CN115233108A - 一种经济型风电塔筒用q355nf钢板及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种经济型风电塔筒用Q355NF钢板及其生产方法，属于中厚钢板加工技术领域，所述Q355NF钢板包括以下重量百分数的化学组分：C：0.11‑0.14％、Si：0.10‑0.20％、Mn：1.30‑1.50％、P：≤0.015％、S：≤0.003％、Als：0.015‑0.035％、Nb：0.030‑0.040％、Ti：0.010‑0.020％，其余为Fe及不可避免的杂质。本发明通过调控中厚钢板的轧态性能以及热处理正火工艺，使得制备的Q355NF钢板在不添加贵重金属镍元素和大幅度缩短正火处理时间的前提下，实现正火后‑60℃冲击≥100J，具有低成本、正火周期短等特点。该钢板经济性好，生产周期短，强度富余量适中，具有较好的冷塑性和超低温韧性，可应用于风力发电等低于‑40℃超低温环境。

Description

一种经济型风电塔筒用Q355NF钢板及其生产方法
技术领域
本发明涉及中厚钢板加工技术领域，尤其涉及一种经济型风电塔筒用Q355NF钢板及其生产方法。
背景技术
风电行业作为国家新能源重点应用领域，风电场环境主要分为：温带(-20℃以上)、寒带(-20℃～-40℃)、超低温(-40℃以下)。在风电场的建设过程中，塔筒制作对钢板材质的要求越来越高。Q355NF钢板是一种低温钢板，冲击温度为-60°。
目前，Q355NF钢板是通过加入0.15-0.30％的镍元素以及正火的技术路线来提高钢板的韧性，以达到-60℃冲击的要求。一方面，镍元素属于贵重合金，加入0.15-0.30％的镍会增加Q355NF钢板的制造成本；另一方面，目前采用的正火处理周期较长，普遍在炉系数为2.0min/mm以上，如40mm钢板，传统正火处理在炉时间一般在80min以上，造成Q355NF钢板制造周期长，交货慢。
申请号为202110240832.0的发明专利公开了一种直角折弯用Q355NE钢板及其生产方法，该专利通过调整中厚钢板的化学成分以及生产工艺，使得制备的Q355NE钢板具有良好的强度、塑性、韧性和成型性。但是该专利仅适用于-40℃以上环境使用，而并不能用于低于-40℃以下的超低温环境。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种经济型风电塔筒用Q355NF钢板及其生产方法，本发明通过合理的合金元素配比，在不添加镍元素的前提下，通过对轧态性能控制，缩短正火在炉时间，实现了经济型Q355NF的生产，并满足-60℃冲击≥100J，且该方法制备的钢板具有低成本、正火周期短等特点。
本发明的第一个目的是提供一种经济型风电塔筒用Q355NF钢板，所述Q355NF钢板包括以下重量百分数的化学组分：C：0.11-0.14％、Si：0.10-0.20％、Mn：1.30-1.50％、P：≤0.015％、S：≤0.003％、Als：0.015-0.035％、Nb：0.030-0.040％、Ti：0.010-0.020％，其余为Fe及不可避免的杂质。
优选的，所述Q355NF钢板的厚度为16-40mm。
碳：是廉价的固溶强化元素，在兼顾其固溶强化的同时，又要避免其含量过高会对韧性和塑性产生损害，本发明的重要特征是控制轧态指标，使得正火后更多的遗传轧态特征，故为保障轧态冲击性能，碳含量应尽可能的低，因此我们将其限定在0.11-0.14％。
硅：是有效的钢液脱氧元素，作用为预脱氧并防止气泡等缺陷的产生，如果硅含量低于0.20％，则有可能产生气泡缺陷，但是硅含量过高会导致钢板在轧制过程生产硅橄榄石附着在钢板表面，导致除鳞不尽，钢板表面易产生氧化铁皮压入等缺陷，不利于塔筒涂漆后美观；同时硅的升高导致焊接裂纹敏感性指数升高，不利于塔筒制作焊接性能的保障。由于钢中加入大量的铝块和钛铁，而铝和钛是相比硅更强的脱氧元素，可代替硅元素避免气泡的产生，所以，将其含量限定在0.10-0.20之间。
锰：锰是提高强度和韧性的有效元素，特别是对于正火处理，锰是保障强度的必要元素。但是锰含量过高会增加碳当量和焊接裂纹敏感性指数，导致不利于焊接及成型组织的产生，因此，设定其含量限定在1.30～1.50％。
磷：磷是钢中有害元素之一，特别对冷塑性冷成型性能危害最大，由于此发明生产的是最低-60℃环境使用的钢板，因此最大设定其含量上限为0.015％。
硫：硫是钢中有害元素之一，通常在钢中以硫化锰夹杂的形式存在，恶化钢的韧性并造成性能的各向异性。所以，钢中硫含量越低越好，将钢中硫含量控制在0.003％以下。
铝：一方面铝是强脱氧元素，可以有效的控制钢中的氧含量；另一方面，铝也是细化晶粒元素，有利于韧性的提高，但是过多的铝会导致氧化铝夹杂的产生，不利于浇注和性能的提高，所以将铝含量限定在0.015-0.035％之间。
铌：一方面，铌具有较好的细晶强化作用，并且可以改善钢板的韧性，降低韧脆转变温度；另一方面，铌能够通过可通过析出强化提高钢的强度，通常铌含量高于0.040％时不利于低温韧性，因此设定铌含量为0.030-0.040％。
钛：钛作为细化晶粒元素，在一定范围内可以提高钢的强韧性，并有助于焊接热影响区性能的保障，但加入过量的钛会生成氮化钛大颗粒夹杂影响超低温韧性，为安全起见，因此将钛含量限定在0.010-0.020％。
本发明的第二个目的是提供所述经济型风电塔筒用Q355NF钢板的生产方法，包括如下步骤：
(1)将上述化学成分的钢水进行冶炼，并将冶炼后的钢水浇注成250mm厚的板坯；
(2)将板坯进行切割后进行加热处理；
(3)对加热处理的板坯进行粗轧和精轧后，轧制成品规格；
(4)轧后钢板立即加速冷却；
(5)对轧后钢板进行-60℃冲击性能检测，确保冲击功三个平均值≥34J；
(6)对钢板进行正火处理和ACC加速冷却。
优选的，步骤(2)所述加热处理的加热段温度为1130-1180℃，均热段为1100-1150℃，加热时间为180-210min，均热时间为20min。
随着板坯加热的温度的降低，微合金化钢的原始奥氏体晶粒尺寸细化，降低加热温度对于含Nb钢有明显的改善韧性效果，能够大幅度降低韧脆转变温度，由于生产为-60℃冲击钢板，更需进一步降低加热温度，但是由于加热温度降低，相应的要延长加热时间和均热时间，因此，设定加热段温度为1130-1180℃，均热段为1100-1150℃，加热时间为180-210min，均热时间为20min。
优选的，步骤(3)所述粗轧的开轧温度为1030-1070℃，粗轧末道次950-1000℃，中间坯厚度≥2.5倍成品厚度，最小中间坯厚度≥40mm。
优选的，步骤(3)所述精轧的开轧温度为820～900℃，精轧终轧温度780～820℃。
通过再结晶区和未再结晶区两阶段控轧，细化奥氏体晶粒，通过精轧开坯厚度的保证和终轧温度的降低，在奥氏体内增加形核点，进一步细化组织转变后铁素体晶粒，保障轧后-60℃冲击≥34J。
优选的，步骤(4)所述冷却工序中精轧钢板进入层流冷却装置进行冷却，终冷温度为640～660℃，冷却时间为10s～20s，冷却速度为5～10℃/s。
轧后低温冲击检测：本发明的重点在轧后低温韧性控制和缩短正火在炉时间系数两个方面，由于正火在炉时间短，因此正火后提高冲击的幅度有限，故重点控制轧后低温钢板-60℃冲击指标，在采取加热、轧制和冷却工艺后，钢板轧后-60℃冲击可稳定在34J以上。
优选的，步骤(6)所述正火处理的炉温为880-890℃，在炉时间系数为1.0-1.2min/mm，出炉温度为800-820℃。
优选的，步骤(6)所述ACC加速冷却的水压为0.20-0.22Mpa，终冷温度为660-700℃，冷却速度为3～5℃/s。
本发明通过缩短正火时间系数，更多的遗传轧态性能特点，在保障性能满足需求的同时生产周期加快，能源消耗降低，由于正火钢板断面上未完全奥氏体化，正火后钢板表层强度低，因此通过正火后加速冷却工艺进行弥补。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：合理设计Q355NF钢板的化学成分，放弃传统以添加Ni作为保障超低温韧性的手段，不添加贵重金属Ni元素，利用对轧态低温韧性的控制，通过控轧控冷工艺，在轧后钢板即获得较为理想的低温性能，随后在正火处理时，通过高炉温、短系数的操作方法，将轧态特点遗传至正火后钢板，并通过适当的正火后加速冷却，补充表层强度损失，使制得的钢板各项性能满足Q355NF的各项性能要求，由于不添加Ni元素，钢材成本优势明显，较传统降低150-300元，同时由于正火系数短，可大幅度缩短生产周期。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的Q355NF钢板的金相结构图；
图2为本发明实施例2制备的Q355NF钢板的金相结构图；
图3为本发明实施例3制备的Q355NF钢板的金相结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
下述实施例中所述试验方法或测试方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述原料和助剂，如无特殊说明，均从常规商业途径获得，或以常规方法制备。
实施例1
一种经济型风电塔筒用Q355NF钢板的制备方法，具体步骤如下：
(1)钢水经转炉冶炼、LF精炼处理后，连铸结晶器浇注成250mm厚的板坯；
(2)加热，连铸板坯进加热炉加热保温，加热段温度为1180℃，均热段温度为1130℃，加热时间为180min，均热时间20min；
(3)粗轧，钢坯出加热炉除鳞去除表面氧化皮后进入粗轧阶段，粗轧开轧温度为1050℃，粗轧终轧温度990℃，中间坯厚度为40mm；
(4)精轧，粗轧开坯后随即进行精轧阶段，精轧开轧温度为900℃，精轧终轧温度810℃；
(5)冷却，精轧钢板进入层流冷却装置进行冷却，终冷温度为660℃，冷却时间为10s，冷却速率为10℃/s；
(6)正火前检测，钢板-60℃纵向冲击三个值为62J/75J/102J，满足≥34J要求；
(7)正火加热，炉温890℃，在炉时间系数为1.0min/mm，在炉时间16min后出炉，出炉温度为805℃；
(8)正火后加速冷却，钢板出炉后随即进行ACC加速冷却，水压为0.20Mpa，终冷温度为665℃，冷却速度为3.5℃/s；
获得的最终成品钢板的厚度为16mm。
经检验最终成品钢板得知，Q355NF钢板其化学组分及各组分重量百分含量为：C：0.14％、Si：0.15％、Mn：1.45％、P：0.015％、S：0.003％、Als：0.022％、Nb：0.035％、Ti：0.018％，其余为Fe及不可避免的杂质。
使用电子显微镜对实施例1制备的Q355NF钢板进行金相组织观察检测，如图1所示，从图1可以看出钢板基体微观组织均匀细小，晶粒度达到10.5级。
分别使用设备微机屏显液压万能试验机、双立柱金属摆锤冲击试验机和连续弯曲试验机测量实施例1制备的正火Q355NF钢板的各项力学性能，其中上屈服强度ReH，抗拉强度Rm，延伸率A；使用双立柱金属摆锤冲击试验机测量纵向-60℃冲击Akv；连续弯曲试验机测量180°d＝2a冷弯试验，其中，d为(弯曲压头直径)，a为钢板厚度，冷弯试样进行180°弯折，试样表面无裂纹等缺陷，表示冷弯合格。
各项力学性能检测结果如表1所示：
表1实施例1制备产物各项力学性能测试结果
Figure BDA0003795296920000051
从表1可以看出实施例1制备的Q355NF钢板具有优良的强度、塑性和超低温韧性，其屈服强度达到389Mpa，较国标高出34Mpa，抗拉强度达到539Mpa，延伸率达到31.0％，具有较好的冷塑性，冷弯试样表面无任何缺陷；通过低温韧性试验可以看出，在-60℃时，纵向冲击功可达到100J以上，远高于要求值34J的水平，表明该钢具有良好的超低温韧性。
实施例2
一种经济型风电塔筒用Q355NF钢板的制备方法，具体步骤如下：
(1)钢水经转炉冶炼、LF精炼处理后，在连铸结晶器浇注成250mm厚的板坯；
(2)加热，连铸板坯进加热炉加热保温，加热段温度为1150℃，均热段温度为1120℃，加热时间为200min，均热时间20min；
(3)粗轧，钢坯出加热炉除鳞去除表面氧化皮后进入粗轧阶段，粗轧开轧温度为1035℃，粗轧终轧温度968℃，中间坯厚度为65mm；
(4)精轧，粗轧开坯后随即进行精轧阶段，精轧开轧温度为860℃，精轧终轧温度800℃；
(5)冷却，精轧钢板进入层流冷却装置进行冷却，终冷温度为640℃，冷却时间为16s，冷却速率为8.7℃/s；
(6)正火前检测，钢板-60℃纵向冲击三个值为80J/120J/56J，满足≥34J要求；
(7)正火加热，炉温890℃，在炉时间系数为1.2min/mm，在炉时间30min后出炉，出炉温度为812℃；
(8)正火后加速冷却，钢板出炉后随即进行ACC加速冷却，水压为0.22Mpa，终冷温度为670℃，冷却速度为3.8℃/s。
获得的最终成品钢板的厚度为25mm。
经检验最终成品钢板得知，Q355NF钢板其化学组分及各组分重量百分含量为：C：0.12％、Si：0.18％、Mn：1.50％、P：0.010％、S：0.001％、Als：0.033％、Nb：0.038％、Ti：0.018％，其余为Fe及不可避免的杂质。
使用电子显微镜对实施例2制备的Q355NF钢板进行金相组织观察检测，如图2所示，从图2可以看出钢板基体微观组织均匀细小，晶粒度达到10.0级。
分别使用设备微机屏显液压万能试验机、双立柱金属摆锤冲击试验机和连续弯曲试验机测量实施例2制备的Q355NF钢板的各项力学性能，其中上屈服强度ReH，抗拉强度Rm，延伸率A；使用双立柱金属摆锤冲击试验机测量纵向-60℃冲击Akv；连续弯曲试验机测量180°d＝3a冷弯试验，其中，d为(弯曲压头直径)，a为钢板厚度，冷弯试样进行180°弯折，试样表面无裂纹等缺陷，表示冷弯合格.
各项力学性能检测结果如表2所示：
表2实施例2制备产物各项力学性能测试结果
Figure BDA0003795296920000071
从表2可以看出实施例2制备的Q355NF钢板具有优良的强度、塑性和超低温韧性，其屈服强度达到374Mpa，较国标高出29Mpa，抗拉强度达到543Mpa，延伸率达到25.5％，具有较好的冷塑性，冷弯试样表面无任何缺陷；通过低温韧性试验可以看出，在-60℃时，纵向冲击功可达到100J以上，远高于要求值34J的水平，表明该钢具有良好的超低温韧性。
实施例3
一种经济型风电塔筒用Q355NF钢板的制备方法，具体步骤如下：
(1)钢水经转炉冶炼、LF精炼处理后，在连铸结晶器浇注成250mm厚的板坯；
(2)加热，连铸板坯进加热炉加热保温，加热段温度为1180℃，均热段温度为1120℃，加热时间为200min，均热时间20min；
(3)粗轧，钢坯出加热炉除鳞去除表面氧化皮后进入粗轧阶段，粗轧开轧温度为1040℃，粗轧终轧温度975℃，中间坯厚度为100mm；
(4)精轧，粗轧开坯后随即进行精轧阶段，精轧开轧温度为820℃，精轧终轧温度780℃；
(5)冷却，精轧钢板进入层流冷却装置进行冷却，终冷温度为645℃，冷却时间为20s，冷却速率为6.8℃/s；
(6)正火前检测，钢板-60℃纵向冲击三个值为48J/56J/80J，满足≥34J要求；
(7)正火加热，炉温880℃，在炉时间系数为1.2min/mm，在炉时间48min后出炉，出炉温度为810℃；
(8)正火后加速冷却，钢板出炉后随即进行ACC加速冷却，水压为0.20Mpa，终冷温度为686℃，冷却速度为3.0℃/s。
获得的最终成品钢板的厚度为40mm。
经检验最终成品钢板得知，Q355NF钢板其化学组分及各组分重量百分含量为：C：0.11％、Si：0.10％、Mn：1.49％、P：0.012％、S：0.001％、Als：0.020％、Nb：0.030％、Ti：0.015％，其余为Fe及不可避免的杂质。
使用电子显微镜对实施例3制备的Q355NF钢板进行金相组织观察检测，如图3所示，从图3可以看出钢板基体微观组织均匀细小，晶粒度达到9.5-10.0级。
分别使用设备微机屏显液压万能试验机、双立柱金属摆锤冲击试验机和连续弯曲试验机测量实施例3制备的Q355NF钢板的各项力学性能，其中上屈服强度ReH，抗拉强度Rm，延伸率A；使用双立柱金属摆锤冲击试验机测量纵向-60℃冲击Akv；连续弯曲试验机测量180°d＝3a冷弯试验，其中，d为(弯曲压头直径)，a为钢板厚度(>25mm减薄至25mm)，冷弯试样进行180°弯折，试样表面无裂纹等缺陷，表示冷弯合格。
各项力学性能检测结果如表3所示：
表3实施例3制备产物各项力学性能测试结果
Figure BDA0003795296920000081
从表3可以看出实施例3制备的Q355NF钢板具有优良的强度、塑性和超低温韧性，其屈服强度达到418Mpa，较国标高出73Mpa，抗拉强度达到552Mpa，延伸率达到34％，具有较好的冷塑性，冷弯试样表面无任何缺陷；通过低温韧性试验可以看出，在-60℃时，纵向冲击功可达到100J以上，远高于要求值34J的水平，表明该钢具有良好的超低温韧性。
以上所述仅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 (9)

1.一种经济型风电塔筒用Q355NF钢板，其特征在于，所述Q355NF钢板包括以下重量百分数的化学组分：C：0.11-0.14％、Si：0.10-0.20％、Mn：1.30-1.50％、P：≤0.015％、S：≤0.003％、Als：0.015-0.035％、Nb：0.030-0.040％、Ti：0.010-0.020％，其余为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的经济型风电塔筒用Q355NF钢板，其特征在于，所述Q355NF钢板的厚度为16-40mm。
3.根据权利要求1或2任一项所述的经济型风电塔筒用Q355NF钢板的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将上述化学成分的钢水进行冶炼，并将冶炼后的钢水浇注成250mm厚的板坯；
(2)将板坯进行切割后进行加热处理；
(3)对加热处理的板坯进行粗轧和精轧后，轧制成品规格；
(4)轧后钢板立即加速冷却；
(5)对轧后钢板进行-60℃冲击性能检测；
(6)对钢板进行正火处理和ACC加速冷却。
4.根据权利要求3所述的经济型风电塔筒用Q355NF钢板的生产方法，其特征在于，步骤(2)所述加热处理的加热段温度为1130-1180℃，均热段为1100-1150℃，加热时间为180-210min，均热时间为20min。
5.根据权利要求3所述的经济型风电塔筒用Q355NF钢板的生产方法，其特征在于，步骤(3)所述粗轧的开轧温度为1030-1070℃，粗轧末道次950-1000℃，中间坯厚度≥2.5倍成品厚度，最小中间坯厚度≥40mm。
6.根据权利要求3所述的经济型风电塔筒用Q355NF钢板的生产方法，其特征在于，步骤(3)所述精轧的开轧温度为820～900℃，精轧终轧温度780～820℃。
7.根据权利要求3所述的经济型风电塔筒用Q355NF钢板的生产方法，其特征在于，步骤(4)所述冷却工序中精轧钢板进入层流冷却装置进行冷却，终冷温度为640～660℃，冷却时间为10s～20s，冷却速度为5～10℃/s。
8.根据权利要求3所述的经济型风电塔筒用Q355NF钢板的生产方法，其特征在于，步骤(6)所述正火处理的炉温为880-890℃，在炉时间系数为1.0-1.2min/mm，出炉温度为800-820℃。
9.根据权利要求3所述的经济型风电塔筒用Q355NF钢板的生产方法，其特征在于，步骤(6)所述ACC加速冷却的水压为0.20-0.22MPa，终冷温度为660-700℃，冷却速度为3～5℃/s。
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