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本帖最后由 铸造小猫 于 2019-12-20 14:27 编辑
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- r3 V7 l y$ J江苏吉鑫风能科技股份有限公司 周益中
' [7 q. K$ Q1 x+ C) @) }https://mp.weixin.qq.com/s/tROrvIf6hGksA6Kv7AUkKg
: [1 S+ i6 a& P' f: n$ z
5 {! M0 b" L; H* f7 p风力发电是目前最具前景的可再生资源之一，备受各国重视，风力发电的动力注定了风机所处环境十分恶劣，而作为风机重要部件的铸件（轮毂、底座等）需要在高达几十米甚至百多米的高空恶劣环境下（环境温度-20℃~40℃）运营20年，因此对铸件的质量要求相当高，风电的主要铸件大多是球墨铸铁，作为球铁生产的关键工序——球化处理就显得尤为重要。目前国内风电球铁件球化处理绝大多仍采用冲入法工艺，由于该工艺人为影响的因素较多，球化质量的稳定性、一致性不够好，另外还由于处理时烟尘无序排放，给环保带来了不小的压力。因此找到一种能够确保铸件球化质量、操作相对简便、适应性广、投资不大、处理成本低的球化处理工艺对风电铸件生产厂家是非常需要的。5 [/ `/ ?) m4 q0 |! d M
8 @; d+ o; ~$ K7 Y& [- X一、我国风电铸件发展历程
& e" [7 e/ Y6 O3 z$ t# e截止到2016年年底，短短十年间风电并网装机容量从零到1.68亿千瓦，占全国发电总容量的近10%。国内风电铸件需求量也从无到有需求近百万吨，发展迅速。 - U$ }7 a$ J& u
风电铸件经历三个阶段。% d0 P, J! t/ C9 i& Y
第一阶段1995~2004年近10年间为研发并少量生产阶段，参与厂家不多，代表性厂家有锡柴铸造、共享装备、陕柴等，这一阶段铸件能生产可满足风电件要求，但稳定性不够，发展不快；
( a; |! F+ \) {1 `1 x; P; h 第二阶段2005~2012年近8年时间，随着国内风电的大发展，年新增装机量大增，加上国家风机部件国产化率需达70%以上的要求，风电铸件需求量激增。这一阶段风电铸件技术通过前期研发积累、国外技术的消化吸收，风电铸件铸造技术进步很快，铸件质量稳定，完全能满足国内外风电主机厂对铸件的要求，风电铸件的稳定供应也促进了国内风电市场的大发展。代表性的厂家有吉鑫风能、锡柴铸造、宁波永冠、宁波日星、徐州歌博、大连华锐、南通宏德等；4 H+ n/ U3 u# P& k" J* D! ]3 x
第三个阶段2013年至今，国内风电市场稳步发展，铸件年需求量持续扩大，这期间也涌现了不少规模较大的厂家，但由于国家政策的影响加上抢装因素，存在铸件年需求量不均情况，给一些厂家发展带来了难度，至使一些厂家在这期间也消失了。这一阶段国内外风电主机厂由于部件通用化、轻量化要求和海上大功率风机的开发，给风电铸件提出了不少新要求，如耐更低温QT400-18AL材料、强度更高QT400-18AL材料、硅固溶强化球墨铸铁等，由于技术的积累，同时各铸件厂家重视研发，风电铸件技术不断进步，国内风电铸件产能也持续扩大，完全能满足风电铸件无论是产能还是技术质量的需求；但随着国内风电铸件产能的扩大，又带来了风电铸件市场竞争过度之忧。这期间代表性厂家有吉鑫风能、江苏一汽铸造（原锡柴铸造）、宁波日星、山东国创、山东豪迈、宁波永冠、徐州歌博等。2 U! r% [, p( e6 [
2006年~2016年全球新增和累计装容量、全国累计装机量和新增装机量，如图1、图2、图3所示。/ Y* L# N9 |8 g& U0 R2 H: R& O
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图1：2001~2016年全球历年风电新增装机容量（MW）
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图2：2001~2016年全球历年风电累计装机容量（MW）2 }# X0 L |8 A/ a' T& K, y
& V5 D. i( T# r0 h& N图3：2006年~2016年全国累计装机量和新增装机:（万千瓦）! u' _5 r6 _( I
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按风机容量每兆瓦铸件平均重量20吨计，则国内风电主机铸件需求量约60~65万吨，全球约125~130万吨。国内主要风电铸件厂家及其2020年年产能如表1。
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表1：国内主要风电铸件厂家及其2020年年产能（万吨）
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*--2020年底具备20万吨的产能；**--2020年底具备30万吨的产能( S% n& {7 Q* b+ Q6 @
) u4 ]0 P. p5 J! c0 d主力风机单机功率3~5年会提高一个档次，似有这样的规律。风机主要部件（轮毂、底座）的铸件重量也相应增加；2016年后大功率海上风电需求量逐步增加，各主机厂海上风电单机功率各异，5MW、6MW、7MW、8MW均有，最大单机功率有10MW，甚至12MW，海上风机主要部件的重量根据单机功率不同，轮毂40~60吨，底座50~85吨不等；2004以来年主力风机容量、主要部件铸件重量和铸件主要壁厚如表2。
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2 w* U. V! q8 s8 q表2：2004以来年主力风机功率、主要部件铸件重量和铸件主要壁厚
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二、我国风电铸件球化处理工艺现状, }! q: q" f- a% L- d$ [5 V) [
风机主要部件材料QT400-18AL和QT350-22AL二种牌号为主，也有-30℃甚至-40℃冲击要求的低温型、超低温型QT400-18AL牌号；国内也已有主机厂开发应用强化型QT400-18AL牌号。
" z7 { c7 e. L$ C5 O9 I* p) o7 z风力发电设备工作环境和条件较为恶劣，风电铸件的力学性能与一般铸件相比需要满足特殊要求，质量要求高,服役后20年内主要部件不允许发生质量事故。其技术要求和技术难点如下：8 g. r8 d% y2 [, Z$ H; h6 i
（1）必须控制缩松使铸件致密性达到超声波探伤要求，一般要求重要区域达到 2 级，非重要区域达到 3级。；7 X+ r0 u, @2 f9 T( b: j8 e
（2）必须控制渣量（包括一次渣和二次渣），使铸件表面达到磁粉探伤要求。一般来说，要求重要区域达到 2 级，非重要区域达到 3级；- g( l5 M5 q8 W' D/ E, Y
（3）减少厚大断面球铁心部石墨畸变问题，保证基体组织。球铁铸件厚大断面石墨畸变和碎块石墨问题是铸造的难点，要求厚大断面心部套样球化率达到 80%以上；& h! n- h: e7 z4 B9 |+ J2 o1 ]
（4）风电铸件一般要求以附铸试块的试样验收，要求达到抗拉强度和-20 ℃（QT400-18AL）或-40 ℃（QT350-22AL）时的低温冲击功。随着风电行业的发展，为部件通用化和轻量化需要，对铸件提出了更高的要求：
& D: }2 ]" C2 ?; {" `①在同等抗拉强度时达到更低温时的冲击功，如对 QT400-18AL在 70 mm 附铸试块要求-30 ℃或-40 ℃低温冲击功达到平均10 J 和单个 7 J（低温型、超低温型QT400-18AL牌号）；
# M! G' o5 z' l2 g- p P②甚至在更低温冲击功时达到更高的强度，如在 70 mm 附铸试块要求-30 ℃或-40 ℃低温冲击功达到平均 10 J 和单个 7 J条件下，达到抗拉强度380MPa、屈服强度250MPa以上（强化型QT400-18AL牌号）。
+ Z; F4 j0 \! d9 w9 C1 \针对于风机主要部件铸件材料的技术要求和技术难点，一般化学成份设计如表3；% G* ~& i* Y9 D, u) g: H. [
表3：风电材料化学成份
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虽国内风电铸件生产产量自2004年以来逐年增加，但球化处理一直以来还是以冲入法为主。; i z' z9 l/ G+ A5 F
随着原材料质量的提高，球化剂中的镁和稀土含量均呈下降趋势，镁含量从7.0%-8.0%降至5.0%~6.0%；而稀土含量则从0.8%~1.5%逐步降到目前0.3%~0.8%。球化剂粒度一般为4~32mm，铁水包高径比1：1.2~1:1.5，根据脱硫与否原铁水的硫量，球化剂加入量0.9~1.3%不等，根据“高温慢浇”或“低温快浇”不同的浇注方式，球化处理温度也略有不同，常用球化处理工艺如表4；
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表4：风电铸件常用球化处理工艺* @4 W2 B4 g5 h7 G& l8 Y
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*--部分铸件厂家球化剂中的稀土含量中钇基重稀土30~50%混合使用
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也有个别铸件厂采用高镁喂丝处理，处理铁水量5~25吨，根据铁水量不同采用一头或多头喂线球化处理，具有丝线加入量少（0.35~0.60%）和不用脱硫原铁水硫量高低均可处理等优点，但总体投资较大（不少于200万）。工作站如如图4所示，喂丝线主要规格如表5./ Z) U4 A5 U% o% }" b
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图4：高镁喂丝处理工作站4 t1 o: m v" R6 y
, j3 r& F/ v8 ~8 R; X" w/ v表5：高镁喂丝线规格5 x, I/ j* D& I6 }) ^: {
$ K' p" {+ ?* d一些铸件厂家炉前光谱检测的原铁水硫量、残余镁量、残余稀土量（Ce）及终硫量部分统计情况如表6.
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' j$ C" n& T7 l7 _) K表6：一些铸件厂原铁水硫量、残余镁量、残余稀土量（Ce）及终硫量统计3 ^ r8 N5 z, y1 x; q9 V% y4 ~
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另外，硅固溶强化球墨铸铁材料强度高延伸率也好，在风电上的应用有扩大趋势，但当前还是国外的风机厂家应用多而国内风机厂家应用较少，用于风机底座（也有用于风机主轴），底座材料主要为QT600-10（轴材料为QT450-18）牌号，根据牌号不同，硅含量3.2~4.0%。由于硅高，存在有铁水流动性差、夹渣和缩松倾向大、硅高置换碳析出容易石墨畸变而影响性能等新的技术难点，这些技术难点给原材料选择、浇冒系统设计、球化和孕育处理工艺等提出了新的要求。不过通过努力，国内有不少铸件厂攻克硅固溶球墨铸铁大件生产的难题，已批量生产，个别厂最大件达到20多吨，年产量达万吨以上。4 E' j4 X7 H. l0 A r
4 ]8 ?1 H# T; g9 X2 `; d三、对风电铸件球化处理工艺发展的设想
$ {) A! D* ~3 g$ I6 D: z 1、对石墨球化理论的一些认识
# O+ ?, j f' G% I7 X* X) O9 f 石墨球化率提高，不但可以提高球墨铸铁的抗拉强度、伸长率等力学性能，还可以有效抑制莱氏体、缩孔、片状石墨的产生，石墨球的数量是影响球化率的重要因素，因此如何提高石墨球的数量成为提高球墨铸铁性能的重要手段，而核心是石墨球形成的基础。
* s! V7 o" U) }, P: { 石墨球本质核心物质主要是球化剂、孕育剂中的有效元素与铁液中非金属元素反应生成的化合物，在球状石墨心部已经鉴定出两种核心，第一种是球化有效元素的硫化物，外层包覆着一层硅酸镁的复合物核心；第二种是硅酸镁单一相核心。成为核心的最佳夹杂物的大小直径约是0.2~2微米。碳析出量一定时，石墨有效形核核心越多，形成的石墨球尺寸越小，圆整度越高，石墨球畸变的几率越小，提高铁液中单位体积石墨球有效形核核心，可以降低石墨球畸变。( x3 z* H7 z% j$ `( o
随着铸铁熔体中以原子状态存在的稀土和镁元素含量的增加，石墨晶体沿基面[0001]方向生长的速度加快，铸铁中石墨的变化规律为：片状石墨→蠕虫状石墨→球状石墨→开花状石墨→过球化（或称碎块状）石墨，石墨晶体结构如图5，石墨变化规律如图6所示。
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9 j L$ r& [% i9 A- o# w5 b图5：石墨的晶体结构
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图6：石墨变化规律
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# E4 m7 t, ~& ^" M# b9 r表面活性元素可分为球化元素、弱球化元素以及反球化元素三类，如表7表面活性元素的分类。$ k3 u+ {* J% ]# r
表7：表面活性元素的分类: `$ n2 e( e0 `% H
1 I0 m: r' Y2 |" Z7 s2 P1 O硫和氧是强烈的干扰球化表面活性元素，严重影响石墨成球，铁水中的硫、氧元素主要吸附于石墨晶体的柱面[10-10]，促进石墨晶体柱面[10-10]生长大于基面[0001],石墨成片状。其它球化干扰元素以Bi、Pb、Sb、As、Ce、 Sn、Al次序排列，其中Bi、Pb的干扰作用最为强烈； Ti的表面活度不大，但加剧Bi、Pb等有害元素的干扰作用，这些干扰元素也主要吸附于晶体柱面[10-10]，促进晶体柱面生长影响石墨成球。 ! J( W* x: r0 W7 g+ t" i# a* c, w n
Mg、Y、Ce、La属于球化表面活性元素，它们加入铁水后，与S、O有很强的亲和力，生成稳定的硫化物氧化物，使铁水中溶入的S、O表面活性元素含量大大减少。一方面由于S、O减少，降低了柱面[10-10]生长，另一方面由于Mg、Y、Ce、La等元素主要吸附于石墨晶体的基面[0001]，促进基面生长，基面和柱面平衡生长石墨成球。* b3 J; p% _& W8 V. c5 h
Mg的表面活度值比较小，所以尽管它也是表面活性元素吸附于石墨晶体基面，但在一般残留量下，它对石墨的吸附作用是弱的，不致于阻碍成球，相反它的脱硫去氧作用强烈，使其成为很好的球化元素。
6 K9 o8 {+ A9 V2 f* X1 f: LY、Ce、La在铁水中适量的加入，则可与Te、As、Sb、Ti、Pb、Bi等元素生成高熔点的金属间化合物，中和平衡则可消除微量球化干扰元素对石墨生长的影响。但当过量时，其表面活性本质又重新表现，基面[0001]生长速度大于柱面[10-10]，成开花石墨或过球化石墨。
! u, N. R5 b3 ~) ^) a. m 球化干扰元素也只有当其量超过允许值，明显降低铁水表面张力时才显出反球化作用，主要球化干扰元素最大含量值如表8所列。
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7 ~. z7 B \! A' T表8:1967年、1998年、2009年所报道的球化干扰元素最大含量值（%）$ P( N/ x2 O4 n* Z* h
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一些球化干扰元素（如Sb、Bi等）在微量情况下不降低表面张力，则不破坏石墨成球，在Ce、Y等稀土元素适量存在的情况下，反而因其与稀土元素结合生成高熔点的金属间化合物而成为石墨核心增加球数，起到有益的作用。7 @4 @# C1 b. [6 H3 w E/ P
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2、对风电铸件球化处理的要求
. w! V" w/ Z, U# } 冲入法球化处理操作简单、适应性强、技术研究深入、配套的球化剂孕育多种多样，自上世纪40年代球墨铸铁发明以来，冲入法一直保持着强大的生命力，预计该处理方法还将会在不短的时间内存在。但随着国家对环保要求的不断提高和处理过程控制自动化、精准化甚至智能化的要求，而冲入法人为影响因素较多，无法满足上述要求，因此一些新的球化处理工艺将会在风电铸件生产中不断得到应用。一种先进的球化处理方法应具备如下几个特点： y7 Q5 B- Y# B! V
1）产生烟尘的方便收集，是球化处理环保的基本要求
) }. S, Z' ]8 m$ S# ~. C. {2）适应好、投入和处理成本合适；
4 a$ s; r- r9 a3）实现处理自动化减少人的影响，同时更进一步能根据铁水处理重量、硫氧含量和处理温度，智能化实时调整球化剂加入量，残留球化元素稳定；6 f5 h2 {0 a( }
4）降低保证球化的最低残留镁量和残留稀土量，提高处理后铁水纯净度；: T0 f2 J! s: I2 J& f& v
5）与合适孕育剂配合处理，获得高的球化率和适当数量的石墨球数。
5 X% @/ M" B8 j: ~$ c- r3、风电铸件球化处理工艺发展的设想
. f4 P# c3 o9 N w; o 从球化的角度来讲，硫和氧是强烈表面活性元素，严重影响石墨成球，应越低越好；在硫氧极低的条件下只要较低的残余镁量就可保证球化，上世纪60年代，机械科学院郑州工艺研究所曾对不同含硫量的原铁液进行球化处理，发现含硫量低的原铁液处理后，在同样的球化级别时其残留镁的含量远低于含硫量高的原铁液球铁，如表9；所以球化处理前如将铁水中的硫和氧脱除到极低程度，这样保证球化所需球化元素的残留量低，处理过程中的球化剂加入量也就可以降低，处理过程产生的夹杂物少，铁水纯净。而且残余镁量低也有利提高石墨球数和减少缩松倾向，如图7所示。4 _. c4 @5 D8 q# j" m1 V
表9：不同原铁液硫量和临界残留镁量
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) P* J* t* m& x9 \" M
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图7：残余镁和石墨球数和缩松缺陷的关系+ M K" f: S2 a7 y
( |4 P, u. U* V' p$ S 但从石墨晶核的角度讲，因硫和氧与球化剂中镁、稀土元素以及孕育中的钙、钡等元素结合而成结晶核心，原铁水中保持一定量的硫和氧也有必要。但硫和氧与球化剂、孕育剂中的有效元素结合生成的化合物，只有尺寸合适的部份能成为石墨核心而起到有益的作用，同时在浇注过程中，尺寸合适的这部份由于浇注过程中铁水的紊流，化合物碰撞长大还要失效一部份，这样硫和氧与球化剂、孕育剂中的有效元素结合生成的化合物小部分成核心有益，但大部分化合生成物将是成为夹杂而起有害作用。所以，从这意义上讲，球化处理前硫氧低是有利于减少夹杂而使得铁水纯净。$ a$ [4 j+ p/ \: R6 m, x
硫氧低了后，那如何来保证石墨的结晶核心呢？通过后期的随流加入能自行反应成核孕育剂（如S-O孕育剂）的孕育处理来保证结晶核心。随着孕育剂加入少量的硫和氧，它们就可优先与孕育剂中含有的多种元素和球化处理残留元素作用，生成微细而稳定的硫化物和氧化物，而成为石墨析出依附的异质核心，保证石墨球数。S-O孕育剂的主要成份和含钡孕育剂效果的比较，如表10和表11所示。
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4 R; l; K0 l3 d+ ]9 ~, G表10：S-O孕育剂主要成份3 @ r# ?% g9 Y: K7 e. ^4 n
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表11：二种孕育剂效果比较
5 W/ h1 ]1 a0 o7 l9 N3 C2 l3 Z" I' h
喷吹钝化镁球化处理工艺在球墨铸铸行业中已广泛得到应用。其基本原理就是用惰性气体（如氮气）作为载气将钝化镁粒通过耐火喷枪吹入处理包铁水底部，喷入的钝化镁粒先对铁液脱硫、脱氧，后使石墨球化，喷吹处理工艺如图8所示。该工艺具有如下几个优点：
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图8：喷吹处理工艺
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; V( B4 s. g6 `% q, W# _% I8 k1）球化稳定、铁水纯净、铸件质量好
+ X, c5 A1 Q8 C; ?( @! a由于喷吹球化处理工艺可以先行脱硫去氧，因其工艺特点镁粒吹入铁液底部气化，同时载气的搅拌，动力学条件好，使铁液S、O稳定在极低的水平（≤0.005%），这样加少量的镁就可使石墨球化，从而达到铁液纯净、球化稳定的目的；另外，喷吹球化可以适当放宽对原铁液S的限制，省去一些高端球铁件生产脱硫工序，省工省时方便生产。
! g# A0 Q$ V* ?% U7 Q2）适宜于中大型球铁铸件的生产
, s) E( L; p0 {1 s喷吹球化处理在球化处理时要喷吹一定数量的氮气，铁液温度的降低比其它处理方法大一些，这也是这个工艺在中小型球铁生产上推广有一定难度的主要原因，而大中型球铁铸件生产优推“高温出炉、低温浇注”，喷吹处理正好满足上述要求。! N0 B( M3 l$ e. k8 x
3）球化处理成本降低. t& ?# _, |% K" q9 X- B) N+ s; X2 v
处理每吨铁液至少可以比冲入法降低40元左右，而对于球化处理前需脱硫的铸件，则节省会更多。
/ v0 G6 a5 r E6 D4）易于实现球化处理智能化
% Z3 T0 _" w9 U& ^喷吹球化处理可以做到全程自动操作。进一步的话，还可以做到对每包铁液球化质量进行自动判定并对下一包的钝化镁加入量、喷吹时间等自动调整，实现球化处理智能化。9 e+ ?+ b+ H& `: W
基于该处理工艺有以上优点，结合风电铸件生产的特点，以少投入验证效果为原则，因陋就简，设计如图9所示喷吹处理装置，进行了风电球墨铸铁材料喷吹球化处理的初步试验，处理方案见表12。. e ]7 U% Z) U! B1 g3 }
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图9 风电铸件喷吹球化处理装置$ M0 L, X) N7 f
1 Y5 M( E6 i, U2 I6 q3 |0 B. ^( p* R! p表12 喷吹球化处理方案
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3 \: M8 S4 I! n0 ^0 h Q: `6 d对喷吹球化处理后铁液浇注了阶梯试块，进行包括机械性能在内的各种检测，阶梯试块及浇注工艺如图10所示；检测结果见表13。
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% L) f+ P1 V- v1 W6 {! E( R# S6 Z图10 阶梯试块及浇注工艺
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表13 70mm附铸试块和本体套样性能和金相, m. B$ z& W0 m/ r$ Y
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也进行了本体套样，试块大端本体心部套样性能见表14，附铸试块和心部套样金相照片如图11。
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70mm附铸试块金相照片
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大端心部套样金相照片& N \; T, b/ t _" T
图11 附铸试块和心部套样金相照片) g- ~8 `; y; Z" R
* ^: N3 {7 v5 I$ p, D% b
表14 大端本体套样性能
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. {* t! j4 _% _4 r从初步试验情况看，喷吹球化处理在风电QT400-18AL材料上无论是附铸试块还是本体套样均能满足要求。喷吹球化处理应用用于风电铸件上是有可行性的。该处理工艺具备环保治理方便、操作简便适应性较强、投入不大、处理成本低、可实现自动化甚至智能化等优点，应是一种有前途的处理工艺，值得进一步试验研究。 |
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