CN103484761A - 一种40～60mm厚管桩用钢板及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种40～60mm厚管桩用钢板及其生产方法，化学成分wt%为：C0.10%～0.12%，Si0.25%～0.40%，Mn1.15%～1.35%，P≤0.020%，S≤0.003%，Als0.020%～0.045%，Ti0.035%～0.05%，Nb0.01%～0.03%。Ceq控制在0.38%以下；板坯加热温度1150～1250℃，时间0.8～1.2min/mm；粗轧温度1000～1080℃，粗轧后三道次单道次压下率≥10%；精轧开轧温度800～840℃，精轧终轧温度820～850℃，精轧单道次压下率≥6%，累积压下率≥60%；堆垛环冷24～36h。本发明可在热轧宽厚板生产线上生产大壁厚、宽规格管桩用钢板，既简化生产工艺，又节省生产成本，钢板综合性能良好，厚度方向性能均匀，可提高钢管桩基础和风电塔的长期稳定性和安全性。

Description

一种40～60mm厚管桩用钢板及其生产方法

技术领域

本发明属于低碳微合金钢冶金领域，尤其涉及一种厚度方向性能均匀的40～60mm厚管桩用钢板及其生产方法。

背景技术

近半个多世纪，钢管桩逐渐成为基础工程中的主要的桩形之一。钢管桩一般由钢板焊接成钢管，再通过不同的施工方法将钢管打入地下，借助岩土的挤压保持固定，并与地上建筑保持连接与稳定。常用的钢管桩以螺旋焊接钢管占大多数，采用热轧卷板，厚度不超过30mm；高频电阻焊接钢管仅用于较小直径的钢管桩，壁厚一般不超过20mm。而直缝埋弧焊钢管主要用于大壁厚的钢管桩，采用热轧平板，厚度一般在30mm以上。随着经济的发展，钢管桩的应用和需求也迅速增长，大口径、超长、厚度在40mm以上的大壁厚钢管桩也逐渐得到应用。其中大壁厚管桩在建设风电塔中应用最多。

现代大型风电塔的塔身普遍采用管柱型，地下的基础结构形式也大多采用单桩式。由于单桩式基础结构最简单，与管柱型塔身连接最方便，而且整体安全性能好，所以应用也最普遍。单桩式风电管桩一般是将大厚度钢板以宽度方向为轴、经过冷加工变形成为圆筒形，然后经过直缝埋弧焊接将圆筒形焊接成圆筒体分段，圆筒体分段经过环焊对接成钢管桩。单桩式基础要保证风电塔在长期承受各个方向巨大风力的作用下，仍然能使整体保持固定，并且由于风载荷作用方向的不确定性，钢管桩的轴向既可能受压也可能受拉。这就要求制造管桩的钢板除了具有较高的强韧性和良好的焊接性之外，还要在厚度方向具有良好的组织性能均匀性，保证钢管桩不会因承受轴向载荷而发生弯曲变形，从而保证风电塔整体的固定。

目前对管桩用钢的文献介绍大多集中在配合混凝土使用的钢筋、盘条等棒线材，对管桩用大厚度钢板涉及不多。对于钢板厚度方向性能均匀性的改善，也大都采用热处理的方式。

论文1“风力发电管桩S355钢多道焊横向裂纹产生原因”（《焊接》2011.10，p49-51）中提到了一种86mm厚度的管桩用钢，但只简单介绍了钢的成分，其中含有0.07%Cr，Mn含量在1.56%，Ceq达到0.44%。不但合金成本高，而且碳当量较高。文中也没有提到钢板厚度方向性能均匀性的问题以及生产方法和具体的工艺方案。

论文2“杭州湾大桥管桩用Q345C_Hq钢水冷焊接试验”（《钢铁研究》2004.4，p29-31）提到了管桩用钢板，论文涉及的管桩用钢采用的是热连轧工艺生产的厚度为20mm的钢卷，且其产品厚度小。

论文3“大厚度420MPa级高性能钢板的组织控制及性能均匀性”（《钢铁研究学报》2010.2，p51-55），采用的是低碳含Cr的成分设计，C含量在0.05%以下，Cr在0.25%左右。其合金成本高，并且采用回火热处理工艺改善组织性能的均匀性，能源消耗量大，生产成本高。

专利公开号CN101818303A公开的“一种高强度厚规格管桩用钢及其制造方法”中，涉及的管桩用钢是在热连轧生产线生产的25mm厚度的钢卷，没有提到厚度大于25mm的钢板。

专利CN102966692A、名称为“一种低压缩比厚规格超高强海洋工程用钢板的生产方法”中，合金元素含有Cr、Cu、Mo和B，采用的是轧后正火+淬火+回火的热处理方式，获得厚度方向性能均匀的海洋工程用钢板，组织类型为回火索氏体。经过多次热处理，不但生产工艺复杂，而且生产成本高。

以上专利文献公开的钢和钢板，有的虽然提到是管桩用钢，但只是厚度较小的热轧钢卷，对于厚度方向组织性能均匀性的改善，采用的都是热处理的方法，不但工序复杂，而且生产成本高。

发明内容

本发明旨在提供一种40～60mm厚管桩用钢板及其生产方法，一是弥补热连轧卷板生产线无法生产大厚度、宽规格管桩用钢板的不足；二是提高管桩用钢板的强韧性，改善大厚度管桩用钢板的厚度方向性能的均匀性，从而确保风电塔的长期稳定性和安全性。

为此，本发明所采取的解决方案是：

一种40～60mm厚管桩用钢板，其化学成分wt%为：C：0.10%～0.12%，Si：0.25%～0.40%，Mn：1.15%～1.35%，P：≤0.020%，S：≤0.003%，Als：0.020%～0.045%，Ti：0.035%～0.05%，Nb：0.01%～0.03%，余量为铁和不可避免的杂质。

一种40～60mm厚管桩用钢板的生产方法，包括铁水预处理、冶炼、炉外精炼、连铸、控制轧制、堆垛缓冷，其特征在于：

控制碳当量Ceq及焊接冷裂纹指数Pcm：

Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Cu+Ni）/15，控制在0.38%以下；

Pcm=C+Si/30+（Mn+Cu+Cr）/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B，控制在0.23%以下。

轧制板坯加热温度为1150～1250℃，加热时间0.8～1.2min/mm，使合金元素充分固溶并抑制奥氏体晶粒过分长大。

粗轧阶段温度区间1000～1080℃，粗轧后三道次的单道次压下率不小于10%，利用多道次连续大压下量轧制，使相变前的奥氏体晶粒得到有效细化。

精轧开轧温度为800～840℃，精轧终轧温度为820～850℃，精轧阶段各道次的单道次压下率不小于6%，其中前三道次的单道次压下率不小于15%，精轧阶段累积压下率不小于60%，利用多道次连续大压下量轧制，抑制晶粒长大。

精轧后钢板进行热矫直，热矫直结束后堆垛缓冷，堆垛环冷时间24～36h，利用钢板轧制完成后心部热量向表层扩散以及钢板堆垛产生的温度相互扩散效应，达到改善厚度方向组织性能均匀性的目的，同时减轻钢板内部缺陷和残余应力。

主要组成成分的作用如下：

碳：钢中最基本最经济的强化元素，对于厚规格钢板，为保证厚度方向的强度均匀性，碳含量不宜过低；另外，碳含量的增加对材料的韧性和焊接性有负面影响，所以碳含量不能过高，本发明认为碳含量控制在0.10%～0.12%较为适宜。

硅：可以起到固溶强化作用，但其含量过高会使钢的塑性和韧性降低，本发明认为硅含量控制在0.25%～0.40%为宜。

锰：可以起到固溶强化作用，还可以降低钢的γ→α相变温度，有助于细化晶粒。锰与硫结合形成MnS，可以降低钢的脆性转变温度。但是锰含量过高会加速控轧钢板的中心偏析，引起钢板性能的各项异性，对韧性不利。本发明认为锰含量应控制在1.15%～1.35%。

铌：可以延迟奥氏体的再结晶，降低相变温度，晶粒细化作用显著，并可以改善低温韧性。铌通过固溶强化、相变强化、析出强化等机制来获得要求的性能。但是铌含量过高会影响韧性和焊接性。并且加入过多的Nb成本很高，出于经济性考虑，本发明设计的铌含量为0.01%～0.03%。

钛：起多方面作用。首先，Ti是强的固N元素，在奥氏体高温区，TiN比Nb（C、N）更容易生成，所以N被TiN固定在奥氏体高温区，Nb析出物从Nb（C、N）变成了在奥氏体低温区和γ→α双相区难以析出的NbC，从而增强了Nb的析出强化作用。其次，弥散、细小的TiN颗粒可抑制奥氏体晶粒的长大，从而达到细化晶粒的作用。第三，适量的Ti在一定温度和应变条件下析出少量细小弥散的TiC质点，起到沉淀强化作用，同时不会对韧性造成显著影响。但是当Ti含量超过某一定值，钢液中的TiN颗粒就会粗化，不能有效阻止奥氏体晶粒长大。另外，钢的含Ti量过高容易在较低温度时大量析出TiC，造成低温韧性恶化。因此，本发明选取Ti含量为0.035%～0.05%。

铝：通常用作钢中的脱氧剂。铝含量过低则脱氧不充分，Ti等易氧化元素就会形成氧化物；铝含量过高则氧化铝夹杂物增加，降低钢的洁净度。因此Als控制在0.020%～0.045%。

碳当量（Ceq）和焊接冷裂纹指数（Pcm）：两者都是用来衡量钢的焊接裂纹倾向性。主要取决于碳含量，一些合金元素的含量也有不同程度的影响。本发明采用低碳、添加微量合金元素的成分设计方法，可以保证钢板具有良好的焊接性，在厚度方向具有更好的组织性能均匀性。Ceq应控制在0.35%以下、Pcm应控制在0.20%以下。

本发明的有益效果为：

1、本发明可以在热轧宽厚板生产线上生产大壁厚、宽规格管桩用钢板，弥补了热连轧生产线的不足。

2、本发明钢板综合性能良好，尤其是钢板厚度方向性能均匀性好，可以用于制造管柱型风力发电塔的钢管桩，提高钢管桩基础和风电塔的长期稳定性和安全性。经检测，本发明钢板厚度1/2处、1/4处以及距表面2mm的屈服强度不低于350MPa，抗拉强度不低于500MPa，延伸率不低于25%，屈强比不高于0.75，-40℃冲击平均值达到100J以上。Z向（即厚度方向）断面收缩率在60%以上。厚度方向的1/2处、1/4处以及距表面2mm处相比，屈服强度差值在20Mpa以内，抗拉强度差值在20MPa以内，-40℃冲击平均差值在30J以内。

3、与采用控冷工艺生产的钢板相比，省去了控冷工序，在不采用热处理方法的情况下，仍然获得厚度方向良好的组织性能均匀性，不但简化了生产工艺流程，而且节省生产成本。

4、本发明只需要较低的碳当量成分设计并添加适量Ti和Nb，实现Ti和Nb的复合强化。结合控轧工艺可以生产出强度较高、拉伸性能和低温冲击韧性在厚度方向都保持良好均匀性的厚规格热轧平板，生产成本较低。

5、较低的碳当量Ceq和焊接冷裂纹指数Pcm也可以保证良好的焊接性。

具体实施方式

本发明实施例的化学成分见表1：

表1化学成分wt%含量表

实施例	C	Si	Mn	P	S	Nb	Ti
								1	0.12	0.35	1.18	0.015	0.003	0.02	0.035
2	0.11	0.32	1.25	0.018	0.002	0.02	0.037
								3	0.12	0.34	1.31	0.012	0.002	0.03	0.048

轧钢生产工艺参数见表2：

表2轧钢生产工艺参数表

粗轧、精轧阶段的道次压下率见表3：

表3粗轧、精轧阶段的道次压下率

综合性能指标检测结果见表4：

表4厚度1/2、1/4处及距表面2mm取样位置的力学性能

Z向断面收缩率见表5：

表5Z向断面收缩率

实施例	厚度mm	Z向断面收缩率平均值%
			1	40	68.5
2	50	67.0
			3	60	63.5

Claims (2)

1.一种40～60 mm厚管桩用钢板，其特征在于，其化学成分wt%为：C：0.10%～0.12%，Si：0.25%～0.40%，Mn：1.15%～1.35%，P：≤0.020%，S：≤0.003%，Als：0.020%～0.045%，Ti：0.035%～0.05%，Nb：0.01%～0.03%，余量为铁和不可避免的杂质。

2.一种如权利要求1所述40～60 mm厚管桩用钢板的生产方法，包括铁水预处理、冶炼、炉外精炼、连铸、控制轧制、堆垛缓冷，其特征在于：

控制碳当量Ceq及焊接冷裂纹指数Pcm：

Ceq =C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Cu+Ni）/15，控制在0.38%以下；

Pcm=C+Si/30+（Mn+Cu+Cr）/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B，控制在0.23%以下；

轧制板坯加热温度为1150～1250℃，加热时间0.8～1.2min/mm；

粗轧阶段温度区间1000～1080℃，粗轧后三道次的单道次压下率不小于10%；

精轧开轧温度为800～840℃，精轧终轧温度为820～850℃，精轧阶段各道次的单道次压下率不小于6%，其中前三道次的单道次压下率不小于15%，精轧阶段累积压下率不小于60%；

精轧后钢板进行热矫直，热矫直结束后堆垛缓冷，堆垛环冷时间24～36h。