本发明属于铸造技术领域，具体涉及一种固溶强化铁素体球墨铸铁风电铸件的铸型和铸造方法。
背景技术：
目前，随着风电市场竞争的加剧，风电厂商一方面在研发大功率的发电机组，另一方面对制造成本进行控制，风电机组的轻量化已经成为一种趋势，这就要求风电铸件必须使用更高强度的风电材料。
si是铸铁中最常用的元素，可以强化铁素体，使铁素体的强度提高。但以前一直认为si使球墨铸铁变脆。1949年，mills申请的美国第一个球墨铸铁专利认为，增加w(si)量(>2.5％)可明显降低力学性能，特别是韧性、抗拉强度和延展性。在实际生产以及随后的研究中则发现上述表述有很大的局限性，1998年，瑞典规定了用w(si)量为3.2％来生产qt450，用w(si)量为3.7％来生产qt500，用w(si)为3.7％来生产qt500。瑞典indexator公司的研究认为，对于抗拉强度500mpa的级别，利用si固溶强化铁素体，可使铁素体球墨铸铁的断后伸长率是常规铁素体-珠光体球墨铸铁的2倍，同时屈服强度增加，屈服比从0.6增加到0.8，冲击性能稍优，克服了生产难点，并称这种si强化的球墨铸铁和adi为第二代球墨铸铁。至今，美国等已收授了3个用si强化的球墨铸铁专利，芬兰等国也在生产中开始应用。目前，许多国外风电整机企业已将此种新型材料列为重点开发与研究的项目，拟为风电铸件所用。
目前已有多家国外风电厂商正在研究将此种材料应用于风电铸件并做了大量的研究工作，国内一些有实力的风电厂商也开始往这个方向发展。硅固溶强化铁素体球墨铸铁作为一种新型的风电材料，一方面由于高的屈强比和良好的伸长率可以减少铸件壁厚，进而减轻铸件重量。另一方面铸件重量的减轻不仅有利于制造成本的降低，而且整机的重量和成本也会大幅降低。因此，对于此种新型风电材料的研究和应用已成为一种势在必行的趋势。
但是从开发情况来看，相对于普通材料，由于铸造硅固溶强化铁素体球墨铸铁材料的铁液流动性能差，在熔炼工艺、造型工艺等方面具有一定的独特性和复杂性，尤其是使用这种材料铸造尺寸较大且结构复杂的风电铸件时，存在夹渣倾向大，缩松倾向更大等问题，使得这种材料的风电铸件无法量产，因此急需对这种材料的铸造风电铸件的工艺进行改善。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种固溶强化铁素体球墨铸铁风电铸件的铸型，使用该铸型铸造固溶强化铁素体球墨铸铁风电铸件，可有效解决夹渣和缩松现象，提高风电铸件性能的同时可实现量产。
本发明的固溶强化铁素体球墨铸铁风电铸件的铸型包括砂箱、砂型和型芯，其特征在于，所述铸型的空腔结构包括：
铸件型腔，所述铸件型腔由砂型和型芯组合而成，形状拟合风电铸件的外形，所述铸件型腔上面设有若干冒口；
浇注系统，所述浇注系统包括至少一个进铁口、至少一条铁水主流道、中心分流腔和若干铁水分流道，所述铁水主流道和所述铁水分流道设于所述铸型底部，所述中心分流腔设于所述铸型底部中心位置；所述铁水主流道上游与所述进铁口接通，下游与所述中心分流腔接通；若干所述铁水分流道呈发散状均匀分布，且上游与所述中心分流腔接通，下游末端通入所述铸件型腔，若干所述铁水分流道上分别设有过滤器；以及
增温系统，所述增温系统包括若干热风通道，所述热风通道连通设于所述铸件型腔上方。
所述铸型制作时，和普通铸型制造过程相同，砂型通过向砂箱中落砂成型，砂型中留有浇注系统、增温系统以及中心型腔，然后将型芯放入中心型腔，合箱后组成铸型，砂型和型芯组合，中间形成铸件型腔。
本发明的一较佳实施例中，所述风电铸件为风电底座，所述风电底座包括底部法兰、异形曲面和轮毂安装圈，所述底部法兰设于所述异形曲面的底部，所述轮毂安装圈设于所述异形曲面的上部一侧；所述铸件型腔形状拟合风电底座的外形。
较佳的，所述浇注系统内壁采用粘土耐火砖；所述过滤器为泡沫陶瓷过滤片。
较佳的，所述砂箱为塑料箱或金属箱。
本发明的目的还在于公开一种固溶强化铁素体球墨铸铁风电铸件的铸造方法，其包括步骤：
(a)将炉料熔炼成铁水；通过光谱分析调整炉料组分，控制铁水中碳当量c：3.4％～3.5％，si：3.7％～4.0％，mn：0.1％～0.35％，p：＜0.04％，s：≤0.012％，mg：0.04％～0.07％，cr：＜0.05％，ti：＜0.03％；
(b)将铁水球化处理和孕育处理；
(c)浇注到所述的铸型中充型、凝固即得铸件。
通过本发明所述方法，铸造的铸件可满足以下要求：
(1)金相组织：铁素体+石墨球，铁素体≥95％，(渗碳体+磷共晶)<0.5％，球化率≥90％、石墨球大小达iso945标准5级以上；
(2)力学性能：抗拉强度rm≥530mpa，屈服强度rp0.2≥400mpa，伸长率a≥12.5％。
(3)-20℃低温无缺口冲击功：三个试样单个值≥5j，平均值≥7j；
(4)心部无损检验，重要区域的ut满足en12680-3的2级，其余满足3级；表面无损检验，重要区域的mt满足en1369的2级，其余满足3级。
本发明所述方法的步骤a中对材料元素组成进行综合了考虑和控制。
其中，c含量对球墨铸铁的流动性影响很大，提高c含量可以提高球墨铸铁的流动性，在c含量为3.4％～3.5％时，流动性最好，有利于浇注成形、补缩。
si含量影响球墨铸铁的强度和延伸率，提高si含量可以提高球墨铸铁的强度，但会降低延伸率，在si含量为3.7％～4.0％时，力学性能可满足要求。
mn对球墨铸铁的冲击韧性和脆性转变温度有不利的影响，因此选择低锰生铁和废钢作为原材料，将mn含量控制在0.1％～0.35％。
p是一种有害元素，它在铸铁中溶解度极低，当其含量小于0.05％时，固溶于基体中，对力学性能几乎没有影响。当含量大于0.05％时，磷极易偏析于共晶团边界，形成二元、三元或复合磷共晶，降低铸铁的韧性，磷提高铸铁的韧脆性转变温度，因此，控制p含量＜0.04％。
s的存在会大量消耗铁液中的球化元素，形成镁和稀土的硫化物，引起夹渣、气孔等铸造缺陷，因此，控制s含量≤0.012％
为实现对元素的控制，较佳的，所述炉料的组分为：新生铁40～50％、回炉料30～40％、废钢10～20％。
进一步的，所述的新生铁为高纯生铁，其中c：≥4.0％，mn：≤0.10％，p：≤0.025％，s：≤0.015％，反球化有害合金元素总和≤0.08％；所述的废钢为薄片类碳素废钢，其中c：≤0.15％，mn：≤0.40％，p：≤0.03％，s：≤0.03％。
选择合适的球化剂和孕育剂成分、优化球化处理工艺和孕育工艺等，不仅能满足大型风电铸件的性能需求，还能保证铸件生产的稳定性、产品性能的一致性。制定出适用于风电铸件新材料的球化剂、孕育剂的成分及处理工艺，得到金相组织良好，无碎块状石墨及钉状石墨等其他的异形石墨出现，石墨球圆整，石墨球数多，综合力学性能良好的铸件。
较佳的，步骤b中，选用低稀土硅铁镁合金球化剂，优选50％埃肯5813+50％亚峰yfq-55a，并采用冲入法进行球化处理，球化剂加入量为1.0％～1.2％；具体为：其将球化剂预埋入浇包之内并适度紧实，进行球化处理，在出铁量三分之二时开始球化反应，球化进行前应控制好出铁温度1400～1470℃。
较佳的，步骤b中，选用硅钙钡孕育剂进行孕育处理，孕育剂加入量为铁水重量的0.6％～0.65％，并分二次孕育，具体为：覆盖孕育在球化扒渣前后加在铁水表面，随流孕育是在浇注过程中加入铁水中。优选的，覆盖孕育采用埃肯高钙钡3-8mm，加入量为0.5％；随流孕育采用埃肯硫氧0.2-0.7mm，加入量为0.10～0.15％。
较佳的，步骤c浇注温度为1360～1370℃。
较佳的，步骤c浇注之前，以150℃左右的热风通过所述热风通道对所述铸件型腔进行通风增温。
较佳的，采用magma或anycasting软件进行冷却模拟，在易产生缩松的位置增设冷铁。
本发明的有益效果在于：
本发明的铸型中，所述浇注系统分布合理，多条铁水分流道可大大缩短浇注时间，保证进铁平稳，结合所述过滤器的使用，可有效避免铸件出现冷隔及夹渣缺陷。所述冒口的针对性设置，可保证型腔的冒口补缩。
而本发明的铸造方法中，通过铸型的合理设计，化学成分的控制、球化剂和孕育剂的选择、球化和孕育处理的工艺优化，浇注系统的设计、冷铁冒口的布置以及型腔热风温度的设置等。可有效解决在铸造过程中易产生的缩松、夹渣、冷隔、变形等铸造问题，不仅可以有效提高风电铸件的力学性能，还能实现量产。
本发明通过所述方法采用固溶强化原理生产的全铁素体基体en-gjs-600-10铸件硬度分布均匀，可以有较好的切削加工性能，延长了刀具寿命，降低机械加工成本。
附图说明
图1为合体底座的示意图；
图2为本发明铸型内部的铸件型腔、浇注系统和增温系统的立体示意图；
图3为本发明铸型内部的铸件型腔、浇注系统和增温系统的底部示意图；
图4为普通铸型内部铸型型腔和浇铸系统的立体示意图；
图5为普通铸型内部铸型型腔和浇铸系统的底部示意图。
附图标记
底部法兰11、异形曲面12、轮毂安装圈13；
本发明铸型：铸件型腔21；浇注系统22，进铁口221，铁水主流道222，中心分流腔223，铁水分流道224，过滤器225；增温系统23；冒口24；
普通铸型：铸件型腔31；浇注系统32。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。
实施例1风电底座的铸型
图1所示为ge3.2mw-130合体底座，包括底部法兰11、异形曲面12和轮毂安装圈13，底部法兰11设于异形曲面12的底部，轮毂安装圈13设于异形曲面12的上部一侧。该风电底座重量约18.17t，最大尺寸4042mm*3600mm*3010mm，主要壁厚70-200mm，材料为qt600-10。
以上述ge3.2mw-130合体底座(qt600-10)为例，本发明对应设计的固溶强化铁素体球墨铸铁风电铸件的铸型，包括砂箱、砂型和型芯。砂型通过向砂箱中落砂成型，再放入型芯，合箱后组成铸型。铸型中设有：铸件型腔21、浇注系统22和增温系统23。铸件型腔21、浇注系统22和增温系统23作为内部结构，由砂型和型芯共同组成，其组合形状如图2和3所示，铸件型腔21形状拟合风电底座的外形，铸件型腔上面设有若干冒口24。浇注系统22包括至一个进铁口221、两条铁水主流道222、中心分流腔223和9条铁水分流道224，铁水主流道222和铁水分流道224设于铸型底部，中心分流腔223设于铸型底部中心位置；铁水主流道22上游与进铁口221接通，下游与中心分流腔223接通；若干铁水分流道222呈发散状均匀分布，且上游与中心分流腔223接通，下游末端通入铸件型腔21，9条铁水分流道224上分别设有过滤器225。增温系统23包括若干热风通道，热风通道连通设于铸件型腔21上方。
实施例2使用实施例1的铸型铸造ge3.2mw-130合体底座(qt600-10)
铸造步骤：
(a)熔炼铁水
炉料：新生铁40～50％、回炉料30～40％、废钢10～20％。
进一步的，所述的新生铁为高纯生铁，其中c：≥4.0％，mn：≤0.10％，p：≤0.025％，s：≤0.015％，反球化有害合金元素总和≤0.08％；所述的废钢为薄片类碳素废钢，其中c：≤0.15％，mn：≤0.40％，p：≤0.03％，s：≤0.03％。
将炉料熔炼成铁水；通过光谱分析调整炉料组分，控制铁水中碳当量c：3.4％～3.5％，si：3.7％～4.0％，mn：0.1％～0.35％，p：＜0.04％，s：≤0.012％，mg：0.04％～0.07％，cr：＜0.05％，ti：＜0.03％；
(b)球化处理和孕育处理
选用低稀土硅铁镁合金球化剂(50％埃肯5813+50％亚峰yfq-55a)，并采用冲入法进行球化处理，球化剂加入量为1.0％～1.2％；具体为：其将球化剂预埋入浇包之内并适度紧实，进行球化处理，在出铁量三分之二时开始球化反应，球化进行前应控制好出铁温度1400～1470℃。
选用硅钙钡孕育剂进行孕育处理，孕育剂加入量为铁水重量的0.6％～0.65％，并分二次孕育，具体为：覆盖孕育(0.5％埃肯高钙钡3-8mm)在球化扒渣前后加在铁水表面，随流孕育(0.10～0.15％埃肯硫氧0.2-0.7mm)是在浇注过程中加入铁水中。
(c)充型
以150℃左右的热风通过所述热风通道对所述铸件型腔进行通风增温。通风增温满10h后，将球化和孕育后的铁水浇注到实施例1的铸型中充型、凝固即得铸件。
采用magma或anycasting软件进行冷却模拟，在抛模过程时，在易产生缩松的位置增设冷铁。
该方法优点：
1、铁液流经浇注系统，经9条铁水分流道分流和9个过滤器过滤然后进入铸件型腔，可保证铁水的纯净度和进铁充型均匀平稳且缩短浇注时间，可尽量避免铸件出现夹渣缺陷。
2、通过预先通风对铸件型腔进行增温处理，有效避免冷隔现象；同时在易产生缩松缺陷位置放置冷铁，可有效避免缩松。
3、采用固溶强化原理生产的全铁素体基体en-gjs-600-10铸件硬度分布均匀，可以有较好的切削加工性能，延长了刀具寿命，降低机械加工成本。
对比例1使用普通铸型铸造ge2.5mw-120合体底座(qt400-18)
ge2.5mw-120合体底座结构与实施例1的ge3.2mw-130合体底座相同，包括底部法兰、异形曲面和轮毂安装圈。该风电底座重量约18.66t，最大尺寸4022mm*3920mm*2642mm，主要壁厚60-128mm，材料为qt400-18。
以ge2.5mw-120合体底座(qt400-18)为例，对比例1采用普通铸型，铸型中设有：铸件型腔31和浇注系统32，如图4和5所示，铸件型腔形状拟合风电底座的外形并侧翻立起，铸件型腔上面设有若干出气。浇注系统包括两个进铁口、过滤系统以及两条铁水主流道；铁水主流道上游与进铁口接通，下游通入铸件型腔。
铸造步骤：
(a)熔炼铁水
炉料：新生铁55～75％、回炉料20～35％、废钢5～20％。
进一步的，所述的新生铁为高纯生铁，其中c：≥4.0％，mn：≤0.10％，p：≤0.025％，s：≤0.015％，反球化有害合金元素总和≤0.08％；所述的废钢为薄片类碳素废钢，其中c：≤0.15％，mn：≤0.40％，p：≤0.03％，s：≤0.03％。
将炉料熔炼成铁水；通过光谱分析调整炉料组分，控制铁水中碳当量c：3.75％～3.85％，si：1.8％～2.4％，mn：0.1％～0.35％，p：≤0.04％，s：≤0.012％，mg：0.04％～0.07％，cr：＜0.05％，ti：＜0.03％；
(b)球化处理和孕育处理
选用低稀土硅铁镁合金球化剂(埃肯5813)，并采用冲入法进行球化处理，球化剂加入量为1.0％～1.1％；具体为：其将球化剂预埋入浇包之内并适度紧实，进行球化处理，在出铁量三分之二时开始球化反应，球化进行前应控制好出铁温度1400～1470℃。
选用硅钙钡孕育剂进行孕育处理，孕育剂加入量为铁水重量的0.7％～1.25％，并分三次孕育，具体为：覆盖孕育(0.2-0.3％75硅铁孕育剂3-8mm)在球化扒渣前加在铁水表面，一次孕育(0.4-0.8％埃肯高钙钡3-8mm)在球化扒渣后加在铁水表面，随流孕育(0.10～0.15％埃肯硫氧0.2-0.7mm)是在浇注过程中加入铁水中。
(c)充型
以150℃左右的热风通过所述热风通道对所述铸件型腔进行通风增温。通风增温满8h后，将球化和孕育后的铁水浇注到铸型中充型、凝固即得铸件。
对实施例2和对比例1铸造的风电底座分别进行性能分析
实施例2：ge3.2mw-130合体底座，材质为qt600-10，抗拉强度≥530mpa，0.2％屈服强度≥400mpa，延伸率≥12.5％，-20℃±2℃时的抗冲击性(无缺口)：三个试样的冲击平均值≥7j，单个不小于5j。
对比例1：ge2.5mw-120合体底座，材质为qt400-18，抗拉强度≥370mpa，0.2％屈服强度≥220mpa，延伸率≥12％，-20℃±2℃时的抗冲击性(无缺口)：三个试样的冲击平均值≥10j，单个不小于7j。
综上：1、固溶强化铁素体球墨铸铁风电铸件有更好的力学性能组合(抗拉强度、屈服强度以及延伸率)，可使设计人员减少铸件壁厚，从而减轻铸件重量。2、固溶强化铁素体球墨铸铁风电铸件的夹渣、缩松倾向更大，对铁水的纯净度、铁水成分及铸型温度等各项参数的要求更高。
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创新的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。