一種風電主軸用鋼的冶煉工藝及風電主軸用鋼的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明金屬冶煉技術領域，具體涉及一種風電主軸用鋼的冶煉工藝及風電主軸用鋼。
【背景技術】
[0002]截止到2012年年底，我國風電累計裝機容量達到7532萬kw，保持總裝機容量全球第一。風電機組運行在自然環境中，一年四季經歷溫度、風力等各種極端氣候的考驗，受力情況非常復雜。由于風電機組的大型化，零部件的結構越來越大，風電機組中主要部件的設計和制造問題將更加突出。主軸是風力發電機組中重要的零部件，體積大，質量大。從國內外的風電機組的運行實際情況來看，主軸斷裂是主軸失效的主要形式，為了提高主軸的安全性和可靠性，必須保證主軸具有可靠的強度、剛度和足夠的疲勞壽命。提高創新能力和制造技術水平是對整個行業提出具體要求，也是風電機組安全可靠運行的保證。在風力發電機組中，主軸承擔了葉輪傳遞過來的各種載荷，并將扭矩傳遞給增速齒輪箱，將軸向推力、氣動彎矩傳遞給機艙和塔架。風電機組的主軸材料應具有良好的綜合機械性能(良好的淬透性，強度，耐磨性，韌性)，以適應高應力和抗沖擊載荷的作用。一般環境溫度下采用合金鋼42CrMo4，需要鍛造并調質處理。
[0003]現有技術中大型鋼錠的內部缺陷主要有偏析、夾雜物、氣體、縮孔和疏松等。缺陷的形成與冶煉、澆鑄和結晶過程密切相關，這些缺陷往往是造成大型鍛件報廢的主要原因。由于現有技術中風電主軸用鋼材料工藝過程元素含量控制不夠精確，導致化學成分波動范圍寬，鋼力學性能欠穩定。

【發明內容】

[0004]本發明的目的在于克服現有技術中存在的缺陷，提供一種內部缺陷少、鋼力學性能穩定的風電主軸用鋼的冶煉工藝。
[0005]為實現上述目的，本發明的技術方案為:一種風電主軸用鋼的冶煉工藝，其特征在于，包括如下步驟:
S1:將潔凈廢鋼置于電弧爐內加熱至鋼水溫度1580°C以上，吹氧造渣脫磷脫碳，攪動熔池去氣去夾雜，然后依次加入脫氧劑去氧、鐵合金和增碳劑，將溫度控制在1650?1670°C出鋼；
S2:將SI鋼水倒入鋼包精煉爐內，造渣并加入SiFe粉末保持白渣，加入合金微調鋼水中的元素含量，調整鋼水中鋁重量百分比為0.035?0.045%；
S3:將S2所得溫度為1650?1690°C的鋼水轉入鋼包精煉爐中，66.7Pa的真空度下保持Ar壓力0.2?0.4MPa，保持至少15min，并在氬氣壓力為0.05pa下吹氬至少1min;
S4:用鋼包進行吊包澆鑄，控制鋼水澆鑄溫度為1550?1565 °C，并對鋼錠實退火緩冷處理，得風電主軸用鋼鋼錠。
[0006]優選的技術方案為，S4中退火緩冷處理的退火溫度為770?790°C，退火保溫時間為44?50h，鋼錠緩冷至200°C以下出爐。采用上述退火緩冷工藝有助于消除鋼錠的熱應力和組織應力，還可以使鋼錠中以分子形式存在的氫脫溶和脫除，減少鋼錠內的氫脆白點，有助于優化鋼錠的機械性能，而且得到的鋼錠裂紋敏感性明顯降低。
[0007]優選的技術方案為，鋼錠澆鑄鋼水進入帽口時向帽口處加入發熱劑，發熱劑的加入量與鋼錠的重量比為1.3?1.7。通過調節發熱劑的加入量，控制鋼錠界面溫度的下降速度，延長鋼水凝固之間，有助于使鋼錠獲得較優的彈性模量，并且能減少帽口處鋼材質內部的縮孔現象。
[0008]優選的技術方案為，SI出鋼鋼水的組成中，按重量百分比計，碳不大于0.28%、硅不大于0.15%、錳不大于0.5%、磷不大于0.01%、鉻不大于1.4%、鎳不大于1.4%、銅不大于0.15%、鉬不大于0.15%。將SI出鋼鋼水的元素組成控制在上述范圍內，有助于使元素組成波動范圍更窄，殘余元素和有害元素的含量少，進一步優化鋼的力學性能
優選的技術方案為，S2中造渣所用造渣劑為碳化硅。
[0009]為了減少澆鑄過程中鋼流與大氣的接觸，防止易氧化元素被氧化，保證鋼中盡可能少的夾雜，優選的技術方案為，澆鑄工序采用鋼包鋼流氬氣保護裝置。
[0010]優選的技術方案為，澆鑄速度為1.25?1.47t/min。澆鑄速度的控制有助于得到合適的鋼水冷卻速度，使鋼組織更均勻、細小和致密，鋼綜合性能優良。
[0011]本發明還在于提供一種風電主軸用鋼，其特征在于，按重量百分比計，其組成包含:0.3?0.4%的碳、0.2?0.38%的硅、0.5?0.7%的錳、0.02%以下的磷、0.015%以下的硫、1.4?1.7%的鉻、1.4?1.7%的鎳、0.2%以下的銅、0.15?0.3%的鉬、0.05%以下的鈮，余量為鐵和不可避免的雜質。
[0012]通過調整剛組成中碳、硅、錳、磷、硫、鉻、鎳、鉬等元素的重量百分比，鉻、鉬有助于控制奧氏體晶粒的尺寸，碳、硅、錳、鉻、鎳、鉬都有助于增加鋼的淬透性，錳能改善沖擊韌性，表現在稍微降低其脆性轉化溫，含量增加時，脆性轉化溫度降低加入少量的，可以減弱高溫回火脆性傾向，硅元素雖然對鋼的淬透性增加作用明顯，但是其不利于回火索氏體的沖擊韌性優化;鈮可以細化晶粒。上述組成的鋼兼具優良的淬透性和沖擊韌性，高溫回火脆性傾向不明顯，符合風電主軸用鋼的綜合機械性能要求。
[0013]優選的技術方案為，按重量百分比計，不可避免的雜質中氫的含量不大于2ppm，氧的含量不大于50ppm，氮的含量不大于70ppm。
[0014]進一步優選的技術方案為，按重量百分比計，其組成包含:0.32?0.36%的碳、0.22?0.35%的硅、0.52?0.68%的錳、0.015%以下的磷、0.01%以下的硫、I.42?I.65%的鉻、I.42?I.65%的鎳、0.15%以下的銅、0.16?0.25%的鉬、0.0I?0.03%的鋁、0.001?0.05%的鈮，余量為鐵和不可避免的雜質。
[0015]本發明的優點和有益效果在于:
風電主軸用鋼的冶煉工藝步驟簡單，鋼組織更均勻、細小和致密，鋼綜合性能優良；
鋼材料在各步驟中設備中的溫度不一，SI中的鋼液溫度達到1580 V后方能開始吹氧操作，否則氧化去除磷和其他雜質效果較差;S2中通過再造新渣，使鋼液中的氧和硫元素盡可能的降低，有利于合金微調時所有的元素都能穩定的進入到內控規格;S3中出鋼鋼水溫度有助于補償真空脫氣處理的溫度損失;真空吹氬可使鋼包內的鋼-渣進一步乳化，鋼中夾雜得以吸附，能進一步降低鋼液中的硫和夾雜，同時能降低氫和氮含量； 鋼液中由于含有較高的鉻、鎳、鉬元素，容易形成各類夾雜，真空吹氬后的低壓吹氬能進一步減少鋼中各類夾雜物；
夾雜量多容易在澆鑄過程中結晶凝固選分結晶傾向嚴重，嚴格控制澆鑄溫度可以明顯改善上述結晶傾向；
采用上述冶煉工藝所得鋼錠氫含量值為1.1-1.5ppm，平均值為1.3ppm，氮含量平均在46.2ppm，有害元素硫含量平均含量為0.002%;
本發明風電主軸用鋼元素組成波動范圍窄，有利于簡化鋼錠的后續處理、且鋼力學性能更穩定；
殘余元素銅、鈮，有害元素磷、硫和氣體元素氫、氧、氮含量少，鋼組成更潔凈，內部缺陷少；另外，采用不同重量百分比的碳、硅、錳、磷、硫、鉻、鎳、鉬與鐵元素混合，鋼兼具優良的淬透性和沖擊韌性，高溫回火脆性傾向不明顯，符合風電主軸用鋼的綜合機械性能要求。
【具體實施方式】
[0016]下面結合實施例，對本發明的【具體實施方式】作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護范圍。
[0017]實施例1
實施例1風電主軸用鋼的冶煉工藝，包括如下步驟:
S1:將潔凈廢鋼置于電弧爐內加熱至鋼水溫度1580°C，吹氧造渣脫磷脫碳，攪動熔池去氣去夾雜，然后依次加入脫氧劑去氧、鐵合金和增碳劑，將溫度控制在1650°C出鋼；
S2:將SI鋼水倒入鋼包精煉爐內，造渣并加入SiFe粉末保持白渣，加入合金微調鋼水中的元素含量，調整鋼水中鋁重量百分比為0.035%;
S3:將S2所得溫度為1650°C的鋼水轉入鋼包精煉爐中，66.7Pa的真空度下保持Ar壓力0.2Mpa保持15min，并在氬氣壓力為0.05pa下吹氬1min;
S4:用鋼包進行吊包澆鑄，控制鋼水澆鑄溫度為1550 0C，并對鋼錠實退火緩冷處理，得風電主軸用鋼鋼。
[0018]S4中退火緩冷處理的退火溫度為770°C，退火保溫時間為44h，鋼錠緩冷至200°C出爐。
[0019]鋼錠澆鑄鋼水進入帽口時向帽口處加入發熱劑，發熱劑的加入量與鋼錠的重量比為1.3kg/t。
[0020]SI出鋼鋼水的組成中，按重量百分比計，碳0.28%、硅0.15%、錳不大于0.5%、磷0.01%、鉻1.4%、鎳1.4%、銅0.15%、鉬0.15%。
[0021]S2中造渣所用造渣劑為碳化硅。
[0022]澆鑄工序采用鋼包鋼流氬氣保護裝置。
[0023]澆鑄速度為1.25t/min。
[0024]經檢測，實施例1的冶煉工藝所得風電主軸用鋼按重量百分比計，其組成包含:0.3%的碳、0.38%的硅、0.5%的錳、0.02%的磷、0.015%的硫、1.7%的鉻、1.4%的鎳、0.2%的銅、0.3%的鉬、0.05%的鈮，余量為鐵和不可避免的雜質。
[0025]按重量百分比計，不可避免的雜質中氫的含量2ppm，氧的含量50ppm，氮