风电球铁铸件生产熔炼技术控制

2 0 0 9 中国 铸 造活 动 周论 文 集 风电球铁铸件生产熔炼技术控制 朱能山 （山东智慧铸造技术咨询公司，山东 济南 250014） 摘要：本文介绍了风电球铁铸件生产中的原的选择、化学成分的确定及熔炼过程的技术控制，讲 解了球化、孕育处理的方法和步骤。 关键词：球墨铸铁；熔炼技术；盖包球化处理 随着世界各国风电产业的迅速发展，风电铸件的生产在我国铸造行业已显示风起云涌的好势头。 与此同时，风电铸件严格的质量要求也对我们铸造工作者的技术水平和管理水平提出了严峻的挑战。 风电铸件的工作环境是在环节恶劣野外，长期经受风吹、日晒、雨淋，投入服役后，20 年以内 不允许发生任何质量事故。所以，风电铸件的质量要求应该与核电、航天类铸件的质量要求相提并论。 风电铸件主要包括叶片的轮毂、齿轮箱、机械台架和底座构件。每台 1~2 兆瓦的机组需要约 15 吨铸件，每台 3~5兆瓦的机组需 35~50吨铸件。 风电铸件的材质要求主要有：QT400-18AL、QT700-2、QT350-22AL材质牌号。各种风电铸件的 材质必须符合标准或用户要求的抗拉强度、屈服强度、延伸率、冲击韧性、硬度，且具有较高的内外 在的完整度、致密度。所有铸件不允许焊补修复，都要经过严格的超声波探伤、磁粉探伤。其中 QT400-18AL材质要求满足零下 20℃的低温冲击性能， QT350-22AL材质要求满足零下 40℃的低温 冲击性能要求。 在风电球铁铸件生产过程中，铁水的冶炼及处理是一个非常重要的且技术要求严格的工艺环节， 对铸件的材质、内外在质量均产生重大的影响。本文主要叙述 QT400-18AL、QT350-22AL 大断面风 电球铁铸件生产的熔炼技术控制问题。 1 原材料选择 1.1 生铁 为了保证风电铸件材质的机械性能达到标准要求和便于生产控制，一般选用 Q4－Q10牌号的生 铁，并且要严格控制合金的化学成分含量，成分要求如表 1所示。 表 1 推荐的原生铁合金成分要求 Mn S P Ti Sn Cr V Pb Mo ＜0.2％ ＜0.03％ ＜0.04％ ＜0.03％ ＜0.03％ ＜0.05％ ＜0.05％ ＜0.001％ ＜0.04％ 1.2 废钢 生产 QT400-18AL、QT350-22AL牌号材质铸件时,必须严格控制废钢的 Cu、Cr、Sn、Ti、V等合 金强化元素的含量，以 A3钢和 08 钢为宜。 生产 QT700-2 牌号材质铸件, 选择废钢时其合金元素也必须保证配料熔炼后铁水成分在合格范 围。 不能有严重锈蚀、杂质, 密闭容器必须经切割后使用。 108 2 0 0 9 中国 铸 造活 动 周论 文 集 1.3 球化剂 由于风电球铁铸件既属于大断面铸件又要求低温冲击性能，一般采用冲入法生产工艺，通常认为 采用低稀土球化剂为宜，如 Mg6Re1、Mg6Re0.5 Mg6La1 Mg6La2等。在这里说一下对稀土加入量的 认识，稀土的加入量应根据炉料的具体情况而定，若希望稀土含量高一些，建议选用重稀土类的球化 剂为佳。 1.4 孕育剂 为了提高长效孕育效果，一般选用适量含有 Ba、Ca 等合金元素的硅铁合金作为孕育剂。如表 2 所示。 表 2 推荐的 1例牌号为 FeSi70Ca2Ba3孕育剂成分 Si Ca Ba Al Bi Sb Fe 粒度 65~75 1.50~2.5 03.0~4.0 ≤2.0 适量 适量 余量 1．一般孕育粒度 10~20mm 2．瞬时孕育粒度 0.3~0.8mm 1.5 增碳剂 一般选用微硫增碳剂，如表 3所示。 表 3 增碳剂的化学成分 固定碳 硫份 灰份 挥发份 水份 粒度 ≥98.0 ≤0.03 ≤0.20 ≤0.30 ≤0.50 粒度 3.0~8.0mm 2 目标铁水成分选择 风电球铁铸件的主要化学成分为：C、Si、Mn、P、S、Mg、RE。其选择范围分述如下。 2.1 C 根据风电球铁铸件的结构尺寸较大的特点和材质的低温性能要求，C的成分控制范围既要保证充 分石墨化的要求，又要防止产生石墨漂浮，原材 C的选择范围为 3.5－3.8％，铸件断面厚大的取下限， 断面小的取上限。 2.2 Si Si 虽然是促进石墨化元素，但含量也要适当的控制，随着 Si 含量的增加提高脆性转变温度，所 以，要求低温冲击性能的风电球铁铸件更应该严格控制加入量的范围，针对风电球铁铸件的球铁材质 不同牌号，Si 的选用含量范围为：a．QT400-18AL，Si 1.8~2.1%；b．QT700-2，Si 2.0~2.3%； c．QT350-22AL，Si 1.7~2.0%。 2.3 Mn Mn 含量偏高会促使珠光体含量增高，还会产生偏析，同时使球铁的韧性和延伸率下降，因此， Mn要求尽量低为好，考虑到生铁的具体情况，一般要求Mn＜0.3％，生产 QT350-22AL要求Mn＜0.2 ％。 2.4 P P在铸铁中是非常有害的元素，它会形成二元或三元磷共晶，并分布在晶界上，显著地降低风电 铸件的低温冲击性能和延伸率，要求控制在 0.03%以下。 2.5 S 109 2 0 0 9 中国 铸 造活 动 周论 文 集 S是反球化的有害元素，含量高会使球化率下降，从而导致强度、延伸率、冲击韧性都降低，一 般要求 S＜0.02％；但从孕育效果考虑，S含量也不宜过低，一般不能低于 0.006％。 2.6 Mg Mg是主要的球化元素，为了减少Mg对球铁材质韧性、夹杂和缩松倾向的影响，Mg含量不宜过 高，一般选择 0.040～0.060％。 2.7 RE RE是球铁中的重要元素，RE既可以脱 S、脱O净化铁水，又可以起到辅助球化的作用。但是， 如果使用轻稀土的球化剂时，应注意当 S含量较低时，稀土含量控制不应过高，否则易产生夹杂和石 墨畸变；选择重稀土时，此现象会大大地缓解。建议 RE的控制范围为＜0.025％。 3 熔炼技术控制 原铁水熔炼质量对球铁的性能和铸件铸造缺陷都会产生重要的影响，化学成分控制、熔炼设备的 选择、熔化工艺又是重要环节，对此阐述如下。 3.1 原铁水的化学成分选择 根据上述选择的铸件要求的化学成分，原铁水的化学成分范围如表 4所示。 表 4原铁水的化学成分 C Si Mn P S 3.7～3.9% 0.6～1.0% ＜0.20％ ＜0.03％ ＜0.02％ 3.2 熔炼设备的选择 熔炼设备一般有两种选择，一是采用冲天炉和感应电炉双联熔炼；二是直接采用感应电炉熔炼。 各有特点，只要熔炼工艺合理，都能生产合格的风电球铁铸件产品。 采用双联可以利用冲天炉的高效熔化效率，大大地提高生产效率，同时还利用冲天炉内的高温过 热温度，将原生铁的石墨熔炼细化，消除石墨粗大的金属遗传性能，为球铁凝固提供更多的核心奠定 良好的基础；因此，双联较适合以生铁为主要材料的生产情况。 用感应电炉直接冶炼，生产工艺相对而言简单且稳定，再加上可采用炉内增碳工艺，因此，比较 适合采用大量废钢为主要材料的生产情况。由于通过增碳可使铁水中产生大量的〔C〕的微晶晶胚， 是将来石墨析出直接核心，因此可细化球铁组织。 3.3 盖包球化、孕育处理 3.3.1 出炉温度 出炉温度控制为 1520～1540℃，达到出炉温度时，应尽快的出炉进行球化处理，避免在炉内长 时间停留，防止铁水失去活性。 3.3.2 球化处理包 球化处理包要求 H(内)：φ(内)≥1.5;使用前将处理包修理完好或清理干净，第一包烘烤到 600℃ 以上；球化包要求采用盖包球化处理，一则可提高球化元素的吸收率；二则可防止球化铁水直接冲击 球化剂；三可减少热能损耗和铁水杂质。 3.3.3 球化、孕育处理 由于风电铸件属于铸态大断面耐低温冲击韧性的铁素体球铁，因此，一般的孕育原则是孕育剂加 110 2 0 0 9 中国 铸 造活 动 周论 文 集 入量大且采用多次孕育 球化剂加入量：球化剂加入量（取决于原铁水的含硫）一般 1.2~1.8％，粒度 10~25mm。 球化处理的加料顺序：先将球化剂加入到球化反应坑内摊平并捣实；在球化剂上面加入 0.3~0.4％ 孕育剂摊平紧实；再在孕育剂合金上面撒上 0.2％的覆盖剂，最后在上面压上干净的随形同质铁片或 钢板并捣实即可。 球化、孕育处理：球化处理铁水温度一般控制在 1420~1460℃。将熔化合格的原铁水放入预先准 备的中转包内（采用中转包的优点一是可快速使炉中的铁水降低到适合处理温度，二是起到定量球化 铁水的作用）3/4，将铁水从球化包的包盖浇口杯迅速加入球化包内进行球化处理，一般球化反应时 间控制在 90~150秒，球化处理后期吊走包盖，并用中转包加入剩余的 1/4铁水同时冲入 0.4％的孕育 剂进行一次孕育剂，快速撒入集渣剂搅拌扒干净包内的渣，然后在球化好铁水表面撒入 0.2～0.3%孕 育剂进行二次孕育剂，不进行搅拌迅速用覆盖剂盖好，测温准备浇注。 三次孕育可在浇口杯浇注过程中加入 0.1~0.2％的瞬时孕育剂，可以使用粒度 0.3~0.8mm 颗粒状 孕育剂或也可在浇口杯中加入孕育块（块度大小根据浇注重量而定）孕育。 ４ 结束语 随着风力发电的迅速发展，风电铸件的生产也进入了大规模生产阶段，市场竞争也将日趋激烈， 因此，提高铸造生产技术水平和降低生产消耗、污染是企业发展的唯一道路。本文对风电球铁铸件生 产熔炼技术控制的叙述，希望能为铸造同仁提供帮助。 111