CN114921720A - 一种六兆瓦以上海上大功率风电机组法兰用钢锭及其生产方法 - Google Patents

一种六兆瓦以上海上大功率风电机组法兰用钢锭及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种六兆瓦以上海上大功率风电机组法兰用钢锭及其生产方法，它包括以下质量百分含量的化学成分：C:0.13‑0.18%、Si：0.15‑0.35%、Mn：1.30‑1.50%、P≤0.015%、S≤0.005%、V：0.02‑0.06%、Al：0.020‑0.050%、Nb：0.020‑0.050%，H≤0.0002%、O≤0.0020%和N：60‑110ppm，As+Pb+Sb+Bi+Sn≤0.025%、余量为Fe和不可避免的杂质。通过精确控制钢锭的化学成分（即采用了特定质量百分比的化学元素），提高了钢的纯净度，减小钢锭成分偏析，使其有着优异的强度、焊接性能及低温冲击韧性。

Description

一种六兆瓦以上海上大功率风电机组法兰用钢锭及其生产 方法
技术领域
本发明涉及一种法兰用钢锭，具体涉及一种六兆瓦以上海上大功率风电机组法兰用钢锭及其生产方法。
背景技术
海上风力发电作为风力发电的重要组成部分，由于风力资源丰富、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。目前，可开发的陆上风电储能约253GW，海上风电储能约750GW。陆上风电装机已经基本完成，而海上风电现有总装机量13GW，存在50倍以上的上涨空间，市场前景巨大，是未来风电发展的核心。
海上风电机组装机容量越来越高，风机越来越大型化。除了具有足够的强度，较轻的重量外，还需具备优良的低温韧性、耐候性等高端要求。作为风电塔筒连接用法兰材料，除满足上述要求外，对钢材纯净度、低温韧性提出了更苛刻的要求(甚至-40℃、-50℃环境下仍具有优异的冲击韧性)。目前，风电法兰主要采用连铸圆坯或模铸坯锻造加工成型，钢种国内牌号为Q345E、欧洲牌号S355NL，国内可以生产具备风电法兰用钢生产能力的达十数家，但产品质量参差不齐。超高功率(如六兆瓦及以上)海上风电对制造法兰的用钢提出了更加苛刻的要求，不仅材料要具有良好的焊接性能，而且材料的耐低温性能标准大大提高，在满足低温冲击性能的同时，材料的强度必须达到GB/T1591中Q345级别强度的要求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种六兆瓦以上海上大功率风电机组法兰用钢锭。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种六兆瓦以上海上大功率风电机组法兰用钢锭，它包括以下质量百分含量的化学成分：
C:0.13-0.18％、Si：0.15-0.35％、Mn：1.30-1.50％、P≤0.015％、S≤0.005％、V：0.02-0.06％、 Al：0.020-0.050％、Nb：0.020-0.050％，H≤0.0002％、O≤0.0020％和N：60-110ppm， As+Pb+Sb+Bi+Sn≤0.025％、余量为Fe和不可避免的杂质。
优化地，它包括以下质量百分含量的化学成分：C:0.14-0.16％、Si：0.23-0.26％、Mn： 1.35-1.41％、P≤0.012％、S≤0.003％、V：0.028-0.032％、Al：0.028-0.035％、Nb：0.024-0.026％， H≤1.5ppm、O≤14.1％和N：65-74ppm，As+Pb+Sb+Bi+Sn≤0.014％、余量为Fe和不可避免的杂质。
优化地，它的屈服强度275-355Mpa、抗拉强度470-630Mpa、断后伸长率≥25％、厚度方向性能满足Z35级别且-50℃低温冲击≥50J。
本发明的又一目的在于提供一种上述六兆瓦以上海上大功率风电机组法兰用钢锭的生产方法，包括以下步骤：
(a)对钢包进行预热；
(b)以铁水和废钢为原料炼制得钢水，使用渣料进行脱P，至钢水中C的质量百分含量为0.06～0.08wt％、P的质量百分含量≤0.012wt％；于温度为1620～1650℃时出钢，出钢时随钢流水加入1.5～2kg/t的铝块对钢水进行预脱氧；
(c)对所述钢水进行LF精炼，控制Si的质量百分含量下限区间为0.15～0.20％且定[O] 满足≤8ppm；喂1.5～2.0m/t铝线，以1650～1670℃的温度进行吊包；
(d)在高真空的条件下对钢水进行循环脱气以对所述钢水进行VD精炼，使得钢水中H ≤0.8ppm、O≤10ppm和S≤0.005％；
(e)向所述钢水中喂入1.2～1.8m/tSi-Ca线，加覆盖剂5-8包、碳化稻壳3-4包以覆盖保温；
(f)开启底吹氮气，对所述钢水进行吹氮；吹氮结束后，切换至氩气进行软吹，软吹过程中测温，于1555℃～1560℃吊包浇注以获得钢锭；使用氩气保护罩对浇注钢流进行保护以防止吸气净化钢水。
优化地，步骤(a)中，待钢包红热时检查其内无残渣、包口无冷钢。
优化地，步骤(b)中，向EAF电弧炉中加入所述铁水和所述废钢，其质量比为1：0.5～1.2；优选其质量比为1：1。
优化地，步骤(c)中，用电石和SiC以质量比2:1的比例进行小批量脱氧。
优化地，步骤(f)中，所述吹氮的时间为5-8min、氮气流量为30-40L/min，且吹氮和吹氩时间≥15min。
优化地，步骤(f)中，浇注前对钢锭模内进行吹氩气以防止钢水被氧化；浇注使用的钢锭模温度为30～60℃、干燥无裂纹；在补注到帽口1/2时加1.2～1.5kg/t发热剂。
优化地，步骤(f)中，钢锭完全凝固后进缓冷坑缓冷100～150h脱模。
本发明六兆瓦以上海上大功率风电机组法兰用钢锭，通过精确控制钢锭的化学成分(即采用了特定质量百分比的化学元素)，提高了钢的纯净度，减小钢锭成分偏析，使其有着优异的强度、焊接性能及低温冲击韧性。
本发明六兆瓦以上海上大功率风电机组法兰用钢锭的生产方法，通过采用特定的生产步骤进行配合，能够获得焊接性能良好、低温冲击性能稳定且材料强度高的海上大功率风电机组法兰用钢锭。
具体实施方式
本发明六兆瓦以上海上大功率风电机组法兰用钢锭，它包括以下质量百分含量的化学成分：C:0.13-0.18％、Si：0.15-0.35％、Mn：1.30-1.50％、P≤0.015％、S≤0.005％、V：0.02-0.06％、 Al：0.020-0.050％、Nb：0.020-0.050％，H≤0.0002％、O≤0.0020％和N：60-110ppm， As+Pb+Sb+Bi+Sn≤0.025％、余量为Fe和不可避免的杂质(As、Pb、Sb、Bi和Sn为有害成分，通常是控制其总量即可)。通过精确控制钢锭的化学成分(即采用了特定质量百分比的化学元素)，提高了钢的纯净度，减小钢锭成分偏析，使其有着优异的强度、焊接性能及低温冲击韧性。此时，六兆瓦以上海上大功率风电机组法兰用钢锭的屈服强度275-355Mpa、抗拉强度470-630Mpa、断后伸长率≥25％、厚度方向性能满足Z35级别且-50℃低温冲击≥50J
优选，本发明六兆瓦以上海上大功率风电机组法兰用钢锭包括以下质量百分含量的化学成分：C:0.14-0.16％、Si：0.23-0.26％、Mn：1.35-1.41％、P≤0.012％、S≤0.003％、V：0.028-0.032％、 Al：0.028-0.035％、Nb：0.024-0.026％，H≤1.5ppm、O≤14.1％和N：65-74ppm，As+Pb+Sb+Bi+Sn ≤0.014％、余量为Fe和不可避免的杂质；该区间范围内的钢锭性能明显由于非该区间范围内的钢锭性能；具体地，它的屈服强度275-355Mpa、抗拉强度≥512Mpa、断后伸长率≥31％、厚度方向性能满足Z35级别且-50℃低温冲击≥68J。
上述六兆瓦以上海上大功率风电机组法兰用钢锭的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)对钢包进行预热；优选，待钢包红热时检查其内无残渣、包口无冷钢；(b)以铁水和废钢为原料炼制得钢水，使用渣料进行脱P，至钢水中C的质量百分含量为0.06～0.08wt％、 P的质量百分含量≤0.012wt％；于温度为1620～1650℃时出钢，出钢时随钢流水加入1.5～2kg/t 的铝块对钢水进行预脱氧；具体是，向EAF电弧炉中加入所述铁水和所述废钢，其质量比为 1：0.5～1.2；优选其质量比为1：1，此时经济性和产品性能达到最佳；(c)对所述钢水进行 LF精炼，控制Si的质量百分含量下限区间为0.15～0.20％且定[O]满足≤8ppm；喂1.5～2.0m/t 铝线，以1650～1670℃的温度进行吊包；优选用电石和SiC以质量比2:1的比例进行小批量脱氧；(d)在高真空的条件下对钢水进行循环脱气以对所述钢水进行VD精炼，使得钢水中H ≤0.8ppm、O≤10ppm和S≤0.005％；(e)真空处理结束后，向所述钢水中喂入1.2～1.8m/tSi-Ca 线(优选为1.2～1.8m/t)，加覆盖剂5-8包、碳化稻壳3-4包以覆盖保温；(f)开启底吹氮气，对所述钢水进行吹氮；优选，所述吹氮的时间为5-8min、氮气流量为30-40L/min；吹氮结束后，切换至氩气进行软吹，吹氮和吹氩时间≥15min，软吹过程中测温，于1555℃～1560℃吊包浇注以获得钢锭；使用氩气保护罩对浇注钢流进行保护以防止吸气净化钢水。浇注前对钢锭模内进行吹氩气以防止钢水被氧化；浇注使用的钢锭模温度为30～60℃、干燥无裂纹；在补注到帽口1/2时加1.2～1.5kg/t发热剂。钢锭完全凝固后进缓冷坑缓冷100～150h脱模。
下面将结合对本发明优选实施方案进行详细说明。
实施例1-5
实施例1-5分别提供一种六兆瓦以上海上风电大功率机组法兰用钢锭及其生产方法，其化学成分如表1所示：
表1实施例1-5中六兆瓦以上海上风电大功率机组法兰用钢锭的化学成分表
含量(wt％) 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
C 0.15 0.16 0.14 0.15 0.16
Si 0.23 0.25 0.26 0.25 0.24
Mn 1.36 1.35 1.41 1.37 1.38
P 0.009 0.008 0.012 0.010 0.007
S 0.003 0.002 0.001 0.003 0.002
V 0.031 0.028 0.032 0.029 0.030
Al 0.035 0.031 0.028 0.030 0.029
Nb 0.025 0.025 0.026 0.024 0.025
H ppm 1.1 0.9 1.3 1.2 1.5
O ppm 9.6 11.3 14.1 12.8 13.3
N ppm 68 71 65 74 66
As+Pb+Sb+Bi+Sn 0.012 0.009 0.010 0.012 0.014
上述六兆瓦以上海上风电大功率机组法兰用钢锭采用以下方法生产，具体包括以下步骤 (实施例1-5中不同的是需要控制不同的元素含量，使得最终的产品成分如表1所示)：
(a)对钢包进行预热；待钢包红热时检查钢包内无残渣、包口无冷钢；
(b)向EAF电弧炉中加入质量比例为50％的铁水和50％的废钢，使用活性石灰进行脱 P，至钢水中C的质量百分比含量为0.06～0.08wt％、P的质量百分比含量≤0.012wt％且温度为1620～1650℃时出钢；出钢时随钢流加入1.5～2kg/t Al块对钢液进行预脱氧(本步骤中的数值区间对最终产品的性能影响不大)；
(c)对钢水进行LF精炼；用电石和SiC以2:1的比例多批次、小批量脱氧维持还原气氛，以控制Si的质量百分比含量下限为0.15～0.20％且过程定[O]满足≤8ppm，随后在吊包前喂1.5～2m/t Al线，以1650～1670℃的温度进行吊包(本步骤中的数值区间对最终产品的性能影响不大)；
(d)在高真空的条件下(真空度≤67pa)对钢水进行循环脱气以对钢水进行VD精炼，使得钢水中H≤0.8ppm、O≤10ppm和S≤0.005％；
(e)真空处理结束后，喂入Si-Ca线1.5m/t，加钢包覆盖剂5-8包(现有常规的钢包覆盖剂)、碳化稻壳3-4包覆盖保温(本步骤中的数值区间对最终产品的性能影响不大)；
(f)开启底吹氮气，对所述钢水进行软氮，时间控制在5-8min，氮气流量30-40L/min；吹氮结束后，切换至氩气进行软吹(流量设定为25-45L/min)，吹氮+吹氩时间≥15min；软吹过程中测温，在1555℃～1560℃吊包浇注以获得钢锭(即Q355NE钢锭)；使用氩气保护罩对浇注钢流进行保护以防止吸气净化钢水；浇注前对钢锭模内进行吹氩气以防止钢液被氧化；浇注使用的钢锭模温度为30～60℃、干燥无裂纹；在补注到帽口1/2时加1.2～1.5kg/t发热剂 (常规的炼钢发热剂即可)；(h)钢锭完全凝固后进缓冷坑缓冷120h脱模。
实施例1-5中钢锭的化学成分表各类型非金属夹杂物(按GB/T10561方法测定)含量如表2所示
表2实施例1-5中钢锭(Q355NE)的化学成分表(各类型非金属夹杂物含量表)
夹杂物类型 A B C D DS
实施例1 0 0.5 0 0.5 0.5
实施例2 0.5 0.5 0 0.5 0
实施例3 0 0.5 0 0.5 0.5
实施例4 0 0 0.5 0.5 0
实施例5 0 0 0 0 0.5
注：表中夹杂物类型：A类硫化物、B类氧化铝、C类硅酸盐、D类球状氧化物和Ds单颗粒球状氧化物。
将实施例1-5中Q355NE钢锭锻件进行力学性能检测，其结果如表3所示：
表3实施例1-5中Q355NE钢锭锻件力学性能检测结果表
力学性能 屈服强度Mpa 抗拉强度Mpa 断后延伸率％ -50℃冲击功
实施例1 314 512 32 71
实施例2 305 530 34 70
实施例3 318 527 31 73
实施例4 295 540 34 68
实施例5 302 538 36 72
由表3可见，通过本发明方法获得的风电法兰用钢的力学性能满足：屈服强度275-355MPa，抗拉强度：470～630MPa，延伸率≥25％，Z≥33.0％，均满足技术协议要求。且制备得到的海上风电用法兰锻件低温冲击韧性满足(-50℃)：≥50J，能够有效保证风电机组长期稳定运行。
对比例1-3
对比例1-3分别提供一种六兆瓦以上海上风电大功率机组法兰用钢锭及其生产方法，其与实施例1中的基本一致，不同的是其元素含量不同，具体见表4：
表4对比例1-3中六兆瓦以上海上风电大功率机组法兰用钢锭的化学成分表
含量(wt％) 对比例1 对比例2 对比例3
C 0.20 0.15 0.15
Si 0.23 0.40 0.23
Mn 1.60 1.16 1.12
P 0.009 0.009 0.009
S 0.003 0.003 0.003
V - - -
Al 0.035 0.035 0.035
Nb - - -
H ppm 1.1 1.1 1.1
O ppm 9.6 9.6 9.6
N ppm 68 68 68
As+Pb+Sb+Bi+Sn 0.012 0.012 0.030
将对比例1-3中钢锭锻件进行力学性能检测，其结果如表5所示：
表5对比例1-3中钢锭锻件力学性能检测结果表
力学性能 屈服强度Mpa 抗拉强度Mpa 断后延伸率％ -50℃冲击功
对比例1 405 610 27 31
对比例2 331 486 28 38
对比例3 344 510 29 35
由表5可见，当钢锭元素组分超出本申请的范围之后，获得的风电法兰用钢的力学性能不能满足海上风电用法兰锻件的低温冲击韧性要求，不能有效保证风电机组长期稳定运行。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种六兆瓦以上海上大功率风电机组法兰用钢锭，其特征在于，它包括以下质量百分含量的化学成分：
C:0.13-0.18%、Si：0.15-0.35%、Mn：1.30-1.50%、P≤0.015%、S≤0.005%、V：0.02-0.06%、Al：0.020-0.050%、Nb：0.020-0.050%，H≤0.0002%、O≤0.0020%和N：60-110ppm，As+Pb+Sb+Bi+Sn≤0.025%、余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述六兆瓦以上海上大功率风电机组法兰用钢锭，其特征在于，它包括以下质量百分含量的化学成分：C:0.14-0.16%、Si：0.23-0.26%、Mn：1.35-1.41%、P≤0.012%、S≤0.003%、V：0.028-0.032%、Al：0.028-0.035%、Nb：0.024-0.026%，H≤1.5ppm、O≤14.1%和N：65-74ppm，As+Pb+Sb+Bi+Sn≤0.014%、余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述六兆瓦以上海上大功率风电机组法兰用钢锭，其特征在于：它的屈服强度275-355Mpa、抗拉强度470-630Mpa、断后伸长率≥25%、厚度方向性能满足Z35级别且-50℃低温冲击≥50J。
4.权利要求1至3中任一所述六兆瓦以上海上大功率风电机组法兰用钢锭的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
（a）对钢包进行预热；
（b）以铁水和废钢为原料炼制得钢水，使用渣料进行脱P，至钢水中C的质量百分含量为0.06~0.08wt%、P的质量百分含量≤0.012wt%；于温度为1620~1650℃时出钢，出钢时随钢流水加入1.5~2kg/t 的铝块对钢水进行预脱氧；
（c）对所述钢水进行LF精炼，控制Si的质量百分含量下限区间为0.15~0.20%且定[O]满足≤8ppm；喂1.5~2.0m/t 铝线，以1650~1670℃的温度进行吊包；
（d）在高真空的条件下对钢水进行循环脱气以对所述钢水进行VD精炼，使得钢水中H≤0.8ppm 、O≤10ppm和S≤0.005%；
（e）向所述钢水中喂入1.2~1.8m/tSi-Ca线，加覆盖剂5-8包、碳化稻壳3-4包以覆盖保温；
（f）开启底吹氮气，对所述钢水进行吹氮；吹氮结束后，切换至氩气进行软吹，软吹过程中测温，于1555℃~1560℃吊包浇注以获得钢锭；使用氩气保护罩对浇注钢流进行保护以防止吸气净化钢水。
5.根据权利要求4所述六兆瓦以上海上大功率风电机组法兰用钢锭的生产方法，其特征在于：步骤（a）中，待钢包红热时检查其内无残渣、包口无冷钢。
6.根据权利要求4所述六兆瓦以上海上大功率风电机组法兰用钢锭的生产方法，其特征在于：步骤（b）中，向EAF电弧炉中加入所述铁水和所述废钢，其质量比为1：0.5~1.2；优选其质量比为1：1。
7.根据权利要求4所述六兆瓦以上海上大功率风电机组法兰用钢锭的生产方法，其特征在于：步骤（c）中，用电石和SiC以质量比2:1的比例进行小批量脱氧。
8.根据权利要求4所述六兆瓦以上海上大功率风电机组法兰用钢锭的生产方法，其特征在于：步骤（f）中，所述吹氮的时间为5-8min、氮气流量为30-40L/min，且吹氮和吹氩时间≥15min。
9.根据权利要求4所述六兆瓦以上海上大功率风电机组法兰用钢锭的生产方法，其特征在于：步骤（f）中，浇注前对钢锭模内进行吹氩气以防止钢水被氧化；浇注使用的钢锭模温度为30~60℃、干燥无裂纹；在补注到帽口1/2时加1.2~1.5kg/t发热剂。
10.根据权利要求4所述六兆瓦以上海上大功率风电机组法兰用钢锭的生产方法，其特征在于：步骤（f）中，钢锭完全凝固后进缓冷坑缓冷100~150h脱模。
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