风力发电机组的中箱体的型腔结构、利用该结构制备中箱体的方法与流程

本发明属于风力发电机组的中箱体铸造技术领域，具体涉及一种风力发电机组的中箱体的型腔结构、利用该结构制备中箱体的方法。

背景技术：

风能是一种清洁的可再生能源，受到世界各国的普遍重视。前箱体、后箱体、中箱体、行星架等球墨铸铁件作为风电机组齿轮箱的关键零部件，常年在高达几十米至一百多米的高空运行，大部分铸件要在-20℃甚至-40℃环境下服役20年，综合性能指标要求较高。齿轮箱的可靠性对于风电机组的安全具有重大影响，且故障恢复成本也极其昂贵，据了解设计年发电2200小时的1.5MW机组，发生一次齿轮箱重大故障，仅齿轮箱设备费在100万之间，如加上吊装费、运输费、人工费估计在20万左右，其各项恢复费用总和将在130万左右。

特别是其中的中箱体，起到关键的连接作用，其铸造缺陷的存在将严重影响使用效果。比如以铸件外轮廓尺寸Φ1910mm×Φ1297mm×395mm，净重1200kg的中箱体为例：该产品为壁厚25mm的圆台形箱体式结构，最大壁厚122mm。铸造难点主要体现在：(1)70mm×105mm×180mm附铸试块力学性能符合客户企业标准的规定，抗拉强度≥360MPa、屈服强度≥220MPa、延伸率≥12％，要求-20℃的夏氏V形切口的冲击功单个试样不小于7J，三个试样的平均值不小于10J；(2)70mm×105mm×180mm附铸试块金相组织符合客户企业(ISO 945)标准的规定，铁素体≥90％，珠光体≤10％，渗碳体≤1％，球化率≥90％，石墨大小4～7；(3)必须经100％的超声波和磁粉探伤，关键部位符合EN12680.3和DINEN1369标准中的1级要求，其它部位2级。

因此，铸造这种大型尺寸的中箱体，要克服比如铁液冲型时出现严重紊流、卷入、或吸入气体和使金属过度氧化等铸造缺陷，并能满足上述的使用要求，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的上述不足，提供一种能避免严重紊流，防止卷入、吸入气体和使金属过度氧化等铸造缺陷，并具有耐温范围宽、强度高、能满足EN12680.3和DINEN1369标准要求的风力发电机组的中箱体的型腔结构。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种风力发电机组的中箱体的型腔结构，该结构包括浇注系统、中箱体型腔和位于中箱体型腔上的出气口；所述的浇注系统包括依次连通的直浇道和过渡浇道；所述的直浇道用于将铸件熔融铁液引入到浇注系统内，所述的过渡浇道用于将铸件熔融铁液引入到中箱体型腔；所述的过渡浇道上设置有内浇口，内浇口与中箱体型腔相连通。

作为优选，所述的过渡浇道包括依次连通的第一过渡浇道、第二过渡浇道和第三过渡浇道；所述的第一过渡浇道为圆柱形、所述的第二过渡浇道为扇形，所述的扇形的第二过渡浇道为两个、分设于圆柱形第一过渡浇道的左右两侧；所述的第三过渡浇道为圆弧形、连接于第二过渡浇道的外边缘；所述的第三过渡浇道的上端面为内浇口、内浇口与中箱体型腔相连通；所述的出气口位于中箱体型腔的一端面上并与型腔连通，所述的第一过渡浇道、第二过渡浇道和第三过渡浇道位于中箱体型腔上相对出气口的一侧。

采用上述结构，实现了铁液的平稳充型，第一过渡浇道、第二过渡浇道、第三过渡浇道的设置，其主要作用是为了铁液平稳充型，避免严重紊流，防止卷入、吸入气体和使金属过度氧化。

作为优选，所述的直浇道的截面积为ΣF₁，第一过渡浇道浇道与第二过渡浇道连接处的截面积为ΣF₂,第二过渡浇道浇道与第三过渡浇道连接处的截面积为ΣF₃,内浇口的截面积为ΣF₄,ΣF₁∶ΣF₂∶ΣF₃∶ΣF₄＝1∶4.1∶7.8∶11.6。采用上述结构，进一步保证了铁液平稳充型，避免严重紊流，防止卷入、吸入气体和使金属过度氧化；而且，使铁液浇注过程和凝固初期处于较高的铁水静压力作用下，以利用铁水的后补量和相邻区域的石墨化膨胀进行自补缩。

作为优选，所述的中箱体型腔沿轴向位于出气口相对一侧设置有第一砂芯、第一砂芯的外端设置有第一砂芯头；所述的中箱体型腔沿轴向位于出气口一侧设置有第二砂芯、第二砂芯的外端设置有第二砂芯头；所述的中箱体型腔的端面上设置有第三砂芯和第四砂芯；本铸件的结构为带有筋板的圆台形箱体式结构，型腔中共采用上述4种砂芯。

作为优选，所述的出口气为9个、Φ20mm(每个出气口的口径为20mm)；呈周向设置于中箱体型腔的顶面上；上述结构用于排除型腔内气体，保证铸件内无气孔等缺陷。

作为优选，所述的中箱体型腔上设置有冷铁，所述的冷铁包括第一冷铁、第二冷铁和第三冷铁；所述的第一冷铁位于中箱体型腔的第一法兰的顶面上(出气口所在的端面上)，所述的第二冷铁位于中箱体型腔第二法兰的顶面上(中箱体型腔位于出气口所在的端面内部的端面，与第一法兰同轴设置)，所述的第三冷铁位于中箱体型腔的第三法兰的底面上(第二冷铁相对端的中箱体型腔的端面)；冷铁的厚度取铸件壁厚(具体是放置冷铁部位的铸件壁厚)的0.5～0.8倍；三种冷铁均周向均匀分布于各自的法兰面上。由于中箱体铸件为箱体式结构，壁厚相差大，壁厚厚的部位冷却速度过慢、凝固时间长，容易引起缩孔、缩松等缺陷；为了实现均衡凝固，壁厚厚的部位适当提高冷却速度，提高冷却速度的方法主要有三种，即：加冷铁、强制冷却(如通水、雾、液氮等)、冷铁和强制冷却相配合；由于2.3MW风力发电机组中箱体铸件采用呋喃树脂砂型铸造，局部位置冷却速度较慢，难于满足快速冷却的要求，综合考虑生产成本并结合实际条件采用铸铁冷铁和石墨冷铁冷却来消除因壁厚不均而带来的不良热节效应。

作为优选，所述的第一冷铁厚60mm，每块间距35mm，共18块；所述的第二冷铁厚80mm，每块间距30mm，共12块；所述的第三冷铁厚40mm，每块间距30mm，共16块。

本发明的中箱体型腔也可以视为最终中箱体铸件的形状，也即中箱体原料熔融的铁液容置饿腔体、铁液冷却后即形成了最终的中箱体铸件。

一种利用上述风力发电机组的中箱体的型腔结构制备中箱体的方法，具体步骤包括：

(1)首先，按照如下配比的中箱体铸件的成分：C 3.75％～3.80％，Si 1.90％～2.20％，Mn＜0.20％，P＜0.03％，S＜0.012％，RE(稀土)0.010％～0.020％，Mg 0.025％～0.040％Sb0.003％～0.006％，CE(碳当量＝C+Si/3)4.38％～4.48％，余量为铁配制原料；

(2)将原料通过冲天炉的熔炼和中频感应电炉进行成分调整的双联熔炼(炉料配比为50％～70％生铁、20％～40％回炉铁、10％～20％废钢，其中回炉铁一般为同材质的浇冒口、废品，便于合金回用降低成本，也有利于铁水成分控制)；

(3)采用堤坝式冲入法球化处理，堤坝高度为100～200mm，球化剂加入球化包堤坝靠炉体一侧后，加孕育剂覆盖在球化剂上，球化剂加入量为铁水重量的1.0％～1.2％；

(4)采用二次孕育处理方式：出铁时随铁液流加入铁液0.2-0.4wt％的孕育剂，孕育剂粒度3～8mm，铁液在进行球化处理的同时发生孕育作用(即上述步骤(3)在球化剂上覆盖的孕育剂)；在浇注前将铁水从球化包转入浇包时在铁水表面加入铁液0.2～0.3wt％的粒度为3～8mm的孕育剂作为二次孕育；

(5)将中箱体的型腔结构固定于砂箱中；铁液浇注温度控制在1330-1350℃，将铁液经过浇注系统浇注到中箱体型腔内，冷凝后获得中箱体铸件。

本发明上述的孕育剂选用75FeSi，为提高孕育效果，并合理控制终硅量根据生产条件，采用二次孕育处理方式，可以有效防止孕育衰退提高孕育效果。

本发明浇注温度的设置是因为：浇注温度过高则收缩量会增加，易产生缩孔和缩松；浇注温度过低，薄壁处也会出现冷隔缺陷；为了便于控制浇注温度，铁液浇注温度控制在1330-1350℃。

本发明上述的砂箱采用三箱造型，三箱造型中的模具分为上模具、下模具、且均固定在相应的型板上(部分铸型型板上制出)，上模具和下模具形成的型腔合模后构成完整的中箱体型腔；模具用20mm～40mm高强度多层夹板制作，型板用20mm～40mm高强度多层夹板和用200mm×100mm×10mm厚方管焊接的底框组装而成，底框长度方向的方管必须用整根焊接；主要目的是为了不使模具变形，提高模具的整体结构性能，在底框上铺厚度不少于80mm的高强度多层夹板。模具要嵌入型板内10mm深,然后用M20螺丝与底框撬牢,以保证型板与模具固定牢固。

附图说明

图1本发明风力发电机组的中箱体的型腔结构示意图。

图2本发明风力发电机组的中箱体的型腔结构中的浇注系统结构示意图。

图3本发明风力发电机组的中箱体的型腔结构中第一砂芯结构示意图。

图4本发明风力发电机组的中箱体的型腔结构中第二砂芯结构示意图。

图5本发明风力发电机组的中箱体的型腔结构中设置了砂芯的中箱体型腔结构示意图(第二、三、四砂芯可见)。

图6本发明风力发电机组的中箱体的型腔结构中设置了砂芯的中箱体型腔结构示意图(第一砂芯可见)。

图7本发明风力发电机组的中箱体的型腔结构中设置了冷铁的中箱体型腔结构示意图(第一、二冷铁可见)。

图8本发明风力发电机组的中箱体的型腔结构中设置了冷铁的中箱体型腔结构示意图(第三冷铁可见)。

图9本发明风力发电机组的中箱体的型腔结构采用的上模具结构示意图。

图10本发明风力发电机组的中箱体的型腔结构采用的下模具结构示意图。

图11本发明实施例制备的铸件样品金相组织图。

具体实施方式

下面通过附图进一步详细描述本发明，但本发明不仅仅局限于以下实施例。

实施例

以铸件外轮廓尺寸Φ1910mm×Φ1297mm×395mm，净重1200kg，铸件材质EN-GJS-400-18U-LT，该产品为壁厚25mm的圆台形箱体式结构，最大壁厚122mm为例。

作为具体实施例的一种体现，如附图1-2所示：本发明一种风力发电机组的中箱体的型腔结构，该结构包括浇注系统1、中箱体型腔2和出气口3，出气口位于中箱体型腔上；所述的浇注系统包括依次连通的直浇道4(类似于L型)和过渡浇道5；所述的过渡浇道包括第一过渡浇道5.1、第二过渡浇道5.2和第三过渡浇道5.3；所述的第一过渡浇道为圆柱形、所述的第二过渡浇道为扇形，所述的扇形的第二过渡浇道为两个、分设于圆柱形第一过渡浇道的左右两侧；所述的第三过渡浇道为圆弧形、连接于第二过渡浇道的外边缘；所述的第三过渡浇道的上端面为内浇口6、内浇口与中箱体型腔相连通；所述的出气口位于中箱体型腔的一端面上并与型腔连通，所述的第一过渡浇道、第二过渡浇道和第三过渡浇道位于中箱体型腔上相对出气口的一端面。

本发明直浇道截面积ΣF₁＝28cm²,第一过渡浇道浇道与第二过渡浇道连接处的截面积ΣF₂＝58×2cm²＝116cm²,第二过渡浇道浇道与第三过渡浇道连接处的截面积ΣF₃＝109×2cm²＝218cm²,内浇口的截面积ΣF₄＝163×2cm²＝326cm²,浇注系统各单元比(经修正)取ΣF1∶ΣF2∶ΣF3∶ΣF4＝1∶4.1∶7.8∶11.6。

如图3-6所示，本发明所述的中箱体型腔沿轴向位于出气口相对一侧设置有第一砂芯7、第一砂芯的外端设置有第一砂芯头7.1；所述的中箱体型腔沿轴向位于出气口一侧设置有第二砂芯8、第二砂芯的外端设置有第二砂芯头8.1；所述的中箱体型腔的端面上设置有第三砂芯9和第四砂芯10；本铸件的结构为带有筋板的圆台形箱体式结构，型腔中共采用上述4种砂芯，方便中箱活动块的拆取和活动块固定，将第二砂芯芯头外径做小，第一砂芯1个，外形轮廓尺寸Φ760mm×265mm，重量150kg；第二砂芯1个，外形轮廓尺寸Φ1160mm×285mmmm，重量300kg；第三砂芯、第四砂芯为方便起模的小砂芯各1个；采用冷硬呋喃树脂自硬砂进行制芯。

根据“大流量、低流速、平稳充型”的原则，结合中箱体铸件的结构特点，浇注系统采用开放式中间注入的浇注系统，直浇道采用Φ60mm内径瓷管，内浇口开设在铸件中间法兰处，2个扇形同圆主轴方向成20～30角度平稳地进铁水，如图1-2所示，另外，在铸件顶面均布9个Φ20mm出气，排除型腔内气体。

铸件为圆台形箱体式结构，壁厚相差大，壁厚厚的部位冷却速度过慢、凝固时间长，容易引起缩孔、缩松缺陷。为了实现均衡凝固，壁厚厚的部位适当提高冷却速度，提高冷却速度的方法主要有三种，即：加冷铁、强制冷却(如通水、雾、液氮等)、冷铁和强制冷却相配合。由于2.3MW风力发电机组中箱体铸件采用呋喃树脂砂型铸造，局部位置冷却速度较慢，难于满足快速冷却的要求，综合考虑生产成本并结合实际条件采用铸铁冷铁和石墨冷铁冷却来消除因壁厚不均而带来的不良热节效应，冷铁的厚度取铸件壁厚的0.5～0.8倍。所用冷铁尺寸及数量如表1所示，冷铁布置如图7-8所示，所述的中箱体型腔上设置有冷铁，所述的冷铁包括第一冷铁11、第二冷铁12和第三冷铁13；所述的第一冷铁位于中箱体型腔的第一法兰的顶面上(出气口所在的端面上)，所述的第二冷铁位于中箱体型腔第二法兰的顶面上(中箱体型腔位于出气口所在的端面内部的端面，与第一法兰同轴设置)，所述的第三冷铁位于中箱体型腔的第三法兰的底面上(第二冷铁相对端的中箱体型腔的端面)；冷铁的厚度取铸件壁厚(具体是放置冷铁部位的铸件壁厚)的0.5～0.8倍；冷铁均下端面贴着法兰面周向均匀分布，第一冷铁为石墨冷铁，第二冷铁、第三冷铁为铸铁冷铁。

表1冷铁规格

按工艺设计要求，包裹型腔的砂箱采用三箱造型，如附图9-10所示：三箱造型中的模具分为上模具14、下模具15、均固定在型板16上，上模具与下模具形成的型腔合模后构成完整的中箱体型腔；部分铸型型板上制出；其中模具用20mm～40mm高强度多层夹板制作，型板用单层厚度为20mm～40mm的高强度多层夹板与200mm×100mm×10mm厚方管焊接的底框17组装而成，底框长度方向的方管必须用整根焊接，主要目的是为了不使模具变形，提高模具的整体结构性能，在底框上铺厚度不少于80mm的高强度多层夹板。模具要嵌入型板内10mm深,然后用M20螺丝与底框撬牢,以保证型板与模具固定牢固。

具体步骤包括：

(1)铁液采用采用18t/h冲天炉和5t中频感应电炉进行双联熔炼，炉料配比为50％～70％生铁、20％～40％回炉铁、10％～20％废钢；其中回炉铁一般为同材质的浇冒口、废品，便于合金回用降低成本，也有利于铁水成分控制；要求铁水的成分控制满足如下范围：C3.80％，Si 2.0％，Mn0.05％，P0.025％，S0.005％，RE(稀土)0.015％，Mg 0.030％Sb0.004％，CE4.47％，余量为铁配制原料；

(2)采用堤坝式冲入法球化处理，堤坝高度为100～200mm，球化剂加入球化包堤坝靠炉体一侧后，加0.2％的粒度为6mm孕育剂覆盖在球化剂上，用铁叉捣平捣紧，球化剂加入量约为铁水重量的1.2％；孕育剂选用常用的75FeSi，为提高孕育效果，并合理控制终硅量根据生产条件，采用二次孕育处理方式：出铁时随铁液流加入0.3％的孕育剂，孕育剂粒度3～8mm，铁液在进行球化处理的同时发生孕育作用；在浇注前将铁水从球化包转入浇包时在铁水表面加入0.25％的粒度为6mm的孕育剂作为二次孕育，可以有效防止孕育衰退提高孕育效果；

(3)浇注温度过高则收缩量会增加，易产生缩孔和缩松；浇注温度过低，薄壁处也会出现冷隔缺陷。为了便于控制浇注温度，铁液浇注温度控制在1330-1350℃。

生产验证

实际生产过程中，选用优质原材料(生铁、废钢)；利用冲天炉电炉双联熔炼，根据壁厚条件，合理设计化学成分，把球化前铁液成分控制到工艺要求范围内；选用合理的球化孕育处理工艺，生产的EN-GJS-400-18U-LT中箱体，其力学性能、金相组织、铸件的尺寸精度、无损检测都达到了铸件验收规范(70mm×105mm×180mm附铸试块力学性能如表2，试样金相组织如表3和图11所示)。

表2附铸试块力学性能

表3附铸试块金相组织