风电铸件的技术创新与质量控制范文

摘要：介绍了风电铸件的发展历程、技术要求和标准。风电铸件的技术创新包含建立风电铸件标准、建立严格精细熔炼技术、采用均衡工艺、不断研发大功率风电产品，通过严格控制原辅材料（采用风电球墨铸铁件专用生铁或高纯生铁、采用优质废钢、选择合适的球化剂与孕育剂）、严格控制尺寸精度、控制新品开发和工艺试验质量、控制熔炼质量（化学成分、脱S、球化与孕育工艺、超声波和磁粉探伤），确保风电铸件的质量。最后指出：通过专业化、规模化生产，风电铸件的质量肯定越来越好，技术越来越成熟；但是，我们还要看到与先进国家在稳定性、一致性、可靠性方面的差距，只有奋起直追，才有希望，才有进步。

关键词：风电铸件；球墨铸铁；质量控制

1风电铸件概况

1.1发展历程

10年来，我国风电发展迅猛，作为绿色可再生能源的风力发电，在我国从无到有，从弱到强，到2014年风电每年装机及累计装机容量都达到世界第一，其零部件基本实现国产化，而且海外主要风电主机厂的风电铸件大部分都在中国采购，风电铸件年产量已近百万吨。但这一路走来，很不平坦，举个例子，1997年一汽锡柴二分厂开发丹麦麦康公司600kW的轮毂，当时既无好的原辅材料，又无这方面的工艺技术和质控手段，进行了一轮又一轮试验，摸索了一个又一个方案，失败、失败、再失败。连续试验了33个轮毂，自检合格仅6个，出口丹麦后又有3个被判报废，最终只有3个合格。总结经验，制定了下一步试验方案，到#34、#35、#36连续3个都取得了成功。后来开发的印度苏士龙风电产品、美国GE风电产品，都一次性成功，赢得客户的肯定和信任，成为免检产品，出口风电订单也接踵而来。2005年以前，风电铸件基本都在欧美生产（尤其是丹麦维斯塔斯），德国等垄断售价达2600欧元/t。我国金风、华锐、运达等公司从2003年起开始摸索生产风电主机，铸件要么从国外购买，要么走了很长一段弯路，轮毂开裂、叶片掉下来等问题就是铸件质量达不到要求所致。

1.2技术要求和标准

由于大型风力发电机大多是装在条件比较恶劣的峡谷、高原、海边，加上一般风力发电机组的塔架高度都在70~90m，大型风电零部件都有几十吨，甚至上百吨，吊装费用不菲，因而，风电铸件要适应温度变化大，从40℃到-20℃，甚至-40℃及以下，需承受交变和冲击载荷以及潮湿和盐雾腐蚀等，而高空和海上更换成本巨大，要求有高可靠性，必须保证陆上风电20年不更换，海上风电30年不更换。因此，对材料的性能有特殊的要求。在材料要求方面，风电球墨铸铁件要求是高铁素体基体的球墨铸铁，应有良好的抗拉强度和伸长率；要求在-20℃，甚至-40℃夏氏V型缺口冲击韧度平均值≥10J，为此需全面控制化学成分、显微组织、力学性能。国外的风电铸件均要在螺孔处本体取出试样检验，若球化率不符合规定，即视为不合格品。对内部质量和表面质量均有很高要求，为保证铸件内部组织致密，铸件须100%进行超声波探伤，不同的部位要达到欧洲标准EN12680中的2~3级的要求，对缩松的控制很严。由于球化元素Mg和RE等易氧化产生夹渣缺陷，在铸件中成为裂缝源，因此，风电铸件还须进行磁粉探伤，达到EN1369中的2~3级的要求。风电铸件的尺寸精度、质量偏差都是超国标的要求，以满足其静平衡需要。

2风电铸件的技术创新

2.1建立风电铸件标准受

中国风标会委托，2009年笔者公司和江苏一汽铸造公司牵头制订了我国的风电铸件、超声波探伤、磁粉探伤、涂装等国家标准，填补了我国在这些方面的空白，尤其当时我国的铸件标准里还没有QT350-22牌号。超声波探伤、磁粉探伤标准引入专门行业铸件里也是说明其零件的重要性，当时附铸试块的球化率达到90%这样的高要求曾有争议，但事实证明，这有利于保证风电铸件的可靠性。

2.2建立严格精细熔炼技术，省用Ni等贵重金属

10年前，欧美生产风电低温高韧性球墨铸铁，为了提高其性能可靠性，一般都加入1%~3%的Ni，使性能既能稳定其强度，又能确保其低温冲击值，尤其是-40℃以上的时候，但是大家知道Ni是贵金属，一般要十几万/t，最高超过60万/t，成本很高。笔者在生产风电铸件也曾经试验过，但最终还是在把握成本竞争力和创新的最佳结合点上下功夫，精确调整化学成分，研发优化专用球化剂、孕育剂，加强一次孕育、二次孕育，优化其球化、孕育工艺，同样稳定地达到各项性能指标，此核心技术在2005年就申请国家专利。

2.3采用均衡工艺

生产球墨铸铁一般都采用顺序凝固工艺，最后加冒口进行补缩，许多地方还要加冷铁加强局部冷却。风电铸件要求外部及内部都不允许有缺陷存在，外部主要是氧化渣，内部主要是缩松，用传统工艺来生产风电铸件，很难获得一个完美的结果。同时，由于风电铸件大多结构是壳体类，表面积极大，加很多冒口或保温冒口，工艺出品率一般只能在65%~70%。笔者公司在引进丹麦维斯塔斯先进工艺技术的基础上，又大胆创新，在风电轮毂、底座等零件上做到无冒口、少冷铁新工艺，既大幅提高铸件质量，又提高了工艺出品率，平均达到80%~85%。当然，搞均衡工艺也不是没有条件，相配套的砂箱、模具的刚性要提高，造型时微震撞实，使铸型的刚度提高，浇注后防抬箱措施都要跟上。在这里要说明的是，风电轴类零件不宜搞均衡工艺，这种工艺有3件被我国和美国授予发明专利。

2.4不断研发大功率风电产品

风电刚开始的时候，上世纪90年代大多生产600~800kW风电机组，轮毂一般重5t左右，底座用钢结构的为多数，到本世纪初，欧美、印度就开始开发兆瓦级风电，笔者公司在2003年就开发了1.5MW、2MW系列产品，其轮毂达10t左右，底座也考虑到减震性及加工方便，改成球墨铸铁，重达17t左右，这么大的零件能够批量生产，在其它行业较为少见，笔者公司在2010年生产了近万个1.5~2MW轮毂。2008年，笔者公司开发了3MW海上风电，2010年开发了5MW海上和陆上风电，其轮毂已达46t，底座达86t。2012年开发了7MW海上风电，轮毂重达75t，底座108t，光一个底座用砂650t，铁液动用了公司所有电炉的容量（120t铁液），其铁液温度的控制、时间的衔接、球化处理的顺序，各个环节的保证，做到万无一失，确保一次性成功，这开发的过程其实也是一个小型的系统工程，如果失败，后果不堪设想。现在世界上5MW以上风电铸件产品，笔者公司已有十几个客户，占有率超80%。这些大断面球墨铸铁件，要做到性能合格，金相组织不产生碎块状石墨，确保球化率，笔者公司都做了大量的课题研究。

3风电铸件的质量保证

3.1原辅材料的严格控制

3.1.1采用风电球墨铸铁专用生铁或纯铁

在2005年前，我国生铁没有专门用于风电的生铁，要么采购国外纯铁，但售价比较昂贵（高达1000元/t），当时根据多年生产风电球墨铸铁件的经验，提出了的生铁成分要求，如表2所示。生产风电球墨铸铁件生铁最为重要，概括地说要做到五低，除了C以外，都有严格的要求，其中P是关键，其次微量元素中的Ti、Cr等越低越好，这些都影响风电球墨铸铁的韧性和塑性，减少晶间夹杂物。笔者公司对采购的生铁都要用等离子光谱检查。

3.1.2采用优质废钢

风电球墨铸铁对废钢要求，不仅要全新、无锈迹外，有害的Cr、V、Ti、Pb、Cu等合金元素也要尽可能低，更重要的是Mn、P、S也要低。选择碳素钢中较为优质的汽车冲压边角料，一般w（Mn）量仅0.2%~0.3%，其它微量元素也很低。

3.1.3选择合适的球化剂、孕育剂

普通球墨铸铁生产采用的球化剂是不适合低温高韧性球墨铸铁的，其w（Mg）量往往会达到7%~9%，Mg是极易氧化的金属，容易产生氧化渣，所以要求w（Mg）量降到5.5%~6.0%。还有RE，原来中国原辅材料都很差的时候，用RE来减少夹渣、缩松是有一定效果的，但RE会使球状石墨畸变成碎块状石墨，RE偏高的弊病在风电零件是要不得的，所以要求球化剂中的RE不能超过1%，以减少给金相组织带来碎块状石墨等后遗症。球化剂中的MgO含量为必检。孕育剂现在品种很多，要根据自己的需求。一次孕育剂常用高Ca-Ba，二次孕育剂使用S-O孕育剂。加入量及方法是重点。

3.2尺寸精度的控制

风电零部件虽大，尺寸要求高，不能有负公差，正公差又要超重判不合格，所以其模具的要求很高，不但尺寸要精确，而且要有很好的刚度。2007年，笔者公司就规定，模具必须上数控机床三维制作，木模都要采用铁型板、钢结构，以保证其刚性，寿命要达到300件。每年订单超过300件的产品，要求制作铁塑结构模具，轮毂铁塑模具寿命达到5000件，经济实惠，这些超大型铁塑模具也是笔者公司首创。每年订单超过500件的产品要制作金属模，用三维制作的模具不但尺寸准，质量也比木模减轻了3%~5%，每年节约的费用很快抵消了昂贵的模具费。笔者公司有个客户年订单超过3000件，就制作了每种2~3套金属模，否则，每月制作一付木模也来不及。在配模、配芯过程中，也用专门预装座、卡尺、量棒实施件件记录，如美国GE的铸件重要尺寸每件用激光跟踪仪测量。

3.3新品开发和工艺试验质量控制

新品开发必须经过三关：（1）方案评审；（2）CAE模拟；（3）工艺评审。然后新品必须要做“1+3”验证，第1件样品生产出来，一系列检查，全尺寸测量、性能、金相、化学成分、外观、超声波探伤、磁粉探伤等。如果合格，用同样工艺再连做3件，如果3件全部合格，方才通过验证；如果其中有1件不合格，就验证失败，必须推倒重来。工艺改进，或该件更换车间生产，都按“1+3”模式进行，这样可避免更大的损失。每件新品试验，不但工艺卡片要到车间，还要制作详尽的作业指导书，现在数码照相普及，图文并茂的指导书都有几十页厚，发到车间让技术人员组织工人培训，毕竟风电铸件生产是手工作业，人为因素还是很重要的一环。

3.4熔炼质量控制

笔者公司铸造厂拥有4个铸造车间，2个车间使用冲天炉—电炉双联作业，2个车间用电炉直接熔炼。2种生产方式都有详尽的工艺守则。

3.4.1化学成分控制

熔炼工程师的配料单必须经过审核，五大元素的设计必须根据不同的牌号和零件来，原则上化学成分控制如表3所示。每个车间都有直读光谱仪，化学成分严格控制执行，要求偏差不得超过±0.03%，炉长须及时调整。

3.4.2脱S的控制

由于笔者公司有2种熔炼方式，脱S的要求也有所不同。冲天炉出来的铁液一般w（S）量较高，加入脱硫剂的量相应要高一些，笔者公司使用长效脱S包，对脱S时间、脱S标准都有规定。

3.4.3球化孕育的控制

炉前控制工对球化剂品种必须确认，加入量必须过磅称量，放入包内覆盖好并撞实。铁液温度严格控制。球化处理时间保证，并在规定时间进行浇注。球化处理一般采用冲入法，特殊重要零件采用盖包球化处理工艺。一次孕育剂加入也须均匀，二次孕育剂加入更要讲究。每个铸件都有个定量包，根据该件质量，浇注过程中能随铁液液流均匀加入孕育剂，确保其吸收效果。

3.4.4超声波、磁粉探伤把关

由于笔者公司全部生产风电铸件，每个零件要做超声波探伤、磁粉探伤，所以这支检查队伍也很大，其中好多是二级、三级探伤师。探伤技术高低至关重要，能正确把握尺度，及时反馈到技术部门，对风电铸件整体质量有很大帮助，也可为公司减少不必要的损失。否则每年出口几万吨产品到国外，一旦失控，索赔不是小数字。

4结束语

总的来说，风电铸件的质量要控制的地方很多，上面几点仅仅抛砖引玉。通过专业化、规模化生产，质量肯定越来越好，技术越来越成熟。但是，我们还要看到与先进国家在稳定性、一致性、可靠性方面的差距，只有奋起直追，才有希望，才有进步。

作者：华永荦 单位：江苏吉鑫风能科技股份有限公司