CN112853025A - 一种风电用球墨铸铁件的铸造工艺 - Google Patents

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CN112853025A CN202011632028.9A CN202011632028A CN112853025A CN 112853025 A CN112853025 A CN 112853025A CN 202011632028 A CN202011632028 A CN 202011632028A CN 112853025 A CN112853025 A CN 112853025A
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占进
王美喜
季虎
张守全
陈玉芳
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Abstract

本发明涉及一种风电用球墨铸铁件的铸造工艺，步骤包括(1)配料；(2)熔化铁水：铁水成分C：3.75‑3.85wt％；Si：0.9‑1.0wt％；Mn≤0.15wt％；P≤0.035wt％；S≤0.012wt％余量为Fe；(3)预处理：将铁水倒至铁水包内，至出铁水1/4时加入预处理剂，预处理剂成分：Si 60‑67wt％、Ba 7‑1wt％、Ca 0.4‑2.0wt％、Al0.5‑1.7wt％以及余量的铁；(4)球化孕育处理：在浇包底部放置球化剂、覆盖剂及合金Sb，将铁水倒入浇包，在出铁水接近2/3时加入一次孕育剂，铁水和一次孕育反应发生球化；(5)浇注：铁水球化后在铁水表面撒上铁水除渣剂，进行扒渣处理，将浇包中铁水浇入铸型中，浇注过程中加入随流孕育剂；(6)清理铸件。通过增加预处理使球化处理后铁液石墨球数量增加，石墨球直径小、形状圆整、分散均匀，以期提高铸件的低温韧性。

Description

一种风电用球墨铸铁件的铸造工艺
技术领域
本发明属于铸造工艺技术领域，尤其涉及一种球墨铸件的铸造工艺。
背景技术
随着化石能源的不断消耗并导致环境恶化，世界各国都认识到了发展可再生能源的重要性，风能是一种可再生无污染的清洁能源，受到各国的重视，风能的大力开发是解决生产以及生活能源的可靠途径，因此世界风电产业得到迅速发展，近几年更是以较高的增速位居各类新能源之首。
由于风力发电机组多建于海边和沙漠等多风地带，这些地方气候条件十分恶劣，机组通常要在-20℃甚至-40℃的环境下服役，这就要求铸件在低温条件下仍能保持一定的力学性能，特别是低温冲击韧性。和普通球铁件的生产相比，这种耐低温的球铁件对铁水球化的过程控制提出了新的要求。
随着风电行业的快速发展，风电设备逐渐建设到环境恶劣的的地区，风电设备的服役环境也更加恶劣。对球墨铸铁低温冲击铸件性能指标要求越来越高，QT400-18AL(-20℃)低温球墨铸铁材料已被各国列入国家标准。QT400-18AL(-40℃)低温球墨铸铁材料在近几年内也越来越多被引用到产品的力学要求内，国内也有部分铸造厂家能够生产此材料要求的铸件，但国内外的标准中还没有针对该材料的明确的低温韧性要求。申请人预测随着产品的发展，QT400-18AL(-40℃)低温球墨铸铁材料的研究和应用也逐渐会成为铸造行业技术攻关主要课题之一。
发明内容
本发明的目的是要提供一种球墨铸件的铸造工艺，通过对铁水的球化过程进行干预，提高铸件中石墨球的个数、减小石墨球的级别大小、改善石墨球的圆整度，由此显著改善铸件的低温韧性。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种球墨铸件的铸造工艺，其特征在于：步骤包括
(1)配料：配料比例：生铁40-60％，回炉料10-20％，废钢10-30％，其中回炉料指铁素体球墨铸铁回炉料；
(2)熔化铁水及成分调整：将生铁、废钢和回炉料一起熔化为铁水，然后进行铁水成分调整，包括脱硫和对铁水的C量和Si量的调整，调整成分后，铁水C：3.75-3.85wt％；Si：0.9-1.0wt％；Mn≤0.15wt％；P≤0.035wt％；S≤0.012wt％余量为Fe；
(3)预处理：将调整成分后的铁水倒至铁水包内，至出铁水1/4时加入预处理剂进行预处理，预处理剂的元素成分：Si 60-67wt％、Ba 7-10wt％、Ca 0.4-2.0wt％、Al0.5-1.7wt％以及余量的铁，粒度2-6mm；
(4)球化孕育处理：预先在浇包底部放置球化剂、覆盖剂及合金Sb，然后将铁水包中的铁水倒入浇包，同时在出铁水接近2/3时加入一次孕育剂，铁水和一次孕育反应发生球化；所述球化剂选用稀土硅镁球化剂，主要成分：Mg 5.0-7.0wt％、RE 0.10-0.50wt％、Si40-50wt％以及余量的铁，其中稀土RE主要为Ce和La；所述覆盖剂选用低硅孕育剂，主要成分：Si 40-60wt％、Ba 1.5-2.5wt％、Ca0.2-1.0wt％以及余量的铁；所述一次孕育剂选用硅钙钡孕育剂，主要成分：Si 72-78wt％、Ba 2.0-3.0wt％、Ca1.0-2.0wt％以及余量的铁；
(5)浇注：铁水球化后在铁水表面撒上铁水除渣剂，进行扒渣处理，除渣剂成分为珍珠岩，随后将浇包中铁水浇入铸型中，浇注温度为1330-1350℃，浇注过程中加入随流孕育剂，随流孕育剂选用硫氧孕育剂，主要成分：Si 65-80wt％、Ca0.5-1.5wt％以及余量的铁；
(6)清理铸件：浇注结束后，在砂型中缓慢冷却至400℃以下，从铸型中清出铸件。
优选地，步骤(1)中，生铁使用球铁用铸造生铁Q10，成分：C≥4.0wt％(优选4.0-4.5wt％)、Si0.50-0.90wt％、Mn≤0.15wt％、P≤0.04wt％、S≤0.02wt％、有害合金元素≤0.10wt％，余量为铁；废钢选用优质废钢薄片，成分：C≤0.15wt％、Si≤0.40wt％、Mn≤0.30wt％、P≤0.02wt％、S≤0.03wt％、Cr≤0.06wt％、Ti＜0.03wt％，余量为铁。
优选地，步骤(2)中脱硫采用脱硫剂成分为CaO和CaC2，粒度＜10mm；调整C量采用增碳剂，固定碳含量≥99wt％，粒度0.5-5mm；调整Si量采用硅75铝，主要成分为硅：72-80wt％，其余为Mn、Cr、P、S、Al、Ca，粒度5-100mm。
优选地，步骤(3)中，所述预处理剂，按浇注铁水重量百分比计，预处理剂的用量为0.2-0.4wt％。
优选地，步骤(4)中，按浇注铁水重量百分比计，球化剂用量为1.0-1.1wt％，覆盖剂用量为0.3-0.5wt％，一次孕育剂用量为0.4-0.8wt％，合金Sb使用量为0.003-0.005wt％。
优选地，步骤(5)中，所述珍珠岩中的SiO2≥72wt％，粒度1-3mm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(一)本申请在球化孕育处理前，向铁水中添加预处理剂进行了预处理，预处理剂为高钡预处理剂，预处理剂中各元素及它们含量的设依据如下
Si:主要作用是作为微量元素的载体。
Ba：与O和S分别反应形成BaO和BaS，形成大量的、长时间稳定存在的、不易衰退的形核核心，对于发明人期望的预处理效果而言，Ba在含量要设置在一较高水平。
Ca、Al：预处理剂中起主要作用的是Ba元素，预处理剂中的Ca和Al的作用与它们在孕育剂中所发挥的作用相似，都是促进孕育，另外，由于预处理工序尚未涉及球化孕育，因此Ca、Al在预处理剂中的含量可以控制在较低水平。
预处理工艺能起到脱硫去氧的效果，最终能在铁液中形成大量弥散分布的非均质结晶核心，利用预处理剂在球化前的铁水中优先获得结晶核心，形核物质主要有含Ba的硫化物和氧化物等，可以认为这些是铁液中的微小物质异质形核可以有效的降低形核的能量，使得石墨更易成核，达到提高形核能力的目的，使球化处理后的铁液石墨球数量增加，石墨球直径小、形状圆整、分散均匀，进而提高铸件力学性能，尤其是低温韧性。
(二)在步骤(4)的球化孕育处理工序中，在铁水中添加了合金Sb，其抑制了碎块状石墨的产生，改善了心部球化状况，增加石墨球颗数，从而提高铸态性能，合金Sb的作用是平衡铁水中的稀土元素如Ce。
(三)本申请涉及预处理剂、覆盖剂、孕育剂和随流孕育剂，其中，预处理剂的作用：在球化前对铁水有脱硫去氧的作用，能在铁液中形成大量弥散分布的非均质结晶核心，提高形核能力。
覆盖剂(低硅孕育剂)：放置于球化剂上方，阻止铁水与球化剂立即发生球化反应，导致球化不良，从而影响铸件金相和力学性能。
一次孕育剂(硅钙钡孕育剂)：通过孕育剂的加入可以消除结晶过冷倾向，促进石墨球化，改善石墨颗粒的圆整度，通常孕育作用在孕育剂加入后的瞬间最大，然后会随着时间的延长而衰退，所以孕育剂中的Al、Ca和Ba等元素起到延长孕育的作用。
硫氧随流孕育剂(硫氧孕育剂)：增加共晶团数和石墨球数，改善显微组织，形成更多的石墨核心，从而提高铸铁件的拉伸性能和低温(-40℃)冲击性能。
(四)通过将附铸试块的石墨密度由80-100个/mm2提高至130-150个/mm2，石墨球大小级别达到6.4-6.5级，能将铸件性能稳定在：抗拉强度≥370MPa,屈服强度≥225MPa,延伸率≥20％,-40℃低温冲击≥12J，能将QT400-18AL(-40℃)低温球墨铸铁的性能合格率由不足50％提高至90％以上。而且，该生产工艺不需传统高温石墨化退火工艺,工艺简单,生产成本低,产品完全符合客户的要求。
附图说明
图1为不涉及预处理的铸造工艺对应铸件的典型金相图；
图2为涉及本发明预处理的铸造工艺对应铸件的典型金相图。
具体实施方式
以下对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1
本实施例涉及一种球墨铸件的铸造工艺，包括如下步骤：
1、配料：配料比例如下：生铁40-60％，回炉料10-20％，废钢10-30％，其中，生铁使用球铁用铸造生铁Q10(生铁中C≥4.0wt％、Si0.50-0.90wt％、Mn≤0.15wt％、P≤0.04wt％、S≤0.02wt％、有害合金元素≤0.10wt％)，废钢选用优质废钢薄片(C≤0.15wt％、Si≤0.40wt％、Mn≤0.30wt％、P≤0.02wt％、S≤0.03wt％、Cr≤0.06wt％、Ti＜0.03wt％)，回炉料指铁素体球墨铸铁回炉料。
2、熔化铁水及成分调整：将生铁、废钢和回炉料加入至中频感应电炉中进行熔化，铁水熔化完毕后取样进行光谱分析和热分析，然后进行铁水成分调整，包括脱硫和对铁水的C量和Si量的调整。脱硫采用脱硫剂成分为CaO和CaC2，粒度＜10mm；调整C量采用增碳剂，固定碳≥99％；粒度0.5-5mm；调整Si量采用硅75铝，主要成分为硅Si，含量在72-80wt％，其余为Mn、Cr、P、S、Al、Ca等，粒度5-100mm。调整成分后，铁水C：3.75-3.85wt％；Si：0.9-1.0wt％；Mn≤0.15wt％；P≤0.035wt％；S≤0.012wt％，余量为Fe。
3、球化孕育处理：预先在浇包底部放置球化剂、覆盖剂及合金Sb，覆盖剂铺在球化剂表面，然后将电炉中铁水倒入浇包，同时在出铁水2/3时加入一次孕育剂，铁水发生球化和一次孕育反应。
球化剂：选用稀土硅镁球化剂，主要成分包括5.0-7.0wt％Mg、0.10-0.50wt％RE(稀土元素，稀土的一般成分是Ce和La、40-50wt％Si以及余量的铁；按浇注铁水重量百分比计，球化剂用量为1.0-1.1wt％。
孕育剂：包括覆盖剂、一次孕育剂和随流孕育剂，随流孕育剂在当前步骤中不涉及，覆盖剂选用低硅孕育剂，主要成分包括40-60wt％Si、1.5-2.5wt％Ba、0.2-1.0wt％Ca以及余量的铁；一次孕育剂选用硅钙钡孕育剂，主要成分包括72-78wt％Si、2.0-3.0wt％Ba、1.0-2.0wt％Ca以及余量的铁；按浇注铁水重量百分比计，覆盖剂用量为0.3-0.5wt％，一次孕育剂用量为0.4-0.8wt％。
合金Sb：按浇注铁水重量百分比计，合金Sb使用量为0.003-0.005wt％
4、浇注处理：铁水球化后在铁水表面撒铁水覆盖剂(除渣剂)进行扒渣处理，除渣剂成分为珍珠岩，珍珠岩中的SiO2≥72％，粒度1-3mm；随后，将浇包中的铁水浇入铸型，浇注过程中加入随流孕育剂，随流孕育剂选用硫氧孕育剂，主要成分包括65-80wt％Si、0.5-1.5wt％Ca以及余量的铁，随流孕育剂用量为0.10-0.20wt％；较佳的浇注温度为1330-1350℃。
5、清理铸件：浇注结束后，在砂型中缓慢冷却至400℃以下，从铸型中清出铸件。
实施例2-4
涉及球墨铸件的铸造工艺，工艺中在铁水球化孕育之前对铁水进行预处理，以改善球化效果，具体步骤如下
1、配料：配料比例如下：生铁40-60％，回炉料10-20％，废钢10-30％，其中，生铁使用球铁用铸造生铁Q10(C≥4.0wt％、Si0.50-0.90wt％、Mn≤0.15wt％、P≤0.04wt％、S≤0.02wt％、有害合金元素≤0.10wt％)，废钢选用优质废钢薄片(C≤0.15wt％、Si≤0.40wt％、Mn≤0.30wt％、P≤0.02wt％、S≤0.03wt％、Cr≤0.06wt％、Ti＜0.03wt％)，回炉料指铁素体球墨铸铁回炉料。
2、熔化铁水及成分调整：将生铁、废钢和回炉料加入至中频感应电炉中进行熔化，铁水熔化完毕后取样进行光谱分析和热分析，然后进行铁水成分调整，包括脱硫和对铁水的C量和Si量的调整。脱硫采用脱硫剂成分为CaO和CaC2，粒度＜10mm；调整C量采用增碳剂，固定碳≥99％，；粒度0.5-5mm；调整Si量采用硅75铝，主要成分为硅(含量在72-80wt％)，其余为Mn、Cr、P、S、Al、Ca等，粒度5-100mm。调整成分后，铁水C：3.75-3.85wt％；Si：0.9-1.0wt％；Mn≤0.15wt％；P≤0.035wt％；S≤0.012wt％。
3、预处理：将调整成分后的铁水倒至铁水包内，至出铁水1/4时加入高钡预处理剂进行预处理，预处理剂：60-67wt％Si、7-1wt％Ba、0.4-2.0wt％Ca、0.5-1.7wt％Al以及余量的铁，粒度2-6mm。球化前的预处理工艺能起到脱硫去氧的效果，最终能在铁液中形成大量弥散分布的非均质结晶核心，提高形核能力，使球化处理后的铁液石墨球数量增加，石墨球细小、圆整，进而提高铸件力学性能。
4、球化孕育处理：预先在浇包底部放置球化剂、覆盖剂及合金Sb，覆盖剂铺在球化剂表面，然后将铁水包中的铁水倒入浇包，同时在出铁水2/3时加入一次孕育剂，铁水发生球化和一次孕育反应。
球化剂：选用稀土硅镁球化剂，主要成分包括5.0-7.0wt％Mg、0.10-0.50wt％RE、40-50wt％Si以及余量的铁；按浇注铁水重量百分比计，球化剂用量为1.0-1.1wt％。
孕育剂：包括覆盖剂、一次孕育剂和随流孕育剂，随流孕育剂在当前步骤中不使用，覆盖剂选用低硅孕育剂，主要成分包括40-60wt％Si、1.5-2.5wt％Ba、0.2-1.0wt％Ca以及余量的铁；一次孕育剂选用硅钙钡孕育剂，主要成分包括72-78wt％Si、2.0-3.0wt％Ba、1.0-2.0wt％Ca以及余量的铁；按浇注铁水重量百分比计，覆盖剂用量为0.3-0.5wt％，一次孕育剂用量为0.4-0.8wt％。
合金Sb：按浇注铁水重量百分比计，合金Sb使用量为0.003-0.005wt％。
5、浇注处理：铁水球化后在铁水表面撒铁水覆盖剂(除渣剂)进行扒渣处理，除渣剂成分为珍珠岩，珍珠岩中的SiO2≥72％，粒度1-3mm；随后，将浇包中铁水浇入铸型，浇注过程中加入随流孕育剂，随流孕育剂选用硫氧孕育剂，主要成分包括65-80wt％Si、0.5-1.5wt％Ca以及余量的铁，随流孕育剂用量为0.10-0.20wt％；较佳的浇注温度为1330-1350℃。
6、清理铸件：浇注结束后，在砂型中缓慢冷却至400℃以下，从铸型中清出铸件。
实施例2-4是按照上述铸造工艺重复三次，铸件为某4MW风电底座，浇注重量25T，壁厚50-200mm，实施例1-4中关键元素百分含量如表1所示，其附铸试块(70×70×170mm)的力学性能的检测结果如表2所示。
表1实施例1-4的关键元素百分含量
C Si Mn P S Mg
实例1 3.83 2.00 0.131 0.023 0.007 0.039
实例2 3.82 1.95 0.135 0.022 0.006 0.040
实例3 3.83 2.00 0.132 0.025 0.007 0.038
实例4 3.83 2.05 0.131 0.022 0.007 0.038
表2实施例1-4附铸试块力学性能
Figure BDA0002876959660000061
Figure BDA0002876959660000071
由表1和表2的数据可以看出：球化孕育前不进行预处理的实施例1与进行了预处理的实施例2-4相比，在拉伸性能和屈服强度方面均略低，-40℃低温冲击功小于10J，检测不合格；实例2-4进行对比后发现，实例3的终Si含量2.00wt％是综合力学性能最好的一组工艺，能较好地满足客户对铸件质量的各方面要求。
图1的视场面积1.274946686mm2，石墨个数91，球化率：97.83％，大小级别：6.0级，颗数密度：81个/mm2。图2的视场面积1.274946686mm2，石墨个数162，球化率：94.37％，大小级别：6.4级，颗数密度：137个/mm2。通过图1和图2的对比可知，球化孕育之前对铁水进行预处理能够显著改善石墨球密度、提高石墨球的圆整度和大小级别，有助于获得更多大小均匀、分布均匀的球化颗粒。由此显著改善材料的低温韧性和铸件质量。
以上仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种风电用球墨铸铁件的铸造工艺，其特征在于：步骤包括
(1)配料：配料比例：生铁40-60％，回炉料10-20％，废钢10-30％，其中回炉料指铁素体球墨铸铁回炉料；
(2)熔化铁水及成分调整：将生铁、废钢和回炉料一起熔化为铁水，然后进行铁水成分调整，包括脱硫和对铁水的C量和Si量的调整，调整成分后，铁水C：3.75-3.85wt％；Si：0.9-1.0wt％；Mn≤0.15wt％；P≤0.035wt％；S≤0.012wt％，余量为Fe；
(3)预处理：将调整成分后的铁水倒至铁水包内，至出铁水1/4时加入预处理剂进行预处理，预处理剂的元素成分：Si 60-67wt％、Ba 7-10wt％、Ca 0.4-2.0wt％、Al0.5-1.7wt％以及余量的铁，粒度2-6mm；
(4)球化孕育处理：预先在浇包底部放置球化剂、覆盖剂及合金Sb，然后将铁水包中的铁水倒入浇包，同时在出铁水接近2/3时加入一次孕育剂，铁水和一次孕育反应发生球化；所述球化剂选用稀土硅镁球化剂，主要成分：Mg 5.0-7.0wt％、RE 0.10-0.50wt％、Si40-50wt％以及余量的铁；所述覆盖剂选用低硅孕育剂，主要成分：Si 40-60wt％、Ba 1.5-2.5wt％、Ca0.2-1.0wt％以及余量的铁；所述一次孕育剂选用硅钙钡孕育剂，主要成分：Si72-78wt％、Ba 2.0-3.0wt％、Ca1.0-2.0wt％以及余量的铁；
(5)浇注：铁水球化后在铁水表面撒上铁水除渣剂，进行扒渣处理，除渣剂成分为珍珠岩，随后将浇包中铁水浇入铸型中，浇注温度为1330-1350℃，浇注过程中加入随流孕育剂，随流孕育剂选用硫氧孕育剂，主要成分：Si65-80wt％、Ca0.5-1.5wt％以及余量的铁；
(6)清理铸件：浇注结束后，在砂型中缓慢冷却至400℃以下，从铸型中清出铸件。
2.根据权利要求1所述的铸造工艺，其特征在于：步骤(1)中，生铁使用球铁用铸造生铁Q10，成分：C4.0-4.5wt％、Si0.50-0.90wt％、Mn≤0.15wt％、P≤0.04wt％、S≤0.02wt％、有害合金元素≤0.10wt％，余量为铁；废钢选用优质废钢薄片，成分：C≤0.15wt％、Si≤0.40wt％、Mn≤0.30wt％、P≤0.02wt％、S≤0.03wt％、Cr≤0.06wt％、Ti＜0.03wt％，余量为铁。
3.根据权利要求1所述的铸造工艺，其特征在于：步骤(2)中脱硫采用脱硫剂成分为CaO和CaC2，粒度＜10mm；调整C量采用增碳剂，固定碳含量≥99wt％，粒度0.5-5mm；调整Si量采用硅75铝，主要成分为硅：72-80wt％，其余为Mn、Cr、P、S、Al、Ca，粒度5-100mm。
4.根据权利要求1所述的铸造工艺，其特征在于：步骤(4)中，按浇注铁水重量百分比计，球化剂用量为1.0-1.1wt％，覆盖剂用量为0.3-0.5wt％，一次孕育剂用量为0.4-0.8wt％。
5.根据权利要求1所述的铸造工艺，其特征在于：步骤(4)中，按浇注铁水重量百分比计，合金Sb使用量为0.003-0.005wt％。
6.根据权利要求1所述的铸造工艺，其特征在于：步骤(5)中，所述珍珠岩中的SiO2≥72wt％，粒度1-3mm。
7.根据权利要求1所述的铸造工艺，其特征在于：步骤(3)中，所述预处理剂，按浇注铁水重量百分比计，预处理剂的用量为0.2-0.4wt％。
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