CN105821302A - 一种不含Ni的低温韧性优良的风电钢及生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种不含Ni的低温韧性优良的风电钢，其组分及wt%为：C：0.10~0.16%；Si：0.25~0.40%；Mn：1.24~1.45%；P：≤0.015%；S：≤0.008%；Als：0.030~0.045%或0.015~0.028%；N：0.003~0.005%；Ti：0.030~0.040%或0.015~0.025%，或加Nb：0.015~0.035%。生产步骤：经冶炼并连铸成坯后加热；进行两阶段轧制；水冷；自然冷却至室温后待用。本发明采用控轧控冷状态交货，钢板屈服强度≥460MPa，抗拉强度：550~720MPa，延伸率A≥26%，‑60℃KV2≥200J，可广泛应用于风力发电塔工程钢结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种风电钢及其生产方法，具体地属于一种不含Ni的低温韧性优异的风电钢及其生产方法。
背景技术
国家能源局发布的《能源行业加强大气污染防治工作方案》中提出，到2017年，煤炭占一次能源消费总量的比重降低到65%以下，而且明确了北京市、天津市、河北省和山东省净消减煤炭消费分别为1300万吨、1000万吨、4000万吨和2000万吨。由此预测到2020年，风电装机规模将可能达到250GW。风电能带动各地区传统能源消耗比重的逐渐下调，对国家能源结构的调整意义重大。风电有望成为雾霾克星，与光伏、燃气等一起为清洁能源行业的发展壮大做出积极贡献。
但随着国家在“一带一路”战略实施，对于风电钢的性能要求应为更为严格及整体高性能化，尤其对于延伸率、低温性能要求更高。这是因为：（请于充分描述）丝绸之路经济带圈定有新疆、陕西、甘肃、宁夏、青海、内蒙古、黑龙江、西藏等13个省市，其中有许多地方如黑龙江风力较大，具有较好的发电能力，但在冬季风电塔需服役于极低温度环境，风电塔在该地建设需要更优异的低温强韧性。此外，高性能的风电产品，既能体现国家生产制造能力，又开拓海外市场。
现有技术中有关于不加入Ni的460MPa级钢有许多报道，经检索：
中国专利公开号为CN101613828A的文献，公开了屈服强度460MPa级低屈强比建筑用特厚钢板及制造方法，该发明采用控轧控冷+淬火+回火工艺，该发明钢的屈服强度达到440MPa以上，抗拉达到550MPa以上，延伸率在25%以上，-20℃冲击功大于100J。该发明存在钢强度富余量不大，且需进行两次热处理工艺复杂，增加成本，且其-20℃冲击功不具备竞争力，对使用范围有限制的不足。
中国专利公开号为CN1537968A的文献，公开了一种屈服强度460MPa级低合金高强度结构钢板材的制造方法。该发明钢采用控轧控冷工艺，所生产钢板屈服强度高于460MPa，但-20℃和-40℃冲击功值均很低，即不足100J。
中国专利公开号为CN103361552A的文献，公开了一种V-N微合金化460MPa级厚板及其制造方法。该发明虽强度性能较好，但延伸率在21%~25%，-20℃冲击功165~218J。也未提供-40℃甚至更低温度下的冲击功值，难以满足更高要求。
中国专利公开号为CN102400053A的文献，公开了屈服强度460MPa级建筑结构用钢板及其制造方法。该发明钢在加入Nb、Ti细化晶粒同时还加入了Cr、Mo、B中的一种元素，其存在合金元素多，且有贵重元素，无疑增加了成本；且延伸率仅17%~22.5%，-20℃冲击功在126~220J，未提供-40℃甚至更低温度下的冲击功值。
从以上公开的未加入Ni的460MPa级钢专利文献可以看出，有的发明钢采用了较为复杂的热处理工艺，有的加入了贵合金，均增加了成本。虽然以上发明钢的强度性能均达到指标要求，但共同点是低温韧性一般，不能应用在环境温度较低的地区，限制了其大范围应用。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种屈服强度≥460MPa，抗拉强度：550~720MPa，延伸率A≥26%，-60℃KV2≥200J，不含贵重金属元素，并无需进行热处理的不含Ni的低温韧性优良的风电钢及生产方法。
实现上述目的的措施：
一种不含Ni的低温韧性优良的风电钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.10~0.16%；Si：0.25~0.40%；Mn：1.24~1.45%；P：≤0.015%；S：≤0.008%；Als：0.030~0.045%；N：0.003~0.005%；Ti：0.030~0.040%，其余为Fe及不可避免的杂质；并满足公式：Ti+Als：0.070~0.075%，Ti/4/（C+100*N）：0.012~0.026%。
一种不含Ni的低温韧性优良的风电钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.10~0.16%；Si：0.25~0.40%；Mn：1.24~1.45%；P：≤0.015%；S：≤0.008%；Als：0.015~0.028%；N：0.003~0.005%；Nb：0.015~0.035%；Ti：0.015~0.025%，其余为Fe及不可避免的杂质；并满足公式：Nb+Ti+Als：0.065~0.071%，（Nb/7+Ti/4）/（C+100*N）：0.013~0.022%。
生产一种不含Ni的低温韧性优良的风电钢的方法，其步骤：
1）经冶炼并连铸成坯后，将铸坯加热到1220~1260℃，并控制加热速率不低于7.5min/cm；
2）进行两阶段轧制，并控制精轧开轧温度在900~950℃，终轧温度在800~870℃；在精轧阶段，当采用压下量大于20mm时，如采用2道次轧制，则控制末道次压下率在30~35%，当采用3道次轧制时，末道次压下率控制在25~30%，当采用大于3道次轧制时，则不控制末道次压下率；
3）水冷工艺：轧制后进入层流，返红温度控制在500~680℃，冷却速度控制在9~13℃；
4）自然冷却至室温后待用。
本发明中各元素及主要工艺的机理及作用
C是提高钢材强度最有效的元素，随着碳含量的增加，钢的抗拉强度和屈服强度随之提高，但延伸率和冲击韧性下降，当C含量低于0.10%时，强度性能达不到要求，若C含量高于0.16%钢板冲击功和韧性大幅下降。因此，本发明C选择在0.10~0.16%。
Si是炼钢脱氧的必要元素，以固溶强化形式提高钢的强度，当Si含量低于0.25%时，强度性能偏低，当Si含量高于0.40%时，钢的韧性下降。因此，本发明Si选择在0.25~0.40%。
Mn是重要的强韧化元素，随着Mn含量的增加，钢的强度尤其是抗拉强度明显增加。Mn含量低于1.24%时，钢板强度性能较低，当Mn含量高于1.45%时，钢中偏析会较明显，影响冲击韧性。因此，本发明Mn选择在1.24~1.45%。
P、S是钢中难以避免的有害杂质元素。高P会导致偏析，影响钢组织均匀性，降低钢的塑性；S易形成硫化物夹杂对低温韧性不利，且会造成性能的各向异性，同时严重影响钢的应变时效。因此，应严格限制钢中的P、S含量，本发明P控制在≤0.015%，S控制在≤0.008%。
Nb、Ti通过与钢中的C、N等元素形成Nb和Ti的碳氮化物钉扎在晶界上起细化晶粒作用，Als与钢中的N形成细小弥散分布的难熔化合物起抑制晶粒长大的作用，为了合理分配钢中C、N元素，因此本发明中Nb选择0.015~0.035%、Ti选择在0.015~0.040%、Als选择在0.015~0.045%，且对三种元素不同加入方式和加入量的情况下，进行了详细的限定。
在本发明中为何要对限定一下几个元素之和，即：
Ti+Als：0.070~0.075%，Ti/4/（C+100*N）：0.012~0.026%，或限定Nb+Ti+Als：0.065~0.071%，（Nb/7+Ti/4）/（C+100*N）：0.013~0.022%。
Nb、Ti、Al均具有一定的细化晶粒作用，本发明中在薄规格情况下可不加Nb，当Ti+Als：含量低于0.070%时，细化晶粒效果不明显，但含量高于0.075%时细化晶粒效果也不明显，且会加大夹杂物形成的几率。
当Ti/4/（C+100*N）低于0.012%时，Ti形成的碳氮化物较少，钉扎效果不明显，当含量高于0.026%，多余的Ti反而会影响冲击性能，使冲击性能变差。本发明在厚规格中加入一定的Nb强化钢板的细化晶粒效果，各成分含量的控制与不加Nb的原因相同。
在本发明中，之所以采用控轧控冷工艺，是因为该工艺较常规正火工艺而言，节省了能源，节约了成本，缩短了生产周期，有益于排产交货。同时，用浇水的方式，配合少量的细化晶粒元素，增加了钢板强度，使钢板在不加入Ni等贵金属的情况下，具有较好的冲击韧性。
本发明与现有技术相比，本发明采用控轧控冷状态交货，生产钢板屈服强度≥460MPa，抗拉强度：550~720MPa，延伸率A≥26%，-60℃KV2≥200J，可广泛应用于风力发电塔工程钢结构。
具体实施方式
下面对本发明予以详细描述：
表1为本发明各实施例及对比例的取值列表；
表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；
表3为本发明各实施例及对比例性能检测情况列表。
本发明各实施例按照以下生产工艺生产：
1）经冶炼并连铸成坯后，将铸坯加热到1220~1260℃，并控制加热速率不低于7.5min/cm；
2）进行两阶段轧制，并控制精轧开轧温度在900~950℃，终轧温度在800~870℃；在精轧阶段，当采用压下量大于20mm时，如采用2道次轧制，则控制末道次压下率在30~35%，当采用3道次轧制时，末道次压下率控制在25~30%，当采用大于3道次轧制时，则不控制末道次压下率；
3）水冷工艺：轧制后进入层流，返红温度控制在500~680℃，冷却速度控制在9~13℃；
4）自然冷却至室温后待用。
表1本发明实施例与比较例的化学成分列表（wt%）
续表1本发明实施例与比较例的化学成分列表（wt%）
表2本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表
表3本发明各实施例及对比例的力学对比列表
从表3可以看出，本发明钢板进行常温拉伸实验性能，-60℃纵向冲击试验，并与对比钢对比发现，本发明钢屈服强度和抗拉强度均优于对比钢，本发明钢延伸率A高于对比钢且均不低于26%，说明本发明钢具有良好的塑韧性。本发明-60℃冲击功值较高在200J以上，优于对比钢，说明本发明钢具有更为优异的低温韧性。
本发明钢采用控轧控冷工艺，具有高强度、优良低温韧性、高延伸率和低成本等特点。可广泛应用于风力发电塔工程钢结构。
上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。
Claims (3)
1.一种不含Ni的低温韧性优良的风电钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.10~0.16%；Si：0.25~0.40%；Mn：1.24~1.45%；P：≤0.015%；S：≤0.008%；Als：0.030~0.045%；N：0.003~0.005%；Ti：0.030~0.040%，其余为Fe及不可避免的杂质；并满足公式：Nb+Ti+Als：0.070~0.075%，Ti/4/（C+100*N）：0.012~0.026%。
2.一种不含Ni的低温韧性优良的风电钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.10~0.16%；Si：0.25~0.40%；Mn：1.24~1.45%；P：≤0.015%；S：≤0.008%；Als：0.015~0.028%；N：0.003~0.005%；Nb：0.015~0.035%；Ti：0.015~0.025%，其余为Fe及不可避免的杂质；并满足公式：Nb+Ti+Als：0.065~0.071%，（Nb/7+Ti/4）/（C+100*N）：0.013~0.022%。
3.生产权利要求1及2所述的一种不含Ni的低温韧性优良的风电钢的方法，其步骤：
1）经冶炼并连铸成坯后，将铸坯加热到1220~1260℃，并控制加热速率不低于7.5min/cm；
2）进行两阶段轧制，并控制精轧开轧温度在900~950℃，终轧温度在800~870℃；在精轧阶段，当采用压下量大于20mm时，如采用2道次轧制，则控制末道次压下率在30~35%，当采用3道次轧制时，末道次压下率控制在25~30%，当采用大于3道次轧制时，则不控制末道次压下率；
3）水冷工艺：轧制后进入层流，返红温度控制在500~680℃，冷却速度控制在9~13℃；
4）自然冷却至室温后待用。
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