风力发电机组用轮毂底座等大型低温球铁件的铸造技术

江苏吉鑫风能科技有限公司

2010年5月

发言内容包括三个部分：

◆ 江苏吉鑫风能科技有限公司的简要情况 ◆ 风电轮毂底座等大型低温球铁件的特殊要求

◆ 吉鑫公司生产风电轮毂底座等大型低温球铁件的主要技术

一、江苏吉鑫风能科技有限公司的简要情况

●与在座大部分铸造企业相比，江苏吉鑫风能科技股份有限公司是一家年轻的企业，于2004年起步组建，2005年初正式投产，经营方向定位于专业研发和生产风力发电机组用大型低温球铁件，主要产品是MW级风力发电机组用轮毂、底座和轴承座。5年来，随着国际国内风力发电事业的快速发展而成长迅速，年销量连年翻番。2005年公司生产大型风电零部件共1万吨，2006年翻一倍到2万吨，2007年又翻一倍到4万吨，2008年已经达到9万吨。2009年虽然受到金融危机的影响，但公司继续保持良好的发展势头，全年大型风电零部件产销量为12万吨，销售收入16亿元，利税4亿元。

●开业5年来，吉鑫公司先后申请了国家发明专利6项、实用新型专利1项、美国发明专利1项，其中1项国家发明专利和1项实用新型专利已经获得授权证书。5年中，获得国家重点新产品证书1项，部省级科技成果3项，省级科技进步二等奖1项，部级科技进步三等奖1项，在大型低温球铁

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件铸造领域形成了自己的特色并取得了一定的成绩，得到社会的认可，经活跃在中国的69位顶级创业投资家的综合评判，成为“2009年中国最具投资价值企业50强”之一。

二、风电轮毂底座等大型低温球铁件的特殊要求

1、由于风力发电机一般安装在风力资源丰富的海边、出口或草原上，工作温度常低至-20℃甚至-40℃及以下，工作环境恶劣，因此要求这些大型部件具有优良的综合性能，并至少满足20年以上不更换的使用期。

● 由于使用环境苛刻（工作温度低，达到-20℃至-40℃及以下；工作时风速

变化大，受冲击力大）、同时可靠性要求高（关键部件必须保证20年不更换），因此，对部件的性能要求很高。

● 轮毂等大型件生产具有极高的技术难度，已成为风力发电机组制造的核心

技术之一。

● 风电球铁件与普通球铁件相比，各种要求的简要对比如下表所示：

要 求 性能 要求 抗拉强度 延伸率 低温冲击值 普通球铁件 要求 要求 不要求 风电球铁件 高要求 高要求 AKV-20℃，AKV-40℃≥10J 组织 球化率 石墨尺寸 珠光体 ≥70%即可 达到5级 不要求 ≥90% 达到5级及以上 要求<5-10% - 2 -

要求 铁素体 试块 不要求 要求>90% 单铸25mm试块 附铸70mm试块 不要求 EN12680中2-3级 本体 要求 超声波探伤 磁粉探伤 焊补修正 不要求 允许 按EN1369要求 不允许

● 由上表可见，在材质方面，风电铸件要求具有很高铁素体基体的球墨铸铁，

同时，应有良好的抗拉强度和伸长率；同时要求在-20℃至-40℃的夏氏V型缺口的冲击韧度平均值大于等于10J。需要全面控制化学成分、显微组织、力学性能等。

例如:轮毂等大型件均要在开螺纹孔时从本体取出试样检验，若球状石墨不符合规定，制备的大型件即视为不良品。

● 在生产工艺方面，风电铸件对铸造缺陷和表面质量均有很高要求，须保证

铸件内部组织致密，铸件100%部位进行无损探伤，达到欧洲标准EN-12680中2-3级的要求，缩松控制要求高。由于球铁生产中球化元素Mg和Re等易氧化而产生夹渣，夹渣在铸件中将成为裂纹源而引起断裂失效，因此轮毂等大型件须满足表面磁粉探伤的EN-1369要求。

2、国外生产技术情况

● 为获得良好的机械性能，使轮毂等大型件材质的综合性能满足-20℃至

-40℃使用环境的要求，国外风电轮毂等大型件的生产原材料一般采用加拿大或日本等国的优质生铁，有害杂质元素比国内生铁低得多。

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● 在成分配置方面，一般都加入0.5-2%Ni，如VESTAS公司的船舶等大型件

原生产厂WINDCAST，在EN-GJS-400-18U-LT牌号的轮毂中加入不低于0.5%Ni；而对要求-40℃时的低温冲击值的EN-GJS-350-22U-LT牌号的球铁，Ni的加入量高达2%。又如印度SUZLON公司，生产的EN-GJS-350-22U-LT牌号的轮毂和底座时，Ni的加入量也达2%。

● 其他生产技术和工艺，由于国外对其高度保留，很难从公开渠道获知。

三、吉鑫公司生产风电轮毂底座等大型低温球铁铸件的主要技术 吉鑫公司在生产风电轮毂底座等大型低温球铁件主要创新和运用了以下技术，达到了高工艺出口率、高质量和低综合废品率、低成本的目标：

● 风电机组用轮毂等-20℃低温韧性球铁大型件，在不加镍的条件下，材料

性能可达到GB1348-88标准中的QT400-18AL要求，达到欧洲标准EN-1563中的EN-GJS-400-18U-LT要求。

● 风电机组用轮毂等-40℃低温韧性球铁大型件，在不加镍的条件下，材料性

能可达到欧洲EN-1563标准中的EN-GJS-350-22U-LT要求。

● 通过合理的熔炼工艺，使用低成本的国内生铁，稳定地生产低温高韧性的

MW级风机用大型件。

● 应用先进的铸造综合技术（包括铸造工艺计算机模拟技术、高效球化和孕

育技术、少冷铁无冒口新技术等）实现产品高成品率和高的工艺出品率；使大型件100%部位经无损探伤，达到国际一流标准EN-12680中的2～3级，磁粉探伤的EN-1369要求。

1、合理确定碳当量和碳、硅成分。

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● 化学成分是获得良好的球墨铸铁组织状态和高性能的基本条件，其选择既

要有利于石墨的球化和获得满意基体，以达到所要求的性能，又要使铸铁有较好的铸造性能。其中碳硅量是最重要的因素。

● 含碳量高，则析出的石墨数量多，石墨球数多，球径尺寸小，圆整度增加；

同时可减小缩松面积，使铸件致密。但含碳量过高，会造成严重的石墨漂浮或石墨粗大、石墨聚集，影响球铁的力学性能。

● 硅是促进石墨化元素，可提高球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度和硬度，同

时使塑性指标降低；由于硅升高球墨铸铁的脆性转变温度TK（如退货状态硅含量由2.35%提高到2.8%，铁素体TK由-56℃提高到-22℃），增加含硅量会使冲击韧度明显下降。当硅的质量分数超过3%，冲击韧度将急剧降低。

● 因此，本公司在风电低温球铁铸件生产中采用高碳低硅的原则，硅量控制

在1.5～2.3%之间，碳量控制在3.6～3.9%之间，视铸件壁厚的大小进行调节。

2、优化熔炼工艺。

● 风电铸态低温高韧性球铁除采用高碳低硅的原则以外，还需严格限制锰、

磷及硫的含量，因此对熔炼技术和原材料提出了更高的要求。

● 原材料控制：使用的国产生铁采用

Q10标准，常规元素符合本公司要求，

微量有害元素总量控制在0.06%以下，经严格生产验证后方允许批量使用；废钢要求选用优质碳素钢，锰量、铬量要符合本公司要求；回炉料使用本公司的浇冒口边角料及报废铸件；焦炭选用优质低硫低灰份的铸造焦。

● 熔炼工艺：应用冲天炉-电炉双联熔炼工艺。选择合适的冲天炉熔炼工艺参

数对于生产优质铁液十分重要，其中底焦高度和层焦用量的选择必须慎重，

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适宜的供风制度也是影响冲天炉熔炼的一个重要因素，出铁温度和化学成分的增减率是我们衡量熔炼技术经济效果的二个重要指标。

● 通过熔炼过程中的工艺优化，对不同性能、不同质量、不同壁厚铸件的原

铁液成分进行有效控制，确保低的Mg和Re的残留量，以及对不同生铁的配料优化，提高了风电球铁铸件的性能合格率。 3、采用高效的球化及孕育工艺

● MW

级低温球铁风电轴类和轮毂、底座类零件，壁厚50～200mm，重量

达50～30T，由于冷却速度慢，凝固时间长，易产生球化衰退、孕育衰退，导致石墨球直径大、数量少，容易出现开花状、碎块状石墨等异常石墨和石墨漂浮，严重影响铸件的力学性能。为使厚大断面铸件在铸态、无镍的条件下满足客户对铸件本体厚大部位心部的组织及性能的严格要求，解决厚大断面铸件心部的组织和性能恶化问题，我们对所使用的球化率、孕育剂进行了大量的实验研究。

● 最后我们选用特制的低稀土硅铁镁合金球化剂，用冲入法进行球化处理，

能够控制残余镁和稀土含量，减少夹渣、疏松及白口倾向。孕育处理则应用含钡硅铁孕育剂，采用多次孕育法，具有衰退慢、效率高、用量少的特点，能够获得圆整、细小的石墨球。 3、借助CAE软件设计合适的浇注系统

● CAE

铸造工艺分析软件集成系统以铸件充型过程、凝固过程数值模拟技术

为核心，是分析和优化铸件铸造工艺的重要工具，可以预测铸件缩孔、缩松缺陷的倾向和其在铸件中的位置，具有改进和优化工艺，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、降低生产成本，减少工

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