基于树脂砂铸造工艺的风电设备研究综述

郭伟

摘 要：通过分析大型风电设备本身的结构特征，在树脂砂铸造工艺条件下，对大型风电设备铸造所面临的各种问题进行分析和论证。首先分析大型风电设备铸造过程中的夹渣和缩孔等问题，进而根据树脂砂铸造工艺的工艺特征来解决，强调铸造过程的铸造工艺和质量管理，最终持续改进以获得优质的铸件。

关键词：树脂砂；风电铸件；铸造工艺；质量管理

中图分类号：TG24 文献标志码：A 文章编号：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

隨着近年来地球上一次性能源的大量使用，这些不可再生能源将日趋匮乏，与此同时可再生资源如太阳能、风能和海洋能将被人类广泛利用[1]。而风力发电作为其中较为重要的一环而被人们广泛关注，由于风资源本身的不确定性而对风力发电机组的有效使用造成较大的影响，从而对大型风电设备提出了更高的要求以完成实际工作[2]。

风力发电作为一种清洁能源，其工作原理是通过机电装置将风能通过一定形式转换为风电设备的机械能，再利用相应的机电设备将机械能转化为可以利用的电能。其中最为重要的风电铸件有轮毂、扭力臂、叶轮等，都需要很高的技术要求[3]。树脂砂铸造工艺因为其独特的精度高、废品率低和组织致密等优点，其使用范围要远远大于一般性的砂型铸造。树脂砂铸造技术同时因为其铸造中的流动性好和硬化强度高而广泛应用于大型铸件中。本文以大型风电设备为例进行树脂砂铸造工艺和控制等方面的研究[4]。

1 树脂砂铸造环节控制

铸造是一种将金属液体浇注到铸造空腔形成产品零部件的产品成型工艺。作为一种历经几千年的热加工工艺，其加工工艺已处于相当高的水平，但是还是存在一定的铸造缺陷。本文所述的树脂砂铸造工艺作为普通铸造的优化改进，可以在一定程度上减少常见缺陷，对于铸造能力的提升具有重要作用。

1.1 铸造工艺环节

产品零部件在铸造过程中应用的技术和方法统称为铸造工艺环节，其中较为重要的有浇冒系统设计、造型工艺和熔炼工艺等环节。浇冒系统设计需依据零件的形状和材料的特点采用传统设计方法和模拟软件辅助完成。大型风电铸件的壁厚通常为60～200mm，在安全冒口选择上有压边冒口、缩颈式冒口等，冒口的具体尺寸信息可以依据铸件的比例f和模数信息m，在冒口设计中需要克服金属液体质量的变化和保证浇注过程的平稳性，避免金属液体的溢出。在浇注系统设计中要遵循减少气孔、废渣缺陷的规则，降低缺陷的发生率，提高产品的可靠性[5]。

1.2 退火工艺环节

退火处理有两种工艺方式。一当铸态组织中存在自由渗碳体时，必须进行高温石墨化退火，此工艺分两个阶段。二当铸件组织中无自由渗碳体时，只需做低温石墨化退火。再利用树脂砂铸造中，由于树脂砂模型具有很好的温度稳定性，能够有效的控制铁液中的化学成分，再结合实际生产中的有效经验，一般大型风电铸件我们采取型内保温4～6天，实现化学元素的缓慢变化，以增强机械性能。

1.3 质量管理环节

大型风电设备铸造过程非常复杂，而针对设计过程中的质量监管，质量的保证需要有效的质量管理。针对前期的工艺设计过程，需要进行预先的软件模拟，查出设计中的不规范和缺陷，而后针对图纸中的细节进行修改核对。在工艺文件的每个环节，容易出现失误的地方，都需要车间操作工，施工员和领导的把控，实现真正的环节控制以达到质量控制。

2 树脂砂铸造工艺探讨

2.1 缺陷分析与控制措施

本文以企业实际生产中的大型风电铸件轮毂为例进行说明，在轮毂的实际生产中，当轮毂造型、浇注、清理等铸造工艺过程结束后，在实际的检测后发现，铸件内腔出现夹砂现象，铸件外表面有起皮或粘砂等缺陷，同时也会有一些夹渣、缩孔、气孔等缺陷，这都在很大程度上影响产品的使用性能和合格性。

仔细分析这些缺陷的成因，缺陷的形成主要有以下几个因素：砂型强度偏低或过高，浇注温度不合适，传统冒口补缩效率低等。众所周知，适宜的砂型强度是获得合格铸件极为重要的一环，而合理的树脂、固化剂加入量是保障砂型强度的必要条件之一。树脂、固化剂加入量过低，砂型的强度就低，砂型局部可能会存在干砂从而导致砂眼缺陷的产生，再者砂型强度低铁水在浇注过程中也会产生冲砂从而导致夹砂缺陷的产生。而加入量过高，虽然砂型的强度会增加，但附带会直接导致再生砂的灼减量增加，从而导致砂型的发气量变大，铸件产生气孔的可能性增加。经过长时间的实践摸索，我们最终将树脂的加入量控制在了0.9%～1.2%，固化剂的理想加入量控制在了树脂含量的40%，从而保证型砂的8小时抗拉强度达到1.0～1.2MP，保障大型风电铸件铸型的基本要求。至于，浇注温度我们一般控制在1330～1350℃这个区间，如果浇注温度偏低，会导致铁水本身的流动性问题，可能导致夹渣甚至浇不足，如果浇注温度偏高，也会诱发缩松等缺陷。所以浇注温度是极为重要的一环，需要根据铸件结构以及冷铁的使用综合考虑，并结合实际浇注进行验证调整，直至找到最理想的浇注温度。另外在实际生产中，我们往往会发现冒口明明很大，模数也大于被补缩部位的模数，但冒口根部仍时有缩松的情况发生，其归根结底在于冒口的补缩效率低。针对此种情况，我们推荐使用冷铁和发热冒口相结合的补缩工艺。发热冒口作为一种高效率的补缩冒口，其补缩效率可达40%，铁水在冒口内保持液态的时间长，可补缩时间长，冒口径断面好，可以从根本上解决铸造工艺出品率低、成本高的问题。

这里重点说一下气渣隔缺陷，我们在用模拟软件对国内某客户的轮毂进行充型模拟时发现，铁液从底面法兰进入型腔后，由于本身采用披缝浇口铁水流量大，再加上采用快浇工艺，铁液在进入型腔后迅速上升并到达侧面法兰，撞击之后会有一定的回流，由于此种轮毂侧面法兰和底平面的连接处过窄，局部壁厚最小处只有40mm，远小于两端法兰的壁厚，回流到底平面的铁液并不能完全被后续的铁液冲出，此外回流卷入的气体和砂型中未排除的氣体在底平面上方形成一个密闭的气腔，气体无法及时排出，形成了气隔缺陷。再者，气泡往往具有吸附作用，新涌入的铁液中的氧化渣吸附在气泡壁上，从而形成了独特的气渣隔缺陷。

针对此种现象，我们主要从三个方面进行改进：（1）适当的延长浇注时间，保证铁液的平稳冲型；（2）严格控制再生砂的酌减量，确保不超过3.5%，从而减小发气量；（3）在侧法兰和底平面连接壁厚最小处，增加工艺打磨量，并增设排气瓷管。

2.2 工艺优化

在大型风电铸件工艺设计过程中我们需要充分考虑铸件的结构，浇注系统的引入方式，因为在上文所述的一些缺陷中，铁液碰撞对冲现象是不可避免的因素，而如何保证铁液的平稳充型是重中之重。为此，我们选择F内：F横：F直=0.95：（1.5-2）：1的底浇式浇注系统，这种优化后的浇注系统充型平稳，可避免金属液发生激溅，此外横浇道处于充满状态，阻渣效果良好。但此种浇注系统内浇道过热现象明显，内浇道位置可能产生缩松缺陷，所以需要分多道引入分散热节，并在引入铁水处增加冷铁，从而杜绝缺陷的产生。此外，随着风电铸件表面质量越来越高，在内浇道前增设过滤片也是提高铸件质量的有效措施，而且在引入过滤片后，由于过滤片良好的阻渣性能，我们可以有效的解放内浇道，将F内的横截面进一步提高缓解压力，更好的保障铁液的平稳充型。另外，针对铸件的气孔缺陷，可以从以下两个方面进行辅助控制：（1）混合砂的灰分含量必须控制在0.5%以下，

灰分含量过高会导致树脂固化剂的加入量增加，灼减量增加，发气量增加，透气性差等等；（2）选择合适的砂箱，冒口处可单独放出，从而控制砂铁比，也可使用旧砂块，以此来减少原砂加入量，降低灼减量。

2.3 质量检测

铸件浇注工作的完成并不意味着铸件的成功生产，还需要进行最后一步的质量检测。例如超声波无损探伤技术就是目前最为普遍的一种检测手段。USM35X是目前广泛应用的一种探测仪器，超声波的探测速度大概在5000m/s，根据相应的标准和要求，在大型风电铸件铸造中，高应力区的检验要求为2级，标准也是通用的欧洲标准，而对于非高应力区域，所采用的标准为3级。对于夹渣类缺陷，不能超过3级标准，所得的检验结果具有重要意义。

3 结束语

本文以大型风电铸件为例对树脂砂铸造工艺进行研究，对夹砂、夹渣、气孔等缺陷进行分析并提出可靠的控制措施，并对相关缺陷从以下两个方面进行优化：（1）对浇注系统的截面积进行优化并提出两种方案。（2）对砂型的发气量进行控制。通过对以上工艺参数的优化以实现质量控制，从而提高大型风电铸造件的稳定性和可靠性。

参考文献：

[1]张年玉，陶元亮，叶青，等.风电低温球铁铸件铸造工艺综述[J].铸造技术，2012，33（2）：64-68.

[2]唐桂清，石斌.大型风电球铁件轮毂的铸造及检验技术[J].重型机械，2013（4）：84-87.

[3]冯琴.风电机组紧固件的要求及制造工艺[J].电气工程学报，2012（3）：54-56.

[4]杨万银，张选志，王今胜，等.大型QT350-22AL轮毂铸件的铸造工艺[J].现代铸铁，2013，33（3）：59-62.

[5]文厚林，申荣华，薛楠.冲头砂型铸造浇冒系统设计与数值模拟[J].铸造，2014，63（5）：473-475.