CN113969372B

CN113969372B - 一种低碳抗疲劳风电用钢板及制备方法

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Publication number: CN113969372B
Application number: CN202111200081.6A
Authority: CN
Inventors: 何金珊; 刘世豹; 武会宾; 王西涛; 麻衡; 王中学; 王月香
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB; Laiwu Steel Group Yinshan Section Steel Co Ltd
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB; Laiwu Steel Group Yinshan Section Steel Co Ltd
Priority date: 2021-10-14
Filing date: 2021-10-14
Publication date: 2022-05-17
Anticipated expiration: 2041-10-14
Also published as: CN113969372A

Abstract

本发明公开一种低碳抗疲劳风电用钢板及制备方法，属于钢铁冶金的技术领域。所述风电用钢板的化学成分及其质量百分比为：C：0.08‑0.12％，Si：0.25‑0.35％，Mn：1.45‑1.60％，Nb：0.02‑0.03％，Al；0.03‑0.05％，Ti：0.01‑0.02％，Ni：0.10‑0.20％，V：0.02‑0.03％，Cr≤0.10％，N≤0.008％，P≤0.012％，S≤0.005％，O≤0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质。所述制备方法包括钢坯加热、粗轧工序、精轧工序、冷却工序和回火热处理。本发明提高风电用钢板的屈服强度和疲劳强度，焊接性能优良，增加了风电用钢的使用寿命。

Description

一种低碳抗疲劳风电用钢板及制备方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金的技术领域，涉及一种低碳抗疲劳风电用钢板及制备方法。

背景技术

风能资源，是一种清洁的可再生能源，属于太阳能的一种转化形式。不仅风能开发利用的成本比太阳能开发利用的成本低，而且其是可再生能源中最具开发前景的一种能源。随着现代社会的发展，许多不可再生能源被大量消耗，各种环境污染问题也引发了地球环境危机，中国属于全球能源进口大国，不可再生能源消耗巨大，必然对周边环境造成污染，影响自然生态环境，故而利用可再生能源是我国的当务之急，而绿色环保的风能资源对解决该问题至关重要。

在碳中和的背景下，国家大力发展风电行业，风电用钢是风电行业快速发展的重要一环。我国风能资源丰富的地区主要集中在北部、西北和东北的草原、戈壁滩以及东部、东南部的沿海地带和岛屿上。在此环境下，风电用钢，尤其是风电塔筒所用钢材，不仅需要具备高强度，还需要具备优良的焊接性能和疲劳性能，否则发生事故造成重大经济损失。

例如：专利文献CN112522631A中公开了一种风电用钢及其制备方法，其中添加的镍、铬、钒、钛含量较高，也添加了钼元素，尤其是镍、铬等资源比较稀缺，应该尽量减少使用，故而该专利制备方法成本较高；且通过在钢板的外表面喷涂铌钽合金熔液，使铌钽合金熔液在冷却后能够在钢板表面形成一层致密的铌钽合金薄膜，故而该具备致密的铌钽合金薄膜的钢板焊接性能差。

专利文献CN112342459A中公开了一种耐低温风电法兰用钢及其轧制方法，该专利具体实施例中钢板屈服强度≥360MPa，但在384MPa以下，冲击功低于75J，故而其所制备的耐低温风电法兰用钢的屈服强度和冲击功都低于现代风电用钢的发展需求，强韧性差，耐低温冲击性能不良。

专利文献CN107267863A中公开了一种低成本低碳当量风电塔筒用钢板及其生产方法，该专利的。钢板厚度规格18-40mm，屈服强度≥350MPa，抗拉强度470-630MPa，-40℃纵向冲击功≥35J；结合实施例可以看出，其所制备的风电钢板屈服强度不高于408MPa，低于V型纵向-40℃冲击功不高于55J，故而-40℃下钢板的屈服强度和心部冲击功都难以满足现代风电用钢的发展需求。

因此需要开发一种具备高强度、良好可焊性能和抗疲劳性能的风电用钢，满足风电用钢市场的需求，有利于国民经济的可持续发展。

发明内容

本发明解决的技术问题是现有技术中的风电用钢制备成本高，成分选择复杂，高强度、良好可焊性能和抗疲劳性能不可及兼得，不是屈服强度低了，就是-40℃下钢板心部冲击功低了，或者焊接性能低了，难以满足市场需求，

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种低碳抗疲劳风电用钢板，所述风电用钢板的化学成分及其质量百分比为：C：0.08-0.12％，Si：0.25-0.35％，Mn：1.45-1.60％，Nb：0.02-0.03％，Al；0.03-0.05％，Ti：0.01-0.02％，Ni：0.10-0.20％，V：0.02-0.03％，Cr≤0.10％，N≤0.008％，P≤0.012％，S≤0.005％，O≤0.002％，其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明风电用钢的化学成分的作用如下：

C是增加钢淬透性和淬硬性的元素，可以显著增加钢的强度和硬度。当碳含量低于0.08％，影响控轧时的强化效果，但碳含量超过0.12％，又会增大碳当量和焊接裂纹敏感性指数，焊接性能将会恶化，因此本发明的碳含量控制在0.08-0.12％。

Si可用来作为脱氧元素，其固溶强化作用也会提高钢的强度和硬度，显著提高钢的弹性极限和屈服极限，并提高钢的疲劳强度，但硅含量超过0.35％，表面脱碳程度加剧，并降低钢的塑性、韧性和焊接性能，因此本发明的硅含量控制在0.25-0.35％。

Mn作为良好的脱氧化剂和脱硫剂，减少了氧、硫等夹杂物含量，改善了疲劳性能，并且细化了晶粒，提高钢的强度，但锰含量超过1.60％，钢材在快速加热或快速冷却时内应力增加，工件开裂倾向增加，并大大降低钢材的可焊性，因此本发明的锰含量控制在1.45-1.60％。

Nb促进了钢材轧制时晶粒细化效果，抑制奥氏体再结晶，通过固溶强化和析出强化，提高钢的强度和韧性，改善焊接性能，但铌含量超过0.03％，会影响韧性和焊接性能，因此本发明的铌含量控制在0.02-0.03％。

Al可以用来脱氧定氮，提高钢的纯净度和疲劳强度，减轻钢对缺口的敏感性，改善钢在低温时的韧性，但铝含量超过0.05％，致使钢中铝与氧的夹杂物含量增加，钢材开裂倾向增加，对钢材的疲劳性能、焊接性能和切削性能产生不利影响，因此本发明中的铝含量控制在0.03-0.05％。

Ti是钢中一种良好脱氧去气剂和固定碳和氮的有效元素，与钢中的氮元素结合，形成氮化钛，氮化钛微粒有细化晶粒组织的作用，但钛含量超过0.02％，氮化钛颗粒粗化，钢的低温韧性降低，因此本发明的钛含量控制在0.01-0.02％。

Ni可以提高钢的淬透性，强化组织，提高钢的强度，提高钢的疲劳抗力，降低钢对缺口的敏感性，并且含镍具有较高的腐蚀疲劳抗力，若镍含量超过0.20％，在焊接时易产生裂纹，降低焊接性能，并且也要考虑到镍属于稀缺的重要战略资源，使用要加以控制，因此本发明的镍含量控制在0.10-0.20％。

V可以调节钢的淬透性，可以使晶粒细化，钒的碳化物弥散析出时，提高钢的耐磨性和硬度，增大钢的韧性和强度，改善钢的焊接性能，但钒含量超过0.03％，VC在聚集出现时会降低钢的强度，因此本发明的钒含量控制在0.02-0.03％。

Cr提高钢的耐腐蚀性能，但铬也会降低钢的韧性，钢中也容易形成树枝状偏析，降低钢的塑性，而且考虑到铬的成本较高且资源稀缺，使用时要加以限制，因此本发明的铬含量控制在0.10％以下。

N有固溶强化的作用，与钢中的Cr、V、Ti、Al等元素结合形成稳定的氮化物，从而提高钢的强度和硬度，改善疲劳性能等，氮含量超过0.008％，会造成氮的夹杂物的含量增加，韧性下降，脆性增加，损害钢材的综合力学性能，也会恶化钢的抗氧化性能，因此本发明氮含量控制在0.008％以下。

P、S是钢中不可避免地有害杂质元素，磷可以提高钢的强度和耐磨性，改善钢的抗蚀性和切削加工性，但磷也会造成偏析，对焊接性能不利，增加焊缝的敏感性：硫可以用来改善钢的切削加工性，但也容易形成硫化物夹杂，对钢的淬透性产生不利影响，降低钢的韧性，尤其是冲击韧性，硫化铁等低熔点化合物增大钢在轧制时过热和过烧倾向，已造成钢材开裂，也易引起焊缝处热裂、气孔和疏松等现象。因此本发明的磷含量控制在0.012％以下，硫含量控制在0.005％以下。

O是在钢冶炼时混入的元素，易形成氧化夹杂物，对钢的疲劳性能产生不利影响，因此需严格控制O含量，在0.002％以下。

为了保证风电用钢具有良好的焊接性能，因此要严格控制碳当量和焊接裂纹敏感性指数的大小，其中碳当量≤0.40％焊接裂纹敏感性指数≤0.20％(当碳含量≤0.12％，PCM指数能更好的反应钢的焊接性能)，其各指数计算公式分别如下(1)(2)所示：

CEV(％)＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 (1)

PCM(％)＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B (2)

优选地，所述风电用钢板的厚度为20-40mm，组织结构为铁素体和珠光体，晶粒平均尺寸为13μm以下。

优选地，所述风电用钢板的屈服强度和疲劳强度≥465MPa，抗拉强度≥564MPa，延伸率≥25％，-40℃冲击功≥244J。

优选地，所述风电用钢板的碳当量CEV≤0.4％，焊接裂纹敏感性指数PCM≤0.2％。

一种低碳抗疲劳风电用钢板的制备方法，所述制备方法包括钢坯加热、TMCP轧制和回火热处理；其中：TMCP轧制包括粗轧工序、精轧工序和冷却工序。

优选地，所述钢坯加热中的温度控制在1150-1200℃，保温时间控制在40-100min；以此保证有充分的时间奥氏体化，进一步地，保温时间能够控制在50-70min。

优选地，所述粗轧工序中的开轧温度控制在1150-1180℃，其中粗轧后两道次轧制的每道次压下量>25％，终轧温度控制在1100℃以上，以细化原始奥氏体晶粒；所述精轧工序在奥氏体未再结晶区进行轧制，开轧温度控制在880-900℃，使奥氏体晶内产生大量的形变带和高密度位错，高密度位错增加铁素体的形核率相变后可得到微细的晶粒组织。又由于变形诱导析出的作用，在未变形区析出的析出物能阻止晶粒长大和细化铁素体晶粒。将终轧温度控制在未再结晶区的低温段，即终轧温度控制在800-840℃。

优选地，所述粗轧工序中道次的累积压下率不小于60％，所述精轧工序中道次的累计压下率不小于70％。

优选地，所述冷却工序中的冷却温度为570-750℃，冷却速率控制在8-15℃/s。冷却工序可以抑制铁素体长大，获得稳定细小的颗粒，提升综合力学性能。

优选地，所述回火热处理中的回火温度控制在470-520℃，保温时间在8-15min。

优选地，所制备的低碳抗疲劳风电用钢板能够用于风电塔筒用钢等。

本发明实施例提供的上述技术方案，至少具有如下有益效果：

上述方案中，本发明提供一种低碳抗疲劳风电用钢板及制备方法，具备较低的碳当量和焊接裂纹敏感性指数，因此钢板具有良好焊接性能。并采用粗轧大压下量的TMCP和中温回火热处理的工艺，获得晶粒细小、组织均匀，具有高强度和良好疲劳性能的风电用钢。

本发明通过回火工艺消除钢板内应力，使组织均匀，同时促进晶内析出物弥散析出，提升析出强化效果，降低工序成本。然而回火温度过高或过低容易引起疲劳性能退化，所以要加以控制。

本发明通过合理设计钢板的化学成分，降低碳含量，减少铬等贵重元素的含量，降低了合金成本；通过控制碳当量和焊接裂纹敏感性指数的大小，得到良好焊接性能的钢材。

本发明钢通过合理的成分设计，配合粗轧大压下量的TMCP工艺和回火热处理工艺，实现细晶强化和析出强化，以此简化生产工艺流程，降低工艺成本，提高钢材的屈服强度和疲劳强度不低于465MPa，焊接裂纹敏感性指数PCM≤0.2％，焊接性能优良，增加了风电用钢的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的低碳抗疲劳风电用钢板的S-N曲线图；

图2是本发明实施例1的低碳抗疲劳风电用钢板的金相组织图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

实施例1

一种低碳抗疲劳风电用钢板，化学成分(wt.％)为C：0.09％，Si：0.25％，Mn：1.53％，Nb：0.022％，Al：0.037％，Ti：0.016％，Ni：0.14％，V：0.023％，Cr：0.02％，N：0.072％，P：0.011，S：0.001％，O：0.0016％，CEV＝0.37，PCM＝0.19，其余为Fe和不可避免的杂质。

该钢板热处理工艺热工序中，钢坯加热温度1188℃，保温54min。TMCP工序中，开轧温度为1176℃，粗轧总变形量65％，其中粗轧后两道次压下量均为27％，其中精轧开轧温度为895℃，压下率71％，随后冷却阶段，冷却速率8℃/s。

回火热处理阶段，温度控制在477℃，保温时间10min。

如图2所示，该风电用钢的平均晶粒尺寸为10μm，由晶粒细小的铁素体和珠光体组成，屈服强度469MPa，抗拉强度564MPa，延伸率25％，-40℃冲击功262J；如图1所示，疲劳强度为469MPa。

实施例2

一种低碳抗疲劳风电用钢板，化学成分(wt.％)为C：0.098％，Si：0.27％，Mn：1.55％，Nb：0.025％，Al：0.046％，Ti：0.016％，Ni：0.16％，V：0.024％，Cr：0.02％，N：0.065％，P：0.01，S：0.004％，O：0.0016％，CEV＝0.38，PCM＝0.19，其余为Fe和不可避免的杂质。

该钢板热处理工艺热工序中，钢坯加热温度1188℃，保温55min。TMCP工序，开轧温度为1173℃，粗轧压下率68％，其中粗轧后两道次压下量分别为25％和26％，精轧开轧温度为896℃，压下率71％，随后冷却阶段，冷却速率8℃/s。

回火热处理阶段，温度控制在479℃，保温时间10min。

该风电用钢的平均晶粒尺寸为12μm，由晶粒细小的铁素体和珠光体组成，屈服强度469MPa，抗拉强度557MPa，延伸率25％，-40℃冲击功244J，疲劳强度约为466MPa。

实施例3

一种低碳抗疲劳风电用钢板，化学成分(wt.％)为C：0.10％，Si：0.30％，Mn：1.50％，Nb：0.026％，Al：0.04％，Ti：0.017％，Ni：0.17％，V：0.026％，Cr：0.06％，N：0.05％，P：0.01，S：0.003％，O：0.0018％，CEV＝0.36，PCM＝0.19，其余为Fe和不可避免的杂质。

该钢板热处理工艺热工序中，钢坯加热温度1168℃，保温65min。TMCP工序，开轧温度为1160℃，粗轧压下率65％，其中后两道次压下量分别为25％和26％，精轧开轧温度为890℃，压下率72％，随后冷却阶段，冷却速率10℃/s。

回火热处理阶段，温度控制在482℃，保温时间10min。

该风电用钢的平均晶粒尺寸为11μm，由晶粒细小的铁素体和珠光体组成，屈服强度470MPa，抗拉强度560MPa，延伸率27％，-40℃冲击功254J，疲劳强度约为468MPa。

实施例4

一种低碳抗疲劳风电用钢板，化学成分(wt.％)为C：0.12％，Si：0.32％，Mn：1.57％，Nb：0.028％，Al：0.042％，Ti：0.017％，Ni：0.18％，V：0.028％，Cr：0.04％，N：0.075％，P：0.01，S：0.0048％，O：0.0018％，CEV＝0.39，PCM＝0.18，其余为Fe和不可避免的杂质。

该钢板热处理工艺热工序中，钢坯加热温度1180℃，保温60min。TMCP工序，开轧温度为1170℃，粗轧压下率65％，其中后两道次压下量均为25％,精轧开轧温度为897℃，压下率72％，随后冷却阶段，冷却速率12℃/s。

回火热处理阶段，温度控制在500℃，保温时间10min。

该风电用钢的平均晶粒尺寸为11μm，由晶粒细小的铁素体和珠光体组成，屈服强度472MPa，抗拉强度562MPa，延伸率26％，-40℃冲击功252J，疲劳强度约为467MPa。

实施例5

一种低碳抗疲劳风电用钢板，化学成分(wt.％)为C：0.12％，Si：0.35％，Mn：1.60％，Nb：0.03％，Al：0.05％，Ti：0.02％，Ni：0.20％，V：0.03％，Cr：0.07％，N：0.075％，P：0.01，S：0.0042％，O：0.0015％，CEV＝0.38，PCM＝0.18，其余为Fe和不可避免的杂质。

该钢板热处理工艺热工序中，钢坯加热温度1178℃，保温80min。TMCP工序，开轧温度为1173℃，粗轧压下率68％，其中后两道次压下量分别为25％和27％，精轧开轧温度为888℃，压下率71％，随后冷却阶段，冷却速率9℃/s。

回火热处理阶段，温度控制在474℃，保温时间10min。

该风电用钢的平均晶粒尺寸为10μm，由晶粒细小的铁素体和珠光体组成，屈服强度475MPa，抗拉强度563MPa，延伸率26％，-40℃冲击功258J，疲劳强度约为468MPa。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种低碳抗疲劳风电用钢板，其特征在于，所述风电用钢板的化学成分及其质量百分比为：C：0.08-0.12%，Si：0.25-0.35%，Mn：1.45-1.60%，Nb：0.02-0.03%，Al；0.03-0.05%，Ti：0.01-0.02%，Ni：0.10-0.20%，V：0.02-0.03%，Cr≤0.10%，N≤0.008%，P≤0.012%，S≤0.005%，O≤0.002%，其余为Fe和不可避免的杂质；

所述制备方法包括钢坯加热、TMCP轧制和回火热处理；其中：TMCP轧制包括粗轧工序、精轧工序和冷却工序；

所述粗轧工序中的开轧温度控制在1150-1180℃，其中粗轧后两道次轧制的每道次压下量>25%，终轧温度控制在1100℃以上；所述精轧工序的开轧温度控制在880-900℃，终轧温度控制在800-840℃，精轧压下率不小于70%；

所述冷却工序中的冷却温度为570-750℃，冷却速率控制在8-15℃/s，以免晶粒快速长大；

所述回火热处理中的回火温度控制在470-520℃，保温时间在8-15min；

所述风电用钢板的厚度为20-40mm，组织结构为铁素体+珠光体组织，晶粒平均尺寸为13

以下；

所述风电用钢板的屈服强度和疲劳强度≥465MPa，抗拉强度≥564MPa，延伸率≥25%，-40℃冲击功≥244J。

2.根据权利要求1所述的低碳抗疲劳风电用钢板，其特征在于，所述风电用钢板的碳当量CEV≤0.4%，焊接裂纹敏感性指数PCM≤0.2%。

3.一种根据权利要求1-2任一所述的低碳抗疲劳风电用钢板的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括钢坯加热、TMCP轧制和回火热处理；其中：TMCP轧制包括粗轧工序、精轧工序和冷却工序。

4.根据权利要求3所述的低碳抗疲劳风电用钢板的制备方法，其特征在于，所述钢坯加热中的温度控制在1150-1200℃，保温时间控制在40-100min。

5.根据权利要求3所述的低碳抗疲劳风电用钢板的制备方法，其特征在于，所述粗轧工序中道次的累积压下率不小于60%，所述精轧工序中道次的累计压下率不小于70%。