一种风电偏航齿圈用钢及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于合金结构钢技术领域，具体涉及一种风电偏航齿圈用钢及其制造方 法。
【背景技术】
[0002] 近年来，风电发展不断超越其预期发展速度，并且一直保持着新能源发展增长 最快的地位。截止2011年末，全球累计风电装机容量达到239GW(十亿瓦特），同比增幅 21. 5%，满足世界电力3%的需求。2015年的全球新增风电装机容量将达到60. 5GW，相较 2010年的35. 8GW会有明显增长。风电机组的主要构成部分为，塔筒、机舱底座、塔筒法兰和 门框，风力发电机，主轴、轴承、齿轮和叶片等，风力发电机组的偏航、变桨系统，偏航系统的 主要作用就是与风力发电机组的控制系统相互配合，跟踪风向的变化，使风力发电机组的 风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风力发电机组的发电效率。偏航和变桨系统要 承受很大的倾覆力矩，且部分裸露在外，易受沙尘、水雾、冰冻等污染侵害。
[0003] 专利文献CN101250666A公开了一种风电用齿轮钢及其制备方法，该风电齿轮 用钢成分为 C0. 40 ~0? 46 %，MnO. 60 ~1. 00 %，SiO. 15 ~0? 38 %，CrO. 90 ~1. 20 %， M〇0. 15~0. 35%，Nb0.0 1~0. 10%，余量为Fe和不可避免的杂质。虽然该钢材可满 足-40°C低温环境的工件要求，但针对高炜度极寒地区海上_60°C低温环境使用要求，钢的 低温性能不能安全满足使用要求。
【发明内容】
[0004] 本发明针对高炜度极寒地区海上-60°C低温环境风电偏航齿圈用钢需满足高承 载、高寿命、高可靠性、耐低温冲击（Aku2多55J，-60°C )等设计需求，结合风电机组的作业 环境和使用要求，通过钢的合金化和制造工艺设计，提供了一种风电偏航齿圈用钢及其制 造方法。
[0005] 本发明以CrMo钢为基础，添加Ni合金元素；严格控制钢中P、S、Ti、As、Sn、Pb、 Sb、Bi有害元素含量以及钢中气体含量。本发明还提供了所述低温环境风电偏航齿圈用钢 的制造方法，生产的合金结构钢纯净度高、具有优异的低温冲击韧性，钢的内部质量满足风 电机组高可靠性超声波探伤要求。
[0006] 本发明提供的风电偏航齿圈用钢，其化学成分质量百分比为：C :0. 37~0. 45%、 Si :0? 17 ~0? 37 %、Mn :0? 60 ~0? 90 %、P :彡 0? 015 %、S :彡 0? 005 %、Cr :0? 90 % ~ 1. 20 %、Mo :0. 20 ~0. 30 %、Ni :0. 30 ~0. 80 %、Cu :彡 0. 20 %、Alt :0. 015 ~0. 040 %、 Ti ： ^ 0. 005 %, As ： ^ 0. 020 %, Sn ： ^ 0. 020 %, Pb ： ^ 0. 0025 %, Sb ： ^ 0. 025 %, Bi ： < 0? 005 %、[0] < 20ppm、[N] < 70ppm、[H] < 1. 5ppm，其余为 Fe 和不可避免的杂质。
[0007] 本发明的技术特点之一在于钢的成分设计。本发明以CrMo钢为基础，添加Ni合 金元素，并严格控制钢中P、S、Ti、As、Sn、Pb、Sb、Bi有害元素含量，以及钢中气体含量。
[0008] 为了提高钢的低温冲击性能，本发明在所述钢材中加入Ni，并将其含量控制在 0. 30 ~0. 80%。
[0009] 本发明还控制作为钢中的脱氧剂的铝的含量，从保证钢液脱氧和降低钢的洁净度 的角度出发，本发明控制A1含量为：0. 015~0. 040%，该范围的A1同时也可起到细晶强化 的作用。
[0010] 此外，钢中有害元素P、s、As、Sn、Pb、Sb、Bi会提高钢的脆性转变温度，恶化钢的 低温冲击性能，本发明严格控制钢中P :彡0. 015%、S :彡0. 005%、As :彡0. 020%、Sn : 彡0. 020%、Pb:彡0. 0025%、Sb:彡0. 025%、Bi:彡0. 005%。
[0011] 本发明中钛是强的固氮元素，Ti含量过高，析出的TiN会对低温性能和抗疲劳性 能造成不利影响，因此本发明控制Ti 0. 005%。
[0012] 此外，钢中气体含量会对钢的洁净度、氢致裂纹造成不利影响，为保证钢的可靠性 和内部质量，本发明控制钢中[0] < 20ppm、[N] < 70ppm、[H] < 1. 5ppm。
[0013] 优选的，所述钢的组成按质量百分数为：
[0014] 其化学成分质量百分比为：C:0? 41~0? 43%、Si:0? 20~0? 30%、Mn:0? 82~ 0? 86%、P:彡 0? 013%、S:彡 0? 005%、Cr:1. 12 % ~1. 20%、Mo:0? 23 ~0? 25%、Ni: 0. 70 ~0. 80%、Cu:彡 0. 10%、Alt:0. 020 ~0. 035%、Ti:彡 0. 005%、As:彡 0. 020%、Sn: 彡 0? 020%、Pb:彡 0? 0025%、Sb:彡 0? 025%、Bi:彡 0? 005%、[0]彡 18ppm、[N]彡 70ppm、 [H] < 1.5ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。
[0015] 本发明的技术特点之二在于通过合理的生产工艺，提高钢的纯净度，严格控制钢 中氮、氧、氢含量，P、S、Ti及As、Sn、Pb、Sb、Bi有害元素含量，保证材料的高承载、高寿命、 高可靠性、耐低温冲击和抗疲劳等性能要求，满足风电偏航齿圈内部无缺陷质量要求。
[0016] 本发明提供了一种风电偏航齿圈用钢的制备方法，包括以下步骤：
[0017] (1)冶炼，并控制冶炼过程的终点[C] :0? 10~0? 20 %，[P]彡0? 008 %， [Ti] ^ 0. 002% ；
[0018] 优选的，本步骤采用电炉冶炼，电炉冶炼入炉原料为低钛、低铜、低磷的优质废钢 及铁水，铁水比例不小于50%。电炉冶炼采用大渣量深脱碳以加强脱P、脱Ti去除操作，造 好泡沫渣，控制终点[C] :0? 10~0? 20%，[P]彡0? 008%，[Ti]彡0? 002%，残余元素含量 符合设计要求；控制出钢温度在1600~1640°C之间，避免出现高温回磷现象；出钢过程随 钢流加钢芯铝1. 5~2. 5kg/t钢，为控制P、S和Ti的含量，钢包合金化注意使用低磷、低 硫、低钛合金。
[0019] (2)精炼，并控制全铝含量在0. 020-0. 035% ;精炼后真空处理时控制氢含量不大 于1. 5ppm，真空度小于67Pa，保持时间大于25分钟；
[0020] 优选的，本步骤控制炉渣碱度大于3. 0,精炼过程保持白渣时间大于22分钟，加强 脱硫操作，精炼炉一次样前喂入铝线，全铝含量控制在〇. 020~0. 035%的范围。LF出钢前， 按照1. 5~3. 5m/t钢喂入钙线进行钙变质处理。
[0021] 精炼后真空处理，用定氢仪进行过程氢的测定，氢含量不大于1. 5ppm，真空度小于 67Pa，保持时间大于25分钟，VD后软吹氩时间20~30分钟，软吹氩时严禁裸露钢水和大 氩气量搅拌降温。
[0022] ⑶浇注
[0023] 优选的，采用连铸浇注铸坯，连铸中采用结晶器电磁搅拌和末端电磁