CN111748732B

CN111748732B - 1000MPa级别高韧性高磁性热轧磁轭钢及其生产方法

Info

Publication number: CN111748732B
Application number: CN201910244918.3A
Authority: CN
Inventors: 胡晓萍; 陆敏; 宋凤明; 暴文帅; 吴祖国; 华骏山; 张晨
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2022-06-24
Anticipated expiration: 2039-03-28
Also published as: CN111748732A

Abstract

1000MPa级别高韧性高磁性热轧磁轭钢及其生产方法，其成分重量百分比含量为：C 0.20～0.50％，Si 0.2～1.0％，Mn 0.5～1.5％，P≤0.015％，S≤0.005％，Ti≤0.06％，Nb≤0.05％，Mo 0.20～1.0％，Cr 0.20～1.20％，Ni：0.20～0.60％，V 0.03～0.15％，B 0.0005～0.003％，Al 0.015～0.10％，N≤0.010％，O≤0.0080％，余Fe及其它不可避免杂质；同时，Cr+Mo+Ni≥0.80％，Nb+V+Ti≥0.06％，碳当量CEV≥0.50％。该热轧磁轭钢屈服强度≥1000MPa，抗拉强度≥1050MPa，‑20℃冲击功KV₂≥40J，磁感性能B₅₀≥1.58T，B₁₀₀≥1.73T，B₂₀₀≥1.90T，B₃₀₀≥1.93T，满足水电行业对转子磁轭钢的相关要求。

Description

1000MPa级别高韧性高磁性热轧磁轭钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及发电机转子磁轭用钢及其生产方法，特别涉及一种 1000MPa级别高韧性高磁性热轧磁轭钢及其生产方法。

背景技术

转子磁轭是水轮发电机的关键部件，大型水轮发电机的磁轭常常采用钢板冲片叠装而成。合理的选择磁轭材料和制造工艺对于确保水轮发电机的安装质量和运行性能，以及有效控制水轮发电机制造成本等均具有十分重要的意义。水电机组对磁轭钢板的性能要求主要有高的拉伸性能：磁轭钢板要承受巨大的离心力和电磁力，在最大飞逸转速时，磁轭的线速度可以高达130～170m/s；严格的尺寸精度：磁轭钢板应表面光滑、平整、厚度均匀，以保证获得高转子磁轭叠压系数和小的波浪度。高的磁通密度：磁轭是发电机磁路的一部分，电机设计一般要求磁路材料最大工作磁感应强度Bm不小于1.58T。

规划建设乌东德、白鹤滩、雅江等水电站工程，这些大型水电项目均需单机容量百万千瓦级别的大型水轮发电机组，这对于水轮发电机转子磁轭部分用钢的综合性能提出了更加严格的要求。乌东德、白鹤滩水电站工程目前已选用屈服强度750MPa级别的超高强度高韧性磁轭钢，代表了商业化热轧磁轭钢的最高水平；并且已有水电工程提出屈服强度高达 1000MPa级别的热轧磁轭钢需求。

目前如中国专利申请号200710051251.2公开了一种C-Mn-Ti-Nb系热轧高强度磁轭钢，其组分及含量为：C：0.03～0.15％，Si≤0.15％，Mn： 1.00～1.80％，P≤0.025％，S≤0.015％，Ti：0.08～0.18％，Nb：0.02～0.07％， Als：0.02～0.10％，N：≤0.010％。生产工艺为：先将所浇注的板坯加热至 1230～1280℃；然后粗轧，粗轧结束温度为≥1100℃；然后精轧，终轧温度为850～930℃；钢板轧后采用层流冷却后卷取，卷取温度为550～620℃，制得热轧板卷。其屈服强度偏低，仅为700MPa级别，磁感性能B₅₀≥1.5T。

另有中国专利申请号201310412335.X公开了一种“屈服强度≥750MPa 级高强度磁轭钢及其生产方法”，其组分及含量为：C：0.03～0.15％， Si≤0.15％，Mn：1.10～1.90％，P≤0.020％，S≤0.010％，Ti：0.08～0.18％， Nb：0.075～0.120％，Als：0.02～0.10％，N≤0.010％。该发明钢通过提高Nb 含量来进一步提高钢板的强度，采用控轧控冷热连轧工艺，加热温度为 1280～1350℃，粗轧结束温度为≥1100℃，精轧终轧温度为850～930℃，卷取温度为640～700℃。其屈服强度≥750MPa，抗拉强度≥800MPa，延伸率≥11％，磁感性能B₅₀≥1.5T。

中国专利申请号201310412357.6公开了一种“屈服强度≥800MPa级高强度磁轭钢及其生产方法”，该发明钢在中国专利申请号201310412335.X 的钢化学成分的基础上，通过进一步添加Mo(0.10～0.50％)元素将钢的强度提高至800MPa级别。生产工艺为：板坯加热至1280～1350℃；然后粗轧，粗轧结束温度为≥1100℃；精轧终轧温度为850～930℃；钢板轧后层流冷却后卷取，卷取温度为640～700℃，制得热轧板卷。其屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥850MPa，延伸率≥11％，磁感性能B₅₀≥1.5T。

为了进一步加强电机的安全性设计，在特大型水电项目中，已经有行业领先的大型水轮发电厂提出增加磁轭钢高韧性的要求。因此，为了满足屈服强度≥750MPa级别磁轭钢低温冲击性能的要求，中国专利申请号 201510921787.X公开了一种“屈服强度≥750MPa级高强度高韧性磁轭钢及其生产方法”，其组分及含量为：C：0.015～0.030％，Si≤0.15％，Mn： 1.80～2.10％，P≤0.015％，S≤0.005％，Ti：0.035～0.075％，Nb：0.02～0.07％，Als：0.02～0.10％，N：≤0.005％。通过降低C含量以及提高Mn含量的方式提高钢板低温冲击韧性。其生产工艺为：将浇注的板坯加热至 1280～1350℃；然后粗轧，粗轧结束温度为≥1100℃；然后精轧，终轧温度为800～850℃；钢板轧后层流冷却，然后卷取，卷取温度为550～600℃。其屈服强度≥750MPa，磁感性能B₅₀≥1.5T，-40℃冲击功KV₂≥60J。

此外，中国专利申请号201711087052.7公开了“一种超高强度磁轭钢及其制造方法”，其组分及含量为：C：0.10～0.15，Si：≤0.15，Mn：1.85～2.0， P≤0.015，S≤0.010，Ti：0.20～0.30，Nb：0.05～0.07，Mo：0.35～0.55，B：0.001～0.003，Als：0.02～0.10，N：≤0.010，其余为Fe及不可避免的夹杂。该发明钢通过添加适量贝氏体形成元素，配合超快冷工艺，得到贝氏体组织，获得屈服强度900MPa级别超高强度磁轭钢。

中国专利申请号201610867421.3公开了“一种CSP流程生产1000MPa 级热轧马氏体及其生产方法”，虽然该发明钢抗拉强度可达1000MPa以上，但其屈服强度仅为800MPa，而且该发明钢的磁性能不能满足水电用磁轭钢要求。

已有的高强、超高强磁轭钢产品的微观组织均为铁素体、贝氏体或者两者的组合。屈服强度级别≤800MPa的高强、超高强磁轭钢，均采用了低碳铁素体或贝氏体组织辅以Nb、Ti析出强化来获得高强度以及高磁性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种1000MPa级别高韧性高磁性热轧磁轭钢及其生产方法，该热轧磁轭钢具有超高强度(屈服强度≥1000MPa，抗拉强度≥1050MPa)，-20℃冲击功KV₂≥40J，且磁感性能B₅₀≥1.58T，B₁₀₀≥1.73T， B₂₀₀≥1.90T，B₃₀₀≥1.93T等良好的综合使用性能；实现降低回火索氏体晶格畸变、降低组织应力等目的，从而使得钢板的磁性能大幅提高，满足水电行业对转子磁轭钢的相关要求；

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

本发明通过巧妙合理的成分设计，配合严格的轧制工艺和热处理工艺，形成以回火索氏体为主的组织，同时通过回火索氏体强化+V的析出强化作用，实现钢板的屈服强度达到1000MPa级别以上，并具有较高的低温韧性；另一方面，通过合理的轧制工艺以及热处理工艺设计，实现降低回火索氏体晶格畸变、降低组织应力等目的，实现了钢板残余内应力大幅降低，从而使得钢板的磁性能大幅提高，满足水电行业对转子磁轭钢的相关要求；

具体的，本发明所述屈服强度≥1000MPa级高韧性高磁性热轧磁轭钢，其成分重量百分比含量为：C：0.20～0.50％，Si：0.2～1.0％，Mn：0.5～1.5％， P≤0.015％，S≤0.005％，Ti≤0.06％，Nb≤0.05％，Mo：0.20～1.0％，Cr： 0.20～1.20％，Ni：0.20～0.60％，V：0.03～0.15％，B：0.0005～0.003％，Al：0.015～0.10％，N≤0.010％，O≤0.0080％，其余为Fe以及其它不可避免的杂质；其中，为保证钢的拉伸强度以及低温韧性，同时上述成分应满足： Cr+Mo+Ni≥0.80％，Nb+V+Ti≥0.06％，碳当量CEV≥0.50％， CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15。

在本发明钢合金成分的设计中：

碳(C)是钢中组织强化的重要元素之一，对提高马氏体型钢的强度起着非常重要的作用。在本发明中，为了获得屈服强度达1000MPa级别，必须保证C的含量在0.20％以上；同时C的含量也不能太高，否则形成的马氏体组织晶格畸变过大，将恶化钢的低温韧性和磁性能。

硅(Si)也是钢中的基本元素之一。Si在炼钢过程起到部分脱氧的作用。Si还能减轻钢中其它杂质的危害，降低对磁性的有害影响，显著提高发明钢的磁感应性能。

锰(Mn)是钢中基本的元素之一，也是扩大奥氏体相区的重要元素，可以降低钢的临界淬火速度，稳定奥氏体，细化晶粒，提高钢的强度和韧性。

磷(P)是钢中有害的杂质元素。P极易偏聚到晶界上，钢中P的含量较高时，形成Fe₂P在晶粒周围析出，降低钢的韧性和磁感性能，故其含量越低越好；硫(S)是钢中有害的杂质元素。钢中S的含量越低越好。

钼(Mo)是本发明中的关键元素之一。Mo是提高钢淬透性的元素，有利于获得马氏体组织；同时Mo具有很好的抗高温回火能力，使得回火索氏体组织的强度提高，因此本发明Mo0.20～1.0％。

铝(Al)在本发明中的基本作用主要是在炼钢过程中脱氧。氮(N) 和氧(O)在本发明中属于杂质元素。

铬(Cr)和硼(B)是本发明中提高淬透性的元素，可有利于获得马氏体组织。

铌(Nb)、钒(V)和钛(Ti)是本发明中的重要元素，钢中添加适量的Nb、V和Ti的主要作用是一方面可以降低淬火热处理时奥氏体晶粒大小，另一方面提高回火抗力，提高回火索氏体的拉伸性能。因此本发明 Ti≤0.06％，Nb≤0.05％，V：0.03～0.15％，且Nb+V+Ti≥0.060％。

镍(Ni)是提升钢的低温韧性的有效元素，有利于提高钢板的低温韧性，因此，本发明Ni 0.20～0.60％。

本发明所述的900MPa级别回火索氏体型热轧磁轭钢的生产方法，其包括如下步骤：

1)冶炼、炉外精炼

按上述成分采用转炉或电炉冶炼、炉外精炼，铸造成连铸坯或铸锭；

2)连铸坯或铸锭再加热

加热温度：1150～1230℃，保温时间≥1小时；

3)热连轧

粗轧，终轧温度≥1050℃，且累计变形量≥50％；

多道次精轧，精轧终轧温度≤950℃，且累计变形量≥70％，层流冷却至550～650℃，卷取后冷却至室温，精整切板；

4)热处理

钢板淬火热处理，淬火保温温度为850～950℃，保温时间t≥3倍板厚h，其中，t，单位min，h，单位mm；水冷速度≥20℃/s，水冷终止温度≤200℃；

钢板回火热处理，回火保温温度为500～700℃，保温时间t≥4倍板厚h，其中，t，单位min，h，单位mm(mm)。

本发明合理解决了拉伸强度提高与磁性能提高之间的矛盾，通过设计合理的接近平衡态的索氏体型组织，一方面通过组织强化来获得超高的强度，另一方面通过合适的热处理工艺手段实现钢中的晶格畸变以及残余应力大大降低而获得较好的磁性能。通过成分、热处理工艺、组织的合理匹配，实现了钢板在保证超高力学性能的同时，具有良好的磁性能。

本发明的关键技术之一是合理的成分设计，使得钢板形成了具有强度高、晶格畸变低、残余应力小等特点的索氏体组织。钢中添加合适的碳含量以及合金元素，使得碳当量CEV≥0.50％，从而保证了钢板的淬透性，保证钢板具有超高的拉伸性能；钢中添加适量的Cr、Mo、Ni元素， Cr+Mo+Ni≥0.80％，使得钢板保证在热处理过程中形成细小的MoC粒子进一步提升钢板的拉伸性能，同时，能够改善钢板的低温韧性；钢中添加适量的Nb、V、Ti元素，且Nb+V+Ti≥0.060％，一方面可以降低组织的晶粒大小，另一方面可以通过析出相粒子进一步提升钢板的拉伸性能。通过合理成分设计，使得索氏体组织中形成了MoC和VC等碳化物，使得钢板经过热处理降低残余应力的过程中仍然保持超高的拉伸性能。

本发明的关键技术之二是设计合理的热处理工艺，一方面使得钢中的碳元素能够基本全部形成碳化物，不再以固溶状态存在；同时，通过热处理过程，使得淬火应力降低80％以上，获得低残余应力或零残余应力的钢板，从而表现出较高的磁性能；通过合理的热处理工艺，可使钢板的磁性能大幅提高，满足转子磁轭钢的要求，同时具有优良的板形质量。

正是基于这种创新性的成分和工艺设计思路，本发明可获得超高强度高韧性高磁感性能的热轧磁轭钢，其屈服强度≥1000MPa，抗拉强度≥1050MPa，延伸率≥10％，-20℃纵向冲击功KV₂≥40J，磁感性能B₅₀≥1.58T， B₁₀₀≥1.73T，B₂₀₀≥1.90T，B₃₀₀≥1.93T，能够满足高单机容量的特大型水轮发电机转子磁轭用高强度高磁感性能的需求。

附图说明

图1为本发明实施例钢的金相照片。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

表1所示为本发明实施例钢的成分，表2所示为本发明实施例钢的生产工艺参数，表3为本发明实施例钢板的力学性能，表4所示为本发明实施例钢板的磁感性能。

从表3、表4可以看出，本发明实施例1～6都能满足屈服强度≥1000MPa，抗拉强度≥1050MPa，延伸率≥14％，-20℃纵向冲击功KV₂≥40J，磁感性能B₅₀≥1.58T，B₁₀₀≥1.73T，B₂₀₀≥1.90T，B₃₀₀≥1.93T。

图1给出了实施例试验钢的典型金相照片。从金相照片上可以看出，钢板的显微组织为回火索氏体，保证了试验钢良好的拉伸性能、韧塑性以及磁性能。

Claims

1.1000MPa级别高韧性高磁性热轧磁轭钢，其成分重量百分比含量为：C：0.27～0.50％，Si：0.2～1.0％，Mn：0.5～1.5％，P≤0.015％，S≤0.005％，Ti≤0.06％，Nb≤0.05％，Mo：0.20～1.0％，Cr：0.20～1.20％，Ni：0.20～0.60％，V：0.03～0.15％，B：0.0005～0.003％，Al：0.015～0.10％，N≤0.010％，O≤0.0080％，其余为Fe以及其它不可避免的杂质；而且，上述成分同时应满足：

Cr+Mo+Ni≥0.80％；

Nb+V+Ti≥0.06％；

碳当量CEV≥0.50％，CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15；

所述热轧磁轭钢的微观组织为回火索氏体；

所述热轧磁轭钢的屈服强度≥1000MPa，抗拉强度≥1050MPa，- 20℃冲击功KV₂≥40J，且磁感性能B₅₀≥1.58T，B₁₀₀≥1.73T，B₂₀₀≥1.90T，B₃₀₀≥1.93T；

所述热轧磁轭钢通过如下方法获得，其包括：

1)冶炼、炉外精炼

按所述成分采用转炉或电炉冶炼、炉外精炼，铸造成连铸坯或铸锭；

2)连铸坯或铸锭再加热

加热温度：1150～1230℃，保温时间≥1小时；

3)热连轧

粗轧，终轧温度≥1050℃，且累计变形量≥50％；

4)热处理

钢板回火热处理，回火保温温度为500～700℃，保温时间t≥4倍板厚h，其中，t，单位min，h，单位mm。

2.1000MPa级别高韧性高磁性热轧磁轭钢的生产方法，其特征是，包括如下步骤：

1)冶炼、炉外精炼

按下述成分采用转炉或电炉冶炼、炉外精炼，铸造成连铸坯或铸锭；其成分重量百分比含量为：C：0.27～0.50％，Si：0.2～1.0％，Mn：0.5～1.5％，P≤0.015％，S≤0.005％，Ti≤0.06％，Nb≤0.05％，Mo：0.20～1.0％，Cr：0.20～1.20％，Ni：0.20～0.60％，V：0.03～0.15％，B：0.0005～0.003％，Al：0.015～0.10％，N≤0.010％，O≤0.0080％，其余为Fe以及其它不可避免的杂质；而且，上述成分同时应满足：

Cr+Mo+Ni≥0.80％；

Nb+V+Ti≥0.06％；

碳当量CEV≥0.50％，CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15；

2)连铸坯或铸锭再加热

加热温度：1150～1230℃，保温时间≥1小时；

3)热连轧

粗轧，终轧温度≥1050℃，且累计变形量≥50％；

4)热处理

钢板回火热处理，回火保温温度为500～700℃，保温时间t≥4倍板厚h，其中，t，单位min，h，单位mm；

所述热轧磁轭钢的微观组织为回火索氏体。

3.如权利要求2所述的1000MPa级别高韧性高磁性热轧磁轭钢的生产方法，其特征在于，所述热轧磁轭钢的屈服强度≥1000MPa，抗拉强度≥1050MPa，-20℃冲击功KV₂≥40J，且磁感性能B₅₀≥1.58T，B₁₀₀≥1.73T，B₂₀₀≥1.90T，B₃₀₀≥1.93T。