CN114941100A - 一种130-155特厚低碳当量f级高强度海上风电用钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种130‑155mm特厚低碳当量F级高强度海上风电用钢板及其生产方法，化学成分是基于船级社规范而进行的改进，按重量百分比计：C：0.11～0.13％，Si：0.15～0.40％，Mn：1.30～1.60％，P：≤0.010％，S：≤0.0050％，Nb：0.030～0.050％，V：0.030～0.060％，Al：0.020～0.050％，Ti：0.008～0.020％，Ni：0.30～0.50％，Ca:0.0005～0040％，余量为Fe。碳当量CEV≤0.42％。采用模铸钢锭、开坯、轧制、堆缓冷和调质热处理的生产方式成型。组织为晶粒尺寸介于8～20μm的铁素体+珠光体混合组织。

Description

一种130-155特厚低碳当量F级高强度海上风电用钢板及其制 造方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金领域，具体涉及F级高强度海上风电用钢板及其生产方法。

背景技术

由于服役环境的特殊性，需要求钢板具备高强度，良好的低温冲击韧性应变时效性能、焊接性能、耐腐蚀性、抗层状撕裂性等综合机械性能。国家标准GB712-2011《船舶及海洋工程用结构钢》及船级社规范规定FH36钢板认证最大厚度为150mm。而本专利可生产钢板最大厚度为155mm，并将其碳当量控制在0.42％以下，为下游企业提高焊接效率。满足客户对特大厚度钢板的使用需求。就目前生产技术能力，无论采用正火、TMCP任意一种交货方式都无法满足本专利中涉及的碳当量≤0.42％，最大厚度达 155mm的FH36钢板的性能要求。

经检索，关于目前公开的发明专利或文献涉及FH36钢仅应用于LPG、LEG船上，如中国专利公开文献CN102851623A获得了一种80mm厚F36-Z35钢板，加入大量的Nb、V、Ni等贵重元素；中国专利文献202110548828一种经济型破冰船用FH36钢板及其制备方法，采用TMCP工艺，厚度介于20-40mm；中国专利文献202010818865一种正火态交货的100-120mm厚海上风电管桩用FH36钢板及其制备方法，采用正火工艺生产，添加大量Nb、V、Ni、Cu等贵重金属，碳当量达0.49％。尚未有公开应用于海上风电管桩用130mm厚度以上FH36钢板的生产方法介绍。

综上，现有技术还不能生产性能优良的130～155mm特厚F级高强度海上风电用钢板FH36。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术不足，填补国内超大厚度FH36空白，基于九国船级社成分体系下，提供一种130～155mm特厚低碳当量F级高强度海上风电用钢板及其生产方法，以满足海上风电用钢高强度、高冲击韧性、易卷制、易焊接、耐腐蚀的高标准要求。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种130-155mm特厚低碳当量F级高强度海上风电用钢板，该钢板的化学成分是基于船级社规范，利用Al、Nb、V、Ti晶粒细化元素，并添加Ni等合金元素，以达到提高钢板强度及韧性，控制P、S、O、N、 H的含量，提升材料的洁净度。化学成分按重量百分比计为：C：0.11～0.13％，Si： 0.15～0.40％，Mn：1.30～1.60％，P：≤0.010％，S：≤0.0050％，Nb：0.030～0.050％， V：0.030～0.060％，Al：0.020～0.050％，Ti：0.008～0.020％，Ni：0.30～0.50％，Ca: 0.0005～0040％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

进一步地，上述钢板的碳当量CEV≤0.42％，其中碳当量CEV由熔炼分析成分采用公式(1)计算，

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

优选地，钢板的化学成分按重量百分比为C：0.12％，Si：0.35％，Mn：1.50％，P：≤0.0080％，S：≤0.0030％，Nb：0.035％，V：0.040％，Al：0.035％，Ti：0.018％，Ni： 0.35％，Ca:0.0015％，CEV：0.42％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

本发明风电钢板的元素成分的设计原理：

C的加入可以增加钢的淬透性，特别是对于超大厚度钢板，可以显著提高钢板强度，但是过高的C含量会严重影响低温冲击韧，同时不利于焊接性能以及耐蚀性能，所以本发明中碳含量为低碳控制，介于0.11～0.13％。

Si主要用于脱氧，适当的Si含量可以强化铁素体，提高钢的强度和硬度及耐腐蚀性，同时降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性。但其含量若超过0.40％，又易形成柱状晶，增加热裂倾向，造成心部偏析以及破坏焊接性能，因此控制其范围在0.15～ 0.40％。

Mn在所述钢中具有推迟奥氏体向铁素体转变的作用，有助于细化铁素体，提高强度和低温韧性。当锰的含量较低时，上述作用不显著。过高则会引起铸坯中心偏析、韧性差和可焊性降低，同时船级社规范要求锰含量上限为1.60％，考虑到合金的组合添加，本发明规定锰含量介于1.30～1.60％的范围内。

Nb在钢种形成Nb(C,N)等间隙中间相，在轧制再结晶过程中，阻碍了位错的钉扎及亚晶界的迁移，从而增加了再结晶时间，扩大奥氏体未再结晶区间，减少了钢板轧制生产时的待温时间。并在冷却及回火过程中形成析出物，既改善了钢的强韧性，又提高了钢的耐蚀性能，一定量的Nb含量配合其它成分设计可以形成针状铁素体，达到改善钢组织的目的。添加量小于0.030％时效果不明显，大于0.050％时韧性降低，导致铸坯表面产生裂纹。因此，本发明中规定铌含量介于0.030～0.050％范围内。

V与N具有较强亲和力，可以固定钢中自由氮含量，改善了钢材的应变时效性能，同时V(C，N)在化合物奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，在控轧过程中抑制奥氏体的再结晶并阻止晶粒长大，从而起到细化铁素体晶粒、提高钢的强韧性作用。本发明中规定钒含量介于0.020～0.050％范围内。

Ti合金元素的加入形成强碳化物，阻碍晶粒的长大粗化。

Al作为脱氧剂加入钢中，同时可以减少钢中的夹杂物含量，细化晶粒。但过多的Al会影响铸坯表面质量，产生表面裂纹。因此，全Al含量应控制在0.020～0.050％。

Ca处理是本发明钢种的必要处理环节。在冶炼过程中0.0005～0.0040％的Ca不仅可以使硫化物上浮排除，还可以使尖锐的Al₂O₃夹杂变性为球性低熔点夹杂，从而减少钢板轧制过程中硬质夹杂物尖角处微裂纹的产生，提高钢板冲击韧性。

Ni在钢中起到固溶强化作用，也可以提高钢的淬透性，最重要的是可以有效提高钢的低温韧性。此外，与钢中残余Cr、P复合作用，将有助于提高钢的耐腐蚀性，但是由于Ni合金价格较高，为了降低生产成本提高市场竞争力。故在本发明中，规定镍含量介于0.30～0.50％。

P虽能提高耐蚀性，但会降低低温韧性和妨碍可焊性，对结构钢是不适当的，本发明因为是钢锭冶炼，规定其上限为0.010％。

S形成MnS夹杂物，也会导致中心偏析，对耐蚀性也有不良影响，本发明规定其控制在0.0050％以下。

本发明另提供上述海上风电用FH36钢板的生产方法，工序如下：

1、冶炼

钢水冶炼为符合成分设计要求，然后采用模铸的方式浇注为钢锭；优选选用优质废钢，LF精炼时间控制在40min以上，VD精炼真空度≤133Pa，真空时间≥15min；破真空后定氢[H]≤1.2ppm同时进行成品样N含量分析，[N]含量控制在60ppm以下；破真空后喂硅钙线，软吹时间≥5min。模铸全过程采用低过热度保护浇注，过热度控制在 25-50℃范围内，严格控制浇注速度、脱帽时间、脱锭时间，钢锭脱帽后，带模缓冷48 小时后脱模，清理温度≤200℃。

2、开坯

将钢锭开坯成坯料，并对坯料缓冷，优选地，优先开坯至450mm厚，开坯后对坯料进行扩氢处理，加罩缓冷，缓冷时间＞48h，下线温度＞500℃。

3、轧制

将坯料加热完全奥氏体化，优选将钢坯再加热至1180～1250℃，加热时间为11～13min/cm，使钢中的合金元素充分固溶以保证最终产品的成份及性能的均匀性。钢坯出炉后经22MPa高压水除磷，避免轧制时因氧化物压入影响钢板表面质量。而后进行粗轧+精轧两阶段控制轧制，粗轧开轧温度1050～1100℃，充分利用设备能力加大单道次压下量，保证粗轧后三道单道次压下率为≥13％；待温厚度1.4-1.8倍于成品钢板厚度，精轧开轧温度800～840℃，尽量减少轧制道次量，总轧制道次为8～14道次，精轧完成后进行空冷。

4、堆缓冷

将轧制后的钢板在≥400℃高温下进行堆缓冷36小时以上。

5、热处理：

对轧制冷却后的钢板进行调质热处理：

淬火：采用无氧化辊底式淬火炉，淬火温度为880～920℃，进炉至出炉时间为1.6～ 2.2min/mm。

回火：采用辊底式明火回火炉，回火温度为620-660℃，进炉至出炉时间为2.5～3.5min/mm。

钢板在厚度方向上不存在明显的梯度组织，钢板基体组织为均匀细小的铁素体+珠光体混合组织，平均晶粒尺寸为8-20μm。

与现有技术相比，本发明的特点\优点在于：

1)采用低碳微合金成分设计，将碳当量CEV控制在0.42％以下，使钢板具有良好的焊接性能。使得焊接接头在-60℃低温下仍满足船级社可焊性要求，大大提高了下游企业的焊接效率。

2)成分设计中添加Nb、V、Ti等细化晶粒元素，通过Nb可以提高非再结晶温度，将精轧开轧温度下限温度提高到800℃，有利于减少道次，缩短待温时间，并通过Nb 在钢板轧后冷却和回火后空气中冷却过程中有效析出，钉轧铁素体晶粒三角晶界、晶界、晶内来限制铁素体的快速长大。结合V、Ti沉淀强化作用，使钢板兼具高强度及良好的低温韧性。

3)相对较低的Ni含量成分，匹配合理的轧制、调质工艺，得到均匀细小的铁素体+珠光体组织，有效地保证了-60℃的低温冲击韧性，大大降低了生产成本，提高了市场竞争力。

4)采用高纯净度钢水冶炼技术，严格控制钢中有害元素P、S、O、H等有害元素特别控制钢中的氧含量，可适用于其它高标准特厚钢种的生产。

附图说明

图1为本发明实施例1中钢板1/4厚度处的金相组织，为均匀细小的铁素体+珠光体的混合组织；

图2为本发明实施例1中钢板1/2厚度处的金相组织，为均匀细小的铁素体+珠光体的混合组织，由于钢板厚度方向上冷却速度的差异，钢板心部晶粒较厚度1/4略大。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

各实施例对应的特厚FH36钢板化学成分见表1，表中数据为各元素的质量百分比含量，剩余为Fe及不可避免的杂质元素。

表1实例特厚130～155mm海上风电管桩用FH36钢板的化学成分(wt％)

实施例	C	Si	Mn	P	S	Ni	Al	Nb	V	Ti	Ca	CEV
													1	0.11	0.33	1.50	0.0069	0.0022	0.335	0.032	0.034	0.036	0.0139	0.0007	0.398
2	0.12	0.34	1.45	0.0075	0.0019	0.329	0.031	0.033	0.038	0.0147	0.0012	0.399
													3	0.12	0.35	1.52	0.0062	0.0021	0.346	0.037	0.035	0.036	0.0149	0.0009	0.410
4	0.12	0.34	1.48	0.0071	0.0021	0.338	0.028	0.036	0.036	0.0151	0.0009	0.403

FH36钢板的生产工艺如下：

(1)冶炼：采用100吨电炉冶炼，然后钢水经过LF炉精炼及VD真空脱气处理，破空后进行Ca处理。

(2)模铸：将冶炼的钢水浇铸成950mm厚的钢锭。浇铸温度控制在液相线以上 25-50℃。随后将冒口切除。

(3)钢锭扩氢处理：连钢锭入坑缓冷扩氢，在坑时间为48小时。出坑后在200℃以上进行表面缺陷清理。

(4)开坯：将钢锭加热后开坯成450mm厚坯料，并再次进行加罩堆缓冷扩氢处理，缓冷时间为48小时。

(5)轧制：将步骤(4)所得坯料放入步进式加热炉，将铸坯加热至1180～1250 ℃，加热时间为11～13min/cm，使钢中的合金元素充分固溶以保证最终产品的成份及性能的均匀性。钢坯出炉后经高压(≥21MPa)水除鳞，而后进行粗轧+精轧两阶段控制轧制，粗轧的开轧温度为1050～1100℃，充分利用设备能力，加大单道次压下量，保证粗轧后三道单道次压下率为≥13％，待温厚度1.4～2.0倍于成品厚度，精轧开轧温度 800～840℃，尽量减少轧制道次量，总轧制道次为8～14道次，精轧完成后空冷至下线堆垛冷却。实例参数见表2。

(6)调质热处理：将步骤(5)所得钢板送入无氧化辊底式淬火炉，淬火温度为 880-920℃，钢板进炉至出炉时间为1.6-2.2min/mm。而后再将钢板送入辊底式明火回火炉，回火温度为620-660℃，进炉至出炉时间为2.5～3.5min/mm。

(7)对回火后的钢板进行横向拉伸、纵向冲击性能检测及金相组织观察。

按上述工艺流程生产的实例钢板的性能见表3。130-155mm厚FH36钢板厚度1/4 处横向拉伸性能的屈服强度介于379-392MPa，抗拉强度介于515-534MPa的范围，延伸率≥29％，厚度1/4处横向拉伸性能的屈服强度介于365-376MPa，抗拉强度介于 509-532MPa的范围，延伸率≥28.5％，-60℃下厚度1/4处夏比纵向冲击功≥177J，1/2处夏比纵向冲击功≥145J。

钢板板形良好，避免因钢板不平度的问题导致焊接应力，使焊缝薄弱区出现裂缝，保证海上风电机组的结构安全性。结合可靠的焊接技术，保证特厚海上风电用FH36钢板具有良好的焊接性能，提高安装效率。钢板整板探伤结果满足ASTM A578/A578M C 级要求。钢板表面无裂纹、皱折、贴边、分层、氧化铁皮压入等缺陷。

图1、2给出了实施例典型的微观组织照片。成品钢板的微观组织为均匀细小的铁素体+珠光体的混合组织，晶粒尺寸介于8-20μm；钢板1/2厚度处由于冷却速度较慢，其组织较厚度1/4处略微粗大。可见，通过合理的成分设计匹配合适的轧制及调质工艺，如此大厚度的钢板，组织控制优异。在满足钢板高强度的同时，保证了钢板-60℃低温冲击韧性。

表2轧制工艺控制

表3本发明实例拉伸、冲击、Z向性能

尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种130-155mm特厚低碳当量F级高强度海上风电用钢板，其特征在于：所述钢板的化学成分是基于船级社规范而进行的改进：化学成分按重量百分比计为：C：0.11～0.13％，Si：0.15～0.40％，Mn：1.30～1.60％，P：≤0.010％，S：≤0.0050％，Nb：0.030～0.050％，V：0.030～0.060％，Al：0.020～0.050％，Ti：0.008～0.020％，Ni：0.30～0.50％，Ca:0.0005～0040％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的130-155mm特厚低碳当量F级高强度海上风电用钢板，其特征在于：碳当量CEV≤0.42％，其中碳当量CEV由熔炼分析成分采用公式(1)计算，

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

3.根据权利要求1所述的130-155mm特厚低碳当量F级高强度海上风电用钢板，其特征在于：钢板的化学成分按重量百分比为C：0.12％，Si：0.35％，Mn：1.50％，P：≤0.0080％，S：≤0.0030％，Nb：0.035％，V：0.040％，Al：0.035％，Ti：0.018％,Ni：0.35％，Ca:0.0015％，CEV：0.42％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

4.根据权利要求1所述的130-155mm特厚低碳当量F级高强度海上风电用钢板，其特征在于：钢板的基体组织为均匀细小的铁素体+珠光体的混合组织，晶粒尺寸介于8～20μm。

5.根据权利要求1所述的130-155mm特厚低碳当量F级高强度海上风电用钢板，其特征在于：钢板厚度1/4处横向拉伸性能的屈服强度379-392MPa，抗拉强度515-534MPa，延伸率≥29％，厚度1/4处横向拉伸性能的屈服强度365-376MPa，抗拉强度509-532MPa的范围，延伸率≥28.5％，-60℃下1/4厚度处夏比纵向冲击功≥177J，1/2厚度处夏比纵向冲击功≥145J。

6.一种权利要求1所述的130-155mm特厚低碳当量F级高强度海上风电用钢板的生产方法，其特征在于：包括如下工序，

(1)冶炼工艺

钢水冶炼，并将钢水浇铸成钢锭；

(2)开坯

钢锭开坯，开坯后对坯料进行扩氢处理，加罩缓冷；

(3)轧制

将坯料再加热使组织奥氏体化，而后进行粗轧+精轧两阶段控制轧制，粗轧开轧温度1050～1100℃，粗轧后三道单道次压下率为≥13％；待温厚度1.4-1.8倍于成品钢板厚度，精轧开轧温度800～840℃，尽量减少轧制道次量，总轧制道次为8～14道次，精轧完成后进行空冷；

(4)堆缓冷

轧后的钢板在≥400℃高温下进行堆缓冷36小时以上；

(5)热处理：

对轧制冷却后的钢板进行调质热处理。

7.根据权利要求6所述的130-155mm特厚低碳当量F级高强度海上风电用钢板，其特征在于：步骤(1)的钢水冶炼用的原料要选用优质废钢，LF精炼时间控制在40min以上，VD真空处理的真空度≤133Pa，真空保持时间≥15min；破真空后定氢[H]≤1.2ppm，并对钢水取样进行N含量分析，直至[N]含量满足60ppm以下为佳；破真空后向钢水中喂硅钙线，软吹时间≥5min；

钢锭模铸全过程进行保护浇注，浇注过热度控制在25-50℃范围内，钢锭脱帽后，带模缓冷48小时以上后脱模，清理温度≤200℃。

8.根据权利要求6所述的130-155mm特厚低碳当量F级高强度海上风电用钢板，其特征在于：步骤(2)中，钢锭开坯至450mm厚，开坯后对坯料进行扩氢处理，加罩缓冷，缓冷时间≥48h，下线温度≥500℃。

9.根据权利要求6所述的130-155mm特厚低碳当量F级高强度海上风电用钢板，其特征在于：步骤(3)中，坯料加热至1180～1250℃，加热时间为11～13min/mm，使钢中的合金元素充分固溶，钢坯出炉后除磷。

10.根据权利要求6所述的130-155mm特厚低碳当量F级高强度海上风电用钢板，其特征在于：步骤(5)中，淬火：采用无氧化辊底式淬火炉，淬火温度为880～920℃，进炉至出炉时间为1.6～2.2min/mm；回火：采用辊底式明火回火炉，回火温度为620-660℃，进炉至出炉时间为2.5～3.5min/mm。

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