何文东
(浙江佳力风能技术有限公司，浙江杭州311241)

摘要：根据相关理论分析和生产实践，系统总结了风电铸件表面夹杂的成因和预防措施。从造型材料、一次熔渣、二次氧化渣三方面分析了夹杂物的形成原因，提出了一些切合生产实际的预防措施，并通过生产实践证明了这些措施的有效性，可为国内同行提供借鉴。
关键词：风电铸件；夹杂物；预防措施
中图分类号：TG250.6 文献标识码：B 文章编号：1001-4977 (2013) 07-0694-03风电铸件对外观质量及内部致密性的要求都非常严格，并且严格禁止焊补，外观不能有可见的渣气孔及夹砂缺陷；在满足壁厚要求的前提下，如果有此类缺陷，必须打磨去除，除不掉的铸件必须报废。表面夹杂一方面降低了铸件的外观品质、力学性能；另一方面由于打磨增加了劳动成本，延长了交货期。表面缺陷增加了铸件废品产生的机率，目前是各个铸造厂的技术难点。风电部件除了常规检验以外，每个铸件都要做低温冲击试验、超声波检验和磁粉检验。同时，风电铸件属于大断面铁素体球铁铸件，由于加入了Mg 和RE，凝固时间长，容易产生二次氧化渣和石墨畸变等缺陷。风电铸件表面的气孔、砂眼、渣孔等大部分可以消除，但是二次氧化渣是不能完全消除的，其是铸件表面微裂纹的来源。每个铸件表面都要做磁粉检验。目前判断表面缺陷合格与否，普遍采用磁粉探伤ENI369 标准，高应力区和关键部位满足2-3 级，一般区域满足3-4 级，超出标准之外为不合格。
鉴于大断面铁素体球墨铸铁件的特殊性，完全避免表面夹杂是不可能的，但是可以采取一些措施，尽量减少表面缺陷的产生。在大型风电铸件里，夹杂主要有三方面因素造成：造型材料、一次熔渣、二次氧化渣。以下就这三部分分析了缺陷的成因及对策。
1 造型材料
1.1 型砂
铸型型腔中砂子的来源非常广泛，只要是砂型铸造，避免不了有夹砂缺陷的产生。但只要采用合理的工艺，加上操作者精心操作，夹砂缺陷是可以减少的。型芯强度要高，型砂质量要好。轮毂及底座类铸件属于厚大铸件，铁液凝固时，会产生非常大的石墨化膨胀力，因此要求型芯强度要足够高。一般大件24h 抗拉强度要达到1.0～1.2 MPa。砂型强度太低，一方面会产生型壁位移，产生缩孔、缩松缺陷，另一方面会产生粘砂、铁包、冲砂缺陷。在现场最直接的量化控制手段是用砂型硬度计检测型芯表面硬度，大
件达到90°以上视为合格。除了按工艺要求加入合理的树脂和固化剂，造型操作时特别要注意紧实。大件生产，在放砂时必须有4-5 人一起操作，进行表面紧实操作。紧实和不紧实，型芯强度的差距很大。有条件的铸造厂要上振实台，造型制芯时采用振实台振动紧实代替人工紧实，振实过后的砂型强度完全可以达到使用要求，并可以降低树脂的加入量，节约成本。还要做好再生砂质量的检验工作，发现异常及时纠正，保证型砂质量稳定。笔者所在工厂生产的轮毂表面曾经产生过很严重的麻孔现象，分析原因发现型砂质量指标都严重超标，含泥量和灼减量都很高，为了提高强度，不得不提高树脂固化剂加入量。从而型砂中的硫含量大大增加，与铁液中的镁发生反应，产生大量二次氧化渣。通过对设备的修理，使型砂质量恢复到正常指标，降低树脂固化剂加入量，轮毂的表面麻孔现象自然消失。
1.2 涂料
涂料质量要好，注意涂刷质量。风电铸件型芯通常都采用锆英粉复合涂料或者纯锆英粉涂料，一方面表面质量好，减少脉纹，提高表面光洁度，另一方面可以增强型芯表面的强度，提高耐火度，不粘砂，不冲砂，降低铸件表面夹砂缺陷。涂料层厚度适中，大件控制在0.5～0.8mm，过厚容易脱落造渣，过薄容易粘砂，一般涂刷两遍。涂料使用前必须测量波美度，达到工艺规定的范围，及时搅拌。涂刷过的型芯和瓷管内，必须对涂料堆积处进行清理，尤其是瓷管和浇道内，涂刷时可以用废旧报纸或者木塞塞入瓷管内。特别注意冷铁上的涂层不能过厚，一般用稀涂料涂刷一遍即可，否则会成片脱落造成铸件夹杂。
1.3 工艺设计
工艺设计时要计算铁液进流速度，大件多采用底注式。轮毂和底座浇注时间都在100s左右，有些厂家采用慢浇的件浇注时间达到3～5 min，对铸型的冲击力非常大，容易产生冲砂。铁液的进流速度，一般不能高于2 m/s。铁液进流方向最好正对壁厚处，不要冲击砂芯。
1.4 冷铁
使用合格的冷铁，严格限制冷铁使用次数，一般控制在5 次以内。使用次数过多，冷铁激冷能力下降，而且容易产生渣气孔缺陷。要确保冷铁表面的光洁度，不能有锈蚀及孔洞。冷铁棱角要清晰，否则会与砂型接触不牢固，产生表面夹砂。冷铁边缘与砂型接触的浮砂要打磨掉。
关于冷铁管理要注意几点：首先冷铁要编号，建立电子版冷铁库，对编号形状规格做出规定。工艺设计时根据冷铁库里的类型选择使用，尽量选用通用冷铁，特殊形状处可以设计随形冷铁。现场操作按工艺文件规定的冷铁号来使用冷铁。这样可以减少冷铁的种类，有编号识别也清晰，不会放错或者乱放。其次对冷铁的使用次数做标记，铸件开箱时要有专人收集冷铁，并做出标记，使用5 次以后就要及时废弃。做到以上两点冷铁管理起来就顺畅一些。
2 一次熔渣
一次熔渣的来源主要有炉衬、包衬、聚渣剂、孕育剂、球化剂、预处理剂等。这些材料如果使用不当很容易造渣，因此必须采用一些预防措施，杜绝这些夹杂物进入铸型型腔。
(1)按浇包使用次数，按时修包，清包。每日要清理包衬上的铁釉子、夹杂物等，修补包衬。达到使用次数的浇包，要按时重新打结包衬，保证包衬光洁，无过多杂物。炉口也要每天进行修补。
(2)如果采用中频炉熔炼，炉内过热至1 510℃，时间5 min，在炉内扒一次渣；高温出铁，出炉温度控制在1 450℃以上，用干净生铁在包内降温。这样各种渣子容易上浮，扒渣扒得干净些。
(3)浇注时采用浇口塞，浇口盆要足够高，并使用挡渣板。铁液浇满浇口盆后，再拔塞，使渣子充分浮到上面。
(4)工艺设计合理的浇注系统，利用浇注系统挡渣，过滤片慎重使用。开放式设计比例一般采用1:2:2，半封闭式采用1:2:0.8。经过研究证明，这种比例能起到最佳的挡渣效果。横浇道末端设置集渣包，内浇道如果使用瓷管，瓷管与横浇道连接采用过道，而不能直接放置在横浇道下部。中小件可以使用过滤片，大件用过滤片很危险，进流慢，如果渣很多的话容易堵塞而浇不进，并有冲碎的可能。
(5)球化剂和孕育剂要保持干燥，粒度合适。潮湿的球化剂和孕育剂会影响球化和孕育效果，使其不能完全熔化，容易造渣。
3 二次氧化渣（镁渣）
镁渣一般在球化后和型内产生。表面镁渣不但影响外观质量，如果产生在高应力区和加工面，将会对力学性能产生不利影响，力学性能会下降30%。做超声波检验时，通常会有底波消失的情况出现，这就是镁渣吸收声波所造成的，一般用户都不接受这种情况。做磁粉检验时，会发现很多微裂纹，就是镁渣形成的。
3.1 球化反应机理[1]
Mg+O→MgO (1)
Ce+O→CeO (2)
Mg+S→MgS (3)
Ce+S→CeS (4)
2Mg+SiO2+O2→Mg2SiO4(有时生成Mg2SiO3) (5)从上述化学反应式可以看出，镁渣主要由MgO、CeO、MgS、CeS、Mg2SiO4 组成。因此，生产中总是将S、O 控制在足够低的水平。在保证球化质量的前提下，也总是把Mg 和稀土的含量控制得尽量低。
3.2 预防镁渣措施
(1)残留镁（残留镁量+残留稀土量取决于铸件壁厚）：一般铸件残余镁量控制在0.03%～0.05%；如果残余镁量大于0.06%，会产生大量熔渣，而且铁液白口倾向大，产生更多的缩松。
(2)残留稀土：一般控制在0.01%～0.02%，适量的稀土可以中和生铁中的有害元素，但过高的稀土会产生絮状石墨，厚大件的稀土含量应比薄壁件控制得低一些。
(3)硫含量：球化前小于0.02%，球化后控制在0.006%～0.012%；过高的硫会消耗过多球化剂，产生更多的渣子，并产生回硫现象，过低的硫会使铁液次级核心减少，冶金质量下降。
(4)氧含量：不易量化控制，只能要求严格按工艺流程执行，原材料选用一致。
(5)紊流：大件设计尽量采用底注，内浇道流速小于2 m/s。
(6)孕育剂：干净，没有氧化，控制合适的孕育量和颗粒度，防止造渣。
3.3 残余镁量的控制
表 1 为欧洲在研究残余镁与稀土加入量关系[1]。要获得球状石墨的最低残余镁含量为0.03%（不加稀土的情况下），加入稀土的情况下残余镁含量比0.03%要低，就可以达到完全球化的目的。厚壁件的稀土量要比薄壁件低。为保险起见，我们可以把风电铸件中的残余镁量控制在0.03%～0.05%，稀土含量结合国内生铁质量实际状况，控制在0.01%～0.02%。

3.4 改进方向
3.4.1 熔炼方面的改进
(1)改进球化方式，逐步降低球化剂加入量，从而降低残余镁量。有些厂的残余镁量一般在0.06%以上，偏高，造成镁渣多，铁液缩松倾向大。可以采购一些干净的小块废钢片覆盖球化剂，延缓球化反应激烈程度，提高镁吸收率，降低球化剂加入量。目前我厂的球化剂加人量已经减少到1%以下。
(2)进行在球化后和浇注前以及铸件本体的镁残留量的对比检测试验，校验镁量损失量，为下一步制定铸件的合理镁残含量提供数据支持。
(3)中频炉熔炼最好保证过热温度1 510℃，控制保温时间5 min，并在炉内扒渣，目的可以细化晶粒，除渣，使铁液干净。
3.4.2 原材料方面
(1)主料的供应商要稳定，生铁、球化剂、孕育剂、涂料、型砂、树脂、固化剂等。
(2)对原材料定期检测，并将现在已经认识到的各种微量元素都要纳入到检测范围。
3.4.3 造型工艺及操作方面
(1)浇注系统设计方面要充分考虑挡渣效果。设计时要充分考虑液体的流动问题，主要是避免液体在浇注系统内的紊流现象。轮毂底座一般采用开放底注式。目前很多厂家所采用的披缝浇口符合这一原则，但需要注意的是披缝浇口处的型砂强度，防止冲砂和碎砂的产生。
(2)涂料的涂刷质量应重点监控，要改变可有可无的观念；在涂料达到一定厚度时，特别容易脱落，尤其是冷铁面上的涂料，控制涂料的涂刷厚度是关键。可以购买检测涂料层厚度的仪器。
(3)过程操作方面应严格检查，对于直浇道错偏严重或者涂料堆积的不能浇注，否则会严重影响浇注时间和进流速度，造成冲刷铸型、紊流，引起夹渣、夹砂、气孔等缺陷。
4 结束语
通过造型材料、一次熔渣、二次氧化渣三方面的缺陷成因分析，并采取切合实际的预防措施，我厂生产的风电铸件外观质量良好，没有产生严重的表面夹杂现象，顺利通过客户验收，已经为国内各主机厂配套生产了几千套合格铸件。

（摘自：《铸造》）