钢铁新技术新材料对风电发展的影响

2022-03-24夏冬冬

山东冶金 2022年5期

夏冬冬

（江阴兴澄特种钢铁有限公司棒材所，江苏江阴 214429）

1 前言

长期以来，由于传统发电行业及石化能源产业碳排放居高不下，人类居住的地球环境日趋恶化，为减少二氧化碳的排放，各国对绿色清洁能源的需求空前高涨，风电、水电、太阳能发电、高效超超临界火电等快速发展。风电在我国起步相对较晚，但风能资源储量丰富，是最具开发潜力的新型绿色能源，因此风能利用近几年在我国得到快速发展。风电快速发展不断对钢铁材料提出一些新的要求，促进钢铁新材料、新工艺快速发展，而钢铁新材料、新工艺的发展也对风电发展产生了重要的影响。

2 钢铁新技术对风电发展的影响

2.1 近终连铸圆坯代替模铸产品

风电用钢铁材料产品主要的锻造工艺是加热、镦粗、中心冲孔、碾环。因此产品形状对锻造工艺有很大的影响，钢锭产品主要为八角锭，产品经过镦粗必须要进行滚圆后才能进行下道工序，否则由于表面有明显的棱角，在碾环过程中容易产生表面折叠，而连铸圆坯规格与环形一致，不但节省了锻造工序，同时因连铸产品可以实现多炉连浇、批量生产，相对模铸工艺生产效率高，能耗低，成材率比模铸工艺高15%以上，且连铸圆坯可生产Φ220 mm～Φ1 000 mm 近20 个规格，不但满足了环锻法兰、齿圈、轴承套等环锻件的需要，而且质量满足用户最终产品要求，真正能取代传统模铸材料，达到低能耗、低成本、大批量、高效率生产的目标，使环锻行业节材降耗、产品档次跨越发展取得显著成效，促进高端风电产品快速发展。

2.2 纯净钢冶炼技术提高材料疲劳性

钢中氧含量是影响材质的重要因素，氧含量越低其纯洁度越高，相对应的疲劳寿命就越长。钢中氧含量和氧化物有着密切的关系，钢液在凝固过程中，铝、钙、硅等元素与溶解的氧形成氧化物。钢中由于氧化物的存在，破坏了金属基体的延续性，又由于氧化物的膨胀系数小于钢基体膨胀系数，当承受交变应力时，易于产生应力集中，成为金属疲劳的发源地。应力集中多数产生在氧化物、点状夹杂物和基体之间，当应力达到足够大时，就产生裂纹，并迅速扩展而破坏。夹杂物塑性越低，形状越尖棱，则应力集中也就越大，因此要提高材料的疲劳寿命，风电用中、低碳合金钢的氧含量必须要控制在0.001%以下，单位体积宏观夹杂不能超过5 mm/dm3。除了氧含量，五害元素和Ti 也对疲劳寿命有很大的影响，五害元素虽然很少，但由于有共生和偏聚两大特点，对钢材的塑性、韧性以及时效脆性危害极大，要提高疲劳寿命，五害元素之和必须控制在≤0.020%以下；钢中Ti 一部分以TiN 的形势留在钢中形成多棱角的夹杂物，是一种脆而硬的夹杂物，这种夹杂物容易引起局部应力集中，对材料的疲劳寿命造成极大危害，因此Ti 含量必须控制在0.002%以下。

2.3 钢材检测标准及检测技术提高

近几年海洋风电装机量逐渐增加，未来海洋风电将会达到快速发展阶段，虽然海洋风电在国内快速发展，但国内相关行业标准却与行业发展不同步，标准在性能规定的取样位置并非产品实际功能区，无法反映风机运行实际受力要求，且化学成分也比较笼统，因此现有标准给风机运行带来很大的风险。另外，目前钢材非金属夹杂物检测方法主要采用IS O4967、ASTM E45 GB/T 10561等方法，取样位置也并非都是在零件实际功能区，以上标准仅仅是检测钢中的夹杂物，很难反映钢的实际纯净度。未来针对大功率海洋风电将会采用更先进的检测方法来替代现有方法，比如EVA夹杂物预测方法，更有效地预测钢中大颗粒夹杂物的概率，有效提高材料的偏劳寿命；夹杂物面扫新的检测方法，与传统的检测方法相比较，更能有效地检测并反映钢的实际纯净度。检测标准的提高必将对钢材冶炼过程中成分精确控制、气体含量、夹杂物、有害元素等控制提出新的挑战。

3 钢铁新材料对风电发展的影响

3.1 超低温材料

风电法兰是风电塔筒的连接件，除了要具备普通风塔法兰用钢的低合金、高强度等基本要求外，还要考虑-50 ℃以下超低温环境下的抗拉、屈服、冲击等特性，尤其是-50 ℃以下的低温冲击韧性是重点和难点。如何将钢的脆性转变温度降到-50 ℃以下，且冲击功提高至47 J 以上，一直是钢铁科研人员长期攻关的课题。为此，科学合理的化学成分组成及细小晶粒的组织结构成为攻关的目标。要有细密的组织结构，就必须尽量细化晶粒，采用多种合金元素复合微合金化。微合金化所形成的化合物能阻止形变奥氏体动态再结晶的发生及奥氏体再结晶晶粒长大，起到细晶强化作用，同时提高钢的强度和韧性。

3.2 改进型低合金钢用于风电变速箱齿圈

风电大齿圈是风电变速箱中的核心关键部件，且风电变速箱是整个风力发电系统的核心，伴随着风电主机功率逐渐增大，零部件也逐渐变大，因此风电轻量化变得越来越重要。风电轻量化旨在以不牺牲各种力学性能和安全性能的前提下尽量减轻风机机头重量，同时达到优化风机的动力性能，实现节能减排的目的。高端产品一直都是使用CrMoV、CrNiMo 等高合金钢制作风电变速箱大齿圈，为了降低成本，用特殊性能的42CrMo 替代CrMoV、CrNiMo 制作风电变速箱大齿圈，但是普通的42CrMo 调质处理后在芯部的晶粒度、力学性能方面均无法达到其要求。风电用产品服役环境恶劣且要求使用寿命在20 a 以上，开发难度比较大。兴澄特钢研发大断面环件的高淬透性、全截面性能均匀的风电变速箱用大齿圈，通过对不同Mo、Ni、Cr 及微合金含量的42CrMo 在环件不同位置力学、冲击性能进行研究，得到了大断面的深层淬透性第一手数据，成功开发了新材料42CrMo4MOD、42CrMo4L等钢种替代现有高金材料制造风电变速箱大齿圈。新材料较之前产品性能相当，但成本大幅下降，实现了风电机头的轻量化，同时降低了冶炼能耗，达到了节能减排的目的。

3.3 变速箱齿轮、齿轴用连铸圆坯代替锻材或电渣材的开发

风电齿轮箱主要由太阳轮、行星齿、大齿轮、高速轴、齿轮轴等组成，是风力发电的最核心部件，材质主要是18CrNiMo7-6。以前采用模铸锻材或者是电渣钢产品，成本高，很难实现大批量供货。随着风电主机功率不断增大，对齿轮箱材料要求不断提高，对材料不但提出了950 ℃保温80 h后满足晶粒度6级或以上，且齿轮功能区要满足Φ0.8 mm 高频探伤要求，氧含量要控制在0.001 5%以下。钢锭锻材产品很难满足以上机械性能要求，尤其是齿轮功能区探伤要求。为满足市场要求，兴澄特钢通过对该钢种微合金化产物析出不断研究，开发了微合金化量与晶粒度理论模型，成功地解决了高温晶粒度问题，同时开发了低碳高合金钢一套完整的冶炼工艺，氧含量控制在0.001 0%以下，解决了高频探伤的要求。连铸大圆坯代替传统钢锭锻材或电渣材制造风电齿轮、齿轴这一创新工艺，既填补了国内外市场的空白，又减少了客户加工工序，不但降低了生产成本，同时也起到了节能减排的效果。