5.5MW風(fēng)機前機架的鑄造研究

甄立軍，劉建勇，張昊偉，吳協(xié)正，肖遠余

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

5.5MW風(fēng)機前機架的鑄造研究

甄立軍，劉建勇，張昊偉，吳協(xié)正，肖遠余

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

5.5 MW風(fēng)電是公司開發(fā)的新產(chǎn)品，前機架重量最重，澆鑄鐵水93 t，鑄件重量72 t，是目前事業(yè)部生產(chǎn)的單件最重、尺寸最大的鑄鐵件。文章詳細敘述了在熔煉設(shè)備、廠房高度、吊車等條件有限的情況下，通過精心設(shè)計工藝，開創(chuàng)性地在砂芯內(nèi)部設(shè)計澆鑄系統(tǒng)，以增加鑄件的有效吃砂量，減少砂箱尺寸，減輕起吊重量；在沒有任何資料的前提下，通過軟件模擬，對各種方案進行對比，比較精確地設(shè)計了冒口、澆口、冷鐵；通過精確地控制熔煉過程操作，完成多包同時球化93 t鐵水，最大化地調(diào)整有限生產(chǎn)的生產(chǎn)設(shè)備，圓滿地完成了前機架的生產(chǎn)任務(wù)過程。

有效吃砂量，計算機模擬

0 引言

按照公司的研發(fā)計劃，與歐洲著名的設(shè)計公司聯(lián)合試制2臺5.5 MW風(fēng)機，我方主要負(fù)責(zé)制造，外方主要負(fù)責(zé)設(shè)計。根據(jù)公司的要求，鑄造事業(yè)部作為公司出機配套單位之一，擔(dān)任風(fēng)機的前機架、輪轂、主軸、主軸座鑄件的生產(chǎn)重任，其中前機架重量最重，澆鑄鐵水93 t，鑄件重量72 t，是目前事業(yè)部生產(chǎn)的單件最重、尺寸最大的鑄鐵件。前機架屬于風(fēng)力機組的關(guān)鍵部件，所有的部件都裝配在前機架上，包括齒輪箱、主軸座、主軸、發(fā)電機等，前機架要求按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)全部超聲波探傷，不能有超標(biāo)的缺陷，要求非常高。

1 生產(chǎn)前機架存在的問題

新建鑄鐵車間考慮了公司的發(fā)展，主要考慮大量生產(chǎn)3 MW以下的風(fēng)機鑄件。模型工段的生產(chǎn)條件:吊車10 t、工段最大門6 m寬。鑄鐵車間現(xiàn)有的生產(chǎn)條件為:吊車75 t（最大起吊重量90 t）、造型地坑2.5 m、澆鑄地坑3 m、車間大門6 m寬；熔煉設(shè)備:30 t保溫爐1臺、12 t熔煉爐1臺 （一拖二）、15 t電爐1臺、5 t電爐1臺。所有熔煉設(shè)備超負(fù)荷運行剛好能出鐵水95 t。所有的工藝設(shè)計必須符合以上設(shè)備的要求，否則產(chǎn)品設(shè)計就不能實現(xiàn)。

前機架尺寸為6 000 mm×5 000 mm×5 000 mm，鑄件澆鑄完以后剛好能出車間大門，在接受公司的任務(wù)以后，結(jié)合車間現(xiàn)有設(shè)備進行全面的風(fēng)險評估，認(rèn)為只要采取適合的工藝方案，通過鑄造工藝攻關(guān)，基本上可以把砂型、砂芯的起吊重量控制在90 t以內(nèi)。需要解決的問題是:（1）由于受車間大門和起吊重量的限制，砂箱的尺寸控制在6.5m×6m×0.5m，由于采用組合形式，砂箱的剛性比較差，起吊的時候變性比較大，容易引起砂型 （芯）開裂；（2）鑄件的高度是6 m，加上底蓋箱，鐵水的壓頭最少有7 m，底部砂型承受50 t/m2的壓力；（3）鐵水的流動性很好，所以跑火的風(fēng)險也非常大；（4）工藝設(shè)計時澆鑄重量必須控制在90 t以內(nèi)；（5）澆鑄場地的所有設(shè)備設(shè)施在生產(chǎn)過程中不能出現(xiàn)任何故障；（6）模型制作方面:歐洲協(xié)作單位是一家設(shè)計公司，圖紙的設(shè)計都是先有了三維模型，再從模型上投影而成圖紙，基本上沒有考慮到實際生產(chǎn)要求是需要型線過渡的，給模型的制作帶來非常大的困難，很多地方都沒有尺寸，都是在Pro/e模型上切刨出來，過渡的地方?jīng)]有完整的尺寸，都是在三維模型上實測出來的。模型制作時間創(chuàng)紀(jì)錄地達到4個月時間。

2 工藝參數(shù)的選取

2.1 澆鑄位置的選取

圖1為前機架的立體圖，從圖中可以看出來選擇合適的分型面是比較困難的，由于尺寸比較大，受各方面約束，只能把最大尺寸選擇在高度方向，經(jīng)過對各種方案的相互對比，同時結(jié)合其他廠家生產(chǎn)類似結(jié)構(gòu)鑄件的方案，最終選擇了如圖2所示的澆鑄位置，這種位置的優(yōu)點有:（1）砂箱尺寸最小，這對于起吊重量受限制的操作過程來講，非常重要；（2）起模方便，不需要拆活。這個對于前機架來講很重要，因為上面搭子太多，不需要拆活，尺寸可以得到精確控制，免去了將來照配的麻煩；（3）不需要外圍砂芯，減小操作難度，節(jié)約木材，降低成本；（4）厚大斷面很方便補縮，進而容易保證質(zhì)量。

圖1 前機架模型圖

2.2 砂箱的選取

選取正確的澆鑄位置以后，根據(jù)澆鑄位置合理設(shè)置芯盒，確定芯頭的長度，按照芯頭的長度，保留一定的空間設(shè)置澆鑄系統(tǒng)以后最終確定需要砂箱的大小，根據(jù)以上結(jié)果，確定砂箱的尺寸為6.5 m×6 m×0.5 m，查閱現(xiàn)有的組合砂箱標(biāo)準(zhǔn)，有這個系列的標(biāo)準(zhǔn)，核算鑄件的高度，最終確定需要6.5 m×6m×0.5m砂箱14個。

砂箱數(shù)量確定以后，計算單個砂箱的重量，根據(jù)模型外形，適當(dāng)增加箱筋的重量，再計算出型砂的重量，這樣就得出了起吊的總重量，根據(jù)重量就得出了分型面的位置，就形成了圖2所示的分型方式。確定好分型面以后，按照型腔設(shè)計砂芯，計算砂芯重量，剛好在吊車的起吊范圍之內(nèi)。根據(jù)凸臺上面螺孔的布置情況，放置適當(dāng)?shù)墓に囇a正量以及加工余量，這樣就基本完成了工藝的大方案。

圖2 前機架工藝方案

2.3 澆鑄系統(tǒng)、冒口的設(shè)定

澆鑄系統(tǒng)是工藝非常關(guān)鍵的部分，成功的澆鑄系統(tǒng)決定了鐵水能平穩(wěn)地進入型腔，不產(chǎn)生二次氧化夾雜，鐵水到型腔的溫度比較均勻，使得鑄件凝固過程不出現(xiàn)縮孔縮松，進而保證超聲探傷能合格。

前機架采用的是座包澆鑄，能有效地阻擋一次夾雜進入型腔，由于廠房的高度、地坑的深度受到限制，座包只能采用扁平方式，高度不能太高。

由于鑄件有6 m高，只能采用階梯式澆鑄系統(tǒng)，初步設(shè)計用2層澆口，澆鑄系統(tǒng)計算如下:

式中:

t—澆鑄時間，s；

S—系數(shù) (與鑄件的壁厚有關(guān)系)，取1.7；

G—鐵水的總重量，約93 000 kg。

式中:

k—系數(shù)，與鑄件的體積與重量的比值有關(guān)系，取0.55；

F—阻流面積，cm2。

F=93 000/575×0.55=294 cm2

按照球墨鑄鐵澆鑄系統(tǒng)的計算方法:

μ—澆鑄系統(tǒng)中的阻力總消耗系數(shù)，查表得知為0.41；

h—壓力頭高度，cm，計算得知為375。

由于國內(nèi)很少澆鑄這樣的鑄件，參考國外其他資料，又查找了相關(guān)資料，并做了對比，對這么大的鑄件采取階梯澆鑄是比較理想的，但必須控制澆鑄順序，一定要避免鐵水在型腔中的攪拌。

根據(jù)以上情況看，每種辦法計算出來差別很大，2個公式都有適用范圍，對于93 t這樣大的鑄件來講，公式能不能適合，就很難說，但也給出了大概的范圍，有一定的指導(dǎo)意義。

按照目前成功的經(jīng)驗，結(jié)合各種資料以及鑄件的特征，鑄件的澆鑄系統(tǒng)設(shè)計如圖3所示。將中間一層的橫澆口、內(nèi)澆口設(shè)計在砂芯里，這樣跑火的風(fēng)險就很小，結(jié)果鑄件澆鑄完以后，鐵水到冒口上部時流動性很差，加上鑄件比較高，座包與鑄件之間已經(jīng)沒有壓差，造成鐵水澆不進去，但是鑄件完全澆起來了，在清理時發(fā)現(xiàn)由于鑄件本體鐵水補縮不夠，出現(xiàn)很多巨大的縮孔，采取了其他辦法挽救成功。在總結(jié)了上面2次經(jīng)驗基礎(chǔ)上，對澆鑄系統(tǒng)進行了改進，采用了三排階梯澆鑄，同時將橫澆口和內(nèi)澆口設(shè)計在砂芯內(nèi)，這樣做好處是很明顯的，增加了鑄件的吃砂量，避免了跑火，增加了第三排澆鑄系統(tǒng)以后，大大加快了澆鑄速度，改善了溫度場的分布，使得鐵水進入型腔以后每個部位的鐵水溫度基本均勻。采用改進后的澆鑄系統(tǒng)以后，使得澆鑄時間減少到5～6min，鐵水澆鑄到最頂部，到冒口里的鐵水溫度還是比較高，這樣就可以對鑄件多次進行補澆，解決了前面澆鑄出現(xiàn)的澆不進去的問題。

圖3 澆冒口冷鐵的設(shè)置

冒口的選擇:冒口的選擇非常重要，能不能得到完美的鑄件，與冒口的設(shè)置有很大關(guān)系，按照慣例選取補縮效率比較高的楔形冒口，按照所在壁厚與冒口為0.8的比例選取楔形冒口的冒口頸，根據(jù)鐵水總量的3%計算冒口重量，大概冒口重量為3 t。分別在最高點和最厚點，判斷為最后凝固的部位放置楔形冒口，具體見圖2和圖3。現(xiàn)在看到的圖2、圖3所示冒口是第二次經(jīng)過改進的冒口，與前面相比較，增加了2個冒口，第一次澆鑄完以后，發(fā)現(xiàn)澆鑄這種鑄件，鐵水的收縮量很大，比資料上介紹的要增加一倍，增加冒口以后，冒口的重量占到了總鐵水量的5%～6%。

冷鐵的設(shè)置:在設(shè)置冷鐵前，對厚大部分結(jié)構(gòu)進行分析，對受力比較大、探傷要求比較高的部位按照一定的比例適當(dāng)放置冷鐵，考慮到球鐵的凝固特征，在凝固的最后階段不需要再進行補縮。

這樣所有的工藝設(shè)計就基本完成，按照設(shè)計進行建模，圖3是根據(jù)鑄造工藝建的模，從圖中可以看出，冷鐵、冒口、鑄件本體、澆鑄系統(tǒng)是分的很清楚的。

建模完成后，用MAMAG軟件進行模擬。

圖4 底部澆鑄模擬

圖5 中間上部澆鑄模擬

圖4、圖5對澆鑄過程進行模擬，從模擬可以大概看出，最先澆鑄的是最下面的澆鑄系統(tǒng)，由于兩道澆鑄系統(tǒng)是相互獨立的，底面澆鑄的時候，中間和上面兩層澆口不進鐵水，底面的澆鑄系統(tǒng)負(fù)責(zé)下箱鐵水的澆鑄，進水量大概在30～40 t，當(dāng)鐵水上升到中分面附近時，底部的鐵水也澆鑄完畢，中間的澆鑄系統(tǒng)開始澆鑄，鐵水上升到一定高度的時候，中間澆鑄系統(tǒng)由于沒有壓差，就自動停止?jié)茶T，上面的澆鑄系統(tǒng)開始進行澆鑄，一直到澆鑄結(jié)束，這樣到冒口里的鐵水溫度還是比較高，鐵水流動性還是比較好。

某些廠家為了將冷鐵水排出來，在冒口上設(shè)計了溢流口，多澆鑄 （大概2～3 t）的鐵水，從冒口里溢流出來，這樣就保證了冒口里是熱鐵水。新設(shè)計的澆鑄系統(tǒng)與某些廠家及資料介紹的相比較，節(jié)約鐵水，減少了操作難度，本來熔煉設(shè)備的容量就非常有限，減少鐵水的消耗，大大降低了風(fēng)險。

通過模擬澆鑄，觀察到鐵水上升很平穩(wěn)，液面上升基本上是水平，鐵水在型腔里沒有發(fā)生大的對流。鐵水平穩(wěn)上升減少了球鐵的氧化和夾雜的形成以及表面缺陷。這些在后來的探傷以及表面打磨中得到了很好的驗證。

2.4 凝固過程模擬

澆鑄完成以后，鑄件就進行了凝固模擬，挑選幾個關(guān)鍵的抓圖，分別說明凝固的過程。

圖6 凝固50%

圖7 凝固70%

圖6是凝固到50%時的截圖，圖7是凝固到70%時的截圖，顏色越淺溫度越高，右邊是所在顏色與溫度對比，可以看出在凝固到70%的時候壁厚比較薄的部位已經(jīng)開始凝固，但厚大部位還是液態(tài)，冒口的外殼已經(jīng)形成了硬殼，澆鑄系統(tǒng)基本上已經(jīng)凝固，壁厚較薄的部位外表已經(jīng)凝固，冷鐵面激冷效果比較明顯。

圖8 凝固98%

圖9 凝固90%

圖8是凝固到98%的時候?qū)γ翱谶M行刨切的截圖，從圖中可以看出，即使到了凝固的最后，冒口依然有補縮作用。圖9是凝固到90%的時候冒口刨切橫截面截圖，從圖中可以看出，冒口中心部位依然有很多鐵水，可以補縮本體鐵水的不足。

圖10 凝固結(jié)束缺陷分布

圖10是凝固結(jié)束以后的缺陷顯示，從圖中可以看出，凝固結(jié)束以后，局部小范圍內(nèi)有很小的缺陷，通過對缺陷體積的測量，尺寸比較小，都在超聲探傷允許的范圍之內(nèi)。

經(jīng)過多次調(diào)整冒口的尺寸，同時參考第一次澆鑄時鐵水的收縮量，從凝固模擬的結(jié)果看，還是比較滿意，所以決定按照這個工藝進行第二件投料。

3 過程控制

3.1 造型

按照圖紙要求，組織相關(guān)人員進行工藝交底，著重強調(diào)如下幾個方面:

（1）砂箱內(nèi)增加箱筋，以增加剛性，盡量減少砂型開裂。

（2）澆鑄系統(tǒng)嚴(yán)格按照圖紙要求設(shè)置，在砂型與砂芯搭接的地方，留出補砂擋，在搭接過程中不能有型砂掉進澆鑄系統(tǒng)，搭接好后及時補砂。

（3）砂型 （芯）在起吊過程中開裂要進行修補，修補完以后要檢查，確認(rèn)修補好以后再走下一步。

（4）砂芯必須要緊固好，保證在澆鑄過程中不能發(fā)生漂浮。

（5）把箱要用箱卡，進行計算，砂型 （芯）所受的浮力為582 t，必須密集使用箱卡。

（6）考慮到砂型承受的壓力太大，要求在外面用鋼板圍一圈，以避免跑火。

（7）澆鑄前搭建安全平臺，平臺搭建好以后，要進行澆鑄過程預(yù)演等。

3.2 熔煉過程控制

3.2.1 現(xiàn)有設(shè)備

2臺12 t熔化爐、1臺30 t保溫爐、1臺15 t熔化爐、1臺5 t熔化爐。25 t球包、30 t球包、20 t球包、15 t球包。35 t專用座包（2個）。75 t、2×50 t吊車及其重量顯示。上述所列設(shè)備必須無故障運行，球包、座包須預(yù)清理干凈備用，吊車重量顯示準(zhǔn)確。

3.2.2 工藝技術(shù)方案

材料牌號:EN-GJS-400-18U-LT，δ5%≥12，AKv 10 J/cm2，3個試樣平均值，個別AKv允許僅大于7 J/cm2。試樣要求:鑄件的附鑄試塊上取1個拉伸試樣和3個沖擊試樣。

熔煉工藝:生鐵95%，廢鋼5%。鐵水熔清成分目標(biāo):Si 0.50%，若不足或超出，將增減孕育劑加入量。終Si:1.90%。球化劑1.5%，隨流孕育劑0.3%，覆蓋劑0.25%，孕育劑預(yù)計0.60%。隨爐加入0.15%的SiC粉。球包球化處理后至澆鑄開始時間盡量控制25 min以內(nèi)。

3.2.3 熔煉澆鑄方案

編制了詳細的熔煉方案，準(zhǔn)備了95 t鐵水，包括爐子的熔煉順序，球化的先后順序，吊車的指揮等詳細的過程細則，同時制定了一旦出現(xiàn)失誤的預(yù)案，做到精細操作，責(zé)任到人。根據(jù)制定的方案進行技術(shù)交底。

經(jīng)過大家?guī)讉€月的艱辛努力，嚴(yán)格按照工藝要求操作，終于澆鑄成功，沒有發(fā)生大的問題。

4 結(jié)果分析

鑄件澆鑄以后，經(jīng)過保溫、打箱、清理等工序，進行粗加工探傷，對尺寸進行檢查，試樣做理化性能檢驗，全部達到設(shè)計要求，轉(zhuǎn)入精加工，在精加工過程中出現(xiàn)了少量搭子錯位，起吊孔偏的問題，這些與設(shè)計協(xié)商，做了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，進入了總裝。

在生產(chǎn)過程中，也遇見了以前沒有遇見的難題，一些能力也得到了提高。

按照球鐵凝固理論，球鐵在凝固后期有石墨化膨脹，但澆鑄這樣大的鑄件，收縮很大，石墨化膨脹的作用不明顯，其一收縮的鐵水量很大，鐵水澆鑄滿鑄型以后，很快就收縮下去，連續(xù)補澆兩次以后才停止?jié)茶T。其二在凝固過程冒口補縮量非常大，設(shè)計的最低楔形冒口的高度為550 mm，凝固結(jié)束以后，所有冒口的整體高度下降400 mm，經(jīng)計算整體的鐵水補縮達到5%，這是很少見的。

球墨鑄鐵鐵水的密度大約為7 g/cm3，石墨的密度為2.2 g/cm3，取含有2.5%硅和3.45%碳的球墨鑄鐵鐵水100 cm3正好處于凝固溫度，則可轉(zhuǎn)變成（（3.45-1.1）/98.9）×100=2.38重量百分?jǐn)?shù)的石墨。1.1%是碳在固體中近似最大溶解度。

原始液體體積是100 cm3，重量為100×7=700 g，石墨析出量為0.238×700=16.66，占據(jù)體積為: 16.66/2.2=7.57 cm3，剩下700-16.66=683.34 g的鐵水占據(jù)683.34/7=97.62 cm3的體積，因為大約有3%的凝固收縮，所以97.62×0.97=94.69 cm3，凝固后的總體積是94.69+7.57=102.26 cm3，凈體積增加了2.26%。

由以上可以說明，大型球墨鑄鐵件由于砂型要承受很大的壓力，在凝固過程中，石墨化膨脹會造成鑄件的壁厚增加，要求砂型的強度控制在1.0～1.2 MPa，與普通件相比較，明顯增加了鑄型的剛性。

澆鑄5.5MW的其他鑄件，例如46 t的輪轂、32 t的主軸，23 t的主軸座位都選用了相同砂型強度，這些鑄件在凝固后期由于石墨化膨脹都出現(xiàn)了在冒口里有少量鐵水冒出的現(xiàn)象，唯獨前機架沒有，而且冒口里鐵水下降了400mm之多。

以上這些說明對球鐵凝固認(rèn)識還很有限，特別是對大型、特大型球墨鑄鐵件生產(chǎn)還缺乏經(jīng)驗，而這方面的資料更是很少，需要在以后的生產(chǎn)過程中加以總結(jié)。

[1]陸文華,李隆盛,黃良余.鑄造合金及其熔煉[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006

[2]中國機械工程學(xué)會鑄造分會.鑄造手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007

Research on Casting of 5.5 MW WTG Front Frame

Zhen Lijun，Liu Jianyong，Zhang Haowei，Wu Xiezheng，Xiao Yuanyu
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

5.5 MW wind turbine is a new product developed by the company.The front frame is the heaviest,the total weighs 93 tons and the casting weighs 72 tons,it's currently the heaviestand the largest iron casting in the department.In the fimite condition of smelting equipment,plant height,crane etc.,the paper introduces in detail the sand core design of gating system to increase the amount of effectivemold thickness and decrease the size of sand box,to reduce lifting weight by careful design process.The riser, gate and chill are designed precisely by comparing the schremes without any data.Through precise controlling smelting process operation,the complete packagemore spheroidizing 93 tons of hotmetal at the same time,tomaximize the adjustment of the limited production equipment,successfully completed the production tasks.

effectivemold thickness,computer simulation

TG242

：B

：1674-9987（2014）01-0048-07

甄立軍（1962-），男，高級工程師，工學(xué)學(xué)士，畢業(yè)于甘肅工業(yè)大學(xué)鑄造專業(yè)，在東方汽輪機鑄造事業(yè)部工作，副主任工程師，主要從事厚大球墨鑄鐵件的凝固、充型技術(shù)研究及鑄造工藝開發(fā)工作。