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基本信息

項(xiàng)目名稱：
大型風(fēng)機(jī)輪轂球墨鑄鐵的近精量化工藝開發(fā)
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
2009年我國(guó)已成為世界上僅次于美國(guó)的第二大風(fēng)電大國(guó)，但風(fēng)電零部件已成為制約風(fēng)電發(fā)展的一個(gè)瓶頸。本項(xiàng)目針對(duì)風(fēng)電核心部件之一風(fēng)機(jī)輪轂的球墨鑄鐵鑄造工藝進(jìn)行近精量化工藝開發(fā)，精簡(jiǎn)風(fēng)機(jī)輪轂澆注設(shè)計(jì)，改善補(bǔ)縮系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)模擬鑄造流程，同時(shí)采用x-ray技術(shù)實(shí)時(shí)觀測(cè)澆注過(guò)程，減少設(shè)計(jì)成本，從而實(shí)現(xiàn)球墨鑄鐵風(fēng)機(jī)輪轂的零缺陷與優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品開發(fā)。符合節(jié)能環(huán)保，綠色科技的理念。
詳細(xì)介紹：
一、風(fēng)機(jī)輪轂?zāi)壳盃顩r 2009年我國(guó)已成為世界上僅次于美國(guó)的第二大風(fēng)電大國(guó)，但風(fēng)電零部件已成為制約風(fēng)電發(fā)展的一個(gè)瓶頸。本項(xiàng)目針對(duì)風(fēng)電核心部件之一風(fēng)機(jī)輪轂的球墨鑄鐵鑄造工藝進(jìn)行近精量化工藝開發(fā)，精簡(jiǎn)風(fēng)機(jī)輪轂澆注設(shè)計(jì)，改善補(bǔ)縮系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)模擬鑄造流程，同時(shí)采用x-ray技術(shù)實(shí)時(shí)觀測(cè)澆注過(guò)程，減少設(shè)計(jì)成本，從而實(shí)現(xiàn)球墨鑄鐵風(fēng)機(jī)輪轂的零缺陷與優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品開發(fā)。 二、存在問(wèn)題 1）風(fēng)機(jī)輪轂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)——尺寸大、重量大、壁厚不均勻的殼體型結(jié)構(gòu)，造成其實(shí)際鑄造過(guò)程中產(chǎn)品合格率低、工藝出品率低、材料浪費(fèi)較大、產(chǎn)品力學(xué)性能較差、石墨形態(tài)不滿足要求等缺陷； 2）由于風(fēng)機(jī)輪轂采用球墨鑄鐵進(jìn)行鑄造，在鑄造過(guò)程中易產(chǎn)生石墨化析出，產(chǎn)生體積膨脹，因此導(dǎo)致鑄件尺寸與實(shí)際零件尺寸偏差較大，容易產(chǎn)生后續(xù)機(jī)械加工量大、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、產(chǎn)品成本提高。 3）由于鑄件尺寸較大、殼體型結(jié)構(gòu)，而且壁厚極不均勻，易導(dǎo)致鑄件產(chǎn)品存在較大的殘余應(yīng)力，如何在鑄造過(guò)程中調(diào)整工藝設(shè)計(jì)減少鑄件的應(yīng)力與變形時(shí)一個(gè)難點(diǎn)。 三、解決方案 1）采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)球墨鑄鐵風(fēng)機(jī)輪轂鑄造全過(guò)程進(jìn)行模擬分析，分析工藝參數(shù)對(duì)充型凝固過(guò)程中的鑄件缺陷預(yù)測(cè)、分析鑄件凝固過(guò)程中的應(yīng)力分布的影響，進(jìn)而通過(guò)模擬對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，降低鑄造風(fēng)機(jī)輪轂的殘余應(yīng)力，減少鑄造輪轂的缺陷。 2）針對(duì)風(fēng)機(jī)輪轂的球墨鑄鐵鑄造，采用盡可能降低充型溫度，提高鑄件充型速度，減少充型過(guò)程熱量損失，實(shí)現(xiàn)球墨鑄鐵的無(wú)冒口設(shè)計(jì)，并通過(guò)對(duì)砂型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)輪轂冷卻速度的控制，避免鑄件產(chǎn)生缺陷，和由于局部應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生較大變形進(jìn)而影響到鑄件的尺寸。 3）針對(duì)充型凝固過(guò)程不可觀測(cè)，導(dǎo)致在充型凝固過(guò)程產(chǎn)生缺陷的不可知性，在本方案中將利用中科院金屬所的鑄造過(guò)程X-Ray實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)輪轂?zāi)Ｐ图蔫T造充型凝固過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，分析并改進(jìn)工藝方案，提高產(chǎn)品合格率。 四、通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)輪轂球墨鑄鐵的近精量化工藝設(shè)計(jì)，要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)目標(biāo)：1）風(fēng)機(jī)輪轂的工藝出品率在85%以上，即除少量的澆注系統(tǒng)外，液體金屬全部進(jìn)入鑄件型腔內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)材料與能源的節(jié)約，同時(shí)縮短整個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。2）通過(guò)控制輪轂鑄造工藝參數(shù)，改進(jìn)澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)輪轂在凝固過(guò)程中，冷卻速率保持基本一致，從而保證風(fēng)機(jī)輪轂微觀組織中球墨形態(tài)均勻，殘余應(yīng)力與參與應(yīng)變較小，鑄件產(chǎn)品與零件產(chǎn)品尺寸偏差小于10%。 五、項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)：1）計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化鑄造工藝，實(shí)現(xiàn)鑄件產(chǎn)品的近精量化和零缺陷；2）通過(guò)X-Ray射線對(duì)澆注過(guò)程實(shí)時(shí)觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)澆注系統(tǒng)和鑄件結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化；3）低溫快速充型技術(shù)，表面鑄造過(guò)程產(chǎn)生缺陷，同時(shí)保證球墨鑄鐵組織細(xì)小，石墨形態(tài)均勻；由于球墨鑄鐵的成本較低和球墨鑄鐵的良好減震性能，目前國(guó)內(nèi)大型風(fēng)機(jī)輪轂均采用球墨鑄鐵制造。由于風(fēng)機(jī)輪轂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)——?dú)んw件、壁厚不均勻，空洞較大，以及球墨鑄鐵在凝固過(guò)程中存在石墨化析出，使其體積膨脹這一特點(diǎn)，導(dǎo)致砂鑄風(fēng)機(jī)輪轂產(chǎn)品的合格率低、工藝出品率低、后續(xù)機(jī)械加工量大，加工周期長(zhǎng)，生產(chǎn)成本高。 為了突破傳統(tǒng)砂型鑄造的尺寸精度差、缺陷多、存在應(yīng)力變形等問(wèn)題。在大型風(fēng)機(jī)輪轂的設(shè)計(jì)上首先采用了計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化，利用計(jì)算機(jī)模擬確定各部位的冷卻速度，進(jìn)而針對(duì)性的改進(jìn)砂型結(jié)構(gòu)；其次利用X-Ray技術(shù)實(shí)時(shí)觀察鑄件充型凝固過(guò)程，確定液體進(jìn)入型腔時(shí)間和填充時(shí)間，從而確定所設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)能夠保證鑄件充型完整。 六、適應(yīng)范圍及推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明及市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè) 2009年全球新增風(fēng)電裝機(jī)37466MW，累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)157899MW，中國(guó)大陸新增裝機(jī)13803.2MW，年同比增長(zhǎng)124%；占全球新增裝機(jī)總量的34.7%，排名世界第一。同時(shí)累計(jì)裝機(jī)總量達(dá)到25805.3MW，年同比增長(zhǎng)114%，僅次于美國(guó)位列世界第二。 2007年我國(guó)兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量已占到當(dāng)年新增市場(chǎng)的51%，并且逐年增加，2008年占72.8%，2009年占86.8%。1-2MW的機(jī)組中所需鑄件約為15-35噸，4.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中所需鑄件達(dá)35-50噸，這些數(shù)據(jù)僅以陸地風(fēng)機(jī)為例，海上風(fēng)機(jī)所需鑄件重量更大，因?yàn)楹Ｉ巷L(fēng)機(jī)重量大于同類型的陸地風(fēng)機(jī)重量，如Vestas-3MW(initial)風(fēng)機(jī)僅機(jī)艙和轉(zhuǎn)子總重104噸，而Vestas-3MW(current)風(fēng)機(jī)機(jī)艙重110噸。輪轂為例，某鑄鋼公司試制的1.5MW風(fēng)機(jī)的輪轂達(dá)12噸，而3MW風(fēng)機(jī)的輪轂一般重達(dá)20噸左右，再加上其它零部件，風(fēng)機(jī)中鑄件的重量應(yīng)該更大，我國(guó)某個(gè)企業(yè)生產(chǎn)的1.5MW風(fēng)機(jī)，鑄件總重量達(dá)50噸。歐洲風(fēng)力協(xié)會(huì)等單位預(yù)測(cè)歐洲每年增加約6000MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，約需鑄件10萬(wàn)噸/年，2005-2008年全世界約增加40,000MW，每年需鑄件20萬(wàn)噸。隨著節(jié)能減排的要求，風(fēng)電將以超常規(guī)的速度發(fā)展，目前我國(guó)已有注冊(cè)的兆瓦級(jí)風(fēng)電企業(yè)83家，這些企業(yè)正從1.5MW向3MW，4.5MW風(fēng)機(jī)方向發(fā)展，這將大大推動(dòng)對(duì)風(fēng)機(jī)輪轂的需要，可以說(shuō)在風(fēng)電市場(chǎng)上，生產(chǎn)高質(zhì)量球墨鑄鐵的市場(chǎng)前景非常廣闊。

作品圖片

  • 大型風(fēng)機(jī)輪轂球墨鑄鐵的近精量化工藝開發(fā)
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作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

1．風(fēng)機(jī)輪轂存在問(wèn)題 1）尺寸大、重量大、壁厚不均勻的殼體型結(jié)構(gòu)，造成其實(shí)際鑄造過(guò)程中產(chǎn)品合格率低、工藝出品率低、材料浪費(fèi)較大、產(chǎn)品力學(xué)性能較差、石墨形態(tài)不滿足要求等缺陷。2）由于采用球墨鑄鐵進(jìn)行鑄造，在鑄造過(guò)程中易產(chǎn)生石墨化析出，產(chǎn)生體積膨脹，因此導(dǎo)致鑄件尺寸偏差較大。3）鑄件尺寸較大、殼體型結(jié)構(gòu)，而且壁厚極不均勻，易導(dǎo)致鑄件產(chǎn)品存在較大的殘余應(yīng)力。 2．解決方案 1）采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)鑄造全過(guò)程進(jìn)行模擬分析。通過(guò)模擬對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，降低鑄造風(fēng)機(jī)輪轂的殘余應(yīng)力，減少鑄造輪轂的缺陷。2）針對(duì)風(fēng)機(jī)輪轂的球墨鑄鐵鑄造，采用盡可能降低充型溫度，提高鑄件充型速度，減少充型過(guò)程熱量損失，并通過(guò)對(duì)砂型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)輪轂冷卻速度的控制。3）針對(duì)充型凝固過(guò)程不可觀測(cè)，導(dǎo)致在產(chǎn)生缺陷的不可知性，本方案中將利用中科院金屬所的鑄造過(guò)程X-Ray實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)模型件的鑄造充型凝固過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，分析并改進(jìn)工藝方案，提高產(chǎn)品合格率。 3．項(xiàng)目目標(biāo)：1）風(fēng)機(jī)輪轂的工藝出品率在85%以上。2）通過(guò)控制鑄造工藝參數(shù)，改進(jìn)澆注系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在凝固過(guò)程中，冷卻速率保持基本一致，從而保證風(fēng)機(jī)輪轂微觀組織中球墨形態(tài)均勻，殘余應(yīng)力與參與應(yīng)變較小，鑄件產(chǎn)品偏差小于10%。 4.項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)：1）計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化鑄造工藝，實(shí)現(xiàn)鑄件的近精量化和零缺陷；2）通過(guò)X-Ray射線對(duì)澆注過(guò)程實(shí)時(shí)觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)澆注系統(tǒng)和鑄件結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化；3）低溫快速充型技術(shù)，保證球墨鑄鐵組織細(xì)小，石墨形態(tài)均勻。

科學(xué)性、先進(jìn)性

由于球墨鑄鐵的成本較低和球墨鑄鐵的良好減震性能，目前國(guó)內(nèi)大型風(fēng)機(jī)輪轂均采用球墨鑄鐵制造。由于風(fēng)機(jī)輪轂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)——?dú)んw件、壁厚不均勻，空洞較大，以及球墨鑄鐵在凝固過(guò)程中存在石墨化析出，使其體積膨脹這一特點(diǎn)，導(dǎo)致砂鑄風(fēng)機(jī)輪轂產(chǎn)品的合格率低、工藝出品率低、后續(xù)機(jī)械加工量大，加工周期長(zhǎng)，生產(chǎn)成本高。 為了突破傳統(tǒng)砂型鑄造的尺寸精度差、缺陷多、存在應(yīng)力變形等問(wèn)題。在大型風(fēng)機(jī)輪轂的設(shè)計(jì)上首先采用了計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化，利用計(jì)算機(jī)模擬確定各部位的冷卻速度，進(jìn)而針對(duì)性的改進(jìn)砂型結(jié)構(gòu)；其次利用X-Ray技術(shù)實(shí)時(shí)觀察鑄件充型凝固過(guò)程，確定液體進(jìn)入型腔時(shí)間和填充時(shí)間，從而確定所設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)能夠保證鑄件充型完整。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

無(wú)

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

無(wú)

作品可展示的形式

模型 圖紙 現(xiàn)場(chǎng)演示 圖片

使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

全球新增風(fēng)電裝機(jī)37466MW，中國(guó)大陸新增裝機(jī)13803.2MW，同比增長(zhǎng)124%。同時(shí)累計(jì)裝機(jī)總量達(dá)25805.3MW，同比增長(zhǎng)114%。2008年占72.8%，2009年占86.8%，并且逐年增加。1-2MW的機(jī)組中所需鑄件約為15-35噸，4.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中所需鑄件達(dá)35-50噸，這些數(shù)據(jù)僅以陸地風(fēng)機(jī)為例，海上風(fēng)機(jī)所需鑄件重量更大，因?yàn)楹Ｉ巷L(fēng)機(jī)重量大于同類型的陸地風(fēng)機(jī)重量，如Vestas-3MW(initial)風(fēng)機(jī)僅機(jī)艙和轉(zhuǎn)子總重104噸，而Vestas-3MW(current)風(fēng)機(jī)機(jī)艙重110噸。歐洲風(fēng)力協(xié)會(huì)等單位預(yù)測(cè)歐洲每年增加約6000MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，約需鑄件10萬(wàn)噸/年，2005-2008年全世界約增加40,000MW，每年需鑄件20萬(wàn)噸。隨著節(jié)能減排的要求，風(fēng)電將以超常規(guī)的速度發(fā)展，目前我國(guó)企業(yè)正從1.5MW向3MW，4.5MW風(fēng)機(jī)方向發(fā)展，這將大大推動(dòng)對(duì)風(fēng)機(jī)輪轂的需要，可以說(shuō)在風(fēng)電市場(chǎng)上，生產(chǎn)高質(zhì)量球墨鑄鐵的市場(chǎng)前景非常廣闊。

同類課題研究水平概述

風(fēng)機(jī)輪轂是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中一個(gè)關(guān)鍵部件，其性能是決定了風(fēng)機(jī)使用壽命的一個(gè)主要因素?；诔杀痉矫娴目紤]目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)風(fēng)機(jī)輪轂制作均采用鑄造方法，但目前國(guó)內(nèi)外眾多風(fēng)機(jī)設(shè)備制造企業(yè)在針對(duì)輪轂的鑄造工藝設(shè)計(jì)均存在一些問(wèn)題，如沈陽(yáng)鑄鍛有限公司、新疆金風(fēng)企業(yè)等，他們采用大澆口，大冒口，大加工量，較高溫度充型等，導(dǎo)致鑄件工藝出品率不高，很少能有企業(yè)達(dá)到60%以上，而由于加大尺寸的輪轂導(dǎo)致鑄造后機(jī)械加工周期延長(zhǎng)，并且由于給的尺寸富裕加大，澆注溫度較高，能耗較大，且容易導(dǎo)致輪轂在凝固過(guò)程發(fā)生石墨化漂移，嚴(yán)重影響其使用性能。這些導(dǎo)致了風(fēng)機(jī)輪轂的生產(chǎn)成本較高、制造周期較長(zhǎng)、工藝出品率不高、性能不穩(wěn)定。針對(duì)這些問(wèn)題，本項(xiàng)目提出近精量化設(shè)計(jì)，目的是將工藝出品率提高到80%，縮短生產(chǎn)周期，將生產(chǎn)成本降低20%。并結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)合理優(yōu)化工藝參數(shù)，在保證充型完整的情況下降低澆注溫度，減少石墨化漂移，提高產(chǎn)品性能。由于風(fēng)機(jī)輪轂是風(fēng)機(jī)中的一個(gè)典型球墨鑄鐵件，它的開發(fā)將有助于對(duì)其他零部件的采用相同工藝開發(fā)，進(jìn)而促進(jìn)整個(gè)風(fēng)機(jī)設(shè)備成本的降低，并使風(fēng)力發(fā)電成本降低。
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