一种大型风电用铸件球化孕育处理的方法

技术领域

本发明属于球墨铸铁的冶炼技术领域，具体涉及大型风电用铸件球化孕育处理的方法。

背景技术

球墨铸铁是20世纪五十年代发展起来的一种高强度铸铁材料，其综合性能与钢接近，由于其优异的性能，目前已成功地用于铸造一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的零件，并成为仅次于灰铸铁应用的铸铁材料。目前球墨铸铁涉及的领域包括风力发电领域、核工业领域、汽车零部件等制造领域。

由于风力发电机组多建于海边和沙漠等多风地带，这些地方气候条件十分恶劣，机组通常要在-20℃甚至-40℃的环境下服役，服役时间长达20年，因此对风电铸件的质量和使用性能要求较高，尤其是要求铸件在低温条件下仍能保持良好的力学性能，特别是低温冲击韧性。和普通球墨铸铁件的生产相比，这种耐低温的球墨铸铁件对铁水球化的过程控制具有更高的要求。目前在生产风电用球铁铸件时，易出现球化率低、石墨粗大、石墨畸变等问题，导致铸件力学性能不稳定，从而影响产品质量。

现有技术中为了提高球化率以及石墨球圆整度，一般采用分批多次添加孕育剂的方式进行球化孕育。例如，中国专利申请CN108330383A中公开了一种大型风电铸件的铸造方法，其包括步骤：(a)将炉料熔炼成铁水；(b)铁水经球化处理和孕育处理后浇注充型、凝固即得铸件；步骤a中，控制铁水中元素C：3.65～3.90wt％，Si：0.8～1.2wt％，Mn：0.05～0.20wt％，P：≤0.035wt％，S：0.006～0.015wt％；步骤b中，球化处理具体为：首先向球化室加入铁水量1.00～1.20wt％的球化剂，然后在球化剂上覆盖铁水量0.4～0.7wt％的覆盖剂，最后将铁水倒入球化室进行球化孕育处理；步骤b中，孕育处理具体分三次进行：第一次孕育在炉前进行，在球化反应中后期将孕育剂加入铁水中，第二次是在球化扒渣完毕之后加在铁水表面，第三次孕育是在浇注时，通过随流的方式进行瞬时孕育。该方法通过使用大量的覆盖剂和多次孕育的方式提高石墨球圆整度，所铸造的风电铸件具有较高的强度和冲击吸收功。目前，还未见有风电用铸件制作过程中一次性孕育达到目的的方法，因此，研究风电用铸件铸造过程中一次性孕育的方法对于减少操作步骤、避免铁水转运过程中出现球化和孕育衰退的问题、节省生产成本具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大型风电用铸件球化孕育处理的方法，该方法对铁水球化孕育处理的工艺进行优化，通过将孕育剂包裹在设置有通孔的硅钢片制成的空心铁球中，控制孕育剂缓慢释放，强化铁水孕育效果，避免铁水转运过程中出现球化和孕育衰退，并与Sb合金一起作用最终提高石墨球数量、圆整度和球化等级，从而提高铸件的强度和冲击吸收功，最终提高风电用铸件的力学性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种风电用铸件球化孕育处理的方法，包括以下步骤：

S1、炉料选择：所述炉料包括以下原料：按质量比(1.5～4):1混合的Q10生铁和废钢，以及根据所述Q10生铁、废钢的检测成分与标准含量的差值计算得出的所需量的增碳剂和硅铁；

S2、熔炼：将所述炉料置于熔炼炉中熔炼，控制铁水出炉温度为1480～1520℃；

S3、球化孕育处理：在浇包底部一侧设置球化包填埋室，先将球化剂和锑合金放置在所述球化包填埋室最底部，再加入若干个孕育剂缓释球A，盖上硅钢片；在所述浇包的内侧壁上中部位置设有至少一个第一凸台，所述第一凸台上放置有若干个孕育剂缓释球B；在所述浇包的内侧壁上靠近顶端的位置设有至少一个第二凸台，所述第二凸台上放置有若干个孕育剂缓释球C；将铁水冲向浇包底部未设置所述球化包填埋室和所述孕育剂缓释球B、孕育剂缓释球C的内壁；待铁水熔清后，在1400℃扒渣，再将炉内温度升至1480℃～1520℃后进行球化；所述孕育剂缓释球A、B、C均是分别将孕育剂包埋在设有若干通孔的硅钢片制成的空心球内制备而成，所述通孔的孔径小于所述孕育剂的粒径；

S4、浇注：对步骤S3中球化后的铁水扒渣，然后浇注至铸型中，浇注温度为1330～1350℃。

本发明中通过在浇包底部设置孕育剂缓释球A，在浇包内侧壁中部的位置放置孕育剂缓释球B，在浇包靠近上端的内侧壁上设置孕育剂缓释球C，缓释球A、B、C均采用设置有通孔的硅钢片制备，通孔的孔径小于孕育剂的粒径，既保证孕育剂不会从通孔漏出，又不会在铁水中带入新的杂质，还不会使缓释球在高温环境下爆炸。当铁水浇入浇包内后，由于球化包填埋室覆盖有硅钢片，能够减缓球化反应的速度，硅钢片被高温的铁水逐渐熔化后，设置于浇包底部的孕育剂缓释球A的硅钢片上由于设置有通孔，铁水先经通孔进入缓释球A内部与其内部的孕育剂进行孕育反应，随着缓释球A与铁水接触时间延长，缓释球A逐渐被高温熔化释放出孕育剂，再随着浇包内铁水液面逐渐升高，缓释球B、C陆续接触到铁水后，铁水同样先经通孔进入缓释球B、C内部与球内的孕育剂进行反应，然后缓释球B、C在高温下陆续熔化并释放出孕育剂，通过这样逐渐释放孕育剂的方法能够有效控制孕育反应的速度。需要说明的是，缓释球A、B、C均可以根据实际操作中孕育剂用量和铁水用量来设置不同的结构，这里不同的结构包括设置不同层数的硅钢片空心球壁、不同的球壁厚度、不同的球径、不同的孕育剂种类和用量等。缓释球A、B、C均是预先将合适大小的孕育剂颗粒置于由带通孔的硅钢片制成的半球中，再分别将两个半球焊接成一个完整的球体；用于制备缓释球A、B、C的带通孔的硅钢片其通孔孔径大小可以根据缓释球A、B、C中孕育剂颗粒大小不同而各自不同，也可以根据所使用的孕育剂最小粒径设置成统一大小，即通孔孔径只需要保证缓释球内的孕育剂不会漏出即可，在此前提下，孔径大小对孕育剂孕育效果的影响可以忽略不计。第一凸台和第二凸台的数量均可以根据实际情况设置为一个或多个，且每个凸台(包括第一凸台和第二凸台)的结构形状、大小不做限制，只要能放置所需用量的缓释球B或缓释球C就行。在扒渣后，可以先进行取样分析检测铁水的成分，若铁水成分与目标指标相差较大，可以对成分进行适当调整。

优选的，步骤S3中所述球化剂的用量为步骤S2中出铁重量的1.2～1.5wt％；所述锑合金的用量为步骤S2中出铁重量的0.002～0.008wt％；所述孕育剂缓释球A中第一孕育剂的用量为步骤S2中出铁重量的0.4～0.6wt％，所述孕育剂缓释球B中第二孕育剂的用量为步骤S2中出铁重量的0.2～0.4wt％；所述孕育剂缓释球C中第三孕育剂的用量为步骤S2中出铁重量的0.1wt％。

优选的，所述第一孕育剂的主要成分如下：Si 67～72wt％，Ca 1～2wt％，Al＜1.5wt％，Ba 4～6wt％，余量为铁；所述第二孕育剂的主要成分如下：Si 72～78wt％，Ca1.0～2.0wt％，Al 0.8～1.5wt％，Ba 2～3wt％，余量为铁。

优选的，所述第三孕育剂的主要成分如下：Si 70～76wt％，Ca 0.75～1.25wt％，Ce 1.5～2.0wt％，Al 0.75～1.25wt％，O和S总量＜1wt％，余量为铁。

优选的，所述孕育剂缓释球A的壁厚为2.5～3.0mm，球径为3.0～3.5cm；所述孕育剂缓释球B的壁厚为2.0～2.5mm，球径为2.5～3.0cm；所述孕育剂缓释球C的壁厚为1.0～1.5mm，球径为1.0～2.0cm。

优选的，步骤S3中所述球化剂包括第一球化剂和第二球化剂，所述第一球化剂的主要成分如下：Si 44～48wt％，Mg 5.5～6.5wt％，Ca 1～1.5wt％，Re 1～1.5wt％，Al＜0.7wt％，余量为铁；所述第二球化剂的主要成分如下：Si 44～48wt％，Mg 5.5～6.5wt％，Ca＜1.5wt％，Re＜1wt％，余量为铁。

进一步优选的，所述第一球化剂和所述第二球化剂的质量比为1:1。

优选的，步骤S3中球化后的铁水的成分如下：C 3.50～3.90wt％，Si 1.7～2.0wt％，Mn＜0.20wt％，S≤0.015wt％，P＜0.04wt％，Re

本发明的有益效果是：

(1)本发明中通过将孕育剂装填在设有通孔的硅钢片制成的空心球内制备成孕育剂缓释球，并将孕育剂缓释球设置于浇包内不同位置，使得向浇包中加入铁水进行球化孕育的过程中，孕育剂缓慢释放持续进行孕育反应，使石墨形核核心和石墨球数量增多，球化率提高。因此，不需要进行多次孕育，不仅能提高孕育效果和效率，还减少了操作步骤，节省了生产成本；

(2)通过在球化时加入0.002％～0.008％锑合金，使石墨球数量增多、直径和圆整度更小，球化等级提高。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的球铁附铸试块的金相分析结果。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。本领域技术人员依据以下实施方式所作的任何等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

以下实施例和对比例中，浇注附铸试块的规格型号、力学性能测试和化学成分分析按GB/T 1348-2019《球墨铸铁件》中的规定执行。金相分析按照如下方法进行：金相试样经切割、预磨及抛光后，利用XJG-04大型光学显微镜观察石墨形态。

实施例1

本实施例中风电用铸件球化孕育处理的方法包括如下步骤：

S1、炉料选择：以70wt％Q10生铁、30wt％专用废钢作为原料，再添加1wt％增碳剂和0.54wt％75硅铁；

S2、将步骤S1中的炉料置于熔炼炉中熔炼，控制铁水出炉温度为1500±20℃；

S3、球化孕育处理：在浇包底部一侧设置球化包填埋室，先将占步骤S2中出炉铁水重量1.4wt％的球化剂、0.006wt％的锑合金放置在所述球化包填埋室最底部，再加入孕育剂缓释球A，盖上硅钢片；在所述浇包中部的内侧壁上设有一圈第一凸台，所述第一凸台上放置有若干个孕育剂缓释球B；在所述浇包的内侧壁上靠近顶端的位置沿所述内侧壁设置有一圈第二凸台，所述第二凸台上放置有孕育剂缓释球C；将铁水冲向浇包内未放置所述球化包填埋室和所述孕育剂缓释球B、孕育剂缓释球C的内壁；待铁水熔清后，在1400℃扒渣，取样分析成分，控制铁水中元素C：3.65～3.90wt％，Si：0.8～1.2wt％，Mn：0.05～0.20wt％，P：≤0.035wt％，S：0.006～0.015wt％，再将炉内温度升至1500±20℃后进行球化；所述孕育剂缓释球A的壁厚为2.5mm，球径为3.0cm；缓释球A内装填有占步骤S2中出炉铁水重量0.4wt％的第一孕育剂；所述缓释球B的壁厚为2.0mm，球径为2.5cm；缓释球B内装填有占步骤S2中出炉铁水重量0.2wt％的第二孕育剂；所述缓释球C的壁厚为1.0mm，球径为1.0cm，缓释球C内装填有占步骤S2中出炉铁水重量0.1wt％的第三孕育剂；缓释球A由设有第一通孔的硅钢片制备，所述第一通孔的孔径小于所述第一孕育剂的粒径；缓释球B由设有第二通孔的硅钢片制备，所述第二通孔的孔径小于所述第二孕育剂的粒径；缓释球C由设有第三通孔的硅钢片制备，所述第三通孔的孔径小于所述第三孕育剂的粒径；孕育剂缓释球A由两个半球构成，使用时先将孕育剂置于半球内，再将两个半球焊接成一个完整的球体；缓释球B、C的制备方法与缓释球A相同；

S4、浇注：对步骤S3中球化后的铁水扒渣，然后浇注至铸型中，浇注温度为1330～1350℃；

上述步骤中各种原料的主要成分见表1，表1中第三孕育剂中还需控制O和S总量＜1wt％。

表1各种原料的主要化学成分(wt％)

实施例2

本实施例中风电用铸件球化孕育处理的方法包括如下步骤：

S1、炉料选择：以60wt％Q10生铁、40wt％废钢作为原料，再添加1.45wt％增碳剂和0.48wt％75硅铁；所述Q10生铁、废钢、增碳剂、75硅铁的成分与实施例1中相同；

S2、将步骤S1中的炉料置于熔炼炉中熔炼，控制铁水出炉温度为1500±20℃；

S3、球化孕育处理：在浇包底部一侧设置球化包填埋室，先将占步骤S2中出炉铁水重量0.6wt％的第一球化剂、0.6wt％的第二球化剂、0.002wt％的锑合金放置在所述球化包填埋室最底部，再加入孕育剂缓释球A，盖上硅钢片；在所述浇包中部的内侧壁上设有10个第一凸台，10个所述第一凸台在同一水平面上相互之间具有相同的间距上，每个所述第一凸台上放置有若干个孕育剂缓释球B；在所述浇包的内侧壁上靠近顶端的位置设置有10个第二凸台，10个所述第二凸台在同一水平面上相互之间具有相同的间距，每个所述第二凸台上均放置有孕育剂缓释球C；将铁水冲向浇包内未放置所述球化包填埋室和所述孕育剂缓释球B、孕育剂缓释球C的内壁；待铁水熔清后，在1400℃扒渣，取样分析成分，控制铁水中元素C：3.65～3.90wt％，Si：0.8～1.2wt％，Mn：0.05～0.20wt％，P：≤0.035wt％，S：0.006～0.015wt％，再将炉内温度升至1500±20℃后进行球化；所述孕育剂缓释球A的壁厚为3.0mm，球径为3.2cm；缓释球A中装填有占步骤S2中出炉铁水重量0.5wt％的第一孕育剂；所述缓释球B的壁厚为2.5mm，球径为2.8cm；缓释球B中装填有占步骤S2中出炉铁水重量0.3wt％的第二孕育剂；所述缓释球C的壁厚为1.5mm，球径为1.5cm，缓释球C内装填有占步骤S2中出炉铁水重量0.1wt％的第三孕育剂；所述缓释球A、B、C均由设有相同的通孔的硅钢片制备，所述通孔的孔径小于第一、二、三孕育剂中粒径最小的孕育剂的粒径；所述缓释球A、B、C的制备方法与实施例1相同；所述第一孕育剂、第二孕育剂和第三孕育剂的成分与实施例1相同；所述第一球化剂的主要成分如下：Si 44～48wt％，Mg 5.5～6.5wt％，Ca 1～1.5wt％，Re 1～1.5wt％，Al＜0.7wt％，余量为铁；所述第二球化剂的主要成分如下：Si 44～48wt％，Mg 5.5～6.5wt％，Ca＜1.5wt％，Re＜1wt％，余量为铁；

S4、浇注：对步骤S3中球化后的铁水扒渣，然后浇注至铸型中，浇注温度为1330～1350℃。

实施例3

本实施例中风电用铸件球化孕育处理的方法包括如下步骤：

S1、炉料选择：以80wt％Q10生铁、20wt％废钢作为原料，再添加0.59wt％增碳剂和0.45wt％75硅铁；所述Q10生铁、废钢、增碳剂、75硅铁的成分与实施例1中相同；

S2、将步骤S1中的炉料置于熔炼炉中熔炼，控制铁水出炉温度为1500±20℃；

S3、球化孕育处理：在浇包底部一侧设置球化包填埋室，先将占步骤S2中出炉铁水重量0.75wt％的第一球化剂、0.75wt％的第二球化剂和0.008wt％的锑合金放置在所述球化包填埋室最底部，再加入孕育剂缓释球A，盖上硅钢片；在所述浇包中部的内侧壁上设有一个第一凸台，所述第一凸台上放置有若干个孕育剂缓释球B；在所述浇包的内侧壁上靠近顶端的位置沿所述内侧壁设置有一个第二凸台，所述第二凸台上放置有孕育剂缓释球C；将铁水冲向浇包内未放置所述球化包填埋室和所述孕育剂缓释球B、孕育剂缓释球C的内壁；待铁水熔清后，在1400℃扒渣，取样分析成分，控制铁水中元素C：3.65～3.90wt％，Si：0.8～1.2wt％，Mn：0.05～0.20wt％，P：≤0.035wt％，S：0.006～0.015wt％，再将炉内温度升至1500±20℃后进行球化；所述孕育剂缓释球A的壁厚为3.0mm，球径为3.5cm；缓释球A中装填有占步骤S2中出炉铁水重量0.6wt％的第一孕育剂；所述缓释球B的壁厚为2.5mm，球径为3.0cm；缓释球B中装填有占步骤S2中出炉铁水重量0.4wt％的第二孕育剂；所述缓释球C的壁厚为1.5mm，球径为2.0cm，缓释球C内装填有占步骤S2中出炉铁水重量0.1wt％的第三孕育剂；缓释球A、B、C的结构和制备方法与实施例1完全相同；所述第一孕育剂、第二孕育剂和第三孕育剂的成分与实施例1相同；所述第一球化剂和第二球化剂的成分与实施例2相同；

S4、浇注：对步骤S3中球化后的铁水扒渣，然后浇注至铸型中，浇注温度为1330～1350℃。

对比例1

本对比例中风电用铸件球化孕育处理的方法与实施例3基本相同，不同之处在于：

步骤S3中，将占步骤S2中出炉铁水重量0.6wt％的第一孕育剂、占步骤S2中出炉铁水重量0.4wt％的第二孕育剂、占出炉铁水重量0.1wt％的第三孕育剂均装填于缓释球A中，浇包中部的内侧壁上不设缓释球B，浇包顶端的内侧壁上不设缓释球C。

对比例2

本对比例中风电用铸件球化孕育处理的方法与实施例3基本相同，不同之处在于：

步骤S3中，将所述孕育剂缓释球A置于所述第二凸台上，将所述孕育剂缓释球C置于所述球化包填埋室最底部。

对比例3

本对比例中风电用铸件球化孕育处理的方法包括如下步骤：

S1、炉料选择：以80wt％Q10生铁、20wt％废钢作为原料，再添加0.59wt％增碳剂和0.45wt％75硅铁；所述Q10生铁、废钢、增碳剂、75硅铁的成分与实施例1中相同；

S2、将步骤S1中的炉料置于熔炼炉中熔炼，控制铁水出炉温度为1500±20℃；

S3、球化孕育处理：在浇包底部一侧设置球化包填埋室，先将占步骤S2中出炉铁水重量0.75wt％的第一球化剂、0.75wt％的第二球化剂和0.008wt％的锑合金放置在所述球化包填埋室最底部，再加入占步骤S2中出炉铁水重量0.6wt％的第一孕育剂，盖上硅钢片；将铁水冲向浇包内未放置所述球化包填埋室的一侧；待铁水熔清后，在1400℃扒渣，然后加入占步骤S2中出炉铁水重量0.4wt％的第二孕育剂；取样分析成分，控制铁水中元素C：3.65～3.90wt％，Si：0.8～1.2wt％，Mn：0.05～0.20wt％，P：≤0.035wt％，S：0.006～0.015wt％，再将炉内温度升至1500±20℃后进行球化；

S4、将步骤S3中球化后的铁水浇注至铸型中，浇注过程中加入占步骤S2中出炉铁水重量0.1wt％的第三孕育剂，浇注温度为1330～1350℃。

球铁性能测试

按照上述实施例1～3、对比例1～3的球化孕育方法分别进行2个炉次实验，检测制备的球铁的化学成分、金相组织和力学性能；结果分别见表2和表3。

表2实施例和对比例制备的球铁的化学成分分析结果(wt％)

从表2中的数据可以看出，对比例1与实施例3的不同之处在于将第一孕育剂、第二孕育剂和第三孕育剂均装填于缓释球A中置于浇包底部，得到的球墨铸铁中碳元素和硅元素的含量明显下降，不过碳元素含量仍在符合要求的范围内；但是，硅元素的含量可能会低于限定范围的下限值。对比例2将缓释球A与缓释球C的位置调换后，碳元素含量也明显下降。对比例3为现有技术中多次孕育的方法，碳元素含量和硅元素含量都是符合要求的。

表3实施例和对比例制备的球铁的金相组织和力学性能测试结果

从表3的数据可以看出，对比例1与实施例3的不同之处在于将第一孕育剂、第二孕育剂和第三孕育剂均装填于缓释球A中置于浇包底部，得到的球墨铸铁的球化等级、石墨大小都下降了一个等级，伸长率和低温冲击功都明显下降。对比例2将缓释球A(第一孕育剂)与缓释球C(第三孕育剂)的位置调换后，虽然石墨级别没有影响，但是球化级别在下降，得到的球墨铸铁的伸长率和低温冲击功也都明显下降。对比例3采用现有技术中分三次孕育的方法，得到的球墨铸铁的球化等级和石墨级别无影响，伸长率与实施例3相比变化不大，强度和低温冲击功略低于实施例3。这说明本发明中采用将孕育剂置于缓释球内、并合理设置缓释球的位置进行一次孕育的方法能够取得略优于现有技术的效果，但是相比于现有技术却简化了操作步骤，从而进一步缩短生产周期和节约生产成本。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。对于任何熟悉本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。任何依据本发明申请保护范围及说明书内容所作的简单的等效变化和修饰，均应包含在本发明的保护范围之内。