CN104694851B - 一种风电偏航齿圈用钢及其制造方法 - Google Patents

一种风电偏航齿圈用钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种风电偏航齿圈用钢及其制备方法，所述风电偏航齿圈用钢的组分包括C：0.37～0.45％、Si：0.17～0.37％、Mn：0.60～0.90％、P：≤0.015％、S：≤0.005％、Cr：0.90％～1.20％、Mo：0.20～0.30％、Ni：0.30～0.80％、Cu：≤0.20％、Alt：0.015～0.040％、Ti：≤0.005％、As：≤0.020％、Sn：≤0.020％、Pb：≤0.0025％、Sb：≤0.025％、Bi：≤0.005％、[O]≤20ppm、[N]≤70ppm、[H]≤1.5ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明制得的圆坯锻造加工成风电偏航齿圈，淬透性能稳定、低温性能良好，超声波探伤检测结果符合标准要求，可满足高纬度极寒地区海上(‑60℃)环境条件下使用要求。

Description

一种风电偏航齿圈用钢及其制造方法
技术领域
本发明属于合金结构钢技术领域，具体涉及一种风电偏航齿圈用钢及其制造方法。
背景技术
近年来，风电发展不断超越其预期发展速度，并且一直保持着新能源发展增长最快的地位。截止2011年末，全球累计风电装机容量达到239GW(十亿瓦特)，同比增幅21.5％，满足世界电力3％的需求。2015年的全球新增风电装机容量将达到60.5GW，相较2010年的35.8GW会有明显增长。风电机组的主要构成部分为，塔筒、机舱底座、塔筒法兰和门框，风力发电机，主轴、轴承、齿轮和叶片等，风力发电机组的偏航、变桨系统，偏航系统的主要作用就是与风力发电机组的控制系统相互配合，跟踪风向的变化，使风力发电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风力发电机组的发电效率。偏航和变桨系统要承受很大的倾覆力矩，且部分裸露在外，易受沙尘、水雾、冰冻等污染侵害。
专利文献CN101250666A公开了一种风电用齿轮钢及其制备方法，该风电齿轮用钢成分为C0.40～0.46％，Mn0.60～1.00％，Si0.15～0.38％，Cr0.90～1.20％，Mo0.15～0.35％，Nb0.01～0.10％，余量为Fe和不可避免的杂质。虽然该钢材可满足-40℃低温环境的工件要求，但针对高纬度极寒地区海上-60℃低温环境使用要求，钢的低温性能不能安全满足使用要求。
发明内容
本发明针对高纬度极寒地区海上-60℃低温环境风电偏航齿圈用钢需满足高承载、高寿命、高可靠性、耐低温冲击(Aku2≥55J，-60℃)等设计需求，结合风电机组的作业环境和使用要求，通过钢的合金化和制造工艺设计，提供了一种风电偏航齿圈用钢及其制造方法。
本发明以CrMo钢为基础，添加Ni合金元素；严格控制钢中P、S、Ti、As、Sn、Pb、Sb、Bi有害元素含量以及钢中气体含量。本发明还提供了所述低温环境风电偏航齿圈用钢的制造方法，生产的合金结构钢纯净度高、具有优异的低温冲击韧性，钢的内部质量满足风电机组高可靠性超声波探伤要求。
本发明提供的风电偏航齿圈用钢，其化学成分质量百分比为：C：0.37～0.45％、Si：0.17～0.37％、Mn：0.60～0.90％、P：≤0.015％、S：≤0.005％、Cr：0.90％～1.20％、Mo：0.20～0.30％、Ni：0.30～0.80％、Cu：≤0.20％、Alt：0.015～0.040％、Ti：≤0.005％、As：≤0.020％、Sn：≤0.020％、Pb：≤0.0025％、Sb：≤0.025％、Bi：≤0.005％、[O]≤20ppm、[N]≤70ppm、[H]≤1.5ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明的技术特点之一在于钢的成分设计。本发明以CrMo钢为基础，添加Ni合金元素，并严格控制钢中P、S、Ti、As、Sn、Pb、Sb、Bi有害元素含量，以及钢中气体含量。
为了提高钢的低温冲击性能，本发明在所述钢材中加入Ni，并将其含量控制在0.30～0.80％。
本发明还控制作为钢中的脱氧剂的铝的含量，从保证钢液脱氧和降低钢的洁净度的角度出发，本发明控制Al含量为：0.015～0.040％，该范围的Al同时也可起到细晶强化的作用。
此外，钢中有害元素P、S、As、Sn、Pb、Sb、Bi会提高钢的脆性转变温度，恶化钢的低温冲击性能，本发明严格控制钢中P：≤0.015％、S：≤0.005％、As：≤0.020％、Sn：≤0.020％、Pb：≤0.0025％、Sb：≤0.025％、Bi：≤0.005％。
本发明中钛是强的固氮元素，Ti含量过高，析出的TiN会对低温性能和抗疲劳性能造成不利影响，因此本发明控制Ti：≤0.005％。
此外，钢中气体含量会对钢的洁净度、氢致裂纹造成不利影响，为保证钢的可靠性和内部质量，本发明控制钢中[O]≤20ppm、[N]≤70ppm、[H]≤1.5ppm。
优选的，所述钢的组成按质量百分数为：
其化学成分质量百分比为：C：0.41～0.43％、Si：0.20～0.30％、Mn：0.82～0.86％、P：≤0.013％、S：≤0.005％、Cr：1.12％～1.20％、Mo：0.23～0.25％、Ni：0.70～0.80％、Cu：≤0.10％、Alt：0.020～0.035％、Ti：≤0.005％、As：≤0.020％、Sn：≤0.020％、Pb：≤0.0025％、Sb：≤0.025％、Bi：≤0.005％、[O]≤18ppm、[N]≤70ppm、[H]≤1.5ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明的技术特点之二在于通过合理的生产工艺，提高钢的纯净度，严格控制钢中氮、氧、氢含量，P、S、Ti及As、Sn、Pb、Sb、Bi有害元素含量，保证材料的高承载、高寿命、高可靠性、耐低温冲击和抗疲劳等性能要求，满足风电偏航齿圈内部无缺陷质量要求。
本发明提供了一种风电偏航齿圈用钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)冶炼，并控制冶炼过程的终点[C]：0.10～0.20％，[P]≤0.008％，[Ti]≤0.002％；
优选的，本步骤采用电炉冶炼，电炉冶炼入炉原料为低钛、低铜、低磷的优质废钢及铁水，铁水比例不小于50％。电炉冶炼采用大渣量深脱碳以加强脱P、脱Ti去除操作，造好泡沫渣，控制终点[C]：0.10～0.20％，[P]≤0.008％，[Ti]≤0.002％，残余元素含量符合设计要求；控制出钢温度在1600～1640℃之间，避免出现高温回磷现象；出钢过程随钢流加钢芯铝1.5～2.5kg/t钢，为控制P、S和Ti的含量，钢包合金化注意使用低磷、低硫、低钛合金。
(2)精炼，并控制全铝含量在0.020-0.035％；精炼后真空处理时控制氢含量不大于1.5ppm，真空度小于67Pa，保持时间大于25分钟；
优选的，本步骤控制炉渣碱度大于3.0，精炼过程保持白渣时间大于22分钟，加强脱硫操作，精炼炉一次样前喂入铝线，全铝含量控制在0.020～0.035％的范围。LF出钢前，按照1.5～3.5m/t钢喂入钙线进行钙变质处理。
精炼后真空处理，用定氢仪进行过程氢的测定，氢含量不大于1.5ppm，真空度小于67Pa，保持时间大于25分钟，VD后软吹氩时间20～30分钟，软吹氩时严禁裸露钢水和大氩气量搅拌降温。
(3)浇注
优选的，采用连铸浇注铸坯，连铸中采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌。控制中间包钢水温度1518～1528℃，根据不同圆坯坯型选择拉速0.15～0.40m/min，以保证铸坯质量，制得φ500～800mm规格圆坯。
本发明以CrMo钢为基础，添加Ni合金元素，并严格控制钢中P、S、Ti、As、Sn、Pb、Sb、Bi有害元素含量，以及钢中气体含量。按照上述方法制得的圆坯锻造加工成风电偏航齿圈，淬透性能稳定、低温性能良好，超声波探伤检测结果符合标准要求。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例：
本实施例采用UHP超高功率电炉、LF炉外精炼、VD真空脱气处理工艺冶炼，连铸浇注圆形铸坯生产钢材，本实施例以Φ500mm规格圆坯的生产工艺来具体说明本发明是如何实施的。
生产工艺如下：
(1)冶炼
采用电炉冶炼，电炉冶炼入炉原料为低钛、低铜、低磷的优质废钢及铁水，铁水比例65～70％。电炉冶炼采用大渣量深脱碳以加强脱P、脱Ti去除操作，造好泡沫渣，控制终点[C]：0.15～0.20％，[P]≤0.008％，[Ti]≤0.002％，残余元素含量符合设计要求；控制出钢温度在1620～1630℃之间，避免出现高温回磷现象；出钢过程随钢流加钢芯铝2.0～2.5kg/t钢，为控制P、S和Ti，钢包合金化注意使用低磷、低硫、低钛合金。
(2)精炼
控制炉渣碱度3.0～3.5，精炼过程保持白渣时间为25分钟，加强脱硫操作，精炼炉一次样前喂入铝线，全铝含量控制在0.020～0.035％的范围。LF出钢前，按照2.5～3m/t钢喂入钙线进行钙变质处理。
精炼后真空处理，用定氢仪进行过程氢的测定，氢含量不大于1.5ppm，真空度小于55Pa，保持时间25～27分钟，VD后软吹氩时间25～30分钟，软吹氩时严禁裸露钢水和大氩气量搅拌降温。
(3)浇注
采用连铸浇注铸坯，连铸中采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌。控制中间包钢水温度1520～1528℃，拉速0.30～0.32m/min，以保证铸坯质量，制得φ500mm规格圆坯。
采用实施例1-3制得的齿圈锻件在最终热处理完成后，按GB/T6402要求超声波探伤检测结果符合标准要求，检测标准要求为：(1)单个缺陷当量＜Ф1.5mm，单个缺陷间距＞100mm，且沿圆周方向每米不得超过4个，(2)不允许存在密集型缺陷和连续型缺陷。
表1以及表1-续表是实施例的化学成分，表2是连铸中间包钢水温度、拉坯速度，表3为实施例低倍组织。表4为实施例非金属夹杂物，表5为制得齿圈的淬透性能、冲击性能。
表1 实施例化学成分(重量，％)
实施例 C Si Mn P S Cr Mo Ni Cu Ti Alt
1 0.43 0.21 0.75 0.010 0.001 1.14 0.24 0.74 0.03 0.004 0.024
2 0.42 0.23 0.75 0.013 0.001 1.15 0.24 0.73 0.03 0.004 0.022
3 0.43 0.22 0.73 0.006 0.001 1.14 0.25 0.75 0.02 0.003 0.027
表1-续表 实施例化学成分(重量，％)
实施例 As Sn Pb Sb Bi O×10-4 H×10-4 N×10-4 Fe
1 0.006 0.002 0.0002 0.0006 0.001 16 1.3 66 余量
2 0.006 0.003 0.0002 0.0004 0.001 15 1.2 68 余量
3 0.008 0.002 0.0002 0.001 0.001 14 1.3 64 余量
表2 连铸中间包钢水温度、拉坯速度
实施例 连铸中间包钢水温度，℃ 连铸拉坯速度，m/min
1 1522 0.30
2 1527 0.31
3 1525 0.32
表3 圆坯低倍检验结果
实施例 中心疏松 缩孔 中心裂纹 中间裂纹 皮下裂纹 皮下气泡
1 1.5/1.0 0.5/0.5 0/0 0/0 0/0 0/0
2 1.0/1.0 0.5/0.5 0/0 0/0 0/0 0/0
3 1.5/1.0 0.5/0.5 0/0 0/0 0/0 0/0
表4 非金属夹杂物检验结果
表5 淬透性能、冲击性能
注：推荐热处理制度：正火温度860～880℃，端淬温度845±5℃

Claims (5)

1.一种风电偏航齿圈用钢，其特征在于，所述风电偏航齿圈用钢按质量百分数包括：
C：0.41～0.43％、Si：0.20～0.30％、Mn：0.82～0.86％、P：≤0.013％、S：≤0.005％、Cr：1.12％～1.20％、Mo：0.23～0.25％、Ni：0.74～0.75％、Cu：≤0.10％、Alt：0.020～0.035％、Ti：≤0.005％、As：≤0.020％、Sn：≤0.020％、Pb：≤0.0025％、Sb：≤0.025％、Bi：≤0.005％、[O]≤18ppm、[N]≤70ppm、[H]≤1.5ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.权利要求1所述的风电偏航齿圈用钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)冶炼，并控制冶炼过程的终点[C]：0.10～0.20％，[P]≤0.008％，[Ti]≤0.002％；
(2)精炼，并控制全铝含量在0.020-0.035％；精炼后真空处理时控制氢含量不大于1.5ppm，真空度小于67Pa，保持时间大于25分钟；
(3)浇注。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1)为采用电炉冶炼，铁水比例不小于50％，电炉冶炼采用大渣量深脱碳以加强脱P、脱Ti去除操作，造好泡沫渣，控制终点[C]：0.10～0.20％，[P]≤0.008％，[Ti]≤0.002％，残余元素含量符合设计要求；控制出钢温度在1600～1640℃之间；出钢过程随钢流加钢芯铝1.5～2.5kg/t钢。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2)包括控制炉渣碱度大于3.0，精炼过程保持白渣时间大于22分钟，精炼炉一次样前喂入铝线，全铝含量控制在0.020～0.035％的范围；LF出钢前，按照1.5～3.5m/t钢喂入钙线进行钙变质处理；
精炼后真空处理时，氢含量不大于1.5ppm，真空度小于67Pa，保持时间大于25分钟，VD后软吹氩时间20～30分钟。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤3)采用连铸浇注铸坯，连铸中采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌，并控制中间包钢水温度1518～1528℃。
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