[发明专利]一种高性能风力发电电机轴用钢锭冶炼工艺

说明书

技术领域

本发明涉及冶金领域，具体为一种高性能风力发电机钢锭制备工艺。

背景技术

在包“十二五”期间，风力发电成为我国优先发展的清洁能源，风电发电设备建设进展较快，风电的核心部件及关键材料的国产化也受到普遍的重视。这种材料在实际应用状态下要承受高动态应力、高的疲劳周期载荷作用，要求具有优良力学性能。合金钢材力学性能优劣主要取决于其纯净度，其中非金属夹杂物的形态和尺寸、参与元素含量等作为纯净度关键指标成为行业技术关注重点。传统脱氧方法采用铝脱氧、高碱度渣真空冶炼技术，钢中夹杂物以氧化物、硫化物、硅酸盐夹杂物、点状不变形夹杂物形态存在，以脆性夹杂物Al2O3为主。高动态应力的钢，在使用中脆性夹杂物会产生有害的张力场，从而导致疲劳裂纹的产生和扩展，使钢的使用疲劳寿命降低。

一般风电发电机机轴采用德国进口17NiCrMo6材料制成，这是一种具有相当强韧性的材料，可以满足风力发电机高速运转及工作经常变载的要求。但目前市场上这种材料的成本较高，且因为钢锭尺寸较大，若浇注温度和速度控制不当会造成严重的疏松或产生二次缩孔，导致材料质量不稳定，一般较难通过严格探伤测试；另外，为确保满足恶劣的使用条件，要求耐受低温—40℃海水侵蚀，及达到机械性能规范，冶炼的难点主要是如何把硫、磷含量控制在0.003%的高水平成分范围内。

在钢铁合金冶炼过程中，在炼钢阶段将原料熔化为钢水，然后；在氧化期过程中，需加入氧化剂（如吹入氧气、或加入铁矿石即氧化铁FeO）以氧化其中的碳、及去除有害的磷等杂质和气体。在通常情况下，需要加入过量的氧化剂，以达到脱碳、脱磷、除去有害杂质和气体（如氢和氮）的目的，因此会形成氧化夹杂物（以FeO为主）。氧化夹杂物对钢质有害，造成所得到的钢铁容易发生热脆等。通常需要再加入脱氧剂进行脱氧处理，即钢铁冶炼中的还原期。

脱氧剂的种类有很多，常用的有硅铁、锰铁、硅锰合金、铝等，以及用作脱氧剂和合金化材料的有铌铁、钒铁、钛铁等。

在电弧炉及钢包精炼炉（LF炉）中进行的脱氧处理工艺主要有沉淀脱氧和扩散脱氧。

沉淀脱氧：向钢水中直接加入脱氧的合金材料，使之形成氧化物；该氧化物上浮进入钢渣。这种方法脱氧速度快，但是产生的夹杂物较多，且夹杂物混合在钢水中不易上浮于渣中，因此较难去除。一般在沉淀脱氧前会在钢水中加入少量萤石（CaF₂，用量一般为钢水量的1%）、石灰（即氧化钙，用量一般为钢水量的2%）等造渣材料制造漂浮在钢水表面的渣中，用于吸附钢水中的夹杂物。

扩散脱氧：在钢渣中氧化铁的含量较高，可向钢渣中加入碳粉、硅粉、硅钙粉、铝粉等还原剂，用于还原钢渣，使钢渣中的FeO含量降低，有利于钢水中的氧扩散到钢渣中。

沉淀脱氧过程中，常用的脱氧剂材料有锰铁、硅铁、硅锰铁和铝，这几种材料的价格较低。一般情况下，脱氧剂折合为硅、锰和铝元素，与钢水的用量比为0.17%～0.37%、0.3%～0.6%和0.05%～0.10%。现有的工艺中，脱氧剂锰铁、硅铁、硅锰铁和铝分别加入钢水中进行反应；根据对氧亲和力的强弱，加入顺序为锰铁、硅铁、硅锰铁和铝，由于锰与氧的亲和力弱，需要反应较长的时间，因此最先加入；铝较为活泼，反应时间较短。由于钢水的温度一般在1600℃左右，在冶炼过程中分别单独加入上述脱氧剂，就不能形成低熔点、比重轻的液态大颗粒（Al₂O₃、SiO₂和MnO的熔点分别为2050℃、1713℃和1785℃，高于钢水温度），这些脱氧产物在钢水中以固体状存在，混合在钢水中，难以上浮以脱离钢水进入钢渣。

因此，需要对现有工艺加以改进，使脱氧剂能够形成比重轻、熔点低、颗粒大的脱氧产物，以便脱离钢液上浮于钢渣中，从而使钢液得到净化。

由于没有找到良好的脱氧剂材料，其脱氧均采用常规的脱氧剂，如锰铁、硅铁、铝分别单独进行脱氧。这样无法使钢液获得进一步净化，因而难以达到和满足客户对特殊重要产品技术质量的要求。采用现有常规脱氧剂均难全部达到和满足其要求。因此，需要克服上述难题，从而确保国家各重点工程项目对产品的高倍夹杂和探伤高水准的要求。

发明内容

本发明旨在提供一种高性能风力发电电机轴用钢锭冶炼工艺。

技术方案为，高性能风力发电电机轴用钢锭冶炼工艺，包括如下步骤：