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摘要：风电法兰所使用的材料为低合金高强度钢Q345E/S355NL，工作环境最低温度接近-40℃，承受风力最大可达12级，对热处理的要求为正火，正火工艺通过细化晶粒，均匀组织，改善组织缺陷，提高锻件法兰的综合力学性能。正火程度对组织影响较大,合适的温度使得晶粒细化,从而得到良好的性能。温度过低,作用不大,温度过高,晶粒粗大,极易形成魏氏组织,使性能下降。对锻件法兰改进前后的正火工艺进行了力学性能试验及组织观察，结果表明，采用适当的正火工艺可以获得综合力学性能较好的法兰。
关键词：风电法兰;低合金高强度钢;正火;综合力学性能
Abstract: Wind power flange of the materials used for high strength low alloy steel Q345E/S355NL, the lowest temperature of -40 ℃working environment to withstand wind, up to level 12, the heat treatment requirements for normalizing, normalizing process by grain refinement, homogeneous tissue, improve tissue defects, improve the comprehensive mechanical properties of forgings flange. Normalizing greatly influence to the organization, the appropriate temperature makes the grain refinement, to get good performance. The temperature is too low, effect is not big, and the temperature is too high, coarse grain, vulnerable to the formation of Widmanstatten structure, the performance degradation. On normalizing forgings flange of the improved the mechanical properties and microstructure observation, results show that, by normalizing process properly can obtain good comprehensive mechanical properties of the flange.
Key words: wind power flange; low alloy high strength steel; normalizing; mechanical properties
中图分类号：TG15 文献标识码： A文章编号：
一、前言
近年来，世界风电装机呈快速增长趋势，2009 年全球风电产能增长达31.7%，增加了3750 万千瓦，而其中三分之一的增加量来自中国。随着风力发电的迅猛增长，市场对风电塔筒的需求量也愈来愈大，而风电塔筒关键连接件——风电塔筒法兰的重要性也越来越得到重视。风电塔筒法兰是风电塔筒的关键连接件、支撑件和受力件，是风力发电设备的重要部件。正火工艺是风电法兰生产的关键工序，经正火处理的法兰通过改变其内部组织，细化内部晶粒，消除残余应力，从而改善其使用性能，提高产品附加值，满足客户对法兰的性能要求。
二、风电法兰的正火工艺及结论分析
设备：圆罩式电加热炉
有效加热区：φ4500mmx2200mm
改进前的正火工艺
加热保温温度：880℃，保温时间：7h~7.5h，装炉方式：上下叠放，冷却方式：自然空冷。见图1正火工艺参数及曲线，产品质量数据见表1、图2
图1：工艺参数及曲线
表1产品质量数据
图3：金属平均晶粒度6.0 级x100
1.1从表1、及图3及图4中可以看出，早期法兰产品质量不稳定，有一定比例的产品达不到合格标准，而且即使合格的部分产品其各项质量指标也只是刚刚达到最低合格值，没有较大的富裕量。
1.2工艺缺陷分析
改进前的正火工艺存在着以下缺陷：
保温温度参数不合理。对于锻件来说，锻后（包括碾环后）的组织比较粗大、不均匀，存在着大量由于晶面滑移产生的密集位错，正火热处理的目的就是消除这些缺陷，使锻件获得均匀和细密的铁素体+少量珠光体的基体组织。但对于S355NL和Q345E（两种牌号化学成分基本相当）牌号的低碳低合金材料来说，奥氏体转变温度的过热度不能像中高碳钢一样，其过热度必须适当加大才能保证完全奥氏体化。原工艺设定的880℃保温温度比较低，不能保证法兰锻件的奥氏体化，消除锻造后组织缺陷，这是一个重要工艺缺陷。
装炉采用叠放方式，法兰之间没有间隙，装炉后一摞法兰实
际上形成了一个壁厚比较大的筒体，而加热源和热电偶测量位置是在法兰的外圆周，这样法兰内外壁必将存在较大的温差，法兰内壁的实际温度低于880℃。
由于采用自然冷却方式，冷却速度比较慢，特别是内面冷却
速度太慢，不能获得较细密的基体组织。
分析结论：没有奥氏体化，就不可能达到以正火消除锻后组织缺陷、通过调整组织状态实现改善和提高综合力学性能的目的。原工艺加热保温温度偏低，装炉方式不合理，使得奥氏体化不完全和不均匀，不能使锻造后的粗大原始组织得到改善；还由于冷却速度太低，不能保证获得理想的正火组织，这就不能保证正火的最佳效果。
2. 改进后的正火工艺
根据以上分析，对法兰的正火工艺进行了如下调整和改进：一是提高了正火温度；二是缩短了保温时间；三是修改了装炉方式，即在上下法蘭之间加上30mm~40mm厚的等高垫铁；四是冷却时采用风冷方式。见图3工艺参数及曲线，
图3：工艺参数及曲线
2.1正火工艺改进后的效果
按照修改后的正火工艺，进行了大批量的法兰生产验证，试验数据证明正火热处理工艺的改进具有针对性和适用性，法兰的综合质量指标有了大幅提高，取得了很好的工艺效果。改进后法兰实际质量指标数据见表2及图4。
表2 质量指标数据
图4：金属平均晶粒度9.0 级 x100 组织为：（F+少量P）
三、总结
改进后的工艺参数和有关工艺要求抓住了大型环锻法兰的原材料特点、锻造工艺特点，对于风电法兰用材料来说具有科学性、针对性和适用性。新工艺找到了奥氏体化的最佳温度，装炉方式和冷却方式的改变保证了正火保温温度的均匀性和组织的完全奥氏体化，消除了锻后的粗大、不均匀组织及其他缺陷，并最终保证了正火后获得等轴状细密基体组织，从而使法兰的各项质量指标全面得到了大幅度的提高。
关键词：风电法兰;低合金高强度钢;正火;综合力学性能
Abstract: Wind power flange of the materials used for high strength low alloy steel Q345E/S355NL, the lowest temperature of -40 ℃working environment to withstand wind, up to level 12, the heat treatment requirements for normalizing, normalizing process by grain refinement, homogeneous tissue, improve tissue defects, improve the comprehensive mechanical properties of forgings flange. Normalizing greatly influence to the organization, the appropriate temperature makes the grain refinement, to get good performance. The temperature is too low, effect is not big, and the temperature is too high, coarse grain, vulnerable to the formation of Widmanstatten structure, the performance degradation. On normalizing forgings flange of the improved the mechanical properties and microstructure observation, results show that, by normalizing process properly can obtain good comprehensive mechanical properties of the flange.
Key words: wind power flange; low alloy high strength steel; normalizing; mechanical properties
中图分类号：TG15 文献标识码： A文章编号：
一、前言
近年来，世界风电装机呈快速增长趋势，2009 年全球风电产能增长达31.7%，增加了3750 万千瓦，而其中三分之一的增加量来自中国。随着风力发电的迅猛增长，市场对风电塔筒的需求量也愈来愈大，而风电塔筒关键连接件——风电塔筒法兰的重要性也越来越得到重视。风电塔筒法兰是风电塔筒的关键连接件、支撑件和受力件，是风力发电设备的重要部件。正火工艺是风电法兰生产的关键工序，经正火处理的法兰通过改变其内部组织，细化内部晶粒，消除残余应力，从而改善其使用性能，提高产品附加值，满足客户对法兰的性能要求。
二、风电法兰的正火工艺及结论分析
设备：圆罩式电加热炉
有效加热区：φ4500mmx2200mm
改进前的正火工艺
加热保温温度：880℃，保温时间：7h~7.5h，装炉方式：上下叠放，冷却方式：自然空冷。见图1正火工艺参数及曲线，产品质量数据见表1、图2
图1：工艺参数及曲线
表1产品质量数据
图3：金属平均晶粒度6.0 级x100
1.1从表1、及图3及图4中可以看出，早期法兰产品质量不稳定，有一定比例的产品达不到合格标准，而且即使合格的部分产品其各项质量指标也只是刚刚达到最低合格值，没有较大的富裕量。
1.2工艺缺陷分析
改进前的正火工艺存在着以下缺陷：
保温温度参数不合理。对于锻件来说，锻后（包括碾环后）的组织比较粗大、不均匀，存在着大量由于晶面滑移产生的密集位错，正火热处理的目的就是消除这些缺陷，使锻件获得均匀和细密的铁素体+少量珠光体的基体组织。但对于S355NL和Q345E（两种牌号化学成分基本相当）牌号的低碳低合金材料来说，奥氏体转变温度的过热度不能像中高碳钢一样，其过热度必须适当加大才能保证完全奥氏体化。原工艺设定的880℃保温温度比较低，不能保证法兰锻件的奥氏体化，消除锻造后组织缺陷，这是一个重要工艺缺陷。
装炉采用叠放方式，法兰之间没有间隙，装炉后一摞法兰实
际上形成了一个壁厚比较大的筒体，而加热源和热电偶测量位置是在法兰的外圆周，这样法兰内外壁必将存在较大的温差，法兰内壁的实际温度低于880℃。
由于采用自然冷却方式，冷却速度比较慢，特别是内面冷却
速度太慢，不能获得较细密的基体组织。
分析结论：没有奥氏体化，就不可能达到以正火消除锻后组织缺陷、通过调整组织状态实现改善和提高综合力学性能的目的。原工艺加热保温温度偏低，装炉方式不合理，使得奥氏体化不完全和不均匀，不能使锻造后的粗大原始组织得到改善；还由于冷却速度太低，不能保证获得理想的正火组织，这就不能保证正火的最佳效果。
2. 改进后的正火工艺
根据以上分析，对法兰的正火工艺进行了如下调整和改进：一是提高了正火温度；二是缩短了保温时间；三是修改了装炉方式，即在上下法蘭之间加上30mm~40mm厚的等高垫铁；四是冷却时采用风冷方式。见图3工艺参数及曲线，
图3：工艺参数及曲线
2.1正火工艺改进后的效果
按照修改后的正火工艺，进行了大批量的法兰生产验证，试验数据证明正火热处理工艺的改进具有针对性和适用性，法兰的综合质量指标有了大幅提高，取得了很好的工艺效果。改进后法兰实际质量指标数据见表2及图4。
表2 质量指标数据
图4：金属平均晶粒度9.0 级 x100 组织为：（F+少量P）
三、总结
改进后的工艺参数和有关工艺要求抓住了大型环锻法兰的原材料特点、锻造工艺特点，对于风电法兰用材料来说具有科学性、针对性和适用性。新工艺找到了奥氏体化的最佳温度，装炉方式和冷却方式的改变保证了正火保温温度的均匀性和组织的完全奥氏体化，消除了锻后的粗大、不均匀组织及其他缺陷，并最终保证了正火后获得等轴状细密基体组织，从而使法兰的各项质量指标全面得到了大幅度的提高。