低镁重稀土球化剂及配伍孕育剂在 2MW 风力发电轮毂铸造上应用

摘 要：2MW 风力发电轮毂铸件重达 16t，最大壁厚超过 200mm，属于厚大断面球铁，易于 发生石墨畸变、石墨球数减少及形成缩孔缩松等缺陷，材质要求 EN-GJS-400-18U-LT，要求对 联体试块做-40℃低温冲击试验和对所有关键部位进行 UT 探伤，工艺难度大。主要技术指标： σb395MPa；σ0.2 220MPa；δ19%；HB145；-40℃低温冲击值为：3 个试样平均 10.50J，最低 10J。球化率 90%，球径大小 6 级，铁素体含量 95%。UT 探伤结果未发现 3 级以上的铸造缺 陷，达到了 DIN EN1563 材料标准的要求和客户的验收条件。高要求铸件生产关键在于化学成 分的正确选择；低镁重稀土球化剂及配伍孕育剂及孕育方法的科学运用。 关键词：风力发电轮毂；大断面球墨铸铁；低镁重稀土球化剂及配伍孕育剂；UT 探伤；低温 冲击性能 Abstract：2MW wind turbine wheel casting weight up to 16t, the maximum wall thickness of more than 200mm, belongs to the thick nodular iron with large section, prone to graphite distortion, graphite ball number reduction and the formation of shrinkage cavity shrinkage defects, material requirements EN-GJS-400-18U-LT, required to do -40℃ low temperature impact test on the test block and UT flaw detection on all key parts, The craft is extremely difficult. Main technical indicators: σb 395MPa; σ0.2220MPa. The delta 19%; HB145; The low-temperature impact value of -40℃ was 10.50J on average and 10J on the lowest. The spheroidization rate is 90%, the ball diameter is grade 6, and the ferrite content is 95%. UT inspection results showed no casting defects above grade 3, meeting the requirements of DIN EN1563 material standards and customer acceptance conditions. The key of high demand casting production lies in the correct selection of chemical composition; Scientific application of low magnesium heavy rare earth spheroidizing agent and inoculating agent and inoculating method. Key words:Hub of Wind Turbine Wheel;Large Section Ductile Iron；Low Magnesium Heavy Rare Earth Spheroidizing Agent and Compatibility Inoculant;UT Inspection;Low Temperature Impact Property 12 

风力发电利用自然界的可再生能源——风能，成为当今国际 新能源发展的流行趋势。近年来，各国的风力发电市场的年增长 率超过了 20%，据预测风力发电技术的应用将在未来 30 年内都 持续高增长。大断面高韧性球铁在风力发电设备中获得广泛的应 用，风力发电机组主轴是用来连接风轮与齿轮箱，支持旋转的机 械零件，一般安装在几十米甚至上百米高空，工作温度可低至 -20~-40℃，且工作时风速变化大。通常要求 20 年不更换，如发 生意外失效，则更换费用和相关损失巨大。风电主轴对材料性能 要求极高，必须满足高疲劳强度和低脆性断裂敏感性要求，这些 铸件一般采用德国/欧洲（DIN/EN GJS400-18-LT）材料标准的高 韧性球铁（相当于 GB/T 1348 的 QT400-18AL），铸件质量要求 极为严格，目前中国有宁波日月、一汽锡柴、江阴吉鑫、大连重 工、安徽涌成、秦川机床、陕柴重工、东方汽轮机、长城须琦等 企业开发出此类产品。 

在生产中大部分铸件如轮毂、齿轮箱体等由于断面过厚，冷 却速度缓慢，因而凝固时间过长，在铸件厚壁中心或热节处容易造成石墨畸变、球数减少、组织粗大、石 墨飘浮、化学成分偏析和晶间碳化物等问题，从而影响抗拉强度、延伸率、低温冲击韧性等力学性能，尤 其是抗拉强度的不稳定。齿轮箱体内部的小铸件，由于冷却速度相对较快，铸件的铁素体量不稳定，从而 影响延伸率、低温冲击韧性等指标的不稳定，经过十几年努力风电铸件的生产工艺技术已经比较成熟，本 文就低镁重稀土球化剂及配伍孕育剂在 2MW 风力发电轮毂铸造上应用，重点阐述铸造各个环节，如化学成 分、生铁与废钢、过热处理、球化剂自身特性、浇注填充、检测等方面质量控制。 风电铸件材质要求具有很高铁素体基体的球墨铸铁，有良好的抗拉强度和伸长率；同时要求在-20℃至 -40℃的夏氏 V 型缺口的冲击韧度平均值大于等于 10J。需要全面控制化学成分、显微组织、力学性能等。

风电球墨铸铁件与常规球墨铸铁件技术要求比较见表 1，如轮毂等大型件均要在开螺纹孔时从本体取出试样 检验，若球装石墨不符合规定，制备的大型件即视为不良品。铸件内部组织致密，铸件 100%部位进行无损 探伤，达到欧洲标准 EN-12680 中 2～3 级的要求。由于球铁生产中球化元素 Mg 和 RE 等易氧化而产生夹渣， 夹渣在铸件中将成为裂纹源而引起断裂失效，因此轮毂等大型件须满足表面磁粉探伤的 EN-1369 的 3 级要 求。 表 1.风电球墨铸铁件与常规球墨铸铁件技术要求比较 技术要求 常规球铁件 风电球铁件 抗拉强度及伸长率 要求 要求高 低温冲击值 不要求 Akv-20℃，Akv-40℃≥10J 球化率 ≥70% ≥90% 石墨球尺寸 达到 5 级 达到 5 级及以上 珠光体量 要求 要求＜5%-10% 铁素体量 要求 要求≥90% 试块 单铸试样 25mm 附铸试块 70mm 超声波探伤 不要求 EN12680 中 2-3 级 磁粉探伤 不要求 EN1369 要求 为获得良好的力学性能，使轮毂等大型件材质的综合性能满足-20℃至-40℃使用环境的要求，成分配 置一般都加入 0.5%～2%Ni，如 VESTAS 公司的船舶等大型件原生产厂 WINDCAST，在 EN-GJS-400-180-LT 牌 号的轮毂中加入不低于 0.5%Ni；对要求-40℃时的低温冲击值的 EN-GJS-350-220-LT 牌号的球铁，Ni 的加 入量高达 2%。如印度 SUZLON 公司生产 EN-GJS-350-220-LT 牌号的轮毂和底座时，Ni 加入量达 2%。 风电机组用轮毂等-20℃低温韧性球铁大型件，在不加镍的条件下材料性能达到欧洲标准 EN-1563 中的 EN-GJS-400-180-LT 要求。

风电机组用轮毂等-40℃低温韧性球铁大型件，在不加镍的条件下材料性能可达 到欧洲 EN-1563 标准中的 EN-GJS-350-220-LT 要求。 通过合理熔炼工艺，使用低成本的国内生铁，稳定地生产低温高韧性的 MW 级风机用大型件。应用先进 铸造综合技术（包括高效球化和孕育技术、冷铁无冒口新技术等）实现产品高成品率和高的工艺出品率。

1.合理确定风电铸件的碳当量和碳、硅成分与化学成分 化学成分是获得良好的球墨铸铁组织状态和高韧性能的基本条件，其选择既要有利于石墨的球化和获 得满意基体，以达到所要求的性能，又要使铸铁有较好的铸造性能。其中碳硅量是最重要的因素。3 含碳量高，则析出的石墨数量多，石墨球数多，球径尺寸小，圆整度增加；同时可减小缩松面积，使 铸件致密。但含碳量过高，会造成严惩的石墨漂浮或石墨粗大、石墨聚集，影响球铁的力学性能。 硅是促进石墨化元素，可提高球墨铸铁的抗拉强度、屈股强度和硬度，同时使塑性指标降低；由于硅 升高球墨墨铸铁的脆性转变 TK，增加含硅量会使冲击韧度明显下降。当硅的质量分数超过 3%，冲击韧性将 急剧降低。 因此，风电低温球铁铸件生产中采用高碳低硅的原则，硅量控制在 1.7%～2.3%间，碳量控制在 3.6%～ 3.9%间，视铸件壁厚的大小进行调节。 风电铸件最终化学成分控制在：C3.4%～3.7%，Si1.9%～2.3%，Mn≤0.3%，S≤0.015%，P≤0.045%， Mg0.04%～0.06%，RE≤0.018%，CE 大件取下限，小件取上限，主要是调整含 C 量，Si 含量基本不变化，生 产初期为了提高低温冲击韧性，将含 Si 量的控制在 2.0%以下，甚至 1.6%～1.8%的低限，结果低温冲击韧 性非常好，普遍达到 17、18、19J，抗拉强度却维持勉强合格且不稳定，Si 在 1.9%～2.3%间，低于 1.9% 时低温冲击韧性非常好但抗拉强度却不稳定；高于 2.3%时则低温冲击韧性不稳定。其它元素无论大件还是 小件基本不变，Ni 元素在生产风电铸件的初期，多数企业都加入约 0.3%～0.5%的比例，主要为促进低 Si 量 而带来的石墨化能力不足和增加铸件的抗拉强度，实践发现 Ni 元素低于 0.5%时基本不起作用，只有大于 0.5%时才能起到固熔强化铁素体的作用，考虑到 Ni 的价格，降低生产成本就不加。

如果生产 EN-FJS-350-22U-LT 材质时就必须使含 Si 量控制在 1.9%以下，同时要加入 Ni 元素。低硅加镍与适度高 硅量相比，前一种方式的铸件质量更稳定，低温冲击韧性与抗拉强度的相互关系更协调。 2 风电铸件的优化配料及熔炼工艺 风电铸态低温高韧性球铁除采用高碳低硅的原则以外，严格限制锰、磷及硫的含量，因此对熔炼技术 和原材料提出了更高的要求。生产风电铸件应选择优质的生铁，主要体现在： ①生铁最好是共晶成分的，避免过共晶的成分，否则生铁内部就会出现过共晶的粗大石墨，这样会影 响铸件石墨形态； ②P 含量要小于 0.045%，以避免凝固时产生磷共晶； ③就是微量反球化干扰元素的控制，在铸件中有些元素能破坏和阻碍石墨球化，这些元素即所谓的球 化干扰元素，干扰元素分为两类，一是消耗球化元素型干扰元素，它们与镁、稀土生成 MgS、ＭgO、MgSe、 RE2O3、RE2S3、RE2Te3 等，使球化元素降低从而破坏了球状石墨形成；另一类是晶间偏析型干扰元素，包括 锡、锑、砷、铜、钛、铝等在共晶结晶时，这些元素富集在晶界，促进使碳在共晶后期形成畸形的枝晶状 石墨 ，球化干扰元素原子量越大，其干扰作用越强，现在许多研究都已找到了干扰元素在铸铁中的临界含 量，当这些元素含量小于临界含量时，并不能形成畸变石墨。

依据球化指数回归公式：

SB=4.4Ti+2.0As+2.3Sn+5.0Sb+290Pb+370Bi+1.6Al<0.6，国内生铁本溪和林 州生铁、纯净河北龙凤山生铁、山西建邦生铁等生铁纯净，SB 值低，适合生产风电铸件球铁。 使用废钢应选择纯净低锰的碳素钢，如 A3 钢、P08 钢等角钢、工字钢等，且不得有铁锈、油漆、油圬 以及焊缝等，铁锈主要是 FeO，在球化反应时会消耗 Mg 元素影响球化率；油漆尤其是橘黄色颜色，是由 含 Pb 约 64%和 Cr 约 16.1%的颜料配置而成；焊缝金属一般含有 O、H、S、P、Sn、Pb 等有害杂质，这 些干扰杂质元素，尤其是 Pb 会进入铁液之中，直接会是石墨形态变异。某合资公司仅仅把废钢进行了挑 选，除去那些有铁锈、油漆、油圬以及焊缝等的，并进行了铁液过热处理，用同样工艺、成分等比较，可 以看出石墨形态明显差异。 原材料控制：使用的国产生铁采用 Q10 标准，常规元素符合公司要求，微量有害元素总量控制在 0.06% 以下，经严格生产验证后方允许批量使用；废钢要求选用优质碳素钢、锰量、铬量要符合公司要求。 

配料是 70%～80%生铁+10%～15%废钢+10%～15%回炉料，球化剂 1.3%～1.6%，炉前孕育剂 0.6%～0.8%， 瞬时孕育剂 0.15%～0.20%，特别提出加 0.5%～1.2%的 SiC，分别加在炉内和包内，一方面 SiC 与 Fe 反 应置换出来的单质 C 起促进石墨核心质点等作用，另一方面单质 C 与铁液中的硅氧化物反应生成 CO 等气 体上浮，带走内部的炉渣等夹渣物，起净化铁液作用。 通过熔炼过程中的工艺优化，对不同性能、不同质量、不同壁厚铸件的原铁液成分进行有效控制，确 保低的 Mg 和 RE 的残留量，以及不同生铁的配料优化，提高了风电球铁铸件的性能合格率。 风电铸件铁液的处理温度 从球化反应角度来讲处理温度愈低愈好，针对于重量在 8～10t，壁厚在 60～200mm 的轮毂，最佳的球化处理温度在 1450～1460℃，这样的温度一方面使 Mg 元素有最大的吸收率， 另一方面使铁液在浇注时有良好的充型能力，一般推荐浇注温度在 1340～1360℃之间比较合适，河南某生 产齿轮箱小风电铸件的企业，因采用消失模造型工艺考虑到消失模生产的特殊性，采取的球化处理温度在 1500～1510℃，因而选择的球化剂、孕育剂的成分与粒度也和生产轮毂所选用有所差异，生产的铸件力学 性能中抗拉强度特别高，延伸率就相对于树脂砂造型低一些、低温冲击韧性能一直很好并且很稳定。在生4 产中依据铸件的壁厚状况、不均匀程度，熔炼设备与造型浇注的距离等因素，采取最佳的球化处理温度， 从而保证优良而稳定的球化率和石墨数量。 

3.采用高效的球化及孕育工艺, 风电铸件用低镁重稀土球化剂与配伍孕育剂 2MW 级及以上低温球铁风电轴类和轮毂、底座类零件，壁厚 50～200mm，重量达 16～50t，由于冷却速 度慢，凝固时间长，易产生球化衰退、孕育衰退，导致石墨球直径大、数量少，容易出现开花状、碎块状 石墨等异常石墨和石墨漂浮，严重影响铸件的力学性能。为使厚大断面铸件在铸态满足客户对铸件本体厚 大部位心部的组织及性能的严格要求，解决厚大断面铸件心部的组织和性能恶化，选用低镁低稀土重稀土 镁合金球化剂，用冲入法进行球化处理，能够控制残余镁和稀土含量，减少夹渣、疏松及白口倾向。孕育 处理则应用含钡硫氧复合孕育剂，采用多次孕育具有衰退慢、效率高、用量少的特点，能够获得圆整、细 小的石墨球。

目前生产风电铸件使用的球化剂和孕育剂基本特点是高镁、低稀土，壁厚 60～200 ㎜规格的 大吨位铸件的一般是钇基重稀土低镁专用球化剂配伍孕育剂：

① 钇基重稀土低镁专用球化剂特点是低镁重稀土低钙适度的钡，这种钇基重稀土低镁专用球化剂一方 面延缓球化衰退，另一方面促进异质形核。球化剂中酌情添加 Bi、C 等微量元素，有促进晶核、增加石墨 数量、改善石墨圆整度等作用。 ② 炉前孕育剂主要含有 Ba、Ca 等元素，一方面高效地形核，另一方面形核后的保持长时间的稳定性， 使晶核质点不聚集、不粘合，从而保证较高的石墨数量，是抗衰退的长效孕育剂。 ③ 浇注随流含有硫氧复合孕育剂，主要是表面活性低熔点元素的应用，其中应用于风力发电铸件时配 入适微量的 Bi 元素，即改善断面中心部位的球化状况，使得球径小，球数多，并能提高铁素体含量，提高 铸态性能。 低镁重稀土球化剂的成份ω为：5.8%～6.2%Mg、1.4%～1.6%RE(Y)、44%～46%Si、2.6%～2.8%Ca、1.8%～ 2.2%Ba,使 Mg、RE、Ca 等元素的氧化物最小，尤其是 MgO 要低，控制 MgO/Mg 比值≤0.1，抗球化衰退时间 更长，更重要的是反应后炉渣更易于扒掉。球化剂生产使用盖板、水冷组合模具、石墨复合 SiC 涂料等设 施，球化剂自身密度大、致密无疏松、无气孔、无夹渣物等，从而使实际使用中吸收率稳定，长期稳定球 化效果。合金的粒度 5～30 ㎜粒度分布，那种粒度最合适这与处理包的大小、处理的温度有很大关系，一般小 包小粒度，大包大粒度，处理温度高时粒度应小些，其原则就是粒度的分布使其紧实后堆积密度最大，从 而使起爆延缓，较小的粒度在反应过程中上浮的速度相对缓慢，从而提高 Mg 元素的吸收率减少加入量。 合金的形状应是多面体形，最佳是球状。 球化处理包的深径比及合金的填充与覆盖。 使用深径比在 1.6～1.8 的处理包，不仅球化剂加入量会相应减少，而且操作安全，球化成功率好， 综合铸件成品率高而稳定。盖包球化处理一方面减少镁在反应过程中的闪光与烟雾以及大气对流过程带来 的镁烧损，使镁的吸收率提高 10%～20%，从而减少合金的加入量，大大改善了现场操作的安全性，更重要 的是整个生产成本降低，质量稳定性提高。

合金的填充与覆盖注意 4 个方面：

①填充后应进行紧实，使合金之间的空隙或缝隙最小，堆积密度最大； ②必须有覆盖物，主要目的是延缓起爆、预处理等，大致有各种孕育剂、FeSi75、SiC、冰晶石、预处 理剂、铁屑、钢屑、钢板、石墨粒、珍珠岩等覆盖的要有重量； ③现场操作操作注意一定要覆盖严实，不要有缝隙，充分体现既覆又盖的目的； ④覆盖后的体积最好和处理包凹槽相吻合；覆盖物的比重应大于球化剂的比重，这样才能起到覆盖的 作用，覆盖物熔点应大于球化剂的熔点，才能起到延缓爆发的作用，比较好有铁屑、钢屑等。 低镁重稀土球化剂配伍新型孕育剂成分，见表 2。进行三次孕育，三次孕育剂总量为 0.65%。 表 2.孕育剂含元素的成分（质量百分比，%） 化学元素 Si Ba Ce Al C S O 含量% 70～72 1.75～2.25 1.5～2.0 0.75～1.25 0.80～1.20 适量 适量 4 冷铁与无冒口铸造技术 呋喃树脂砂造型，底注、开放式浇注系统，并设置过滤网，厚大部位设置冷铁缩短铸件凝固时间， 由于 MW 级风电机组的工作负荷重，工作环境恶劣，因此，轮毂、底座、轴承座、梁等低温球铁件既要 求有较高的强度及低温韧性的性能，又要求有很高的内在质量：UT（超声波探伤）须满足 EN12680-3 标准 的 2～3 级要求，MT（表面磁粉探伤）须满足 EN1369 标准的 3 级要求。 生产此类球铁件通常采用大冒口、多冷铁、快速浇注的工艺。

利用球铁在凝固过程中会析出石墨，产 生石墨膨胀的特性，采取有效措施将单位时间内的收缩与膨胀的关系按比例变成收缩与补缩的关系，从而 获得致密的基体组织。在铸件设置浇口箱，开设了 2 个浇口，一边将铁液倾倒到浇口箱，一边将粒度为 1～3mm 瞬时孕育剂 YLOS 通过特制的漏斗随流加入，加入量 0.15%～0.25%，依据倾倒的时间控制瞬时孕育剂的加入速度，倾倒 结束后，搅拌、扒渣、测温、在温度为 1320℃～1360℃时迅速浇注，结束保温 96h 即铸件温度约 500℃ 以下开箱其它铸件的现场球化与孕育处理基本类同，只是球化剂和孕育剂的成分、粒度以及加入量因铸件 壁厚、重量、现场布局、造型工艺等条件有所差异而略微变化。小件的瞬时孕育则采用漏斗计量加入。 保温时间大部分在 48～96h 之间，因铸件大小不同而异，理论上在共析转变温度以下就可开箱，考虑 到消除铸件内应力等因素，开箱温度在 300℃左右合适。 6.总 结（1）选用球化指数 SB 小于 0.6%，Ti 元素小于 0.04%的生铁和纯净度高低锰碳素废钢，注意废钢的 选择不能有焊缝、油漆、铁锈等，回炉料最好是同类材质的成分，铁液中杂质越少越好，尤其是反球化干 扰元素（如 Pb、As、Ti 等），熔炼时必须进行铁液过热处理； （2）铁液成分 C 3.4%～3.7%，Si 2.0%～2.3%，Mn≤0.3%，S≤0.015%，P≤0.045%，Mg 残 0.04%～0.06%， RE 残≤0.018%，低 CE、低 Mn、S、P 以及尽可能低的 Cr、Mo、Ti、Sn、V 等正偏析元素； （3）球化孕育处理：选用低镁重稀土的球化剂及配伍新型孕育剂，1450℃～1460℃球化孕育处理、三 次孕育；现场管理严格按工艺执行操作，精准计量，各个环节记录详细。 （4）使用低镁重稀土球化剂及配伍孕育剂，在满足生产要求情况下价格经济，对风电铸件企业保证质 量，提高效益的有着重要意义。

作者简介： 张山河，蒲城毅力金属铸造材料有限公司副总 

李 信，蒲城毅力金属铸造材料有限公司副总 

邓宏运，铸造工程师杂志社总编，铸造高级工程师。 5