CN114959453A

CN114959453A - 一种海上风电联轴器薄壁铸钢件及其制备方法

Info

Publication number: CN114959453A
Application number: CN202210464970.1A
Authority: CN
Inventors: 熊六一; 傅明康; 周小波; 朱伟; 魏红星
Original assignee: Ningbo Sun Yue Precision Manufacturing Co ltd
Current assignee: Ningbo Sun Yue Precision Manufacturing Co ltd
Priority date: 2022-04-29
Filing date: 2022-04-29
Publication date: 2022-08-30
Anticipated expiration: 2042-04-29
Also published as: CN114959453B

Abstract

本发明涉及一种海上风电联轴器铸钢件及其制备方法，属于铸钢技术领域。本发明公开了一种海上风电联轴器薄壁铸钢件，所述海上风电联轴器薄壁铸钢件依次包括联轴法兰、中间联接轴、联齿轮箱法兰，所述联轴法兰、中间联接轴、联齿轮箱法兰的壁厚均为80‑180mm。本发明还公开了一种海上风电联轴器薄壁铸钢件的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：称取各原料加入电弧炉进行熔化，熔化后加入金属锂和变质剂进行变质处理得钢水，接着将钢水进行精炼、脱氧浇注成型得半成品；最后热处理后得海上风电联轴器铸钢件。

Description

一种海上风电联轴器薄壁铸钢件及其制备方法

技术领域

本发明属于铸钢技术领域，涉及一种海上风电联轴器薄壁铸钢件及其制备方法。

背景技术

风力发电机组因为处于海平面高处，除了高速运转的传动系统，机组整体由于受风力影响振动，其发电机、齿轮箱、叶轮三部分的联接对中，由于各种原因，可能会造成一定偏差；这个偏差，就需要靠联轴器来进行调节。所以，在选择联轴器时，还应考虑联轴器的机械性能是否能够合理满足风机的功率、运转扭矩、动力机系数等，随着海上风电大型化的趋势，目前风机和发电机的铸铁连接器已经不足以实现部分使用场景的性能要求，在风力发电机组中的联轴器所承受荷载，主要有：叶轮通过齿轮箱所传递的扭矩；齿轮箱与发电机自身的振动所产生的振幅；联轴器自身的重力；联轴器由于种种原因使其质心或惯性主轴与其旋转轴线不重合，在运转时还将产生不平衡离心惯性力、离心惯性偶力等多样力或力偶，这些力或力偶极大的影响着联轴器的运行。

如5兆瓦以上大兆瓦级风电，铸铁联轴器已经不能保证强度，并且铸铁联轴器为了达到需要的性能，材料性能一般选用QT600、QT700、QT800，但是铸件需要很厚的壁厚，高硅固溶球墨铸铁在低温环境下抗冲击能力非常差，且铸件本身很重，无法满足高空工作的铸件重量较小且强度较高的要求。现在已经有锻件作为联轴器使用，虽然锻件的性能能满足高空应用的性能要求，但是锻件的加工周期长，抗疲劳性能差，并且锻件的材料受制于炼钢的钢锭成分，不能自由选择；锻件只能锻方或者锻圆，对于结构比较复杂的，需要机加工等工序，成本高昂。如QT700-2球墨铸铁制得的常规的海上风电联轴器(传统的铸铁件)为了满足使用性能需要，各结构的壁厚多为200-350mm，质量大、不易搬运，影响整体设备的使用寿命。

如中国专利申请文本(公开号：CN102851609A)公开了一种用于海上风电设备的材料及工件的制造工艺，控制氧、硫含量保证RE含量，并通过KR铁水预处理、LD转炉冶炼、LF炉精炼、VD真空脱气、连铸制得的材料Q460E强度高于市售的Q345E但是性能仍然不高，并且制备过程复杂繁复。中国专利申请文本(公开号：CN102212757A)公开了一种用于大型风电装置的合金钢及其工件的制造工艺，其中锻造后的锻件还需要进行去氢气处理，热处理后再机加工，虽然机械性能较好，但是制得的成品为大型风电装置主体，且制备过程复杂繁复、成本高。因此需要研发一种低成本、高性能、制备简便的联轴器铸钢件。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种高强度、高低温冲击韧性、薄壁的海上风电联轴器薄壁铸钢件。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种海上风电联轴器薄壁铸钢件，所述海上风电联轴器薄壁铸钢件依次包括联轴法兰(1)、中间联接轴(2)、联齿轮箱法兰(3)，所述联轴法兰、中间联接轴、联齿轮箱法兰的壁厚(A、B、C)均为80-180mm。

作为优选，所述联轴法兰的壁厚A≤中间联接轴的壁厚B≤联齿轮箱法兰的壁厚C。

进一步优选，所述联轴法兰的壁厚A为80-120mm，中间联接轴的壁厚B为90-160mm，联齿轮箱法兰的壁厚C为100-180mm。

本发明制得的海上风电联轴器薄壁铸钢件结构示意图如图1所示，与如图2所示的QT700-2球墨铸铁制得的常规的海上风电联轴器(传统的铸铁件)相比，壁厚明显降低。QT700-2球墨铸铁制得的常规的海上风电联轴器的联轴法兰的壁厚A’、中间联接轴的壁厚B’、联齿轮箱法兰的壁厚C’均为200-350mm，即使是最薄的联轴法兰的壁厚A’也大于本发明最厚的联齿轮箱法兰的壁厚C。传统的厚壁铸铁件不仅重量大，而且性能强度也不佳。而本发明制得的海上风电联轴器通过原料及工艺的改进使联轴法兰壁厚、中间联接轴壁厚、联齿轮箱法兰壁厚均为80-180mm；在减轻重量的同时，满足高强度、高低温冲击韧性的要求，便于运输组装、适于海上恶劣环境。

作为优选，所述海上风电联轴器薄壁铸钢件的原料按重量百分比计，为C：0.15-0.25％，Si：0.25-0.35％，Mn：1.15-1.55％，Ni：0.85-1.55％，Cr：0.45-0.75％，Mo：0.15-0.25％，P：0.005-0.15％，S：0.002-0.010％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明还公开了一种海上风电联轴器薄壁铸钢件的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：称取各原料加入电弧炉进行熔化，熔化后加入金属锂和变质剂进行变质处理得钢水，接着将钢水进行精炼、脱氧浇注成型得半成品；最后热处理后得海上风电联轴器铸钢件。

作为优选，所述钢水中的S含量为≤0.010，O含量为0.02-0.01％，P含量为≤0.015。

目前许多铸钢件通过加入稀土元素来低钢中氧和硫的含量，降低磷、硫、氢等低熔点元素的有害作用以提高钢材的低温韧性，而本发明中不需要加入稀土元素，而是通过金属锂、硅钡合金、硅铝钡钙合金的加入，实现脱氧、脱硫、脱磷，并改变非金属夹杂物性质与分布，减少对钢液成型后的铸件性能的影响，以获得较好的低温韧性。

作为优选，所述电弧炉熔化温度为1620-1680℃，时间为50-70分钟；真空精炼炉精炼温度为1650-1700℃，时间为15-25分钟。

作为优选，所述变质处理包括在每1000kg钢水中加入2-5kg硅钡合金、2-5kg硅铝钡钙合金、0.001-0.01kg金属锂。

本发明中加入的硅钡合金、硅铝钡钙合金在炼钢中作为脱氧剂使用，在炼钢过程中加入可减少烟和火焰的发生，改变钢中非金属夹杂物的性质与分布，改善金属的切削性能。由于金属锂在空气中形成氧化锂和氮化锂，必须用石蜡包裹。金属锂与钢液中的氢气、氧气、氮气、氯气等气体反应形成氢化锂、氧化锂、氯化锂、氮化锂，并且还能与硫、磷反应形成硫化锂、磷化锂，这些化合物较轻，可漂浮在钢水表面，或通过底吹氩上浮去除，净化钢水中的杂质和气体，从而提高铸钢件的整体性能。并且本发明中金属锂加入量控制在0.001-0.010％，过多会导致锂对钢液中的渣气处理不敏感、增加成本；过少会导致不能充分脱渣气。

作为优选，所述脱氧浇注成型具体过程包括抽真空，其中真空度小于67pa，时间为15-20min；然后直接浇注，浇注温度为1570±10℃，浇注速度为液面上升速度≥15mm/s。

本发明通过抽真空让钢液中的其他气体上浮。

作为优选，所述热处理过程包括三次加热，三次冷却；其中第一次加热速度大于第二次加热速度，第二次大于加热速度大于第三次加热速度。

第一次加热速度最大是因为此时材料内部组织为铸态组织，第二次加热速度稍降是预正火后组织相对均匀了，第三次加热速度最低是减少升温过程中的应力；若是加热速度过快会导致应力或者裂纹的产生。

进一步优选，所述第一次加热过程温度为920±10℃，加热速度为140-150℃/h，保温后进行冷却；第一次冷却过程为直接出炉空冷到室温；第二次加热过程温度为890±10℃，加热速度为120-130℃/h，保温后进行冷却；第二次冷却过程为将半成品在出炉后45±10秒内入水，水流速度控制在0.5-0.8m/s，水温为15-35℃，当半成品的温度为80-120℃时出水；第三次加热过程温度为590±10℃，加热速度为100-110℃/h，保温后进行冷却；第三次冷却过程为直接出炉空冷到室温。

第一次加热过程使材料内部组织均匀，然后直接取出空冷，使钢件的结晶晶粒细化，增加强度，提高韧性；第二次加热与水冷能大幅提高钢件的机械性能，其中水冷控制水流速度的目的是为了产生莱顿弗罗斯特效应，使钢件表面产生蒸汽层隔离水和铸件的接触，进而影响水流带走铸件的热量，影响组织转变；第三次加热过程中钢件初始仍保持一定的余温，铸件有一个初始温度，进行热处理能够减少应力。

作为优选，所述三次加热过程保温时间根据壁厚25mm/h保温。

进一步优选，所述三次加热过程的保温时间均为3.2-7h。

更进一步优选，所述三次加热过程的保温时间均为3.5-5.5h。

由于本发明中制得的铸钢件的壁厚较小，保温时间降低后仍能获得较好的效果。

通过本发明的原料和方法制得的海上风电联轴器薄壁铸钢件的抗拉强度＞1000Mpa，屈服强度＞820Mpa，断面收缩率≥40％，冲击韧性(-20度)＞150J，冲击韧性(-40度)＞100J，硬度(HB)为220-290，屈强比为＞0.8。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明制得的海上风电联轴器薄壁铸钢件能够在海上风电、陆上大兆瓦级风电上使用，壁厚为80-180mm时具有高强度、高低温冲击韧性、低重量，能够便于海上风电的安装运输及使用。

2、本发明通过调整原料组成及比例，并在钢水中加入金属锂和变质剂，吸附钢水中的气体和磷、硫等有害杂质元素，实现脱氧、脱硫、脱磷，形成锂化物通过氩气聚集在钢水表面，净化钢水质量；并改变非金属夹杂物性质与分布，减少对钢液成型后的铸件性能的影响，从而使制得的海上风电联轴器薄壁铸钢件具有较好的力学性能。

3、本发明的制备方法操作简便，适于大型铸钢件规模化生产。

说明书附图

图1为本发明制得的海上风电联轴器的结构示意图。

图2为QT700-2球墨铸铁制得的常规的海上风电联轴器的结构示意图。

图3为本发明实施例1中制得的成品试块的铸态组织。

图4为本发明实施例1中制得的试块第一次加热后的正火组织。

图5为本发明实施例1中制得的试块第二次加热后的淬火组织。

图6为本发明实施例1中制得的试块第三次加热后的回火组织。

附图说明：1：联轴法兰，2：中间联接轴，3：联齿轮箱法兰，A：联轴法兰的壁厚，B：中间联接轴的壁厚，C：联齿轮箱法兰的壁厚，A’：QT700-2球墨铸铁联轴法兰的壁厚，B’：QT700-2球墨铸铁中间联接轴的壁厚，C’：QT700-2球墨铸铁联齿轮箱法兰的壁厚。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1

按照表1中的原料配比称重，然后加入到电弧炉(型号EAF-5t)中在1580℃熔化50分钟，再在每1000kg钢液中加入0.3kg硅钡合金、0.5kg硅铝钡钙合金、0.005kg金属锂进行变质处理以净化钢水，得到该钢水中S含量为0.005％，P含量为0.012％。然后转移至1680℃的正空精炼炉(型号VOD-5t)中精炼20分钟；然后在67pa下抽真空20分钟，接着以15mm/s的液面上升速度进行浇得的铸件和试块，试块尺寸为150*150*500mm，铸件的壁厚为150mm，冷却后进行热处理。第一次加热过程温度为920±10℃，加热速度为146℃/h，根据壁厚25mm/h保温，然后直接出炉空冷到室温；第二次加热过程温度为890±10℃，加热速度为125℃/h，根据壁厚25mm/h保温，然后直接出炉，并在出炉后45秒内入水，水流速度控制在0.6m/s，水温为20℃，当半成品的温度为90℃时出水；第三次加热过程温度为590±10℃，加热速度为104℃/h，根据壁厚25mm/h保温，第三次冷却过程为直接出炉空冷到室温。将制得的成品试块进行性能测试，结果见表2。制得的铸件的海上风电联轴器的示意图如图1所示，QT700-2球墨铸铁制得的常规的海上风电联轴器如图2所示；试块第一次加热后的正火组织图如图3所示、第二次加热后的淬火组织图如图4所示、第三次加热后的回火组织图如图5所示。

实施例2

与实施例1相比，区别在于具体原料组成见表1。

实施例3

与实施例1相比，区别在于具体原料组成见表1。

实施例4

与实施例1相比，区别在于1000kg钢水中金属锂的加入量为0.02kg。

实施例5

与实施例1相比，区别在于钢水中不加入金属锂，且硅钡合金0.01g、硅铝钡钙合金0.01g。

实施例6

与实施例1相比，区别在于铸件的壁厚为80mm，试块尺寸为80*80*500mm。

实施例7

与实施例1相比，区别在于铸件的壁厚为180mm，试块尺寸为180*180*500mm。

对比例1

与实施例7相比，区别在于将18NiCrMo的原料按照实施例1中的方法制得180*180*500mm试块。

对比例2

与实施例7相比，区别在于将QT700-2球墨铸铁制得180*180*500mm试块。

表1、原料配比表

原料	C％	Si％	Mn％	Ni％	Cr％	Mo％	P％	S％
									实施例1	0.188	0.29	1.25	1.51	0.65	0.22	0.012	0.005
实施例2	0.182	0.31	1.22	1.53	0.66	0.23	0.013	0.004
									实施例3	0.179	0.32	1.28	1.52	0.65	0.22	0.012	0.005
对比例1	0.182	0.32	1.28	1.51	0.62	0.23	0.015	0.010
									对比例2	0.184	0.52	1.22	1.56	1.06	0.22	0.015	0.010

表2、试块性能测试表

根据图1、2可知，QT700-2球墨铸铁材料制得的联轴器由于性能不佳，为满足使用要求需要设置壁厚为200-350mm，而本发明的采用由于具有高强度、高低温冲击韧性、低重量，当壁厚为80-180mm时就能满足使用要求。

根据表1可知，对比例1为常规的18NiCrMo材料，在设置壁厚为80-180mm时并采用本发明的制备方法，虽然性能满足国标要求，但仍然低于本发明的性能；对比例2为常规的QT700-2材料，在设置壁厚为80-180mm时，无法达到海上风电装置的使用要求。

综上所述，本发明通过原料和制备方法的优化，使制得的铸钢件在保证强度的同时，大幅度减少壁厚，给整个设备减重；并且该海上风电联轴器薄壁铸钢件由于高强度、高低温冲击韧性、低重量，能够便于海上风电装置的运输及使用。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种海上风电联轴器薄壁铸钢件，其特征在于，所述海上风电联轴器薄壁铸钢件依次包括联轴法兰、中间联接轴、联齿轮箱法兰，所述联轴法兰、中间联接轴、联齿轮箱法兰的壁厚均为80-180mm。

2.根据权利要求1所述海上风电联轴器薄壁铸钢件，其特征在于，所述联轴法兰的壁厚A≤中间联接轴的壁厚B≤联齿轮箱法兰的壁厚C。

3.根据权利要求1所述海上风电联轴器薄壁铸钢件，其特征在于，所述海上风电联轴器薄壁铸钢件的原料按重量百分比计，为C：0.15-0.25％，Si：0.25-0.35％，Mn：1.15-1.55％，Ni：0.85-1.55％，Cr：0.45-0.75％，Mo：0.15-0.25％，P：0.005-0.15％，S：0.002-0.010％，余量为Fe及不可避免的杂质。

4.一种如权利要求1所述的海上风电联轴器薄壁铸钢件的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：称取各原料加入电弧炉进行熔化，熔化后加入金属锂和变质剂进行变质处理得钢水，接着将钢水进行精炼、脱氧浇注成型得半成品；最后热处理后得海上风电联轴器铸钢件。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述电弧炉熔化温度为1580-1700℃，时间为50-70分钟；真空精炼炉精炼温度为1650-1700℃，时间为15-25分钟。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述变质处理包括在每1000kg钢液中加入2-5kg硅钡合金、2-10kg硅铝钡钙合金，0.1-0.001kg金属锂。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述脱氧浇注成型具体过程包括抽真空，其中真空度小于67pa，时间为15-20min；然后直接浇注，浇注温度为1570±10℃，浇注速度为液面上升≥15mm/s。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述热处理过程包括三次加热，三次冷却；其中第一次加热速度大于第二次加热速度，第二次大于加热速度大于第三次加热速度。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述第一次加热过程温度为920±10℃，加热速度为140-150℃/h，保温后进行冷却；第一次冷却过程为直接出炉空冷到室温；第二次加热过程温度为890±10℃，加热速度为120-130℃/h，保温后进行冷却；第二次冷却过程为将半成品在出炉后45±10秒内入水，水流速度控制在0.5-0.8m/s，水温为15-35℃，当半成品的温度为80-120℃时出水；第三次加热过程温度为590±10℃，加热速度为100-110℃/h，保温后进行冷却；第三次冷却过程为直接出炉空冷到室温。

10.根据权利要求8或9所述的制备方法，其特征在于，所述三次加热过程的保温时间均为3.5-5.5h。