专利名称：一种风电设备铸件及其制备方法
技术领域：
本发明涉及 风力发电设备的制造技术领域，具体涉及一种风电设备铸件及其制备方法。
背景技术：
风能是除水电外最有前途的可再生能源，风力的利用可以提供清洁能源，不产生温室气体。目前，大型丽级风力发电机已进入大批量制造阶段，主力机型为广3丽风力发电机。大型风力发电机组用风电铸件主要有轮毂、底座(机舱座)、轴承座、齿轮箱箱体等，轮毂、底座(机舱座)等铸件材料国内外普遍采用球墨铸铁制造。由于风电设备架设在高处运行，不便于经常维修，设备设计时确定的维修期通常为20年，甚至30年。因此，对铸件材质的疲劳强度，对铸件质量的可靠性和耐用性，都有非常严格的要求。另外，设备在室外高处运行，冬季气温很低，铸件材质还必须确保在低温下有良好的韧性。由于这样的要求，风电设备的主要铸件的材质都是铁素体球墨铸铁，而且在低温冲击韧度和疲劳强度等方面都有严格要求。目前，轮毂、底座(机舱座)等铸件材料主要采用EN1563标准的 EN-GJS-400-18U-LT 和 EN-GJS-350-22U-LT，相当于 GB/T 1348 标准中的 QT400-18AL 禾口 QT350-22AL。对广3 MW风力发电机，轮毂铸件单件质量一般为l(Tl8 t。为了提高风电铸件的性能，确保风电铸件安全使用，中国发明专利CN101168191 公开了一种-20°C低温铸态无Ni球铁铸造兆瓦级风电机组部件方法，它是以国产生铁为原料，经熔炼、球化、孕育制得低温铸态无M球铁，再经铸造得梁、箱体类薄壁件，所述低温铸态无Ni球铁的成分配方是C 3. 6% 3. 9%，Si 1.7% 3%，Mn 0. 1 % 0. 4%，不加Ni， Mg的残余含量0. 045% 0. 07%，剩余的是铁和杂质，杂质中P < 0. 04%，S < 0. 02% ；上述含量低温铸态无M球铁的成分是通过添加球化剂、孕育剂及采用二次孕育方法获得；球化后铸造工艺为在1300°C 1380°C将球化后的液态混合物浇铸到铸型中，并使其在铸型中缓慢冷却到300°C以下，从铸型中清出。中国发明专利CNlO 1168785还公开了一种-40 V
低温铸态无Ni球铁铸造兆瓦级风电机组部件--轮毂、底座的方法，它是以国产生铁为
原料，经熔炼、球化、孕育处理制得低温铸态无Ni球铁，再经铸造得轮毂、底座，所述低温铸态无Ni球铁的成分配方是C 3. 6% 3. 9%, Si 1. 7% 2. 5%, Mn 0. 0. 3%，不加 Ni，Mg的残余含量0.045% 0.07%，剩余的是铁和杂质，杂质中P <0.04%，S < 0. 02%； 上述含量低温铸态无M球铁的成分是通过添加球化剂、孕育剂及采用二次孕育方法获得； 球化后铸造工艺为在1300°C 1380°C将球化后的液态混合物浇铸到铸型中，并使其在铸型中缓慢冷却到400 °C以下，从铸型中清出。中国发明专利CN1817506还公开了铸态无Ni低温球铁铸造大型高韧部件的方法， 其特征是采用，(1)低温球铁的成分配方是3. 6-3. 9% C ;1. 7%至3% Si ;0. 至0. 4% Mn ；不加Ni ；Mg的残余含量0. 045%至0. 07%之间，剩余的是铁和制备过程中产生的杂质， P低于0. 04% ； (2)上述含量铸造球铁的成分通过添加球化剂获得；(3)球化后铸造工艺 在1300°C至1380°C之间将所述液态混合物浇铸到的铸型中；并使其在砂型中缓慢冷却到400°C以下从铸型中清出。成分中S低于0.02%。但是，采用上述公开的技术制造的大型风电铸件，仍存在低温冲击韧性低，使用安全性差等不足，这与国内生铁质量差，国内生铁中有害元素多有关。为了确保风电铸件的性能，国内风电铸件生产中，普遍使用国外进口生铁，特别是出口国外的风电铸件，绝大多数都使用进口生铁，进口生铁尽管杂质少，但价格高，导致风电铸件生产成本增加，企业效益下降。
发明内容
的目的在于避免现有的风电设备铸件的不足之处而提供一种风电设备铸件及其制备方法，其采用电炉熔炼，不加生铁补铁和碳，而是加入低锰废钢、石墨为主要原料，为了进一步提高风电铸件性能，还加入少量铋、锑、钾、钠、锶、钙、钡、铝等微合金元素， 细化石墨并改善石墨的球化效果，且具有防止球化衰退的作用，并用纯镁进行球化处理，还在浇注前采用铁素体球铁孕育剂进行孕育处理，从而有效满足了现有风力发电机组的使用要求。所述的一种风电设备铸件及其制备方法，其特点在于其风电设备铸件的化学成分是(质量百分数):3. 60 3. 80% 的 C，2. 2 2. 4% 的 Si, ,Mn 小于 0. 25%, 0. 006 0. 015% 的 K, 0. 006 0. 015% 的 Na, 0. 008 0. 015% 的 Bi，0. 015 0. 028% 的 Sb，0. 002 0. 004% 的 Sr，0. 035 0. 055% 的 Ba，0. 035 0. 055% 的 Ca，0. 030 0. 050% 的 Al，0. 032 0. 055% 的Mg, P小于0. 03%, S小于0. 01%，余量为Fe。所述的铸件化学成分中，C和三分之一的Si含量之和4. 35%<C+l/3Si<4. 55% ；K 和 Na 含量之和0. 020%<K+Na<0. 025%。所述的一种风电设备铸件及其制备方法，其包括如下步骤
第一步先将低锰废钢和石墨在电炉内加热熔化，当铁水温度升至1460 1480°C时， 加入硅铁脱氧同时合金化，然后加铝终脱氧，当铁水温度达到1500 1520°C，将含钾物质、 含钠物质和电解铋加入炉内，铁水调整成分合格后出炉；
第二步铁水球化处理，在铁水出炉过程中，将金属锑随流冲入浇包，然后用喷枪将钝化镁颗粒喷入铁水，钝化镁颗粒加入量占铁水质量分数的0. 02、. 03%，铁水经静置和扒渣后，注入专用铁水球化处理包，处理包深度与内径之比为1. 5 2. 0，铁水温度达到1440 1460°C时，采用自建压力加镁法进行球化处理，加镁钟罩压入铁液后距包底的距离为包深的10 12% ；
第三步铁水孕育处理，铁水经球化处理后，再采用铁素体球铁孕育剂进行孕育处理，铁素体球铁孕育剂的化学成分质量分数为0. 6 0. 8%的Sr, 15 18%的Ba，15 18%的 Ca, 8^10%的Al，35 40%的Si，余量为Fe，且铁素体球铁孕育剂的加入量占铁水总质量的 0. 4% 0. 6% ；
第四步铁水孕育处理后，温度达到1320 1340°C时，在树脂砂铸型中浇注风电铸件， 保温60 80 h，然后开箱空冷铸件；铸件打磨清理后，加热至250 280°C，保温48 60 h，炉冷至150°C后，出炉空冷，完成所述的风电设备铸件铸造。所述的第一步骤中的含钾物质为为经350°C焙烧过的KMnO4 ；所述的含钠物质为 NaOH和碳经热还原反应后的产物。所述的第二步骤中的钝化颗粒镁的钝化层由以下按质量百分比配比的原料构成，MgO 20^30%, NaF 1. 2 1. 8%, KCl =40^60%, CaO :15 30%。所述的一种风电设备铸件及其制备方法，其风电设备铸件的材料的性能是由其成分和组织决定的，本发明材料的成分设计理由如下
碳和硅及碳当量碳是球墨铸铁的基本元素，含碳量高，有利于石墨析出，石墨球数增多，球径变小，圆整度提高。将碳当量选择在共晶点附近不仅可以改善铁液的流动性，对于球墨铸铁而言，碳当量(C%+l/3Si%)的提高还会由于提高了铸铁凝固时的石墨化膨胀而提高铁液的自补缩能力。但是，碳含量过高，会引起石墨漂浮。因此，球墨铸铁中碳当量的上限以不出现石墨漂浮为原则。
硅是强石墨化元素，在球墨铸铁中，硅不仅可以有效地减小白口倾向，增加铁素体量，而且具有细化共晶团，提高石墨球圆整度的作用。硅对铁素体球铁冲击韧性的影响有两个方面其一，硅是石墨化元索，硅量增高，基体中珠光体含量减少，冲击韧性提高；其二， 硅元素在球铁成分范围内能全部固溶于基体中，硅含量增高，硅原子固溶强化基体而降低韧性。在常温时，基体中原子活性较大，硅使珠光体含量降低的因素起主要作用，故硅含量增高，冲击韧性值提高。在温度逐渐降低时，原子的活性渐低，且硅原子固溶于基体中阻碍晶体晶面滑移，故使得基体塑性变形更加困难，致使球铁由韧性断裂向脆性断裂转化，冲击韧性值大大下降。硅如果控制不当，将使塑性脆性转变温度显著提高，硅含量的控制是生产风电铸件的关键。风电铸件成分选择的原则是高碳低硅，硅含量超过2. 5%时，硅含量每增加0. 1%，风电铸件开始变脆温度提高1(T15°C。因此，本发明风电铸件的碳含量应控制在 3. 60% 3. 80%,硅含量应控制在 2. 2% 2. 4%。且 4. 35%< 碳当量(C%+l/3Si%) <4. 55%。锰锰扩大奥氏体区，降低共析转变温度，球墨铸铁中锰的主要作用是增加珠光体稳定性。溶入奥氏体中的锰有强烈的正偏析倾向，可在晶界上促进形成晶间碳化物 (Fe1Mn)3C,明显降低球墨铸铁的韧性。锰还会提高铁素体球墨铸铁的韧脆性转变温度，锰含量每增加0. 1%，脆性转变温度提高10 12°C。因此，球墨铸铁中锰含量一般是愈低愈好。 因此，本发明材料将锰含量控制在0. 25%以下。钾和钠钾和钠是强烈的石墨化元素，能显著提高球铁的球化率、细化石墨球，并明显改善石墨圆整度；钾和钠还具有增加铁素体、减少珠光体倾向的能力，有利于提高球铁的低温韧性；钾和钠具有良好的脱氧、脱硫能力，且明显推迟铁水中[S]、
的回升，并使得铁水中镁的残留量下降速率减小，具有强烈的抑制球化衰退的能力。而普通球化元素镁和稀土是反石墨化元素，风电球铁铸件中加入适量钾和钠，能明显细化石墨球，并大幅度提高球铁的低温韧性，还有利于促进球铁强度的提高。值得注意的是，钾、钠非常活泼，极易氧化和挥发，比重小，不易直接加入金属液中，而且纯的钾、钠价格高，直接加入风电球铁铸件经济上也不合理。本发明的含钾物质为经350°c焙烧过的KMnCV加入铁水之前，KMnO4经过350°C焙烧，由于KMnO4不稳定，在焙烧过程中会发生如下反应
AKMnOtt 講)4MmO2 + 2^2O + 302 T 式⑴
4KMmO, 2WC y2M^O1 +2K20 + 402 f 如)
因此，加入到铁水中含钾物质的主要成分其实是Mn02、Mn2O3和K2O三种物质，而K2O在铁水高温作用下，又会发生如下反应
权利要求
1.一种风电设备铸件，其特征在于所述的铸件化学成分质量百分数为3. 60 3. 80% 的 C，2. 2 2. 4% 的 Si，Mn 小于 0. 25%, 0. 006 0. 015% 的 K，0. 006 0. 015% 的 Na，0. 008 0. 015% 的 Bi，0. 015 0. 028% 的 Sb，0. 002 0. 004% 的 Sr, 0. 035 0. 055% 的 Ba, 0. 035 0. 055% 的 Ca, 0. 030 0. 050% 的 Al，0. 032 0. 055% 的 Mg, P 小于 0. 03%, S 小于 0. 01%,余量为Fe。
2.如权利要求1所述的一种风电设备铸件，其特征在于所述的铸件化学成分中，C和三分之一的 Si 含量之和4. 35%<C+l/3Si<4. 55% ；K 和 Na 含量之和0. 020%<K+Na<0. 025%。
3.如权利要求1或2所述的风电设备铸件的制备方法，其特征在于包括如下步骤 第一步先将低锰废钢和石墨在电炉内加热熔化，当铁水温度升至1460 1480°C时，加入硅铁脱氧同时合金化，然后加铝终脱氧，当铁水温度达到1500 1520°C，将含钾物质、含钠物质和电解铋加入炉内，铁水调整成分合格后出炉；第二步铁水球化处理，在铁水出炉过程中，将金属锑随流冲入浇包，然后用喷枪将钝化镁颗粒喷入铁水，钝化镁颗粒加入量占铁水质量分数的0. 02、. 03%，铁水经静置和扒渣后，注入专用铁水球化处理包，处理包深度与内径之比为1.5 2.0，铁水温度达到 1440 1460°C时，采用自建压力加镁法进行球化处理，加镁钟罩压入铁液后距包底的距离为包深的10 12% ；第三步铁水孕育处理，铁水经球化处理后，再采用铁素体球铁孕育剂进行孕育处理，铁素体球铁孕育剂的化学成分质量分数为0. 6 0. 8%的Sr, 15 18%的Ba，15 18%的 Ca, 8^10%的Al，35 40%的Si，余量为Fe，且铁素体球铁孕育剂的加入量占铁水总质量的0.4% 0. 6% ；第四步铁水孕育处理后，温度达到1320 1340°C时，在树脂砂铸型中浇注风电铸件， 保温60 80 h，然后开箱空冷铸件；铸件打磨清理后，加热至250 280°C，保温48 60 h，炉冷至150°C后，出炉空冷，完成所述的风电设备铸件铸造。
4.如权利要求3所述的风电设备铸件的制备方法，其特征在于所述的第一步骤中的含钾物质为经350°C焙烧过的KMnO4 ；所述的含钠物质为NaOH和碳经热还原反应后的产物。
5.如权利要求3所述的风电设备铸件的制备方法，其特征在于所述的第二步骤中的钝化颗粒镁的钝化层由以下按质量百分比配比的原料构成，MgO =20^30%, NaF1.2^1. 8%, KCl 40^60%，CaO 15 30%。
全文摘要
本发明涉及风力发电设备的制造技术领域，具体涉及一种风电设备铸件及其制备方法。其化学成分是(质量百分数)3.60～3.80%的C，2.2～2.4%的Si，Mn小于0.25%，0.006～0.015%的K，0.006～0.015%的Na，0.008～0.015%的Bi，0.015～0.028%的Sb，0.002～0.004%的Sr，0.035～0.055%的Ba，0.035～0.055%的Ca，0.030～0.050%的Al，0.032～0.055%的Mg，P小于0.03%，S小于0.01%，余量为Fe。其采用电炉熔炼，不加生铁补铁和碳，而是加入低锰废钢、石墨为主要原料，为了进一步提高风电铸件性能，还加入少量铋、锑、钾、钠、锶、钙、钡、铝等微合金元素，细化石墨并改善石墨的球化效果，且具有防止球化衰退的作用，并用纯镁进行球化处理，还在浇注前采用铁素体球铁孕育剂进行孕育处理，其生产工艺简便、成本低廉，且强度高、室温和低温韧性好。
文档编号C22C33/10GK102373364SQ201010551509
公开日2012年3月14日 申请日期2010年11月20日 优先权日2010年11月20日
发明者刘荣 申请人:甘肃酒钢集团西部重工股份有限公司