CN116254468B

CN116254468B - 一种420MPa级高韧性风电用钢板及其制备方法

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Publication number: CN116254468B
Application number: CN202211709816.2A
Authority: CN
Inventors: 麻衡; 何金珊; 王中学; 武会宾; 张佩; 王腾飞; 孙正旭; 王月香; 李俊; 何康; 张庆普; 李艳
Original assignee: Shandong Iron and Steel Co Ltd; Laiwu Steel Group Yinshan Section Steel Co Ltd
Current assignee: Shandong Iron and Steel Co Ltd; Laiwu Steel Group Yinshan Section Steel Co Ltd
Priority date: 2022-12-29
Filing date: 2022-12-29
Publication date: 2024-03-12
Anticipated expiration: 2042-12-29
Also published as: CN116254468A

Abstract

本发明公开了一种420MPa级高韧性风电用钢板及其制备方法。该风电用钢的化学成分及其质量百分比为：C：0.02～0.04％，Si：0.15～0.25％，Mn：1.00～1.20％，Mo：0.15～0.25％，Cr：0.10～0.30％，Nb：0.04～0.06％，Ni：0.20～0.40％，Ti：0.01～0.02％，Alt：0.02～0.04％；N≤0.005％，P≤0.01％，S≤0.006％，其余为Fe和不可避免的杂质。该风电用钢在低碳微合金化的成分设计前提下，利用控轧控冷工艺方法制备，不仅降低工艺的总体成本，而且获得具有良好拉伸性能和高冲击韧性的钢板，其中钢板屈服强度≥430MPa，抗拉强度≥520MPa，断后伸长率≥30％，‑40℃冲击功≥350J；钢板经GMAW+SAW焊接后，接头处抗拉强度≥520MPa，‑40℃冲击功≥150J；焊接接头处在应力比0.5、循环10⁷条件下极限疲劳应力≥350MPa。

Description

一种420MPa级高韧性风电用钢板及其制备方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金的技术领域，具体涉及到一种420MPa级高韧性风电用钢板及其制备方法。

背景技术

风电资源是取之不尽，用之不竭的，风能是一种清洁无公害的可再生能源。风力发电不仅可以提供稳定电力需求，而且还有利经济的快速发展，可以有效缓解空气污染和全球变暖的问题，节省了煤炭和石油等常规能源，对节能减排做出积极贡献。在现如今世界发展的众多新能源中，风力发电技术相对成熟，并可以进行大规模的商业开发，中国属于能源消耗大国，发展可再生能源是当务之急，因此发展绿色环保的风能资源是必须的，风力发电规模化给风力发电设备的发展提供广阔的市场前景。

在碳达峰和碳中和的背景下，国家对风电行业的发展投入巨大，国内风电建设的热潮达到了白热化的程度，而我国风能资源丰富的地区主要集中草原、戈壁或者沿海地带上。在此恶劣环境下，风电塔筒所用钢材就需具备耐低温高冲击韧性的力学性能，同时具有较高的焊后强度后及优异的抗疲劳性能，以此保证钢材的整体质量和工作安全。

中国专利申请CN112662933A公开了一种耐低温冲击韧性风电钢的制备方法，具体公开了一种经济型风电钢，在低温达到-20℃时，冲击韧性的最小值≥100J。中国专利申请CN107475635A公开了一种耐低温高冲击韧性风电用钢及其生产方法，该专利具体实施例中钢板-40℃冲击功Akv2≥75J。在如今国内外风电机组大型化的前提下，风电用钢也需要进一步更新换代，因此我们需要开发一种高的低温冲击韧性的风电用钢，简化风电钢的工艺流程，降低成本满足风电用钢发展的需求，有利于新能源的开发利用和国民经济的可持续发展。

发明内容

本发明提供一种420MPa级高韧性风电用钢板及其制备方法，钢板采用控制轧制的工艺，获得晶粒细小均匀的均质铁素体组织，具有良好拉伸性能和高冲击韧性，同时焊后强度和抗疲劳性能优异。

为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种风电用钢，其钢板按重量百分比包括以下组分：C：0.02～0.04％，Si：0.15～0.25％，Mn：1.00～1.20％，Mo：0.15～0.25％，Cr：0.10～0.30％，Nb：0.04～0.06％，Ni：0.20～0.40％，Ti：0.01～0.02％，Alt：0.02～0.04％；N≤0.005％，P≤0.01％，S≤0.006％，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：增加钢淬透性和淬硬性，显著增加钢的强度和硬度，但含碳量的增加，又会减小钢的塑性和延展性，使钢材变脆，降低强度，因此本发明的碳含量控制在0.02～0.04％。考虑到合金元素设计合理性和资源节约性，应该严格控制极低碳的化学成分含量。

Si：可以用作很好的脱氧元素，增加钢的抗氧化性能，也可提高钢中的铁素体组织，是保证强度的必要元素，但硅含量超过0.25％，可能会引起钢材中铁素体基体组织变脆，降低钢的塑性和韧性，钢变形加工较为困难，因此本发明的硅含量控制在0.15～0.25％。

Mn：可以控制氧化物和硫化物的含量，使钢的组织均匀，细化，避免聚集块状的碳化物，对钢材的强度和韧性均有良好的强化作用，但锰含量超过1.20％，轧制时开裂倾向增加，并恶化钢材的可焊性，降低钢材硬度的均匀性，因此本发明的锰含量控制在1.00～1.20％。

Mo：提高钢的淬透性和强度，改善钢的韧性和延展性，对铁素体有固溶强化的作用，但钼含量增加也会恶化钢的抗氧化性能，且钼元素作为重要战略物资，要注意使用合理性和节约性，因此本发明钼含量控制在0.15～0.25％。

Cr：显著提高钢的淬透性，促使钢的表面形成钝化膜，提高钢的抗氧化性能，可以提高钢的强度和韧性，但铬含量超过0.30％，降低钢材组织均匀性，钢的冲击韧性也会随之降低，而且考虑到铬的成本较高，使用时要加以限制，因此本发明的铬含量控制在0.10～0.30％。

Nb：以固溶形式存在钢中可提高钢的淬透性，促进晶粒细化，提高钢的强度和冲击韧性，但铌含量超过0.06％，会恶化焊接性能，冷变形能力变差，因此本发明的铌含量控制在0.04～0.06％。

Ni：可以提高钢的强度和塑性，镍在钢中不会与碳形成碳化物，而是以固溶形式存在于铁素体基体组织中，可以强化细化铁素体晶粒的作用，特别是可以改善钢材的低温冲击韧性，若镍含量超过0.40％，在焊接时易产生裂纹，降低钢的力学性能，镍属于稀缺资源，要尽可能减少使用量，因此本发明的镍含量控制在0.20～0.40％。

Ti：作为钢中良好脱氧的元素，与钢中的碳元素结合，形成稳定的碳化钛，有阻止钢晶粒长大粗化的作用，并对钢的低温冲击韧性有改善作用，但钛含量超过0.02％，碳化钛微粒的含量和尺寸增加，钢材的强度和韧性会降低，因此本发明的钛含量控制在0.01～0.02％。

Alt：代表钢中的全铝含量，可以用来脱氧，还有细化晶粒，改善韧性的作用，控制铝含量可提高钢的纯净度和疲劳强度，但铝含量过高，致使钢中氧化铝系夹杂物增加，恶化钢材的力学性能，因此本发明中的Alt含量控制在0.02～0.04％。

N：有固溶强化的作用，可以与钢中的铝元素结合成AlN，可以在钢中起沉淀强化的作用，用来细化晶粒，氮含量超过0.005％，AlN含量增加会导致裂纹容易产生，TiN夹杂的增加会降低钢材韧性，因此本发明氮含量控制在0.005％以下。

P、S：是钢中不可避免地有害杂质元素，磷与铁形成低熔点化合物，提高钢的强度和耐磨性，但磷也存在严重的偏析现象，降低塑性和韧性：硫可以用来改善钢材工件切削加工性，但由于硫的偏析和硫化物夹杂的产生，降低钢材的纯净度，将会增加钢轧制时的过热和过烧倾向，造成表面开裂。因此本发明的磷含量控制在0.01％以下，硫含量控制在0.006％以下。

本发明风电用钢的生产步骤主要包括钢坯加热和控制轧制等。其中，控制轧制工艺又分为粗轧工序和精轧工序。

钢坯加热工序中，钢坯加热温度控制在1150～1200℃，保温时间控制在100～150min。以此保证有充分的时间奥氏体化。

粗轧工序中，粗轧温度始终控制在1050℃以上。以此保证钢材在粗轧过程中在奥氏体再结晶区轧制，使原始奥氏体晶粒通过再结晶来进一步得到细化。

精轧工序中，精轧开轧温度控制在850～870℃，精轧终轧温度控制在820～840℃。精轧温度控制在奥氏体相的未再结晶区变形，通过充分压扁过程，随后相变过程中得到均匀细小的铁素体晶粒。并且由于奥氏体未再结晶区碳化物和氮化物析出量增多，使相变前原始奥氏体晶粒更加细小，相变后晶粒更加细小，从而使钢板的综合性能得到有效提高。

轧制工序中，粗轧工序阶段道次的累积压下率不小于50％，精轧工序阶段道次的累计压下率不小于55％。

钢板轧制后冷却阶段，冷却方式为空冷。以此获得细小均匀的晶粒，提高强度和冲击韧性。

钢板完全满足GMAW+SAW焊接条件，整个焊接过程无需预热。其中GMAW打底焊接控制线热输入≤15kJ/cm，层间温度≤180℃；SAW焊接控制热输入可实现≥25kJ/cm，层间温度≤250℃，焊接道次依据钢板厚度确定。钢板焊后接头处抗拉强度≥520MPa、-40℃冲击功≥150J，焊接后接头处强韧性能优异。

钢板经焊接后接头处抗疲劳性能优异，疲劳试验应力比为0.5，即设定最小加载应力与最大加载应力比值为0.5条件下，采用正弦波应力循环≥10⁷次，测得焊接接头处疲劳极限应力值≥350MPa。

与现有技术相比，采用本发明的技术方案的有益效果如下：

1.本发明通过合理设计钢板的化学成分，降低碳含量，减少贵重稀缺元素的含量，降低了合金成本，控制磷、硫等元素含量，增加钢材纯净度；

2.利用控制轧制的工艺来生产钢板，减少轧后热处理的流程，降低工序成本；

3.本发明钢通过合理的成分设计，配合控制轧制温度的工艺，可细化和均匀化相变前的原始奥氏体晶粒，从而达到细化相变后晶粒的目的，制备高强度和低温冲击韧性良好的低合金钢；

4.本发明生产的420MPa级高强韧风电钢板可实现无预热、高热输入焊接，大幅提高生产效率，同时焊后接头具有高强度同时低温韧性良好；

5.本发明设计的成分及工艺体系可实现焊接接头处高疲劳极限控制。

附图说明

图1为本发明实施例风电用钢板的金相组织(近表面)；

图2为本发明实施例风电用钢板的金相组织(1/2厚度)；

图3本发明实施例风电用钢板的焊接示意图；

图4本发明实施例风电用钢板的焊后宏观金相组织。

具体实施方式

为了使上述技术方案变得更得清晰明了，下面将结合具体实施例对该方案进一步描述说明。

为满足未来风电用钢对性能的高要求，需要一种新的制备方法，来生产具有耐低温高冲击韧性的钢板，尤其具有优异抗疲劳性能的钢材。

实施例1

该风电用钢的实施例中化学成分组成及质量百分比如表1所示(wt％)。

表1风电用钢化学成分组成及质量百分比

C	Si	Mn	Mo	Cr	Nb
						0.025	0.2	1.1	0.2	0.2	0.05
Ni	Ti	N	P	S	Alt
						0.3	0.015	0.003	0.008	0.001	0.03

该风电用钢的实施例制备方法步骤主要包括钢坯加热、控制轧制工艺等。

加热工序中，钢坯加热温度1200℃，保温时间控制在120min。

控制轧制工序，粗轧温度始终控制1050℃以上，精轧的开轧温度控制在860℃，终轧温度控制在830℃。

冷却阶段，冷却方式为空冷。

本发明的风电用钢严格控制合金元素的含量，并且配合控轧控冷的工艺，既简化生产工艺流程，降低工艺成本，又提高风电用钢的析出强化及细晶强化效果，通过控制钢的轧制温度，得到细小均匀的多边形铁素体组织的钢板，其金相组织如图1和图2所示，从图1和图2可以看出，铁素体晶粒平均尺寸控制在10μm以下。

该风电用钢强度优异，高冲击韧性，钢板母材屈服强度为460MPa、抗拉强度为634MPa，断后伸长率32％，-40℃冲击功均值为352J，母材强韧性优异。

所述钢板经GMAW+SAW焊接后，焊接示意图如图3所示，焊接接头处抗拉强度为629MPa(全焊缝拉伸)、-40℃冲击功均值为≥162J，焊缝处综合力学性能优异。焊接工艺、力学性能如表2、表3所示。

表2钢板焊接工艺

表3钢板焊后力学及疲劳性能

焊后宏观金相组织如图4所示，从图4可以看出，焊后接头的焊缝没有气孔、夹渣、裂纹、咬边以及未焊透等缺陷。本发明生产的钢板强韧性良好，焊后接头力学性能稳定，抗疲劳断裂能力强，可大幅提升风电塔筒设备使用寿命，有利于未来风电用钢和风电设备等行业的快速发展。

实施例2

该风电用钢的实施例中化学成分组成及质量百分比如表4所示(wt％)。

表4风电用钢化学成分组成及质量百分比

C	Si	Mn	Mo	Cr	Nb
						0.030	0.15	1.00	0.15	0.10	0.04
Ni	Ti	N	P	S	Alt
						0.20	0.01	0.002	0.006	0.001	0.02

加热工序中，钢坯加热温度1150℃，保温时间控制在150min。

控制轧制工序，粗轧温度始终控制1050℃以上，精轧的开轧温度控制在850℃，终轧温度控制在820℃。

冷却阶段，冷却方式为空冷。

本发明的风电用钢严格控制合金元素的含量，并且配合控轧控冷的工艺，既简化生产工艺流程，降低工艺成本，又提高风电用钢的析出强化及细晶强化效果，通过控制钢的轧制温度，得到细小均匀的多边形铁素体组织的钢板，铁素体晶粒平均尺寸控制在10μm以下。

该风电用钢强度优异，高冲击韧性，钢板母材屈服强度为472MPa、抗拉强度为654MPa，断后伸长率33％，-40℃冲击功均值为362J，母材强韧性优异。

所述钢板经GMAW+SAW焊接后，焊接示意图如图3所示，焊接接头处抗拉强度为639MPa(全焊缝拉伸)、-40℃冲击功均值为≥170J，焊缝处综合力学性能优异。焊接工艺、力学性能如表2、表5所示。

表5钢板焊后力学及疲劳性能

本发明焊后接头的焊缝没有气孔、夹渣、裂纹、咬边以及未焊透等缺陷。

实施例3

该风电用钢的实施例中化学成分组成及质量百分比如表6所示(wt％)。

表6风电用钢化学成分组成及质量百分比

C	Si	Mn	Mo	Cr	Nb
						0.040	0.25	1.20	0.25	0.30	0.06
Ni	Ti	N	P	S	Alt
						0.40	0.02	0.002	0.006	0.001	0.02

加热工序中，钢坯加热温度1200℃，保温时间控制在100min。

控制轧制工序，粗轧温度始终控制1050℃以上，精轧的开轧温度控制在870℃，终轧温度控制在840℃。

冷却阶段，冷却方式为空冷。

该风电用钢强度优异，高冲击韧性，钢板母材屈服强度为455MPa、抗拉强度为643MPa，断后伸长率31％，-40℃冲击功均值为365J，母材强韧性优异。

所述钢板经GMAW+SAW焊接后，焊接示意图如图3所示，焊接接头处抗拉强度为642MPa(全焊缝拉伸)、-40℃冲击功均值为≥162J，焊缝处综合力学性能优异。焊接工艺、力学性能如表2、表7所示。

表7钢板焊后力学及疲劳性能

本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种420MPa级高韧性风电用钢板的制备方法，其特征在于，该钢板的化学成分及其质量百分比为：C：0.02～0.04％，Si：0.15～0.25％，Mn：1.00～1.20％，Mo：0.15～0.25％，Cr：0.10～0.30％，Nb：0.04～0.06％，Ni：0.20～0.40％，Ti：0.01～0.02％，Alt：0.02～0.04％；N≤0.005％，P≤0.01％，S≤0.006％，其余为Fe和不可避免的杂质；

所述制备方法包括钢坯加热和控制轧制；其中，控制轧制分为粗轧工序和精轧工序；所述控制轧制后冷却阶段，冷却方式为空冷；轧制温度应始终控轧在1050℃以上；

通过控制钢的轧制温度，得到细小均匀的多边形铁素体组织的钢板，钢板中，铁素体晶粒平均尺寸控制在10μm以下；

所述钢板经GMAW+SAW焊接后，接头处抗拉强度≥520MPa，-40℃冲击功≥150J；焊接接头处在应力比0.5、循环10⁷条件下极限疲劳应力≥350MPa。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钢板的屈服强度≥430MPa，抗拉强度≥520MPa，断后伸长率≥30％，-40℃冲击功≥350J。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钢坯加热中，钢坯加热温度控制在1150～1200℃，保温时间控制在100～150min。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述精轧工序中，精轧开轧温度控制在850～870℃，精轧终轧温度控制在820～840℃。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述控制轧制中，粗轧工序阶段道次的累积压下率不小于50％，精轧工序阶段道次的累计压下率不小于55％。