CN102373364B

CN102373364B - 一种风电设备铸件及其制备方法

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Publication number: CN102373364B
Application number: CN 201010551509
Authority: CN
Inventors: 刘荣
Original assignee: Western Heavy Industry Co Ltd Of Gansu Jiuquan Iron & Steel Group
Current assignee: Western Heavy Industry Co Ltd Of Gansu Jiuquan Iron & Steel Group
Priority date: 2010-11-20
Filing date: 2010-11-20
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2030-11-20
Also published as: CN102373364A

Abstract

本发明涉及风力发电设备的制造技术领域，具体涉及一种风电设备铸件及其制备方法。其化学成分是（质量百分数）：3.60～3.80%的C，2.2～2.4%的Si,，Mn小于0.25%，0.006～0.015%的K，0.006～0.015%的Na，0.008～0.015%的Bi，0.015～0.028%的Sb，0.002～0.004%的Sr，0.035～0.055%的Ba，0.035～0.055%的Ca，0.030～0.050%的Al，0.032～0.055%的Mg，P小于0.03%，S小于0.01%，余量为Fe。其采用电炉熔炼，不加生铁补铁和碳，而是加入低锰废钢、石墨为主要原料，为了进一步提高风电铸件性能，还加入少量铋、锑、钾、钠、锶、钙、钡、铝等微合金元素，细化石墨并改善石墨的球化效果，且具有防止球化衰退的作用，并用纯镁进行球化处理，还在浇注前采用铁素体球铁孕育剂进行孕育处理，其生产工艺简便、成本低廉，且强度高、室温和低温韧性好。

Description

一种风电设备铸件及其制备方法

技术领域

本发明涉及风力发电设备的制造技术领域，具体涉及一种风电设备铸件及其制备方法。

背景技术

风能是除水电外最有前途的可再生能源，风力的利用可以提供清洁能源，不产生温室气体。目前，大型MW级风力发电机已进入大批量制造阶段，主力机型为1~3MW风力发电机。大型风力发电机组用风电铸件主要有轮毂、底座（机舱座）、轴承座、齿轮箱箱体等，轮毂、底座（机舱座）等铸件材料国内外普遍采用球墨铸铁制造。由于风电设备架设在高处运行，不便于经常维修，设备设计时确定的维修期通常为20年，甚至30年。因此，对铸件材质的疲劳强度，对铸件质量的可靠性和耐用性，都有非常严格的要求。另外，设备在室外高处运行，冬季气温很低，铸件材质还必须确保在低温下有良好的韧性。由于这样的要求，风电设备的主要铸件的材质都是铁素体球墨铸铁，而且在低温冲击韧度和疲劳强度等方面都有严格要求。目前，轮毂、底座（机舱座）等铸件材料主要采用EN1563 标准的EN-GJS-400-18U-LT和EN-GJS-350-22U-LT，相当于GB/T 1348 标准中的QT400-18AL和QT350-22AL。对1~3 MW 风力发电机，轮毂铸件单件质量一般为10~18 t。

为了提高风电铸件的性能，确保风电铸件安全使用，中国发明专利CN101168191公开了一种-20℃低温铸态无Ni球铁铸造兆瓦级风电机组部件方法，它是以国产生铁为原料，经熔炼、球化、孕育制得低温铸态无Ni球铁，再经铸造得梁、箱体类薄壁件，所述低温铸态无Ni球铁的成分配方是：C 3.6％～3.9％，Si 1.7％～3％，Mn 0.1％～0.4％，不加Ni，Mg的残余含量 0.045％～0.07％，剩余的是铁和杂质，杂质中P＜0.04％，S＜0.02％；上述含量低温铸态无Ni球铁的成分是通过添加球化剂、孕育剂及采用二次孕育方法获得；球化后铸造工艺为：在1300℃～1380℃将球化后的液态混合物浇铸到铸型中，并使其在铸型中缓慢冷却到300℃以下，从铸型中清出。中国发明专利CN101168785还公开了一种-40℃低温铸态无Ni球铁铸造兆瓦级风电机组部件— —轮毂、底座的方法，它是以国产生铁为原料，经熔炼、球化、孕育处理制得低温铸态无Ni球铁，再经铸造得轮毂、底座，所述低温铸态无Ni球铁的成分配方是：C 3.6％～3.9％，Si 1.7％～2.5％，Mn 0.1％～0.3％，不加Ni， Mg的残余含量0.045％～0.07％，剩余的是铁和杂质，杂质中P＜0.04％，S ＜0.02％；上述含量低温铸态无Ni球铁的成分是通过添加球化剂、孕育剂及采用二次孕育方法获得；球化后铸造工艺为：在1300℃～1380℃将球化后的液态混合物浇铸到铸型中，并使其在铸型中缓慢冷却到400℃以下，从铸型中清出。

中国发明专利CN1817506还公开了铸态无Ni低温球铁铸造大型高韧部件的方法，其特征是采用，(1)低温球铁的成分配方是：3.6-3.9％C；1.7％至3％Si；0.1％至0.4％Mn；不加Ni；Mg 的残余含量0.045％至0.07％之间，剩余的是铁和制备过程中产生的杂质，P低于 0.04％；(2)上述含量铸造球铁的成分通过添加球化剂获得；(3)球化后铸造工艺：在1300℃至1380℃之间将所述液态混合物浇铸到的铸型中；并使其在砂型中缓慢冷却到400℃以下从铸型中清出。成分中S低于0.02％。

但是，采用上述公开的技术制造的大型风电铸件，仍存在低温冲击韧性低，使用安全性差等不足，这与国内生铁质量差，国内生铁中有害元素多有关。为了确保风电铸件的性能，国内风电铸件生产中，普遍使用国外进口生铁，特别是出口国外的风电铸件，绝大多数都使用进口生铁，进口生铁尽管杂质少，但价格高，导致风电铸件生产成本增加，企业效益下降。

发明内容

本发明的目的在于避免现有的风电设备铸件的不足之处而提供一种风电设备铸件及其制备方法，其采用电炉熔炼，不加生铁补铁和碳，而是加入低锰废钢、石墨为主要原料，为了进一步提高风电铸件性能，还加入少量铋、锑、钾、钠、锶、钙、钡、铝等微合金元素，细化石墨并改善石墨的球化效果，且具有防止球化衰退的作用，并用纯镁进行球化处理，还在浇注前采用铁素体球铁孕育剂进行孕育处理，从而有效满足了现有风力发电机组的使用要求。

所述的一种风电设备铸件及其制备方法，其特点在于：其风电设备铸件的化学成分是（质量百分数）：3.60～3.80%的C，2.2～2.4%的Si,，Mn小于0.25%，0.006～0.015%的K，0.006～0.015%的Na，0.008～0.015%的Bi，0.015～0.028%的Sb，0.002～0.004%的Sr，0.035～0.055%的Ba，0.035～0.055%的Ca，0.030～0.050%的Al，0.032～0.055%的Mg，P小于0.03%，S小于0.01%，余量为Fe。

所述的铸件化学成分中，C和三分之一的Si含量之和：4.35%<C+1/3Si<4.55%；K和Na含量之和：0.020%<K+Na<0.025%。

所述的一种风电设备铸件及其制备方法，其包括如下步骤：

第一步：先将低锰废钢和石墨在电炉内加热熔化，当铁水温度升至1460～1480℃时，加入硅铁脱氧同时合金化，然后加铝终脱氧，当铁水温度达到1500～1520℃，将含钾物质、含钠物质和电解铋加入炉内，铁水调整成分合格后出炉；

第二步：铁水球化处理，在铁水出炉过程中，将金属锑随流冲入浇包，然后用喷枪将钝化镁颗粒喷入铁水，钝化镁颗粒加入量占铁水质量分数的0.02~0.03%，铁水经静置和扒渣后，注入专用铁水球化处理包，处理包深度与内径之比为1.5～2.0，铁水温度达到1440～1460℃时，采用自建压力加镁法进行球化处理，加镁钟罩压入铁液后距包底的距离为包深的10～12%；

第三步：铁水孕育处理，铁水经球化处理后，再采用铁素体球铁孕育剂进行孕育处理，铁素体球铁孕育剂的化学成分质量分数为0.6~0.8%的Sr，15~18%的Ba，15~18%的Ca，8~10%的Al，35~40%的Si，余量为Fe，且铁素体球铁孕育剂的加入量占铁水总质量的0.4%～0.6%；

第四步：铁水孕育处理后，温度达到1320～1340℃时，在树脂砂铸型中浇注风电铸件，保温60～80 h，然后开箱空冷铸件；铸件打磨清理后，加热至250～280℃，保温48～60 h，炉冷至150℃后，出炉空冷，完成所述的风电设备铸件铸造。

所述的第一步骤中的含钾物质为为经350℃焙烧过的KMnO₄；所述的含钠物质为NaOH和碳经热还原反应后的产物。所述的第二步骤中的钝化颗粒镁的钝化层由以下按质量百分比配比的原料构成，MgO：20~30％，NaF：1.2~1.8％，KCl：40~60％，CaO：15~30％。

所述的一种风电设备铸件及其制备方法，其风电设备铸件的材料的性能是由其成分和组织决定的，本发明材料的成分设计理由如下：

碳和硅及碳当量：碳是球墨铸铁的基本元素，含碳量高，有利于石墨析出，石墨球数增多，球径变小，圆整度提高。将碳当量选择在共晶点附近不仅可以改善铁液的流动性，对于球墨铸铁而言，碳当量（C%+1/3Si%）的提高还会由于提高了铸铁凝固时的石墨化膨胀而提高铁液的自补缩能力。但是，碳含量过高，会引起石墨漂浮。因此，球墨铸铁中碳当量的上限以不出现石墨漂浮为原则。

硅是强石墨化元素，在球墨铸铁中，硅不仅可以有效地减小白口倾向，增加铁素体量，而且具有细化共晶团，提高石墨球圆整度的作用。硅对铁素体球铁冲击韧性的影响有两个方面：其一，硅是石墨化元索，硅量增高，基体中珠光体含量减少，冲击韧性提高；其二，硅元素在球铁成分范围内能全部固溶于基体中，硅含量增高，硅原子固溶强化基体而降低韧性。在常温时，基体中原子活性较大，硅使珠光体含量降低的因素起主要作用，故硅含量增高，冲击韧性值提高。在温度逐渐降低时，原子的活性渐低，且硅原子固溶于基体中阻碍晶体晶面滑移，故使得基体塑性变形更加困难，致使球铁由韧性断裂向脆性断裂转化，冲击韧性值大大下降。硅如果控制不当，将使塑性脆性转变温度显著提高，硅含量的控制是生产风电铸件的关键。风电铸件成分选择的原则是高碳低硅，硅含量超过2.5%时，硅含量每增加0.1%，风电铸件开始变脆温度提高10~15℃。因此，本发明风电铸件的碳含量应控制在3.60%～3.80%，硅含量应控制在2.2%～2.4%。且4.35%<碳当量（C%+1/3Si%）<4.55%。

锰：锰扩大奥氏体区，降低共析转变温度，球墨铸铁中锰的主要作用是增加珠光体稳定性。溶入奥氏体中的锰有强烈的正偏析倾向，可在晶界上促进形成晶间碳化物(Fe,Mn)₃C，明显降低球墨铸铁的韧性。锰还会提高铁素体球墨铸铁的韧脆性转变温度，锰含量每增加0.1%，脆性转变温度提高10～12℃。因此，球墨铸铁中锰含量一般是愈低愈好。因此，本发明材料将锰含量控制在0.25%以下。

钾和钠：钾和钠是强烈的石墨化元素，能显著提高球铁的球化率、细化石墨球，并明显改善石墨圆整度；钾和钠还具有增加铁素体、减少珠光体倾向的能力，有利于提高球铁的低温韧性；钾和钠具有良好的脱氧、脱硫能力，且明显推迟铁水中[S]、[O]的回升，并使得铁水中镁的残留量下降速率减小，具有强烈的抑制球化衰退的能力。而普通球化元素镁和稀土是反石墨化元素，风电球铁铸件中加入适量钾和钠，能明显细化石墨球，并大幅度提高球铁的低温韧性，还有利于促进球铁强度的提高。值得注意的是，钾、钠非常活泼，极易氧化和挥发，比重小，不易直接加入金属液中，而且纯的钾、钠价格高，直接加入风电球铁铸件经济上也不合理。本发明的含钾物质为经350℃焙烧过的KMnO₄。加入铁水之前，KMnO₄经过350℃焙烧，由于KMnO₄不稳定，在焙烧过程中会发生如下反应：

式（1）

式（2）

因此，加入到铁水中含钾物质的主要成分其实是MnO₂、Mn₂O₃和K₂O三种物质，而K₂O在铁水高温作用下，又会发生如下反应：

式（3）

本发明的含钠物质为NaOH和C经热还原反应后的产物。其主要反应式为：

6NaOH＋2C→2Na ₂CO₃ ＋2Na＋3H₂ 式（4）

钾的合适加入量为0.006%～0.015%，钠的合适加入量为0.006%～0.015%，且0.020%<K+Na<0.025%。

秘和锑：风电铸件重量大、厚壁，铸件中心部位因冷却缓慢，共晶凝固时间长，石墨核心少，极易产生球化衰退，降低力学性能。在风电球铁铸件中加入微量的秘、锑元素，易于得到稳定的高熔点复杂化合物，并在缓慢冷却条件下仍能长时间地保存在铁液中，成为石墨的异质核心。良好的成核，是石墨球形成的重要条件，因有大量异质核心存在，铁液可以在整个体积内比较迅速的结晶凝固成为正常的石墨共晶团，因此就消除了因缺乏核心而久久保留于正常石墨共晶团之间的残留铁液，从而消除了形成畸变石墨的条件。秘、锑可以使风电球铁铸件的石墨球数量显著增加，并使石墨球更加细小、圆整，可明显提高低温冲击韧性，合适的铋加入量为0.008～0.015%，合适的锑加入量为0.015～0.028%。

锶、钙、钡、铝：锶、钙、钡、铝是通过铁素体球铁孕育剂带入铸件中的，铁素体球铁孕育剂的质量分数为：0.6~0.8%Sr, 15~18%Ba, 15~18%Ca, 8~10%Al, 35~40%Si, 余量Fe。且铁素体球铁孕育剂的加入量占铁水总质量的0.4%～0.6%。加入含锶、钙、钡、铝的铁素体球铁孕育剂，有利于得到铁素体球铁铸件，并细化石墨，提高球铁的低温韧性，合适的锶加入量为0.002~0.004%，合适的钙加入量为0.035~0.055%，合适的钡加入量为0.035~0.055%，合适的铝加入量为0.030~0.050%。

镁：镁可以中和硫等反球化元素的作用，使石墨按球状生长，镁的残留量应根据铁液中硫等反球化元素的含量确定，在保证球化合格的前提下，镁的残留量应尽量低。镁残留量过高，会增加铁液的白口倾向，并会由于它们在晶界上偏析而影响铸件的机械性能，本发明材料中将镁含量控制在0.032～0.055%。

硫和磷：硫是一种反球化元素，它与球化元素有很强的亲合力，硫的存在会大量消耗铁液中的球化元素，形成含镁硫化物，引起夹渣、气孔等铸造缺陷。磷也是一种有害元素，它在铸铁中溶解度极低，当其含量小于0.03%时，固溶于基体中，对力学性能影响不明显。当含量大于0.03%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，含磷量每增加0.01%，韧脆性转变温度提高4～4.5℃。因此，将本发明风电铸件的硫含量控制在0.01%以下，磷含量控制在0.03%以下。

所述的一种风电设备铸件的制备方法，其通过采用上述工艺方法，其具有的有益效果是：

1）本发明石墨细小、球化率高，且石墨球分布均匀，石墨球化率大于98％；

2）本发明风电铸件的铸态基体组织的铁素体含量高，铁素体体积分数超过98％，且铸态组织中无渗碳体出现；

3）本发明风电铸件具有良好的机械性能，其中抗拉强度达到460～500 MPa，屈服强度达到280～310 MPa，延伸率达到20～23％，室温冲击韧性A _kv达到18～20 J，-20℃低温冲击韧性A _kv达到14～16 J，-40℃低温冲击韧性A _kv达到11～13J。

4）本发明风电铸件全部使用国产原材料，且不加价格昂贵的镍元素，生产成本低廉；

5）本发明风电铸件具有良好的使用效果，在西北寒冷地区使用安全、可靠，已成功应用于1.5 MW和2.0 WM风电机组上。

具体实施方式

以下结合最佳实施例作进一步详述：

实施例1：

采用15吨工频感应电炉熔炼铸铁，具体制造工艺步骤是：

第一步：先将低锰废钢和石墨在电炉内加热熔化，当铁水温度升至1478℃时，加入硅铁脱氧同时合金化，然后加铝终脱氧，当铁水温度达到1517℃，将含钾物质、含钠物质和电解铋加入炉内，铁水调整成分合格后出炉；

第二步：铁水球化处理，在铁水出炉过程中，将金属锑随流冲入浇包，然后用喷枪将钝化镁颗粒喷入铁水，钝化镁颗粒加入量占铁水质量分数的0.03%，铁水经静置和扒渣后，注入专用铁水球化处理包，处理包深度与内径之比为1.5～2.0，铁水温度达到1458℃时，采用自建压力加镁法进行球化处理，加镁钟罩压入铁液后距包底的距离为包深的10～12%；

第三步：铁水孕育处理，铁水经球化处理后，再采用铁素体球铁孕育剂进行孕育处理，铁素体球铁孕育剂的化学成分质量分数为0.6~0.8%的Sr，15~18%的Ba，15~18%的Ca，8~10%的Al，35~40%的Si，余量为Fe，且铁素体球铁孕育剂的加入量占铁水总质量的0.5%；

第四步：铁水孕育处理后，温度达到1335℃时，在树脂砂铸型中浇注风电铸件，保温60 h，然后开箱空冷铸件；铸件打磨清理后，加热至280℃，保温48h，炉冷至150℃后，出炉空冷，完成所述的风电设备铸件铸造。

所述的第一步骤中的含钾物质为经350℃焙烧过的KMnO₄；所述的含钠物质为NaOH和碳经热还原反应后的产物。所述的第二步骤中的钝化颗粒镁的钝化层由以下按质量百分比配比的原料构成，MgO：20~30％，NaF：1.2~1.8％，KCl：40~60％，CaO：15~30％。

风电铸件的成分见表1，风电铸件70 mm附铸试块的力学性能见表2。

实施例2：

采用15吨工频感应电炉熔炼铸铁，具体制造工艺步骤是：

第一步：先将低锰废钢和石墨在电炉内加热熔化，当铁水温度升至1463℃时，加入硅铁脱氧同时合金化，然后加铝终脱氧，当铁水温度达到1504℃，将含钾物质、含钠物质和电解铋加入炉内，铁水调整成分合格后出炉；

第二步：铁水球化处理，在铁水出炉过程中，将金属锑随流冲入浇包，然后用喷枪将钝化镁颗粒喷入铁水，钝化镁颗粒加入量占铁水质量分数的0.02%，铁水经静置和扒渣后，注入专用铁水球化处理包，处理包深度与内径之比为1.5～2.0，铁水温度达到1441℃时，采用自建压力加镁法进行球化处理，加镁钟罩压入铁液后距包底的距离为包深的10～12%；

第三步：铁水孕育处理，铁水经球化处理后，再采用铁素体球铁孕育剂进行孕育处理，铁素体球铁孕育剂的化学成分质量分数为0.6~0.8%的Sr，15~18%的Ba，15~18%的Ca，8~10%的Al，35~40%的Si，余量为Fe，且铁素体球铁孕育剂的加入量占铁水总质量的0.4%；

第四步：铁水孕育处理后，温度达到1322℃时，在树脂砂铸型中浇注风电铸件，保温80 h，然后开箱空冷铸件；铸件打磨清理后，加热至250℃，保温60h，炉冷至150℃后，出炉空冷，完成所述的风电设备铸件铸造。

实施例3：

采用15吨工频感应电炉熔炼铸铁，具体制造工艺步骤是：

第一步：先将低锰废钢和石墨在电炉内加热熔化，当铁水温度升至1471℃时，加入硅铁脱氧同时合金化，然后加铝终脱氧，当铁水温度达到1508℃，将含钾物质、含钠物质和电解铋加入炉内，铁水调整成分合格后出炉；

第二步：铁水球化处理，在铁水出炉过程中，将金属锑随流冲入浇包，然后用喷枪将钝化镁颗粒喷入铁水，钝化镁颗粒加入量占铁水质量分数的0.025%，铁水经静置和扒渣后，注入专用铁水球化处理包，处理包深度与内径之比为1.5～2.0，铁水温度达到1453℃时，采用自建压力加镁法进行球化处理，加镁钟罩压入铁液后距包底的距离为包深的10～12%；

第三步：铁水孕育处理，铁水经球化处理后，再采用铁素体球铁孕育剂进行孕育处理，铁素体球铁孕育剂的化学成分质量分数为0.6~0.8%的Sr，15~18%的Ba，15~18%的Ca，8~10%的Al，35~40%的Si，余量为Fe，且铁素体球铁孕育剂的加入量占铁水总质量的0.6%；

第四步：铁水孕育处理后，温度达到1330℃时，在树脂砂铸型中浇注风电铸件，保温70 h，然后开箱空冷铸件；铸件打磨清理后，加热至260℃，保温55h，炉冷至150℃后，出炉空冷，完成所述的风电设备铸件铸造。

风电铸件的成分见表1，风电铸件70 mm附铸试块的力学性能见表2；

表1 风电铸件化学成分（质量分数，％）

表2 风电铸件70 mm附铸试块的力学性能

本发明风电铸件已成功应用于1.5 MW和2.0 WM风电机组上，在西北寒冷地区使用安全、可靠，无开裂现象出现。本发明风电铸件全部使用国产原材料，且不加价格昂贵的镍元素，生产成本低廉。本发明材料生产工艺简便、成本低廉，且强度高、室温和低温韧性好，推广使用具有显著的经济和社会效益，不仅已成功应用于国产风电机组上，还出口国外，在国外风电机组上也获得了非常良好的使用效果。

Claims

1.一种风电设备铸件，其特征在于：所述的铸件化学成分质量百分数为：3.60～3.80%的C，2.2～2.4%的Si，Mn小于0.25%，0.006～0.015%的K，0.006～0.015%的Na，0.008～0.015%的Bi，0.015～0.028%的Sb，0.002～0.004%的Sr，0.035～0.055%的Ba，0.035～0.055%的Ca，0.030～0.050%的Al，0.032～0.055%的Mg，P小于0.03%，S小于0.01%，余量为Fe。

2.如权利要求1所述的一种风电设备铸件，其特征在于：所述的铸件化学成分中，C和三分之一的Si含量之和：4.35%<C+1/3Si<4.55%；K和Na含量之和：0.020%<K+Na<0.025%。

3.如权利要求1或2所述的风电设备铸件的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步：先将低锰废钢和石墨在电炉内加热熔化，当铁水温度升至1460～1480℃时，加入硅铁脱氧同时合金化，然后加铝终脱氧，当铁水温度达到1500～1520℃，将经350℃焙烧过的KMnO₄和NaOH和碳经热还原反应后的产物及电解铋加入炉内，铁水调整成分合格后出炉；

4.如权利要求3所述的风电设备铸件的制备方法，其特征在于：所述的第二步骤中的钝化颗粒镁的钝化层由以下按质量百分比配比的原料构成，MgO：20~30％，NaF：1.2~1.8％，KCl：40~60％，CaO：15~30％。