風電鑄件的技術創新與質量控制范文

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摘要：介紹了風電鑄件的發展歷程、技術要求和標準。風電鑄件的技術創新包含建立風電鑄件標準、建立嚴格精細熔煉技術、采用均衡工藝、不斷研發大功率風電產品，通過嚴格控制原輔材料（采用風電球墨鑄鐵件專用生鐵或高純生鐵、采用優質廢鋼、選擇合適的球化劑與孕育劑）、嚴格控制尺寸精度、控制新品開發和工藝試驗質量、控制熔煉質量（化學成分、脫S、球化與孕育工藝、超聲波和磁粉探傷），確保風電鑄件的質量。最后指出：通過專業化、規模化生產，風電鑄件的質量肯定越來越好，技術越來越成熟；但是，我們還要看到與先進國家在穩定性、一致性、可靠性方面的差距，只有奮起直追，才有希望，才有進步。

關鍵詞：風電鑄件；球墨鑄鐵；質量控制

1風電鑄件概況

1.1發展歷程

10年來，我國風電發展迅猛，作為綠色可再生能源的風力發電，在我國從無到有，從弱到強，到2014年風電每年裝機及累計裝機容量都達到世界第一，其零部件基本實現國產化，而且海外主要風電主機廠的風電鑄件大部分都在中國采購，風電鑄件年產量已近百萬噸。但這一路走來，很不平坦，舉個例子，1997年一汽錫柴二分廠開發丹麥麥康公司600kW的輪轂，當時既無好的原輔材料，又無這方面的工藝技術和質控手段，進行了一輪又一輪試驗，摸索了一個又一個方案，失敗、失敗、再失敗。連續試驗了33個輪轂，自檢合格僅6個，出口丹麥后又有3個被判報廢，最終只有3個合格。總結經驗，制定了下一步試驗方案，到#34、#35、#36連續3個都取得了成功。后來開發的印度蘇士龍風電產品、美國GE風電產品，都一次性成功，贏得客戶的肯定和信任，成為免檢產品，出口風電訂單也接踵而來。2005年以前，風電鑄件基本都在歐美生產（尤其是丹麥維斯塔斯），德國等壟斷售價達2600歐元/t。我國金風、華銳、運達等公司從2003年起開始摸索生產風電主機，鑄件要么從國外購買，要么走了很長一段彎路，輪轂開裂、葉片掉下來等問題就是鑄件質量達不到要求所致。

1.2技術要求和標準

由于大型風力發電機大多是裝在條件比較惡劣的峽谷、高原、海邊，加上一般風力發電機組的塔架高度都在70~90m，大型風電零部件都有幾十噸，甚至上百噸，吊裝費用不菲，因而，風電鑄件要適應溫度變化大，從40℃到-20℃，甚至-40℃及以下，需承受交變和沖擊載荷以及潮濕和鹽霧腐蝕等，而高空和海上更換成本巨大，要求有高可靠性，必須保證陸上風電20年不更換，海上風電30年不更換。因此，對材料的性能有特殊的要求。在材料要求方面，風電球墨鑄鐵件要求是高鐵素體基體的球墨鑄鐵，應有良好的抗拉強度和伸長率；要求在-20℃，甚至-40℃夏氏V型缺口沖擊韌度平均值≥10J，為此需全面控制化學成分、顯微組織、力學性能。國外的風電鑄件均要在螺孔處本體取出試樣檢驗，若球化率不符合規定，即視為不合格品。對內部質量和表面質量均有很高要求，為保證鑄件內部組織致密，鑄件須100%進行超聲波探傷，不同的部位要達到歐洲標準EN12680中的2~3級的要求，對縮松的控制很嚴。由于球化元素Mg和RE等易氧化產生夾渣缺陷，在鑄件中成為裂縫源，因此，風電鑄件還須進行磁粉探傷，達到EN1369中的2~3級的要求。風電鑄件的尺寸精度、質量偏差都是超國標的要求，以滿足其靜平衡需要。

2風電鑄件的技術創新

2.1建立風電鑄件標準受

中國風標會委托，2009年筆者公司和江蘇一汽鑄造公司牽頭制訂了我國的風電鑄件、超聲波探傷、磁粉探傷、涂裝等國家標準，填補了我國在這些方面的空白，尤其當時我國的鑄件標準里還沒有QT350-22牌號。超聲波探傷、磁粉探傷標準引入專門行業鑄件里也是說明其零件的重要性，當時附鑄試塊的球化率達到90%這樣的高要求曾有爭議，但事實證明，這有利于保證風電鑄件的可靠性。

2.2建立嚴格精細熔煉技術，省用Ni等貴重金屬

10年前，歐美生產風電低溫高韌性球墨鑄鐵，為了提高其性能可靠性，一般都加入1%~3%的Ni，使性能既能穩定其強度，又能確保其低溫沖擊值，尤其是-40℃以上的時候，但是大家知道Ni是貴金屬，一般要十幾萬/t，最高超過60萬/t，成本很高。筆者在生產風電鑄件也曾經試驗過，但最終還是在把握成本競爭力和創新的最佳結合點上下功夫，精確調整化學成分，研發優化專用球化劑、孕育劑，加強一次孕育、二次孕育，優化其球化、孕育工藝，同樣穩定地達到各項性能指標，此核心技術在2005年就申請國家專利。

2.3采用均衡工藝

生產球墨鑄鐵一般都采用順序凝固工藝，最后加冒口進行補縮，許多地方還要加冷鐵加強局部冷卻。風電鑄件要求外部及內部都不允許有缺陷存在，外部主要是氧化渣，內部主要是縮松，用傳統工藝來生產風電鑄件，很難獲得一個完美的結果。同時，由于風電鑄件大多結構是殼體類，表面積極大，加很多冒口或保溫冒口，工藝出品率一般只能在65%~70%。筆者公司在引進丹麥維斯塔斯先進工藝技術的基礎上，又大膽創新，在風電輪轂、底座等零件上做到無冒口、少冷鐵新工藝，既大幅提高鑄件質量，又提高了工藝出品率，平均達到80%~85%。當然，搞均衡工藝也不是沒有條件，相配套的砂箱、模具的剛性要提高，造型時微震撞實，使鑄型的剛度提高，澆注后防抬箱措施都要跟上。在這里要說明的是，風電軸類零件不宜搞均衡工藝，這種工藝有3件被我國和美國授予發明專利。

2.4不斷研發大功率風電產品

風電剛開始的時候，上世紀90年代大多生產600~800kW風電機組，輪轂一般重5t左右，底座用鋼結構的為多數，到本世紀初，歐美、印度就開始開發兆瓦級風電，筆者公司在2003年就開發了1.5MW、2MW系列產品，其輪轂達10t左右，底座也考慮到減震性及加工方便，改成球墨鑄鐵，重達17t左右，這么大的零件能夠批量生產，在其它行業較為少見，筆者公司在2010年生產了近萬個1.5~2MW輪轂。2008年，筆者公司開發了3MW海上風電，2010年開發了5MW海上和陸上風電，其輪轂已達46t，底座達86t。2012年開發了7MW海上風電，輪轂重達75t，底座108t，光一個底座用砂650t，鐵液動用了公司所有電爐的容量（120t鐵液），其鐵液溫度的控制、時間的銜接、球化處理的順序，各個環節的保證，做到萬無一失，確保一次性成功，這開發的過程其實也是一個小型的系統工程，如果失敗，后果不堪設想。現在世界上5MW以上風電鑄件產品，筆者公司已有十幾個客戶，占有率超80%。這些大斷面球墨鑄鐵件，要做到性能合格，金相組織不產生碎塊狀石墨，確保球化率，筆者公司都做了大量的課題研究。

3風電鑄件的質量保證

3.1原輔材料的嚴格控制

3.1.1采用風電球墨鑄鐵專用生鐵或純鐵

在2005年前，我國生鐵沒有專門用于風電的生鐵，要么采購國外純鐵，但售價比較昂貴（高達1000元/t），當時根據多年生產風電球墨鑄鐵件的經驗，提出了的生鐵成分要求，如表2所示。生產風電球墨鑄鐵件生鐵最為重要，概括地說要做到五低，除了C以外，都有嚴格的要求，其中P是關鍵，其次微量元素中的Ti、Cr等越低越好，這些都影響風電球墨鑄鐵的韌性和塑性，減少晶間夾雜物。筆者公司對采購的生鐵都要用等離子光譜檢查。

3.1.2采用優質廢鋼

風電球墨鑄鐵對廢鋼要求，不僅要全新、無銹跡外，有害的Cr、V、Ti、Pb、Cu等合金元素也要盡可能低，更重要的是Mn、P、S也要低。選擇碳素鋼中較為優質的汽車沖壓邊角料，一般w（Mn）量僅0.2%~0.3%，其它微量元素也很低。

3.1.3選擇合適的球化劑、孕育劑

普通球墨鑄鐵生產采用的球化劑是不適合低溫高韌性球墨鑄鐵的，其w（Mg）量往往會達到7%~9%，Mg是極易氧化的金屬，容易產生氧化渣，所以要求w（Mg）量降到5.5%~6.0%。還有RE，原來中國原輔材料都很差的時候，用RE來減少夾渣、縮松是有一定效果的，但RE會使球狀石墨畸變成碎塊狀石墨，RE偏高的弊病在風電零件是要不得的，所以要求球化劑中的RE不能超過1%，以減少給金相組織帶來碎塊狀石墨等后遺癥。球化劑中的MgO含量為必檢。孕育劑現在品種很多，要根據自己的需求。一次孕育劑常用高Ca-Ba，二次孕育劑使用S-O孕育劑。加入量及方法是重點。

3.2尺寸精度的控制

風電零部件雖大，尺寸要求高，不能有負公差，正公差又要超重判不合格，所以其模具的要求很高，不但尺寸要精確，而且要有很好的剛度。2007年，筆者公司就規定，模具必須上數控機床三維制作，木模都要采用鐵型板、鋼結構，以保證其剛性，壽命要達到300件。每年訂單超過300件的產品，要求制作鐵塑結構模具，輪轂鐵塑模具壽命達到5000件，經濟實惠，這些超大型鐵塑模具也是筆者公司首創。每年訂單超過500件的產品要制作金屬模，用三維制作的模具不但尺寸準，質量也比木模減輕了3%~5%，每年節約的費用很快抵消了昂貴的模具費。筆者公司有個客戶年訂單超過3000件，就制作了每種2~3套金屬模，否則，每月制作一付木模也來不及。在配模、配芯過程中，也用專門預裝座、卡尺、量棒實施件件記錄，如美國GE的鑄件重要尺寸每件用激光跟蹤儀測量。

3.3新品開發和工藝試驗質量控制

新品開發必須經過三關：（1）方案評審；（2）CAE模擬；（3）工藝評審。然后新品必須要做“1+3”驗證，第1件樣品生產出來，一系列檢查，全尺寸測量、性能、金相、化學成分、外觀、超聲波探傷、磁粉探傷等。如果合格，用同樣工藝再連做3件，如果3件全部合格，方才通過驗證；如果其中有1件不合格，就驗證失敗，必須推倒重來。工藝改進，或該件更換車間生產，都按“1+3”模式進行，這樣可避免更大的損失。每件新品試驗，不但工藝卡片要到車間，還要制作詳盡的作業指導書，現在數碼照相普及，圖文并茂的指導書都有幾十頁厚，發到車間讓技術人員組織工人培訓，畢竟風電鑄件生產是手工作業，人為因素還是很重要的一環。

3.4熔煉質量控制

筆者公司鑄造廠擁有4個鑄造車間，2個車間使用沖天爐—電爐雙聯作業，2個車間用電爐直接熔煉。2種生產方式都有詳盡的工藝守則。

3.4.1化學成分控制

熔煉工程師的配料單必須經過審核，五大元素的設計必須根據不同的牌號和零件來，原則上化學成分控制如表3所示。每個車間都有直讀光譜儀，化學成分嚴格控制執行，要求偏差不得超過±0.03%，爐長須及時調整。

3.4.2脫S的控制

由于筆者公司有2種熔煉方式，脫S的要求也有所不同。沖天爐出來的鐵液一般w（S）量較高，加入脫硫劑的量相應要高一些，筆者公司使用長效脫S包，對脫S時間、脫S標準都有規定。

3.4.3球化孕育的控制

爐前控制工對球化劑品種必須確認，加入量必須過磅稱量，放入包內覆蓋好并撞實。鐵液溫度嚴格控制。球化處理時間保證，并在規定時間進行澆注。球化處理一般采用沖入法，特殊重要零件采用蓋包球化處理工藝。一次孕育劑加入也須均勻，二次孕育劑加入更要講究。每個鑄件都有個定量包，根據該件質量，澆注過程中能隨鐵液液流均勻加入孕育劑，確保其吸收效果。

3.4.4超聲波、磁粉探傷把關

由于筆者公司全部生產風電鑄件，每個零件要做超聲波探傷、磁粉探傷，所以這支檢查隊伍也很大，其中好多是二級、三級探傷師。探傷技術高低至關重要，能正確把握尺度，及時反饋到技術部門，對風電鑄件整體質量有很大幫助，也可為公司減少不必要的損失。否則每年出口幾萬噸產品到國外，一旦失控，索賠不是小數字。

4結束語

總的來說，風電鑄件的質量要控制的地方很多，上面幾點僅僅拋磚引玉。通過專業化、規模化生產，質量肯定越來越好，技術越來越成熟。但是，我們還要看到與先進國家在穩定性、一致性、可靠性方面的差距，只有奮起直追，才有希望，才有進步。

作者：華永犖 單位：江蘇吉鑫風能科技股份有限公司