鋼鐵新技術新材料對風電發展的影響

夏冬冬

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司棒材所，江蘇 江陰 214429）

1 前言

長期以來，由于傳統發電行業及石化能源產業碳排放居高不下，人類居住的地球環境日趨惡化，為減少二氧化碳的排放，各國對綠色清潔能源的需求空前高漲，風電、水電、太陽能發電、高效超超臨界火電等快速發展。風電在我國起步相對較晚，但風能資源儲量豐富，是最具開發潛力的新型綠色能源，因此風能利用近幾年在我國得到快速發展。風電快速發展不斷對鋼鐵材料提出一些新的要求，促進鋼鐵新材料、新工藝快速發展，而鋼鐵新材料、新工藝的發展也對風電發展產生了重要的影響。

2 鋼鐵新技術對風電發展的影響

2.1 近終連鑄圓坯代替模鑄產品

風電用鋼鐵材料產品主要的鍛造工藝是加熱、鐓粗、中心沖孔、碾環。因此產品形狀對鍛造工藝有很大的影響，鋼錠產品主要為八角錠，產品經過鐓粗必須要進行滾圓后才能進行下道工序，否則由于表面有明顯的棱角，在碾環過程中容易產生表面折疊，而連鑄圓坯規格與環形一致，不但節省了鍛造工序，同時因連鑄產品可以實現多爐連澆、批量生產，相對模鑄工藝生產效率高，能耗低，成材率比模鑄工藝高15%以上，且連鑄圓坯可生產Φ220 mm～Φ1 000 mm 近20 個規格，不但滿足了環鍛法蘭、齒圈、軸承套等環鍛件的需要，而且質量滿足用戶最終產品要求，真正能取代傳統模鑄材料，達到低能耗、低成本、大批量、高效率生產的目標，使環鍛行業節材降耗、產品檔次跨越發展取得顯著成效，促進高端風電產品快速發展。

2.2 純凈鋼冶煉技術提高材料疲勞性

鋼中氧含量是影響材質的重要因素，氧含量越低其純潔度越高，相對應的疲勞壽命就越長。鋼中氧含量和氧化物有著密切的關系，鋼液在凝固過程中，鋁、鈣、硅等元素與溶解的氧形成氧化物。鋼中由于氧化物的存在，破壞了金屬基體的延續性，又由于氧化物的膨脹系數小于鋼基體膨脹系數，當承受交變應力時，易于產生應力集中，成為金屬疲勞的發源地。應力集中多數產生在氧化物、點狀夾雜物和基體之間，當應力達到足夠大時，就產生裂紋，并迅速擴展而破壞。夾雜物塑性越低，形狀越尖棱，則應力集中也就越大，因此要提高材料的疲勞壽命，風電用中、低碳合金鋼的氧含量必須要控制在0.001%以下，單位體積宏觀夾雜不能超過5 mm/dm3。除了氧含量，五害元素和Ti 也對疲勞壽命有很大的影響，五害元素雖然很少，但由于有共生和偏聚兩大特點，對鋼材的塑性、韌性以及時效脆性危害極大，要提高疲勞壽命，五害元素之和必須控制在≤0.020%以下；鋼中Ti 一部分以TiN 的形勢留在鋼中形成多棱角的夾雜物，是一種脆而硬的夾雜物，這種夾雜物容易引起局部應力集中，對材料的疲勞壽命造成極大危害，因此Ti 含量必須控制在0.002%以下。

2.3 鋼材檢測標準及檢測技術提高

近幾年海洋風電裝機量逐漸增加，未來海洋風電將會達到快速發展階段，雖然海洋風電在國內快速發展，但國內相關行業標準卻與行業發展不同步，標準在性能規定的取樣位置并非產品實際功能區，無法反映風機運行實際受力要求，且化學成分也比較籠統，因此現有標準給風機運行帶來很大的風險。另外，目前鋼材非金屬夾雜物檢測方法主要采用IS O4967、ASTM E45 GB/T 10561等方法，取樣位置也并非都是在零件實際功能區，以上標準僅僅是檢測鋼中的夾雜物，很難反映鋼的實際純凈度。未來針對大功率海洋風電將會采用更先進的檢測方法來替代現有方法，比如EVA夾雜物預測方法，更有效地預測鋼中大顆粒夾雜物的概率，有效提高材料的偏勞壽命；夾雜物面掃新的檢測方法，與傳統的檢測方法相比較，更能有效地檢測并反映鋼的實際純凈度。檢測標準的提高必將對鋼材冶煉過程中成分精確控制、氣體含量、夾雜物、有害元素等控制提出新的挑戰。

3 鋼鐵新材料對風電發展的影響

3.1 超低溫材料

風電法蘭是風電塔筒的連接件，除了要具備普通風塔法蘭用鋼的低合金、高強度等基本要求外，還要考慮-50 ℃以下超低溫環境下的抗拉、屈服、沖擊等特性，尤其是-50 ℃以下的低溫沖擊韌性是重點和難點。如何將鋼的脆性轉變溫度降到-50 ℃以下，且沖擊功提高至47 J 以上，一直是鋼鐵科研人員長期攻關的課題。為此，科學合理的化學成分組成及細小晶粒的組織結構成為攻關的目標。要有細密的組織結構，就必須盡量細化晶粒，采用多種合金元素復合微合金化。微合金化所形成的化合物能阻止形變奧氏體動態再結晶的發生及奧氏體再結晶晶粒長大，起到細晶強化作用，同時提高鋼的強度和韌性。

3.2 改進型低合金鋼用于風電變速箱齒圈

風電大齒圈是風電變速箱中的核心關鍵部件，且風電變速箱是整個風力發電系統的核心，伴隨著風電主機功率逐漸增大，零部件也逐漸變大，因此風電輕量化變得越來越重要。風電輕量化旨在以不犧牲各種力學性能和安全性能的前提下盡量減輕風機機頭重量，同時達到優化風機的動力性能，實現節能減排的目的。高端產品一直都是使用CrMoV、CrNiMo 等高合金鋼制作風電變速箱大齒圈，為了降低成本，用特殊性能的42CrMo 替代CrMoV、CrNiMo 制作風電變速箱大齒圈，但是普通的42CrMo 調質處理后在芯部的晶粒度、力學性能方面均無法達到其要求。風電用產品服役環境惡劣且要求使用壽命在20 a 以上，開發難度比較大。興澄特鋼研發大斷面環件的高淬透性、全截面性能均勻的風電變速箱用大齒圈，通過對不同Mo、Ni、Cr 及微合金含量的42CrMo 在環件不同位置力學、沖擊性能進行研究，得到了大斷面的深層淬透性第一手數據，成功開發了新材料42CrMo4MOD、42CrMo4L等鋼種替代現有高金材料制造風電變速箱大齒圈。新材料較之前產品性能相當，但成本大幅下降，實現了風電機頭的輕量化，同時降低了冶煉能耗，達到了節能減排的目的。

3.3 變速箱齒輪、齒軸用連鑄圓坯代替鍛材或電渣材的開發

風電齒輪箱主要由太陽輪、行星齒、大齒輪、高速軸、齒輪軸等組成，是風力發電的最核心部件，材質主要是18CrNiMo7-6。以前采用模鑄鍛材或者是電渣鋼產品，成本高，很難實現大批量供貨。隨著風電主機功率不斷增大，對齒輪箱材料要求不斷提高，對材料不但提出了950 ℃保溫80 h后滿足晶粒度6級或以上，且齒輪功能區要滿足Φ0.8 mm 高頻探傷要求，氧含量要控制在0.001 5%以下。鋼錠鍛材產品很難滿足以上機械性能要求，尤其是齒輪功能區探傷要求。為滿足市場要求，興澄特鋼通過對該鋼種微合金化產物析出不斷研究，開發了微合金化量與晶粒度理論模型，成功地解決了高溫晶粒度問題，同時開發了低碳高合金鋼一套完整的冶煉工藝，氧含量控制在0.001 0%以下，解決了高頻探傷的要求。連鑄大圓坯代替傳統鋼錠鍛材或電渣材制造風電齒輪、齒軸這一創新工藝，既填補了國內外市場的空白，又減少了客戶加工工序，不但降低了生產成本，同時也起到了節能減排的效果。

4 結語

伴隨著風電行業的快速發展和市場競爭越來越激烈，對風電裝備的質量提升及成本控制要求越來越嚴格，對鋼鐵材料不斷提出新的要求，必將促進鋼鐵材料生產廠家不斷采用新工藝和新技術，研發出質量更高的新材料，以滿足風電市場需求。