CN101906566B

CN101906566B - 3mw风电轮毂用低温球铁铸件的制备方法及铸造用添加剂、球化剂

Info

Publication number: CN101906566B
Application number: CN2010102502748A
Authority: CN
Inventors: 华永荦; 陈柏林; 王建宏; 俞建平; 陈玉芳; 唐军
Original assignee: Jiangsu Jixin Wind Energy Technology Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Jixin Wind Energy Technology Co Ltd
Priority date: 2010-08-11
Filing date: 2010-08-11
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2030-08-11
Also published as: CN101906566A

Abstract

本发明涉及3MW风电轮毂用低温球铁铸件的制备方法及添加剂、球化剂、孕育剂和瞬时孕育剂。所述低温球铁的元素组成为：C：3.6-3.9％；Si：1.7-2.5％；Mn：0.1-0.3％；P＜0.045％；S＜0.02％；Mg：0.03-0.06％；剩余的是微量杂质元素，所述低温球铁的制备方法包括以下步骤：(1)熔炼；(2)球化和孕育：球化剂组成为：A型球化剂：Mg：5.5-6.5％，Si：44-48％，Ba：2-3％，Ca：1-1.4％，其余为Fe；B型球化剂：Mg：6-7％，Si：42-45％，RE：1.0-1.5％，其余为Fe；球化过程中随流孕育，孕育剂组成为：Si：72-76％；Ca：1.5-2.5％；Ba：8-12％；Al＜0.15％；其余为Fe；(3)浇注，浇注过程中随流瞬时孕育，瞬时孕育剂组成为：Si：68-75％；Ca：0.75-1.25％；Bi：1.5-2.5％；Al＜0.15％；其余为Fe。

Description

3MW风电轮毂用低温球铁铸件的制备方法及铸造用添加剂、球化剂

技术领域

本发明涉及一种3MW风电轮毂用低温球铁铸件的制备方法及其铸造用添加剂、球化剂、孕育剂、瞬时孕育剂，属于金属铸造领域。

背景技术

风能作为一种清洁能源和绿色能源，在欧、美国家已经被广泛应用，并且风力发电技术也已经成熟。我国从04年开始大力发展风力发电技术，未来风电的主要发展方向是大功率(3MW及以上机组)和海上风电。预计在2015年前将保持每年15％的增长速度。目前大功率风电机组的制造存在如下问题：

1、低温球铁铸造厚大断面高韧部件，典型的是核乏燃料球铁容器、大功率风电机组和一些矿山设备等，此类铸件工作条件十分恶劣，对铸件的韧性和低温性能要求极其严格。随着风电设备向大功率的方向发展，单件重量从最初的几吨发展到如今的几十吨，最大断面由最初的十几毫米发展到如今的几百毫米。此类铸件除了要保证附铸试块的基本低温性能外，还必须保证铸件本体的低温性能和内部组织结构。例如3MW风力发电机的轮毂铸件，重量约16T，最大壁厚约300mm，对球铁本体的低温性能和内部组织结构要求很高。

2、对于球墨铸铁件要求低温冲击韧性，国外一般采用EN1563标准，材料为要求-20℃冲击韧性的GJS-400-18U-LT和要求-40℃冲击韧性的GJS-350-22U-LT。国内采用GB1348-2009材料标准，材料为-20℃冲击韧性的QT400-18AL和要求-40℃冲击韧性的QT350-22AL。铸件本体试块组织球化级别不低于GB/T9441规定的4级，但由于风电铸件的特殊性，要求本体套样试块组织球化级别不低于GB/T9441规定的3级，基体组织以铁素体为主，珠光体量不超过5％，渗碳体不超过1％；要求本体套样试块性能不低于附铸试块性能要求的80％。

3、为达到铸件本体试块的强度、低温冲击性能和组织要求，国外一般采用加镍(Ni)0.4～2％生产此类低温球铁件，如丹麦和印度的厂商在生产大功率厚大断面球铁风电铸件时加入镍(Ni)0.4～2％。但目前镍价昂贵，且资源紧缺。

4、为提高低温球铁铸件本体试块的冲击韧性和内部组织结构；国内一般采用热处理的方式，但对于3MW风电轮毂铸件结构复杂、尺寸较大，热处理时易变形、能耗大、生产周期长、成本高。

5、国外厂商大都采用加拿大生铁和澳洲生铁，其微量元素和有害元素均比国内生铁低很多，这在提高低温球铁铸件性能和组织结构方面，具有先天优势。

6、还有一些厂商为提高铸件本体组织的石墨球化率，提高铁素体含量，采用强制冷却的方法，如在铸型中通冷却水或压缩空气，或利用激冷冷铁。如国内某生产核乏燃料球铁容器企业在铸型中通冷却水，可以加快冷却速度，提高本体组织的球化率和基体组织中铁素体含量。但3MW风电轮毂铸件结构复杂，造型工艺复杂，因此不利于采用强制冷却的方法，而且强制冷却的方法安全风险较大。由于铸件结构较大，利用冷铁进行激冷等方式的成本也较高。

7、中国专利ZL200510022689.9铸态无Ni低温球铁铸造大型高韧部件的方法，在用于3MW风电轮毂时，发现在铸件厚大断面(200mm～300mm)区域的心部存在碎块状石墨，球化率低于GB/T9441规定的3级，铸件厚大断面区域的本体套样试块性能达不到附铸试块性能的80％。

发明内容

本发明提供一种3MW风电轮毂用低温球铁铸件的制备方法，在不用热处理、不添加合金元素镍(Ni)、利用国内生铁、不采用强制冷却方式的条件下，使铸件本体套样试块性能达到附铸试块性能的80％，且本体套样试块心部组织球化级别不低于GB/T9441规定的3级，基体组织以铁素体为主，珠光体量不超过5％，渗碳体不超过1％，厚大断面(200mm～300mm)区域心部无碎块状石墨存在。

本发明还提供用于上述制备方法中的添加剂、球化剂、孕育剂和瞬时孕育剂。

所述3MW风电轮毂用低温球铁铸件的制备方法为，所述低温球铁的元素组成为：C：3.6-3.9％；Si：1.7-2.5％；Mn：0.1-0.3％；P＜0.045％；S＜0.02％；Mg：0.03-0.06％；剩余的是Fe和制备过程中由原料携带进去的微量杂质元素；这些微量杂质元素都在0.01％以下，且杂质总量不超过0.1％，所述低温球铁的制备方法包括以下步骤：

(1)熔炼；

(2)球化和孕育：球化剂组成为：A型球化剂：Mg：5.5-6.5％，Si：44-48％，Ba：2-3％，Ca：1-1.4％，其余为Fe；B型球化剂：Mg：6-7％，Si：42-45％，RE(即稀土元素)：1.0-1.5％，其中RE中重稀土元素钇的质量百分含量≥50％，其余为Fe；添加方式为：(65％～75％)A型球化剂+(25％～35％)B型球化剂；球化剂加入总量为1％-1.3％；球化过程中进行随流孕育，孕育剂组成为：Si：72-76％；Ca：1.5-2.5％；Ba：8-12％；Al＜0.15％；其余为Fe；孕育剂加入量为0.4-0.8％；

(3)在1300℃-1380℃将上述成分球铁液体混合物浇注到铸型中，浇注过程中采用随流瞬时孕育方式，瞬时孕育剂组成为：Si：68-75％；Ca：0.75-1.25％；Bi：1.5-2.5％；Al＜0.15％；其余为Fe；瞬时孕育剂加入量为0.1-0.25％。

球化剂的添加方式为：先将25％～35％B型球化剂放在下部，然后用0.1％～0.15％的球铁屑覆盖，然后在其上添加65％～75％A型球化剂，然后用10mm～12mm厚的钢板覆盖。球化的方式优选为冲入式球化。

作为优选方案，球化剂组成为：A型球化剂：Mg：6.0-6.5％，Si：45％，Ba：2.3-2.6％，Ca：1.3-1.4％，其余为Fe；B型球化剂：Mg：6.5-7％，Si：44％，RE(Y)：1.4-1.5％，其余为Fe；孕育剂组成为：Si：75％；Ca：2.5％；Ba：8.1％；Al：＜0.15％；其余为Fe；瞬时孕育剂组成为：Si：69％；Ca：1.2％；Bi：2.4％；Al：＜0.15％；其余为Fe。

作为优选方案，将球化、孕育处理后的铁水浇注到铸型中，并采用空冷方式使其在铸型中缓慢冷却到300℃以下，从铸型中清理出来。

一种低温球铁铸造用添加剂：包括球化剂、孕育剂、瞬时孕育剂，所述球化剂组成为：A型球化剂：Mg：5.5-6.5％，Si：44-48％，Ba：2-3％，Ca：1-1.4％，其余为Fe；B型球化剂：Mg：6-7％，Si：42-45％，RE：1.0-1.5％，其中RE中重稀土元素钇的质量百分含量≥50％，其余为Fe；A型球化剂与B型球化剂的质量比为65∶35～75∶25；孕育剂组成为：Si：72-76％；Ca：1.5-2.5％；Ba：8-12％；Al＜0.15％；其余为Fe；瞬时孕育剂组成为：Si：68-75％；Ca：0.75-1.25％；Bi：1.5-2.5％；Al＜0.15％；其余为Fe。

一种低温球铁铸造用球化剂，其组成为：A型球化剂：Mg：5.5-6.5％，Si：44-48％，Ba：2-3％，Ca：1-1.4％，其余为Fe；B型球化剂：Mg：6-7％，Si：42-45％，RE：1.0-1.5％，其中RE中重稀土元素钇的质量百分含量≥50％，其余为Fe；A型球化剂与B型球化剂的质量比为65∶35～75∶25。

一种低温球铁铸造用孕育剂，其组成为：Si：72-76％；Ca：1.5-2.5％；Ba：8-12％；Al＜0.15％；其余为Fe。

一种低温球铁铸造用瞬时孕育剂，其组成为：Si：68-75％；Ca：0.75-1.25％；Bi：1.5-2.5％；Al＜0.15％；其余为Fe。

本发明通过控制成分和特定的球化处理、孕育处理工艺达到3MW风电轮毂厚大断面低温球铁铸件本体铸态材料的要求；添加球化剂、孕育剂，可以改善铸件本体组织，提高石墨球数和圆整度，提高铁液球化衰退能力，使铸态本体球化率达到85％以上，铁素体含量达90％以上，使铸件本体试套样块性能达到附铸试块性能的80％。

附图说明

图1是实施例1所得3MW风电轮毂用低温球铁件最大壁厚处心部本体金相组织照片(100x)。

图2是实施例2所得3MW风电轮毂用低温球铁件最大壁厚处心部本体金相组织照片(100x)。

具体实施方式

以下实施例中，所有百分数均为质量百分比。

实施例1：本公司生产的大连华锐3MW轮毂铸件(GJS-400-18U-LT材料)

无镍低温球铁配方如下：

C：3.75-3.9％；Si：2.0-2.5％；Mn 0.2-0.3％；P：＜0.045％；S：＜0.02％；Mg：0.03-0.06％；剩余的是Fe和制备过程中由生铁等原料携带进去的微量杂质元素，这些微量杂质元素都在0.01％以下，且杂质总量不超过0.1％。

制备步骤为：

1)熔炼：采用中频感应电炉进行熔炼，物料按生铁(75％～80％)，回炉料(10％～15％)，废钢(5％～10％)一定的比例称重后加入电炉中熔炼，熔炼温度为1480℃-1550℃，待铁液温度达1420℃-1460℃后，用冲入法进行球化。采用国内生铁为原料，不添加镍(Ni)等合金元素。

2)、球化和孕育：球化剂组分为：A型球化剂：Mg：6.2％，Si：45％，Ba：2.3％，Ca：1.3％，其余为Fe；B型球化剂：Mg：6.5％，Si：44％，RE(Y)：1.5％，其中RE(Y)中重稀土元素钇(Y)的质量百分含量≥50％，其余为Fe。球化剂加入总量为熔炼铁水质量的1.1％-1.2％，添加方式为：70％A型球化剂+30％B型球化剂；添加时先将30％B型球化剂放在下部，然后用0.1％的球铁屑覆盖，然后在其上添加70％A型球化剂，然后用10mm厚的钢板覆盖。

球化过程中进行随流孕育，孕育剂组分为：Si：75％；Ca：2.5％；Ba：8.1％；Al：＜0.15％；其余为Fe。孕育剂加入量为熔炼铁水质量的0.6-0.8％。

3)、浇注和瞬时孕育：在1360℃-1380℃将球化、孕育处理后的混合物浇注到铸型中，浇注过程中采用随流瞬时孕育方式，瞬时孕育剂组分为：Si：69％；Ca：1.2％；Bi：2.4％；Al：＜0.15％；其余为Fe；瞬时孕育剂加入量为熔炼铁水质量的0.15-0.25％。待混和铁液在铸型中以空冷方式缓慢冷却到300℃以下，将铸件从铸型中清理出来。

生产检验表明：该3MW风电轮毂低温球铁本体套样试块性能，其抗拉强度在350～375MPa，延伸率在10～16％，完全达到了EN1563标准要求的GJS-400-18U-LT附铸试块性能要求(要求抗拉强度≥370MPa，延伸率≥12％)的80％，铸件厚大断面处本体心部组织如图1所示，其石墨球化率达到85％以上，铁素体含量达90％以上，厚大断面区域心部无碎块状石墨存在，现在该铸件在大批量生产使用，利用该铸件组装的3MW海上风电机组，已经在我国第一个国家海上风电示范工程-上海东海大桥10万千瓦海上风电场并网发电。

实施例2：本公司生产的某公司3MW轮毂铸件(GJS-350-22U-LT材料)

无镍低温球铁配方如下：

C：3.6-3.8％；Si：1.7-2.1％；Mn 0.15-0.22％；P：＜0.045％；S：＜0.02％；Mg：0.03-0.06％；剩余的是Fe和制备过程中由生铁等原料携带进去的微量杂质元素，这些微量杂质元素都在0.01％以下，且杂质总量不超过0.1％。

制备步骤为：

1)熔炼：熔炼原料及其过程同实施例1。

2)、球化和孕育：球化剂组分为：A型球化剂：Mg：6.3％，Si：45％，Ba：2.6％，Ca：1.4％，其余为Fe；B型球化剂：Mg：6.8％，Si：44％，RE(Y)：1.4％，其中RE(Y)中重稀土元素钇(Y)的质量百分含量≥50％，其余为Fe。球化剂加入总量为熔炼铁水质量的1.0％-1.05％，添加方式为：65％A型球化剂+35％B型球化剂；添加时先将35％B型球化剂放在下部，然后用0.12％的球铁屑覆盖，然后在其上添加65％A型球化剂，然后用12mm厚的钢板覆盖。

球化过程中进行随流孕育，孕育剂组分同实施例1，孕育剂加入量为熔炼铁水质量的0.45-0.6％。

3)、浇注和瞬时孕育：在1330℃～1350℃将球化、孕育处理后的混合物浇注到铸型中。在浇注过程中采用随流瞬时孕育方式，瞬时孕育剂组分同实施例1；瞬时孕育剂加入量为熔炼铁水质量的0.1-0.15％。待混和铁液在铸型中以空冷方式缓慢冷却到300℃以下，将铸件从铸型中清理出来。

生产检验表明：该3MW风电轮毂低温球铁本体套样试块性能，其抗拉强度在300～340MPa，延伸率在13～18％，完全达了EN1563标准要求的GJS-350-22U-LT附铸试块性能要求(要求抗拉强度≥320MPa，延伸率≥15％)的80％，铸件厚大断面处本体心部组织如图2所示，其石墨球化率达到85％以上，铁素体含量达90％以上，厚大断面区域心部也无碎块状石墨存在，现在该铸件也在大批量生产使用。

Claims

1. 一种3MW风电轮毂用低温球铁铸件的制备方法，其特征在于，所述低温球铁的元素组成为：C：3.6-3.9%；Si：1.7-2.5%；Mn ：0.1-0.3%；P<0.045%；S<0.02%；Mg：0.03-0.06%；剩余的是Fe和制备过程中由原料携带进去的微量杂质元素；这些微量杂质元素都在0.01％以下，且杂质总量不超过0.1％，所述低温球铁的制备方法包括以下步骤：

熔炼；

球化和一次孕育：球化剂组成为：A型球化剂：Mg：5.5-6.5%，Si：44-48%，Ba：2-3%，Ca：1-1.4%，其余为Fe； B型球化剂：Mg：6-7%，Si：42－45%，RE：1.0-1.5%，其中RE中重稀土元素钇的质量百分含量≥50%，其余为Fe；添加方式为：65%～75% A型球化剂和25%～35% B型球化剂；球化剂加入总量为1％－1.3％；球化过程中进行随流孕育，孕育剂组成为：Si：72-76%；Ca：1.5-2.5%；Ba：8-12%；Al<0.15%；其余为Fe；孕育剂加入量为0.4-0.8%；

浇注和二次孕育：在1300℃－1380℃将球化和一次孕育处理后的混合物浇注到铸型中，浇注过程中采用随流瞬时孕育方式，瞬时孕育剂组成为：Si：68-75%；Ca：0.75-1.25%；Bi：1.5-2.5%；Al<0.15%；其余为Fe；瞬时孕育剂加入量为0.1-0.25%。

2.如权利要求1所述的3MW风电轮毂用低温球铁铸件的制备方法，其特征在于，球化剂的添加方式为：先将25%～35%B型球化剂放在下部，然后用0.1%～0.15%的球铁屑覆盖，然后在其上添加65%～75%A型球化剂，然后用10mm～12mm厚的钢板覆盖。

3.如权利要求1或2所述的3MW风电轮毂用低温球铁铸件的制备方法，其特征在于，将球化和一次孕育处理后的铁水浇注到铸型中，并采用空冷方式使其在铸型中缓慢冷却到300℃以下，从铸型中清理出来。

4.如权利要求1或2所述的3MW风电轮毂用低温球铁铸件的制备方法，其特征在于，球化剂组成为：A型球化剂：Mg：6.0-6.5%，Si：45%，Ba：2.3-2.6%，Ca：1.3-1.4%，其余为Fe； B型球化剂：Mg：6.5-7%，Si：44%，RE：1.4-1.5%，其余为Fe；孕育剂组成为：Si：75%；Ca：2.5%；Ba：8.1%；Al:<0.15%；其余为Fe；瞬时孕育剂组成为：Si：69%；Ca：1.2%；Bi：2.4%；Al：<0.15%；其余为Fe。

5.一种低温球铁铸造用添加剂，其特征在于，包括球化剂、孕育剂、瞬时孕育剂，所述球化剂组成为：A型球化剂：Mg：5.5-6.5%，Si：44-48%，Ba：2-3%，Ca：1-1.4%，其余为Fe；B型球化剂：Mg：6-7%，Si：42－45%，RE：1.0-1.5%，其中RE中重稀土元素钇的质量百分含量≥50%，其余为Fe； A型球化剂与B型球化剂的质量比为65：35～75：25；孕育剂组成为：Si：72-76%；Ca：1.5-2.5%；Ba：8-12%；Al<0.15%；其余为Fe；瞬时孕育剂组成为：Si：68-75%；Ca：0.75-1.25%；Bi：1.5-2.5%；Al<0.15%；其余为Fe。

6.一种低温球铁铸造用球化剂，其特征在于其组成为：A型球化剂：Mg：5.5-6.5%，Si：44-48%，Ba：2-3%，Ca：1-1.4%，，其余为Fe； B型球化剂：Mg：6-7%，Si：42－45%，RE：1.0-1.5%，其中RE中重稀土元素钇的质量百分含量≥50%，其余为Fe； A型球化剂与B型球化剂的质量比为65：35～75：25。