1.风电球铁铸件的特点

1.1 材质要求高

风力发电机组通常安装在海岸、山区和戈壁等风力较大的地方，运行环境十分恶劣（低温、交变受力和冲击载荷，以及潮湿和盐雾腐蚀）。而且，其零部件安装在几十米的高空，工作时风速变化大，在有阵风或台风时受力更大，如发生意外失效，则更换费用巨大，一般动辄就要上百万元，加上故障引起的不能发电，损失将更大。因此设计师对风电铸件要求是铁素体基体，力学性能满足标准，外加低温冲击性能要求。另外，铸件还要通过超声波（UT）和磁粉（MT）检测。

1.2 铸件壁厚大、重量重

一般而言，大断面球墨铸铁件指其壁厚大于100mm，单件重量大于10吨的铸件称为大型铸件。耐低温冲击风力发电机铸件，特别是轮毂、底座等随着发电功率的不同，其重量在5吨到几十吨，厚大部分的壁厚多在 100mm 以上，是典型的厚大断面球墨铸铁件。

2.生产大断面风电铸件的主要难点

与普通球铁件相比，风电铸件属于高韧性球墨铸铁，不仅对铸造缺陷和表面质量有很高的要求，更重要的是对铸件性能的严格要求。在确保常规性能的同时还需较高的低温冲击韧度。特别在生产由轮毂、底座等大型铸件时，因其质量量重、尺寸大、截面厚，铸造时的热容量大，凝固缓慢，极易造成球化衰退与孕育衰退，从而导致铸件的组织和基体发生变化，特别是在铸件壁厚心部和热节部位。厚壁处由于冷却速度慢势必会带来石墨球粗大，石墨球数少，石墨球产生畸变，形成各种非球状石墨和碎块状石墨。同时由于凝固时溶质元素的再分配还会出现严重的元素偏析及晶间碳化物及缩孔、缩松等一系列问题，其结果使得风电球墨铸铁的力学性能变差，特别是延伸率及低温性能明显降低。随着风电行业的快速发展，对大断面球铁件的内外质量和技术条件要求越来越高。

针对风电球铁铸件生产中存在的问题， 从以下几个方面对稳定生产风电球铁铸件的技术控制要点进行介绍。

3.风电铸件的生产工艺

3.1熔炼工

3.1.1原材料选择

因风电球墨铸铁件其固有的性能特点，对原材料的要求较为严格。需选择低Mn、低P、低S、低Ti生铁，各微量元素一般不超过其最大限量，总和不得超过0.06%，如下表1所示。

废钢应采用含N量低的优质碳素钢，无油污和严重锈蚀。严格控制杂质元素：Cr、V、Ti、Mo、Pb、Sb、Sn、B等微量元素，防止反球化元素及偏析元素的过量带入铁水。

表1 风电球墨铸铁用的生铁成分要求

（1） C和Si的选择3.1.2 化学成分

C和Si均为促进石墨化元素,往往需一起考虑,CE过高易产生石墨漂浮,但过低降低铁液的流动性，又易产生缩孔、缩松等缺陷。为了获得较好的铸造性能,CE常选在共晶点附近，一般C量为3.60%～3.90%；Si是促进石墨化和形成铁素体基体的重要元素，但也是厚大断面球铁中的一个极为敏感的元素,Si高是导致碎块状石墨的主要原因之一，另外Si含量过高易引起脆性转变。有研究认为Si每提高1%，脆性转变温度就提高5.5～6.0℃，因此生产风电铸件时不能过高。但在不加镍的条件下，铁素体基体球墨铸铁的强度性能主要是靠Si的固溶强化获得，许多研究者都认为风电球墨铸铁件中Si量应限制在1.8%～2.2%。在生产实践中，QT400-18AL（GJS-400-18-LT）的风电球墨铸铁件终Si量取上限，而QT350-22AL（GJS-350-22-LT）取下限。

图1为某工厂生产的材料为 QT400-18AL1.5MW轮毂70mm附铸试块的硅量(Mn:0.25%～0.27%)与抗拉强度及-20℃冲击韧度的关系。从图中可以看出随着终硅量的增加，抗拉强度略有提高，而-20℃冲击韧度略有下降。

注：表中冲击韧度为三个数据的平均值

图1：硅量与抗拉强度、-20℃冲击韧度的关系

（2）Mn、P、S的控制

对球墨铸铁件来说，这三种元素都是要严格控制的，对风电球墨铸铁来说，这三种元素更要严格限制。即使在珠光体球铁中，也因为Mn具有严重的正偏析倾向，富集于共晶团晶界处促使晶界碳化物形成而降低韧性，也很少单一用它来生产。对于有低温性能要求的风电球墨铸铁件，每提高0.1%Mn量，其低温转变温度会提高约10～12℃，所以要求严格限制Mn含量。当球铁回炉料较多时，考虑到经济效益，在生产QT400-18AL牌号的铸件时，Mn量控制可放宽至0.25%左右；QT350-22AL牌号应＜0.15%。

在球铁中，P、S都属于严格限制元素。P很容易偏析，形成磷共晶，磷共晶易呈多角状分布于共晶团边界，急剧恶化球墨铸铁的性能。P显著提高脆性转变温度，P每增加0.01%时，脆性转变温度升高4.0~4.5℃，严重降低塑性和冲击韧度。P的含量主要靠生铁来保证，生产低温风电球墨铸铁件要求P控制在0.04%以下，并且越低越好。

S是反石墨球化元素，加入铁液中的稀土和镁，其中有相当部分与硫化合，剩下来的稀土和镁才能起球化作用。生产实践表明，加入球化剂后，只有当铁液中S含量降到0.02% 以下，又有一定的残余镁量和稀土量，才能保证球化良好。但是研究也发现铁液含S量不宜太低（0.005%以下），否则不利于石墨形核，缺乏硫化物石墨晶核，降低孕育效果，且碳化物会增加。因此，要严格控制S含量，原铁液S量在0.005～0.015%为宜。

表2：风电球铁牌号硅、锰含量范围

（3） Mg和Ce

Mg是球化能力最强的元素，也是应用最广泛的球化元素，但其抗干扰元素能力差，形成夹渣、缩松和皮下气孔等缺陷的倾向大。并且残余Mg量过大会降低延伸率和冲击韧度。稀土元素的球化作用较Mg差些，石墨圆整度没有镁好，但脱氧与脱硫能力均比镁强，抗干扰元素能力较强。制造商在生产风电球墨铸铁件时普遍选用的是良好的生铁资源，其铁液中微量元素含量低，特别是一些反球化元素含量更低，这使得需要利用球化剂中的稀土元素来中和其副作用的含量需求也比较低；另外，如果稀土的含量过高，不仅铁水的白口倾向、收缩倾向大，而且容易使石墨球不圆整，影响铸件的球化率。有一些研究认为稀土有促进形成碎块状石墨的作用，因此生产中在保证球化质量的情况下，残余镁量和残余稀土量应越低越好。一般情况下可控制在Mg残：0.030%～0.050%；RE残：0.01%～0.015%；

（4）Sb和Bi

有研究认为 Sb 能吸附在石墨 / 铁液界面上降低其界面能，从而提高球墨核心的形核率和长大速度；同时还能与铁水中的 RE等元素形成稳定复杂化合物而成为异质核心；加入微量Sb可消除由于过量Ce而造成的石墨形态恶化，反之由过量Sb引起的石墨恶化则可用一定量的Ce消除。Sb/Ce的比例一般控制在1.2～1.5倍为宜。

表3：  加Sb和不加Sb铸件本体套样的成分和金相组织

a、没加Sb 

图2：加Sb和不加Sb铸件本体套样石墨形状对比

表3和图2是某2MW轮毂主轴法兰本体套样金相检验结果。

铋具有与锑类似的降低界面能、形成稳定长效异质核心的作用，可用作为孕育元素加入。Bi过去常被作为干扰元素对待，然而加人Ce后，不但不干扰球化，反而对球铁起有利作用。如在厚大断面球铁中加人少量的Bi可以防止和减少异形石墨的形成，防止石墨畸变，增加石墨球数，提高铁素体含量。

3.1.3 球化剂和孕育剂的选择

（1）球化工艺及球化剂的选择

在生产中有多种球化处理工艺，但冲入法处理工艺设备简单、投资少，容易操作，生产中灵活性比较强。特别是要浇注大吨位铸件时，可以进行多包同时球化处理，有利于组织生产。因此目前大多数生产厂家仍选用冲入法球化处理工艺。

因国内铸造生铁矿源和所含微量合金元素和球化干扰元素的不同，生产球铁铸件所用的球化剂也种类繁多。为了中和球化干扰元素对球化的影响，我国所生产的球化剂中都含有一定量的稀土。但因风电球墨铸铁件的检验要求高，制造商普遍选用球化干扰元素低的生铁并对原铁液进行脱硫处理，故在生产风电球墨铸铁件时可选用如Mg5.5%-6.5%；RE0.5%-1.5%的低镁低稀土球化剂。

在生产轮毂、底座等大型风电球铁铸件时，可在球化剂中搭配约30%的重稀土球化剂。

另外球化剂中的氧化镁对石墨球化是无效的，因此其氧化镁含量应尽可能的低，同时密度均匀，成分偏析小。    

（2）孕育工艺及孕育剂的选择

因风电铸件要求铁素体大于90%以上和优良的低温冲击韧度，孕育工艺和孕育剂的选择非常关键。孕育处理在大件生产中对获得多而好的球墨，减少热中心部位的石墨畸变是有积极作用的。在生产中大都采取多次孕育（浇包一次孕育+浇注随流二次孕育、浇包一次孕育+型内或座包孕育块孕育）工艺。

孕育剂要求具有强烈的促进石墨化作用，并能维持较长时间、吸收率高而稳定，常用的75硅铁孕育剂抗衰退能力较差。因此，风电球铁铸件大都选用高效，抗衰退能力强、粒度大小为3～8mm的高钙钡孕育剂用作一次孕育（也有选用75%SiFe的），在球化处理铁水出至2/3时加入，加入量根据最终所需成分计算，通常加入量在0.4%～0.6%。

随流（二次）孕育剂一般采用形核能力更强和抗衰退性能更好的、粒度大小为0.2-0.7mm的硫氧孕育剂或含Bi孕育剂。加入量为0.1%～0.15%。

3.1.4 预处理技术的应用

在球化反应前，加入390预处理剂，可将铁液中的O/S控制在较低和稳定的水平，并形成稳定的形核质点，为球化反应提供良好的条件。预处理工艺不仅在球化处理前将铁水的O/S控制在一个低的、稳定的水平，而且因为形成了大量的稳定的形核质点，大大降低了铁水的过冷度，从而为降低球化剂用量，增加单位面积石墨球数、提高球化率，为生产高质量的风电球铁铸件、特别是大断面风电球铁铸件创造了极为有利的条件。预处理剂加入量一般为0.30%左右。

也有生产厂家用石墨增碳剂和其他材料用作铁液预处理的。

a、未加预处理剂  

b、加预处理剂0.3%

图3： 预处理对石墨的影响

表4：  加与不加预处理效果对比

图3和表4中所示数据为某型1.5MW轮毂70mm附铸试块上所得，从中可以看出加预处理剂后石墨球径得到细化、球数增加，强度和低温冲击韧度性能也略有提高。

3.2熔化过程中的控制

原铁液的熔炼质量对球铁的性能和铸件的铸造缺陷都会产生很大的影响，当铸件成分确定后，熔炼工艺也是一个重要的工序：

3.2.1 两种或两种以上的生铁搭配使用

为了降低原材料遗传性对铸件最终性能和金相组织的影响，在配料时，可用两种或两种以上的生铁搭配使用。

3.2.2 避免原铁液在球化前停留时间过长

原铁液在炉内高温保温时，其形核能力会发生变化，而且会烧损大量的碳，因此，应避免在进行球化处理前原铁液在炉内停留时间过长。有研究指出，如果在出铁温度下停留约30 min后才进行球化处理和孕育处理，很容易产生缩孔、缩松缺陷和形成碳化物，而且这种碳化物很难消除。若此时加入石墨电极增碳剂补偿停留引起的碳量烧损，则可以恢复部分形核能力，

另外，在球化反应时会伴随着碳的烧损，因此在计算碳量时也应把这一部分损耗考虑在内。

3.3.铸造工艺方面

3.3.1造型工艺设计    

利用CAE铸造工艺分析软件系统对铸件充型过程、凝固过程数值进行模拟，预测铸件缩孔、缩松缺陷倾向和其在铸件中的位置，达到改进和优化工艺，提高产品质量、降低废品率，减少浇冒口消耗、提高工艺出品率，缩短产品试制周期、减少工艺设计对经验的依赖的目的。

轮毂、底座等大型风电球铁铸件浇注系统设计大都采用大孔出流理论，铁液大流量、快速平稳充型，铸型温度场均匀；浇注系统中设置挡渣器（铁液过滤系统），底注式注入铁液；避免铁液发生旋转、扰动和涡流等现象。因此内浇口铁液进入型腔的速度不大于0.5m/s，从而保证金属液充型平稳，力求避免飞溅及湍流而产生气孔或形成二次氧化夹渣。

3.3.2加快冷却速度 

加快铸件的冷却速度，缩短凝固时间，是有效改善大断面风电球铁质量，防止产生异形石墨的一个重要途径。有些研究者认为，大断面球墨铸铁铁液的凝固时间应控制在130分钟之内，但现在所使用的铸型材料都难于满足大断面球铁铸件的快速冷却要求，为提高冷却速度，常用的办法是加冷铁（石墨型、铸铁型）以平衡壁厚差，使其各部均衡凝固，消除因壁厚不均而形成的热节效应。

另外，为了充分利用球墨铸铁的石墨化膨胀作用，实现铸件自补缩，良好的砂型紧实度和足够的砂箱刚性和强度是必不可少的。大都数生产厂家在造型时都采用振动+捣实提高砂型的紧实度；在铸型上加压铁以抵消来自铸件凝固时的石墨化膨胀力；对于几十吨的大型铸件，除沙箱本身的刚度外，还可在沙箱外部四周加上抱箍以加强固铸型，防止因石墨化膨胀而产生的沙箱变形。

4.结束语

要稳定批量生产出合格的耐低温冲击球铁铸件，首先需要控制好原材料，一定要选择低磷、低硫和微量元素低的生铁、以及含氮量和微量元素低的优质碳素钢；同时要严格控制C、Si、Mn、Mg和RE等元素的含量；选用合适的球化剂和孕育剂、以及相应球化孕育工艺；严格控制熔炼和浇注过程。对原铁液进行预处理或加入适量的Sb能有效地改善球化率和增加石墨球数量，并且不产生珠光体。

另外在铸件工艺设计时，使用冷铁或采取其他强制加快铸件冷却的工艺措施，都能有效地改善大断面风电球铁质量，是防止产生异形石墨和铸件缩松的一个重要途径。