CN102212757A - 一种用于大型风电装置的合金钢及其工件的制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大型风电装置的合金钢及其工件的制造工艺，该合金钢含有下列化学成分：0.30～4.0wt％的碳、0.30～0.80wt％的硅、1.20～1.80wt％的锰、≤0.025wt％的磷、≤0.015wt％的硫、1.00～1.60wt％的铬、0.50～0.90wt％钼、0.20～0.35wt％的钒、0.05～0.12wt％的氮、0.02～0.07wt％的稀土，余量为铁及不可避免的杂质；其工件的制造工艺为铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、浇铸钢锭、火焰清理、加热、锻造、缓冷、热处理、机械加工、探伤、检验、包装入库。该合金钢与目前国内外风力发电所用的合金钢相比，抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、断面收缩率均有所提高、特别是低温冲击韧性显著提高。耐大气及耐海洋大气腐蚀率提高两个等级。

Description

一种用于大型风电装置的合金钢及其工件的制造工艺

技术领域

本发明涉及用于风电设备上的合金钢，以及用其合金钢制成工件的方法，具体涉及一种超大直径风力发电机用新型高强度、高韧性、耐低温合金结构钢的及其工件的制造工艺，所述合金钢主要用于制造大型风力发电机主轴、风电轴承、风电齿坯，钢锭、连铸坯，以及法兰等重型锻件。

背景技术

随着我国工业现代化的飞速发展，能源缺口越来越大；近年来提出发展低碳经济，新能源的开发得到全世界人们的重视。尤其是风力发电倍受瞩目，因为它是一种不产生任何污染排放的可再生的自然能源，而且与太阳能、地热、生物能发电相比，风电是当前从技术上、经济上最具有商业化规模开发条件的新能源，所以在国内外得到迅猛发展，近十年来，风力发电在全球装机容量年平均增长率为30％以上。

我国的风能资源十分丰富，根据国家气象局估计，可达20～25亿KW，是我的国经济持续稳定发展的可靠能源保障。

在新增风电装机容量中，过去几年主流机型为750KW，现在已逐渐大型化、重型化、主流机型为1.5MW及2.5MW；所用发电机主轴由6000mm长增长到18000mm长，重量由6T增长到40T；法兰最大外径由4000mm增长达7500mm，重量由5T增长到30T。

由于风电机组在野外工作，要求可靠运行20年，要经受住各种极端恶劣天气和非常复杂的风力交变载荷；北方有严寒低温，沙尘等问题；南方有台风，抗大气腐蚀，防雷电等问题。

因此，对风力发电装备用钢有很高的技术性能要求。以前国内外通常选用42CrMoA合金钢，虽然在高强度方面能基本满足要求，但是在塑韧性能方面尚感不足，尤其是在-30℃至-60℃冲击韧性的冲击值达不到30J/cm²。因此，只有通过研究、改进合金钢中微量元素的成分及含量，以及改进合金钢的生产工艺才有可能提高冲击韧性的冲击值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，设计一种可用于超大直径风力发电设备上的新型高强度、高韧性、耐低温的合金钢，以及该合金钢的生产工艺，并且提供一种用该合金钢制造风力发电设备上工件的加工工艺。

为实现上述目的，本发明的技术方案是提供了一种用于大型风电装置的合金钢，其特征在于，所述的合金钢含有下列化学成分：0.30～4.0wt％的碳、0.30～0.80wt％的硅、1.20～1.80wt％的锰、≤0.025wt％的磷、≤0.015wt％的硫、1.00～1.60wt％的铬、0.50～0.90wt％钼、0.20～0.35wt％的钒、0.05～0.12wt％的氮、0.02～0.07wt％的稀土，余量为铁及不可避免的杂质。

优选的技术方案是，在所述的合金钢内包含有≤0.10wt％的铌和/或钛。

进一步优选的技术方案是，所述的合金钢内下列化学成分的含量分别为：0.32～0.38wt％的碳、0.40～0.60wt％的硅、1.40～1.70wt％的锰、≤0.02wt％的磷、≤0.010wt％的硫、1.20～1.50wt％的铬、0.60～0.80wt％钼、0.25～0.35wt％的钒、0.06～0.10wt％的氮、0.03～0.06wt％的稀土。

优选的技术方案还包括，在所述化学成分中钒/氮的质量比为3～4；或钒+铌/氮质量比为4～5。

优选的技术方案还包括，在所述化学成分中稀土/硫的质量比为2～3。

一种用于大型风电装置的合金钢工件的制造工艺，其特征在于，所述制造工艺包括如下工艺步骤：

S1、将铁水预处理后用于转炉炼钢，或将废钢用电炉炼钢；

S2、将S1步骤得到的钢水用精炼炉进一步精炼成权1至5任意一项所述的合金钢；

S3、将S2步骤得到的合金钢连铸成φ600～φ800mm坯料，或13～33T的钢锭；

S4、将冷却后的连铸坯料或钢锭进行火焰清理；

S5、再将清理后的坯料或钢锭加热、锻造；

S6、将锻造后的合金钢进行缓冷处理；

S7、将缓冷处理后的锻件再进行热处理；

S8、将热处理后的合金钢锻件通过机加工，制成风电装置中使用的工件；

S9、将机加工后的工件进行探伤、检验；

S10、将探伤、检验后的工件包装入库。

其中，在所述S2步骤中，当钢水温度达到1580℃～1590℃时，可进入还原期冶炼，此时先向钢水内喷吹硅钙合金粉、和/或电石粉、和/或铝粉，然后先加入硅锰铁合金、铬铁合金、钒铁合金和稀土合金，同时向钢水中吹氮气，在加入稀土合金应控制在稀土与硫之比为2～3；钒与氮之比控制在3～4。

在所述S3连铸工艺中需采用如下技术措施：

1)保护浇铸，为了减少钢水被二次氧化和外来杂质夹杂带入钢水中，采用中间包钢水覆盖剂和结晶器保护渣，钢包与中间包之间采用长水口连接，中间包钢水通过浸入式水口进入结晶器，水口均采用氩气保护以及纤维密封圈密封；钢锭浇铸过程也采用氩气保护；

2)实施动态轻压，在连铸时对钢坯进行动态轻压下；

3)采用电磁搅拌，在连铸时，对钢水进行电磁搅拌；

4)两次冷却，连铸时采用两次冷却，两次冷却强度为，冷却水量一般为1.5～2.0L/kg，可分区进行自动调节。

在所述S6缓冷处理步骤中还需对工件进行去氢气的处理，对于尺寸较小的锻件去氢气处理，只要锻后放入缓冷坑内，缓慢冷却至200℃以下出坑即可；对于大锻件去氢气的处理工艺为：将终锻后的工件快速冷却至280～320℃，保温2～3小时，使过冷奥氏体快速分解，再加热到640～660℃保温，使钢中氢气快速逸出，保温时间可依据工件大小来而定，一般为10～20小时。

在所述S7步骤中采用二步热处理法进行，先正火热处理锻件，然后再进行调质热处理；将锻件毛坯先进入热处理炉加热到860℃±10，保温2小时后，出炉空冷或吹风加速冷却，冷却至200～300℃，再入炉加热到870℃±10，保温2小时出炉，在水溶液槽中淬火，将水溶液温度控制在40℃～60℃之间，锻件冷却到200℃以下，再进入回火炉中加热到580℃±20，保温5～6小时，然后随炉冷却至150℃以下出炉。

本发明的优点和有益效果在于，本发明采用科学合理的方法，设计出一种适合于用作超大直径重型风力发电机的主轴和法兰等锻件的合金钢的化学成分组成，同时还设计出合金钢的冶炼、浇铸、铁合金的加入方法及大型锻件制造等方面一系列有效技术措施与工艺步骤等，该合金钢(35CrMnMoVNREA)新材料与目前国内外风力发电所用的42CrMoA牌号比，抗拉强度(Rm)提高了100～160Mpa、屈服强度(Rp_0.2)提高了80～120Mpa，断后伸长率(A)提高了两个百分点，断面收缩率(Z)提高5个百分点，特别是低温冲击韧性显著提高，常温αkV提高40～50J/cm²；-30℃αkV提高30～40J/cm²；-60℃αkV提高20～30J/cm²。耐大气及耐海洋大气腐蚀率提高两个等级。年腐蚀速率由1.0mm/a下降到0.5mm/a水平。

附图说明

图1是合金钢工件的制造工艺中缓冷工艺的去氢处理工艺图；

图2是合金钢工件的制造工艺中热处理的正火处理工艺图；

图3是合金钢工件的制造工艺中热处理的淬火处理工艺图；

图4是合金钢工件的制造工艺中热处理的回火处理工艺图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明是用于大型风电装置的合金钢，其特征在于，所述的合金钢含有下列化学成分：0.30～4.0wt％的碳、0.30～0.80wt％的硅、1.20～1.80wt％的锰、≤0.025wt％的磷、≤0.015wt％的硫、1.00～1.60wt％的铬、0.50～0.90wt％钼、0.20～0.35wt％的钒、0.05～0.12wt％的氮、0.02～0.07wt％的稀土，余量为铁及不可避免的杂质。所述合金钢的牌号为35CrMnMoVNREA。

在本实用新型中，在上述配比的基础上，所述的合金钢内还可包含有≤0.10wt％的铌和/或钛。进一步优选的实施例是，所述的合金钢内下列化学成分的含量分别为：0.32～0.38wt％的碳、0.40～0.60wt％的硅、1.40～1.70wt％的锰、≤0.02wt％的磷、≤0.010wt％的硫、1.20～1.50wt％的铬、0.60～0.80wt％钼、0.25～0.35wt％的钒、0.06～0.10wt％的氮、0.03～0.06wt％的稀土。在所述化学成分中钒/氮的质量比为3～4；或钒+铌/氮质量比为4～5。在所述化学成分中稀土/硫的质量比为2～3。

本发明各合金元素设计的理论及实践依据：

35CrMnMoVNREA高强度合金结构钢是还可以通过热处理(淬火+回火)对其性能进行调整的。合金元素系人们为了获得所需的组织和各种性能向钢中加入的具有一定含量范围的元素。本发明主要元素确定是碳(C)、铬(Cr)、锰(Mn)、钼(Mo)、钒(V)、氮(N)、稀土(RE)，其余合金为GB/T3077-1999合金结构钢标准中规定的含量范围，在此不作详述。

对合金结构钢而言，其合金元素对抗拉强度影响通常经验公式如下：

HV＝235(C+0.167Si+0.223Mn+0.068Ni+0.25Cr+1.8V+3.16N)

-43Iq D-3.46GSN+99.4；                    (1-1)

Rm＝44.9+2.63HV+375C；......              (1-2)

Rp_0.2＝297-148IqD-1.2GSN+408C+68Si+123Mn

+28Ni+102Cr+1343V+1290N；......           (1-3)

式中：HV——维氏硬度，

D——试样直径，

GSN——奥氏体晶粒度

上述三个经验公式是本发明35CrMnMoVNREA新钢号成分设计理论依据之一，下面详述主要成分的确定。

1)C含量的确定

从上述三个公式可见，C是合金结构钢中重要元素，随着钢中C含量的增加，钢的抗拉强度和硬度大幅提高，是合金结构钢提高抗拉强度最有效合金元素，但是在钢提高强度的同时，钢的塑韧性、耐腐蚀、耐低温性能等却显著降低，所以本发明在综合考虑之后，决定采取降C，把C含量确定为0.30％～0.40％，用添加V、N合金元素细化晶粒手段弥补降C损失强度的问题，这样是合理的选择。

2)Cr含量的确定

Cr元素虽然对抗拉强度贡献不大，但对耐大气腐蚀和耐海洋大气腐蚀有决定性影响，是提高耐腐蚀性不可缺少的合金元素，但是考虑到Cr合金价格较高，应该控制使用，把Cr含量提高到1.00％～1.60％是合适的。

3)Mn含量的确定

Mn元素对钢的强度贡献虽然不大，而提高Mn含量主要目的是为了提高钢的冲击韧性和塑性，尤其是Mn对降低钢的脆性转变温度贡献较大，该钢要求在-60℃冲击吸收功30J情况下是不可缺少的。而且Mn合金是我国富有资源，价格也不高，所以把Mn含量提高到1.2％～1.8％是适宜的。

4)Mo含量的确定

Mo元素在钢中的作用不是以提高钢的强度为主要目的，而是为了提高钢回火稳定性；另外Mo与Cr元素同时存在钢中，对耐大气和海洋大气腐蚀性能有特殊贡献；但是Mo是比较贵重合金元素，应该合理使用，把Mo含量确定在0.50％～0.90％也是比较合理的。

5)V和N含量的确定

从上述三个公式可见，当钢中加入微量V和N合金元素后，对提高钢的抗拉强度贡献很大，原因是：在一定的热力学条件下，V和N与碳形成V的化合物和碳的氮化物，并在回火时弥散析出在基体金属结晶的缺陷处，同时可以细化钢的晶粒度，因此，在V与N共同存在钢中，不但钢的强度大幅度提高，一般沉淀强化增量达160～260Mpa，同时钢的塑韧性又不显著降低，反而对低温冲击韧性有所提高；经研究发现当添加0.10％V和0.01％N并且含0.011％的Al，由于形成AlN次生氮化物相弥散析出，当铁素体晶粒由20μm细化到5μm时，可使脆性转变温度Tc下降81℃，-60℃冲击韧性达到峰值。综合使用性能不亚于用Ni和Mo合金化钢性能水平。

再有就是V与N要有一个合理匹配，即V/N比要达到4～5倍，即用4或5倍的V才能保证把N元素形成VN化合物，否则N元素容易游离存在，使钢表面产生气泡，造成钢的表面质量下降，这是本发明专利的关键核心创新点，所以把V含量确定为0.25％～0.35％，而把N含量确定为0.05％～0.12％是非常科学与合理的，另有N是非常廉价的元素。

6)稀土元素RE含量的确定

一系列研究和实践证明，稀土元素在钢中作用有以下几个功能：

①当钢中加入RE使钢的锈层致密，而且与基体的结合力变强，可以阻止大气中O₂和H₂O的扩散，从而降低了腐蚀速度，提高钢的耐大气腐蚀性。

②净化作用，稀土具有很强的脱氧、脱硫的能力以及很强的吸氢能力。主要生成RE₂O₂S化合物，稀土与氢在250～300℃可生成REH₂，钢中在300℃左右析出的H₂被RE吸收，减少游离氢。

③夹杂物球化变性作用，当钢中RE含量大于0.02％时，稀土能有效地使细条状的MnS变为纺锤形或球形稀土硫化物或硫氧化物。

④稀土能抑制树枝状晶体发展，减少硫偏析，减轻硫对力学性能和耐大气腐蚀性能的影响。

⑤固溶强化和细化晶粒的作用，由于稀土原子半径小，所以稀土有固溶强化作用，对细化晶粒也有一定的影响。

稀土在钢中上述五大功能的实现，是钢在冶炼、浇铸过程中采取有效措施才能实现，否则事得其反，这是本发明专利的关键所在。

最终钢中稀土含量控制在0.02％～0.07％为宜，RE含量＜0.02％起不到良好作用，当RE含量＞0.07％时，钢中稀土夹杂物大量增加，使钢的纯净度降低，钢的各种性能显著下降，这是本发明最重要创新点之一。

本发明一种用于大型风电装置的合金钢工件的制造工艺的具体实施例包括

实施例1：

1、生产工艺流程如下：

铁水预处理-转炉冶炼-炉外精炼-浇铸钢锭(15T～30T)-火焰清理-加热-锻造-缓冷-热处理-机械加工-探伤-检验-包装入库。

2、制备步骤

第一步骤 铁水预处理

按铁水重量百分比，加入1％～1.5％白灰(CaO)，目的为了进一步除去铁水中[P]、[S]、[Si]，达到炼钢用铁水成分要求后，倒入转炉中进行冶炼。

第二步骤 转炉炼钢

LD转炉采用氧枪吹氧冶炼，依据钢水温度和成分配比可以加入废钢调整钢水温度和成分配比，同时要加入造渣剂(氧化钙、萤石等)，转炉冶炼主要目的是去碳，当碱度(Cao/Sio₂比)达到2.0～2.5时，可扒渣去[P]、[S]杂质，当钢水温度达到1550℃～1570℃，碳含量达到0.9％～1.10％时，钢水转入VAD或AOD炉进行精炼。

第三步骤 炉外精炼

VAD或AOD精炼炉也是采用氧枪吹氧气冶炼，氧化期目的是进一步去碳，同时加入钼铁合金进行合金化。当碳含量达到要求时，(0.3％左右)钢水温度达到1570℃～1590℃时，可进入还原期冶炼，先喷吹CaSi、CaC₂，Al粉等造还原气氛，然后先加入硅锰铁合金、铬铁合金、钒铁合金，最后加入稀土合金，同时向钢中吹氮气增加氮含量，稀土合金加入量视钢中硫含量而定，即控制稀土元素/硫元素之比为2～3，使最终钢的稀土元素含量为0.02％～0.07％，同时控制钒/氮之比为3～4；当钢中各种化学成分达到规定值时，钢水温度为1590℃～1610℃时可以出精炼炉入钢水包内。

第四步骤 浇铸

浇铸采用下铸方式，每次可浇2～4支锭，钢水从钢水包中浇铸到中心铸管；作主轴用模为扁形钢锭模，是上大下小(锥度为0.5％左右)，上口边长1600mm～1800m，厚度为750mm～950mm，高度为2100mm～2500mm；单重为13T～33T。

第五步骤 加热

冷锭加热制度，炉温应小于400℃，自由升温1小时后，以每小时40℃～60℃升温至950℃保温2小时，然后再以每小时120℃～140℃，升温至1360℃，保温2小时后降到1350℃再保温1小时后，出炉开始锻造。

第六步骤 锻造

根据锻件大小分别在4500T(吨)或2000T吨液压机镦粗或拔长，操作要点是始锻温度为1200～1250℃，锻造比最少为4～6倍，终锻温度为800℃～850℃。锻造目的是把钢锭柱状晶打碎，使钢晶粒度细化，锻坯尺寸达到成品毛坯规定几何形状。毛坯余留加工尺寸一般为15mm左右。

第七步骤 缓冷

合金钢在锻后的冷却过程中容易出现白点，尤其是大截面工件锻后冷却不当也会出现白点。锻轧工件在冷却过程中，氢在钢中的溶解度不断减少，氢原子来不及扩散逸出，将聚集在钢的显微空隙和晶界处，结合成氢分子，造成很大的压力，加上钢中其他内应力，超过该处的断裂强度，就产生细小裂纹。该裂纹表现在纵向断口上呈椭圆形银白色斑点，所以称为白点。为了消除白点，首先应从炼钢原料及浇铸系统设计上减少氢的来源，其次通过热处理可防止白点产生。对于尺寸较小的锻件，只要锻后放入缓冷坑，缓冷温度低于200℃出坑即可，对于尺寸较大的锻件，其去氢工艺如图1所示。

对于合金钢过冷奥氏体在珠光体转变区域很稳定，在贝氏体转变区域稳定小得多，所以锻轧后过冷至280℃～320℃，使过冷奥氏体较快分解，再加热到640～660℃等温，可使钢中氢较快逸出。防止白点产生。等温时间可依据工件大小来决定，一般为10～20小时。

第八步骤 热处理

为了提高钢的强度、塑韧性、特别是低温冲击值，一般均采用调质热处理，获得晶粒度8级以上的弥散强化索氏体组织。热处理工艺制度如下：把钢加热到860℃±10，保温一段时间，然后出炉入水溶液槽中快速冷却，达到淬火目的，即由奥氏体组织转变马氏体组织；为了组织稳定性和获得弥散强化效果，然后要进行580℃±10回火热处理，从而获得更细化的回火索氏体组织，最终达到获得良好的综合力学性能。

第九步骤 机械加工

依据锻件毛坯尺寸大小，分别在2500mm或6500mm常规或数控车床进行成品精加工，达到成品尺寸公差要求。

第十步骤 探伤检查、力学性能检查

对机械精加工锻件进行超声波探伤检查，检查裂纹、夹杂、缩孔、气孔、白点等缺陷；同时要检查锻件尺寸公差，力学性能等，符合相应标准要求，判定合格后包装入库。

现有钢的牌号42CrMoA与本发明35CrMnMoVNREA合金钢材料化学成分对比见表1。

表1 化学成分wt％

钢号42CrMoA与35CrMnMoVNREA力学性能对比表见表2

表2 力学性能(25mm×25mm试样)

实施例2

1、生产工艺流程

炉料-电炉-炉外精炼-连铸(圆坯直径600～800mm)-火焰清理-加热-锻造-缓冷-热处理-机械加工-探伤-检查-包装入库。

2、制备步骤

第一步骤 炉料

炉料由清洁废钢(含返回合金钢)，生铁及钼铁合金，造渣剂(白灰Cao)等。

第二步骤 电炉炼钢

将配料原料依次加入60吨容量EAF电弧炉后，通电加热熔化炉料，化验钢中C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo等化学成分，当碳含量达到0.7％～0.9％时，加入造渣剂、白灰、粘土砖块、萤石等造渣剂；碱度为2.5～3.0，钢水温度为1590℃～1610℃，扒渣去P、S夹杂后，出钢入钢水包内。

第三步骤 AOD精炼炉冶炼

将电炉钢水入AOD炉后，通过氧枪吹入Ar+O₂混合气体。冶炼过程分为氧化期、还原期、精炼期。

氧化期主要任务是降C，造渣进一步去P、S杂质，当C含量达到0.3％～0.4％时，钢水温度达1610℃，扒掉氧化渣。

还原期，加入适量石灰+CaF₂造还原渣，同时，喷入CaSi、CaC₂，Al粉等，造还原气氛，碱度为2.5～3.0，使Cr，Mn元素还原(回收率90％左右)，然后扒渣脱S(脱S率为70％)。

精炼期主要任务是调整钢中化学成分，依据化验结果，加入硅锰铁合金，铬铁合金，钒铁合金及稀土合金等。当钢中化学成分达到目标值后，钢水温度控制在1620℃～1630℃时，扒渣出钢入钢水包。

第四步骤 连铸

钢水包通过长水口入中间包，经过结晶器，操作拉坯机进行拉坯，拉坯速度为2.5m～3.0m/分钟，圆坯规格直径为φ600mm～φ800mm，定尺长为8000mm。

第四步骤 火焰清理

对圆钢坯表面裂纹，结疤等缺陷用火焰枪去除，然后送锻造车间。

第五步骤 加热

圆钢坯入井式炉中加热，装炉温度为400℃左右，先闷钢一小时，然后以40℃/小时升温，炉温达到900℃后，可以120℃/小时快速升温，炉温达到1360℃±10时保温一小时，然后出炉锻造。

第六步骤 锻造

依据锻件大小分别在4500T或2000T液压机镦粗或拔长、压扁、扩孔等操作，要点是控制开始锻造温度为1200℃～1250℃，锻造比最少为5～6倍，终锻温度为800℃～850℃，钢的实际晶粒度为8级左右，毛坯达到规定几何形状，留有加工余量为15mm左右。

步骤七、八、九、十同实施例1，在此不作详述。

现有钢的牌号42CrMoA与本发明合金钢35CrMnMoVNREA，实际化学成分，力学性能对比见如下表3、表4。

表3 化学成分wt％

表4 力学性能(25mm×25mm试样)

实施例3

1、生产工艺过程

配料-电炉(EAF)-炉外精炼(VAD)-连铸(圆坯直径φ600mm～φ800mm)-火焰清理-加热-锻造-缓冷-热处理-机械加工-探伤-检查-包装入库

2、制备步骤

步骤一、二、三同实施例2，在此不作详述。

步骤四 连铸采取如下新的技术措施：

1)保护浇铸，为了减少钢水二次氧化和外来夹杂带入钢中，提高钢的纯净度；采用中间包钢水覆盖剂和结晶器保护渣，钢包与中间包之间采用长水口连接，中间包钢水通过浸入式水口进入结晶器，水口均采用氩气保护及纤维密封圈密封。

2)实施动态轻压下，在连铸时对钢坯进行动态轻压下，可以消除或减少铸坯收缩形成的内部空隙，从而使铸坯的凝固组织更加均匀致密，起到改善中心偏析和减少中心疏松的作用。

3)采用电磁搅拌

在连铸时，对钢水进行电磁搅拌，可以改善钢水凝固时柱状结晶生长方向以及促进柱状晶向等轴晶的转变，从而使钢的组织更加细化均匀，达到减少钢的偏析目的。

4)二次冷却

连铸时采用合理的二次冷却，可以防止和减轻连铸坯内部裂纹，表面裂纹，中心偏析和疏松等缺陷；二次冷却强度为，冷却水量一般为1.5～2.0L/kg，二冷段分区进行自动调节。

步骤五、六、七、八、九、十同实施例1，在此不作详述。

钢的牌号42CrMoA与35CrMnMoVNREA，实际化学成分，力学性能对比见如下表5、表6。

表5 化学成分wt％

表6 力学性能(25mm×25mm试样)

实施例4

1、生产工艺过程

配料-电炉(EAF)-炉外精炼(AOD)-连铸(圆坯直径φ600mm～φ800mm)-火焰清理-加热-锻造-缓冷-热处理-机械加工-探伤-检查-包装入库。

2、制备步骤

步骤一、二、三同实施例1；步骤四同实施例3，步骤五、六、七、九、十同实施例1，在此不作详述。

步骤八 热处理

采用科学的合理的热处理工艺，对钢的强韧化是非常重要手段之一。对大型锻件采用二次热处理方法是本发明创新工艺关键点。即锻件毛坯进入热处理炉加热到860℃±10，保温2小时后，出炉空冷或吹风冷却至300℃以下；再入炉加热到880℃±10，保温2小时出炉淬火，在水溶液槽中快速冷却，要求水溶液温度为50℃～80℃水溶液是循环的，锻件冷却到200℃以下，再进入回火炉中加热到580℃±20，保温5～6小时，然后随炉缓慢冷却至150℃以下出炉，工艺曲线如下列说明书附图：图2正火处理，图3淬火处理，图4回火处理。

正火热处理目的

a消除锻造后锻件内外部应力；

b改善钢的内部组织，促使晶粒细化、均匀化。

淬火热处理目的：

淬火的主要目的，把奥氏化锻件淬火成马化体，使钢的强度和硬度大大提高。

回火热处理目的：

a回火是将淬火后的钢在Ac1温度以下加热，使之转变成稳定的回火组织的工艺过程；习惯上把淬火加在500℃～650℃之间进行高温回火的热处理称为调质处理。

b消除淬火后的内应力

c回火时要有足够的保温时间，根据工件大小一般为5～6小时，目的是促使产生细小的VN化合物完全析出在铁素体相界上，从而使钢产生沉淀强化效果，这是合金钢中最重要的强化方式之一。高温回火一般为回火体索氏体组织，不仅强度高，而且钢的塑韧性也非常高。

现有钢的牌号42CrMoA与本发明合金钢35CrMnMoVNREA，实际化学成分，力学性能对比见如下表7、表8。

表7 化学成分wt％

表8 力学性能(25mm×25mm试样)

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于大型风电装置的合金钢，其特征在于，所述的合金钢含有下列化学成分：0.30～4.0wt％的碳、0.30～0.80wt％的硅、1.20～1.80wt％的锰、≤0.025wt％的磷、≤0.015wt％的硫、1.00～1.60wt％的铬、0.50～0.90wt％钼、0.20～0.35wt％的钒、0.05～0.12wt％的氮、0.02～0.07wt％的稀土，余量为铁及不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的用于大型风电装置的合金钢，其特征在于，所述的合金钢内包含有≤0.10wt％的铌和/或钛。

3.如权利要求2所述的用于大型风电装置的合金钢，其特征在于，所述的合金钢内下列化学成分的含量分别为：0.32～0.38wt％的碳、0.40～0.60wt％的硅、1.40～1.70wt％的锰、≤0.02wt％的磷、≤0.010wt％的硫、1.20～1.50wt％的铬、0.60～0.80wt％钼、0.25～0.35wt％的钒、0.06～0.10wt％的氮、0.03～0.06wt％的稀土。

4.如权利要求3所述的用于大型风电装置的合金钢，其特征在于，在所述化学成分中钒/氮的质量比为3～4；或钒+铌/氮质量比为4～5。

5.如权利要求4所述的用于大型风电装置的合金钢，其特征在于，在所述化学成分中稀土/硫的质量比为2～3。

6.一种用于大型风电装置的合金钢工件的制造工艺，其特征在于，所述制造工艺包括如下工艺步骤：

S1、将铁水预处理后用于转炉炼钢，或将废钢用电炉炼钢；

S2、将S1步骤得到的钢水用精炼炉进一步精炼成权1至5任意一项所述的合金钢；

S3、将S2步骤得到的合金钢连铸成φ600～φ800mm坯料，或13～33T的钢锭；

S4、将冷却后的连铸坯料或钢锭进行火焰清理；

S5、再将清理后的坯料或钢锭加热、锻造；

S6、将锻造后的合金钢进行缓冷处理；

S7、将缓冷处理后的锻件再进行热处理；

S8、将热处理后的合金钢锻件通过机加工，制成风电装置中使用的工件；

S9、将机加工后的工件进行探伤、检验；

S10、将探伤、检验后的工件包装入库。

7.如权利要求6所述的用于大型风电装置的合金钢工件的制造工艺，其特征在于，在所述S2步骤中当钢水温度达到1580℃～1590℃时，进入还原期冶炼，先向钢水内喷吹硅钙合金粉、和/或电石粉、和/或铝粉，然后先加入硅锰铁合金、铬铁合金、钒铁合金和稀土合金，同时向钢水中吹氮气，在加入稀土合金应控制在稀土与硫之比为2～3；钒与氮之比控制在3～4。

8.如权利要求6所述的用于大型风电装置的合金钢工件的制造工艺，其特征在于，在所述S3连铸工艺中需采用如下技术措施：

1)保护浇铸，为了减少钢水被二次氧化和外来杂质夹杂带入钢水中，采用中间包钢水覆盖剂和结晶器保护渣，钢包与中间包之间采用长水口连接，中间包钢水通过浸入式水口进入结晶器，水口均采用氩气保护以及纤维密封圈密封；钢锭浇铸过程也采用氩气保护；

2)实施动态轻压，在连铸时对钢坯进行动态轻压下；

3)采用电磁搅拌，在连铸时，对钢水进行电磁搅拌；

4)两次冷却，连铸时采用两次冷却，两次冷却强度为，冷却水量一般为1.5～2.0L/kg，可分区进行自动调节。

9.如权利要求6所述的用于大型风电装置的合金钢工件的制造工艺，其特征在于，在所述S6缓冷处理步骤中还需对工件进行去氢气的处理，对于尺寸较小的锻件去氢气处理，只要锻后放入缓冷坑内，缓慢冷却至200℃以下出坑即可；对于大锻件去氢气的处理工艺为：将终锻后的工件快速冷却至280～320℃，保温2～3小时，使过冷奥氏体快速分解，再加热到640～660℃保温，使钢中氢气快速逸出，保温时间可依据工件大小来而定，一般为10～20小时。

10.如权利要求6所述的用于大型风电装置的合金钢工件的制造工艺，其特征在于，在所述S7步骤中采用二步热处理法进行，先正火热处理锻件，然后再进行调质热处理；将锻件毛坯先进入热处理炉加热到860℃±10，保温2小时后，出炉空冷或吹风加速冷却，冷却至200～300℃，再入炉加热到870℃±10，保温2小时出炉，在水溶液槽中淬火，将水溶液温度控制在40℃～60℃之间，锻件冷却到200℃以下，再进入回火炉中加热到580℃±20，保温5～6小时，然后随炉冷却至150℃以下出炉。

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