CN103952646B - 一种耐低温低合金结构钢及其制造方法 - Google Patents

一种耐低温低合金结构钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐低温低合金结构钢,其组分包括:C:0.13~0.20%、Si:0.15~0.55%、Mn:1.00~1.75%、P:≤0.015%、S:≤0.005%、V:0.02~0.12%、Nb:0.015~0.050%、Als:0.010~0.035%、Re:0.020~0.050%、Ti:≤0.010%、Cr:≤0.35%、Ni:≤0.55%、Cu:≤0.15%、As:≤0.020%、Sn:≤0.020%、Pb:≤0.0025%、Sb:≤0.025%、Bi:≤0.005%、[O]≤15ppm、[H]≤2.0ppm,其余为Fe和不可避免的杂质。本发明制得的钢坯经锻造成风电塔筒法兰,力学性能稳定,低温冲击性能优异,内部质量优良。

Description

-种耐低溫低合金结构钢及其制造方法
技术领域
[0001] 本发明属于低碳微合金钢技术领域,具体设及一种低溫初性优异的低合金结构钢 及其制造方法。
背景技术
[0002] 地球上的风能资源是地球水能资源的10倍,每年发电量高达53万亿千瓦时。从分 布来看,风能资源主要分布在北美洲、亚洲、拉下美洲等地方。亚洲、北美洲和欧洲将成为未 来5年风电发展较快的主要地区,亚洲的风电增长速度会在全球范围内遥遥领先,中国仍将 成为风电市场增长的主要动力。风电机组的主要构成部分包括塔筒、机舱底座、塔筒法兰和 口框,风力发电机,主轴、轴承、齿轮和叶片等,分别对应的钢材品种主要为厚板、电工钢和 特殊钢等。风电机组使用年限W及其作业环境(海上,风沙较大的东北、西北地区)要求风电 用钢具有高寿命(20年)和高可靠性、耐低溫冲击性能(-50°C)等特点。
[0003] 当前风电塔架建设用钢主要是执行国标GB/T1591中Q34祀W及EN10025中的S355 系列,通常要求-40°C低溫初性大于27J,标准系列中钢的设计和性能要求远远不能满足环 境条件和使用寿命等要求。专利文献CN101407888A公开了一种厚度10-40mm之间的风力发 电机塔架结构用钢及其生产方法,钢板生产采用两阶段控制社制,并采用社后控制冷却工 艺,纵向-4(TC冲击性能大于54J。该发明是塔架建设用钢板用钢,可W通过控制社制工艺保 证钢的性能。但是其仅用作结构用钢,无法对风电塔筒法兰用连铸圆巧具有借鉴意义。
发明内容
[0004] 本发明的主要目的在于针对现有标准系列中钢级要求无法满足风电塔架用钢的 现状,设计了一种风电塔筒锻造法兰用连铸圆巧及生产方法,其可W满足耐低溫冲击性能 (-50°C)和内部质量的要求。
[0005] 本发明提供了一种耐低溫低合金结构钢及其制造方法,W低碳C-Mn钢为基础,添 加V、Nb微合金化元素和稀±元素Re;严格控制钢中?、5、43、511、饥、513、81有害元素含量,^ 及钢中气体含量;本发明还提供了该钢材的制造方法,生产的低合金高强度钢具有纯净度 高和优异的低溫冲击初性,钢的内部质量满足风电机组高可靠性超声波探伤要求。
[0006] 本发明提供的一种耐低溫低合金结构钢,其化学成分按质量百分比为:C:0.13~ 0.20%'Si :0.15 ~0.55%'Mn :1.00 ~1.75 %、P: < 0.015 %、S: < 0.005 %、V :0.02 ~ 0.12%、师:0.015 ~0.050%、Als :0.0 lO ~0.035%'Re :0.020 ~0.050 %'Ti: <0.010%、 Cr: <0.35%、Ni: <0.55%、Cu: <0.15%、As: < 0.020%、Sn: < 0.020%、Pb: < 0.0025%、 Sb: < 0.025%、Bi: < 0.005%、[0] ^5ppm、[扣。.Oppm,其余为化和不可避免的杂质。
[0007] 优选的,钢的组成按质量百分数为:
[0008] C: 0.14 ~0.17%、Si :0.20 ~0.30 %、Mn :1.30~1.45 %、P: <0.015 %、S: < 0.005%、V: 0.02~0.08% 'Nb :0.0 l 5~0.050% 'Al S :0.0 lO~0.035 %'Re :0.020~ 0.050%、Ti: <0.010%、吐:<0.10%、Ni: <0.55%、加:<0.15%、As: < 0.020%、Sn: < 0.020%、Pb: < 0.0025%、Sb: < 0.025%、Bi: < 0.005%、[0] < 15ppm、[扣 < 1.5ppm,其余为 化和不可避免的杂质。控制碳当量Ceq:0.40%含Ceq含0.43%。
[0009]优选的,为了保证发明钢性能的稳定性和焊接性能,还对化学成分进行综合控制, 控制碳当量〔69:0.40%<069<0.43%,其中069=%〔+%]«11/6+(%吐+%1〇+%¥)/5+(%化 + %Cu)/15。
[0010]本发明选用常用的低碳C-Mn低合金结构钢为基础,添加V、Nb微合金化元素和稀± 元素Re;严格控制钢中口、5、43、511、口13、513、81有害元素含量,^及钢中气体含量。在热社正火 铁素体-珠光体钢中,改善钢强初性的合金化设计:降低碳含量,增加Mn含量;增加Si含量; 加入微合金化元素V和Nb,W及微量稀±元素Re。
[0011] 本发明中各元素的功能如下:
[0012] 碳是钢中最基本的强化元素,从钢的初-脆转变溫度与含碳量关系看,低合金高强 度钢的含碳量,一般均限制在0.20% W下,因此,为保证钢的强度、低溫初性和焊接性能,C 含量控制在0.13~0.20%比较合适;儘起到固溶强化的作用,降低钢的丫 相变溫度,细 化晶粒,降低钢的脆性转变溫度,提高初性,Mn含量控制在1.00~1.75%。
[001引娃是脱氧的主要元素,控制Si的含量为0.15~0.55%。
[0014] 饥是碳化物形成元素,可提高钢的强度和初性,V含量小于0.01%,达不到强化效 果,含量大于0.12%,会对钢的低溫冲击初性产生不利影响,V含量控制在0.02~0.12%比 较合适。
[0015] 妮元素可延迟奥氏体的再结晶,降低相变溫度,细化晶粒,改善低溫性能,但含量 过高会影响初性和焊接性,Nb含量控制在0.015~0.050 % ; Nb-V复合微合金化,部分V结合 成(NbV)CN,复合(NbV)CN比Nb和V各自的碳氮化物更细小,且析出溫度更宽,从而更有效地 阻止奥氏体晶粒长大和再结晶过程,达到同时提高强度和初性的目的。
[0016] 侣作为钢中的脱氧剂,从保证钢液脱氧和降低钢的洁净度的角度出发,控制Als: 0.OlO~0.035% ;铁是强的固氮元素,Ti含量过高,析出的TiN会对低溫初性造成不利影响, 控制Ti: <0.010%。
[0017] 钢中加入微量稀±元素Re,可W提高铸巧质量,提高钢的塑、初性,改善钢的横向 性能和低溫冲击初性,同时,Re加入钢液中,与钢中?、5、43、511吼、513、81低烙点有害元素作 用,生成高烙点金属化合物,不烙于钢中而进入炉渣,使钢中杂质减少,克服了热脆性,另 外,Re能吸收大量的氨,抑制钢中氨引起的脆性和白点。
[0018] 另外,钢中有害元素P、S、As、Sn、饥、Sb、Bi会提高钢的脆性转变溫度,恶化钢的低 溫冲击性能,本发明严格控制钢中P: < 0.015%、S: < 0.005%、As: < 0.020%、Sn: < 0.020%、Pb: < 0.0025%、Sb: < 0.025%、Bi: < 0.005%;钢中气体含量会对钢的洁净度、氨 致裂纹造成不利影响,为保证钢的可靠性和内部质量,控制钢中[0]含15ppm、阳]含2.化pm。 [00 19]热社钢材或钢巧制得锻件正火后的强塑性指标达:屈服强度> 325M化、抗拉强度 470~630MPa,延伸率>22%,冲击初性(AKv,-50°C)>60J/cm2。
[0020] 本发明一种耐低溫低合金结构钢的制备方法,钢的化学成分设计要求如上所述, 包括W下步骤:
[0021] (1)冶炼。
[0022] 采用电炉冶炼,电炉冶炼入炉原料为优质中重型优质废钢及铁水,铁水比例不小 于60%。为保证钢中P、Ti有害元素尽可能低,电炉冶炼前期充分利用烙化期溫度较低的有 利条件,提高初渣的氧化性,和炉渣脱憐、脱铁能力,及时放掉初渣;冶炼过程造好泡沫渣, 采用大渣量、深脱碳W加强脱憐、脱铁去除操作;合理控制脱碳和升溫速度,确保碳氧反应 增加钢渣界面的脱憐、脱铁效果。
[0023] 优选的,冶炼时控制终点C: 0.06~0.10 %,P < 0.008 %,Ti < 0.0010 %,其余残余 元素含量也应终产品保持一致;准确控制出钢溫度在1620~1640°C之间,避免出现高溫回 憐现象;为控制P、S和Ti,钢包合金化注意使用低憐、低硫、低铁合金;出钢过程采用"增碳剂 +复合脱氧剂+合成渣"的预脱氧工艺。出钢时留钢、留渣操作,严禁下氧化渣,下渣炉次必须 化除氧化渣,为精炼创造好的钢水条件。
[0024] (2) LF炉外精炼,并加入稀±合金;
[0025] 优选的,所述LF炉外精炼选用流动性良好、碱度为3.0~4.0的强还原性渣;精炼炉 一次样侣要喂足,确保一次样侣含0.03%,确保良好的脱硫条件;精炼过程保持白渣时间大 于20分钟,加强脱硫操作。LF出钢前,按照1.0~2.5m/t钢喂入巧线进行巧变质处理。
[0026] 优选的,精炼后真空处理,为保证真空脱气效果,钢包自由空间高度> 1000 mm;用 定氨仪进行过程氨的测定,氨含量不大于1.5ppm;真空度小于67化,保持时间大于15分钟; VD破空后,喂入稀±娃铁合金包忍线,包忍线规格为d) 13mm,稀±娃铁合金牌号优选的 FeSiRe38;VD后软吹氣时间大于15分钟。
[0027] (3)诱注
[0028] 采用连铸诱注铸巧,连铸中采用结晶器电磁揽拌和末端电磁揽拌。控制中间包钢 水溫度1530~1540°C,根据不同圆巧巧型选择拉速0.10~0.40m/min,W保证铸巧质量,审U 得<1) 400~900mm规格圆巧。
[0029] 采用上述的方法可W提高钢的纯净度,通过严格控制钢中氧、氨含量,P、S及As、 Sn、化、Sb、Bi有害元素含量,保证钢良好的低溫性能和质量可靠性,满足风电机组用钢超声 波探伤质量要求。
附图说明
[0030] 图1、连铸圆巧的锻造方法。
具体实施方式
[0031 ]下面结合实施例对本发明作进一步说明。
[0032] -种耐低溫低合金结构钢及其制造方法,该方法采用UHP超高功率电炉、LF炉外精 炼、VD真空脱气处理工艺冶炼,连铸诱注圆形铸巧生产钢材。
[0033] 生产工艺包括:
[0034] (1)冶炼
[0035] 采用电炉冶炼,电炉冶炼入炉原料为优质中重型优质废钢及铁水,铁水比例62~ 65%。为保证钢中P、Ti有害元素尽可能低,电炉冶炼前期充分利用烙化期溫度较低的有利 条件,提高初渣的氧化性,和炉渣脱憐、脱铁能力,及时放掉初渣;冶炼过程造好泡沫渣,采 用大渣量、深脱碳W加强脱憐、脱铁去除操作;合理控制脱碳和升溫速度,确保碳氧反应增 加钢渣界面的脱憐、脱铁效果;控制终点[C] :0.08~0.10%,[P] :0.006~0.008%,[Ti]: 0.002~0.010%,残余元素含量符合设计要求;准确控制出钢溫度在1620~1640°C之间,避 免出现高溫回憐现象。
[0036] (2)LF炉外精炼
[0037] 选用流动性良好、碱度为3.0~4.0的强还原性渣;精炼炉一次样侣要喂足,确保一 次样侣含0.03%,确保良好的脱硫条件;精炼过程保持白渣时间20~25分钟,加强脱硫操 作。LF出钢前,按照2.0~2.5m/t钢喂入巧线进行巧变质处理。
[0038] 精炼后真空处理,为保证真空脱气效果,钢包自由空间高度含1000 mm;用定氨仪进 行过程氨的测定,氨含量为1.2~1.5ppm;真空度小于67化,保持时间15~18分钟;VD破空 后,喂入稀±娃铁合金包忍线,包忍线规格为4 13mm,稀±娃铁合金牌号为FeSiRe38,其化 学成分组成见表1; VD后软吹氣时间15~25分钟。
[0039] 表 1
[0040]
Figure CN103952646BD00061
[OOW (3)诱注
[0042] 采用连铸诱注铸巧,连铸中采用结晶器电磁揽拌和末端电磁揽拌。控制中间包钢 水溫度1530~1540°C,控制拉速0.29±0.0 lm/min,制得d) 600mm规格圆巧。
[0043] 连铸圆巧用户锻造使用实施例:
[0044] 用W下方式W6:l(其中半径方向锻造比大于3:1) W上的锻造比进行锻造,具体锻 造方式如图1所示:
[0045] 该图从左至右分别为:圆巧加热后,纵向锻造成圆饼状毛巧件,圆饼状毛巧屯、部冲 孔,并经二次加热后,在娠扩机上进行娠环,制得环形锻件,环形锻件采用超声波进行全截 面探伤,探伤满足JB/T5000.15中2级探伤标准要求。
[0046] 经锻造、娠环、正火热处理(910± I(TC)后,取样进行机械性能试验,检验数据见表 5。
[0047] 表2和和表2A是实施例耐低溫低合金结构钢化学成分、钢中气体及碳当量,表3是 连铸中间包钢水溫度、拉巧速度,表4为实施例低倍组织。
[004引表2实施例化学成分(重量,% )
[0049]
[i
[0化1 ] 表2A连施例化学成分(電量,% )(续表)
Figure CN103952646BD00071

Claims (3)

1. 一种耐低温低合金结构钢,其特征在于,其组成按质量百分数包括: C:0.14~0.17%、Si:0.20~0.30%、Mn:1.30~1.45%、P :<0.015%、S:< 0.005%、V: 0.02~0.08%、Nb:0.015~0.050%、Als:0.010~0.035%、Re:0.020~0.050%、Ti:<0.010%、 Cr:0.06-0.09%^Ni : < O . 55%^Cu : O . 05-0.06 % ^As : < 0.020%^Sn: < 0.020%^Pb: < 0.0025%^Sb: < 0.025%^Bi: < 0.005%^[0] < 15ppm、[H] < I · 5ppm,其余为 Fe 和不可避 免的杂质钢的碳当量〇69:0.40%<〇69<0.43%,〇69=%0+%:111/6+(%0 + °观〇+%¥)/5+(%附 +%Cu)/15; 所述钢中包括Nb-V微细合金化形成的(NbV) CN。
2. 权利要求1所述的耐低温低合金结构钢的制备方法,包括: (1)冶炼;冶炼时控制终点C:0·06~0· 10%,P < 0·008%,Ti < 0·0010%,出钢温度在1620 ~1640 °C之间; (2 )LF炉外精炼,并加入稀土合金; (3)浇注。
3. 根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述步骤2)中,所述LF炉外精炼选用流动 性良好、碱度为3.0~4.0的强还原性渣;精炼炉一次样铝含量2 0.03%。
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