CN108330383A - 一种大型风电铸件的铸造方法及由其铸造的铸件 - Google Patents

一种大型风电铸件的铸造方法及由其铸造的铸件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大型风电铸件的铸造方法，其包括步骤：(a)将炉料熔炼成铁水；(b)铁水经球化处理和孕育处理后浇注充型、凝固即得铸件；步骤a中，控制铁水中元素C：3.65～3.90wt％，Si:0.8～1.2wt％，Mn:0.05～0.20wt％，P:≤0.035wt％，S:0.006～0.015wt％；步骤b中，球化处理具体为：首先向球化室加入铁水量1.00～1.20wt％的球化剂，然后在球化剂上覆盖铁水量0.4～0.7wt％的覆盖剂，最后将铁水倒入球化室进行球化孕育处理；步骤b中，孕育处理具体分三次进行。本发明所述方法通过使用大量的覆盖剂和多次孕育的方式提高石墨球密度和圆整度。通过所述方法铸造的风电铸件具有较高的强度和冲击吸收功，机械性能优异。

Description

一种大型风电铸件的铸造方法及由其铸造的铸件
技术领域
本发明属于铸造工艺技术领域，特别涉及一种大型风电铸件的铸造方法及由其铸造的铸件。
背景技术
QT400-18AL-1材料是最近一两年在国内风电行业刚刚设立的一个球墨铸铁材料标准牌号，该材质要求铸件具有GB/T 1348-2009中规定QT400-18AL材料同等的拉伸性能，同时要求在-30±2℃下检测冲击功，其检测数值要满足平均冲击功大于10J，单个冲击功大于7J的要求(60mm＜壁厚＜200mm)。根据QT400-18AL材料的脆性转变曲线来看，一般大型铸件试样的脆性转变开始温度都是在-10℃以上，到-60℃左右结束，所以将-20℃冲击试验改为-30℃冲击试验，其数值会下降2-4J，正常生产大型铸件的机械性能虽然可以达到要求，但是难以保证100％合格。
目前生产QT400-18AL-1材料风电铸件的工厂只有少数几家，虽然不同的生产厂家在工艺上控制上有所不同，但是大致上处理方法基本相同，都是注重成分控制及球化剂和孕育剂的搭配。按照传统的球墨铸铁生产方法进行熔炼铁水，然后采用冲入法进行球化孕育处理，孕育一般采用两次孕育，球化处理的时候进行第一次孕育，在浇注的时候进行第二次孕育即随流孕育。在球化剂使用的时候一般都是将球化剂放在球化室中，然后在球化剂上放置一小层废钢片或者75SiFe孕育剂，减缓球化剂反应速度。
针对QT400-18AL-1材料，尽管现有的铸造工艺中采取了一定的措施来延缓球化和孕育的衰退，但是效果并不明显，从而导致铸件的球化率不高，石墨球密度和圆整度不高，铸件性能也不稳定，因此急需开发新的方案，为QT400-18AL-1材料大型铸件的生产提供帮助，也为其它大型和超大型铁素体球墨铸铁铸件的生产提供一种改善性能的手段，为新材料开发提供基础。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大型风电铸件的铸造方法。所述方法优化球化处理工艺和孕育工艺等，通过使用大量的覆盖剂和多次孕育的方式提高石墨球密度和圆整度，从而提高铸件的强度和冲击吸收功，提高大型风电铸件的机械性能。
本发明的大型风电铸件的铸造方法包括步骤：
其包括步骤：
(a)将炉料熔炼成铁水；
(b)铁水经球化处理和孕育处理后浇注充型、凝固即得铸件；
其特征在于，步骤a中，通过光谱分析调整炉料组分，控制铁水中元素C：3.65～3.90wt％，Si:0.8～1.2wt％，Mn:0.05～0.20wt％wt％，P:≤0.035wt％，S:0.006～0.015wt％；
步骤b中，球化处理具体为：首先向球化室加入铁水量1.00～1.20wt％的球化剂，然后在球化剂上覆盖铁水量0.4～0.7wt％的覆盖剂，最后将铁水倒入球化室进行球化；其中覆盖剂成分为：Si:30～50wt％，Ca:0.1～0.6wt％，Ba:1.0～2.5wt％，Al:≤1.0wt％以及余量的铁，粒度为0.5～6.0mm；
步骤b中，孕育处理具体分三次进行：第一次孕育在炉前进行，在球化反应中后期将孕育剂加入铁水中，第二次孕育是在球化扒渣完毕之后加在铁水表面，第三次孕育是在浇注时，通过随流的方式进行瞬时孕育。
通过本发明所述方法，可制得符合QT400-18AL-1材料性能要求的铸件。而为满足该标准的性能需求，步骤(a)对炉料的化学成分进行控制。
其中，Si元素作为一种铁素体固溶元素，过高会影响伸长率和冲击，过低则不能满足强度要求，综合考虑Si控制在0.8～1.2wt％；
Mn元素在大型铸件中容易在晶界偏析产生夹杂物和珠光体，但是MnS也是形成石墨核心的元素之一，故Mn量要适中，控制在0.05％～0.20％；
P随金属炉料进入球墨铸铁，它不影响球化，但P是有害元素，它溶解在铁液中，很容易偏析产生磷共晶，影响材料的低温冲击性能，但受原材料的制约，P含量控制在＜0.035％；
S在球墨铸铁中既是石墨核心组成元素也是反球化元素,因此要尽可能控制在一个合理范围内，为保证良好的球化率及较多的石墨球数，将S控制在0.006％～0.015％。
为实现对元素的控制，较佳的，所述炉料的组分为：球生铁45～70wt％、回炉料20～45wt％、废钢5～30wt％。
进一步的，所述的球生铁为球墨铸铁专用Q10生铁，其中C:≥4.0wt％，Si:0.7～1.0wt％，Mn:≤0.15wt％，P:≤0.035wt％，S:≤0.020wt％，反球化有害合金元素总和≤0.1wt％；所述的废钢为薄片类碳素废钢，其中C:≤0.15wt％，Mn:≤0.40wt％，P:≤0.03wt％，S:≤0.03wt％。
选择合适的球化剂和孕育剂成分、优化球化处理工艺和孕育工艺等，不仅能满足大型风电铸件的性能需求，还能保证铸件生产的稳定性、产品性能的一致性。制定出适用于风电铸件新材料的球化剂、孕育剂的成分及处理工艺，得到金相组织良好，无碎块状石墨及钉状石墨等其他的异形石墨出现，石墨球圆整，石墨球数多，综合力学性能良好的铸件。
较佳的，步骤b中，所述球化剂成分为：Mg：5.5～6.5wt％，RE:0.15～1.5wt％，Si:45～50wt％，Ba:≤3.0wt％，Ca:0.8～2.5wt％，Al:≤1.0wt％，MgO:≤1.0wt％以及余量的铁。
关于球化处理，本发明所述方法采用大量的覆盖来覆盖球化剂，所述覆盖剂的Si含量与球化剂相近，密度、熔点也相近，由于颗粒度较小、加入量较多可以有效填充和覆盖在球化剂上，延长球化反应时间，获得较好的球化效果。而且所述覆盖剂中含有大量的Si和一些的微量元素，具有一定的孕育效果，可以起到促进石墨形核，增加石墨球密度，从而提高铸件性能。
较佳的，步骤b中，
第一次孕育加入0.3～0.6wt％孕育剂，第一次加入的孕育剂成分为：Si:70～80wt％，Ca:≤1.0～2.0wt％，Ba:2.0～3.0wt％，Al:≤1.5wt％，Fe:余量；
第二次孕育加入0.1～0.3wt％孕育剂，第二次加入的孕育剂成分为：Si:70～80wt％，Ca:≤1.0～2.0wt％，Ba:2.0～3.0wt％，Al:≤1.5wt％，Fe:余量；
第三次孕育加入0.1～0.2wt％孕育剂，第三次加入的孕育剂成分为：Si:65～75wt％，Ca:≤0.5～2.0wt％，Al:≤1.5wt％，RE:0.2～1.2wt％，Bi:0.5～2.5wt％，Fe:余量。
关于孕育处理，本发明所述方法采用多次孕育的方式来对铁水进行变质处理，不仅可以强化铁水孕育效果，还可以在运输的过程中在铁水表面形成富硅层从而减少铁水氧化，同时也可以延缓球化和孕育的衰退，可以获得更多的石墨球和提高球化率。
本发明的目的还在于提供通过所述方法铸造的铸件。通过所述方法铸造的铸件具有GB/T 1348-2009中规定QT400-18AL材料同等的拉伸性能，同时获得在-30±2℃下检测冲击功数值满足平均冲击功大于10J，单个冲击功大于7J的要求(60mm＜壁厚＜200mm)。
本发明一些较佳实施例铸造的铸件组成为：Si:1.90～2.20wt％，Mn:0.05～0.25wt％，P:≤0.035wt％，S:≤0.012wt％，Mg:0.030～0.050wt％，其余为Fe、C和不可避免的杂质；其中碳当量:4.3～4.6wt％。
本发明的有益效果：
1、本发明所述方法采用大量的覆盖来覆盖球化剂，可以有效地覆盖包裹球化剂，延长球化反应时间，获得较好的球化效果。而且此覆盖剂中含有大量的Si和一些的微量元素，具有一定的孕育效果，可以起到促进石墨形核，增加石墨球密度，从而提高铸件性能。
2、本发明所述方法采用多次孕育的方式来对铁水进行变质处理，不仅可以强化铁水孕育效果，还可以在运输的过程中在铁水表面形成富硅层从而减少铁水氧化，同时也可以延缓球化和孕育的衰退，可以获得更多的石墨球和提高球化率。
3、本发明优化球化处理工艺和孕育工艺等，通过使用大量的覆盖剂和多次孕育的方式提高石墨球密度和圆整度，从而提高铸件的强度和冲击吸收功，提高大型风电铸件的机械性能。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。
实施例1金风2.5MW定子主轴的铸造
铸造步骤：
(a)炉料的熔炼
炉料：球生铁45～70wt％、回炉料20～45wt％、废钢5～30wt％。
球生铁为Q10生铁，其中C:4.0～4.5wt％，Si:0.7～1.0wt％，Mn:≤0.15wt％，P:≤0.040wt％，S:≤0.030wt％，Cr≤0.030wt％，Ti≤0.040wt％反球化有害合金元素总和≤0.1wt％。废钢为薄片类碳素废钢，其中C:≤0.15wt％，Mn:≤0.40wt％，P:≤0.03wt％，S:≤0.03wt％，Cr≤0.08wt％。
熔炼铁水温度：1500℃。
熔炼过程通过光谱分析调整炉料组分，控制铁水中元素C：3.65～3.90wt％，Si:0.8～1.2wt％，Mn:0.05～0.20wt％wt％，P:≤0.035wt％，S:0.006～0.015wt％。
(b)球化、孕育及充型
熔炼得到的铁水经球化处理和孕育处理后浇注充型、凝固即得铸件。
其中，球化处理具体为：首先向球化室加入铁水量1.1wt％的球化剂，然后在球化剂上覆盖铁水量0.5wt％的覆盖剂，最后将铁水倒入球化室进行球化。其中球化剂成分为：Mg：5.5～6.5wt％，RE:0.15～1.5wt％，Si:45～50wt％，Ba:≤3.0wt％，Ca:0.8～2.5wt％，Al:≤1.0wt％，MgO:≤1.0wt％以及余量的铁。覆盖剂成分为：Si:30～50wt％，Ca:≤0.1～0.6wt％，Ba:1.0～2.5wt％，Al:≤1.0wt％以及余量的铁，粒度0.5～6.0mm。
孕育处理具体分三次进行：第一次孕育在炉前进行，在球化反应中后期将孕育剂加入铁水中，第二次孕育是在球化扒渣完毕之后加在铁水表面，第三次孕育是在浇注时，通过随流的方式进行瞬时孕育。第一次孕育加入0.3～0.6wt％孕育剂(Si:70～80wt％，Ca:≤1.0～2.0wt％，Ba:2.0～3.0wt％，Al:≤1.5wt％，Fe:余量，粒度：3～8mm)；第二次孕育加入0.1～0.3wt％孕育剂(Si:70～80wt％，Ca:≤1.0～2.0wt％，Ba:2.0～3.0wt％，Al:≤1.5wt％，Fe:余量，粒度：3～8mm)；第三次孕育加入0.1～0.2wt％孕育剂(Si:65～75wt％，Ca:≤0.5～2.0wt％，Al:≤1.5wt％，RE:0.2～1.2wt％，Bi:0.5～2.5wt％，Fe:余量，粒度0.2～0.7mm)。
实施例2
与实施例1的不同在于：
覆盖剂的用量为铁水量0.4wt％。
其余同实施例1。
实施例3
与实施例1的不同在于：
覆盖剂的用量为铁水量0.7wt％。
其余同实施例1。
对比例1
与实施例1的不同在于：使用市售的FeSi75Al1.5孕育剂代替覆盖剂。其余同实施例1
对比例2
与实施例1的不同在于：使用市售的FeSi75Al1.5孕育剂代替覆盖剂，没有进行第二次孕育。
其余同实施例1
实施例1～3和对比例1和2制备得到的铸件的元素分析结果如表1所示。
表1实施1～3铸件的化学成分
注：表1中均为质量百分数，余量的Fe、C和不可避免的杂质未录入。
表2实施1～3铸件的力学性能和金相组织
对比以上试验数据，可以看出几种方案生产铸件的成分变化较小，其中实施例1～3的Si含量有小范围波动，没有使用覆盖剂的对比例1和2的Mg含量比实施例的平均值低约0.003％，显示出采用大量覆盖剂可以有效地提高球化剂中Mg的吸收率；从金相组织上来看，实施例1～3的石墨球密度和球化率都明显高于对比例，主要是因为覆盖剂和第二次孕育起到了提高了球化效率、延长孕育效果的作用。从铸件性能上也明显可以看出实施例的拉伸性能和冲击性能都明显高于对比例的铸件，这是因为在成分相同的情况下，石墨球密度越大代表着晶粒约是细小，铸件的综合性能越高，而球化率高的铸件代表着在受到相同载荷的时候裂纹原就越少。基于以上情况，本发明采用覆盖剂和多次孕育的方法进行处理铁水可以较高的强度和冲击吸收功，机械性能优异的铸件。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (7)

1.一种大型风电铸件的铸造方法，其包括步骤：
(a)将炉料熔炼成铁水；
(b)铁水经球化处理和孕育处理后浇注充型、凝固即得铸件；
其特征在于，步骤a中，通过光谱分析调整炉料组分，控制铁水中元素C：3.65～3.90wt％，Si:0.8～1.2wt％，Mn:0.05～0.20wt％，P:≤0.035wt％，S:0.006～0.015wt％；
步骤b中，球化处理具体为：首先向球化室加入铁水量1.00～1.20wt％的球化剂，然后在球化剂上覆盖铁水量0.4～0.7wt％的覆盖剂，最后将铁水倒入球化室进行球化；其中覆盖剂成分为：Si:30～50wt％，Ca:0.1～0.6wt％，Ba:1.0～2.5wt％，Al:≤1.0wt％以及余量的铁；
步骤b中，孕育处理具体分三次进行：第一次孕育在炉前进行，在球化反应中后期将孕育剂加入铁水中，第二次孕育是在球化扒渣完毕之后加在铁水表面，第三次孕育是在浇注时，通过随流的方式进行瞬时孕育。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a中，所述炉料的组分为：球生铁45～70wt％、回炉料20～45wt％、废钢5～30wt％。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的球生铁为球墨铸铁专用Q10生铁，其中C:≥4.0wt％，Si:0.7～1.0wt％，Mn:≤0.15wt％，P:≤0.035wt％，S:≤0.020wt％，反球化有害合金元素总和≤0.1wt％；所述的废钢为薄片类碳素废钢，其中C:≤0.15wt％，Mn:≤0.40wt％，P:≤0.03wt％，S:≤0.03wt％。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b中，所述球化剂成分为：Mg：5.5～6.5wt％，RE:0.15～1.5wt％，Si:45～50wt％，Ba:≤3.0wt％，Ca:0.8～2.5wt％，Al:≤1.0wt％，MgO:≤1.0wt％以及余量的铁。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b中，
第一次孕育加入0.3～0.6wt％孕育剂，第一次加入的孕育剂成分为：Si:70～80wt％，Ca:≤1.0～2.0wt％，Ba:2.0～3.0wt％，Al:≤1.5wt％，Fe:余量；
第二次孕育加入0.1～0.3wt％孕育剂，第二次加入的孕育剂成分为：Si:70～80wt％，Ca:≤1.0～2.0wt％，Ba:2.0～3.0wt％，Al:≤1.5wt％，Fe:余量；
第三次孕育加入0.1～0.2wt％孕育剂，第三次加入的孕育剂成分为：Si:65～75wt％，Ca:≤0.5～2.0wt％，Al:≤1.5wt％，RE:0.2～1.2wt％，Bi:0.5～2.5wt％，Fe:余量。
6.根据权利要求1～5任一项所述的方法铸造的铸件。
7.如权利要求6所述的铸件，其特征在于，其组成为：Si:1.90～2.20wt％，Mn:0.05～0.25wt％，P:≤0.035wt％，S:≤0.012wt％，Mg:0.030～0.050wt％，其余为Fe、C和不可避免的杂质；其中碳当量:4.30～4.60wt％。
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