科普丨什么是风电铸件？

随着限电政策背景下，电力需求持续增长，风电产业将保持持续增长，带动风电铸件需求持续增长。同时，风电铸件产业链发展模式作为工业未来发展模式的主要方向，也是风电铸件行业未来的重点发展方向。

据中商产业研究院预测，2023年中国风电铸件产能为246万吨，同比增长15.0%，预计2024年产能将增长至269万吨。这表明风电铸件行业正经历着量与质的双重提升，市场规模大幅度提升，且产能预计将继续保持增长。

（数据来源：中商产业研究院整理）

定义

风电铸件是风力发电机中的关键部件，它位于整个产业链的上游，起着至关重要的作用，其产品精密性和可靠性是核心竞争力。

具体来说，风机结构中的箱体、扭力臂、轮毂、底座、行星架、定动轴、主轴套等核心部件均为铸件产品。这些铸件产品通过材料研发、熔炼、浇注、热处理、机加工和检测等多个环节制成，是集配料、熔炼、铸造、精加工和检测等工序于一体的高技术附加值产品。

这些铸件通常由铸铁、铸钢或其他合金制成，形状和大小各异，以满足不同类型和规模的风力发电机的需求。在制造过程中，首先需要对原材料进行熔炼和精炼，然后将其倒入预先设计好的模具中，经过冷却和固化后，形成所需的铸件。这些铸件需要经过严格的质量控制，包括尺寸检查、表面质量检查和机械性能测试，以确保其满足设计和使用要求。

风电铸件行业分类

风电铸件根据其在风力发电机组中的不同功能和位置，可以分为几类。

风电铸件行业分类

1、轮毂作为风电机组的关键部件之一，轮毂连接风机叶片，承担着传递风能到转子轴的重要任务。

2、底座底座是风电机组的支撑结构，保证整个机组稳定地立于地面或海上。

3、轴及轴承座包括主轴和轴承座，这些部件负责实现转子的旋转以及力的传递，并保证转动的平稳性。

4、梁结构在风电机组中起到支撑作用，确保整体结构的强度和稳定性。

5、齿轮箱部件主要包含齿轮箱箱体、扭力臂、行星架等，这些部件负责将风力转化的动力进行增速，以便达到发电机发电所需的转速。

此外，风电铸件在生产过程中通常要经过熔炼、浇注、热处理和机加工等工序。其原材料要求较高，常用的铁素体球墨铸铁材质在欧洲标准为EN-GJS-400-18U-LT或DIN EN 1563，要求具有良好的抗拉强度、伸长率、刚度以及低温下的高冲击强度。

（资料图：河南省化工机械制造有限公司 12MW风电电机铸件）

风电铸件行业发展历程

——1970年代末至1980年代初

现代风力发电技术开始发展，初期的风电机组多为小型实验性设备，对应的铸件生产规模较小，以手工或半自动化为主。

——1990年

随着可再生能源概念的普及和各国对环境保护的重视，风力发电开始得到较快发展。这个时期，风电机组的功率等级逐渐提升，对铸件的质量要求也越来越高，促进了铸造工艺的改进和专业化。

——2000年代初

全球对清洁能源的需求进一步增加，尤其是欧洲、北美和亚洲的一些国家开始大规模推广风力发电。这导致风电铸件需求量大幅增长，生产技术持续升级，行业开始形成规模化、标准化的生产体系。

——2010年代

风力发电成为全球重要的电力来源之一，大型化、高效率的风电机组逐渐成为市场主流。这一时期，风电铸件不仅在数量上实现了飞跃，其制造工艺也更加精细和先进，如使用计算机辅助设计（CAD）进行优化、采用自动化和机器人技术提高生产效率等。

——2020年代

面对全球气候变化的挑战，风力发电作为减少碳排放的有效途径被越来越多的国家采纳。风电铸件行业进一步加强研发和技术创新，以提高产品性能和降低生产成本。同时，随着海上风电的兴起，对铸件的性能要求更为苛刻，推动了材料科学和制造工艺的进步。

（资料图：金雷股份铸造轴）

风力发电铸件的类型

1. 风轮铸件

风轮是风力发电机组的主要组成部分，其铸件类型主要包括叶片、毂盘、扇盘等。叶片采用玻璃钢、碳纤维等材料，而毂盘和扇盘等部件则采用耐热铸铁或高强度铝合金铸件。

2. 托架铸件

风力发电机组的托架一般采用铸铁制作，托架类型主要为液压式和机械式两种。液压式托架具有超级防倾斜性、承受载荷能力强等特点，因此被广泛应用。而机械式托架则适用于风速较小、风场稳定的地区。

3. 塔筒铸件

塔筒铸件是风力发电机组的支撑结构，其主要材料包括钢材、混凝土等。目前国内常用的塔筒铸件多采用切割焊接或整体浇铸等工艺生产。此外，在一些特殊的地理环境下，一些设计者也采用木材、竹材等天然材料制作塔筒铸件。

风电铸件的原材料构成

风电铸件的原材料构成主要包括铸造合金和辅助材料两个方面。

铸造合金

铸造合金常用的有铝合金、铜合金和钢铁合金，分别适用于不同的风电设备部件。辅助材料包括砂型材料、粘结剂、浇注材料和脱模剂，它们在铸造过程中起着关键的作用。通过选择合适的原材料，可以提高风电铸件的质量和性能保证整个风电设备的可靠运行。

1.铝合金：铝合金是风电铸件中常用的一种材料，具有较高的强度和良好的耐腐蚀性能，适用于制造风电设备中的叶轮、轴承座等部件。

2.铜合金：铜合金具有良好的导热性和导电性，同时也具有较高的强度和硬度，适用于制造风电设备中的导电部件和机械零部件。

3.钢铁合金：钢铁合金是风电铸件中最常用的材料之一，具有高强度、耐磨损、耐腐蚀等特点，适用于制造风电设备中的齿轮、轴等重要部件。

辅助材料

1.砂型材料：砂型是制作铸件常用的一种模具，其材料通常为石英砂、耐火砂等，用于制作铸件的外形和内部空腔。

2.粘结剂：粘结剂是将砂型材料固化在一起的材料，常用的粘结剂有粘土、水玻璃等，用于增强砂型的强度和抗热性能。

3.浇注材料：浇注材料是指用于将熔融金属倒入砂型中的材料，常用的浇注材料有熔融铝、熔融铜等用于制造铸件的金属部分。

4.脱模剂：脱模剂是为了方便从砂型中取出铸件而使用的一种涂料，常用的脱模剂有石蜡、硅油等，用于减少铸件与砂型的粘附力。

风电铸件的原材料构成对于其质量和性能有着重要的影响。选择合适的铸造合金和辅助材料，可以提高风电铸件的强度、耐磨性和耐腐蚀性，从而提高整个风电设备的工作效率和使用寿命。

风电铸件工艺流程

风电铸件工艺流程，就大块来讲铸件生产过程主要包括铸造和精加工两大主要环节，装配部分基本由交付企业负责。

废钢、生铁等通过铸造环节制造毛坯铸件，随后的精加工工序按照毛坯形状特点及产品具体需求，采用多种技术手段加工来达到交付状态。其中精加工环节设备投入和人力成本较高，而风电铸件因需求更加精细和复杂，其精加工生产线设备成本更高，加工精度高，需要花费很多人力和技术进行精耕细作。

（资料图：河南省化工机械制造有限公司）

风电铸件铸造工艺方案

1、造型工艺

（1）浇注系统

采用底注浇注系统，为了增加冲型速度，使型腔温差减少，我们采用二个直浇道。铁液平稳进入型腔；直浇道￠110㎜；横浇道厚度为50㎜；内浇道为披风式厚度为20㎜；顶部设瓶式冒口；冒口尺寸为￠350㎜×700㎜3个。

（2）壁厚偏差和避免质量控制

采用呋喃树脂自硬砂和相应的醇基涂料，保证尺寸精度和表面质量；采用定位芯头，下芯时检查样板，以保证提高尺寸精度。

（3）为了保证型砂强度和发气量，外型和芯子在前一天做好，第二天配模。

2、熔炼及浇注工艺

（1）球化剂：Mg使球墨圆整，对大断面球铁能减缓球化衰退，Mg阻碍石墨析出，残Mg量高，增加收缩和脆性，Mg易氧化，在铁水表面形成氧化膜，进入砂型易使铸件产生夹渣和皮下气孔。残Mg量应控制在保证球化的前提下越低越好，但我们考虑大件凝固时间长，应提高抗衰退能力，Mg量应高些，使最终含Mg控制在0.04-0.06%。

（2）稀土：RE是通过抵消干扰元素的有害作用，而间接地起球化作用，但在厚大铸件中，RE留量高容易造成碎块状石墨增多。为了提高抗衰退能力，所以采用混合球化剂，既可以保证起球化作用的Mg的含量，同时也可以保持较高的抗衰退能力。在球化处理时，为了提高镁的吸收率，控制反应速度及提高球化效果，采用特有的球化工艺。对球化处理的控制，主要是在反应速度上进行控制，控制球化反应时间在1.5-2分钟左右，RE我们一般控制在0.025%以下。

（3）为保证铁液质量，要求炉膛内洁净，无残留铁液。利用直读光谱仪、热分析仪进行炉前快速分析和炉后分析。

（4）根据化学成分和组织要求，采用国内优质生铁，碳素废钢，要求无泥砂和油污。采用高的过热温度，提高金属液的纯净度，即在出炉温度的基础上增加30℃～40℃的过热。

（5）熔化工艺

我们用优质生铁启炉；熔清后加入碳素废钢；炉内铁液温度在（1460±10）℃时，停电、用去渣剂进行扒渣处理、并进行原铁水成分化验，检测C、Si、P、S、Mn含量。根据炉前分析结果来调整炉内原铁液化学成分。继续提温至1520±5℃停电降温，再次取炉前试样，检测C、Si、P、S、Mn含量。当炉内温度降至1440℃-1450℃出炉，冲入铁水包进行球化处理，要求原铁液化学成分：C3.6％～3.75％；Si0.8％～1.0％；Mn≤0.25％；P≤0.025％；S≤0.02％；铸件终成分控制：C3.52-3.65 %，Si1.9-2.00 %，Mn0.15-0.20 %，S≤0.015 %，P≤0.03 %，Sb0.008-0.010 %，残余Mg0.040-0.055 %，残余RE≤0.025 %。

（6）球化孕育处理过程

球化采用堤坝冲入法，将5-30mm粒度的钇基重稀土球化剂52%+轻稀土球化剂48%放入用20吨的处理包底的一侧的凹槽内，加入量1.65 %，略加紧实，上面覆盖孕育剂总量的0.4%，上面再加入覆盖剂。铁水冲入另一侧，当炉内温度降至1440℃-1450℃出炉，冲入铁水进行球化处理，同时将粒度为5-12mm炉前孕育剂随铁水流入冲入铁水包（或在包内另一质）加入量0.3%，进行铁水孕育，反应时间应在1.5分钟左右，待反应将结束后扒渣2-3次。

（7）浇注工艺

厚大断面铸件的特点是低温处理、低温浇注，Ca元素可以比常规产品较低，在电炉熔炼的条件下，可控制在1.5%以下，以适当地脱氧、脱硫，Ca的溶解性差，很容易形成夹渣等铸造缺陷；因此，必须有针对性的成份考虑，一方面延缓球化衰退，另一方面促进异质形核。

我们在铸件浇口上设置专用18吨定量包，为加强孕育在定量包内预埋4块150×100×50的定制孕育块（或者在定量包底内加入孕育剂总量的0.2%），浇注温度1310℃-1320℃（定量包内拔塞拔出温度），一边浇注，一边将粒度为1-3mm0.1%，依据浇注时间控制瞬时孕育剂的加入速度。为进一步保证铸件质量，工艺规定浇注时要有一定的多余铁水从冒口溢流出去。然后在冒口表面覆盖保温剂。浇注结束后在150-160小时，即铸件温度约250℃以下开箱。

3、清理

清除浇冒口、分型面及芯头披缝，同时打磨。铸件表面粗糙度要达到Ra12.5-25。

清理工序清理后的铸件，经检查员检查合格，按规定的颜色涂上合格标记，产品库负责对入库铸件的检验标记进行检查，无标记或标记不清的铸件应拒绝入库。

（资料图：河南省化工机械制造有限公司风电铸件—支座（偏航））

风电铸件行业的进入壁垒

风力发电设备的工作环境和条件较为恶劣，风电铸件的材质性能需满足特殊要求，对产品质量要求很高，从掌握生产工艺并形成批量稳定的生产能力需要较长时间，生产能力扩张同时还需要大量资金和专业工人，使得行业具有较高的技术门槛。

风电整机企业在选择铸件配套供应商时，需对铸件企业进行十分严格的认证和筛选，周期较长，后进入者要打开市场难度较大。

整体来说，风电铸件属于高端铸件，具有投资大、建设周期长、技术难度高等特点，并存在一定的进入壁垒，具体体现为：

1、技术和经验壁垒

风电设备在室外的高空运行，若发生故障单次拆装成本高，特别是海上风电还要考虑到气候因素对维护的影响，不便于经常维修，设计安全运行时间通常为20年，甚至30年。因此，对风电铸件材质的疲劳强度，严格的无损探伤要求、对铸件质量的可靠性和耐用性等机械性能均提出了非常严格的要求。

在这种情况下，铸件生产对技术和生产经验积累的要求较高，各环节均需运用到长期积累的生产技术及经验。企业不但要具有较强的自主创新能力，根据不断变化的市场和客户需求，快速开发出能适应市场、满足客户需求的新产品，还要具备成熟的产品技术管理能力和精细的现场管理水平，这些都需要在长期实践中形成系统的技术研发基础与专业生产经验。

2、资金和设备壁垒

首先，风电铸件的完整工序涉及熔炼、浇注、机械加工等多个工艺环节。研发新技术、新工艺，不断开发高端新产品、完善生产工序，是铸件企业实现产业升级与提高自身竞争力和盈利能力的必然选择。这决定了铸件企业需在高附加值的新产品研发方面持续保持较高的投入水平。

其次，风电铸件企业生产所需的设备种类多且单位价值高，固定资产投资规模较大。同时，企业为新技术、新工艺的研发以及工序的完善投入大量资金。产品生产过程复杂，质保周期长，流动资金占用量较大。这些都决定了风电铸件行业属于资金密集型行业。

3、规模壁垒

风电铸件行业已逐步由几家大型企业主导，其他企业参与竞争较困难，新进入者必须发展成高起点、大规模的专业化生产企业才有立足之地。同时，成本受汇率变动和原材料价格波动等因素影响，大型重工装备铸件生产的成本控制难度日益增加。企业要在激烈的市场竞争中保持优势，必须依靠规模化生产有效控制成本。

而规模化生产经营需要资金、设备及人力的长期、大量投入，新进入的企业在短时间内难以形成比较优势，整体竞争力有限，很难在激烈的市场竞争中立足。

4、市场壁垒

铸件下游企业为保障自身供应体系的稳定性与品质，纷纷建立了自身独立、系统且严苛的供应商评审机制，只有通过上述评审的供应商方能进入其物资供应体系，具备为其提供产品的资格。

风力发电机组要求可靠使用寿命在20年以上，铸件企业提供的产品必须持续达到整机厂商的质量要求，同时满足其余各项认证，方能被认定为合格供应商，双方之间才能建立长期稳定的合作关系。

同时，风电铸件是定制产品，对某个规格型号的产品批量化生产前必须经过较长时间的试制生产和检测，一旦形成合作，则会在产品质量、交货期以及价格等方面形成长期的战略合作关系。因此，上下游厂商一旦形成合作，这种合作将具有持续性和稳定性。

代表企业

日月股份

日月重工股份有限公司是专业从事金属材料研发创新、应用生产、销售服务于一体的铸造及机加工上市企业、国家高新技术企业、全国知名的铸件供应商之一，以生产厚大断面球墨铸铁重大装 备基础件见长，居于行业龙头地位。

日月是为能源工业企业提供关键基础件的合作伙伴,运用自身优势，组建铸铁材料研发创新、铸造仿真模拟技术等完备专家知识系统,参与客户（尤其在风能和核能工业领域）的前期重要设计环节、为其提供专业的解决方案。

风电关键基础件产品：前箱体、前壳体、主壳体、空心驱动壳体、中箱体、下箱体、上箱体、前箱体、主轴套、6X 二级行星架、6X 后箱盖、6X 后箱体、6X扭力臂、6X 一级行星架、6X 中箱体、Model-X机舱底板、QB轮毂、20轮毂、MK3E底座、12MW底座、V20 底座、9MW主轴、YC85主轴、YC85轴承座、V20轴承座、6050 主机架、6X 轮毂、V12 底座。

（资料图：‌日月股份 20轮毂）

‌广大特材

张家港广大特材股份有限公司成立于2006年，是一家以高品质特种合金材料为核心业务的高新技术企业。公司自成立以来，一直致力于成为高端装备用先进基础材料及制品行业领先制造商。

目前已形成合金材料和合金制品两大产品体系：其中合金材料包括高品质齿轮钢、高品质模具钢、特种不锈钢以及高温合金、超高强度钢等国家重点鼓励发展的新材料产品；合金制品主要包括以合金材料为基础制成的风电装备、轨道交通及各类精密机械部件。

风电装备部件包括大型风力发电机主轴、齿轮箱结构件、轮毂、机架等装备部件主要用于风力发电场的风机装备，随着国家碳排放、碳中和等碳政策的不断实施，未来新能源风电装备市场规模将持续扩大，公司将在风电主轴、轮毂、弯头等已有产品的基础上，继续深入布局新能源海上风电关键部件业务板块，丰富产品矩阵。

（资料图：广大特材）

‌金雷股份

金雷科技股份公司成立于2006年3月，2015年4月22日，公司正式在深交所创业板上市。公司成立以来，不断扩大生产规模 ，提升技术水平，打造了集高品质 钢锭制备、锻造、热处理、机加工、涂装于一体的完整产业链 ，相关配套设备齐全，生产工艺结构完善 ，工序产能匹配合理，可持续发展能力强。

公司以生产风机主轴及Φ4000mm以下各类大型铸、锻件为主，产品广泛应用于风电、水电、火电、矿山、冶金、石化、船舶、模具等多种行业领域。公司具有年生产风电铸造主轴1500支、锻造主轴10000支、Ⅰ→V类大型锻件20万吨的综合生产能力。

（资料图：金雷股份铸造轴）

吉鑫科技‌

江苏吉鑫风能科技股份有限公司（简称：吉鑫科技）始创于研发和制造大型风力发电机组用零部件的领先企业，创立于2003年，技术能力覆盖了750KW-15MW风力发电机组用轮毂、底座、轴、轴承座等系列产品，具备从模具、铸造、机加工、喷涂、装配的全套生产能力。2009年，公司建成省级大型风电金属部件工程技术研究中心，在风电铸造技术方面一直处于国际先进水平。

（资料图：吉鑫科技 3MW底座）

豫化机

河南省化工机械制造有限公司是生产风力发电及化工机械设备的创新型企业。主要产品有耐低温冲击球墨铸铁风力发电设备及备件、化工铸铁塔、各种牌号铸铁件、化工泵、阀门等。公司主导产品为系列风电设备和系列化工塔设备，公司有大型风电企业生产系列产品，其中与湘电、中电、中车等企业建立了长期合作关系。

风电铸件产品：风电铸件一支座(偏航)、风电铸件-机架、海上风电铸件4.0U、6.45MW海上风电电机壳、12MW风电电机铸件、3MW风电电机壳。

（资料图：河南省化工机械制造有限公司 海上风电铸件4.0U）

来源综合自：百度文库、智研瞻、中商情报网、HXW 湖西王集团、认知复利、砂型铸造及各企业官网