风电轮毂-法兰

一．风电轮毂的制造球型三角型刚性轮毂的制造成本低、维护少、没有磨损，三叶片风轮大部分采用刚性轮毂，也是目前使用最广泛的一种形式。

但它要承受所有来自风轮的力和力矩，相对来讲承受风轮载荷高，后面的机械承载大，结构上有三角形和球形等型式。

目前所得资料主要集中在浇铸成型上。

如丹麦Vestas、Micon、Bonus、德国Nodex等机组均采用这种形式的轮毂。

通常轮毂的形状为球型或三角型，如图所示分别为球型和三角型。

生产风电轮毂类铸件的质量要求特别高。

其材质一般采用欧标中的EN- JGS- 350- 22U- LT 或EN- JGS- 400- 18U- LT，相当于国际标准中的350- 22LA 或400- 18LA，属于高韧性球墨铸铁。

金相组织要求铁素体大于90％，石墨形态为ISO945 标准中的Ⅴ和Ⅵ型，石墨大小一般为4～6级，石墨分布为A 类，球化率不低于90％。

要求对铸件进行超声波探伤和磁粉探伤，不允许存在超过标准规定的缩孔、缩松、气孔、夹杂物以及表面微裂纹等铸造缺陷。

铸件的尺寸公差为CT11或CT12 级，重量公差为MT12 级。

铸件的表面要求经过多次抛丸处理，表面质量符合欧标EN1370的规定。

对铸造缺陷只能采用打磨处理来消除，决不允许进行焊补.。

生产高韧性球墨铸铁的常规方法是采用石墨化退火热处理和添加贵金属元素Ni 来满足金相组织和力学性能的要求。

如果出于节能降耗和降低成本的考虑，不添加Ni，也不进行石墨化退火，使材质的金相组织和力学性能在铸态下就达到要求，这就很不容易做到了。

从造型工艺方面看，要保证铸件的内在质量和外观质量能够通过超声波探伤和磁粉探伤也绝非易事，也有很多难题要解决。

1．轮毂的熔炼工艺1.1 化学成分确定铸件的化学成分不但直接影响铸件的力学性能，而且影响到流动性、收缩性等工艺性能。

对要求进行低温冲击试验的铸态高韧性球墨铸铁而言，化学成分的确定尤为重要。

简要地说，应当采用“高碳、低硅、低锰、低硫、低磷、适量稀土和镁”的原则来确定成分。

1.1.1 含碳量对球墨铸铁来说，含碳量高，有利于石墨析出，石墨球数增多，球径变小，圆整度提高。

适当提高含碳量也有利于减少缩孔、缩松的体积，提高铸件的致密度。

实验证明，就铸态铁素体球墨铸铁而言，选择较高的含碳量对提高冲击韧度和伸长率是有利的。

但考虑到过高的含碳量可能出现石墨漂浮，将含碳量定为3.50％～3.80％［1］。

1.1.2 含磷量在球墨铸铁中，磷虽然不影响石墨球化，但却很容易偏析，在晶界形成磷共晶硬脆相，对球墨铸铁的力学性能特别是塑性和冲击韧度产生十分恶劣的影响。

所以，生产铸态高韧性球墨铸铁时，总是希望磷越低越好。

据资料介绍，对轮毂类的风电铸件，国外一般提倡将磷控制在0.02％以下。

在国内，由于原材料的限制，将磷控制在这个水平是不现实的，可以将含磷量的控制范围适当放宽。

1.1.3 含硅量硅是石墨化元素，对石墨球化以及球墨铸铁的力学性能有重要的影响，值得作一番讨论。

一般来说，随着含硅量的增加，球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度和硬度增加，伸长率和冲击韧度下降。

资料［2］的实验结果表明，硅对铸态球铁冲击性能的影响呈倒U 型曲线。

一方面，硅的增加使铁素体量增加而导致冲击性能提高，如硅由2.2%增加到2.5%时；另一方面，硅以置换形式固溶于铁素体中，引起固溶体点阵畸变，硅含量过高使铁素体强化，同时增加其脆性，从而对铸态球铁的低温冲击性能产生不利影响，如硅为2.8%或3.0%时。

此外，还要考虑到较高的含硅量会引起大断面球墨铸铁件出现碎块状石墨。

总之，在生产铸态高韧性球墨铸铁时，含硅量的控制尤为重要。

应当从金相组织、强度、低温冲击性能以及防止石墨畸变等方面来综合考虑，确定合适的含硅量，可将其控制在2.50％以下。

1.1.4 含锰量锰属于反石墨化元素，促进珠光体和渗碳体的形成。

锰和硅一样，可以提高球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度和硬度，但对伸长率和冲击韧度的不利影响较硅更为严重。

根据资料［2］的实验，锰对冲击韧度的影响与硅不同。

锰的增加使珠光体量增加，而且锰固溶于铁素体中并强化铁素体，此外锰还容易出现微区偏析。

因此当硅保持不变而锰量增加时，冲击性能持续降低。

当锰很低时（如0.1%），即使硅高达2.8%，采用含钡孕育剂、低稀土球化剂处理的试样在- 40℃下，冲击韧度仍达46 J·cm2；而锰较高（如0.6%）、其他条件相同时，冲击值仅为29 J·cm2。

由此可见，对铸态高韧性球墨铸铁来说，可以认为锰是属于利大于弊的元素，应当尽可能将含锰量控制在较低的水平。

1.1.5 含硫量硫是球墨铸铁中最主要的反球化元素，属于杂质元素，当然是越低越好。

还应该注意到较低的含硫量不仅有利于球化反应和保持球化效果，而且较低的含硫量，对减轻“回硫现象”，减少夹渣也大有益处。

这一点，对要求进行超声波探伤、磁粉探伤的轮毂风电铸件很值得重视。

1.1.6 残留镁和稀土含量残留镁和稀土含量的确定也值得讨论。

由于国内生铁微量元素的含量普遍都比较高，在进行球化处理时，常常是用稀土硅铁镁合金作为球化剂，以消除微量元素对石墨球化的干扰。

一般将残留稀土量控制在0.02％～0.04％这样一个水平。

然而在生产风电铸件轮毂时，就不宜采用这样高的残留稀土量。

这是因为，一来生产轮毂必须使用微量元素较低的优质球墨铸铁用生铁，不必要求较高的残留稀土量；二来稀土元素都是属于反石墨化元素，又易于偏析，过高的残留稀土量将可能导致异形石墨的形成和促使在晶界产生碳化物，降低球墨铸铁的冲击韧度，会使低温冲击值达不到要求。

所以，应当严格将残留稀土量控制在上述范围的下限。

众所周知，球墨铸铁的残留镁量一般为0.03％～0.06％。

对厚大球墨铸铁而言，件残留镁量的控制却有两种意见。

一种意见认为，随着铸件壁厚的增大，凝固时间的延长，铁水中残留镁量会逐渐消耗。

为了确保较好的球化效果，残留镁量也应该随之提高，应当取其上限；另一种意见认为，由于较高的残留镁量会引起球状石墨畸变，不应当随着铸件壁厚的增大而提高残留镁量，可以将其控制在0.04％～0.05％的范围。

这可以说是一个“仁者见仁智者见智”的问题。

我们知道，球墨铸铁的低温冲击性能跟其石墨球数和石墨大小有很大的关系，石墨球数越多，石墨大小的级别越高，低温冲击性能越好。

所以，生产厚大断面球铁件要求有足够的石墨球数。

需要注意的是，有实验表明，球墨铸铁的石墨球数是随着残留镁量的增加而增加的，但残留镁量超过一定数值后，石墨球数会不增反减。

另外，较高的残留镁量还会影响到石墨的圆整度，增大缩松倾向和夹渣。

可以这样说，在确保石墨球化的前提下，把残留镁量控制得越低越好。

1.2 原材料的选择生产铸态高韧性球墨铸铁要求选用优质的原材料。

一般用低锰、低磷、低硫的Q10 牌号球墨铸铁用生铁，微量元素之和不大于0.1％；用成分稳定的碳素废钢；回炉料只能用与铸件本身同一牌号的，并对其用量进行控制。

1.3 熔炼方法采用冲天炉－中频感应电炉双联熔炼。

冲天炉熔化的铁水经过多孔塞气动脱硫法进行炉外脱硫之后转入电炉升温和保温。

1.4 球化处理用冲入法进行球化处理。

因电炉的出铁温度较高，为使球化反应平稳，提高镁的吸收率，选用含镁量较低的球化剂。

根据不同的球化剂在球化反应中表现出的不同特点，将球化剂组合使用，以增强球化处理的效果。

对于壁厚为120 mm 的铸件, 冷却较慢, 凝固时间长, 易出现石墨漂浮和收缩缺陷, 为此采取低温快浇、慢收包的工艺方法, 浇注温度取为(1 330±20 ) ℃。

1.5 孕育处理为增强孕育处理的效果，使用几种各具特性的复合孕育剂进行孕育处理，采用包括随流孕育在内的多次孕育处理方法，以增加石墨球数，提高球状石墨的圆整度，延长孕育效果保持时间。

球化剂选用重稀土球化剂DQD21, 加入量1. 4%～2. 0% , 块度10～30 mm。

在球化处理后残余镁量应为0. 05%左右, 比一般球铁件略高。

主要目的是为了防止厚大断面出现球化衰退和石墨形态恶化现象。

因铸件厚大, 凝固时间长, 所以孕育剂采用FYJ - 3 钡硅铁长效孕育剂, 以防止孕育衰退而造成石墨球畸变。

孕育剂加入量0. 5%～1. 0% , 覆盖冲入各半。

操作:(1) 用堤坝式球化包处理, 依次置入球化剂,覆盖孕育剂, 紧实, 覆盖5～8 mm 厚的钢板, 无需压生铁。

处理温度1 430～1 450℃。

(2) 二次冲入, 第一次出铁2ö3, 待球化反应基本结束, 再出铁水1ö3 , 并随流冲入孕育剂。

(3) 深搅拌、扒渣, 浇炉前楔形试块三块, 覆盖草木灰后, 尽快转造型跨浇注。

2．轮毂的造型工艺根据轮毂结构特点和材质因素，必须解决轮毂铸件以下几个问题：（1）铸件小孔及多孔出气、出砂困难，需通过结构合理的芯铁来解决。

（2）铸件中心部位!(!)6!!)#,,，壁厚大，热节严重，容易产生缩孔、缩松，应设计专用内冷铁解决。

（3）合理地设计浇注系统及冒口摆放，解决铸件浇注压力大、缩性强等困难。

2.1 造型工艺方案采用呋喃树脂砂手工造型。

轮毂的轴孔朝上，从轮毂叶片孔的中心位置分型，两箱造型。

2.2 浇注系统采用半封闭的底注式浇注系统，直浇道用陶瓷管，以防止冲砂，横浇道内开设挡渣装置，内浇道也采用陶瓷管。

整个浇注系统类似于底返雨淋式的。

2.3 补缩系统由于轮毂的壁厚不是很均匀，故设计了冒口和冷铁相结合的补缩系统，确保铸件不存在超过标准要求的缩孔、缩松。

采用明顶冒口，在轮毂顶面还要开设出气片，以利于浇注时型腔排气。

可以采用石墨冷铁，以防止冷铁使用不当造成铸件产生气孔。

2.4 铸件凝固的计算机模拟使用计算机模拟技术对轮毂进行凝固模拟。

根据模拟结果对造型工艺特别是补缩系统进行调整，得到满意结果之后才进行实际的试生产，缩短了产品开发的周期。

2.5 随型保温铸件浇注之后，利用树脂砂良好的保温性、退让性和铁水本身的热能，让铸件在铸型中随型保温。

铸件能够非常缓慢地冷却，促进凝固时共析反应相变按稳定系转变，以利于提高球墨铸铁的塑性；同时，铸件这样冷却下来，残余应力小，无需进行人工时效热处理。

根据季节的不同，铸件的开箱时间控制在3～4 天。

采用以上工艺，我公司已经生产了几万吨铸态EN- JGS- 350- 22U- LT 或EN- JGS- 400- 18U- LT牌号的轮毂等风电铸件。

铸件的力学性能、金相组织、内在质量和外观质量都达到了客户的技术要求。

2.6 热处理：采用高温石墨化退火(920～960℃保温4～5 h,随炉冷却) 方法, 得到铁素体基体, 以提高铸件的延伸率和韧性。

因原铁水中Si 量较低, 可适当缩短保温时间, 缩短生产周期, 节约能源。

---浙江佳力风能技术有限公司苟华强。