KR20210064320A

KR20210064320A - 일종의 풍력 발전기 메인 샤프트 베어링용 강재 및 제조 방법

Info

Publication number: KR20210064320A
Application number: KR1020217012169A
Authority: KR
Inventors: 민 천; 펑 리; 샤오홍 쉬; 커 겅; 윤 바이; 전 후앙; 칭 인; 자오롱 자이
Original assignee: 지앙인 싱쳉 스페셜 스틸 웍스 코., 엘티디.
Priority date: 2018-10-09
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2021-06-02
Also published as: EP3865595A1; WO2020073576A1; EP3865595A4; KR102516710B1; EP3865595B1; CN109161658B; CN109161658A

Abstract

본 발명은 일종의 풍력 발전기 메인 샤프트 베어링용 강재 및 제조 방법에 관련되며, 제품 화학 성분은 C : 0.10 ~ 0.30%, Si : 0.10 ~ 0.50%, Mn : 0.30 ~ 0.80%, Cr : 1.30 ~ 1.60%, S≤0.025%, P≤0.025%, Ni : 3.25 ~ 3.75%, Cu≤0.30%, Mo : 0.15 ~ 0.25%, Al : 0.005-0.05%, N : 0.005-0.015%, Ca≤0.0010%, Ti≤0.003%, O≤0.0015%, As≤0.04%, Sn≤0.03%, Sb≤0.005%, Pb≤0.002%이고 나머지는 Fe와 불가피한 불순물이다. 생산 과정에는 용철 전처리- 컨버터 또는 전기 아크로 제련 - LF 정제 - RH 또는 VD 노 제련 - 큰 단면 연속 주조 CCM 대형 연속 주조 빌렛 - 연속 압연 - 마무리 정밀 수정이 포함되며 연속 주조 빌렛과 압연 빌렛을 전부 갱도내 서냉 및 연화 어닐링을 진행함으로써 강재가 높은 순도, 조직 균일성 및 치밀성을 가지게 되고 일렉트로 슬래그 강재를 대체할 수 있으며 풍력 발전기 메인 샤프트 베어링용 강재의 요건을 충족할 수 있다.

Description

일종의 풍력 발전기 메인 샤프트 베어링용 강재 및 제조 방법

본 발명의 기술은 야금 기술 분야에 속하며 보다 구체적으로 베어링용 강재 및 해당 제조 기술에 관한 것이다.

풍력 에너지는 현재 가장 유망한 재생 가능 에너지로 청정 무공해 녹색 에너지이며 다양한 대체 가능 에너지 중에서 풍력 에너지는 전망이 가장 밝고 전 세계적으로 점점 더 많은 관심을 받고 있는 에너지이며 저장량도 아주 풍부하다.

풍력 발전기 베어링은 풍력 발전기 세트에서 중요한 전동 장치이며 풍력 발전기 세트에서 사용되는 베어링은 최대 32세트에 달할 수 있다. 따라서 풍력 발전기 세트의 안전하고 안정적인 작동을 보장하려면 베어링 선택이 매우 중요하다. 풍력 발전기 세트 베어링은 일반적으로 요 베어링, 피치 베어링, 메인 샤프트 베어링, 가속 장치 베어링 및 발전기 베어링으로 나눌 수 있다. 베어링 유형에 따라 기술 요구 사항도 다르다.

풍력 발전기 베어링의 작업 조건은 비교적 가혹하며 다양한 온도, 습도 및 부하 변화를 견딜 수 있어야 한다. 그중 풍력 발전기의 메인 샤프트 베어링은 풍력 하중을 흡수하고 부하를 전달하는 주요 구성 요소로, 그 성능은 전달 효율에 영향을 줄 뿐만 아니라 이에 따라 메인 구동 체인의 유지 보수 비용도 결정된다. 가장 중요한 것은 베어링을 탑재하고 교체하는 데 드는 불편함과 높은 비용으로 인해 한 번의 설치 및 분해 비용이 수십만에서 수백만 위안에 달한다는 것이다. 따라서 20년간의 사용 수명과 높은 신뢰성이 풍력 발전기에 대한 기본 요구 사항이 되었다. 상기 내용을 요약하면 풍력 발전기 세트의 가혹한 작업 조건과 장수명, 높은 신뢰성 요구사항으로 인해 베어링은 기술적 복잡성이 높고 국산화가 가장 어려운 기술 중 하나로 인식되어 있으며 중국의 풍력 발전 제조업의 약점으로 알려져 있다.

현재 주로 국외 베어링 대형 기업들이 세계 풍력 발전기 베어링 시장을 지배하고 있는 것이 현실이다. 국내 풍력 발전기 베어링 기업의 생산 능력은 주로 기술 난이도가 비교적 낮은 요 베어링과 피치 베어링에 집중되어 있다. 메인 샤프트 베어링, 가속 장치 베어링은 기술 수준이 미달하여 여전히 수입품에 의존하고 있으며 중국에서는 여전히 개발 단계에 있다.

현재 풍력 발전기의 메인 샤프트 베어링 강재는 주로 일렉트로 슬래그 재용융 제조기술에 의해 생산된 베어링 강재를 채택하고 주로 일렉트로 슬래그 재용융 제조기술로 생산되는 침탄 베어링 강재 G20Cr2Ni4를 채택하고 있다. 일렉트로 슬래그 재용융 제조기술에 의해 생산된 강재는 작은 비금속 개재물 입자 및 균일한 분포도, 높은 조직 균일도 및 치밀도와 같은 많은 품질적 이점을 가지고 있기 때문에 품질 안정성이 항상 좋은 편이다. 그러나 일렉트로 슬래그 재용융 제조기술은 생산 효율이 매우 낮고 생산성이 매우 낮으며 에너지 소비 및 생산 비용이 매우 높다는 뚜렷한 단점이 있어 일렉트로 슬래그 재용융 철강의 시장 경쟁력이 극히 낮은 편이다.

본 발명은 현재의 침탄 베어링 강재 생산 기반에서 진공 탈가스, 연속 주조 및 압연의 고효율, 높은 생산 능력 및 저비용 제조 기술 경로를 이용하여 주요 제조 기술에 대한 연구 및 제어를 최적화함으로써 강재가 고순도, 높은 수준의 균일성과 높은 치밀도를 갖도록 하여 현재의 일렉트로 슬래그 재용융 제조 기술을 대체하고 성능이 풍력 발전기 메인 샤프트 베어링 강재의 요구 사항을 충족하도록 했다.

본 발명은 풍력 발전기의 메인 샤프트 베어링에 사용되는 강재의 순도, 균일성, 치밀성, 내마모성 및 높은 담금질 가공성 요건을 충족하기 위해 강재의 화학 성분을 합리적으로 설계하여 진공 탈가스 + 연속 주조 생산 기술로 제조하는 메인 샤프트 베어링 강재를 새롭게 발명했다.

본 발명은 미세 개재물과 조대 개재물 모두에 대해 엄격한 요구 사항을 제시했다. 미세 개재물에는 A 유형 및 C 유형의 소성 개재물과 B 유형 및 D 유형의 취성 개재물이 포함된다. 취성 개재물은 강철의 단단한 입자이기 때문에 베어링 작동 중에 응력 집중이 발생하고 동시에 강재 변형시 매트릭스에서 분리되어 쉽게 균열이 발생하여 응력 집중으로 인한 균열 발생이 더욱 심각해진다. 개재물 입자가 크고 길이가 길수록 손상이 더욱 커진다. 소성 개재물은 강철의 연질 입자이며 강철 변형 중에 매트릭스에서 분리하기가 쉽지 않으므로 피해가 작은 편이다.

본 발명에서는 작은 미세 취성 개재물이 요구된다. B 미세계 ≤ 1.5등급, B 조대계 ≤ 1.0등급, D 미세계 ≤ 1.0등급, D 조대계 ≤ 1.0등급, DS계 ≤ 1.0등급이 요구되며, 구체적 요구 사항은 아래 [표 1] 을 참조하면 된다. 조대 개재물은 강재의 내마모성을 현저히 감소시키고 심각한 응력 집중을 유발하여 베어링 사용 중 조기 고장을 일으킬 수 있다. 본 발명의 거시적 결함은 SEP 1927 (단조 강봉 순도 침수 초음파 측정 방법)을 기반으로 하여 침수 고주파 결함 검출 방법으로 검사시 단일 개재물의 길이가 5mm를 초과하지 않도록 한다.

유형	A		B		C		D		DS
유형	미세계	조대계	미세계	조대계	미세계	조대계	미세계	조대계	DS
급별	1.5	1.0	1.5	1.0	0	0	1.0	1.0	1.0

강재 매크로 조직의 균일성과 치밀도는 베어링의 수명에 영향을 미치므로 본 발명에서는 매크로 조직에 대하여 GB/T 1979를 채택하여 강재 매크로 조직 등급 평가하고, 중심 다공성≤1.5급, 일반 다공성≤1.0급, 잉곳 편석≤1.0급, 중심 편석≤1.5 급으로 요구하며 수축홀, 균열 및 피하 기포는 허용되지 않는다.

강재의 강도, 인성 및 내충격성을 보장하기 위해 본 발명에서는 결정 입도에 대하여 요구하며 결정 입도를 ≥5급으로 요구하는 반면 인장 강도에 대한 요구는 ≥1200Mpa이고, 충격 성능 AKU 요구는 ≥65J이다. 강재의 냉간 가공 성능을 보장하기 위해 경도는 ≤260HBW이고, 탈탄은 ≤0.8%D (D는 직경 임)로 요구되고 있다. 메인 샤프트 베어링의 사용 요건에 적합한지 확인하기 위해 본 발명에서는 강재의 담금질성을 요구하고 있다. 담금질성에 대한 요구 사항은 아래 표 2와 같다.

위치	J1.5	J3	J5	J7	J9	J11	J13	J15	J20	J25	J30	J35	J40	J45	J50
표준	43 - 48	42 - 47	42 - 47	41 - 46	41 - 46	41 - 46	41 - 46	40 - 46	40 - 46	39 - 46	38 - 45	37 - 45	36 - 44	35 - 44	34 - 43

전술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서 채택한 기술적 해결책은 풍력 발전기의 메인 샤프트 베어링용 강재이며, 화학 성분은 C : 0.10 ~ 0.30%, Si : 0.10 ~ 0.50%, Mn : 0.30 ~ 0.80%, Cr : 1.30 ~ 1.60%, S≤0.025%, P≤0.025%, Ni : 3.25 ~ 3.75%, Cu≤0.30%, Mo : 0.15 ~ 0.25%, Al : 0.005-0.05%, N : 0.005-0.015%, Ca≤0.0010%, Ti≤0.003%, O≤0.0015%, As≤0.04%, Sn≤0.03%, Sb≤0.005%, Pb≤0.002%이고 나머지는 Fe와 불가피한 불순물이다. 본 발명의 풍력발전기 메인 샤프트 베어링용 강재의 화학 성분 설계 근거는 다음과 같다.

1) C 함량 결정

침탄 베어링강에서 탄소 함량은 침탄 및 담금질 후 부품의 중심부 경도와 담금질 가공성을 결정하는 가장 중요한 원소 중 하나이다. C 함량을 높이면 강재의 경도와 강도가 증가하여 내마모성이 향상된다. 그러나 너무 높은 C 함량은 강재의 인성에 불리하다. 따라서 침탄 베어링 강재의 경우 베어링 강 내부는 내충격성뿐만 아니라 충분한 강도도 가져야 한다. 본 발명에서는 그 함량을 0.10-0.30%로 관리한다.

2) Si 함량 결정

Si는 강재 중의 탈산 원소이며 고용융 강화 형태로 강재의 경도와 강도를 향상시켜 준다. 페라이트에서 C의 확산 속도를 줄여 템퍼링 과정에서 석출된 탄화물이 집합되기 쉽지 않고 강재의 템퍼링 안정성을 높여 준다. 강재가 비교적 낮은 온도에서 템퍼링할 때 강재의 내부 응력을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 높은 경도를 유지시킬 수 있다. 또한 Si는 마찰 가열시 산화를 감소시키고 강재의 냉간 변형 경화율을 높여 소재의 내마모성을 향상시킨다. 그러나 Si 함량이 높으면 강재의 인성이 감소되고 Si는 강재의 과열 민감도, 균열 및 탈탄 경향을 증가시킨다. 본 발명에서는 Si 함량을 0.10 ~ 0.50%로 관리한다.

3) Mn 함량 결정

제강 공정에서 탈산소 원소인 Mn은 강재 강화에 효과적인 원소이며 고용융 강화 역할을 하고, Mn은 강재의 담금질 가공성을 높이고 강재의 열간 가공성을 개선시킬 수 있다. Mn은 S (황)의 영향을 해소할 수 있다. Mn은 철강 제련에서 S와 고융점 MnS가 형성되어 S의 악영향을 약화시키고 해소할 수 있게 된다. 그러나 Mn 함량이 높으면 강철의 인성이 감소된다. 본 발명에서는 Mn 함량을 0.30 ~ 0.80%로 관리한다.

4) Cr 함량 결정

Cr은 강재의 담금질 가공성, 내마모성 및 내식성을 향상시킬 수 탄화물 형성 원소이다. 그러나 Cr 함량이 너무 높으면 강재 중의 탄소와 결합되어 큰 탄화물 덩어리가 쉽게 형성되며, 이런 불용성 탄화물은 강재의 인성을 저하시킨다. 침탄 베어링 강재의 크롬은 담금질 가공성을 조정하고 침탄층의 내마모성을 개선하며 강재의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다. 또한 크롬은 강재의 열처리 공정을 안정화하고 우수한 침탄 성능을 얻을 수 있으며 탄화물의 불균일성을 줄일 수 있다. 본 발명의 Cr 함량 범위는 1.30-1.60%로 결정했다.

5) Al 함량 결정

Al은 강철의 탈산 원소로 첨가되며, 용강 중의 용존 산소를 감소시키는 외에도 Al과 N은 작고 분산된 질화 알루미늄 개재물을 형성하여 입자 크기를 줄여준다. 그러나 Al 함량이 너무 높으면 용강 용해 과정에서 큰 입자 Al₂O₃ 등과 같은 취성 개재물이 쉽게 형성되어 용강의 순도가 저하되고 완제품의 수명에 영향을 준다. 본 발명의 Al 함량 범위는 0.005%-0.05%로 결정했다.

6) Ni 함량 결정

강재 중의 니켈은 표면에서 탄소 원자를 흡수하는 능력을 감소시키고, 오스테나이트에서 탄소 원자의 확산을 가속화하며, 침탄층 중의 탄소 농도를 감소시킴으로써 니켈은 침탄 속도를 줄일 수 있다. 동시에 니켈을 첨가하면 강철의 인성이 향상된다. 본 발명의 Ni 함량 범위는 3.25%-3.75%로 결정했다.

7) Mo 함량 결정

침탄 베어링강에서 몰리브덴의 주요 역할은 담금질성을 제고하고 강재의 기계적 특성을 개선하며 특히 인성을 향상시키는 효과가 있다. 또한 강재의 내마모성 및 침탄 특성을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 Mo 함량 범위는 0.15%-0.25%로 결정했다.

8) N 함량 결정

과포화 질소가 강재에 용해되면 질소는 오랜 시간이 지나면 질화물 형태로 석출되어 강재의 경도와 강도가 증가되고 가소성이 감소되며 노화가 발생된다. 적절한 양의 알루미늄을 강재에 첨가하면 안정된 AlN이 생성되고 Fe₄N의 형성 및 침전을 억제할 수 있어 강재의 에이징 특성을 향상시킬 뿐만 아니라 오스테나이트 결정립의 성장을 방지하여 결정립 미세화의 역할도 한다. 그러나 질소는 강의 합금 원소와 함께 질화물 비금속 개재물을 형성하고 더 중요한 것은 합금 원소의 역할을 감소시킨다는 것이다. 강재 중의 질소 함량이 높으면 강재의 강도는 증가되지만 충격 인성이 감소된다. 본 발명의 N 함량은 0.005-0.015%로 결정했다.

9) Ca 함량 결정

Ca 함량은 강재의 점상 산화물의 수량과 크기를 증가시키는 동시에 점상 산화물은 경도가 높고 소성이 좋지 않기 때문에 강재가 변형될 때 함께 변형되지 않아 계면에 공극이 쉽게 형성되어 강재의 성능이 저하된다. 본 발명에서 Ca 함량의 범위는 ≤0.001%로 결정했다.

10) Ti 함량 결정

Ti 원소와 N 원소가 결합되면 질화 티타늄 개재물을 형성할 수 있으며, 경도가 높고 날카롭고 뾰족한 모양 때문에 베어링 작동시 응력 집중이 발생하기 쉽고 베어링 수명에 큰 영향을 미치므로 Ti≤0.0030%로 결정했다.

11) O 함량 결정

산소 함량은 산화물 개재물의 총량을 나타내며, 산화물 취성 개재물에 대한 제한은 완제품의 수명에 영향을 미친다. 대량으로 실험해 본 결과 산소 함량 감소가 강재 순도 향상, 특히 강중 산화철 취성 개재물의 감소에 크게 도움이 되는 것으로 나타났다. 본 발명의 산소 함량 범위는 ≤0.0015%로 결정했다.

12) P, S 함량 결정

P 원소는 강재의 응고 과정에서 원소 편석을 일으키고 페라이트에 용해되어 결정립이 찌그러지고 거칠고 커지며 냉간 취성을 증가시켜 P≤0.025%로 결정했다. S 원소는 강재의 열간 취성을 일으키기 쉽고 강재의 연성과 인성을 감소시킨다. 형성된 황화물은 또한 강철의 연속성을 파괴하므로 S≤0.025%로 결정했다.

13) As, Sn, Sb, Pb 함량 결정

Sn, Sb, Pb 및 기타 미량 원소는 모두 저융점 비철금속에 해당되며 강재에 존재하여 부품 표면에 연질 점과 고르지 않은 경도를 유발하므로 강재의 유해 원소로 간주된다. 본 발명에서 이들 원소의 함량 범위는 As≤0.04%, Sn≤0.03%, Sb≤0.005%, Pb≤0.002%로 결정했다.

이 발명의 또 다른 목적은 풍력 발전기의 메인 샤프트 베어링용 강재를 생산하는 방법을 제공하는 것인데 일렉트로슬래그 재용융 방식 대신 연속 주조 방식을 사용하여 빌렛을 제련하는 것이다. 주요 단계는 다음과 같다.

(1) 용강 제련.

(2) 큰 단면 CCM 대형 빌렛을 연속 주조하고 강재 압축 비율을 4이상으로 확보한다.

(3) 연속 주조 빌렛의 서냉, 서냉 후 연화 및 소둔: 연속 주조 빌렛의 서냉은 연속 주조 빌렛을 갱도에 넣어 서서히 냉각하는 과정을 가리킨다. 그중 갱도에 들어갈 때 온도가 600℃ 이상이고, 갱도 내 서냉 시간은 48시간 이상이며 갱도에서 반출되는 온도는 200℃ 미만이고 연화 어닐링은 갱도에서 나온 후 24시간 이내에 수행되며, 연화 어닐링 온도는 600-700℃, 가열 및 유지 시간은 ≥10시간이고, 그 다음 노에서 450℃로 냉각한 다음 상온으로 공냉시킨다.

(4) 연속 압연: 중성 또는 약한 산화성 분위기의 가열로에서 1150℃-1280℃까지 가열하고, 가열 및 유지 시간 ≥7h, 노에서 나온 후 연속 주조 빌렛은 고압수에 의해 탈인된 다음 조압연기-중간 압연기-마무리 압연기를 거쳐 환봉으로 압연된다. 총 압축비율 ≥4이고 조압연 시작온도 1000-1150℃로 고온에서 가열된 오스테나이트 결정립이 재결정, 미세화된다. 최종 압연 온도는 800-950℃로 조절되어 최종 압연이 재결정 온도가 아닌 범위에서 이루어지므로 변형된 오스테나이트 결정립이 길어지고 결정립 내에 변형대가 많아 상변태 후 페라이트 결정립이 미세화됨으로써 강재의 강도와 인성을 향상시킨다.

(5) 압연 강재의 서냉 및 연화 어닐링: 압연 후 봉재는 480℃ 및 그 이상의 온도에서 갱도에 들어가 서서히 냉각되고, 서냉 시간은 60시간 이상, 출구 온도는 200℃ 미만, 봉재를 갱도에서 꺼낸 후 24시간 내 재차 연화 어닐링 처리한다. 연화 어닐링 온도는 600-700℃, 유지 시간은 ≥7h, 노에서 500℃로 냉각한 다음 상온으로 공냉시킨다.

(6) 정밀 수정

바람직하게는, 제 (1) 단계에서는 제련 원료를 순서에 따라 용철 전처리 KR, 전기로 또는 컨버터 제련, LF 정제, RH 또는 VD 진공 탈가스 처리하여 화학 성분 요건을 충족하는 순수한 용강을 얻는 것이다.

제련 원료는 고품질의 용철, 고철, 원부자재로 선택하며, 고품질의 내화물로 선택한다. 제련은 고성능 정제 합성 슬래그를 사용하여 강재에 포함된 다양한 개재물의 수량과 형태를 제어한다. 래들에서 비금속 개재물들이 충분히 부상되도록 개재물 제거 과정을 장시간 유지한다. 특수 정제 슬래그와 중간 래들 보호 슬래그를 선택하여 개재물이 흡착되도록 한다.

바람직하게는, 제 (2) 단계 연속 주조는 중간 래들 유도 가열, 경압하 및 전자기 교반을 채택하여 주조 빌렛의 편석 및 재료 조직을 효과적으로 개선했다. 큰 단면 전과정 보호 공정 연속 주조를 채택하여 강재 압축 비율은 4이상으로 유지시켜 재료의 치밀도를 효과적으로 보장했다. 연속 주조는 저과열도 주입 방식을 채택하고 연속 주조 과열도를 35℃ 이하로 조절하여 재료의 균일성을 효과적으로 개선시켰다. 강재 완성품 화학 성분 요건을 충족하는 390 × 510mm 및 그 이상의 사각형 빌렛과 Φ600 및 그 이상의 원형 연속 주조 빌렛을 연속 주조했다.

구체적으로, 전술 제 (6) 단계인 정밀 수정 단계에는 봉재 완성품을 얻기 위해 교정, 비파괴 검사 등 정밀 수정 공정을 포함시켰다.

모든 제품은 100% 비파괴 검사를 거쳐야 하며 검사에서 합격되면 합격된 제품으로 인정된다.

주요 제조 기술의 특성은 다음과 같다.

1. 용강 제련은 용철로 철을 전처리하는 동시에 고철의 품질을 엄격하게 관리해야 하며 가급적 저티타늄 합금, 탈산제 및 내화물을 품질이 좋은 것으로 선택해야 한다. 컨버터에서 용강을 끌어내 올 때 슬래그 태핑, 컨버터 뒤의 슬래깅 등 제어 제조 기술을 채택하여 유해한 원소인 Ti, Ca, As, Sn, Pb 및 Sb의 함량이 높다는 문제를 기술적으로 해결했다.

2. 탈산 기술과 RH 진공 순환 탈가스 기술을 적용하여 강재 중의 O 및 H 함량을 극도로 낮은 수준으로 줄이고 개재물의 수량과 크기를 효과적으로 제어한다. 검사 결과에 의해 본 발명 제품의 개재물의 수량과 크기는 세계 최고 수준에 도달했음을 알 수 있다.

3. 연속 주조는 저 과열도 주입 방식을 채택하고 중간 래들 유도 가열, 경압하 및 전자기 교반 기술을 채택하여 주조 빌렛의 편석 및 재료 조직을 효과적으로 개선했다. 큰 단면 전과정 보호 주입을 채택하여 강재 압축 비율은 4이상으로 확보하여 재료의 치밀도를 보장했다.

4. 연속 주조 빌렛 및 압연재에 대해 갱도 내 서냉 + 연화 어닐링 처리를 진행하여 강재 표면 및 내부의 열응력 및 조직 응력의 변화로 인한 강재의 균열 발생을 방지했다.

5. 제조기술은 진공 탈가스 및 연속 주조의 제조 기술을 채택하였으며, 일렉트로 슬래그 재용융 기술에 비해 생산 주기가 대폭 단축되고 생산 효율이 향상되었으며 제조원가가 효과적으로 절감되고 대규모 생산이 실현됨으로써 재료 성분과 제품 품질 안정성을 향상시키는 데 도움이 되었다.

6. 본 발명에 의해 생산된 풍력 발전기 메인 샤프트 베어링용 강재는 다음 지표 요건을 충족한다.

미세 개재물은 GB/T 10561 A 방법에 의해 검사하되, B 미세계 ≤ 1.5등급, B 조대계 ≤ 1.0등급, D 미세계 ≤ 1.0등급, D 조대계 ≤ 1.0등급, DS계 ≤ 1.0등급 기준에 따라 검사했다. 거시 결함 요건은 SEP 1927 방법에 의해 검사하되 단일 개재물의 길이는 5mm를 초과해서는 안된다. 매크로 조직에 대하여 GB/T 1979를 채택하여 강재 매크로 조직 등급 평가하고 중심 다공성≤1.5급, 일반 다공성≤1.0급, 잉곳 편석 ≤1.0급, 중심 편석 ≤1.5급으로 요구하며 수축 홀, 균열 및 피하 기포는 허용되지 않는다.

도 1은 실시예 제품 매크로 조직도이다.
도 2는 대조예 제품 매크로 조직도이다.

실시예를 결합하여 아래에서 본 발명에 대하여 더 상세히 설명하고자 한다.

본 발명의 각 실시예와 대조용의 현재 시판중인 일렉트로 슬래그 재용융 기술을 적용한 G20Cr2Ni4의 화학성분(wt%)은 [표 3]을 참조한다.

	실시예	C	Si	Mn	P	S	Cr	Cu	Ni	Al
본 발명	1	0.17	0.31	0.52	0.011	0.002	1.40	0.01	3.32	0.042
본 발명	2	0.18	0.28	0.48	0.011	0.003	1.40	0.01	3.35	0.037
본 발명	3	0.17	0.28	0.50	0.014	0.002	1.41	0.01	3.33	0.026
대조 강재	4	0.20	0.24	0.45	0.018	0.006	1.48	0.02	3.45	0.035
	실시예	Mo	As	Sn	Sb	Pb	Ca	N	Ti	O
본 발명	1	0.17	0.0046	0.0019	0.001	0.0003	0.0003	0.0095	0.0012	0.00067
본 발명	2	0.17	0.0051	0.0006	0.001	0.0003	0.0006	0.0105	0.0011	0.00068
본 발명	3	0.18	0.0047	0.0010	0.001	0.0003	0.0006	0.0102	0.0011	0.00062
대조 강재	4	0.02	0.0045	0.0012	0.001	0.0003	0.0008	0.0042	0.0035	0.0018

각 실시예 강재 중의 개재물

	실시예	A 미세 개재물	A 조대 개재물	B 미세 개재물	B 조대 개재물	C 미세 개재물	C 조대 개재물	D 미세 개재물	D 조대 개재물	Ds 개재물
본 발명 Φ230	1	0.5	0	0~0.5	0	0	0	0.5	0~0.5	0~0.5
본 발명 Φ230	2	0.5	0	0~0.5	0~0.5	0	0	0.5	0	0
본 발명Φ230	3	0.5	0	0~0.5	0	0	0	0.5	0	0~0.5
대조 강재	4	0.5	0	0~0.5	0~1.0	0	0	0.5~1	0.5	0~1.0

각 실시예 강재의 말단부 담금질성 데이터

	J1.5	J3	J5	J7	J9	J11	J13	J15	J20	J25	J30	J35	J40	J45	J50
본 발명 실시예1	44	43.5	43.5	43	43	43	43	43	43	43	41	41	41	40	39.5
본 발명 실시예2	45	42	42	42	42	42	42	42	41.5	41.5	41	40	40	38	38
본 발명 실시예3	44	43	43	43	43	43	43	43	43	42.5	41.5	41.5	40	39.5	39
대조 강재	43	41.5	41	41.5	40	40	39.5	39	39	39	38.5	38	38	37	37

각 실시예의 결정입도, 경도 및 기계적 물성 데이터

	결정입도	경도 (HBW)	인장 강도 (MPa)	충격 인성 AKU (J)
본 발명 실시예1	7.5	209	1457	88
본 발명 실시예2	7	213	1468	76
본 발명 실시예3	7.5	206	1465	82
대조 강재	6	201	1410	79

각 실시예 강재의 매크로 조직 데이터

	중심 다공성	일반 다공성	잉곳 편석	중심 편석	균열	수축홀	피하 기포
본 발명 실시예1	1	1.0	1.0	1.0	무	무	무
본 발명 실시예2	1	1.0	1.0	1.0	무	무	무
본 발명 실시예3	1	1.0	1.0	1.0	무	무	무
대조 강재	1.5	1.0	1.0	1.0	무	무	무

실시예의 임의의 제품 매크로 조직은 도 1을 참조하고 대조 강재의 매크로 조직은 도2를 참조한다.

본 발명의 실시예 중의 풍력 발전기 메인 샤프트 베어링용 강재의 제조 공정은 용철 전처리 + 상하 복합 송풍 컨버터 BOF (대용량 전기 아크로 EAF)-래들 정제로 LF - 진공 순환 탈기로 RH (VD로) - 큰 단면 연속 주조 CCM 대형 주조 빌렛 - 연속 압연 - 정밀 수정의 성형 공정을 거쳐 강재가 생산된다.

구체적으로 제련 시 고품질 용철, 고철, 원부자재를 선정하고, 고품질 탈산제 및 내화물을 선정했다. 전기로/ 컨버터 생산 과정 중에서 3개의 실시예의 강재 반출 종점 C는 각기 ≥0.10%로 관리하고 종점 P는 ≤0.015% 이하로 관리하며 연속 주조 과열도는 10-35℃ 내에서 관리한다. 생산된 연속 주조 빌렛을 갱도에 넣어 서서히 냉각시키고, 그중 갱도 진입 온도는 600℃ 이상, 갱도내 서냉 시간은 48 시간 이상이고, 갱도 출구 온도는 200℃ 미만이며, 갱도에서 반출한 후 24 시간 내에 연화 어닐링을 진행한다. 연화 어닐링 온도는 600-700℃, 가열 및 온도 유지 시간은 ≥10h이며, 가열로에서 450℃까지 냉각한 다음 실온으로 공냉한다. 전술 연속 주조 원형 빌렛을 쇼트 블라스팅한 후 중성 또는 약산화성 분위기의 가열로로 보내 원하는 봉재로 가열 및 압연한 후 압연이 완료되면 봉재를 갱도에 넣어 서서히 냉각시킨다. 압연 강재 가열, 압연 및 냉각 공정은 아래 표8을 참조하면 된다. 봉재를 갱도에서 반출한 후 24 시간 이내에 다시 연화 어닐링을 진행한다. 연화 어닐링 온도는 600-700℃, 온도 유지 시간은 ≥7h이며, 가열로에서 500℃까지 냉각한 다음 실온으로 공냉한다. 그런 다음 봉재를 교정, 비파괴 검사를 거쳐 원하는 봉재 완제품이 제작 완료된다.

번호	가열 제조 기술		열간 압연 제조 기술		압연재 냉각 제조 기술
번호	가열온도(℃)	가열시간（h）	압연 시작 온도（℃）	압연 완성 온도（℃）	갱도 진입 온도（℃）	갱도 서냉 온도（℃）	갱도 반출 온도（℃）
1	1250	11h25min	1100	870	510	62	120
2	1254	12h30min	1115	900	525	65	150
3	1256	10h50min	1112	880	505	62	160

표 3, 4, 5, 6, 7의 비교를 통해 본 발명의 각 실시예에서 풍력 발전기의 메인 샤프트 베어링용강은 일렉트로 슬래그 재용융 G20Cr2Ni4 강과 비교해 보면 유해 원소인 산소, 티타늄 및 비금속 개재물에 대한 관리 수준이 뚜렷하게 개선되었음을 알 수 있다. 즉, 강재의 순도가 일렉트로 슬래그 재용융 기술로 생산된 제품보다 분명히 좋아졌다. 매크로 조직 검사 결과를 보면 본 발명의 매크로 조직 품질이 일렉트로 슬래그 재용융 생산 기술로 생산된 G20Cr2Ni4 강보다 나쁘지 않다. 본 발명의 균일성, 치밀도는 일렉트로 슬래그 재용융 생산 기술에 의해 생산된 강재의 품질과 동일하다는 것을 알 수 있다. 전술 분석을 바탕으로 본 발명의 진공 탈가스 및 연속 주조 생산 기술로 생산된 풍력 발전기 메인 샤프트 베어링강은 기존 일렉트로 슬래그 재용융 생산 기술을 대체할 수 있고 생산 효율이 크게 향상되었으며 생산 비용이 절감되어 제품 경쟁력이 크게 높아졌다고 할 수 있다.

전술 내용을 요약하면 본 발명은 풍력발전기 메인 샤프트 베어링강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 강재의 순도 향상이라는 전체적 맥락을 통해 진공 탈가스, 연속 주조, 압연 등 고효율, 대용량, 저비용 제조 기술을 채택하였고 중요한 제조 기술에 대한 최적화 연구 및 제어를 진행하여 기존 일렉트로 슬래그 재용융 제조 기술을 완전히 대체할 수 있는 고순도, 높은 조직 균일성 및 높은 치밀도를 가진 강재를 얻을 수 있었다. 생산 효율, 생산 비용 및 제품 품질 안정성에서 더욱 우수한 경쟁력이 구비할 수 있게 된다.

본 발명은 상기 실시예 외에 다른 실시 방식을 포함하며, 동등한 변형 및 균등한 대체 방법으로 형성된 기술 방안은 모두 본 발명의 청구 범위에 포함된다.

Claims

화학 성분은 C : 0.10 ~ 0.30%, Si : 0.10 ~ 0.50%, Mn : 0.30 ~ 0.80%, Cr : 1.30 ~ 1.60%, S≤0.025%, P≤0.025%, Ni : 3.25 ~ 3.75%, Cu≤0.30%, Mo : 0.15 ~ 0.25%, Al : 0.005-0.05%, N : 0.005-0.015%, Ca≤0.0010%, Ti≤0.003%, O≤0.0015%, As≤0.04%, Sn≤0.03%, Sb≤0.005%, Pb≤0.002%이고 잔부는 Fe와 불가피한 불순물인 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 메인 샤프트 베어링용 강재.
강재 결정 입도 ≥ 5등급, 경도 ≤ 260HBW, 탈탄요구 ≤ 0.8%D (D는 직경임), 금속 조직학 방법을 채용하여 미세 취성 개재물을 검사하되, B 미세계 ≤ 1.5등급, B 조대계 ≤ 1.0등급, D 미세계 ≤ 1.0등급, D 조대계 ≤ 1.0등급, DS계 ≤ 1.0등급 기준에 따라 검사하며, SEP 1927 침수 고주파 비파괴 검사를 채용하고 개재물의 길이는 5mm를 초과해서는 안 되고, GB/T 1979를 채택하여 강재 매크로 조직 등급 평가하고 중심 다공성 ≤1.5급, 일반 다공성 ≤1.0급, 잉곳 편석 ≤1.0급, 중심 편석 ≤1.5 급으로 요구하며 수축홀, 균열 및 피하 기포는 허용되지 않고,
인장 강도는 ≥ 1200MPa이고, 충격 성능 AKU ≥ 65J로 요구되고,
말단 담금질성은 위치 J1.5 : 43-48, J3 : 42-47, J5 : 42-47, J7 : 41-46, J9 : 41-46, J11 : 41-46, J13 : 41-46, J15 : 40-46, J20 : 40-46, J25 : 39-46, J30 : 38-45, J35 : 37-45, J40 : 36-44, J45 : 35-44, J50 : 34-43의 요건을 충족하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 메인 샤프트 베어링용 강재.
다음의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 메인 샤프트 베어링용 강재의 제조 방법.
(1) 용강 제련 단계;
(2) 큰 단면 CCM 대형 연속 주조 빌렛의 연속 주조 단계;
(3) 연속 주조 빌렛을 서서히 냉각시키고 서서히 냉각된 후 연화 및 어닐링하고, 연화 어닐링 온도는 600-700℃, 가열 및 온도 유지 시간은 ≥ 10h이며, 가열로에서 450℃까지 냉각한 가열로에서 꺼내 실온으로 공냉하는 단계;
(4) 연속 압연 단계로서, 중성 또는 약한 산화성 분위기의 가열로에서 1150℃-1280℃까지 가열하고, 가열 및 유지 시간 ≥ 7h, 노에서 나온 후 연속 주조 빌렛은 고압수에 의해 탈인한 다음 조압연기-중간 압연기-마무리 압연기를 거쳐 환봉으로 압연 제조하고, 총압축비율 ≥ 4이고 조압연 시작 온도 1000-1150℃로 고온에서 가열된 오스테나이트 결정립이 재결정, 미세화되고, 최종 압연 온도는 800-950℃로 조절되어 최종 압연이 재결정 온도가 아닌 범위에서 이루어지므로 변형된 오스테나이트 결정립이 길어지고 결정립 내에 변형대가 많아 상변태 후 페라이트 결정립이 미세화하는 연속 압연 단계;
(5) 압연재의 서냉 및 연화 어닐링: 연화 어닐링 온도는 600-700℃, 온도 유지 시간은 ≥ 7시간이며, 가열로에서 500℃까지 냉각한 다음 실온으로 공냉하는 단계;
(6) 정밀 수정 단계.
제3항에 있어서, 상기 제 (1) 단계에서는 제련 원료를 용철 전처리 KR, 전기로 또는 컨버터 제련, LF 정제, RH 또는 VD 진공 탈가스를 순차적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 메인 샤프트 베어링용 강재의 제조 방법.
제4항에 있어서, 제련 원료는 고품질의 용철, 고철, 원부자재로 선택하며, 고품질의 내화물로 선택하며 제련은 고성능 정제 합성 슬래그를 사용하여 강재에 포함된 다양한 개재물의 수량과 형태를 제어하고 래들에서 비금속 개재물들이 충분히 부상되도록 개재물 제거 과정을 장시간 유지하며 특수 정제 슬래그와 중간 래들 보호 슬래그를 선택하여 개재물이 흡착되도록 하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 메인 샤프트 베어링용 강재의 제조 방법.
제3항에 있어서, 제 (2) 단계에서는 중간 래들 유도 가열, 경압하 및 전자기 교반 기술을 채택하여 주조 빌렛의 편석 및 재료 조직을 효과적으로 개선하고, 전과정 보호 주입을 채택하며, 연속 주조는 저과열도 주입 방식을 채택하고, 강재 압축 비율은 4이상으로 확보하여 재료의 치밀도를 보장하고, 큰 단면 전과정 보호 주입을 채택하여 연속 주조 과열도는 ≤35℃ 내에서 관리함으로써 강재 완성품 화학 성분 요건을 충족하는 390 × 510mm 및 그 이상의 사각형 빌렛과 Φ600 및 그 이상의 원형 연속 주조 빌렛을 연속 주조하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 메인 샤프트 베어링용 강재의 제조 방법.
제3항에 있어서, 제 (3) 단계에서는 연속 주조 빌렛을 갱도에 넣어 서서히 냉각시키고, 그중 갱도 진입 온도는 600℃ 이상, 갱도내 서냉 시간은 48 시간 이상이고, 갱도 출구 온도는 200℃ 미만이며, 갱도에서 반출한 후 24 시간 내에 연화 어닐링을 진행하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 메인 샤프트 베어링용 강재의 제조 방법.
제3항에 있어서, 제 (5) 단계에서는 압연 강재의 서냉은 압연 후 봉재가 480℃ 및 그 이상의 온도에서 갱도에 들어가 서서히 냉각되고, 서냉 시간은 60 시간 이상, 출구 온도는 200℃ 미만, 봉재를 갱도에서 꺼낸 후 24시간 내 재차 연화 어닐링 처리하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 메인 샤프트 베어링용 강재의 제조 방법.
제3항에 있어서, 제 (6) 단계인 정밀 수정 단계에는 교정, 비파괴 검사를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 메인 샤프트 베어링용 강재의 제조 방법.
제3항에 있어서, 제 (2) 단계 연속 주조 빌렛의 화학성분이 C : 0.10 ~ 0.30%, Si : 0.10 ~ 0.50%, Mn : 0.30 ~ 0.80%, Cr : 1.30 ~ 1.60%, S≤0.025%, P≤0.025%, Ni : 3.25 ~ 3.75%, Cu≤0.30%, Mo : 0.15 ~ 0.25%, Al : 0.005-0.05%, N : 0.005-0.015%, Ca≤0.0010%, Ti≤0.003%, O≤0.0015%, As≤0.04%, Sn≤0.03%, Sb≤0.005%, Pb≤0.002%이고 나머지는 Fe와 불가피한 불순물인 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 메인 샤프트 베어링용 강재의 제조 방법.