縮工藝。發(fā)熱冒口作為一種高效率的補縮冒口，其補縮效率可達40%，鐵水在冒口內(nèi)保持液態(tài)的時間長，可補縮時間長，冒口徑斷面好，可以從根本上解決鑄造工藝出品率低、成本高的問題。

這里重點說一下氣渣隔缺陷，我們在用模擬軟件對國內(nèi)某客戶的輪轂進行充型模擬時發(fā)現(xiàn)，鐵液從底面法蘭進入型腔后，由于本身采用披縫澆口鐵水流量大，再加上采用快澆工藝，鐵液在進入型腔后迅速上升并到達側(cè)面法蘭，撞擊之后會有一定的回流，由于此種輪轂側(cè)面法蘭和底平面的連接處過窄，局部壁厚最小處只有40mm，遠小于兩端法蘭的壁厚，回流到底平面的鐵液并不能完全被后續(xù)的鐵液沖出，此外回流卷入的氣體和砂型中未排除的氣體在底平面上方形成一個密閉的氣腔，氣體無法及時排出，形成了氣隔缺陷。再者，氣泡往往具有吸附作用，新涌入的鐵液中的氧化渣吸附在氣泡壁上，從而形成了獨特的氣渣隔缺陷。

針對此種現(xiàn)象，我們主要從三個方面進行改進：（1）適當?shù)难娱L澆注時間，保證鐵液的平穩(wěn)沖型；（2）嚴格控制再生砂的酌減量，確保不超過3.5%，從而減小發(fā)氣量；（3）在側(cè)法蘭和底平面連接壁厚最小處，增加工藝打磨量，并增設(shè)排氣瓷管。

2.2 工藝優(yōu)化

在大型風電鑄件工藝設(shè)計過程中我們需要充分考慮鑄件的結(jié)構(gòu)，澆注系統(tǒng)的引入方式，因為在上文所述的一些缺陷中，鐵液碰撞對沖現(xiàn)象是不可避免的因素，而如何保證鐵液的平穩(wěn)充型是重中之重。為此，我們選擇F內(nèi)：F橫：F直=0.95：（1.5-2）：1的底澆式澆注系統(tǒng)，這種優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)充型平穩(wěn)，可避免金屬液發(fā)生激濺，此外橫澆道處于充滿狀態(tài)，阻渣效果良好。但此種澆注系統(tǒng)內(nèi)澆道過熱現(xiàn)象明顯，內(nèi)澆道位置可能產(chǎn)生縮松缺陷，所以需要分多道引入分散熱節(jié)，并在引入鐵水處增加冷鐵，從而杜絕缺陷的產(chǎn)生。此外，隨著風電鑄件表面質(zhì)量越來越高，在內(nèi)澆道前增設(shè)過濾片也是提高鑄件質(zhì)量的有效措施，而且在引入過濾片后，由于過濾片良好的阻渣性能，我們可以有效的解放內(nèi)澆道，將F內(nèi)的橫截面進一步提高緩解壓力，更好的保障鐵液的平穩(wěn)充型。另外，針對鑄件的氣孔缺陷，可以從以下兩個方面進行輔助控制：（1）混合砂的灰分含量必須控制在0.5%以下，

灰分含量過高會導(dǎo)致樹脂固化劑的加入量增加，灼減量增加，發(fā)氣量增加，透氣性差等等；（2）選擇合適的砂箱，冒口處可單獨放出，從而控制砂鐵比，也可使用舊砂塊，以此來減少原砂加入量，降低灼減量。

2.3 質(zhì)量檢測

鑄件澆注工作的完成并不意味著鑄件的成功生產(chǎn)，還需要進行最后一步的質(zhì)量檢測。例如超聲波無損探傷技術(shù)就是目前最為普遍的一種檢測手段。USM35X是目前廣泛應(yīng)用的一種探測儀器，超聲波的探測速度大概在5000m/s，根據(jù)相應(yīng)的標準和要求，在大型風電鑄件鑄造中，高應(yīng)力區(qū)的檢驗要求為2級，標準也是通用的歐洲標準，而對于非高應(yīng)力區(qū)域，所采用的標準為3級。對于夾渣類缺陷，不能超過3級標準，所得的檢驗結(jié)果具有重要意義。

3 結(jié)束語

本文以大型風電鑄件為例對樹脂砂鑄造工藝進行研究，對夾砂、夾渣、氣孔等缺陷進行分析并提出可靠的控制措施，并對相關(guān)缺陷從以下兩個方面進行優(yōu)化：（1）對澆注系統(tǒng)的截面積進行優(yōu)化并提出兩種方案。（2）對砂型的發(fā)氣量進行控制。通過對以上工藝參數(shù)的優(yōu)化以實現(xiàn)質(zhì)量控制，從而提高大型風電鑄造件的穩(wěn)定性和可靠性。

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