CN113913690B - 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

一种海上风电法兰用钢及制备方法
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
Figure BDA0003274645890000061
Figure BDA0003274645890000071
表2 LF精炼出钢及成品化学成分(％)
Figure BDA0003274645890000072
表3五害元素含量(％)、CEV(％)、Pcm(％)、I值
Figure BDA0003274645890000073
表4风电法兰锻件力学性能
Figure BDA0003274645890000074
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 (3)

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；
所述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。
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.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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