风电轮毂铸件的浇注系统探讨

杭家友，刘 根

（1.好圣汽车零部件制造有限公司，四川绵阳 621000；2.普什铸造有限公司，四川宜宾 644000）

1 概述

轮毂铸件是风电机组中非常重要的零部件，铸件的尺寸大（直径及高度超过2 000 mm），质量大（超过10 000 kg），壁厚差异大（薄壁处超过40 mm，厚壁处超过200 mm），是一种要求高（全身进行UT、MT检测）的厚大类球墨铸铁铸件。

因为其质量要求高，导致公司在开发该产品的阶段，轮毂的废品率很高，主要是UT、MT检测不合格。而当前铸造生产中都着重于球铁的球化处理、孕育处理等熔炼工艺方面，或多或少忽视了铸造造型工艺方面（主要是浇注系统设计方面）对铸件质量的影响。本文基于生产实践，结合铸造理论，浅析如何通过改进工艺（浇注系统）来提高铸件（轮毂）的质量。

2 轮毂铸件主要质量问题及原因分析

2.1 轮毂铸件主要质量问题

轮毂铸件主要质量问题突出表现为UT不合格和MT不合格。

2.2 原因分析

2.2.1 轮毂铸件最主要的缺陷是夹渣（杂）、渣气孔

（a）UT不合格

一种情况表现为：单个或连续区域的缺陷波，经解剖可发现铸件内部出现缩松（缩孔）缺陷，此类缺陷容易解决，在本公司生产的轮毂铸件上甚少出现；

另一种情况主要表现为底波下降。用UT检测，发现靠近铸件上方10～30 mm厚的一层“渣”，渣层太厚，将超声波吸收或分散，导致底波下降严重，本公司生产的轮毂铸件上甚多此类缺陷，是导致铸件报废的最主要原因。

（b）MT不合格

铸件外观质量差，主要表现在铸件顶面夹渣（杂）严重，渣气孔很多、很厚。

综上所述，导致公司轮毂铸件报废的主要原因在于铸件夹渣严重。

2.2.2 产生渣（杂）的单元

产生夹渣的主要原因有：①电炉里面的渣（杂）；②浇包内的渣（杂）；③与浇注系统有关的渣（杂）；④与型砂有关的渣（杂）；⑤浇注温度的影响。

从生产实践来说，要使铁液非常干净，还是非常困难的，甚至是难以实现的！如果铁液实在不干净，那就必须从造型工艺方面（主要指浇注系统方面）想办法。

浇注系统从广义来讲，包括浇口盆（外浇口）、直浇道、直浇道窝、横浇道、内浇道、横浇道末端延长段等部分。

浇注系统哪部分能够挡渣？一般认为浇注系统中只有横浇道能够挡渣。实际上这是不完整的。

横浇道的确是浇注系统中有挡渣功能的关键部分,但不是唯一部分,我们认为也不是最理想的部分。

浇注系统中最应该挡渣的部分是浇口盆。如果渣（杂）进入了横浇道，就很难避免渣（杂）进入型腔，导致铸件夹渣(夹杂)。如果渣（杂）被挡在浇口盆中，而不进入横浇道，则型腔（铸件）就会干净得多。

所以说，挡渣的优先级排列顺序应该如下：

保证各种炉料干净—保证电炉干净—保证浇包干净—保证铁液扒渣干净—提高浇口盆挡渣能力—提高横浇道挡渣能力—在型腔内设置溢流冒口或集渣包等。

越是靠后，解决夹渣的能力越弱，比如放集渣包，那仅仅是一种“心理安慰”罢了。在生产实践中，放置集渣包对于解决铸件夹渣（夹杂）的效果并不理想。

3 对轮毂铸件旧工艺（浇注系统）的解析

3.1 对浇口盆的挡渣能力分析

对浇口盆的挡渣能力分析,主要体现在两方面：

一方面，浇口盆内的铁液液面高度要≥3倍直浇道的直径尺寸（也有资料显示为5倍），才能有效避免铁液表面形成漩涡，否则，漩涡容易将铁液表面的渣吸入型腔，导致铸件夹渣。

另一方面，浇口盆中铁液出现漩涡（液面高度≤3倍直浇道的直径尺寸）时，此时浇口盆中的铁液总质量要≤浇注系统的质量，确切的说，此浇注系统的质量是指直浇道、直浇道窝、部分横浇道（直浇道与第一个内浇道之间的部分横浇道）的总质量。

原工艺采用大浇口盆浇注，浇口盆内没有任何挡渣的结构，浇口盆的内腔尺寸为（长×宽×高）1 500 mm×1 500 mm×750 mm。

直浇道瓷管内径100 mm，浇口盆内铁液液面高度必须大于300 mm，在浇口盆内才不会出现漩涡，否则，悬浮于液面的渣就会被漩涡吸入浇注系统，进而有可能进入型腔，导致铸件夹渣。

按照浇口盆内液面高度的最低要求—液面高度等于3倍直浇道直径，即300 mm高的液面进行验算，其铁液质量为4 725 kg，这部分铁液是最脏的，不但有孕育、球化产生的渣杂，还有铁液长时间与空气接触而产生的氧化渣。

也就是说，轮毂铸件浇注质量共13 000 kg，在浇注最后的4 725 kg铁液时，铁液表面容易形成漩涡，铁液中的渣很有可能被漩涡吸入型腔，导致铸件夹渣。

而且，旧工艺的浇注系统总质量为1 005 kg，那么4 725-1 005=3 720 kg的“脏”铁液（含渣杂的铁液）就一定会进入型腔，在铸件内形成夹渣缺陷。

所以说，对于轮毂铸件旧工艺，采用大浇口盆的浇注方式，其挡渣效果是很差的。要想解决夹渣缺陷,此浇口盆必须重新设计,使浇口盆具有挡渣功能。

3.2 对浇注系统的挡渣能力分析

轮毂铸件旧工艺如图1所示。横浇道位于分型面位置，内浇道位于横浇道正下方。F直=78.5 cm2，F横=210 cm2，F内=88.2 cm2，则各单元比值为，F直∶F横∶F内=1∶2.68∶1.12。从截面积比值来看，浇注系统为开放式浇注系统。

图1 轮毂铸件旧工艺示意图

从图1以及计算的浇注系统面积可以看出，采用开放式浇注系统，加之如图1所示的浇道搭接形式，可以断定浇注系统挡渣能力非常差，铸件出现夹渣的几率非常高。因此，此浇注系统（直浇道、横浇道、内浇道等）也必须重新设计。

4 新工艺（浇注系统）的改进设计

4.1 设计专用的浇口盆

图2 新工艺浇口盆示意图

如图2所示，浇口盆内设有挡渣泥芯，在放直浇道瓷管的部位做有深200 mm的凹坑。直浇道瓷管直径80 mm，按照最低要求（即液面高度为直浇道直径3倍）计算，得出液面高度为240 mm，可以计算出浇口盆内的铁液质量为210 kg，也就是说，最后的210 kg铁液中渣可能会进入型腔。

新工艺的浇注系统质量为480 kg，480 kg＞210 kg，也就是说，浇口盆内最后的210 kg最“脏”的铁液会全部留在浇注系统内，而不会进入型腔。铸件夹渣的风险大大降低。两种浇口盆进行对比，可以看出专用浇口盆的挡渣优势非常明显。

4.2 重新设计浇注系统

如图3所示，直浇道瓷管内径80 mm，采用底注、开放式浇注系统，多点进流，三次挡渣。

图3 新设计浇注系统

此浇注系统的挡渣能力强，从实际验证结果（后面有对比照片）可以看出，提高浇注系统的挡渣能力，能有效解决铸件夹渣（杂）问题。

5 新旧工艺生产的铸件的质量对比

5.1 旧工艺生产的铸件质量

旧工艺生产的轮毂铸件，UT、MT探伤都大面积超标，夹渣非常严重，如图4所示。

图4 旧工艺生产的轮毂铸件

5.2 新工艺生产的铸件质量

图5是按新工艺生产的轮毂铸件照片（刚抛丸状态）。

图5 新工艺生产的轮毂铸件

从照片对比来看，轮毂铸件外观质量得到很大的改进，并且铸件全身UT探伤以及全身MT探伤都合格。

6 小结

（1）浇注系统能挡渣（杂），要充分利用浇口盆的挡渣作用。

（2）要想横浇道挡渣效果好，浇注系统中各组成单元的位置、搭接方式、面积都很重要。

（3）防止铸件出现夹渣缺陷，生产控制的优先顺序是：保证各种炉料干净—保证电炉干净—保证浇包干净—保证铁液扒渣干净—提高浇口盆挡渣能力—提高横浇道挡渣能力—在型腔内设置溢流冒口或集渣包等。