CN107475635A - 一种耐低温高冲击韧性风电用钢及其生产方法 - Google Patents

一种耐低温高冲击韧性风电用钢及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐低温高冲击韧性风电用钢及其生产方法，风电用钢化学成分组成及质量百分含量为：C：0.30～0.38%、Si：0.20～0.35%、Mn：0.55～0.80%、Cr：0.85～1.15%、Mo：0.15～0.25%、Ni：0.10～0.20%、Al：0.020～0.040%、P≤0.018%、S≤0.008%、N：0.0040～0.0080%，余量为Fe和不可避免的杂质；生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制、调质处理工序。本发明通过Al和Ni的复合作用，显著提高了普通CrMo钢在高寒地区耐低温冲击韧性，达到了风电用钢的低温性能要求。本发明风电用钢‑40℃冲击功Akv2≥75J。

Description

一种耐低温高冲击韧性风电用钢及其生产方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种耐低温高冲击韧性风电用钢及其生产方法。
背景技术
近年来能源短缺和环境污染问题成为世界关注的焦点，风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到各国的重视。随着国家对风电产业的重视及扶持，许多传统电力设备制造企业纷纷加入到风电机组制造行列。高强度螺栓是风电机组安装和整体连接中至关重要的连接件，其质量是否能达到设计需要直接影响风电机组整体结构的承载能力、使用寿命与安全性能。高强度螺栓脆性断裂是一种危险性非常大的破坏形式，因此提供高质量的高强度螺栓成为保证整机性能和质量的必然要求，尤其在低温环境下服役的螺栓必须具有高冲击韧性和低的韧脆转变温度，才能保证工件的安全工作。
目前传统的风电螺栓一般采用35CrMo、42CrMo等牌号的钢种，力学性能达不到低温高冲击韧性要求（要求-40℃冲击功Akv2≥75J）。现有的传统螺栓仅能满足非高寒地区风电螺栓要求，不能达到在高寒地区工作的风电螺栓对强度与韧性的双向需要，迫切需要一种耐低温高冲击韧性兼顾强度的风电螺栓用钢。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种耐低温高冲击韧性风电用钢；本发明还提供一种耐低温高冲击韧性风电用钢的生产方法。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：一种耐低温高冲击韧性风电用钢，所述风电用钢化学成分组成及质量百分含量为：C：0.30～0.38%、Si：0.20～0.35%、Mn：0.55～0.80%、Cr：0.85～1.15%、Mo：0.15～0.25%、Ni：0.10～0.20%、Al：0.020～0.040%、P≤0.018%、S≤0.008%、N：0.0040～0.0080%，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明各化学成分在钢中的作用机理为：
C：提高钢材硬度和强度的主要元素，C含量过低，材料在热处理后强度过低，无法满足风电用钢所需强度要求；C含量过高容易降低材料塑、韧性。
Si：显著强化铁素体，是保证强度的必须元素，过低强度不够；过高引起铁素体基体变脆，韧性下降。
Mn：为珠光体形成元素，可降低相变温度，对强度和韧性均有良好作用；但Mn含量过高则容易生成贝氏体，降低材料组织及硬度均匀性。
Cr：降低珠光体转变温度的合金元素，本发明中Cr、Mn同时加入，可有效降低珠光体片层间距，提高钢材强度和韧性；但Cr含量过高则容易生成贝氏体，降低钢材组织及硬度均匀性。
N：最经济有效的合金化元素，可以通过与Al结合形成AlN加强沉淀强化及细化晶粒效果；但是N含量过高容易生成较多的AlN增大连铸坯裂纹敏感性，同时增加钢中TiN夹杂的含量及尺寸，损害钢材韧性。
Al：与N结合细化晶粒，利于提高强韧性；但Al含量过高容易引起连铸时流动性变差，连铸坯容易产生裂纹，增大钢的冶炼难度。
S：元素控制过高会降低钢的洁净度，恶化钢的性能。
P：增加钢的脆性，降低冲击性能，将P元素含量控制在不超过0.018%，可以防止降低钢的综合性能。
Ni：既能提高钢的强度、又能提高其塑性与韧度。Ni在钢中不形成碳化物，只能固溶于奥氏体与铁素体，起着细化晶粒、强化铁素体、改善韧性，特别是改善低温冲击韧性能力的作用，同时又能增大钢的淬透性，对机械性能要求较高且均匀的大截面风电高强度螺栓特别有用。
本发明所述风电用钢力学性能：-40℃冲击功Akv2≥75J。
本发明所述风电用钢生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制、调质处理工序；所述冶炼工序转炉出钢过程添加镍板，VD真空脱气处理后喂入铝丝；所述调质处理工序采用整体调质热处理工艺。
本发明所述冶炼工序，转炉出钢过程钢包内加镍板1.0-2.5kg/t钢，VD真空脱气处理后喂入铝丝0.1-0.5kg/t钢。
本发明所述连铸工序，连铸中包样的化学成分组成及质量百分含量为：C：0.30～0.38%、Si：0.20～0.35%、Mn：0.55～0.80%、Cr：0.85～1.15%、Mo：0.15～0.25%、Ni：0.10～0.20%、Al：0.020～0.040%、P≤0.018%、S≤0.008%、N：0.0040～0.0080%，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明所述加热工序，钢坯加热至1050～1180℃，保温0.5～0.75h；为防止奥氏体晶粒过分长大在对钢坯的加热过程要严格控制加热温度及保温时间。
本发明所述轧制工序，开轧温度970～1030℃，终轧温度980～1050℃。
本发明所述调质处理工序，采用整体调质热处理工艺，淬火温度835～865℃，回火温度620～640℃。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1、本发明通过添加Al形成AlN粒子，细化晶粒，提高强度的同时不损害钢的韧性。2、本发明通过添加Ni来降低钢的韧脆转变温度，Ni在钢中不形成碳化物，只能固溶于奥氏体与铁素体，起着细化晶粒、强化铁素体、改善韧性，既能提高钢的强度、又能提高其塑性与韧度，特别是改善低温冲击性能的同时又能增大钢的淬透性。3、通过Al和Ni的复合作用，显著提高了普通CrMo钢在高寒地区耐低温冲击韧性，达到了风电用钢的低温性能要求。4、本发明采用“转炉+LF+VD+连铸+连轧+调质处理”的工艺生产，生产流程简便，产品-40℃冲击功Akv2≥75J，性能稳定。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本实施例耐低温高冲击韧性风电用钢化学成分组成及质量百分含量见表1。
本实施例耐低温高冲击韧性风电用钢生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制、调质处理工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：转炉出钢过程钢包内加镍板1.0㎏/t钢，VD真空脱气处理后喂入铝丝0.3㎏/t钢；
（2）连铸工序：连铸中包样的化学成分组成及质量百分含量见表1；
（3）加热工序：钢坯加热至1107℃，保温0.6h；
（4）轧制工序：开轧温度988℃，终轧温度1008℃；
（5）调质处理工序：采用整体调质热处理工艺，淬火温度851℃，回火温度633℃。
本实施例耐低温高冲击韧性风电用钢性能见表3。
实施例2
本实施例耐低温高冲击韧性风电用钢化学成分组成及质量百分含量见表1。
本实施例耐低温高冲击韧性风电用钢生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制、调质处理工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：转炉出钢过程钢包内加镍板2.5㎏/t钢，VD真空脱气处理后喂入铝丝0.36㎏/t钢；
（2）连铸工序：连铸中包样的化学成分组成及质量百分含量见表1；
（3）加热工序：钢坯加热至1150℃，保温0.65h；
（4）轧制工序：开轧温度1000℃，终轧温度1011℃；
（5）调质处理工序：采用整体调质热处理工艺，淬火温度855℃，回火温度640℃。
本实施例耐低温高冲击韧性风电用钢性能见表3。
实施例3
本实施例耐低温高冲击韧性风电用钢化学成分组成及质量百分含量见表1。
本实施例耐低温高冲击韧性风电用钢生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制、调质处理工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：转炉出钢过程钢包内加镍板1.8㎏/t钢，VD真空脱气处理后喂入铝丝0.2㎏/t钢；
（2）连铸工序：连铸中包样的化学成分组成及质量百分含量见表1；
（3）加热工序：钢坯加热至1180℃，保温0.5h；
（4）轧制工序：开轧温度1030℃，终轧温度1050℃；
（5）调质处理工序：采用整体调质热处理工艺，淬火温度845℃，回火温度620℃。
本实施例耐低温高冲击韧性风电用钢性能见表3。
实施例4
本实施例耐低温高冲击韧性风电用钢化学成分组成及质量百分含量见表1。
本实施例耐低温高冲击韧性风电用钢生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制、调质处理工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：转炉出钢过程钢包内加镍板1.8㎏/t钢，VD真空脱气处理后喂入铝丝0.36㎏/t钢；
（2）连铸工序：连铸中包样的化学成分组成及质量百分含量见表1；
（3）加热工序：钢坯加热至1083℃，保温0.6h；
（4）轧制工序：开轧温度994℃，终轧温度1027℃；
（5）调质处理工序：采用整体调质热处理工艺，淬火温度856℃，回火温度630℃。
本实施例耐低温高冲击韧性风电用钢性能见表3。
实施例5
本实施例耐低温高冲击韧性风电用钢化学成分组成及质量百分含量见表1。
本实施例耐低温高冲击韧性风电用钢生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制、调质处理工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：转炉出钢过程钢包内加镍板2.0㎏/t钢，VD真空脱气处理后喂入铝丝0.5㎏/t钢；
（2）连铸工序：连铸中包样的化学成分组成及质量百分含量见表1；
（3）加热工序：钢坯加热至1051℃，保温0.75h；
（4）轧制工序：开轧温度970℃，终轧温度980℃；
（5）调质处理工序：采用整体调质热处理工艺，淬火温度865℃，回火温度635℃。
本实施例耐低温高冲击韧性风电用钢性能见表3。
实施例6
本实施例耐低温高冲击韧性风电用钢化学成分组成及质量百分含量见表1。
本实施例耐低温高冲击韧性风电用钢生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制、调质处理工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：转炉出钢过程钢包内加镍板1.6㎏/t钢，VD真空脱气处理后喂入铝丝0.1㎏/t钢；
（2）连铸工序：连铸中包样的化学成分组成及质量百分含量见表1；
（3）加热工序：钢坯加热至1104℃，保温0.6h；
（4）轧制工序：开轧温度996℃，终轧温度1006℃；
（5）调质处理工序：采用整体调质热处理工艺，淬火温度835℃，回火温度632℃。
本实施例耐低温高冲击韧性风电用钢性能见表3。
实施例7
本实施例耐低温高冲击韧性风电用钢化学成分组成及质量百分含量见表1。
本实施例耐低温高冲击韧性风电用钢生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制、调质处理工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：转炉出钢过程钢包内加镍板1.3㎏/t钢，VD真空脱气处理后喂入铝丝0.16㎏/t钢；
（2）连铸工序：连铸中包样的化学成分组成及质量百分含量见表1；
（3）加热工序：钢坯加热至1050℃，保温0.5h；
（4）轧制工序：开轧温度975℃，终轧温度988℃；
（5）调质处理工序：采用整体调质热处理工艺，淬火温度840℃，回火温度625℃。
本实施例耐低温高冲击韧性风电用钢性能见表3。
实施例8
本实施例耐低温高冲击韧性风电用钢化学成分组成及质量百分含量见表1。
本实施例耐低温高冲击韧性风电用钢生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制、调质处理工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：转炉出钢过程钢包内加镍板2.0㎏/t钢，VD真空脱气处理后喂入铝丝0.44㎏/t钢；
（2）连铸工序：连铸中包样的化学成分组成及质量百分含量见表1；
（3）加热工序：钢坯加热至1115℃，保温0.7h；
（4）轧制工序：开轧温度1005℃，终轧温度1015℃；
（5）调质处理工序：采用整体调质热处理工艺，淬火温度860℃，回火温度631℃。
本实施例耐低温高冲击韧性风电用钢性能见表3。
对比例1
本对比例耐低温高冲击韧性风电用钢化学成分组成及质量百分含量见表2。
本对比例耐低温高冲击韧性风电用钢生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制、调质处理工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：转炉出钢过程钢包内加镍板0㎏/t钢，VD真空脱气处理后喂入铝丝0㎏/t钢；
（2）连铸工序：连铸中包样的化学成分组成及质量百分含量见表2；
（3）加热工序：钢坯加热至1168℃，保温0.7h；
（4）轧制工序：开轧温度1028℃，终轧温度1044℃；
（5）调质处理工序：采用整体调质热处理工艺，淬火温度843℃，回火温度558℃。
本对比例耐低温高冲击韧性风电用钢性能见表3。
对比例2
本对比例耐低温高冲击韧性风电用钢化学成分组成及质量百分含量见表2。
本对比例耐低温高冲击韧性风电用钢生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制、调质处理工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：转炉出钢过程钢包内加镍板0㎏/t钢，VD真空脱气处理后喂入铝丝0㎏/t钢；
（2）连铸工序：连铸中包样的化学成分组成及质量百分含量见表2；
（3）加热工序：钢坯加热至1102℃，保温0.65h；
（4）轧制工序：开轧温度1005℃，终轧温度1007℃；
（5）调质处理工序：采用整体调质热处理工艺，淬火温度851℃，回火温度563℃。
本对比例耐低温高冲击韧性风电用钢性能见表3。
对比例3
本对比例耐低温高冲击韧性风电用钢化学成分组成及质量百分含量见表2。
本对比例耐低温高冲击韧性风电用钢生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制、调质处理工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：转炉出钢过程钢包内加镍板0㎏/t钢，VD真空脱气处理后喂入铝丝0㎏/t钢；
（2）连铸工序：连铸中包样的化学成分组成及质量百分含量见表2；
（3）加热工序：钢坯加热至1089℃，保温0.5h；
（4）轧制工序：开轧温度994℃，终轧温度989℃；
（5）调质处理工序：采用整体调质热处理工艺，淬火温度847℃，回火温度545℃。
本对比例耐低温高冲击韧性风电用钢性能见表3。
对比例4
本对比例耐低温高冲击韧性风电用钢化学成分组成及质量百分含量见表2。
本对比例耐低温高冲击韧性风电用钢生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制、调质处理工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：转炉出钢过程钢包内加镍板0㎏/t钢，VD真空脱气处理后喂入铝丝 0㎏/t钢；
（2）连铸工序：连铸中包样的化学成分组成及质量百分含量见表2；
（3）加热工序：钢坯加热至1071℃，保温0.55h；
（4）轧制工序：开轧温度972℃，终轧温度985℃；
（5）调质处理工序：采用整体调质热处理工艺，淬火温度865℃，回火温度541℃。
本对比例耐低温高冲击韧性风电用钢性能见表3。
表1 实施例1-8风电用钢的化学成分组成及质量百分含量（%）
表1中，余量为Fe和不可避免的杂质。
表2 对比例1-4风电用钢的化学成分组成及质量百分含量（%）
表2中，余量为Fe和不可避免的杂质。
表3 实施例和对比例的性能检测结果
由表3中产品性能检测结果可知实施例1-8中耐低温高冲击韧性风电用钢产品-40℃冲击功Akv2明显优于对比例1-4，满足在高寒地区耐低温冲击韧性，达到了风电螺栓用钢的低温性能要求，且产品性能稳定。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种耐低温高冲击韧性风电用钢，其特征在于，所述风电用钢化学成分组成及质量百分含量为：C：0.30～0.38%、Si：0.20～0.35%、Mn：0.55～0.80%、Cr：0.85～1.15%、Mo：0.15～0.25%、Ni：0.10～0.20%、Al：0.020～0.040%、P≤0.018%、S≤0.008%、N：0.0040～0.0080%，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种耐低温高冲击韧性风电用钢，其特征在于，所述风电用钢力学性能：-40℃冲击功Akv2≥75J。
3.基于权利要求1或2所述的一种耐低温高冲击韧性风电用钢的生产方法，其特征在于，所述风电用钢生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制、调质处理工序；所述冶炼工序转炉出钢过程添加镍板，VD真空脱气处理后喂入铝丝；所述调质处理工序采用整体调质热处理工艺。
4.根据权利要求3所述的一种耐低温高冲击韧性风电用钢的生产方法，其特征在于，所述冶炼工序，转炉出钢过程钢包内加镍板1.0-2.5kg/t钢，VD真空脱气处理后喂入铝丝0.1-0.5kg/t钢。
5.根据权利要求3所述的一种耐低温高冲击韧性风电用钢的生产方法，其特征在于，所述连铸工序，连铸中包样的化学成分组成及质量百分含量为：C：0.30～0.38%、Si：0.20～0.35%、Mn：0.55～0.80%、Cr：0.85～1.15%、Mo：0.15～0.25%、Ni：0.10～0.20%、Al：0.020～0.040%、P≤0.018%、S≤0.008%、N：0.0040～0.0080%，余量为Fe和不可避免的杂质。
6.根据权利要求3-5任意一项所述的一种耐低温高冲击韧性风电用钢的生产方法，其特征在于，所述加热工序，钢坯加热至1050～1180℃，保温0.5～0.75h。
7.根据权利要求3-5任意一项所述的一种耐低温高冲击韧性风电用钢的生产方法，其特征在于，所述轧制工序，开轧温度970～1030℃，终轧温度980～1050℃。
8.根据权利要求3-5任意一项所述的一种耐低温高冲击韧性风电用钢的生产方法，其特征在于，所述调质处理工序，采用整体调质热处理工艺，淬火温度835～865℃；回火温度620～640℃。
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