CN105349902A - 一种水电站用调质特厚钢板及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种厚度200mm以上水电站用高强度调质特厚S500Q-Z35钢板及其生产方法，其包含如下质量百分比的化学成分：C：0.09～0.16、Si：0.15～0.45、Mn：0.08～1.45、P≤0.012、S≤0.003、Als：0.015～0.050、Nb：0.015～0.045、Cr：0.35～0.65、Mo：0.35～0.65、Ni:0.80-1.3、Ti0.010-0.030，其它为Fe和残留元素；其工艺流程为：优质铁水、KR铁水预处理、100/120吨顶底复吹转炉、LF炉精炼、真空脱气处理、钢锭堆冷24—60小时、钢锭加热开坯加热-轧制-堆冷、中间坯加热-轧制-堆冷、淬火+回火、精整、外检、探伤、入库。所研制的钢板外检，正品率100%，最终钢板探伤达到JB/T？5000.15-1998《重型机械通用技术条件锻钢件无损探伤》的Ⅰ级探伤要求，实现了水电站座环用高强度调质特厚钢的以轧代锻达到了预期效果。

Description

一种水电站用调质特厚钢板及其生产方法

技术领域

本发明属于宽厚板生产领域，具体涉及到一种厚度200mm以上水电站用高强度调质特厚S500Q-Z35钢板及其生产方法。

背景技术

水力发电作为清洁能源，具有可再生、无污染、运行费用低、便于进行电力调峰等特点，有利于提高资源利用率。在传统能源日益紧张的情况下，世界各国普遍优先大力开发水电，利用水资源。超大型水电站座环用板由于其关键技术复杂、安全可靠性要求高，多年来几乎一直被国外品牌所垄断。座环由两块环形部件与若干片固定导叶组成，构成从蜗壳到导水机构间通道的结构部件。在立式机组中，座环还起支撑与承受上部机墩及机组重量、蜗壳内水压力及水轮机轴向水推力等的作用，并将它们传递到厂房混凝土基础，需高强度特厚焊接结构钢材料，且要求该材料强度大、屈服点高，需要保一级探伤、保力学性能、良好抗层状撕裂性能的200mm以上厚度的高强度特厚焊接结构钢S500Q-Z35，为工程施工装备制造技术的进一步发展提供基本材料。

发明内容

针对上述问题，本发明人经过反复不断试验摸索，获得了一种厚度200mm以上水电站座环用高强度调质特厚钢S500Q-Z35及其生产方法，从而完成了本发明。

因此，本发明的目的在于提供一种厚度200mm以上的水电站座环用高强度调质特厚钢S500Q-Z35及其生产方法。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：该水电站座环用高强度调质特厚钢S500Q-Z35包含如下质量百分比的化学成分(单位，wt%)：C：0.09～0.16、Si：0.15～0.45、Mn：0.08～1.45、P≤0.012、S≤0.003、Als：0.015～0.050、Nb：0.015～0.045、Cr：0.35～0.65、Mo：0.35～0.65、Ni:0.80-1.3、Ti0.010-0.030，其它为Fe和残留元素；

上述方法中，所生产的钢板厚度为200mm以上厚度规格。

为达到上述目的，成分设计上保证低碳当量设计确保钢板的焊接性能；保证对应强度的组织贝氏体为主，使得钢板在焊接、焊后去应力热处理等多次热加工后组织保持稳定；充分利用钢种的Ni、Cr、Mo的固溶强化和微合金化元素Nb、Ti碳化物的沉淀析出强化，使原始奥氏体晶粒保持细化，以保证调质后组织充分细化，从而得到优异的强韧性。

在冶炼过程中，钢水中的杂质成分，包括S、P及各类氧化物夹杂等易在钢水的凝固过程中产生严重的偏析，对钢板的力学性能和冶金质量均会产生极大的影响。因此相对于一般中厚板，特厚板在冶炼过程对钢水的纯净度有更加严格的要求。为获得较好的内部质量，确保一级探伤要求，洁净钢的冶炼是基础，主要从两个方面来确保，一是钢水中非金属夹杂物的总级别控制在4.0以内，二是严格钢水中五大有害元素的含量。

加热轧制中，钢锭总加热时间13min/cm，装钢时炉膛温度650～750℃，焖钢3～5小时来减少炉温与钢锭之间温差，降低钢锭内外温差导致的应力差，700～750℃保温3小时，900～950℃保温2小时，高温段目标保温温度1250～1260℃、保温时间14～15小时，在保温结束前2～3小时翻钢，翻钢结束后，升温至保温温度，按剩余保温时间保温后，出钢过程中，增加煤气流量，继续进行升温，用以弥补因出钢过程所导致的热量损失，保证炉门关闭后炉内温度达到保温温度要求；开坯阶段采取高温低速大压下工艺，充分破碎钢锭中的枝晶，变形程度越大，形核区密度和驱动力越大，反复再结晶后晶粒就越细小。但钢锭的轧制均采用“高温低速大压下”方式轧制，对轧机能力有较高的要求，若轧机能力小，不能实现“大压下”，轧制力不能渗透至钢锭心部，易导致钢板厚度方向组织不均匀，且不能起到“压合”钢锭内部浇铸缺陷的作用，直接影响钢板的冲击韧性以及探伤质量，为此采用开坯工艺，在开坯工艺采用“高温低速大压下”并在消除锥度后3道次打高压水硬化表面，使轧制力渗透，并利用中间坯二次轧制时的大压下来弥补开坯时轧制力不能渗透至心部的问题。并为降低表面二次铁皮生成量，开启5～8组中冷集管进行2次冷却。然后进行缓冷，堆冷温度≥450℃，堆冷时间≥4天。中间坯拆垛后，先探伤，探伤后仅切帽口后转推钢式加热炉，开坯后进行二次轧制，来保证二次加热轧制时，也能采用“高温低速大压下”方式渗透至钢锭心部，来“压合”钢锭内部缺陷，通过二次加热冷却对减轻偏析有较好效果，且较大的累计变形量，使奥氏体晶粒充分变形，在晶粒内部形成更多的滑移带，为组织的转变提供更多的形核位置，细化晶粒。开轧温度1000～1150℃之间，轧制粗轧道次压下量30mm～45mm，并通过多打高压水降低表面温度，促进表面硬化以使轧制时轧制力渗透内部，保证内部质量。

热处理过程中，通过两相区的亚温淬火，保留部分未溶的铁素体阻止已转变的奥氏体长大，且由于钢板出炉到入水前有3min的吊运时间，此时在贝氏体相变开始前，在晶内会形成不同取向的晶内铁素体，它们把奥氏体一定量的晶粒分割成多个区域，在冷到贝氏体转变开始温度后，被分割的各区内不同取向亚晶界上的析出物促使贝氏体在各亚晶界形核，亚晶的取向差引起各亚晶贝氏体束方向不同，并且各束贝氏体的长大过程受亚晶界的限制。

附图说明

图1是本发明所述钢板厚度截面上的金相组织（表面S回）。

图2是本发明所述钢板厚度截面上的金相组织（1/4厚度处B回+F）。

图3是本发明所述钢板厚度截面上的金相组织（1/2厚度处B回+F）。

具体实施方式

本发明采用转炉冶炼、模铸浇注，3800m宽厚板轧机轧制的方法生产水电站座环用高强度调质特厚钢S500Q-Z35，其工艺流程为：优质铁水、KR铁水预处理、100/120吨顶底复吹转炉、LF炉精炼、真空脱气处理、钢锭堆冷24—60小时、钢锭加热开坯加热-轧制-堆冷、中间坯加热-轧制-堆冷、淬火+回火、精整、外检、探伤、入库。

实施方式如下：

成分设计：该水电站座环用高强度调质特厚钢S500Q-Z35包含如下质量百分比的化学成分(单位，wt%)：C：0.09～0.16、Si：0.15～0.45、Mn：0.08～1.45、P≤0.012、S≤0.003、Als：0.015～0.050、Nb：0.015～0.045、Cr：0.35～0.65、Mo：0.35～0.65、Ni:0.80-1.3、Ti0.010-0.030，其它为Fe和残留元素；

KR铁水预处理工艺：到站铁水必须扒前渣与扒后渣，保证液面渣层厚度≤20mm，铁水经KR搅拌脱硫后保证铁水S≤0.005%，保证脱硫周期≤21min、脱硫温降≤20℃。

冶炼浇铸工艺：入炉铁水S≤0.005%、P≤0.080%，铁水温度≥1270℃，出钢前用挡渣塞挡前渣出钢，出钢结束前采用挡渣锥挡渣，保证渣层厚度≤30mm，转炉出钢过程中要求全程吹氩。VD真空度必须达到67Pa以下，保压时间必须≥15min，覆盖剂，保证铺满钢液面，加覆盖剂前必须关闭氩气，上钢温度1565±15℃。浇注过程中采用大帽口设计，在凝固过程中可使钢锭内部形成上大下小的补缩通道，避免了缩孔的产生，同时由于凝固时间的大大缩短显著地减轻了钢锭内部的疏松和偏析，明显提高钢板内部探伤质量。

加热轧制中，钢锭总加热时间13min/cm，装钢时炉膛温度650～750℃，焖钢3～5小时来减少炉温与钢锭之间温差，降低钢锭内外温差导致的应力差，700～750℃保温3小时，900～950℃保温2小时，高温段目标保温温度1250～1260℃、保温时间14～15小时，在保温结束前2～3小时翻钢，翻钢结束后，升温至保温温度，按剩余保温时间保温后，出钢过程中，增加煤气流量，继续进行升温，用以弥补因出钢过程所导致的热量损失，保证炉门关闭后炉内温度达到保温温度要求；开坯阶段采取高温低速大压下工艺，充分破碎钢锭中的枝晶，变形程度越大，形核区密度和驱动力越大，反复再结晶后晶粒就越细小。但钢锭的轧制均采用“高温低速大压下”方式轧制，对轧机能力有较高的要求，若轧机能力小，不能实现“大压下”，轧制力不能渗透至钢锭心部，易导致钢板厚度方向组织不均匀，且不能起到“压合”钢锭内部浇铸缺陷的作用，直接影响钢板的冲击韧性以及探伤质量，为此采用开坯工艺，在开坯工艺采用“高温低速大压下”并在消除锥度后3道次打高压水硬化表面，使轧制力渗透，并利用中间坯二次轧制时的大压下来弥补开坯时轧制力不能渗透至心部的问题。并为降低表面二次铁皮生成量，开启5～8组中冷集管进行2次冷却。然后进行缓冷，堆冷温度≥450℃，堆冷时间≥4天。中间坯拆垛后，先探伤，探伤后仅切帽口后转推钢式加热炉，开坯后进行二次轧制，来保证二次加热轧制时，也能采用“高温低速大压下”方式渗透至钢锭心部，来“压合”钢锭内部缺陷，通过二次加热冷却对减轻偏析有较好效果，且较大的累计变形量，使奥氏体晶粒充分变形，在晶粒内部形成更多的滑移带，为组织的转变提供更多的形核位置，细化晶粒。开轧温度1000～1150℃之间，轧制粗轧道次压下量30mm～45mm，并通过多打高压水降低表面温度，促进表面硬化以使轧制时轧制力渗透内部，保证内部质量。

热处理过程中，通过两相区的亚温淬火，保留部分未溶的铁素体阻止已转变的奥氏体长大，且由于钢板出炉到入水前有3min的吊运时间，此时在贝氏体相变开始前，在晶内会形成不同取向的晶内铁素体，它们把奥氏体一定量的晶粒分割成多个区域，在冷到贝氏体转变开始温度后，被分割的各区内不同取向亚晶界上的析出物促使贝氏体在各亚晶界形核，亚晶的取向差引起各亚晶贝氏体束方向不同，并且各束贝氏体的长大过程受亚晶界的限制。实际热处理过程中通过预淬火工艺来使前期二次开坯保证的细化晶粒更加细化，使钢板得到细化的组织，破坏晶粒遗传；也可使合金碳化物溶入奥氏体的数量减少，未溶的稳定碳化物可以组织奥氏体晶粒长大，也可以防止形成弥散相的合金元素被溶解后晶粒剧烈长大现象，降低了晶间自由能，降低了铁原子的自扩散能力，从而使晶界铁原子的自扩散而产生的迁移受阻，组织了晶粒的长大。综上条件，详细热处理工艺见表1。

表1S500Q-Z35热处理工艺

检测分析：钢板的化学成分、力学性能试件取样位置及试样制备按照标准GB/T5313及GB/T2975规定进行。低温冲击韧性试验按GB/T229标准进行，拉伸性能试验按GB/T228标准进行，弯曲性能试验按GB/T232标准进行。对钢板在供货状态及模拟焊后热处理后的各项力学性能及金相组织进行了全面检验，（模拟焊后热处理制度：600℃X8h，随炉冷却）。

表2S500Q-Z35钢板拉伸性能（模拟热处理后）

表3S500Q-Z35钢板低温冲击韧性（模拟热处理后）

从以上数据来看，钢板有良好的低温冲击韧性，并且头和尾的板厚1/4、1/2，钢板纵向、横向及Z向冲击差别不大，说明该钢有良好的各项同性。

表4S500Q-Z35钢板冷弯性能（横向）

表5S500Q-Z35钢板厚度拉伸性能

由上述试验结果可见，S500Q-Z35钢板不同部位成分均匀，组织致密，偏析轻微，碳当量Ceq最大为0.54，成分及杂质含量均满足Z35级别抗撕裂钢的技术要求。在供货状态及焊后热处理状态下，钢板表现出良好的综合性能，弯曲性能良好，强度适中，塑性储备充足；低温韧性优良，系列温度冲击吸收功富裕量较大；钢板Z向性能良好，断面收缩率最高为49.5%，最低为40%，能够满足Z35级别要求；钢板头尾性能均匀，有良好的各向同性，各项性能及指标均满足大型水电机组抗撕裂钢板用钢要求。

外检及探伤：所研制的钢板外检，正品率100%，最终钢板探伤达到JB/T5000.15-1998《重型机械通用技术条件锻钢件无损探伤》的级探伤要求，实现了水电站座环用高强度调质特厚钢的以轧代锻达到了预期效果。

Claims (2)

1.一种水电站用调质特厚钢板，该水电站座环用高强度调质特厚钢S500Q-Z35包含如下质量百分比的化学成分：C：0.09～0.16、Si：0.15～0.45、Mn：0.08～1.45、P≤0.012、S≤0.003、Als：0.015～0.050、Nb：0.015～0.045、Cr：0.35～0.65、Mo：0.35～0.65、Ni:0.80-1.3、Ti0.010-0.030，其它为Fe和残留元素。

2.一种如权利要求1所述水电站用调质特厚钢板的生产方法，其工艺流程为：优质铁水、KR铁水预处理、100/120吨顶底复吹转炉、LF炉精炼、真空脱气处理、钢锭堆冷24—60小时、钢锭加热开坯加热-轧制-堆冷、中间坯加热-轧制-堆冷、淬火+回火、精整、外检、探伤、入库；其特征在于加热轧制中，钢锭总加热时间13min/cm，装钢时炉膛温度650～750℃，焖钢3～5小时来减少炉温与钢锭之间温差，降低钢锭内外温差导致的应力差，700～750℃保温3小时，900～950℃保温2小时，高温段目标保温温度1250～1260℃、保温时间14～15小时，在保温结束前2～3小时翻钢，翻钢结束后，升温至保温温度，按剩余保温时间保温后，出钢过程中，增加煤气流量，继续进行升温，用以弥补因出钢过程所导致的热量损失，保证炉门关闭后炉内温度达到保温温度要求；开坯阶段采取高温低速大压下工艺，充分破碎钢锭中的枝晶，变形程度越大，形核区密度和驱动力越大，反复再结晶后晶粒就越细小；但钢锭的轧制均采用“高温低速大压下”方式轧制，对轧机能力有较高的要求，若轧机能力小，不能实现“大压下”，轧制力不能渗透至钢锭心部，易导致钢板厚度方向组织不均匀，且不能起到“压合”钢锭内部浇铸缺陷的作用，直接影响钢板的冲击韧性以及探伤质量，为此采用开坯工艺，在开坯工艺采用“高温低速大压下”并在消除锥度后3道次打高压水硬化表面，使轧制力渗透，并利用中间坯二次轧制时的大压下来弥补开坯时轧制力不能渗透至心部的问题；并为降低表面二次铁皮生成量，开启5～8组中冷集管进行2次冷却；然后进行缓冷，堆冷温度≥450℃，堆冷时间≥4天；中间坯拆垛后，先探伤，探伤后仅切帽口后转推钢式加热炉，开坯后进行二次轧制，来保证二次加热轧制时，也能采用“高温低速大压下”方式渗透至钢锭心部，来“压合”钢锭内部缺陷，通过二次加热冷却对减轻偏析有较好效果，且较大的累计变形量，使奥氏体晶粒充分变形，在晶粒内部形成更多的滑移带，为组织的转变提供更多的形核位置，细化晶粒；开轧温度1000～1150℃之间，轧制粗轧道次压下量30mm～45mm，并通过多打高压水降低表面温度，促进表面硬化以使轧制时轧制力渗透内部，保证内部质量。