CN112359264B - 一种高强度高韧性风电螺栓用钢的生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度高韧性风电螺栓用钢的生产方法，控制钢中C 0.39～0.42％、Mo 0.21～0.25％、P≤0.015％、S≤0.010％，具体方法包括电炉冶炼、LF精炼、VD真空处理、连铸、轧制和热处理工序。以较高的Mo元素来提高材料强度并通过适当升高回火温度、降低P、S元素含量来提高材料韧性。冶炼过程加强去H控制，连铸过程通过对过热度、拉速及末端电磁搅拌参数的合理优化来减少铸坯低倍缺陷。轧制过程通过高温扩散工艺来均匀组织，并通过控轧控冷工艺来减轻材料带状组织，最后使得材料的综合性能得到了极大提高。
Description
技术领域
本发明属于冶金领域，涉及一种高强度高韧性风电螺栓用钢的生产方法。
背景技术
风力发电是指把风的动能转为电能。风能是一种清洁无公害的可再生能源，很早就被人们利用，主要是通过风车来抽水、磨面等，人们感兴趣的是如何利用风来发电，风取之不尽，用之不竭。对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，因地制宜地利用风力发电，非常适合，大有可为，近年来，我国风电行业尤其是大容量的兆瓦级别大型风力发电机组得到快速发展，风电设备的高强度紧固件由于长期野外服役，环境恶劣，维修条件差，所以要求风机稳定性强。正常连续工作情况下，风电设备紧固件要求必须保证10年以上的使用寿命。
风电用钢高强度紧固件的制造工艺，从技术的角度涉及多学科，从生产的角度涉及各道工序，从管理的角度涉及多部门、多环节，从措施的角度涉及生产成本。风电用高强度螺栓通常选择10.9级以上强度。
风电用高强度螺栓在服役过程中除要求有足够的强度和塑性外，还要求有足够的韧性，韧性的评价往往采用冲击吸收功AK值来表征。在保证风电螺栓高强度的同时具有较高的低温韧性，同时高强度风电螺栓用钢具有氢脆敏感的特征，因此对成分设计、钢水中气体含量尤其是氢含量的控制、材料及组织的均匀性、热处理工艺均提出了较为严格的要求，如何克服上述困难，成为行业的一大难点。
发明内容
本发明的目的是提供高强度高韧性风电螺栓用钢的生产工艺，采用该工艺可以防止螺栓出现氢脆问题，同时获得高的强度与低温韧性。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种高强度高韧性风电螺栓用钢的生产方法，包括电炉冶炼、LF炉精炼、VD真空处理、连铸浇注、轧制和热处理工序，所述高强度高韧性风电螺栓用钢，按重量百分比其成分为：C 0.38～0.45％、Si 0.17～0.37％、Mn 0.50～0.80％、Cr 0.90～1.20％、Mo 0.15～0.25％、Al 0.020-0.060％、P≤0.030％、S≤0.030％、Cu≤0.20％，余量是Fe和不可避免的杂质；
电炉冶炼工序采用偏心底出钢电炉冶炼，控制铁水与废钢比例为9:1，入炉的铁水比的控制目的是利用冶炼过程中激烈的碳氧反应来去除钢水中的H，防止螺栓在使用过程中出现氢脆断裂现象，在该入炉铁水比的条件下，可实现将钢水中的H控制在4-7PPm。
控制电炉终点放钢：C≥0.15％、P≤0.012％，偏心底留钢出钢，禁止下氧化渣，目的是为防止下渣，减少对钢水污染。出钢过程加入脱氧材料(优选1.5kg/顿钢的铝饼)、造渣材料。
LF炉精炼前期(本申请中的LF炉精炼前期是指LF炉精炼的前15分钟)造高碱度渣进行钢水脱氧脱硫并用干燥的C粉和Al粉按照2:1的比例进行钢水扩散脱氧，总加入量1.30～1.70kg/吨钢的方式限定物料用量，LF炉精炼中后期(本申请中的LF炉精炼中后期是指LF炉精炼15分钟以后直至出钢)用FeSi粉0.50～0.60kg/吨钢进一步脱氧的同时提高渣中二氧化硅的比例，从而提高炉渣吸附夹杂物的能力，LF炉精炼结束前喂铝线，将铝调整至0.035％～0.050％，控制成品铝0.025％～0.035％左右。
VD真空处理工序中，极限真空度(极限真空度即真空度小于67Pa)保持时间18～25分钟，VD破空后对钢水进行定氢，要求氢含量不超过1.5ppm，定氢后喂入硅钙线对钢水进行钙处理，其中连浇第1包硅钙线喂入量150米，第2包喂入量120米，连浇炉喂入量80米(即(剩余钢包均喂入80米)，然后加入覆盖剂碳化稻壳对钢水进行保护，VD真空处理工序钢水吊包前进行软吹氩处理，软吹时间25～35分钟，以便使钢水中夹杂物充分上浮。
连铸浇注工序中，中间包使用前需进行干燥处理，具体为：对中间包进行烘烤，烘烤时间4～5小时，烘烤温度1150～1200℃。同时该钢种含有一定量的Cr、Mo裂纹敏感性元素，因此连铸浇注工序中，结晶器采用二冷均匀弱冷，控制连铸二冷比水量0.20L/Kg。
此类钢种属中碳合金结构钢，C、Mn、Cr、Mo元素易偏析，因此采用末端电磁搅拌，并选用较大的电磁搅拌电流强度(250±5A)，连铸采用15～30℃过热度及0.70-0.80m/min拉速浇注(220*260mm2断面控制拉速0.75m/min，控制钢水浇注过热度15～30℃)，最终能保证材料成分的均匀，从而保证强度与塑性的均匀稳定。
铸坯要求进缓冷坑缓冷，入坑前缓冷坑用别的钢种的连铸红坯进行预热，预热温度为300～600℃，缓冷出坑温度≤150℃，以便对钢水中的H进行扩散。
轧制过程采用高温扩散加热及控轧控冷工艺，以防止材料出现带状组织，最终保证材料性能的均匀与稳定。具体工艺为：控制均热段加热温度1210～1250℃，控制终轧温度900±20℃避开两相区轧制，同时轧后采用强冷，控制上冷床温度800±30℃。
轧后得到的圆钢再进行热处理工序，为了保证强度的同时，又能有高的低温冲击功，因此选用合适的热处理制度，具体的，控制：淬火温度850±10℃，保温时间35±5min，冷却介质：油冷；回火温度600±10℃，保温时间75±5min，冷却介质：油冷。
作为优选，高强度高韧性风电螺栓用钢按重量百分比其成分为：C0.39～0.42％、Si 0.20～0.30％、Mn 0.70～0.80％、Cr 1.0～1.10％、Al 0.020-0.050％、P≤0.015％、S≤0.010％、Mo 0.21～0.25％、Cu≤0.15％、H≤0.0002％、O≤0.0020％，余量是Fe和不可避免的杂质。
本发明的有益效果是：考虑到风电螺栓用钢对强度与低温冲击性能性的严格要求，加之该类钢种极易出现白点缺陷，从而会引起螺栓的延迟断裂，本发明做了如下工作：
①、对成分进行优化设计，提高Mo等元素含量，同时降低P、S等残余元素含量在保证低温冲击韧性的同时，使得材料有较高的强度。
②、电炉冶炼提高入炉铁水比例，利用激烈的碳氧反应达到去气去夹杂的目的，防止白点等缺陷产生。
③、对LF精炼过程使用的粉状脱氧材料进行有效烘烤，也能去除粉状材料中的水分，达到防止出现白点缺陷的目的。
④、连铸过程，加强中间包烘烤，减少水汽含量，同时加大末端电磁搅拌强度，减轻元素偏析，铸坯下冷床后迅速入坑缓冷，以便扩散去H。
⑤、轧制过程采用高温扩散加热工艺，同时进行控轧控冷，防止带状组织超标。
⑥、为保证材料的低温冲击韧性，对热处理工艺参数特别是回火温度进行了优化。
通过上述努力，有效防止了材料白点缺陷的出现，其强度与低温冲击韧性也得到了有效提高。
一种高强度高韧性风电螺栓用钢，以42CrMo4的生产为例说明：
采用“偏心底出钢电炉冶炼－LF炉精炼－VD真空脱气处理－连铸机拉浇－连轧机组轧制－热处理”的工艺路线来进行生产，其生产控制方法如下：
电炉冶炼工序
高炉铁水86-88吨+12-14吨干燥干净废钢，电炉终点C≥0.15％，终点P≤0.012％，出钢量89-92吨。出钢加入造渣材料，同时吨钢加入1.5千克铝块对钢水进行预脱氧。
LF炉精炼工序
LF炉精炼前期(LF炉精炼前15分钟)用C粉和Al粉按照2:1的比例进行钢水扩散脱氧，且控制总加入量130～150千克，LF炉精炼中后期(LF炉精炼后15分钟至出钢)每炉钢用FeSi粉50千克来维护炉渣及脱氧，LF炉精炼出钢前喂铝线，将铝调整至0.035％～0.050％。
VD真空处理工序
极限真空度(即真空度小于67Pa)保持时间20～22分钟，VD破空后对钢水进行定氢，控制氢含量0.5-1.2ppm，定氢后喂入硅钙线对钢水进行钙处理，其中连浇第1包硅钙线喂入量150米，第2包喂入量120米，连浇炉喂入量80米，然后加入覆盖剂碳化稻壳对钢水进行保护，同时钢水软吹氩气25～35分钟。
连铸工序
1、中间包使用前需进行干燥处理，具体的，中间包烘烤时间4～5小时，烘烤温度1170～1200℃。
2、控制拉速0.75m/min，控制钢水浇注过热度15～25℃，二冷段比水量设置0.20L/Kg，末端电磁搅拌电流设置250A，搅拌频率6HZ。
3.采用过渡冷床快速出坯后进缓冷坑，进坑前坑内放有其它钢种的红坯，坑内温度330～380℃。坑冷48小时后出坑，铸坯出坑温度80～120℃。
轧制工序
轧制过程加热工艺为：控制均热段加热温度1220～1250℃，终轧温度900±20℃避开两相区轧制，轧后穿水强冷，控制上冷床温度780～820℃。
热处理工序
淬火温度850±10℃，保温时间35±5min，冷却介质：油冷；回火温度600±10℃，保温时间75±5min，冷却介质：油冷。
按照上述工艺冶炼5炉钢，并对应轧制成五个批次Φ36mm规格圆钢。
对比例1
对比例1与实施例相比，主要区别在于：降低Mo元素含量，从0.21-0.25％降低至0.15-0.17％，其它操作同实施例。
对比例2
对比例2与实施例相比，主要区别在于：LF炉精炼用的粉状脱氧材料C粉、Al粉及FeSi粉不进行烘烤，其它操作同实施例。
对比例3
对比例3与实施例相比，主要区别在于：连铸工艺参数不同，将末端搅拌电流降低为100A，连铸拉速提高至0.95m/min，其它操作同实施例。
对比例4
对比例4与实施例相比，主要区别在于：轧制工艺不同，将铸坯加热温度降至1170℃，终轧温度升至960℃，上冷床温度升至900℃，其它操作同实施例。
对比例5
对比例5与实施例相比，主要区别在于：控制热处理的回火温度560℃，其它操作同实施例。
对比例6
对比例6与实施例相比，主要区别在于：电炉出钢过程不加Al饼，改在LF取初样后加Al，其它操作同实施例。
对比例7
对比例7与实施例相比，主要区别在于：开浇第1包、第2包直至最后一包硅钙线喂入没有区别均为150m，其它操作同实施例。
(1)化学成份如下表1(wt％)：
表1
| 项目 | C | Si | Mn | Cr | P | S | Al | Mo | Cu | O(ppm) | N(ppm) | H(ppm) |
| 实施例1 | 0.40 | 0.25 | 0.75 | 1.05 | 0.009 | 0.003 | 0.028 | 0.22 | 0.015 | 8.2 | 53 | 0.5 |
| 实施例2 | 0.40 | 0.24 | 0.76 | 1.06 | 0.010 | 0.004 | 0.029 | 0.21 | 0.018 | 7.8 | 48 | 0.8 |
| 实施例3 | 0.41 | 0.25 | 0.74 | 1.05 | 0.008 | 0.002 | 0.027 | 0.22 | 0.016 | 8.0 | 46 | 1.0 |
| 实施例4 | 0.40 | 0.26 | 0.75 | 1.07 | 0.010 | 0.004 | 0.030 | 0.23 | 0.020 | 9.1 | 39 | 0.6 |
| 实施例5 | 0.41 | 0.24 | 0.74 | 1.06 | 0.009 | 0.003 | 0.025 | 0.22 | 0.017 | 8.9 | 42 | 1.1 |
| 对比例1 | 0.41 | 0.23 | 0.76 | 1.09 | 0.014 | 0.005 | 0.020 | 0.16 | 0.022 | 9.5 | 58 | 1.3 |
| 对比例2 | 0.40 | 026 | 0.77 | 1.03 | 0.012 | 0.004 | 0.022 | 0.21 | 0.019 | 11.1 | 49 | 1.8 |
| 对比例3 | 0.41 | 0.25 | 0.73 | 1.06 | 0.011 | 0.006 | 0.025 | 0.22 | 0.023 | 9.8 | 53 | 1.2 |
| 对比例4 | 0.40 | 0.24 | 0.72 | 1.05 | 0.013 | 0.008 | 0.021 | 0.22 | 0.019 | 10.2 | 48 | 1.4 |
| 对比例5 | 0.40 | 0.25 | 0.78 | 1.04 | 0.010 | 0.007 | 0.028 | 0.21 | 0.024 | 9.2 | 51 | 1.1 |
其中H含量为真空处理结束后钢水定氢值。
(2)金相组织及低倍检测情况如下表2：
表2
(3)热处理后力学性能如下表3：
表3(轧制后的圆钢Φ36mm)
(4)非金属夹杂物对比
实施例1～5非金属夹杂物检测B类级别：0-1.0级、D类级别：0-1.0级，对比例6非金属夹杂物检测B类级别：1.0-2.5级、D类级别：0.5-1.5级；对比例7非金属夹杂物检测B类级别：1.0-2.0级、D类级别：1.0-2.0级。实施例1～5非金属夹杂物检测结果明显好于对比例6和对比例7，钢水纯净度也得到了提高。
结果表明：通过对化学成分的优化设计，尤其是Mo元素含量的适当提高，同时降低残余元素P、S含量，并通过热处理工艺参数的合理优化，使得材料晶粒细化，强度指标及低温冲击性能指标均得到了有效提高；通过拉速、过热度、电磁搅拌参数、高温扩散加热工艺及控轧控冷工艺有效实施，使得材料的成分、组织均匀性得到了有效改进；通过加大入炉铁水比，加强入炉粉状材料的烘烤，使得钢水的氢含量得到有效控制，防止了白点缺陷的出现。
本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。以上所述仅为本发明的较好实施方式，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例作的修改，均包含在本发明的保护范围之内。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高强度高韧性风电螺栓用钢的生产方法，其特征在于：包括电炉冶炼、LF炉精炼、VD真空处理、连铸浇注、轧制和热处理工序，所述高强度高韧性风电螺栓用钢，按重量百分比其成分为：C 0.38～0.45%、Si 0.17～0.37%、Mn 0.50～0.80%、Cr 0.90～1.20% 、Mo0.15～0.25%、Al 0.020-0.060% 、P≤0.030%、S ≤0.030%、 Cu≤0.20%，余量是Fe和不可避免的杂质；
电炉冶炼工序采用偏心底出钢电炉冶炼，控制铁水与废钢比例为9:1；控制电炉终点放钢：C≥0.15%、P≤0.012%，偏心底留钢出钢，禁止下氧化渣，出钢过程加入脱氧、造渣材料；
LF炉精炼前期造4.0~5.0的高碱度渣进行钢水脱氧脱硫，并用C粉和Al粉按照2:1的质量比例进行钢水扩散脱氧，控制总加入量1.30~1.70kg/吨钢，LF精炼中后期加入FeSi粉0.50~0.60kg/吨钢，LF炉精炼结束前喂铝线，将钢水中的铝调整至0.035%~0.050%；
VD真空处理工序中，控制小于67Pa的极限真空度并保持时间18~25分钟， VD破空后对钢水进行定氢，并控制氢含量≤1.5ppm，定氢后喂入硅钙线对钢水进行钙处理，其中连浇第1包硅钙线喂入量150米，第2包喂入量120米，连浇炉喂入量80米，然后加入覆盖剂碳化稻壳对钢水进行保护，VD真空处理工序钢水吊包前进行软吹氩处理，软吹时间25~35分钟；
连铸浇注工序中，中间包预先通过烘烤进行干燥处理，烘烤时间4~5小时，烘烤温度1150~1200℃；连铸浇注工序中，结晶器采用二冷均匀弱冷；控制拉速0.70-0.80m/min，控制钢水浇注过热度15~30℃，连铸过程末端电磁搅拌，电磁搅拌电流设置250±5A，搅拌频率6HZ；
铸坯进缓冷坑缓冷，入坑前缓冷坑用其它钢种的连铸红坯进行预热，预热温度300~600℃，缓冷出坑温度≤150℃；
轧制工序中，控制均热段加热温度1210~1250℃，终轧温度900±20℃避开两相区轧制，轧后穿水强冷，控制上冷床温度800±30℃；
热处理工序中，控制淬火温度850±10℃，保温时间35±5min，冷却介质：油冷；回火温度600±10℃，保温时间75±5min，冷却介质：油冷；
LF炉精炼工序中使用的C粉、Al粉及FeSi粉使用前在80℃以上的烘箱内烘烤12小时以上。
2.如权利要求1所述的一种高强度高韧性风电螺栓用钢的生产方法，其特征在于：VD真空处理工序中，极限真空度保持时间20~22分钟，定氢后的氢含量0.5-1.2ppm。
3.如权利要求1所述的高强度高韧性风电螺栓用钢的生产方法，其特征在于：连铸浇注工序中，控制连铸二冷比水量0.20L/Kg。
4.如权利要求1所述的高强度高韧性风电螺栓用钢的生产方法，其特征在于：连铸浇注工序中，220×260mm2的连铸坯断面控制连铸拉速0.75m/min，控制钢水过热度15~25℃。
5.如权利要求1所述的高强度高韧性风电螺栓用钢的生产方法，其特征在于：轧制工序中控制均热段加热温度1220~1250℃，控制上冷床温度780~820℃。
6.如权利要求1所述的高强度高韧性风电螺栓用钢的生产方法，其特征在于：所述螺栓用钢按重量百分比其成分为：C0.39～0.42%、Si 0.20～0.30%、Mn 0.70～0.80% 、Cr 1.0～1.10% 、Al 0.020-0.050%、P≤0.015%、S ≤0.010%、Mo 0.21～0.25%、 Cu≤0.15% 、H≤0.0002%、O≤0.0020%，余量是Fe和不可避免的杂质。
7.如权利要求1所述的高强度高韧性风电螺栓用钢的生产方法，其特征在于：所述螺栓用钢中铝含量0.025%~0.035%（重量）。
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