CN116555671B - 一种发电机组和电网专用合金钢储能飞轮及其热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发电机组和电网专用合金钢储能飞轮及其热处理方法，属于合金钢储能飞轮设计技术领域；现有技术中的储能飞轮因设计成本高、储能效果差而并未应用于发电机组和电网系统中。本发明提供的发电机组和电网专用合金钢储能飞轮的组分按质量百分比计：C：0.30‑0.35％，Cr：1.70‑1.90％，Mn：0.3‑0.5％，Ni：3.60‑3.75％，Mo：0.40‑0.50％，V：0.09‑0.11％，Si≤0.1，S≤0.015％，P≤0.015％；余量为Fe和不可避免的杂质。本发明提供的合金钢储能飞轮具有良好的储能性能，能够用于发电机组和电网，实现工程应用的电力调频调峰。

Description

一种发电机组和电网专用合金钢储能飞轮及其热处理方法
技术领域
本发明涉及储能飞轮技术领域，尤其涉及一种发电机组和电网专用合金钢储能飞轮及其热处理方法。
背景技术
现有飞轮(碳纤维、玻纤、芳沦)具有重量轻、比能高的优点。缺点是各向异性材料，沿纤维方向强度高、垂直纤维方向强度低，较低的径向强度限制了飞轮转速的提高。
随着新能源发电规模的增加，亟需有效的技术方案解决新能源并网后的电网调频调峰问题，火电机组调频迟滞且调频性能参差不齐，水电机组只能参与部分调频功率范围，均具有其自身局限性，大容量电力储能需求也越来越多。国内研究较多并已经工程应用的电力调频调峰方式主要有抽水蓄能和电化学储能，飞轮储能属于工程应用研究初期。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种发电机组和电网专用合金钢储能飞轮材料及其制备方法，用以解决现有技术中的飞轮因设计成本高、储能效果差而并未应用于发电机组和电网系统中。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种发电机组和电网专用合金钢储能飞轮，该合金钢储能飞轮的组分及组分所占质量百分比分别为：C：0.30-0.35％，Cr：1.70-1.90％，Mn：0.3-0.5％，Ni：3.60-3.75％，Mo：0.40-0.50％，V：0.09-0.11％，Si≤0.1，S≤0.015％，P≤0.015％；余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步地，合金钢储能飞轮的组分按质量百分比计：C：0.30-0.32％，Cr：1.75-1.85％，Mn：0.38-0.42％，Ni：3.66-3.70％，Mo：0.40-0.45％，V：0.1％，Si≤0.07％，S≤0.005％，P≤0.007％；余量为Fe和不可避免的杂质。
另一方面，本发明还提供了一种发电机组和电网专用合金钢储能飞轮的热处理方法，用于制备上述的合金钢储能飞轮；该热处理方法包括以下步骤：
S1、制备飞轮毛坯锻件并对其进行预备热处理，得到飞轮锻件；
S2、将预备热处理后的飞轮锻件进行调质热处理；包括以下子步骤：
S21、将经过预备热处理后的飞轮锻件以≤80℃/h的速率升温至奥氏体化保温温度835℃±10℃；
S22、在835℃±10℃进行保温一定时间；
S23、保温结束后进行水冷，根据飞轮锻件的有效截面大小设定水冷时间；
S24、水冷结束将飞轮锻件升温至530℃±5℃，进行回火保温；
S25、回火保温后降温至≤200℃，出炉。进一步地，在S22步骤中，保温时间为16-18h。
进一步地，在S23步骤中，水冷时间为2.5～10h。
进一步地，在S24步骤中，飞轮锻件水冷后以≤30℃/h的速率升温至530℃±5℃。
进一步地，在S24步骤中，回火保温时间根据飞轮锻件的有效截面长度3.5～4h/100mm设定。
进一步地，在S25步骤中，回火保温后以≤10℃/h的速率降温至≤200℃，出炉。
进一步地，在S1步骤中，将储能飞轮的原材料经过双真空冶炼工艺、水压机自由锻造成形工艺，获得飞轮毛坯锻件，将飞轮毛坯锻件进行预备热处理，得到飞轮锻件。
进一步地，在S1步骤中，预备热处理过程为：900℃正火+650℃回火。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
(1)本发明首次将合金钢储能飞轮应用于600MW火电机组储能系统，未查到其他种类的合金钢材料在发电机组和电网储能的应用案例。经本发明提供的热处理方法处理后的合金钢储能飞轮能够满足直径为Φ1000～Φ2800mm、重量为5～70t物理储能飞轮的抗拉强度≥1240N/mm2的使用需求。该合金钢储能飞轮能够获得室温冲击功≥60J、晶粒度≥4级、均匀回火索氏体组织。
(2)现有技术中储能飞轮(其材料采用碳纤维、玻纤、芳沦)为各向异性材料，沿纤维方向强度高、垂直纤维方向强度低，较低的径向强度限制了飞轮转速的提高。与现有技术相比，本发明提供的发电机组和电网专用合金钢储能飞轮的属于整体自由锻造成形，不存在各向异性，径向强度与切向强度一致。
(3)本发明提供的直径为1625mm的(有效截面为710mm)的合金钢储能飞轮对应的储能参数是500KW/125KWh/15min级，即单次能量转换需要15min。直径为2844mm的(有效截面为1524mm)的合金钢储能飞轮对应的储能参数是1000KW/1000KWh/小时级，即单次能量转换需要1小时。本发明提供的储能飞轮能够作为物理电池使用，质量越大，储能越高。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为直径1625mm合金钢储能飞轮调质轮廓尺寸示意图(有效截面按710mm计算)；
图2为直径1625mm合金钢储能飞轮性能热处理工艺示意图；
图3为直径1625mm合金钢储能飞轮产品回火索氏体组织照片500倍；
图4为直径2844mm合金钢储能飞轮调质轮廓尺寸示意图；
图5为直径2844mm合金钢储能飞轮性能热处理工艺示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明提供了一种发电机组和电网专用合金钢储能飞轮，其组分按质量百分比计：C：0.30-0.35％，Cr：1.70-1.90％，Mn：0.3-0.5％，Ni：3.60-3.70％，Mo：0.40-0.50％，V：0.09-0.11％，Si≤0.1，S≤0.015％，P≤0.015％；余量为Fe和不可避免的杂质。
针对C元素：C是奥氏体形成元素，也是提高材料强度和淬透性最有效的元素。但随着含量增加，塑韧性会随之降低，因此，本发明将C元素的含量控制在：0.30-0.35％范围内，以保证储能飞轮合金钢材料的强度以及淬透性。
针对Cr元素：Cr大部分溶于铁素体，部分形成Cr23C6碳化物，Cr与Ni以一定的配比加入，可以大幅提高淬透性，并提高材料综合力学性能。尤其对于强度要求高且要求均匀的大截面锻件特别有效。
需要说明的是，本发明提供的储能飞轮在高速(5000～16000r/min)运转过程中，其表面和心部均承受较大应力，尤其心部应力高达800MPa，选用淬透性好的材料，通过较快的冷却速度，使心部和表面获得一致的强度和韧性水平，是飞轮转子安全稳定运行最起码的保障。
针对Ni元素：Ni不形成碳化物，Ni会完全溶入铁素体，发挥固溶强化效果。Ni具有很强的奥氏体稳定化效果，在含量＞3.5％时，可以显著降低过冷奥氏体组织转变温度，大幅提高材料淬透性，能使截面Φ1000～Φ2800mm飞轮锻件的表面和心部均能淬火获得马氏体。
针对Mo元素：Mo能够提高材料淬透性，飞轮合金钢材料中加入0.40-0.50％的Mo，不仅能够提高储能飞轮合金钢材料的机械性能，同时能够抑制锻件的回火脆性。
针对V元素：V是强碳化物形成元素，调质回火过程中以＜100nm的VC或者V4C3的形式弥散析出，提高材料强度和韧性。
需要说明的是，VC或者V4C3的析出特点是在500-700℃(调质热处理的回火阶段)范围内不容易聚集长大，在铁素体基体中呈现细小、均匀、弥散的分布特点，起到弥散强化的效果；同时析出相钉扎晶界，阻碍晶界长大，同时具有细晶强化和提高韧性的效果。
需要说明的是，本发明提供的直径为1625mm的(有效截面为710mm)的合金钢储能飞轮对应的储能参数是500KW/125KWh/15min级，即单次能量转换需要15min；直径为2844mm的(有效截面为1524mm)的合金钢储能飞轮对应的储能参数是1000KW/1000KWh/小时级，即单次能量转换需要1小时。本发明提供的合金钢储能飞轮能够作为物理电池使用，质量越大，储能越高。
关于合金钢储能飞轮的功能，需要在发电机组附近批量应用成飞轮矩阵(及串联电池矩阵)，通过飞轮自身的加减速旋转来实现电能和机械能的转换，低速到高速旋转(电能转换成机械能)和高速到低速旋转(机械能转换为动能)的方式，实现电网或发电机组调频调峰作用。
本发明还提供了一种发电机组和电网专用合金钢储能飞轮的热处理方法，具体包括以下步骤：
S1、进行预备热处理；
将储能飞轮合金钢的原材料经过双真空冶炼工艺、水压机自由锻造成形工艺，获得飞轮毛坯锻件，将飞轮毛坯锻件进行预备热处理，得到飞轮锻件，预备热处理时采用900℃正火+650℃回火。
预备热处理的目的是：主要调整自由锻造过程中的不均匀组织和粗晶，为调质热处理获得理想的力学性能提供基础。
S2、将预备热处理后的飞轮锻件进行调质热处理；
S21、将经过预备热处理后的飞轮锻件以≤80℃/h的速率升温至奥氏体化保温温度835℃±10℃；
在上述S21步骤中，控制较快的升温速率使锻件在奥氏体组织转变过程中获得较大的过热度和相变驱动力，提高奥氏体晶界和晶内形核点，防止锻件组织遗传倾向，细化晶粒的效果提高。
S22、然后在835℃±10℃进行保温，保温时间为16-31h；
锻件奥氏体保温时间按有效截面2～2.3h/100mm设定，充分的保温时间保证锻件表面和心部达到均匀一致的奥氏体温度。
S23、保温结束后进行水冷，水冷时间按锻件有效截面大小在2.5～10h之间；
在上述S23步骤中，水冷却能力较强，锻件表面和心部冷速相差大，充足的水冷时间保证锻件心部＜100℃，组织转变完全，表面和心部获得均匀一致的淬火马氏体组织，以此保证锻件表面和心部获得均匀一致的机械性能。
S24、水冷结束的锻件以≤30℃/h的速率升温至530℃±5℃进行回火。
锻件淬火过程中，表面和心部冷却的不同时性产生热应力，控制较低的升温速率避免开裂风险；回火保温时间按有效截面长度3.5～4h/100mm设定。
回火保温开始后，锻件机械性能和淬火残余内应力急剧变化，随着各种合金碳化物的析出和聚集，固溶强化效果降低，强度降低，韧性提高，淬火残余应力急剧降低，足够的回火保温时间设定应保证上述各项变化趋于稳定。
S25、保温后以≤10℃/h的速率降温至≤200℃，出炉。
回火保温后以≤10℃/h的速率降温，回火降温速率尽量低，缩小锻件表面和心部的温差，降低内应力。
本发明提供的储能飞轮合金钢在电力系统物理储能领域属于首次应用。该储能飞轮合金钢材料经过合理的热处理工艺，能够满足直径为Φ1000～Φ2800mm、重量为5～90t物理储能飞轮的抗拉强度≥1240N/mm2的使用需求。该储能飞轮合金钢材料能够获得室温冲击功≥60J、晶粒度≥4级、均匀回火索氏体组织。
需要注意的是，本发明提到的有效截面是指合金钢储能飞轮的轴身长度；有效截面与飞轮的直径不是同一概念。
实施例1
本实施例提供了直径为1625mm的合金钢储能飞轮的组分及含量，并提供了该飞轮的热处理方法。
本实施例的直径为1625mm的储能飞轮合金钢的组分按质量百分比计：C：0.30％，Cr：1.76％，Mn：0.4％，Ni：3.70％，Mo：0.40％，V：0.1％，Si：0.04％，S：0.002％，P：0.006％；余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例对直径为1625mm合金钢储能飞轮的具体的热处理过程如下：
S1、预备热处理：
将储能飞轮合金钢材料经过双真空冶炼工艺、水压机自由锻造成形工艺，获得飞轮毛坯锻件，将飞轮毛坯锻件进行预备热处理，获得飞轮锻件，其预备热处理过程为900℃正火+650℃回火。
S2、将预备热处理后的飞轮锻件进行调质热处理；
S21、将经过预备热处理后的飞轮锻件以60℃/h的速率升温至835℃；
S22、然后在835℃进行保温16h；
S23、保温结束后出炉水冷，水冷时间为4h，保证锻件心部温度＜100℃；
S24、水冷结束后的锻件以30℃/h的速率升温至530℃进行回火；
S25、回火保温时间30h，回火保温结束以10℃/h的速率降温，具体见图2，降温至180℃后，出炉，获得合金钢储能飞轮。
本实施例中的直径为1625mm的储能飞轮的重量为13.42吨，经过双真空冶炼工艺、水压机自由锻造成形工艺的，获得的飞轮毛坯锻件如图1所示，其有效截面长度(即轴身长度为710mm)，经过图2所示的调质热处理过程，合金钢储能飞轮能够获得如表1所示的力学性能和图3所示的组织。
表1合金钢储能飞轮锻件的力学性能
从上述表1中可以看出，本实施例提供的直径为1625mm合金钢飞轮的室温抗拉强度为1243-1249N/mm2，屈服强度为1120-1127N/mm2，延伸率为16.4-16.7A，收缩率为62-68Z，冲击值为62-68J。
本实施例提供的合金钢储能飞轮的储能参数是500KW/125KWh/15min，即单次能量转换需要15Min。
实施例2
本实施例提供了直径为2844mm的储能飞轮，该储能飞轮调质轮廓尺寸如图4所示，该合金钢储能飞轮的组分按质量百分比计：C：0.30％，Cr：1.78％，Mn：0.4％，Ni：3.69％，Mo：0.42％，V：0.1％，Si：0.04％，S：0.002％，P：0.006％；余量为Fe和不可避免的杂质。
该储能飞轮的热处理过程如图5所示：
S1、预备热处理：
将储能飞轮合金钢材料经过双真空冶炼工艺、水压机自由锻造成形工艺，获得飞轮毛坯锻件，将飞轮毛坯锻件进行预备热处理，获得飞轮锻件，飞轮锻件的预备热处理过程为900℃正火+650℃回火。
S2、将预备热处理后的飞轮锻件进行调质热处理；
S21、将经过预备热处理后的飞轮锻件以60℃/h的速率升温至835℃；
S22、然后在845℃进行保温，保温时间为31h；
S23、保温结束后出炉水冷，水冷时间为10h，保证锻件心部温度＜100℃；
S24、水冷结束后的锻件以30℃/h的速率升温至535℃进行回火，回火保温时间53h；
S25、回火保温结束以10℃/h的速率降温，降温后出炉。
需要说明的是，该直径为2844mm的合金钢储能飞轮的储能参数为1000KW/1000KWh/小时级，即单次能量转换需要一小时。本发明提供的储能飞轮通过质量和体积的增加，从而增加其储能量。
本实施例中的直径为2844mm的储能飞轮的重量为90.8吨，经过双真空冶炼工艺、水压机自由锻造成形工艺的，获得的飞轮毛坯锻件如图4所示，其有效截面长度(即轴身长度为1524mm)，经过图5所示的调质热处理过程，合金钢储能飞轮能够获得如表2所示的力学性能。
表2本实施例提供的合金钢储能飞轮的力学性能数据
从上述表2中可以看出，本实施例提供的直径为2844mm合金钢飞轮的室温抗拉强度为1249-1254N/mm2，屈服强度为1123-1130N/mm2，延伸率为16.4-16.79A，收缩率为64-68Z，冲击值为65-70J。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种发电机组和电网专用合金钢储能飞轮的热处理方法，其特征在于，所述合金钢储能飞轮的组成按质量百分比计为：C：0.30-0.35％，Cr：1.70-1.90％，Mn：0.3-0.5％，Ni：3.60-3.75％，Mo：0.40-0.50％，V：0.09-0.11％，Si≤0.1，S≤0.015％，P≤0.015％；余量为Fe和不可避免的杂质；
所述发电机组和电网专用合金钢储能飞轮的直径为Φ1000～Φ2800mm、重量为5～70t；
所述热处理方法包括以下步骤：
S1、制备飞轮毛坯锻件并对其进行预备热处理，得到飞轮锻件；
在所述S1步骤中，将储能飞轮的原材料利用双真空冶炼工艺、水压机自由锻造成形工艺进行锻造成形，锻造后获得飞轮毛坯锻件，将飞轮毛坯锻件进行预备热处理，得到飞轮锻件；S2、将预备热处理后的飞轮锻件进行调质热处理；所述调质热处理包括以下子步骤：
S21、将经预备热处理后的飞轮锻件以≤80℃/h的速率升温至奥氏体化保温温度825～835℃；
S22、然后在825～835℃条件下保温一定时间；保温时间为16-18h；
S23、保温结束后进行水冷，根据飞轮锻件的有效截面大小设定水冷时间，所述水冷时间为2.5～10h；
S24、水冷结束后将飞轮锻件以≤30℃/h的速率升温至530℃±5℃，进行回火保温；
S25、回火保温后降温至≤200℃，出炉。
2.根据权利要求1所述的发电机组和电网专用合金钢储能飞轮的热处理方法，其特征在于，所述合金钢储能飞轮的组成按质量百分比计为：C：0.30-0.32％，Cr：1.75-1.85％，Mn：0.38-0.42％，Ni：3.66-3.70％，Mo：0.40-0.45％，V：0.09-0.1％，Si≤0.07％，S≤0.005％，P≤0.007％；余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的发电机组和电网专用合金钢储能飞轮的热处理方法，其特征在于，在所述S22步骤中，保温时间为16h。
4.根据权利要求1所述的发电机组和电网专用合金钢储能飞轮的热处理方法，其特征在于，在所述S23步骤中，所述水冷时间为4h。
5.根据权利要求1所述的发电机组和电网专用合金钢储能飞轮的热处理方法，其特征在于，在所述S24步骤中，回火保温时间根据飞轮锻件的有效截面3.5～4h/100mm设定。
6.根据权利要求1所述的发电机组和电网专用合金钢储能飞轮的热处理方法，其特征在于，在所述S25步骤中，回火保温后以≤10℃/h的速率降温至≤200℃，出炉。
7.根据权利要求1所述的发电机组和电网专用合金钢储能飞轮的热处理方法，其特征在于，在所述S1步骤中，所述预备热处理过程为：900℃正火+650℃回火。
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