CN102764962B - 一种离岸风电塔筒用大单重厚钢板制造工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离岸风电塔筒用大单重钢板制造工艺方法。它所采用的连铸板坯的化学成分为：C：0.08～0.16wt％，Si：0.20～0.50 wt％，Mn：1.10～1.60 wt％，S、P：≤0.010 wt％，微合金化元素≤0.50 wt％；将两支或以上上述连铸板坯加工坡口后叠放在一起，通过气体保护焊、埋弧焊和真空电子束焊组合焊接成大厚度连铸坯料；然后装车底式炉或均热炉加热，出炉后轧制，并经控制冷却和热处理后，生产出离岸风电塔筒用大单重厚钢板。该钢板最大单重40t，可满足塔筒制作过程中减少焊缝的要求，生产工艺简单、成材率高，超声波探伤合格率达到98％以上，低温韧性，Z向性能等各项指标优异。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，涉及一种离岸风电塔筒用大单重厚钢板制造工艺方法。
背景技术
风力发电是最具规模化开发条件和商业化前景的清洁能源发电方式，在各国大力开发清洁能源的政策下，风电行业发展迅速，近年来特别是离岸式风力发电成为发展的趋势。大型风力发电机组需要风力发电塔作为其支撑，其中钢制塔筒是风力发电塔的主体结构，不仅起支撑作用，同时要吸收机组震动能量，对于机组的安全至关重要。目前，随着风电的发展，风电塔筒用钢市场需求量很大，未来发展前景广阔。
风电塔筒用钢板一般要求具有良好的低温韧性、易焊接性及Z向抗撕裂性能；钢板一般要求厚度50-150mm，为减少焊缝，长度一般都在15m以上，钢板单重一般都在20t以上。国内由于普通连铸坯料受轧机宽度的限制，一般都难以满足风电塔筒用钢的单重要求，因此多采用模铸钢锭来生产，但存在成材率低、生产效率低，能耗偏高等缺点。
发明内容
本发明克服了上述问题，提供一种利用现有连铸板坯生产离岸风电塔筒用大单重厚钢板的生产技术，可实现最大单重40t厚钢板的生产。
本发明通过以下技术方案实现：一种离岸风电塔筒用大单重厚钢板制造工艺方法，其特征是，
(1)以两块以上(包括两块)的四周相同尺寸(即长度、宽度相等，厚度可以不同)的连铸板坯为原料，所用连铸板坯包含如下化学成分：C：0.08～0.16wt％，Si：0.20～0.50wt％，Mn：1.10～1.60wt％，S、P≤0.010wt％，微合金化元素(Nb+V+Ti+Ni)≤0.50wt％；
(2)对所有连铸板坯的三条边通过火焰切割或刨、铣等形式加工坡口，坡口深度10-40mm，坡口角度15-35°；将连铸板坯叠放在一起，旋转90°竖直放置，并组齐对正，然后采用气体保护焊的焊接方式，对连铸板坯有坡口的三个面上的边缝进行打底焊接，再采用埋弧自动焊进行填充及盖面焊接，最后将剩余面上的边缝在高真空下进行真空电子束进行焊接，组焊成大厚度坯料；或者不开坡口，将连铸板坯叠放在一起，旋转90°竖直放置，并组齐对正，然后全部采用真空电子束焊接的方式将4个面焊接成大厚度坯料；
(3)对焊接好的大厚度坯料采用车底式炉或均热炉进行加热，出炉温度控制在1160～1280℃；
(4)出炉后轧制，第一阶段开轧温度1000～1150℃，第二阶段开轧温度820～920℃，中间坯厚度不小于成品厚度的1.4倍；
(5)对轧后钢板进行弱水冷却，冷却速度<5℃/S，表面返红温度620～780℃；
(6)对钢板进行正火热处理，热处理温度880～930℃，保温系数1.2～2.0min/mm。
所述步骤(2)气体保护焊，其焊丝直径1.2-2.0mm，焊接电压20-35V，焊接电流120-400A，焊接速度250-600mm/min，焊丝干伸长度15-25mm，保护气体CO2或Ar+CO2，保护气体流量15-25L/min，熔深5-20mm。
所述步骤(2)埋弧自动焊，其焊丝直径4.0-6.0mm，焊接电压30-45V，焊接电流250-1600A，焊接速度250-600mm/min，焊丝干伸长度25-45mm，熔深10-30mm。
所述步骤(2)真空电子束焊接，其焊接电压30-150KV，真空度高于1×10-1Pa，焊接电流100-500mA，焊接速度50-700mm/min，熔深20-50mm。
所述步骤(2)连铸板坯，其焊接前通过铣床、刨床等机加工方法，去除待复合表面的氧化铁皮、油污等，实现表面洁净。
所述步骤(1)的连铸板坯为经转炉炼钢、炉外精炼、连铸工序的连铸板坯，所述炉外精炼工序中要进行真空脱气处理，要求：真空度0.8Torr下保持10分钟以上。
本发明利用经转炉炼钢、炉外精炼的连铸板坯，采取多元微合金化成分设计的路线，其化学成分如上所述，其化学成分设计原则如下：C、Mn为主要强化元素，为保证其易焊接性，控制较低的C含量和Mn含量，同时保证正火后性能指标满足标准要求；S、P元素含量尽量降低，以减少钢中夹杂物等对钢板内部质量的影响；Nb、V、Ti等微合金元素在加热过程中抑制奥氏体的形变再结晶并阻止其晶粒长大，并通过它们的碳氮化合物的应变诱导析出，对钢进行沉淀强化，添加少量的Ni合金用于提高厚规格钢板的低温韧性，使之充分满足使用要求。
该产品在炼钢过程中采用炉外精炼真空脱气处理真空度要求0.8Torr保持10分钟以上，其主要目的一是为了充分脱气，尽可能降低钢中氢等气体的含量，减少氢致裂纹等对钢板内部质量的影响；二是为了使钢水中的夹杂物尽可能上浮，减少钢中夹杂物的含量。
本发明充分利用焊接形成的大厚度坯料增加轧制成品钢板的压缩比，由于焊接后坯料为高的真空状态，在后续热加工变形过程中，非常容易焊合在一起，形成一个整体，与基体保持一致。
本发明对焊接好的大厚度坯料采用车底式炉或均热炉进行加热，适当增加高温段保温系数，确保钢坯烧透、加热均匀。
本发明轧制过程中采用二阶段轧制法，在第一阶段轧制，进行高温低速大压下轧制，通过反复再结晶过程细化晶粒；二阶段控制轧制，增加相变形核点细化晶粒，中间坯1.4倍成品厚度是为了保证二阶段轧制过程的累积变形量。
本发明对轧后钢板进行弱水冷却。轧后水冷是为了更快冷却到相变点，防止晶粒过分长大，低冷却速度是为了减少钢板厚度方向上的组织性能差异。
本发明对钢板进行正火热处理。通过正火热处理使钢板组织均匀，增加钢板的塑韧性及钢板厚度方向组织性能均匀性。
本发明的有益效果是：所生产的大单重风电塔筒用钢板具备良好的综合力学性能，探伤合格率达到98％以上，低温-50℃冲击吸收功平均在165J以上，Z向拉伸断面收缩率达到60％以上，坯材收得率85％以上。生产工艺可操作性强，成本低，生产效率高，适用于20t以上风电用塔筒钢板的生产制造。尤其是气体保护焊、埋弧焊和真空电子束焊的组焊方式，具有以下优势：
1、本发明对连铸板坯组的三条边缝首先采用气体保护焊进行打底焊接，在不对接合面产生污染的前提下自动高效地完成基础焊接并为下一步埋弧焊做好准备；然后对这三条边缝再采用埋弧自动焊的方式快速地完成焊缝的填充焊接，最后将剩余一条边缝在真空环境下应用真空电子束焊工艺，完成坯料的最终焊接；因此相对四边真空电子束焊工艺大幅度提高了焊接效率。
2、本发明采用固定顺序进行先后焊接的工艺，不是气体保护焊、埋弧焊和真空电子束焊的简单结合，而是严格按照大厚度板坯制备的内在质量要求，在充分考虑了这些焊接方式的突出优势，并将其优化组合的结果。因为气体保护焊不会污染板坯组结合面同时可以实现自动化提高焊接效率，埋弧自动焊是比气体保护焊更加高效的一种焊接方式，而气体保护焊和埋弧焊操作均在正常环境下进行，不像真空焊接时需要反复进出真空室，从而不必反复抽真空操作，因此大幅减少了真空作业时间，这种组合焊接顺序和方式可以在保证焊接要求(特别是对接合面的洁净度要求)的前提下大幅度提高焊接效率，降低了生产成本。
3、本发明由于板坯组是竖直方向放置，因此可以保证坯料之间保持1mm左右的间隙，而不会形成局部的封闭区域。真空电子束焊确保了最终的焊接在高真空中完成，避免了接合面处存在空气影响轧后质量的可能性，相比较现有真空焊接工艺而言，只需要一次性抽真空和焊接操作，同时由于板坯组为竖直放置焊接，避免了水平焊接时复杂的机械机构和升降操作，大幅度提高了焊接效率。
4、本发明进一步实验证明，本发明的大厚度板坯制造工艺可以完全替代全真空环境下的制造工艺，所生产的大厚度板坯及特厚钢板内部质量优良，性能优异，完全达到全真空复合轧制工艺的水平；且与全真空复合轧制工艺相比，本发明操作简单、投资少，成本降低80％以上，生产效率大幅提高一倍以上，生产组织形式灵活，适用于大批量工业化生产大厚度板坯，尤其是适用于厚度≥800mm(全真空电子束焊接无法批量生产)的板坯生产。
附图说明
图1为实施例1生产的钢板原始铸坯叠合面金相组织图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例，对此种离岸风电塔筒用大单重厚钢板制造工艺作详细描述。
实施例1：生产95*2500*18800mm规格S355G8+N离岸风电塔筒制造用钢板，单重35t：
1)高纯净度钢水冶炼，钢液经转炉冶炼后进行LF+RH双精炼，LF精炼充分去除夹杂、脱硫，RH真空处理保持真空度0.8Torr12分钟，进一步除去夹杂和气体，精炼后钢液中的气体[O]10ppm，[H]1.5ppm。
2)钢水连铸过程采用全程保护浇注，并使用电磁搅拌，恒速浇注等手段，铸坯低倍分析结果中心偏析C类1.0，无中间裂纹、疏松等缺陷。生产出两支300*2100*4100mm的连铸坯，熔炼成分分析结果如下表：
表1实施例1连铸坯化学成分
| 化学成分 | C | Si | Mn | P | S | Nb | V | Ti | Ni |
| 含量wt％ | 0.12 | 0.25 | 1.34 | 0.008 | 0.004 | 0.04 | 0.035 | 0.02 | 0.27 |
3)将生产好的两支300mm厚连铸板坯三条边利用火焰切割方法加工坡口，坡口深度25mm，坡口角度25°。
4)将完成加工坡口的坯料通过铣床加工，去除表面的氧化铁皮、油污等，实现表面洁净。
5)将加工好的坯料叠放在一起后，旋转90°竖直放置，并组齐对正。
6)采用气体保护焊的焊接方式，对已加工好坡口的三条边缝进行打底焊接，焊丝直径2.0mm，焊接电压20V，焊接电流200A，焊接速度300mm/min，焊丝干伸长度25mm，保护气体CO2，保护气体流量20L/min，熔深15mm。
7)将经气体保护焊打底焊接后的三条边缝，再采用埋弧自动焊进行填充及盖面焊接，焊丝直径5.0mm，焊接电压30V，焊接电流400A，焊接速度350mm/min，焊丝干伸长度30mm，熔深20mm。
8)将剩余边缝在高真空度下采用真空电子束焊接，最终形成600mm大厚度坯料。焊接电压100KV，真空度1.5×10-2Pa，焊接电流300mA，焊接速度150mm/min，熔深35mm。
9)对焊接好的600mm大厚度坯料采用车底式炉加热，出炉温度1210℃。
10)轧制过程中采用二阶段轧制法，第一阶段开轧温度1120℃，第二阶段开轧温度880℃，中间坯厚度300mm；
11)轧后钢板采用弱水冷却，冷却速度3℃/S，表面返红温度680℃。
12)对钢板进行正火热处理，热处理温度890℃，保温系数1.3min/mm。
利用该工艺生产的钢板原始铸坯叠合面与基体组织完全一致，得到了很好的熔合，如图1所示。
实施例2：生产95*2500*18800mm规格S355G8+N离岸风电塔筒制造用钢板，单重35t：
1)高纯净度钢水冶炼，钢液经转炉冶炼后进行LF+RH双精炼，LF精炼充分去除夹杂、脱硫，RH真空处理保持真空度0.8Torr15分钟，进一步除去夹杂和气体，精炼后钢液中的气体[O]8ppm，[H]1.2ppm。
2)钢水连铸过程采用全程保护浇注，并使用电磁搅拌，恒速浇注等手段，铸坯低倍分析结果中心偏析C类1.0，无中间裂纹、疏松等缺陷。生产出两支300*2100*4100mm的连铸坯，熔炼成分分析结果如下表：
表2实施例2连铸坯化学成分
| 化学成分 | C | Si | Mn | P | S | Nb | V | Ti | Ni |
| 含量wt％ | 0.13 | 0.27 | 1.32 | 0.008 | 0.004 | 0.035 | 0.03 | 0.03 | 0.28 |
3)将这两支连铸板坯通过铣床加工，去除表面的氧化铁皮、油污等，实现表面洁净。
4)将生产好的两支300mm厚连铸板坯叠放在一起后，旋转90°竖直放置，并组齐对正；然后全部采用真空电子束焊接的方式对4条边进行焊接，形成600mm大厚度坯料。焊接电压100KV，真空度1.5×10-2Pa，焊接电流300ma，焊接速度150mm/min。
5)对焊接好的600mm大厚度坯料采用车底式炉加热，出炉温度1210℃。
6)轧制过程中采用二阶段轧制法，第一阶段开轧温度1100℃，第二阶段开轧温度890℃，中间坯厚度300mm；
7)轧后钢板采用弱水冷却，冷却速度3℃/S，表面返红温度680℃。
8)对钢板进行正火热处理，热处理温度890℃，保温系数1.3min/mm。
对实施例1和实施例2的钢板按标准进行拉伸、冲击、Z向、探伤等实验检测，各项性能检测指标优异，如下表3所示。实施例1的气体保护焊、埋弧焊和真空电子束焊接的组焊方式(简称组焊方式)和实施例2的全真空电子束焊接的抽真空次数、生产周期及电耗指标如表4所示，从表4可以看出：组焊方式比全真空电子束焊接方式生产效率大幅提高，且节能。
表3实施例1和实施例2制备的风电塔筒用钢板的性能指标
表4两种焊接方式主要指标对比
| 工艺 | 抽真空次数 | 生产周期(h) | 电耗(元/t) |
| 实施例2全真空电子束焊接方式 | 2 | 24 | 32 |
| 实施例1组焊方式 | 1 | 10 | 18 |
Claims (2)
1.一种离岸风电塔筒用大单重厚钢板制造工艺方法，其特征是，
（1）以两块以上的四周相同尺寸的连铸板坯为原料，所用连铸板坯包含如下化学成分：C：0.08～0.16wt %，Si：0.20～0.50 wt %，Mn：1.10～1.60 wt %，S、P≤0.010 wt %，微合金化元素≤0.50 wt %；所述微合金化元素为Nb+V+Ti＋Ni；
（2）对所有连铸板坯的三条边加工坡口，坡口深度10-40mm，坡口角度15-35°；将连铸板坯叠放在一起，旋转90°竖直放置，并组齐对正，然后采用气体保护焊的焊接方式，对连铸板坯有坡口的三个面上的边缝进行打底焊接，再采用埋弧自动焊进行填充及盖面焊接，最后将剩余面上的边缝在高真空下进行真空电子束进行焊接，组焊成大厚度坯料；
所述气体保护焊，其焊丝直径1.2-2.0mm，焊接电压20-35V，焊接电流120-400A，焊接速度250-600mm/min，焊丝干伸长度15-25 mm，保护气体CO2或Ar+CO2，保护气体流量15-25L/min，熔深5-20mm；
所述埋弧自动焊，其焊丝直径4.0-6.0mm，焊接电压30-45V，焊接电流250-1600A，焊接速度250-600mm/min，焊丝干伸长度25-45 mm，熔深10-30mm；
所述真空电子束焊接，其焊接电压30-150KV，真空度高于1×10-1Pa，焊接电流100-500mA，焊接速度50-700mm/min，熔深20-50mm；
（3）对焊接好的大厚度坯料采用车底式炉或均热炉进行加热，出炉温度控制在1160～1280℃；
（4）出炉后轧制，第一阶段开轧温度1000～1150℃，第二阶段开轧温度820～920℃，中间坯厚度不小于成品厚度的1.4倍；
（5）对轧后钢板进行弱水冷却，冷却速度<5℃/S，表面返红温度620～780℃；
（6）对钢板进行正火热处理，热处理温度880～930℃，保温系数1.2～2.0min/mm。
2.如权利要求1所述的一种离岸风电塔筒用大单重厚钢板制造工艺方法，其特征是，所述步骤（1）的连铸板坯为经转炉炼钢、炉外精炼、连铸工序的连铸板坯，所述炉外精炼工序中要进行真空脱气处理，要求：真空度0.8Torr下保持10分钟以上。
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Granted publication date: 20150408 Termination date: 20190727 |