何文東
(浙江佳力風能技術有限公司，浙江杭州311241)

摘要：根據相關理論分析和生產實踐，系統總結了風電鑄件表面夾雜的成因和預防措施。從造型材料、一次熔渣、二次氧化渣三方面分析了夾雜物的形成原因，提出了一些切合生產實際的預防措施，并通過生產實踐證明了這些措施的有效性，可為國內同行提供借鑒。
關鍵詞：風電鑄件；夾雜物；預防措施
中圖分類號：TG250.6 文獻標識碼：B 文章編號：1001-4977 (2013) 07-0694-03風電鑄件對外觀質量及內部致密性的要求都非常嚴格，并且嚴格禁止焊補，外觀不能有可見的渣氣孔及夾砂缺陷；在滿足壁厚要求的前提下，如果有此類缺陷，必須打磨去除，除不掉的鑄件必須報廢。表面夾雜一方面降低了鑄件的外觀品質、力學性能；另一方面由于打磨增加了勞動成本，延長了交貨期。表面缺陷增加了鑄件廢品產生的機率，目前是各個鑄造廠的技術難點。風電部件除了常規檢驗以外，每個鑄件都要做低溫沖擊試驗、超聲波檢驗和磁粉檢驗。同時，風電鑄件屬于大斷面鐵素體球鐵鑄件，由于加入了Mg 和RE，凝固時間長，容易產生二次氧化渣和石墨畸變等缺陷。風電鑄件表面的氣孔、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，其是鑄件表面微裂紋的來源。每個鑄件表面都要做磁粉檢驗。目前判斷表面缺陷合格與否，普遍采用磁粉探傷ENI369 標準，高應力區和關鍵部位滿足2-3 級，一般區域滿足3-4 級，超出標準之外為不合格。
鑒于大斷面鐵素體球墨鑄鐵件的特殊性，完全避免表面夾雜是不可能的，但是可以采取一些措施，盡量減少表面缺陷的產生。在大型風電鑄件里，夾雜主要有三方面因素造成：造型材料、一次熔渣、二次氧化渣。以下就這三部分分析了缺陷的成因及對策。
1 造型材料
1.1 型砂
鑄型型腔中砂子的來源非常廣泛，只要是砂型鑄造，避免不了有夾砂缺陷的產生。但只要采用合理的工藝，加上操作者精心操作，夾砂缺陷是可以減少的。型芯強度要高，型砂質量要好。輪轂及底座類鑄件屬于厚大鑄件，鐵液凝固時，會產生非常大的石墨化膨脹力，因此要求型芯強度要足夠高。一般大件24h 抗拉強度要達到1.0～1.2 MPa。砂型強度太低，一方面會產生型壁位移，產生縮孔、縮松缺陷，另一方面會產生粘砂、鐵包、沖砂缺陷。在現場最直接的量化控制手段是用砂型硬度計檢測型芯表面硬度，大
件達到90°以上視為合格。除了按工藝要求加入合理的樹脂和固化劑，造型操作時特別要注意緊實。大件生產，在放砂時必須有4-5 人一起操作，進行表面緊實操作。緊實和不緊實，型芯強度的差距很大。有條件的鑄造廠要上振實臺，造型制芯時采用振實臺振動緊實代替人工緊實，振實過后的砂型強度完全可以達到使用要求，并可以降低樹脂的加入量，節約成本。還要做好再生砂質量的檢驗工作，發現異常及時糾正，保證型砂質量穩定。筆者所在工廠生產的輪轂表面曾經產生過很嚴重的麻孔現象，分析原因發現型砂質量指標都嚴重超標，含泥量和灼減量都很高，為了提高強度，不得不提高樹脂固化劑加入量。從而型砂中的硫含量大大增加，與鐵液中的鎂發生反應，產生大量二次氧化渣。通過對設備的修理，使型砂質量恢復到正常指標，降低樹脂固化劑加入量，輪轂的表面麻孔現象自然消失。
1.2 涂料
涂料質量要好，注意涂刷質量。風電鑄件型芯通常都采用鋯英粉復合涂料或者純鋯英粉涂料，一方面表面質量好，減少脈紋，提高表面光潔度，另一方面可以增強型芯表面的強度，提高耐火度，不粘砂，不沖砂，降低鑄件表面夾砂缺陷。涂料層厚度適中，大件控制在0.5～0.8mm，過厚容易脫落造渣，過薄容易粘砂，一般涂刷兩遍。涂料使用前必須測量波美度，達到工藝規定的范圍，及時攪拌。涂刷過的型芯和瓷管內，必須對涂料堆積處進行清理，尤其是瓷管和澆道內，涂刷時可以用廢舊報紙或者木塞塞入瓷管內。特別注意冷鐵上的涂層不能過厚，一般用稀涂料涂刷一遍即可，否則會成片脫落造成鑄件夾雜。
1.3 工藝設計
工藝設計時要計算鐵液進流速度，大件多采用底注式。輪轂和底座澆注時間都在100s左右，有些廠家采用慢澆的件澆注時間達到3～5 min，對鑄型的沖擊力非常大，容易產生沖砂。鐵液的進流速度，一般不能高于2 m/s。鐵液進流方向最好正對壁厚處，不要沖擊砂芯。
1.4 冷鐵
使用合格的冷鐵，嚴格限制冷鐵使用次數，一般控制在5 次以內。使用次數過多，冷鐵激冷能力下降，而且容易產生渣氣孔缺陷。要確保冷鐵表面的光潔度，不能有銹蝕及孔洞。冷鐵棱角要清晰，否則會與砂型接觸不牢固，產生表面夾砂。冷鐵邊緣與砂型接觸的浮砂要打磨掉。
關于冷鐵管理要注意幾點：首先冷鐵要編號，建立電子版冷鐵庫，對編號形狀規格做出規定。工藝設計時根據冷鐵庫里的類型選擇使用，盡量選用通用冷鐵，特殊形狀處可以設計隨形冷鐵。現場操作按工藝文件規定的冷鐵號來使用冷鐵。這樣可以減少冷鐵的種類，有編號識別也清晰，不會放錯或者亂放。其次對冷鐵的使用次數做標記，鑄件開箱時要有專人收集冷鐵，并做出標記，使用5 次以后就要及時廢棄。做到以上兩點冷鐵管理起來就順暢一些。
2 一次熔渣
一次熔渣的來源主要有爐襯、包襯、聚渣劑、孕育劑、球化劑、預處理劑等。這些材料如果使用不當很容易造渣，因此必須采用一些預防措施，杜絕這些夾雜物進入鑄型型腔。
(1)按澆包使用次數，按時修包，清包。每日要清理包襯上的鐵釉子、夾雜物等，修補包襯。達到使用次數的澆包，要按時重新打結包襯，保證包襯光潔，無過多雜物。爐口也要每天進行修補。
(2)如果采用中頻爐熔煉，爐內過熱至1 510℃，時間5 min，在爐內扒一次渣；高溫出鐵，出爐溫度控制在1 450℃以上，用干凈生鐵在包內降溫。這樣各種渣子容易上浮，扒渣扒得干凈些。
(3)澆注時采用澆口塞，澆口盆要足夠高，并使用擋渣板。鐵液澆滿澆口盆后，再拔塞，使渣子充分浮到上面。
(4)工藝設計合理的澆注系統，利用澆注系統擋渣，過濾片慎重使用。開放式設計比例一般采用1:2:2，半封閉式采用1:2:0.8。經過研究證明，這種比例能起到最佳的擋渣效果。橫澆道末端設置集渣包，內澆道如果使用瓷管，瓷管與橫澆道連接采用過道，而不能直接放置在橫澆道下部。中小件可以使用過濾片，大件用過濾片很危險，進流慢，如果渣很多的話容易堵塞而澆不進，并有沖碎的可能。
(5)球化劑和孕育劑要保持干燥，粒度合適。潮濕的球化劑和孕育劑會影響球化和孕育效果，使其不能完全熔化，容易造渣。
3 二次氧化渣（鎂渣）
鎂渣一般在球化后和型內產生。表面鎂渣不但影響外觀質量，如果產生在高應力區和加工面，將會對力學性能產生不利影響，力學性能會下降30%。做超聲波檢驗時，通常會有底波消失的情況出現，這就是鎂渣吸收聲波所造成的，一般用戶都不接受這種情況。做磁粉檢驗時，會發現很多微裂紋，就是鎂渣形成的。
3.1 球化反應機理[1]
Mg+O→MgO (1)
Ce+O→CeO (2)
Mg+S→MgS (3)
Ce+S→CeS (4)
2Mg+SiO2+O2→Mg2SiO4(有時生成Mg2SiO3) (5)從上述化學反應式可以看出，鎂渣主要由MgO、CeO、MgS、CeS、Mg2SiO4 組成。因此，生產中總是將S、O 控制在足夠低的水平。在保證球化質量的前提下，也總是把Mg 和稀土的含量控制得盡量低。
3.2 預防鎂渣措施
(1)殘留鎂（殘留鎂量+殘留稀土量取決于鑄件壁厚）：一般鑄件殘余鎂量控制在0.03%～0.05%；如果殘余鎂量大于0.06%，會產生大量熔渣，而且鐵液白口傾向大，產生更多的縮松。
(2)殘留稀土：一般控制在0.01%～0.02%，適量的稀土可以中和生鐵中的有害元素，但過高的稀土會產生絮狀石墨，厚大件的稀土含量應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%；過高的硫會消耗過多球化劑，產生更多的渣子，并產生回硫現象，過低的硫會使鐵液次級核心減少，冶金質量下降。
(4)氧含量：不易量化控制，只能要求嚴格按工藝流程執行，原材料選用一致。
(5)紊流：大件設計盡量采用底注，內澆道流速小于2 m/s。
(6)孕育劑：干凈，沒有氧化，控制合適的孕育量和顆粒度，防止造渣。
3.3 殘余鎂量的控制
表 1 為歐洲在研究殘余鎂與稀土加入量關系[1]。要獲得球狀石墨的最低殘余鎂含量為0.03%（不加稀土的情況下），加入稀土的情況下殘余鎂含量比0.03%要低，就可以達到完全球化的目的。厚壁件的稀土量要比薄壁件低。為保險起見，我們可以把風電鑄件中的殘余鎂量控制在0.03%～0.05%，稀土含量結合國內生鐵質量實際狀況，控制在0.01%～0.02%。

3.4 改進方向
3.4.1 熔煉方面的改進
(1)改進球化方式，逐步降低球化劑加入量，從而降低殘余鎂量。有些廠的殘余鎂量一般在0.06%以上，偏高，造成鎂渣多，鐵液縮松傾向大。可以采購一些干凈的小塊廢鋼片覆蓋球化劑，延緩球化反應激烈程度，提高鎂吸收率，降低球化劑加入量。目前我廠的球化劑加人量已經減少到1%以下。
(2)進行在球化后和澆注前以及鑄件本體的鎂殘留量的對比檢測試驗，校驗鎂量損失量，為下一步制定鑄件的合理鎂殘含量提供數據支持。
(3)中頻爐熔煉最好保證過熱溫度1 510℃，控制保溫時間5 min，并在爐內扒渣，目的可以細化晶粒，除渣，使鐵液干凈。
3.4.2 原材料方面
(1)主料的供應商要穩定，生鐵、球化劑、孕育劑、涂料、型砂、樹脂、固化劑等。
(2)對原材料定期檢測，并將現在已經認識到的各種微量元素都要納入到檢測范圍。
3.4.3 造型工藝及操作方面
(1)澆注系統設計方面要充分考慮擋渣效果。設計時要充分考慮液體的流動問題，主要是避免液體在澆注系統內的紊流現象。輪轂底座一般采用開放底注式。目前很多廠家所采用的披縫澆口符合這一原則，但需要注意的是披縫澆口處的型砂強度，防止沖砂和碎砂的產生。
(2)涂料的涂刷質量應重點監控，要改變可有可無的觀念；在涂料達到一定厚度時，特別容易脫落，尤其是冷鐵面上的涂料，控制涂料的涂刷厚度是關鍵。可以購買檢測涂料層厚度的儀器。
(3)過程操作方面應嚴格檢查，對于直澆道錯偏嚴重或者涂料堆積的不能澆注，否則會嚴重影響澆注時間和進流速度，造成沖刷鑄型、紊流，引起夾渣、夾砂、氣孔等缺陷。
4 結束語
通過造型材料、一次熔渣、二次氧化渣三方面的缺陷成因分析，并采取切合實際的預防措施，我廠生產的風電鑄件外觀質量良好，沒有產生嚴重的表面夾雜現象，順利通過客戶驗收，已經為國內各主機廠配套生產了幾千套合格鑄件。

（摘自：《鑄造》）