CN116005075A - 一种风电叶片预埋螺套用钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于风电叶片预埋螺套用钢技术领域，具体涉及一种风电叶片预埋螺套用钢及其生产方法。成分为：C 0.40‑0.42％，Si 0.20‑0.27％，Mn 0.7‑0.8％，Cr 1.05‑1.15％，S≤0.015％，P≤0.018％，Mo 0.16‑0.18％，余量为Fe及不可避免杂质；步骤包括冶炼、精炼、真空脱气、连铸、连轧和螺套加工；本发明结合组分和工艺的优化，所制备的风螺套用钢与常规使用的42CrMoA钢材料相比，使钢的淬透性显著提高，圆钢端淬J11硬度由46HRC提高至53‑55HRC，圆钢端淬J35硬度由31.5HRC提高至39‑41HRC，取得了显著的技术效果。
Description
技术领域
本发明属于风电叶片预埋螺套用钢技术领域，具体涉及一种风电叶片预埋螺套用钢及其生产方法。
背景技术
风电用的10.9级高强度叶片预埋螺套由于长期在野外服役，环境恶劣，维修条件差，在正常连续工作情况下，风电用的高强度叶片预埋螺套要求必须保证15年以上的使用寿命。对于钢铁制造企业来说，风电用叶片预埋螺套用钢无疑是一个潜在巨大的市场。高强度风电用叶片预埋螺套合结钢棒材，主要钢种为42CrMoA，规格：
该钢调质后要求具有很好的高温和低温综合机械性能，低温冲击韧性KV2(-40℃)≥27J。这对风电用钢原材料品质也提出了越来越高的要求。
目前国内生产风电叶片预埋螺套用钢用钢主要使用普通42CrMoA钢，还停留在仅仅满足国标要求的水平上，材料淬透性低，加工的叶片预埋螺套热处理壁厚的螺套淬不透，已无法满足要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种风电叶片预埋螺套用钢及其生产方法，通过调整提高Mn和Cr，材料淬透性得到明显提高，使材料热处理工艺性得到提高；相同热处理工艺下(正火温度870℃，端淬温度845℃)，与常规使用的钢材料相比，材料淬透性明显提高；成分控制上通过添加Al，奥氏体晶粒度8.0级；相同热处理工艺下(淬火温度为850℃±15℃，回火温度560℃±50℃)，与常规使用的钢材料相比，力学性能明显提高。本发明通过优化成分设计、优化工艺等手段，将风电叶片预埋螺套用钢的生产水平提升了档次，并广泛应用于各类风机上。
为了实现以上目的，本发明首先提供一种风电叶片预埋螺套用钢，由下列质量百分比的成分组成：C：0.40-0.42％，Si：0.20-0.27％，Mn：0.70-0.80％，Cr：1.05-1.15％，S≤0.015％，P≤0.018％，Mo：0.16-0.18％，其余含量为Fe及不可避免杂质。
下面具体说明本发明一种高淬透性、10.9级高强度风电叶片预埋螺套用钢化学成分的限定理由。
C：C能与多种元素一起形成不同的碳化物，并显著提高钢的强度，同时又可以提高钢的淬透性和淬硬性，但也使钢的塑韧性恶化。C是提高钢的强度最廉价元素。如果C含量低于0.40％，强度达不到客户使用要求。如果C含量高于0.42％，材料的韧性将降低，因此取C含量控制在0.40-0.42％。
Si：Si在钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中。它提高钢中固溶体的强度，仅次于P，但同时也在一定程度上降低钢的韧性和塑性，Si易使钢呈带状组织。Si虽然也提高钢的淬透性，但由于Si含量高了，易于产生石墨化现象和增加表面的脱碳倾向，石墨化的出现，降低了钢的塑性和耐冲击性能及淬硬性，因此仅用Si提高共析钢和亚共析钢淬透性的办法没有实际的意义。所以本发明按照螺套用钢使用的各项性的要求，适当采用低的Si含量。所以Si取值范围为：0.20-0.27％。
Mn：Mn和铁形成固溶体，提高铁素体和奥氏体的强度和硬度；同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子。Mn在钢中由于降低钢的临界转变温度，所以起到细化珠光体的作用，也间接起到提高珠光体强度的作用；扩大奥氏体相区，提高奥氏体组织稳定性，强烈的增加钢的淬透性；当Mn含量低于0.70％时，材料的力学性能很难达到风电用钢的使用要求，当Mn含量高于0.8％时，加大了工件淬火后的变形趋势，对螺套热处理工艺十分不利，另外Mn含量高时，有使晶粒粗化的倾向、增加钢的回火脆敏感性，综合考虑Mn含量确定为0.70-0.80％。
Cr：Cr和铁能形成连续固溶体和多种碳化物，能显著提高材料的淬透性，同时能提高钢的抗腐蚀和耐磨性，但Cr亦增加钢的回火脆性。铬能提高钢的强度和硬度，显著提高钢的脆性转变温度。加入Cr，可以与锰起到相互激发的作用，充分发挥锰的作用，更能大大降低临界冷却速度，而使钢的淬透性显著提高，所以确定Cr含量为1.05-1.15％。
此外，P、S等杂质元素易在晶界偏聚，使钢脆性大大增加，而降低材料的冲击韧性，在低温环境中这种影响更加严重，需要尽可能降低其含量，本发明P控制在0.018％以下，S控制在0.015％以下。
本发明还提供一种风电叶片预埋螺套用钢的生产方法，包括以下步骤：
(1)转炉冶炼：
在顶底复吹式碱性转炉中进行吹炼，转炉冶炼终点控制，目标[C]：0.12～0.20％；目标[P]≤0.015％；出钢目标温度≥1600℃；
(2)精炼：
基于步骤(1)转炉冶炼后的钢水在LF精炼炉中进行精炼，埋弧稳定后，加入石灰、萤石，调整炉渣流动性；白渣保持时间≥20min；
(3)VD真空脱气：
在LF精炼后，采用VD脱气设备进行真空脱气，真空度≤67pa，保持时间≥10min；保证破空时[H]≤1.5ppm、[O]≤20ppm；软吹时间为≥20分钟；
(4)连铸：
基于步骤(3)的VD真空脱气处理后，利用连铸机，全程保护浇铸，控制钢水吸气，连铸过程增氮≤3ppm；采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌，保持恒拉速浇注，拉速控制≤0.05m/min；大包铸余钢水量≥2.5吨，中包铸余钢水量＞3.5吨，最终经连铸后得到钢坯；钢坯避风堆冷≥36小时；
(5)连轧：
基于步骤(4)连铸得到的连铸方坯装入加热炉加热，预热段温度≤750℃，加热一段温度950～1050℃，加热二段温度1150～1220℃，均热段温度1160～1220℃，总加热时间≥180min，加热二段及均热段时间共计≥110min；出炉温度1160～1220℃，终轧温度≥850℃；轧制的压缩比≥12；连轧后的圆钢堆垛于其他热钢材中间，避风缓冷不小于36h，得到最终钢材；
(6)加工螺套：
钢坯连轧后，得到的钢材经钻孔、淬火、回火处理后，车螺纹成螺套。
进一步地，步骤(1)中出钢目标温度范围为1600～1680℃。
进一步地，步骤(2)LF精炼工序中，以精炼钢水的总量计，相关添加物用量如下：
石灰0-2kg/t、萤石0-2kg/t。
进一步地，步骤(3)中软吹时间为15-25分钟。
进一步地，步骤(4)中采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌，结晶器电磁搅拌频率2Hz，末端电磁搅拌频率10Hz。
进一步地，步骤(5)中预热段温度为650℃，加热一段温度980℃，加热二段温度1180℃，均热段温度1180℃，出炉温度1170℃。
进一步的，步骤(6)中，淬火温度在840℃～860℃范围内，回火温度在540℃～580℃范围内。
本发明的优点和技术效果是：
第一、本发明的一种风电叶片预埋螺套用钢及其生产方法，本发明通过优化组分，提高材料淬透性；限定Mn含量确定为0.70-0.80％，当Mn含量低于0.70％时，材料的力学性能很难达到风电用钢的使用要求，当Mn含量高于0.8％时，加大了工件淬火后的变形趋势，对螺套热处理工艺十分不利，另外Mn含量高时，有使晶粒粗化的倾向、增加钢的回火脆敏感性，不能盲目提升。另一方面，严格控制Cr含量为1.05-1.15％，再此用量条件下可以与锰起到相互激发的作用，充分发挥锰的作用，更能大大降低临界冷却速度，而使钢的淬透性显著提高。
第二、本发明的一种风电叶片预埋螺套用钢及其生产方法，结合组分和工艺的优化，实现强化脱S、去夹杂，最终所制备的风电叶片预埋螺套用钢，与常规使用的42CrMoA钢材料相比，螺套热处理圆钢端淬J11硬度由46HRC提高至53-55HRC，圆钢端淬J35硬度由31.5HRC提高至39-41HRC，取得了显著的技术效果。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行详细描述，但本发明不局限于这些实施例。
目前国内使用的风电螺套用钢42CrMoA钢与本发明的化学成分对比情况如表1所示。
采用以下生产工艺制备：
1)转炉冶炼：在顶底复吹式碱性转炉中进行吹炼，副枪定成分，使用出钢红外下渣检测+滑板机构控制下渣，防止出钢回P，控制出钢P≤0.010％，出钢铝类脱氧剂及高纯合金进行预脱氧及成分初调，目标[C]：0.12～0.20％，出钢目标温度≥1600℃；
2)精炼：基于步骤(1)转炉冶炼后的钢水在LF精炼炉中进行精炼，埋弧稳定后，以精炼钢水的总量计，加入0～2kg/t石灰、0～2kg/t萤石，调整炉渣流动性；白渣保持时间≥20min，转包前5min不得补铝、添加合金及辅料，升温范围不得＞15℃；精炼过程强化脱S、去夹杂；
3)VD真空脱气：在LF精炼后，采用VD脱气设备进行真空脱气，真空度≤67pa的高真空下保持15分钟以上，保证破空时[H]≤1.5ppm、[O]≤20ppm；软吹：进行软吹处理，全程流量、压力自动监控，软吹时间为15-25分钟；
4)连铸：基于步骤(3)的VD真空脱气处理后，利用连铸机，全程保护浇铸，控制钢水吸气，连铸过程增氮≤3ppm；采用结晶器+二冷+末端电磁搅拌，拉速控制≤0.05m/min，保持恒拉速浇注，大包铸余≥2.5吨，中包铸余钢水量＞3.5吨，得到钢坯；钢坯避风堆冷≥36小时；其中，采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌，结晶器电磁搅拌频率2Hz，末端电磁搅拌频率10Hz，实现了成分偏析小。
5)连轧：基于步骤(4)连铸得到的连铸方坯装入加热炉加热，预热段温度≤750℃，加热一段温度950～1050℃，加热二段温度1150～1220℃，均热段温度1160～1220℃，总加热时间≥180min，加热二段及均热段时间共计≥110min；出炉温度1160～1220℃，终轧温度≥850℃；轧制的压缩比≥12；连轧后的圆钢堆垛于其他热钢材中间，避风缓冷不小于36h，得到最终钢材；
6)加工螺套
钢坯经轧制后，经钻孔、淬火(淬火温度850±15℃，油)+回火(温度560±50℃)处理后，车螺纹成螺套。
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，为本领域公知，不作细化介绍。
通过上述步骤生产得到的风电叶片预埋螺套用钢与现有技术的风电螺套用钢42CrMoA钢的性能对比如表2所示。
实施例1：
化学成分如下：
C：0.42％，Si：0.21％，Mn：0.76％，Cr：1.09％，S：0.004％，P：0.013％，Mo：0.17％，其余为Fe。
基于上述组分制备的螺套，其相关性能如表3所示。
实施例2：
化学成分如下：
C：0.40％，Si：0.20％，Mn：0.75％，Cr：1.10％，S：0.005％，P：0.015％，Mo：0.17％，其余为Fe。
基于上述组分制备的螺套，其相关性能如表4所示。
表1风电螺套用钢42CrMoA钢与本发明的化学成分对比
表2本发明风电叶片预埋螺套用钢与42CrMoA钢的性能对比
表3实施例1产品性能测试结果
表4实施例2产品性能测试结果
由表4和表5可知，实施例1和实施例2的圆钢端淬硬度远超现有技术的42CrMoA钢的性能。
本发明通过优化组分，提高了材料淬透性；限定Mn含量确定为0.70-0.80％，同时严格控制Cr含量为1.05-1.15％，再此用量条件下可以与锰起到相互激发的作用，充分发挥锰的作用，更能大大降低临界冷却速度，而使钢的淬透性显著提高。
结合组分和工艺的优化，实现强化脱S、去夹杂，最终所制备的风电叶片预埋螺套用钢，与常规使用的42CrMoA钢材料相比，螺套热处理圆钢端淬J11硬度由46HRC提高至53-55HRC，圆钢端淬J35硬度由31.5HRC提高至39-41HRC，取得了显著的技术效果。
说明：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
Claims (8)
1.一种风电叶片预埋螺套用钢，其特征在于，由下列质量百分比的成分组成：
C：0.40-0.42％，Si：0.20-0.27％，Mn：0.70-0.80％，Cr：1.05-1.15％，S≤0.015％，P≤0.018％，Mo：0.16-0.18％，其余含量为Fe及不可避免的杂质；所述风电叶片预埋螺套用钢端淬J11硬度为53-55HRC，圆钢端淬J35硬度为39-41HRC。
2.根据权利要求1所述的一种风电叶片预埋螺套用钢的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)转炉冶炼：
在顶底复吹式碱性转炉中进行吹炼，转炉冶炼终点控制，目标[C]：0.12～0.20％；目标[P]≤0.015％；出钢目标温度≥1600℃；
(2)精炼：
基于步骤(1)转炉冶炼后的钢水在LF精炼炉中进行精炼，埋弧稳定后，加入石灰、萤石，调整炉渣流动性；白渣保持时间≥20min；
(3)VD真空脱气：
在LF精炼后，采用VD脱气设备进行真空脱气，真空度≤67pa，保持时间≥10min；保证破空时[H]≤1.5ppm、[O]≤20ppm；软吹时间为≥20分钟；
(4)连铸：
基于步骤(3)的VD真空脱气处理后，利用连铸机，全程保护浇铸，控制钢水吸气，连铸过程增氮≤3ppm；采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌，保持恒拉速浇注，拉速控制≤0.05m/min；大包铸余钢水量≥2.5吨，中包铸余钢水量＞3.5吨，最终经连铸后得到钢坯；钢坯避风堆冷≥36小时；
(5)连轧：
基于步骤(4)连铸得到的连铸方坯装入加热炉加热，预热段温度≤750℃，加热一段温度950～1050℃，加热二段温度1150～1220℃，均热段温度1160～1220℃，总加热时间≥180min，加热二段及均热段时间共计≥110min；出炉温度1160～1220℃，终轧温度≥850℃；轧制的压缩比≥12；连轧后的圆钢堆垛于其他热钢材中间，避风缓冷不小于36h，得到最终钢材；
(6)加工螺套：
钢坯连轧后，得到的钢材经钻孔、淬火、回火处理后，车螺纹成螺套。
3.根据权利要求2所述的一种风电叶片预埋螺套用钢的生产方法，其特征在于，步骤(1)中出钢目标温度1600～1680℃。
4.根据权利要求2所述的一种风电叶片预埋螺套用钢的生产方法，其特征在于，步骤(2)LF精炼工序中，以精炼钢水的总量计，相关添加物用量如下：石灰0-2kg/t、萤石0-2kg/t。
5.根据权利要求2所述的一种风电叶片预埋螺套用钢的生产方法，其特征在于，步骤(3)中软吹时间为15-25分钟。
6.根据权利要求2所述的一种风电叶片预埋螺套用钢的生产方法，其特征在于，步骤(4)中采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌，结晶器电磁搅拌频率2Hz，末端电磁搅拌频率10Hz。
7.根据权利要求2所述的一种风电叶片预埋螺套用钢的生产方法，其特征在于，步骤(5)中预热段温度为650℃，加热一段温度980℃，加热二段温度1180℃，均热段温度1180℃，出炉温度1170℃。
8.根据权利要求2所述的一种风电叶片预埋螺套用钢的生产方法，其特征在于，步骤(6)中，淬火温度在840℃～860℃范围内，回火温度在540℃～580℃范围内。
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