CN105695876B - 一种风电主轴用钢的冶炼工艺及风电主轴用钢 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风电主轴用钢的冶炼工艺，包括电弧炉溶解去杂工序、钢包精炼炉精炼工序、真空炉去杂工序和浇铸退火缓冷工序。风电主轴用钢的冶炼工艺步骤简单，钢组织更均匀、细小和致密，钢综合性能优良。本发明还公开了一种用上述冶炼工艺制得的风电主轴用钢，该风电主轴用钢元素组成波动范围窄，有利于简化钢锭的后续处理、且钢力学性能更稳定。
Description
技术领域
本发明金属冶炼技术领域，具体涉及一种风电主轴用钢的冶炼工艺及风电主轴用钢。
背景技术
截止到2012年年底，我国风电累计装机容量达到7532万kw，保持总装机容量全球第一。风电机组运行在自然环境中，一年四季经历温度、风力等各种极端气候的考验，受力情况非常复杂。由于风电机组的大型化，零部件的结构越来越大，风电机组中主要部件的设计和制造问题将更加突出。主轴是风力发电机组中重要的零部件，体积大，质量大。从国内外的风电机组的运行实际情况来看，主轴断裂是主轴失效的主要形式，为了提高主轴的安全性和可靠性，必须保证主轴具有可靠的强度、刚度和足够的疲劳寿命。提高创新能力和制造技术水平是对整个行业提出具体要求，也是风电机组安全可靠运行的保证。在风力发电机组中，主轴承担了叶轮传递过来的各种载荷，并将扭矩传递给增速齿轮箱，将轴向推力、气动弯矩传递给机舱和塔架。风电机组的主轴材料应具有良好的综合机械性能（良好的淬透性，强度，耐磨性，韧性），以适应高应力和抗冲击载荷的作用。一般环境温度下采用合金钢42CrMo4，需要锻造并调质处理。
现有技术中大型钢锭的内部缺陷主要有偏析、夹杂物、气体、缩孔和疏松等。缺陷的形成与冶炼、浇铸和结晶过程密切相关，这些缺陷往往是造成大型锻件报废的主要原因。由于现有技术中风电主轴用钢材料工艺过程元素含量控制不够精确，导致化学成分波动范围宽，钢力学性能欠稳定。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种内部缺陷少、钢力学性能稳定的风电主轴用钢的冶炼工艺。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种风电主轴用钢的冶炼工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将洁净废钢置于电弧炉内加热至钢水温度1580℃以上，吹氧造渣脱磷脱碳，搅动熔池去气去夹杂，然后依次加入脱氧剂去氧、铁合金和增碳剂，将温度控制在1650～1670℃出钢；
S2：将S1钢水倒入钢包精炼炉内，造渣并加入SiFe粉末保持白渣，加入合金微调钢水中的元素含量，调整钢水中铝重量百分比为0.035～0.045%；
S3：将S2所得温度为1650～1690℃的钢水转入钢包精炼炉中，66.7Pa的真空度下保持Ar压力0.2～0.4MPa，保持至少15min，并在氩气压力为 0.05pa下吹氩至少 10min；
S4：用钢包进行吊包浇铸，控制钢水浇铸温度为1550～1565℃，并对钢锭实退火缓冷处理，得风电主轴用钢钢锭。
优选的技术方案为，S4中退火缓冷处理的退火温度为770～790℃，退火保温时间为44～50h，钢锭缓冷至200℃以下出炉。采用上述退火缓冷工艺有助于消除钢锭的热应力和组织应力，还可以使钢锭中以分子形式存在的氢脱溶和脱除，减少钢锭内的氢脆白点，有助于优化钢锭的机械性能，而且得到的钢锭裂纹敏感性明显降低。
优选的技术方案为，钢锭浇铸钢水进入帽口时向帽口处加入发热剂，发热剂的加入量与钢锭的重量比为1.3～1.7。通过调节发热剂的加入量，控制钢锭界面温度的下降速度，延长钢水凝固之间，有助于使钢锭获得较优的弹性模量，并且能减少帽口处钢材质内部的缩孔现象。
优选的技术方案为，S1出钢钢水的组成中，按重量百分比计，碳不大于0.28%、硅不大于0.15%、锰不大于0.5%、磷不大于0.01%、铬不大于1.4%、镍不大于1.4%、铜不大于0.15%、钼不大于0.15%。将S1出钢钢水的元素组成控制在上述范围内，有助于使元素组成波动范围更窄，残余元素和有害元素的含量少，进一步优化钢的力学性能
优选的技术方案为，S2中造渣所用造渣剂为碳化硅。
为了减少浇铸过程中钢流与大气的接触，防止易氧化元素被氧化，保证钢中尽可能少的夹杂，优选的技术方案为，浇铸工序采用钢包钢流氩气保护装置。
优选的技术方案为，浇铸速度为1.25～1.47t/min。浇铸速度的控制有助于得到合适的钢水冷却速度，使钢组织更均匀、细小和致密，钢综合性能优良。
本发明还在于提供一种风电主轴用钢，其特征在于，按重量百分比计，其组成包含：0.3～0.4%的碳、0.2～0.38%的硅、0.5～0.7%的锰、0.02%以下的磷、0.015%以下的硫、1.4～1.7%的铬、1.4～1.7%的镍、0.2%以下的铜、0.15～0.3%的钼、0.05%以下的铌，余量为铁和不可避免的杂质。
通过调整刚组成中碳、硅、锰、磷、硫、铬、镍、钼等元素的重量百分比，铬、钼有助于控制奥氏体晶粒的尺寸，碳、硅、锰、铬、镍、钼都有助于增加钢的淬透性，锰能改善冲击韧性，表现在稍微降低其脆性转化温，含量增加时，脆性转化温度降低加入少量的，可以减弱高温回火脆性倾向，硅元素虽然对钢的淬透性增加作用明显，但是其不利于回火索氏体的冲击韧性优化；铌可以细化晶粒。上述组成的钢兼具优良的淬透性和冲击韧性，高温回火脆性倾向不明显，符合风电主轴用钢的综合机械性能要求。
优选的技术方案为，按重量百分比计，不可避免的杂质中氢的含量不大于2ppm，氧的含量不大于50ppm，氮的含量不大于70ppm。
进一步优选的技术方案为，按重量百分比计，其组成包含：0.32～0.36%的碳、0.22～0.35%的硅、0.52～0.68%的锰、0.015%以下的磷、0.01%以下的硫、1.42～1.65%的铬、1.42～1.65%的镍、0.15%以下的铜、0.16～0.25%的钼、0.01～0.03%的铝、0.001～0.05%的铌，余量为铁和不可避免的杂质。
本发明的优点和有益效果在于：
风电主轴用钢的冶炼工艺步骤简单，钢组织更均匀、细小和致密，钢综合性能优良；
钢材料在各步骤中设备中的温度不一，S1中的钢液温度达到1580℃后方能开始吹氧操作，否则氧化去除磷和其他杂质效果较差；S2中通过再造新渣，使钢液中的氧和硫元素尽可能的降低，有利于合金微调时所有的元素都能稳定的进入到内控规格；S3中出钢钢水温度有助于补偿真空脱气处理的温度损失；真空吹氩可使钢包内的钢-渣进一步乳化，钢中夹杂得以吸附，能进一步降低钢液中的硫和夹杂，同时能降低氢和氮含量；
钢液中由于含有较高的铬、镍、钼元素，容易形成各类夹杂，真空吹氩后的低压吹氩能进一步减少钢中各类夹杂物；
夹杂量多容易在浇铸过程中结晶凝固选分结晶倾向严重，严格控制浇铸温度可以明显改善上述结晶倾向；
采用上述冶炼工艺所得钢锭氢含量值为1.1-1.5ppm，平均值为1.3ppm，氮含量平均在46.2ppm，有害元素硫含量平均含量为0.002%；
本发明风电主轴用钢元素组成波动范围窄，有利于简化钢锭的后续处理、且钢力学性能更稳定；
残余元素铜、铌，有害元素磷、硫和气体元素氢、氧、氮含量少，钢组成更洁净，内部缺陷少；另外，采用不同重量百分比的碳、硅、锰、磷、硫、铬、镍、钼与铁元素混合，钢兼具优良的淬透性和冲击韧性，高温回火脆性倾向不明显，符合风电主轴用钢的综合机械性能要求。
具体实施方式
下面结合实施例，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。
实施例1
实施例1风电主轴用钢的冶炼工艺，包括如下步骤：
S1：将洁净废钢置于电弧炉内加热至钢水温度1580℃，吹氧造渣脱磷脱碳，搅动熔池去气去夹杂，然后依次加入脱氧剂去氧、铁合金和增碳剂，将温度控制在1650℃出钢；
S2：将S1钢水倒入钢包精炼炉内，造渣并加入SiFe粉末保持白渣，加入合金微调钢水中的元素含量，调整钢水中铝重量百分比为0.035%；
S3：将S2所得温度为1650℃的钢水转入钢包精炼炉中，66.7Pa的真空度下保持Ar压力0.2Mpa保持15min，并在氩气压力为 0.05pa下吹氩10min；
S4：用钢包进行吊包浇铸，控制钢水浇铸温度为1550℃，并对钢锭实退火缓冷处理，得风电主轴用钢钢锭。
S4中退火缓冷处理的退火温度为770℃，退火保温时间为44h，钢锭缓冷至200℃出炉。
钢锭浇铸钢水进入帽口时向帽口处加入发热剂，发热剂的加入量与钢锭的重量比为1.3kg/t。
S1出钢钢水的组成中，按重量百分比计，碳0.28%、硅0.15%、锰不大于0.5%、磷0.01%、铬1.4%、镍1.4%、铜0.15%、钼0.15%。
S2中造渣所用造渣剂为碳化硅。
浇铸工序采用钢包钢流氩气保护装置。
浇铸速度为1.25t/min。
经检测，实施例1的冶炼工艺所得风电主轴用钢按重量百分比计，其组成包含：0.3%的碳、0.38%的硅、0.5%的锰、0.02%的磷、0.015%的硫、1.7%的铬、1.4%的镍、0.2%的铜、0.3%的钼、0.05%的铌，余量为铁和不可避免的杂质。
按重量百分比计，不可避免的杂质中氢的含量2ppm，氧的含量50ppm，氮的含量70ppm。
实施例2
实施例2基于实施例1，区别在于：
S1：将洁净废钢置于电弧炉内加热至钢水温度1590℃以上，吹氧造渣脱磷脱碳，搅动熔池去气去夹杂，然后依次加入脱氧剂去氧、铁合金和增碳剂，将温度控制在1670℃出钢；
S2：将S1钢水倒入钢包精炼炉内，造渣并加入SiFe粉末保持白渣，加入合金微调钢水中的元素含量，调整钢水中铝重量百分比为0.045%；
S3：将S2所得温度为1690℃的钢水转入钢包精炼炉中，66.7Pa的真空度下保持Ar压力0.4MPa，保持20min，并在氩气压力为 0.05pa下吹氩15min；
S4：用钢包进行吊包浇铸，控制钢水浇铸温度为1565℃，并对钢锭实退火缓冷处理，得风电主轴用钢钢锭。
S4中退火缓冷处理的退火温度为790℃，退火保温时间为50h，钢锭缓冷至190℃出炉。
钢锭浇铸钢水进入帽口时向帽口处加入发热剂，发热剂的加入量与钢锭的重量比为1.7 kg/t。
S1出钢钢水的组成中，按重量百分比计，碳0.25%、硅0.135%、锰不大于0.47%、磷不大于0.008%、铬不大于1.32%、镍不大于1.36%、铜不大于0.13%、钼不大于0.14%。
浇铸速度为1.47t/min。
经检测，实施例2的冶炼工艺所得风电主轴用钢按重量百分比计，其组成包含0.4%的碳、0.2%的硅、0.7%的锰、0.018%的磷、0.014%的硫、1.4%的铬、1.7%的镍、0.17%的铜、0.15%的钼、0.044%的铌，余量为铁和不可避免的杂质。
按重量百分比计，不可避免的杂质中氢的含量1.75ppm，氧的含量46ppm，氮的含量63ppm。
实施例3
实施例3基于实施例1，区别在于：
S1：将洁净废钢置于电弧炉内加热至钢水温度1585℃，吹氧造渣脱磷脱碳，搅动熔池去气去夹杂，然后依次加入脱氧剂去氧、铁合金和增碳剂，将温度控制在1660℃出钢；
S2：将S1钢水倒入钢包精炼炉内，造渣并加入SiFe粉末保持白渣，加入合金微调钢水中的元素含量，调整钢水中铝重量百分比为0.035～0.045%；
S3：将S2所得温度为1670℃的钢水转入钢包精炼炉中，66.7Pa的真空度下保持Ar压力0.3MPa，保持25min，并在氩气压力为 0.05pa下吹氩20min；
S4：用钢包进行吊包浇铸，控制钢水浇铸温度为1557℃，并对钢锭实退火缓冷处理，得风电主轴用钢钢锭。
S4中退火缓冷处理的退火温度为780℃，退火保温时间为48h，钢锭缓冷至170℃出炉。
钢锭浇铸钢水进入帽口时向帽口处加入发热剂，发热剂的加入量与钢锭的重量比为1.5 kg/t。
S1出钢钢水的组成中，按重量百分比计，碳0.21%、硅0.125%、锰不大于0.49%、磷不大于0.009%、铬不大于1.38%、镍不大于1.35%、铜不大于0.139%、钼不大于0.143%。
浇铸速度为1.35t/min。
经检测，实施例3的冶炼工艺所得风电主轴用钢按重量百分比计，其组成包含：0.34%的碳、0.28%的硅、0.6%的锰、0.0135%的磷、0.007%的硫、1.53%的铬、1.53%的镍、0.147%的铜、0.2%的钼、0.02%的铝、0.001%的铌，余量为铁和不可避免的杂质。
按重量百分比计，不可避免的杂质中氢的含量1ppm，氧的含量35ppm，氮的含量60ppm。
对比例：
对比例1中S1的出钢加料顺序为，先加入脱氧剂去氧，然后依次加入增碳剂和铁合金，加料量与实施例1相同；
对比例2中S1工艺为：将洁净废钢置于电弧炉内加热至钢水温度1570℃，吹氧造渣脱磷脱碳。
对比例3中S3省去低压吹氩处理，其他步骤工艺与实施例1相同。
经元素含量检测和显微组织观察，实施例1、2和3所得试样钢组织均匀、细小和致密，钢综合性能优良；
对比例1所得的试样在生产过程中需要加入的增碳剂量大于实施例1-3，原因在于，钢水在加入增碳剂和铁合金均需要进行搅拌，搅拌时期过长，钢液中碳损耗速度明显大于合金损耗速度，因此不利于保证较低的生产成本；
实施例2脱磷效果良好，但是脱碳效果较差，原因在于脱磷为放热反应，低温更有利于磷的脱除，但是温度较低的情况下钢液中的碳不能被有效的氧化，因此脱碳效果较差。
经组成含量对比，对比例3所得试样的元素含量中，氧、硫、氮元素的含量高楚实施例1-3中含量最高值2～7%，显微组织观察结果显示，对比例3所得钢锭中夹杂物量多与实施例1-3试样。
钢锭采用保护渣浇铸的方式，模内所加的保护渣可有效避免钢液直接裸露在空气中，同时，随着钢液面的上升，还起着润滑钢液与模壁的作用，吸附钢液中的夹杂。
退火缓冷的降温速度为11.4～13.4℃/h，优选为12.4℃/h。
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 (7)
1.一种风电主轴用钢的冶炼工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将洁净废钢置于电弧炉内加热至钢水温度1580℃以上，吹氧造渣脱磷脱碳，搅动熔池去气去夹杂，然后依次加入脱氧剂去氧、铁合金调节元素含量和增碳剂，将温度控制在1650～1670℃出钢；
S2：将S1钢水倒入钢包精炼炉内，造渣并加入SiFe粉末保持白渣，加入合金微调钢水中的元素含量，调整钢水中铝重量百分比为0.035～0.045%；
S3：将S2所得温度为1650～1690℃的钢水转入钢包精炼炉中，66.7Pa的真空度下保持Ar压力0.2～0.4MPa，保持至少15min，并在氩气压力为 0.05pa下吹氩至少 10min；
S4：用钢包进行吊包浇铸，控制钢水浇铸温度为1550～1565℃，并对钢锭实退火缓冷处理，得风电主轴用钢钢锭；
风电主轴用钢的组成包含：0.3～0.4%的碳、0.2～0.38%的硅、0.5～0.7%的锰、0.02%以下的磷、0.015%以下的硫、1.4～1.7%的铬、1.4～1.7%的镍、0.2%以下的铜、0.15～0.3%的钼、0.05%以下的铌，余量为铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的风电主轴用钢的冶炼工艺，其特征在于，S4中退火缓冷处理的退火温度为770～790℃，退火保温时间为44～50h，钢锭缓冷至200℃以下出炉。
3.根据权利要求1所述的风电主轴用钢的冶炼工艺，其特征在于，钢锭浇铸钢水进入帽口时向帽口处加入发热剂，发热剂的加入量与钢锭的重量比为1.3～1.7。
4.根据权利要求1所述的风电主轴用钢的冶炼工艺，其特征在于，S1出钢钢水的组成中，按重量百分比计，碳不大于0.28%、硅不大于0.15%、锰不大于0.5%、磷不大于0.01%、铬不大于1.4%、镍不大于1.4%、铜不大于0.15%、钼不大于0.15%。
5.根据权利要求1所述的风电主轴用钢的冶炼工艺，其特征在于，S2中造渣所用造渣剂为碳化硅。
6.根据权利要求1所述的风电主轴用钢的冶炼工艺，其特征在于，浇铸工序采用钢包钢流氩气保护装置。
7.根据权利要求1所述的风电主轴用钢的冶炼工艺，其特征在于，浇铸速度为1.25～1.47t/min。
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