CN115213360A - 一种用于风力发电机轮毂的球墨铸铁制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铸铁铸造领域，涉及一种用于风力发电机轮毂的球墨铸铁制备方法。本发明将传统一包铁水浇注改进为3‑5包不同铁水浇注，不仅使得铸铁整体趋于同时凝固，有效解决了铸铁缩松问题，而且节省了原料和能量，而且减少了球化剂的加入量，球化后至浇注完成的时间也可以减少3‑4min，并且使得浇注过程中上平面浮渣也得到大幅度降低，从而减少了除渣剂的使用，减少了扒渣劳动强度。
Description
技术领域
本发明属于铸铁铸造领域，涉及一种用于风力发电机轮毂的球墨铸铁制备方法。
背景技术
近年来，风力发电的发展十分迅速，我国风电机装机容量以每年100％的速度递增，风电设备国产化的装备能力越来越高，所以风电制造工艺方面也随着国内风电装备单机容量与风电场规模的扩大儿不断改进与完善，务必形成批量生产成熟的制造工艺，其中以主要大型零部件轮毂为甚。轮毂是连接叶片与主轴的重要部件，它承受了风力作用在叶片上的推力、转矩、弯矩和陀螺力矩。由于高强度球墨铸铁具有不可替代性，如铸造性能好、容易铸成、减振性能好、应力集中敏感性低等优势，风力发电机组中大量采用高强度球墨铸铁作为轮毂的材料。
但是目前球墨铸铁在制备过程中消耗大量能量以及各种原材料，制备的铸铁也存在明显缩松问题，并且目前的工艺制备需要严格控制原材料中有害元素P和S，大大增加了工业生产中的成本。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种节能减排、解决铸件缩松问题的用于风力发电机轮毂的球墨铸铁制备方法。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种用于风力发电机轮毂的球墨铸铁制备方法，所述方法包括如下步骤：将铸铁原料熔炼成铁水后，将铁水分别倒入3-5个铁水包，在每个铁水包中加入球化剂，然后依次在球化剂表面覆盖孕育剂进行球化孕育处理，将所述铁水包中的铁水依次浇注在同一铸型中，浇注结束后进行保温处理得铸铁。
在上述的一种用于风力发电机轮毂的球墨铸铁制备方法中，浇注过程中按照浇注顺序每个铁水包中铁水温度依次降低5-15℃，其中第一个铁水包温度为1370-1380℃。本发明第一股铁水进入型腔后，持续与常温的砂型接触，温差较大，铁水底注上升，从而导致铁水持续降温，提高首包铁水温度有利于保证首包铁水与第二包铁水充分结合，且可避免此位置和上平面产生冷隔。因为铁水持续向铸型传热和空气散热，随着铁水传给铸型的热量越多，铸型的温度越高，温差就越小，新进铁水与铸型的温差就越小，传的热量就越少，需要的铁水的能量就越小，所以本发明需要控制每个铁水包中铁水温度。
在上述的一种用于风力发电机轮毂的球墨铸铁制备方法中，铁水包中铁水为总铁水质量的13-39％。
在上述的一种用于风力发电机轮毂的球墨铸铁制备方法中，球化剂添加量为每个铁水包中铁水质量的0.8-0.9％，其中第一铁水包球化剂添加的质量百分比＜第二铁水包球化剂添加的质量百分比＝剩余铁水包球化剂添加的质量百分比。
作为优选，第一铁水包球化剂添加量为第一铁水包质量的0.8％，其余球化剂添加量占各自铁水包中铁水质量的0.9％。
本发明不仅减少了球化剂的添加量降低了成本，而且可以减少球化等待时间，从而使得烧损量减少，球化衰退倾向也大大减小；铁水包减小，故铁水反应更充分，球化效果更好。因为降低了球化剂使用量，同时也减少球化渣的产生，减少了除渣剂的使用量，降低了扒渣过程的劳动强度。
在上述的一种用于风力发电机轮毂的球墨铸铁制备方法中，球化剂成分按照质量百分比计包括：3-12wt％Mg、0.2-2wt％Re、30-45wt％Si、0.6-2wt％Ca、0.2-1wt％Ba、0-1wt％Al、0-0.5wt％Ti、0-0.5wt％MgO。
在上述的一种用于风力发电机轮毂的球墨铸铁制备方法中，球化剂表面覆盖的孕育剂总添加量为铁水质量的0.2-0.35％。
在上述的一种用于风力发电机轮毂的球墨铸铁制备方法中，浇注过程中随流加入铁水质量0.2％的孕育剂。
在上述的一种用于风力发电机轮毂的球墨铸铁制备方法中，孕育剂粒径为0.2-0.7mm，成分按照质量百分比计包括：60-80wt％Si、0-1wt％Al、1-2wt％Ca、1-2wt％Ba、0.1-0.3wt％Bi。
在上述的一种用于风力发电机轮毂的球墨铸铁制备方法中，铸铁各元素按质量百分比计为：3.80～3.95wt％C、1.19～1.39wt％Si、Mn≤0.20wt％、P≤0.050wt％、S≤0.015wt％、0.030～0.045wt％Mg、Re≤0.019wt％、Sb≤0.005wt％，0.20～0.40wt％Cu、0.10～0.60wt％Ni、0.020～0.080wt％Sn，余量为Fe。
在上述的一种用于风力发电机轮毂的球墨铸铁制备方法中，铸型壁厚为65-360mm。本发明浇注过程中使用特殊浇口杯，尺寸为1300mm×400mm×1000mm(高)，铁水转换时应在浇口杯内剩余铁水距底部500mm-700mm距离之间进行。铁水液面过低会导致浮渣流入铸件，浇包更换过程需要时间，不存在浇口杯内剩余铁水距底部液面超过700mm的问题。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明将传统一包铁水浇注改进为3-5包不同铁水浇注，使得球墨铸铁整体趋于同时凝固，有效解决了铸铁缩松问题，而且节省了原料和能量。
2.本发明通过改进为3-5包不同铁水浇注减少了球化剂的加入量，球化等待时间也相应减少，并且使得浇注过程中上平面浮渣也得到大幅度降低，也减少了除渣剂的使用，减少了扒渣劳动强度。
3.本发明因分包进行球化和孕育处理，球化、孕育效果良好，且球化、孕育后间隔浇注完成的时间更短(从常规一次浇注的12分钟减少至9分钟)，有害元素的成分百分比P由0.040％可放宽至0.050％，提升原成分含量的25％，S由0.01％可放宽至0.015％，提升原成分含量的50％，有害元素含量标准放宽意味可使用较高含量P\S原辅材料，对节省原材料成本有巨大好处，熔炼过程对电炉炉衬的碱度要求也会降低。
附图说明
图1为实施例1制备的铸铁金相图。
图2为实施例1制备的铸铁经腐蚀试验后的金相图。
图3为实施例2制备的铸铁金相图。
图4为实施例2制备的铸铁经腐蚀试验后的金相图。
图5为实施例3制备的铸铁金相图。
图6为实施例3制备的铸铁经腐蚀试验后的金相图。
图7为实施例4制备的铸铁金相图。
图8为实施例4制备的铸铁经腐蚀试验后的金相图。
图9为实施例5制备的铸铁金相图。
图10为实施例5制备的铸铁经腐蚀试验后的金相图。
图11为对比例1制备的铸铁金相图。
图12为对比例1制备的铸铁经腐蚀试验后的金相图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
原料选择：14份的高纯生铁、2.9份的优质废钢、0.2份的硅铁；
高纯生铁成分及其质量百分比含量为：3.10％C、1.82％Si、0.421％Mn、0.015％P、0.010％Cr、0.008％Cu、0.005％Ti、0.004％V、0.0001％Mo、0.0011％Pb、0.0009％B、0.0006％Sn、0.0007％Bi，余量为Fe。
优质废钢成分及其质量百分比含量为：C≤0.52wt％，Mn≤1.1wt％，Cr≤0.040wt％，S≤0.040wt％，余量为Fe。
硅铁成分及其质量百分比含量为：53wt％Si、1.18wt％Al、0.47wt％Mn、0.53wt％Cr，余量为Fe。
实施例1
S1、将高纯生铁、优质废钢、回炉料、增碳剂、硅铁置于熔炼炉中熔炼，控制铁水出炉温度为1480℃，将23000Kg铁水分为4个铁水包，铁水包质量依次为5000Kg、8000Kg、6000Kg、4000Kg。
S2、在每个铁水包加入球化剂，加入量依次为45Kg、64Kg、48Kg、32Kg，球化剂成分按照质量百分比计为：6.1wt％Mg、0.8wt％Re、32wt％Si、0.91wt％Ca、0.40wt％Ba、0.63wt％Al、0.08wt％Ti、0.39wt％MgO。
S3、然后在每个铁水包球化剂表面覆盖总铁水质量0.3％的孕育剂在1450℃下进行球化孕育处理；孕育剂粒径为0.5mm，成分按照质量百分比计包括：72wt％Si、0.56wt％Al、1.5wt％Ca、0.52wt％Ba、0.27wt％Bi。
S4、球化孕育后依次将铁水包中铁水浇注至铸型中，浇注过程中随流加入孕育剂，连体试块铸型为树脂砂造型，底注式浇道充型，其中浇注顺序为在1375℃浇注5000Kg，球化后至浇注完成时间为67s+420s＝487s、在1360℃浇注8000Kg，球化后至浇注完成时间为107s+420s＝527s、在1355℃浇注6000Kg，球化后至浇注完成时间为80s+420s＝500s、在1350℃浇注4000Kg，球化后至浇注完成时间为53s+420s＝473s，故最长球化后至浇注完成时间为527S，最终铸型平均壁厚为176mm。
S5、浇注结束后，在铸型中保温，然后冷却至300℃，从铸型中取出铸件；
最终铸铁成分及其质量百分比含量为：3.82wt％C、1.20wt％Si、0.06wt％Mn、0.012wt％P、0.010wt％S、0.040wt％Mg、0.009wt％Re、0.001wt％Sb，0.25wt％Cu、0.56wt％Ni、0.029wt％Sn，余量为Fe。
实施例2：
S1、将高纯生铁、优质废钢、回炉料、增碳剂、硅铁置于熔炼炉中熔炼，控制铁水出炉温度为1480℃，将23000Kg铁水分为3个铁水包，铁水包质量依次为6000Kg、9000Kg、8000Kg。
S2、在每个铁水包加入球化剂，加入量依次为48Kg、81Kg、72Kg，球化剂成分按照质量百分比计为：6.1wt％Mg、0.8wt％Re、32wt％Si、0.91wt％Ca、0.40wt％Ba、0.63wt％Al、0.08wt％Ti、0.39wt％MgO。
S3、然后在每个铁水包球化剂表面覆盖总铁水质量0.3％的孕育剂在1450℃下进行球化孕育处理；孕育剂粒径为0.5mm，成分按照质量百分比计包括：72wt％Si、0.56wt％Al、1.5wt％Ca、0.52wt％Ba、0.27wt％Bi。
S4、球化孕育后依次将铁水包中铁水浇注至铸型中，浇注过程中随流加入孕育剂，连体试块铸型为树脂砂造型，底注式浇道充型，其中浇注顺序为在1375℃浇注6000Kg，球化后至浇注完成时间为80s+420s＝500s、在1360℃浇注9000Kg，球化后至浇注完成时间为120s+420s＝540s、在1355℃浇注8000Kg，球化后至浇注完成时间为107s+420s＝527s，故最长球化后至浇注完成时间为540S，最终铸型平均壁厚为176mm。
S5、浇注结束后，在铸型中保温，然后冷却至300℃，从铸型中取出铸件。
实施例3：
S1、将高纯生铁、优质废钢、回炉料、增碳剂、硅铁置于熔炼炉中熔炼，控制铁水出炉温度为1480℃，将23000Kg铁水分为5个铁水包，铁水包质量依次为5000Kg、3000Kg、4000Kg、5000Kg、6000Kg。
S2、在每个铁水包加入球化剂，加入量依次为40Kg、27Kg、36Kg、45Kg、54Kg，球化剂成分按照质量百分比计为：6.1wt％Mg、0.8wt％Re、32wt％Si、0.91wt％Ca、0.40wt％Ba、0.63wt％Al、0.08wt％Ti、0.39wt％MgO。
S3、然后在每个铁水包球化剂表面覆盖总铁水质量0.3％的孕育剂在1450℃下进行球化孕育处理；孕育剂粒径为0.5mm，成分按照质量百分比计包括：72wt％Si、0.56wt％Al、1.5wt％Ca、0.52wt％Ba、0.27wt％Bi。
S4、球化孕育后依次将铁水包中铁水浇注至铸型中，浇注过程中随流加入孕育剂，连体试块铸型为树脂砂造型，底注式浇道充型，其中浇注顺序为在1375℃浇注5000Kg,球化后至浇注完成时间为67s+420s＝487s、在1360℃浇注3000Kg,球化后至浇注完成时间为40s+420s＝460s、在1355℃浇注4000Kg,球化后至浇注完成时间为53s+420s＝473s、在1350℃浇注5000Kg,球化后至浇注完成时间为47s+420s＝487s、在1345℃浇注6000Kg,球化后至浇注完成时间为80s+420s＝500s，故最长球化后至浇注完成时间为500S，最终铸型平均壁厚为176mm。
S5、浇注结束后，在铸型中保温，然后冷却至300℃，从铸型中取出铸件。
实施例4：
与实施例1的区别，仅在于，步骤S4浇注顺序为在1375℃浇注5000Kg、在1375℃浇注8000Kg、在1375℃浇注6000Kg、在1375℃浇注4000Kg。
实施例5：
与实施例1的区别，仅在于，球化剂添加量为球化剂添加量为每个铁水包质量的1.0％。
对比例1：
S1、将高纯生铁、优质废钢、回炉料、增碳剂、硅铁置于熔炼炉中熔炼，控制铁水出炉温度为1480℃，将23000Kg铁水分为1个铁水包。
S2、在铁水包加入230Kg球化剂，球化剂成分按照质量百分比计为：6.1wt％Mg、0.8wt％Re、32wt％Si、0.91wt％Ca、0.40wt％Ba、0.63wt％Al、0.08wt％Ti、0.39wt％MgO。
S3、然后在每个铁水包球化剂表面覆盖总铁水质量0.3％的孕育剂在1450℃下进行球化孕育处理；孕育剂粒径为0.5mm，成分按照质量百分比计包括：72wt％Si、0.56wt％Al、1.5wt％Ca、0.52wt％Ba、0.27wt％Bi。
S4、球化孕育后依次将铁水包中铁水浇注至铸型中，浇注过程中随流加入孕育剂，连体试块铸型为树脂砂造型，底注式浇道充型，其中浇注温度为1365℃,球化后至浇注完成时间为307s+420s＝727s，故最长球化后至浇注完成时间为727S，最终铸型平均壁厚为176mm。
S5、浇注结束后，在铸型中保温，然后冷却至300℃，从铸型中取出铸件。
表1：实施例1-2、对比例1-4制备的铸铁力学性能检测结果
腐蚀试验：试样研磨抛光至镜面(即Ra≤0.04)后，表面使用酒精冲洗两次并用吹风机吹干，然后在其表面滴上4％硝酸酒精溶液，腐蚀6-35秒(表面变暗)，后用清水冲洗，吹风机吹干。放置在金相显微镜上进行观察。
图1为实施例1制备的铸铁金相图；图2为实施例1制备的铸铁经腐蚀试验后的金相图。从图中可知，球墨效果良好，球化等级2级石墨大小7级，基体铁素体含量≥95％，理化性能优良。
图3为实施例2制备的铸铁金相图；图4为实施例2制备的铸铁经腐蚀试验后的金相图。从图中可知，从图中可知，球墨效果良好，球化等级2级石墨大小7级，基体铁素体含量≥95％，理化性能优良，除屈服强度外，其他指标均略低实例1。
图5为实施例3制备的铸铁金相图；图6为实施例3制备的铸铁经腐蚀试验后的金相图。从图中可知，球墨效果良好，球化等级2级石墨大小7级，基体铁素体含量≥95％，理化性能优良，理化性能指标与实施例1基本一致。
图7为实施例4制备的铸铁金相图；图8为实施例4制备的铸铁经腐蚀试验后的金相图。从图中可知，球墨效果良好，球化等级2级石墨大小7级，基体铁素体含量≥95％，理化性能指标均低于实施例1。
图9为实施例5制备的铸铁金相图；图10为实施例5制备的铸铁经腐蚀试验后的金相图。从图中可知，球化效果良好，球化等级2级石墨大小7级，基体铁素体含量≥95％，理化性能同实例1相比无明显提升(拉伸强度和硬度降低，屈服强度不变，-40℃冲击功平均值提高)。
图11为对比例1制备的铸铁金相图；图12为对比例1制备的铸铁经腐蚀试验后的金相图。从图中可知，球化效果一般，球化等级2级石墨大小6级，基体铁素体含量≥90％，理化性能同实例1相比明显降低。
综上所述，本发明将传统一包铁水浇注改进为3-5包不同铁水浇注，使得铸铁整体趋于同时凝固，有效解决了铸铁缩松问题，提高了铸件性能，而且节省了原料和能量。本发明通过改进为3-5包不同铁水浇注减少了球化剂的加入量，球化后至浇注完成的时间也相应由727S减少到527S，并且使得浇注过程中上平面浮渣也得到大幅度降低，从而减少了除渣剂的使用，减少了扒渣劳动强度。
本处实施例对本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之处以及在实施例技术方案中对单个或者多个技术特征的同等替换所形成的新的技术方案，同样都在本发明要求保护的范围内；同时本发明方案所有列举或者未列举的实施例中，在同一实施例中的各个参数仅仅表示其技术方案的一个实例(即一种可行性方案)，而各个参数之间并不存在严格的配合与限定关系，其中各参数在不违背公理以及本发明述求时可以相互替换，特别声明的除外。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。以上所述是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (10)
1.一种用于风力发电机轮毂的球墨铸铁制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：将铸铁原料熔炼成铁水后，将铁水分别倒入3-5个铁水包，在每个铁水包中加入球化剂，然后依次在球化剂表面覆盖孕育剂进行球化孕育处理，将所述铁水包中的铁水依次浇注在同一铸型中，浇注结束后进行保温处理得铸件。
2.根据权利要求1所述的一种用于风力发电机轮毂的球墨铸铁制备方法，其特征在于，浇注过程中按照浇注顺序每个铁水包中铁水温度依次降低5-15℃，其中第一个铁水包温度为1370-1380℃。
3.根据权利要求1所述的一种用于风力发电机轮毂的球墨铸铁制备方法，其特征在于，铁水包中铁水为总铁水质量的13-39％。
4.根据权利要求1所述的一种用于风力发电机轮毂的球墨铸铁制备方法，其特征在于，球化剂添加量为每个铁水包中铁水质量的0.8-0.9％，其中第一铁水包球化剂添加的质量百分比＜第二铁水包球化剂添加的质量百分比＝剩余铁水包球化剂添加的质量百分比。
5.根据权利要求1或4所述的一种用于风力发电机轮毂的球墨铸铁制备方法，其特征在于，球化剂成分按照质量百分比计包括：3-12wt％Mg、0.2-2wt％Re、30-45wt％Si、0.6-2wt％Ca、0.2-1wt％Ba、0-1wt％Al、0-0.5wt％Ti、0-0.5wt％MgO。
6.根据权利要求1所述的一种用于风力发电机轮毂的球墨铸铁制备方法，其特征在于，球化剂表面覆盖的孕育剂总添加量为铁水质量的0.2-0.35％。
7.根据权利要求1所述的一种用于风力发电机轮毂的球墨铸铁制备方法，其特征在于，浇注过程中随流加入铁水质量0.2％的孕育剂。
8.根据权利要求1或6所述的一种用于风力发电机轮毂的球墨铸铁制备方法，其特征在于，孕育剂粒径为0.2-0.7mm，成分按照质量百分比计包括：60-80wt％Si、0-1wt％Al、1-2wt％Ca、1-2wt％Ba、0.1-0.3wt％Bi。
9.根据权利要求1所述的一种用于风力发电机轮毂的球墨铸铁制备方法，其特征在于，铸铁各元素按质量百分比计为：3.80～3.95wt％C、1.19～1.39wt％Si、Mn≤0.20wt％、P≤0.050wt％、S≤0.015wt％、0.030～0.045wt％Mg、Re≤0.019wt％、Sb≤0.005wt％，0.20～0.40wt％Cu、0.10～0.60wt％Ni、0.020～0.080wt％Sn，余量为Fe。
10.根据权利要求1所述的一种用于风力发电机轮毂的球墨铸铁制备方法，其特征在于，铸型壁厚为65-360mm。
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