CN113913690A - 一种海上风电法兰用钢及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海上风电法兰用钢及制备方法,其屈服强度ReL≥460MPa,抗拉强度Rm:530~680MPa断后伸长率A≥25%,厚度方向性能为Z35级别,‑60℃下低温冲击吸收能量KV2≥50J。其组成按质量百分数为:C:0.05~0.08%、Si:0.30~0.50%、Mn:0.50~0.80%、P:≤0.012%、S:≤0.003%、Cr:1.20~1.40%、Cu:0.10~0.30%、Ni:0.05~0.20%、V:0.040~0.060%、Nb:0.010~0.030%、N:0.0120~0.0180%、RE:0.0010~0.0030%、As:≤0.015%、Sn:≤0.015%、Pb:≤0.0025%、Sb:≤0.0025%、Bi:≤0.0025%、(As+Sn+Pb+Sb+Bi):≤0.025%、[O]≤0.0012%,其余为Fe和不可避免的杂质;且化学成分满足碳当量CEV≤0.47%;裂纹敏感系数Pcm≤0.22%;耐腐蚀性指数I≥6.0要求。本发明制得的海上风电法兰用钢具有高耐腐蚀性、高耐低温性、高强度、易焊接性能、高抗层状撕裂性等优良性能。
Description
技术领域
本发明属于钢铁冶金技术领域,具体涉及一种海上风电法兰用钢及制备方法。
背景技术
风力发电是可再生能源领域中最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式,已经成为仅次于火电和水电的第三大电力来源。海上风力发电作为风力发电的重要组成部分,由于其风力资源丰富、风源稳定、风速较陆上更大、信号主导方向稳定、年利用小时长、不占用土地资源以及接近沿海用电负荷中心等优点,已成为近年来改变国家能源结构、实现绿色低碳发展的重要手段。同时在风电装备制造技术和国家产业政策的支持下,国内海上风力发电得到了快速的发展,2020年,国内风力发电新增容量为3.06GW,累计装机容量为12.05GW。
海上风力发电装备要在长期经受海面台风、严寒冰冻、海水喷溅高盐雾等恶劣环境中使用寿命达到50年以上,且随着单台海上风力发电机普遍容量从1-2MW发展到目前的5-8MW,导致机组的大型化,对海上风力发电机所用法兰、塔筒、风轮等部件的质量及性能提出更高的严格。针对海上风电法兰,对其材质的耐腐蚀性、耐低温性、强度级别、焊接性能、抗层状撕裂性等各项性能均提出了更高的要求。
中国专利CN102517494B公开一种风电法兰用钢材及其制备方法,此发明的钢材按重量百分含量主要包括C:0.15~0.19%,Si:0.17~0.35%,Mn:1.45~1.55%,V:0.060~0.090%,Nb 0.02~0.04%,Al:0.015~0.040%,Ti≤0.005%,[O]≤0.0015%,[N]≤0.012%,S≤0.005%,P≤0.012%,As≤0.04%,[H]≤0.00015%,余量为Fe。该发明中钢材的碳当量为0.41-0.46%;抗拉强度Rm=580~720MPa;屈服强度Rel=470~500MPa;伸长率A5=22~26%;断面收缩率Z=66~72%;-20℃,V型缺口冲击功Akv=60~90J。此发明中只保证材质-20℃温度下的冲击性能,已不能满足海上风电-50℃低温下的使用要求,[O]≤0.0015%的要求,难以保证钢优良的洁净度,从而可导致其低温性能的降低。
中国专利申请CN112342459A公开了一种耐低温风电法兰用钢及其轧制方法,提供的耐低温风电法兰用钢的化学成分按质量百分比计包括:C 0.15~0.20%、Si 0.15~0.35%、Mn 1.25~1.50%、P≤0.020%、S≤0.015%、Al≤0.020-0.050%、Cr≤0.30%、Cu≤0.30%、Ni≤0.30%、[H]≤2.0ppm、[O]≤20ppm、[N]≤120ppm、Al/N≥2、CE≤0.43,其余为Fe和不可避免的杂质。该发明的钢材屈服强度Rp0.2≥360MPa,抗拉强度:512~540MPa,延伸率A≥30.5%,Z≥33.0%,低温冲击韧性满足(-50℃):≥68J。此发明的钢材强度较低,难以达到大型海上风电的使用要求;S≤0.015%也满足不了钢材的抗层状撕裂性能要求;[O]≤20ppm的要求,难以保证钢优良的洁净度。同时其公开了轧制方法,规定热轧圆钢规格为Φ100mm~Φ200mm,可知其钢材并不是作为大型风电法兰用钢。
在上述两项专利中,均未对钢材的耐腐蚀性能进行要求;而在本发明中需要充分考虑海上风电作业环境中的海洋腐蚀的影响。本发明针对海上风电法兰的服役条件以及高耐腐蚀性、高耐低温性、高强度、易焊接性能、高抗层状撕裂性等优良性能要求,通过合理的成分设计和工艺控制,提供了一种海上风电法兰用钢及制备方法。
发明内容
针对现有风电法兰用钢耐腐蚀性差、低温性能较差、强度偏低、焊接性能以及抗层状撕裂性能较差,难以满足海上风电法兰使用要求的情况,本发明的目的之一是提供一种海上风电法兰用钢,所述钢具有高耐腐蚀性、高耐低温性、高强度、易焊接性能、高抗层状撕裂性等优良性能。
为达到上述目的,本发明的技术方案如下:
一种海上风电法兰用钢,其屈服强度ReL≥460MPa,抗拉强度Rm:530~680MPa断后伸长率A≥25%,厚度方向性能为Z35级别,-60℃下低温冲击吸收能量KV2≥50J。为满足以上性能指标的要求,重点从以下几方面制定方案:
1、海上风电法兰用钢的化学成分质量百分比为:C:0.05~0.08%、Si:0.30~0.50%、Mn:0.50~0.80%、P:≤0.012%、S:≤0.003%、Cr:1.20~1.40%、Cu:0.10~0.30%、Ni:0.05~0.20%、V:0.040~0.060%、Nb:0.010~0.030%、N:0.0120~0.0180%、RE:0.0010~0.0030%、As:≤0.015%、Sn:≤0.015%、Pb:≤0.0025%、Sb:≤0.0025%、Bi:≤0.0025%、(As+Sn+Pb+Sb+Bi):≤0.025%、[O]≤0.0012%,其余为Fe和不可避免的杂质。
所述海上风电法兰用钢的碳当量CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.47%;裂纹敏感系数Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B≤0.22%;耐腐蚀性指数I=26.01(%Cu)+3.88(%Ni)+1.20(%Cr)+1.49(%Si)+17.28(%P)-7.29(%Cu)(%Ni)-9.10(%Ni)(%P)-33.39(%Cu)2≥6.0。
本发明的海上风电法兰用钢各化学元素设计原理为结合高耐腐蚀性、高耐低温性、高强度、易焊接性能、高抗层状撕裂性等综合性能的要求,主要采用低碳、高铬、铜-镍复合来提高钢材的耐腐蚀性,采用钒、铌、氮微合金化原理提高钢材的强度,采用RE稀土元素对钢液进行净化、夹杂物变性及微合金化,来保证钢材优良的耐腐蚀性、耐低温性以及强韧性;同时严格控制磷、硫、砷、锡、铅、锑、铋、氧等有害元素含量,来提高钢材的耐腐蚀性、抗层状撕裂性能;各合金元素含量微调,保证碳当量、裂纹敏感系数、耐腐蚀系数的要求,从而保证钢材良好的焊接性能以及耐腐蚀性。各元素的设计原理分析如下:
碳:C元素是钢铁材料中不可缺少的元素,为本发明中需重点考量钢材的耐腐蚀性能以及耐低温性能,同时为避开包晶钢(C含量0.08~0.17%)范畴,降低连铸生产难度,因此将C元素含量上限定为0.080%;且为保证钢材一定的强度以及电炉炼钢脱碳的难度,因此将C元素含量下限定位0.050%。
硅:Si元素是炼钢过程中主要的脱氧剂,作为合金元素时,其以固溶体形态存在铁素体或奥氏体中,可显著的提高钢材的屈服强度和抗拉强度,因此将Si元素含量下限定为0.30%;但Si元素的热传导能力较差,将导致铸坯心部与表面温度差较大,易出现锻造裂纹,且会促进钢材表面脱碳,从而恶化锻件的表面质量,因此将Si元素含量上限定为0.50%。
锰:Mn元素是钢铁材料中的常存元素,低于0.80%时,可较好的提高钢材的强度并不降低钢材的韧性,同时为不恶化钢材的焊接性能,因此将Mn元素含量的上限定为0.80%;但Mn元素含量低于0.50%时,则稳定奥氏体组织不足,将降低钢材的耐腐蚀性能,因此将Mn元素含量的下限定为0.50%。
铬:在海洋环境中,由于Cr元素的存在,钢材表面可形成由Fe3O4、FeOOH和Cr2O3组成的氧化性保护膜,可阻止Cl-和SO4 2-等海洋环境中的腐蚀性阴离子渗入钢材内部,从而可提高钢材的抗海洋腐蚀性能,同时也可较好的提升钢材的强度,因此将Cr元素含量下限定为1.20%;但过高的Cr含量将严重影响钢材的焊接性能以及韧性,因此将Cr元素含量上限定为1.80%。
铜、镍:Cu是最有效提高钢材耐腐蚀性能的元素之一,但Cu的熔点为1085℃,在连铸以及后续锻造加工过程中易因铜脆而造成表面微裂纹、翘皮等表面质量缺陷,反而不利于钢材的耐腐蚀性能。而加入一定量的Ni,可以与铜形成高熔点的Cu-Ni二元合金相,从而可以避免铜脆现象的出现。综合考虑生产控制难度与生产成本问题,将Cu元素含量范围控制在0.10~0.30%,Ni元素含量范围控制在0.05~0.15%;同时控制Ni/Cu质量比不低于0.5。
钒、铌、氮:V、Nb都是可显著提高钢材的强度的微合金化元素,Nb的作用主要是细晶,V的作用主要是沉淀强化,两个元素复合作用将远高于单一元素的强化作用。在钢材中Nb含量较低时,钢的屈服强度增长较快,且和含量成正比,当Nb含量达0.030%时,强化效果开始降低,因此为最好的发挥Nb元素的强化效果,将Nb含量范围控制在0.010%~0.030%。V元素的沉淀强化作用主要是通过和C、N元素形成V(C,N)化合物在奥氏体晶界的铁素体中析出达到强化效果,因此钢中必须保证一定的N含量;结合本发明钢的强度要求,将V元素含量范围控制在0.040~0.060%,N含量范围控制在0.0120~0.0180%。
稀土:RE稀土元素在钢中有净化钢液、使夹杂物变性和微合金化作用,可很好的提升钢材的耐腐蚀性、耐低温性以及强韧性。当RE含量低于0.0010%时,主要起到净化钢液的作用,微合金化作用不佳;当RE含量高于0.0030%时,在连铸过程中容易氧化,氧化物易堵塞水口,影响连铸生产的顺行;因此将RE含量范围控制在0.0010%~0.0030%。
磷:钢中的P元素易在晶界处积聚,导致晶界脆性断裂,从而急剧恶化钢的低温冲击性能,将P元素控制越低越好;但考虑到电炉冶炼过程中脱磷的难度以及带来的成本上升情况,因此将P元素含量上限定为0.012%。
硫:S元素是钢中的有害元素,易形成MnS、FeS等非金属夹杂物,导致热脆,且恶化钢材的耐腐蚀性以及抗层状撕裂性能,同时考虑电炉流程中LF精炼过程脱硫工艺及生产成本要求,将S元素含量上限定为0.003%。
五害元素:钢中五害元素是指砷、锡、铅、锑、铋五种元素,这五种元素的氧化位低于铁,因此在冶炼过程中不能被去除,将不断的在钢材中积聚。五害元素对钢的耐低温性、耐腐蚀性均有害,因此应该尽量减少其含量;结合冶炼原材料情况及生产成本控制情况,要求As、Sn元素含量上限为0.015%,Pb、Sb、Bi元素含量上限为0.0025%,同时要求五害元素总量上限为0.025%。
氧:为了避免钢中形成大颗粒的氧化物夹杂,恶化钢的耐腐蚀性、耐低温性等性能,故要求O含量上限为0.0012%。
优选的钢的化学成分质量百分比为:C:0.06~0.07%、Si:0.40~0.48%、Mn:0.55~0.65%、P:≤0.011%、S:≤0.003%、Cr:1.30~1.40%、Cu:0.15~0.25%、Ni:0.08~0.15%、V:0.040~0.060%、Nb:0.020~0.030%、N:0.0140~0.0170%、RE:0.0010-0.0030%、As:≤0.015%、Sn:≤0.015%、Pb:≤0.0025%、Sb:≤0.0025%、Bi:≤0.0025%、(As+Sn+Pb+Sb+Bi):≤0.025%、[O]≤0.0012%,其余为Fe和不可避免的杂质。
优选的碳当量CEV控制范围为0.43~0.47%,裂纹敏感系数Pcm≤0.20%。
2、本发明上述海上风电法兰用钢的制备方法主要包括以下步骤:电炉冶炼-LF精炼+VD真空处理-连铸。具体工艺步骤包括:
(1)电炉冶炼:入炉原料为铁水和废钢,铁水中As≤0.010%,废钢使用低合金系列、优碳系列自循环废钢,不能使用高Ti的废钢以及渣钢、罐帮铁等高P、S废钢;电炉出钢终点[C]:0.02~0.04%、[P]≤0.007%,钢水的出钢温度控制在1640~1680℃;加入金属锰、微碳铬铁、硅锰、硅铁进行钢包合金化,使Si控制在0.15~0.30%,Mn控制在0.40~0.50%,Cr控制在0.40~0.50%。
(2)LF精炼+VD真空处理:控制LF炉精炼渣碱度3.2~3.5,采用大渣量、喂铝线强脱氧、脱硫工艺;加入金属锰、微碳铬铁、镍板、硅铁、铜粒、氮化铬铁、钒铁,铌铁合金进行合金成分微调,控制C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Cu、Nb、V符合成分要求。到VD工位后,采用喂丝工艺加入稀土合金,真空度小于67Pa保持时间≥15分钟;破空后,取样检验钢水成分,结合稀土含量以及氮含量检验结果,适当补喂稀土合金以及补吹氮气,使RE、N符合成分要求。
(3)连铸:中间包过热度控制在20~25℃,即中间包钢水温度控制在1540~1545℃;采用低碳钢专用连铸保护渣,其碱度为1.10~1.20,黏度为0.30~0.50Pa·s,熔化温度为1050-1090℃;结晶器电磁搅拌电流控制在350~400A,频率控制在2.5~3..5HZ,末端电磁搅拌电流为50~80A,频率为1.0~1.2HZ;坯型为Φ800mm,拉速为0.16~0.18m/min。
以上制备方法中未加限定的工艺条件均可参照本领域常规技术。
具体实施方式
结合实施例1-3对本发明的具体实施方式做进一步描述。
实施例1-3生产工序控制参数见表1;LF精炼出钢以及成品化学成分见表2;成品五害元素含量、碳当量CEV、裂纹敏感系数Pcm以及耐腐蚀系数I结果见表3。
根据实施例1-3生产出来的连铸圆坯,采用正常的风电法兰生产工艺即“下料→加热炉加热→制坯→二次加热→碾环→码垛缓冷→粗加工→热处理→精加工→探伤→成品”生产出的风电法兰锻件,其力学性能检验结果见表4,其中拉伸性能和厚度方向性能取2个样,冲击性能取3个样进行检验。
表1实施例1-3生产工序控制参数
表2 LF精炼出钢及成品化学成分(%)
表3五害元素含量(%)、CEV(%)、Pcm(%)、I值
表4风电法兰锻件力学性能
本发明的工艺参数(如温度、时间等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法,在此不一一列举实施例。
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
最后所应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照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该理解,对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种海上风电法兰用钢,其特征在于,所述海上风电法兰用钢的屈服强度ReL≥460MPa,抗拉强度Rm:530-680MPa,断后伸长率A≥20%,厚度方向性能为Z35级别,-60℃下低温冲击吸收能量KV2≥50J,其组成按质量百分比为:
C:0.05~0.08%、Si:0.30~0.50%、Mn:0.50~0.80%、P:≤0.012%、S:≤0.003%、Cr:1.20~1.40%、Cu:0.10~0.30%、Ni:0.05~0.20%、V:0.040~0.060%、Nb:0.010~0.030%、N:0.0120~0.0180%、RE:0.0010~0.0030%、As:≤0.015%、Sn:≤0.015%、Pb:≤0.0025%、Sb:≤0.0025%、Bi:≤0.0025%、(As+Sn+Pb+Sb+Bi):≤0.025%、[O]≤0.0012%,其余为Fe和不可避免的杂质;
所述海上风电法兰用钢的碳当量CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.47%;裂纹敏感系数Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B≤0.22%;耐腐蚀性指数I=26.01(%Cu)+3.88(%Ni)+1.20(%Cr)+1.49(%Si)+17.28(%P)-7.29(%Cu)(%Ni)-9.10(%Ni)(%P)-33.39(%Cu)2≥6.0。
2.根据权利要求1所述的海上风电法兰用钢,其特征在于,所述海上风电法兰用钢的组成按质量百分数为:
C:0.06~0.07%、Si:0.40~0.48%、Mn:0.55~0.65%、P:≤0.011%、S:≤0.003%、Cr:1.30~1.40%、Cu:0.15~0.25%、Ni:0.08~0.15%、V:0.040~0.060%、Nb:0.020~0.030%、N:0.0140~0.0170%、RE:0.0010~0.0030%、As:≤0.015%、Sn:≤0.015%、Pb:≤0.0025%、Sb:≤0.0025%、Bi:≤0.0025%、(As+Sn+Pb+Sb+Bi):≤0.025%、[O]≤0.0012%,其余为Fe和不可避免的杂质;
所述海上风电法兰用钢的碳当量CEV控制范围为0.43~0.47%,裂纹敏感系数Pcm≤0.20%,耐腐蚀性指数I≥6.0。
3.一种权利要求1或2所述的海上风电法兰用钢的制备方法,包括以下步骤:
1)电炉冶炼
入炉原料为铁水和废钢,铁水中As≤0.010%,;电炉出钢终点[C]:0.02~0.04%、[P]≤0.007%,钢水的出钢温度控制在1640~1680℃;加入金属锰、微碳铬铁、硅锰、硅铁进行钢包合金化,使Si控制在0.15~0.30%,Mn控制在0.40~0.50%,Cr控制在0.40~0.50%;
2)LF精炼+VD真空处理
控制LF炉精炼渣碱度3.2~3.5,采用大渣量、喂铝线强脱氧、脱硫工艺;加入金属锰、微碳铬铁、镍板、硅铁、铜粒、氮化铬铁、钒铁、铌铁合金进行合金成分微调,控制C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Cu、Nb、V符合成分要求;到VD工位后,采用喂丝工艺加入稀土合金,真空度小于67Pa保持时间≥15分钟;破空后,取样检验钢水成分,结合稀土含量以及氮含量检验结果,适当补喂稀土合金以及补吹氮气,使RE、N符合成分要求;
3)连铸
中间包过热度控制在20~25℃,即中间包钢水温度控制在1540~1545℃;采用低碳钢专用连铸保护渣,其碱度为1.10~1.20,黏度为0.30~0.50Pa·s,熔化温度为1050-1090℃;结晶器电磁搅拌电流控制在350~400A,频率控制在2.5~3..5HZ,末端电磁搅拌电流为50~80A,频率为1.0~1.2HZ;坯型为Φ800mm,拉速为0.16~0.18m/min。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述废钢使用低合金系列自循环废钢和/或优碳系列自循环废钢。
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