兆瓦级风机关键零部件球墨铸铁材料低温冲击性能的研究

二、项目研究的科学依据及意义主要包括：1科学意义和社会应用前景；2国内外研究概况、水平和发展趋势；3学术特色，立论依据；4经济及社会效益分析。1科学意义和社会应用前景；我国具有丰富的风能资源，并呈现储量大、分布广的特点，其中辽宁沿海及其岛屿年平均风速达到6-9米／秒，属于风力资源丰富地区，具有很好的开发利用条件[1-2]。然而，我国风力发电的瓶颈在于风机主要零部件和材料大多依靠进口，以兆瓦级风机为例，其主要、关键零部件的国产化率至多为70%，其中一批关键零部件的质量，还达不到发达国家的技术标准，成为阻碍我国风机走出国内市场的门槛。目前，国外主流机型为2－3MW[3]，而我国主流机型也已达到1-1.5MW，随着风机容量大型化的发展趋势，风机零部件材料及制造工艺中存在的问题暴露得更为显著[4-5]。在风机关键零部件中，轴承座、变桨减速机壳体、轮毂、前机舱底盘等大部分零部件均选用球墨铸铁材料生产[6]，其原因在于从性能和成本综合考虑，球墨铸铁材料更适于制备上述具有产业化应用背景的风机关键零部件，然而风机实际运行的环境极为恶劣，再加上风机运行时受自然环境风速影响，呈现断续的运行特征，一般除了要求上述球墨铸铁材料零部件满足力学性能外，同时也要求风机零部件在低温条件下具备一定冲击性能[7-9]，这个新的性能指标在我国国家标准中尚未体现，但在欧美、日本等发达国家，却严格执行包括低温冲击性能的风机零部件铸件标准[10-11]。基于技术封锁的原因，国外从没有报道风机零部件球墨铸铁材料的低温冲击性能，但对风机上述关键零部件的铸件，却设置了低温冲击性能标准，提高了企业步入的门槛值，是一种典型的技术垄断[13]。而我国风机关键零部件球墨铸铁件生产也是最近才刚刚起步，生产过程中往往凭着经验，缺少研发和技术沉淀过程，只能降低标准生产，综合的力学性能、低温冲击性能指标基本上都达不到要求，为了满足力学能的要求，通常降低低温冲击性能的门槛值[14]，故实际的风机零部件球墨铸铁件存在着不能忽略质量问题和较大的事故风险，因此在我国开展风机零部件球墨铸铁材料低温冲击性能研究具有重要科学意义：通过自主研发获得同时满足力学性能和低温冲击性能的球墨铸铁材料；掌握相关合金元素对具有厚大端面特征的风机球墨铸铁铸件低温冲击性能、力学性能综合影响规律；为我国兆瓦级风机大型球墨铸铁件开发出满足低温冲击性能要求、适合低温环境的球墨铸铁材料，为我国低温地区安装大容量兆瓦级风力发电设备提供基础材料支撑。长期以来，风力发电在世界范围内呈现迅猛发展的势头，而最近几年我国风力发电领域发展则更为迅猛，数据表明：从1986-2005年期间，我国风电装机总容量仅为130余万千瓦；2006，我国的风电装机猛增到260万千瓦，为我国风机产业化以来之前全国装机总量之和；2007年，我国风机新增装机容量为188.7万千瓦，是2006年新增装机总量的145.8%，在世界上新装机总量已上升至第三位。2009年，全国装机总容量达1200万千瓦，约需要球墨铸铁铸件25万吨，由于我国风电市场仍将继续呈现高速发展趋势，可见对满足低温冲击性能要求的球墨铸铁铸件市场需求极为广阔。2国内外研究概况、水平和发展趋势；球墨铸铁材料最早发现于1934年，当时N.Ahmad借助于相交的尼克尔偏光镜，第一次发现了呈径向辐射状的球状石墨，一年以后，H.A.Nipper用偏振光研究了回火碳的结构，清楚地观察到了少数球状石墨的十字架图像[15]。之后，球墨铸铁材料的研究成为铸造领域的热点，认识到了镁、铈、稀土等合金元素对获得球墨铸铁的重要作用，从1948年起，全世界开始了球墨铸铁的工业生产。在世界范围内，球墨铸铁呈飞速发展趋势，例如美国，其球墨铸铁铸件生产总量已达到灰铸铁总量，我国的球墨铸铁生产总量在2006年已达灰铸铁的50％左右，且每年呈2－4％的速度发展[16-17]，如此快的发展速度源于球墨铸铁的两个主要优点：(1)可在相当宽的范围内，满足设计对材质的要求；(2)与相同水平的材质相比，球墨铸铁的价格低廉。球墨铸铁的上述两个优点，正是风力发电机组关键零部件所需要的，能够满足风机在自然环境中运行对性能的苛刻要求，及风机产业化对低成本的要求。国外在风力发电机组的研发、产业化历史远远早于我国，80年代已经开始千瓦级风机的产业化应用，之后，国内一些研究单位认识到风能资源利用的重要意义，开始了风能资源开发的自主创新之路及追赶世界先进水平的历程，其中以沈阳工业大学为代表[2,12,13]，经过30年的发展、近100余名科技工作者的共同努力，先后开发了300W、500W、1kW、5kW、7.5kW、15kW、30kW、75kW、200kW系列风力发电机组，促进了我国风电技术研发大大向前迈进一步，尽管此时我国风电产业化进程要远远落后于研发水平。2005年，我国风力发电机组研发获得重大突破，沈阳工业大学成功设计、研发出我国第一台具有完全自主知识产权的兆瓦级变速恒频风电机组，大幅缩短了与世界先进水平的差距，此时在节能减排和环保的双重压力下，国家开始重视风力资源的利用，推动了风电产业化进程，从2006至今1－1.5兆瓦级风机已成为国内风电市场的主流机型[10]，而同一时期荷兰、丹麦、美国等世界先进水平国家的主流机型为2-3MW，我国风电产业化与发达国家的差距也在缩小。可以说2006年是我国风电技术产业化具有重要意义的一年，兆瓦级风机产业化进程的大步前进，使得当年我国装机总量为之前各年全部装机重量之和。但风机产业化进程突然加速也使风机产业化中存在的问题一一暴露，风机关键零部件的瓶颈问题经凸显无遗，由于球墨铸铁材料铸件在风机关键零部件制备中占有相当比重，其存在的问题也更加严重，加之国内外风机容量大型化的发展趋势，国内兆瓦级风机关键零部件球墨铸铁件材料中存在的问题已不可回避[12,13]。风机运行时一般都在风力资源较为丰富的、地处自然条件较好的风场，由于四季交替使得风机所处的环境也经历春、夏、秋、冬四个季节，风机关键零部件的低温冲击性能因而提出，即除了满足韧性、强度、硬度等力学性能要求外，风机也应满足较低温度下冲击性能，使得风机在低温环境中频繁启动、运转过程不至于使零部件受损，并能满足国际上约定的稳定运行20年的寿命要求，对于丹麦、荷兰、美国等发达国家，所谓的低温环境有两个标准数值，－40℃和－20℃，在我国除了东北、内蒙古等地区外，绝大部分地区的最低温度也为－20℃以上，因此，针对风机关键零部件的球墨铸铁材料－20℃条件下的低温冲击性能研究在我国具有更大的适用性和针对性[14]。关于风机关键零部件球墨铸铁材料低温冲击性能，国外因技术保密的原因从未见诸报道。我国风机产业化获得快速发展始于2006年，一些铸造厂也是从那时才开始从事风机零部件球墨铸铁件生产，至今不超过2年，一般凭借经验生产，因为缺乏研发经历和技术沉淀过程，生产的风机关键零部件球墨铸铁件的低温冲击性能往往达不到要求，甚至出现过大批整机不能正常运行的事件，可见迄今为止，我国尚未进行风机关键零部件球墨铸铁材料低温冲击性能的研发报道，因此开展该项研究显得紧迫和重要。目前，欧美等发达国家对风机球墨铸铁材料性能有严格的标准，一般参考欧洲的EN-GJS-400-18U-LT标准，其中涉及的力学性能指标见表1。表5球墨铸铁试棒的力学性能(EN1563-1997)[14]牌号相关壁厚t(mm)抗拉强度Rm(MPa)屈服强度RP0.2(MPa)断后伸长率A(﹪)符号代号EN-GJS-400-18U-LTEN-JS1049t≤3030﹤t≤6060﹤t≤200≥400≥390≥370≥240≥230≥220≥18≥15≥12欧洲的EN-GJS-400-18U-LT标准中对低温冲击性能的要求可描述为：在-20℃的夏氏V形切口的冲击韧度试验共做三次，平均为10J，最低低温冲击韧度不能小于7J。仅从力学性能角度考虑，我国球墨铸铁材料QT400-18标准与欧洲EN-GJS-400-18U-LT标准相当，国内大多数铸造企业很容易生产出满足该标准要求的力学性能指标的球墨铸铁铸件，但若满足欧洲标准的低温冲击性能要求，一般而言，国内铸造企业尚难以达到，一般平均冲击韧度为7J左右[13-14]，若考虑风机实际运行环境及稳定运行20年以上寿命的要求，风机零部件球墨铸铁件低温冲击性能的表征可能不止低温冲击韧度，标准中低温冲击性能的要求可能需要进一步扩充。可见风机关键零部件球墨铸铁材料的低温冲击性能与力学性能一样，是风机零部件必须同时要求的性能，在我国尚未对此开展任何研究的情况下，进行此项研究工作的难度可想而知，对于我国而言，开展风机零部件球墨铸铁材料低温冲击性能研究的艰巨性主要体现为以下几个方面[18-20]：(1)我国风机用球墨铸铁原材料与国外不同，存在生铁杂质含量高、磷量偏高和杂质、微量元素超标的问题。国外生铁主要控制P,Mn和Ti的含量,一般来说其它微量元素均很低。我国冶炼生铁生产厂虽多，但能生产满足上述要求的生铁不多，即便国内一些优质生铁生产商，也很难将P、Ti微量元素同时控制在P﹤0.04﹪、Ti0.04﹪范围内。(2)风机容量大型化发展趋势，使得国内风机也已经达到1-1.5MW水平，兆瓦级风机关键零部件呈厚大断面、结构复杂的特征，对于没有研发经验的我国，容易造成铸件较多的缺陷。例如轮毂，国内某厂生产1.5MW级风机轮毂最大厚度达到了120mm，重量达15吨，且整个轮毂断面厚度变化剧烈，甚至出现了同一个铸件不同部位厚度比超过2.5倍的情况，在该厂生产的轮毂中发现了一些缺陷，如石墨漂浮恶化了铸件的表面质量力学性能，碎块形石墨使得热节部位经常出现的畸变石墨，造成该部位质地疏松、特别是塑性指标明显下降。风机关键零部件球墨铸铁件低温冲击性能中存在的上述问题，不仅涉及了铸造工艺问题，也涉及了球墨铸铁材料问题，从文献资料可知，C、Si、Mn等球墨铸铁材料中存在的主要元素对力学性能的影响规律已经研究得很清晰[21-22]，但这些元素对低温冲击性能得影响则研究得较少，且研究中虽考虑了单个元素性能的影响，各元素之间耦合作用几乎没有考虑[23]；Cu、Mo、Ni等合金元素对球墨铸铁材料的低温冲击性能研究情况与C、Si、Mn等主要元素类似，这些元素对力学性能的影响研究较多，而对低温冲击性能的影响研究较少[24-26]，本文作者前期研究成果表明[27]：（1）当Mn含量在0.2%～0.3%之间时，由于铁素体其体对Mn的固溶作用，使Mn能均匀分布于铁素体中,而未在晶界处大量富集。从而对风电球铁的低温冲击韧性影响不大。（2）通过孕育方式适当增加铁液硅含量，可使单位面积内铁素体基体中分布着更多的石墨球，减少低温冲击时产生解理断口机率，更多的形成撕裂断口，当Si在2.3%时，其低温冲击性能最佳，随着Si量的继续增加，风电球铁件的低温冲击性能下降。（3)当珠光体含量在5%以下，对风电球铁的低温冲击性能的影响不明显，当珠光体量继续增加时，其低温冲击韧性下降，当珠光体含量大于12.5%时，低温冲击性能急骤下降。综合起来，球墨铸铁材料中各主要元素、合金元素对低温冲击性能的研究存在如下共性的问题：(1)单个元素对球墨铸铁材料力学性能研究的较深入，但对低温冲击性能研究的较少，一般很少研究－20℃及附近一定温度范围内的球墨铸铁材料低温冲击性能的情况；(2)球墨铸铁材料中单个元素对其低温冲击性能的研究大多限于元素含量对脆性转变温度的影响度，较少从最低脆性转变温度及合金含量对温度变化的敏感度考虑；(3)球墨铸铁材料中各主要元素、合金元素之间形成的多因素耦合对其低温冲击性能的影响几乎没有开展；(4)各主要元素、合金元素对综合的力学性能、低温冲击性能的多性能指标的球墨铸铁材料研究尚未开展。针对上述风机零部件球墨铸铁材料低温冲击性能中存在的问题，本项目选择兆瓦级风机关键零部件球墨铸铁铸件作为研究对象，将风机关键零部件球墨铸铁材料的低温冲击性能指标评价与分析，球墨铸铁材料成分设计与优化，合金元素对硬度、强度、韧性及低温冲击性能综合影响作为本项目的重点研究内容，为解决目前