大型風(fēng)電球墨鑄鐵件的熔煉技術(shù)

唐桂清，石 斌

(大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司，遼寧 大連 116013)

0 前言

風(fēng)力發(fā)電機組一般安裝在海邊和沙漠等多風(fēng)地帶，其工作環(huán)境十分惡劣，因此輪轂等大型球墨鑄鐵件作為風(fēng)電機組的關(guān)鍵零部件，被要求具有優(yōu)良的綜合性能，并至少滿足20年以上的使用壽命。這些大型球墨鑄鐵件和普通球鐵件的生產(chǎn)相比，對生鐵、廢鋼、球化劑及孕育劑等原輔材料、球鐵的化學(xué)成分和過程控制等方面都有更高的要求，其生產(chǎn)技術(shù)，對風(fēng)力發(fā)電機組的制造至關(guān)重要。

1 技術(shù)要求

風(fēng)電球鐵件與普通球鐵件相比，有不同的技術(shù)要求，見表1。

表1 風(fēng)電球鐵與普通球鐵的技術(shù)要求比較Tab.1 Comparison of technical requirements for spheroidal graphite iron used for wind generating set and common spheroidal graphite iron

風(fēng)電球墨鑄鐵件要求從鑄件本體取試塊進(jìn)行檢測，除對強度、伸長率及硬度等方面有較高的要求外，對低溫沖擊韌性要求更高，這就增加了鑄件生產(chǎn)的難度。表2為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1563《鑄造－球墨鑄鐵鑄件》對附鑄試塊力學(xué)性能的要求;表3為對低溫沖擊韌性的要求。

表2 試塊上加工的試樣力學(xué)性能Tab.2 Mechanical property of sample for machining on coupon

表3 試塊上加工的試樣的低溫沖擊值Tab.3 Impact value of samples for machining on coupon at low temperature

2 熔煉設(shè)備及材料

2.1 生產(chǎn)及檢測設(shè)備

采用l5 t中頻感應(yīng)電爐熔煉，要求爐膛內(nèi)潔凈，無殘留鐵液。利用德國OBLF公司GSl000直讀光譜儀、HCS一140高頻紅外碳硫分析儀、德國賀利氏Mutil－1ab Quik－Cup熱分析儀，進(jìn)行爐前快速分析和爐后分析。

2.2 原材料的選擇

(1)生鐵。生產(chǎn)風(fēng)電球鐵鑄件應(yīng)選擇優(yōu)質(zhì)高純鑄造生鐵，生鐵最好是共晶成分，避免過共晶成分，否則生鐵內(nèi)部會出現(xiàn)過共晶的粗大石墨，影響鑄件石墨形態(tài);雜質(zhì)元素含量要低，P≤0.04，S≤0.025，Mn≤0.3;控制微量反球化元素，如V、Ti、B、Pb、Zn、Sn、Cr等;少用回爐料，特別是有－40℃低溫沖擊要求的鑄件;優(yōu)質(zhì)高純生鐵 (本溪生鐵)化學(xué)成分要求見表4。

表4 本溪生鐵的化學(xué)成分Tab.4 Chemical composition of pig iron in Benxi %

(2)廢鋼。采用低錳碳素鋼，Mn≤0.6%，表面無銹、無漆、無油污等雜質(zhì);五大元素成分要求范圍見表5;合金元素成分要求范圍 (包括有害元素)見表6。

表5 五元素成分要求范圍Tab.5 Composition requirements of five elements%

表6 合金元素成分要求范圍Tab.6 Composition requirements of alloying elements%

3 化學(xué)成分分析

化學(xué)成分是獲得良好的球墨鑄鐵組織狀態(tài)和高性能的基本條件，其選擇既要有利于石墨的球化和獲得滿意基體，以達(dá)到所要求的鑄造性能，又要使鐵液有適當(dāng)?shù)奶籍?dāng)量，產(chǎn)生石墨膨脹，實現(xiàn)均衡凝固。其中碳硅量是最重要的因素。

含碳量高，則析出的石墨數(shù)量多，石墨球數(shù)多，球徑尺寸小，圓整度增加;同時可減小縮松面積，使鑄件致密。但含碳量過高，會造成嚴(yán)重的石墨漂浮或石墨粗大、石墨聚集，影響球鐵的力學(xué)性能。硅是促進(jìn)石墨化元素，可提高球墨鑄鐵的抗拉強度、屈服強度和硬度，同時使塑性指標(biāo)降低;由于硅能提高球墨鑄鐵的脆性轉(zhuǎn)變溫度TK，增加含硅量會使沖擊韌度明顯下降。當(dāng)硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過3%，沖擊韌度將急劇降低。

因此，硅量控制在1.5%～2.3%之間，碳量控制在3.6%～3.9%之間，視鑄件壁厚的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 熔煉過程

(1)用本溪生鐵啟爐，熔清后加入廢鋼，爐內(nèi)鐵液溫度1 410～1 420℃，停電、扒渣，取爐前試樣，取樣用碳硫儀測碳和硫，根據(jù)光譜分析結(jié)果調(diào)整硅，驗證其它成分。根據(jù)爐前分析結(jié)果，調(diào)整爐內(nèi)原鐵液成分。C∶3.6% ～3.9%;Si∶0.6% ～0.7%;Mn≤0.4%;P≤0.04%;S≤0.02%;Ni∶0.5% ～1.0%;其中Si含量在1 410～1 420℃時進(jìn)行調(diào)整。

(2)根據(jù)化學(xué)成分分析報告調(diào)整爐內(nèi)鐵水化學(xué)成分至合格范圍內(nèi)，然后快速升溫，將鐵水溫度升至1 500～1 520℃，停電清除爐渣，直至爐渣清除干凈為止，同時加一定量生鐵調(diào)整成分、降溫，要再次清除爐渣，取樣分析，當(dāng)鐵水溫度降至工藝規(guī)定出爐溫度時，即可出爐進(jìn)行球化處理。

(3)球化處理。采用沖入法進(jìn)行球化處理，球化用鐵水包采用堤壩式包，應(yīng)在開爐前10 h烘烤完畢，烘烤時要緩慢加熱防止包襯裂紋，最終包襯溫度應(yīng)達(dá)500℃左右;球化處理時要保證沖入的鐵水占鐵水總量的70%左右時才開始球化反應(yīng)，待球化反應(yīng)平穩(wěn)后，再補加剩余30%鐵水;球化處理后鐵水應(yīng)迅速扒渣，扒渣前應(yīng)充分?jǐn)嚢琛０窃螖?shù)為3次，最后一次應(yīng)將包壁和包嘴上的渣子全部清理干凈。

(4)孕育處理。一次孕育劑一半蓋在球化劑上，一半隨鐵水流補加;補加鐵水同時進(jìn)行一次孕育，孕育劑應(yīng)當(dāng)和鐵水流重合，并比鐵水提前加完，防止孕育偏析;二次孕育劑粒度約為2～6mm，孕育劑要放入孕育漏斗中，在鐵水翻入澆口箱時，同步進(jìn)行孕育處理;二次隨流孕育劑應(yīng)在鐵水翻入澆口箱80%左右加完，鐵水翻入澆口箱時應(yīng)大流快速。

(5)澆注溫度為1 320～1 340℃，取下限控制，并適當(dāng)控制澆注速度。

5 熱處理 (圖1)

圖1 高溫退火熱處理曲線Fig.1 Curve for heat treatment at high temperature

實際生產(chǎn)中，大型風(fēng)電球墨鑄鐵件必須保證全鐵素體基體，即控制珠光體體積分?jǐn)?shù)小于5%，才能達(dá)到低溫沖擊韌性的要求。而全鐵素體基體由鑄態(tài)保證，有時具有一定難度，這時要求通過高溫退火熱處理的方式來保證鑄件所需的金相組織，使基體中的珠光體得以消退，退火后的沖擊韌性經(jīng)檢測全部合格。熱處理曲線如圖1所示。

6 結(jié)論

實踐表明:若想生產(chǎn)出合格的耐低溫、抗沖擊大型風(fēng)電球墨鑄鐵件，首先需要選擇合適的原材料，即選擇低S、P生鐵及低有害元素的廢鋼;其次要控制鐵水中的C、Si成分，以及鐵水中合金元素的含量，精細(xì)球化和孕育過程;最后通過高溫退火熱處理手段保證個別的珠光體超標(biāo)的基體，轉(zhuǎn)變成全鐵素體基體，從而得到性能優(yōu)良的球墨鑄鐵件。

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