MW级风电扭转轴电渣熔铸用结晶器

摘要

本发明的目的在于提供一种新型的MW级风电扭转轴电渣熔铸用结晶器，为电渣熔铸方法生产该类铸件提供核心设备。利用该结晶器生产的风电扭转轴毛坯表面成型质量与内部质量均优良，完全满足或超过技术要求，该结晶器具有制作方便，省工、省料优点，同时实现了熔铸操作方便，组装定位准确，熔铸金属利用率高等优点。另外，该结晶器在使用中采用了退让装置，温度监测装置，定位装置，实用后各项指标均经受住生产考验，未出现漏渣、漏水，焊缝开裂变形等常见结晶器损伤。

说明书

技术领域

本发明提供一种铸造用模具，特别是涉及一种电渣熔铸整体制造MW级风电扭转轴毛坯的模具——MW级风电扭转轴电渣熔铸用结晶器。

背景技术

电渣熔铸作为一项先进铸造技术，将钢水精炼与铸造成型两道工序结合在一起，所生产的铸件结晶组织均匀致密、纯度高、硫和磷含量低、非金属夹杂物少、具有良好的力学性能和抗疲劳性能。既能达到锻件的质量标准，又可实现铸件近净成型，实现周期和成本的双赢，已被现代铸造企业广泛应用。产品涉及航空、造船、电力、化工以及重型机械等现代化工业。

风电是目前十分提倡的绿色能源，但风力发电机运行环境恶劣（-45℃至+45℃），部件质量要求很苛刻（力学性能高，抗疲劳性好，耐蚀性好）。随着MW级风力发电机（未来市场主打产品）的开发建设，风力发电向高效率、大型化方向发展，对风力发电的重要零部件的质量要求愈来愈高。MW级风电扭转轴质量好坏直接影响MW级风电机组的质量。

结晶器是电渣炉的重要部件，属于炉体部分，在熔铸时，它一方面起着熔化、精炼的熔炼室作用；另一方面又起着铸件模具形成铸件的作用，熔化与成型均在结晶器内进行，所以结晶器工作环境恶劣，对于风电扭转轴结晶器更是如此，结晶器结构复杂，熔铸中受力复杂，为此，结晶器必须具有导热强、抗变形强、易制造等特点。

众所周知，MW级风电扭转轴结构复杂（见图1），各曲拐沿空间分布，形状复杂。因此，MW级风电扭转轴电渣熔铸用结晶器的结构更加复杂，按照常规方法无法制作和使用，很长时间以来一直制约我国电渣熔铸该类铸件的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的MW级风电扭转轴电渣熔铸用结晶器，为电渣熔铸方法生产该类铸件提供核心设备。利用该结晶器生产的风电扭转轴毛坯表面成型质量与内部质量均优良，完全满足或超过技术要求，该结晶器具有制作方便，省工、省料优点，同时实现了熔铸操作方便，组装定位准确，熔铸金属利用率高等优点。另外，该结晶器在使用中采用了退让装置，温度监测装置，定位装置，实用后各项指标均经受住生产考验，未出现漏渣、漏水，焊缝开裂变形等常见结晶器损伤。

1、              设计方案制定

思路：电渣熔铸整体一次成型方式制造MW级风电扭转轴，是利用自耗电极沿结晶器贯通的主轴颈孔腔熔铸。设计MW级风电扭转轴（曲柄臂很厚的大型铸件）电渣熔铸用结晶器，必须解决如下棘手问题。

（1）常规电渣熔铸结晶器，铸件脱模困难很大。

（2）在常规轴位置结晶器的填充系数最大（0.55），在曲柄最厚处结晶器的填充系数最小（0.12-0.18），倘若填充系数由0.55直接突变到0.15，曲柄处无法实现良好充型。

（3）解决常规方案无法实现曲柄位置监测与曲柄饱满充型；

（4）对于这种曲柄间距很大的铸件（约2.5米），曲柄凝固时轴向通常收缩在10mm左右，巨大应力很难释放，通过在结晶器上增设退让设施，以避免铸件裂纹和结晶器过早损坏。

（5）对于这种轴很长（近4米）轴柄很粗的铸件，避免因轴向应力释放不当而产生大变形。

（6）对于轴很长的中空模具来说，定位时同心度和型腔缝隙都不易控制。

为了克服以上困难，通过分析MW级风电扭转轴电渣熔铸用结晶器结构和熔铸时的受力，最终确定出如下设计方案：

（a）综合考虑分型位置（图2~5中19代表分型位置），实现铸件能够顺利脱模。

（b）在曲柄结晶器上增加与常规轴结晶器的过渡型腔，以便实现曲柄处良好充型。对于电渣熔铸结晶器，增加型腔，就等同于增加毛坯重量。如果过渡型腔增加过大，会造成风电扭转轴毛坯增量过多，降低金属利用率，使加工量增大；反之，结晶器过渡型腔增加过小，无法满足正常熔铸需要而失去意义。通过理论计算电渣熔铸填充比与熔铸功率的关系再加上铸造所多年生产实践总结，最终确定出了一个相对最小的结晶器过渡型腔增加量。在毛坯上出现的增量可通过机械加工切取下来，作为本体试块供作成份和性能检测。

（c）曲柄位置监测与曲柄饱满充型是息息相关的；曲柄位置检测准确，则相应功率可控性增强，功率跟踪及时，则铸件曲柄位置充型良好；同时只有曲柄位置检测准确，才能控制曲柄后段的收弧工艺，保证铸件无缩松等缺陷。

（d）通过在结晶器上增设退让辅助装置U型槽、千斤顶和L板，按照两种退让方式，能实现轴向退让距离大于12mm的功能，能有效避免铸件裂纹和结晶器过早损坏。

（e）通过在结晶器上增设退让辅助设施，有轴向退让距离大于12mm的功能，应力得到良好释放，这就完全可以避免铸件轴向凝固应力释放不当产生大变形或结晶器产生大变形，延长结晶器使用寿命。

（f）通过在结晶器上下法兰间增设定位销定位，能保证结晶器良好定位，实现轴向同心度不超过2mm，型腔缝隙不超过4mm。

本发明具体提供了MW级风电扭转轴电渣熔铸用结晶器，其特征在于：

所述结晶器分为曲柄结晶器和常规轴结晶器两部分，曲柄结晶器部分由节Ⅰ21、节Ⅱ22、节Ⅲ23、节Ⅳ24构成，常规轴结晶器部分为节Ⅴ25；

结晶器是由与曲柄形状相适应的内腔型板5、水缝板11、水套板12及在曲柄最厚位置处增设的过渡型腔15构成，水缝板11设置在内腔型板5的外侧、水套板12的内侧，在水缝板11与水套板12之间为水套14，水套14下部固设有多个进水管4、上部固设有多个出水管3；进出水管分别在贴近上下法兰位置并与法兰板成角5°-15°；内腔型板5、水缝板11、水套板12和水套14通过上法兰1、下法兰2和立法兰13密封连接；在曲柄结晶器上增加在曲柄最厚位置与常规轴位置的过渡型腔15，过渡型腔15高度为150-300mm，采用圆角过渡。

本发明提供的MW级风电扭转轴电渣熔铸用结晶器，其特征在于：所述结晶器具有退让辅助设施，即温度监测装置，所述温度监测装置由插入结晶器内腔的热电偶16以及热电偶16外接的连接数据采集器组成。温度监测装置的热电偶槽预先在结晶器上加工好，热电偶槽打入结晶器铜内腔深度2-10mm，热电偶16可自由拆组连接数据采集器以便于测温。在扭转轴熔铸过程中，采用结晶器水温控制系统，对铸件不同部位熔铸过程进行温度控制，随时调整工艺参数，保证铸件内部和表面质量。

本发明提供的MW级风电扭转轴电渣熔铸用结晶器，其特征在于：在内腔型板5及水缝板11之间设置型板加强筋10，并与内腔型板5及水缝板11焊接成一整体，将内腔型板5外侧分隔成四个区域，每个区域形成独立水循环，内腔型板5与水缝板11之间的水缝宽度为15-45mm，均匀过渡。

本发明提供的MW级风电扭转轴电渣熔铸用结晶器，其特征在于：在型板加强筋10上加工出长20-100mm、宽15-45mm的槽8，使内腔型板5外侧的四个区域中相临的两区域连通。

本发明提供的MW级风电扭转轴电渣熔铸用结晶器，其特征在于：水套14装设在水缝板11外50-100mm处。

本发明提供的MW级风电扭转轴电渣熔铸用结晶器，其特征在于，采用定位销定位装置：上法兰1与下法兰2间采用定位销17定位（定位图如图12所示）。定位销17可根据实际精度要求在各层结晶器间设置（通常对角线位置各设置1个和4个角都设置），定位销17与销控之间间隙可根据精度要求设置。通过定位销定位装置能实现分体结晶器配合后，型腔缝隙不超过4mm，轴向同心度不超过2mm。

本发明提供的MW级风电扭转轴电渣熔铸用结晶器，其特征在于：所述曲柄结晶器有如图14、15所示的两种退让方式，在结晶器上设置退让辅助装置，该装置由U型槽a 6、U型槽b 7、千斤顶9和L板18组成，通过千斤顶9牵动L板18沿U型槽滑动。实现余量紧张位置40炉变形量不超过±6mm。结晶器退让辅助装置除L板18外，其余部分与结晶器可自由拆组，便于维修和使用。

2.结晶器制造方案的制定

根据MW级风电扭转轴电渣熔铸用结晶器的使用要求，对结晶器材料进行综合评定后，确定结晶器内腔型板5采用铜板其它部位采用钢板的铜—钢结合方式制作。

传统样板+人工锤打方法成型的结晶器内腔尺寸偏差大，有时还得附加结构焊接成型，既增大尺寸偏差又增加内腔型面上的焊缝数量，提高熔铸时漏水、漏渣风险，这些都为结晶器的使用和维修带来困难。

为保证该MW级风电扭转轴结晶器的制作精度，在制造时首先用三维实体技术制造曲柄模型，然后采用模锻方法将整张铜板一次锻压成型结晶器内腔型板5，这样制作的结晶器尺寸精度高，形状与设计的产品相近，无需简化型线，而且内腔型板5面上没有焊缝，提高了结晶器的使用寿命。

对于该种类风电扭转轴结晶器在制造时要考虑到由于结晶器形体较大，熔铸时功率必定也较大，所以采用型板加强筋与拉筋成垂直交叉和内腔型板焊接成一体，将结晶器的水冷区制成分区水冷来增强熔铸时的变形抗力和结晶器冷却能力。另外，在结晶器制造过程中还要充分考虑风电扭转轴收缩对该风电扭转轴结晶器的损害，曲柄臂的制造角度应大于该处收缩时的摩擦自锁角，并且还必须将整个结晶器做成多节的分体组合式结晶器，这样对收缩损害的减弱和制造以及防变形等方面都有作用，并且也有利于风电扭转轴毛坯的脱模。

本发明提供的MW级风电扭转轴电渣熔铸用结晶器，其特征在于：所述扭转轴结晶器按曲柄数量分为5节10块的对开式分体组合结晶器，分型位置19将该结晶器分为节Ⅰ21、节Ⅱ22、节Ⅲ23、节Ⅳ24和节Ⅴ25。有两种分型方案（见图2、3）。

本发明提供的MW级风电扭转轴电渣熔铸用结晶器，其特征在于：内腔型板5是用整张铜板采用三维实体模锻成型，其它部位均采用钢板。所述铜板为紫铜板，厚度为10-25mm，水缝板11和水套板12由10mm钢板制成，上法兰1、下法兰2和立法兰13由15-25mm厚钢板制成。型板加强筋、拉筋厚度为15-25mm。

本发明提供的结晶器能实现铸件能够顺利脱模，有过渡型腔，曲柄位置可监测，能实现轴向退让，无大变形，定位精度高。

 

附图说明

图1  MW级风电扭转轴示意图

图2  MW级风电扭转轴电渣熔铸用结晶器分型方案一示意图；

图3  MW级风电扭转轴电渣熔铸用结晶器分型方案二示意图；

图4  MW级风电扭转轴电渣熔铸用结晶器内腔侧视图；

图5  MW级风电扭转轴电渣熔铸用结晶器内腔主视图；

图6  MW级风电扭转轴电渣熔铸用结晶器结构示意图； 

图7  MW级风电扭转轴电渣熔铸用结晶器截面图；

图8  MW级风电扭转轴电渣熔铸用结晶器截面图；

图9  MW级风电扭转轴电渣熔铸用结晶器整体结构示意图；

图10  曲柄与常规轴过渡型腔示意图；

图11  温度监测装置——热电偶16位置示意图； 

图12  定位销17示意图；

图13  定位销17位置设置图；

图14  MW级风电扭转轴电渣熔铸用结晶器退让辅助装置一示意图； 

图15  MW级风电扭转轴电渣熔铸用结晶器退让辅助装置二示意图。

 

具体实施方式

实施例1

1、确定结晶器分型方案、曲柄结晶器与常规轴结晶器过渡型腔增加量：

首先根据零件图设计出风电扭转轴结晶器的分型方案（见图2），分型方案决定着结晶器的成败。扭转轴结晶器按曲柄数量分为5节10块的对开式分体组合结晶器，分型位置19将该结晶器分为节Ⅰ21、节Ⅱ22、节Ⅲ23、节Ⅳ24和节Ⅴ25。其次在曲柄臂最厚处设计增加过渡型腔，过渡型腔大小由曲柄臂最厚处功率与常规轴功率的均匀无痕过渡时间来决定。经计算和验证最终确定出均匀无痕过渡时间大概为1小时，进而确定过渡型腔高度为150mm-250mm，本实施例中过渡型腔高度为200mm，所增加的过渡型腔采用圆形过渡添加到曲柄结晶器上。

2、结晶器的设计与制造

MW级风电扭转轴电渣熔铸用结晶器结构如图4~13所示，由内腔型板5、水缝板11和水套板12通过上法兰1、下法兰2和立法兰13密封连接构成。

水缝板11、水套板12和立法兰13是采用普通A3钢板材料通过结构焊接方式连接一体的。内腔型板5采用15mm厚的紫铜板一次锻压成型。水缝板11设置在内腔型板5的外侧、水套板12的内侧，型板加强筋10与内腔型板5及水缝板11焊接成一体，这样就将内腔型板外侧分成独立水循环区域。再在型板加强筋与拉筋上分别加工长25mm，宽20mm的透过钢板厚的槽8，使相临的两区域也都连通，以避免由于某个分区水循环出现问题造成该区水冷变差或无水冷而造成事故。

上法兰1、下法兰2和立法兰13钢板厚度为20mm；型板加强筋10、拉筋厚度为25mm；水缝板11与水套板12厚度为10mm。内腔型板5与水缝板12之间的水冷宽度为25mm。结晶器的这种结构使结晶器在通水冷却时既可实现每个区单独水循环也可以实现相临区域的联合水循环，提高了结晶器的变形抗力与水冷能力。

水套14套装在水缝板11外60mm处，其上、下两端分别与上法兰1和下法兰2焊接密封。在水套14的下部固设有4个（每层）进水管4，在水套14的上部固设有4个（每层）出水管3。进出水管分别在贴近上下法兰位置并与法兰板成角15°。在水套14与拉筋连接处的四个区域内也分别放置两个出水管3。进水管4和出水管3，均为普通钢管，并均采用焊接方式与水套14连接。

内腔型板5采用三维实体模锻成型制作，即首先建立三维实体模型，然后将模型转化制造模具，最后利用模具将整块铜板模锻成型结晶器内腔型板5。

在结晶器上设置退让辅助装置（图14），该装置由U型槽a6、U型槽b7、千斤顶9和L板18组成，通过千斤顶9牵动L板18沿U型槽滑动。结晶器退让辅助装置除L板18外，其余部分与结晶器可自由拆组，便于维修和使用。

温度监测装置的热电偶槽预先在结晶器上加工好，热电偶槽打入结晶器铜内腔深度5mm，热电偶16可自由拆组连接数据采集器以便于测温。

定位销17的位置按对角型设置。

 

实施例2

1、确定结晶器分型方案、曲柄结晶器与常规轴结晶器过渡型腔增加量：

根据零件图设计出风电扭转轴结晶器的分型方案（见图3），扭转轴结晶器按曲柄数量分为5节10块的对开式分体组合结晶器，分型位置19将该结晶器分为节Ⅰ21、节Ⅱ22、节Ⅲ23、节Ⅳ24和节Ⅴ25。过渡型腔高度为150mm，所增加的过渡型腔采用圆形过渡添加到曲柄结晶器上。

2、结晶器的设计与制造

MW级风电扭转轴电渣熔铸用结晶器结构如图4~13所示，由内腔型板5、水缝板11和水套板12通过上法兰1、下法兰2和立法兰13密封连接构成。

水缝板11、水套板12和立法兰13是采用普通A3钢板材料通过结构焊接方式连接一体的。内腔型板5采用20mm厚的紫铜板一次锻压成型。水缝板11设置在内腔型板5的外侧、水套板12的内侧，型板加强筋10与内腔型板5及水缝板11焊接成一体，这样就将内腔型板外侧分成独立水循环区域。再在型板加强筋与拉筋上分别加工长50mm，宽35mm的透过钢板厚的槽8，使相临的两区域也都连通，以避免由于某个分区水循环出现问题造成该区水冷变差或无水冷而造成事故。

上法兰1、下法兰2和立法兰13钢板厚度为15mm；型板加强筋10、拉筋厚度为25mm；水缝板11与水套板12厚度为10mm。内腔型板5与水缝板12之间的水冷宽度为35mm。结晶器的这种结构使结晶器在通水冷却时既可实现每个区单独水循环也可以实现相临区域的联合水循环，提高了结晶器的变形抗力与水冷能力。

水套14套装在水缝板11外80mm处，其上、下两端分别与上法兰1和下法兰2焊接密封。在水套14的下部固设有6个（每层）进水管4，在水套14的上部固设有6个（每层）出水管3。进出水管分别在贴近上下法兰位置并与法兰板成角10°。在水套14与拉筋连接处的四个区域内也分别放置两个出水管3。进水管4和出水管3，均为普通钢管，并均采用焊接方式与水套14连接。

内腔型板5采用三维实体模锻成型制作，即首先建立三维实体模型，然后将模型转化制造模具，最后利用模具将整块铜板模锻成型结晶器内腔型板5。

在结晶器上设置退让辅助装置（图15），该装置由U型槽a6、U型槽b7、千斤顶9和L板18组成，通过千斤顶9牵动L板18沿U型槽滑动。结晶器退让辅助装置除L板18外，其余部分与结晶器可自由拆组，便于维修和使用。

温度监测装置的热电偶槽预先在结晶器上加工好，热电偶槽打入结晶器铜内腔深度5mm，热电偶16可自由拆组连接数据采集器以便于测温。

定位销17的位置按对角型设置。

 

实施例3

采用实施例1所提供的结晶器电渣熔铸制备风力发电机用扭转轴，其工艺参数如下：

采用的自耗电极其成份及重量百分比见表1，电极尺寸：Φ200×13000 mm。

表1 GS-18NiMoCr3-6钢自耗电极成份及重量百分比

C%Si%Mn%S%P%Cr%Ni%Mo%Fe0.180.431.050.0020.0180.740.990.61余量

电渣熔铸：

1）电渣熔铸工艺是对上述自耗电极精炼，并制成铸件。渣系配比为重量百分比：CaF₂：60%、Al₂O₃：30%、MgO：5%、和CaO：5%。渣量为铸件重量的3%。

2）引燃方式

自耗电极在结晶器内采用固态渣引燃，其化学成份为重量百分比：TiO₂50%、CaF₂ 50%。

3）用电参数：

不同部位（图4）用电参数见表2，熔铸过程中注意保持电流和电压的稳定性。

 

4）在扭转轴熔铸过程中，采用结晶器温度控制系统，对铸件不同部位熔铸过程中进行定位监测及温度控制。对曲柄监测后，有了对电功率控制的理论依据，通过对铸件不同部位采用不同电功率，铸件内部和表面质量良好。

5）渣面过熔铸位置24（图4）的中截面1小时，结晶器退让状态，启动千斤顶9，使得退让结晶器沿U型槽退让。

经过上述工艺过程，生产出风力发电机用扭转轴电渣熔铸件。经检测，扭转轴化学成分见表3：

表3  扭转轴化学成分

C%Si%Mn%S%P%Cr%Ni%Mo%Fe0.180.401.010.0020.0180.710.990.60余量

MW级风电扭转轴熔铸后采用预热处理工艺，热处理温度为750℃，铸件随炉冷却。之后采用防变形及防裂纹工艺进行调质处理（淬火960℃，回火600℃）。

扭转轴热处理后铸件机械性能见表4：

无损探伤按下列标准检验：

UT： EN 12680-1-1997（2）     检查区域：全部 

MT： EN 1369-1997（2）       检查区域：全部

MW级风力发电机用扭转轴经化学成分分析，力学性能检验，无损探伤检验，各项指标全部合格。