CN104694851B - 一种风电偏航齿圈用钢及其制造方法 - Google Patents
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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
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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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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