CN116287941B - 一种高强度风电螺栓用钢的生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强度风电螺栓用钢的生产方法，包括转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空处理、连铸浇注、控制轧制和缓冷工序，钢的化学组成重量百分比为：C=0.30%～0.44%、Si=0.15%～0.35%、Mn=0.30%～0.60%、Cr=0.50%～1.20%、Mo=0.45%～0.75%、V=0.10%～0.30%、Ni=0.45%～1.00%、Nb=0.10%～0.25%、Alt=0.040%～0.070%、P≤0.010%、S≤0.005%、Sn≤0.010%、Cu≤0.20%、O≤0.0012％、N=0.0090%～0.0120%，其余为Fe和不可避免的杂质。生产的高强度风电螺栓用钢适用于制作直径为30～80mm的14.9级风电螺栓，具有高强度和高韧性，且具有优良的耐延迟断裂性能和良好的耐蚀性能。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，涉及一种高强度风电螺栓用钢的生产方法。
背景技术
风能作为清洁能源的一种，其对于环保和气候改善的作用非常重要，是受到世界各国重视的可再生能源之一。风电技术快速发展离不开一套健全的风电制造供应链，这条供应链几乎包括所有风电机组部件的制造生产的基础设施。但是，有些关键的零部件仍需从国外进口，如叶片、轮毂、主轴、机架和连接用高强度螺栓。其中，高强度螺栓连接作为风电设备中应用最广泛的连接方式之一，具有施工简便、可拆卸、受力好和耐疲劳等优点，因而对产品的表面质量和内部质量均提出了严格要求。因此，开发用于风电行业的螺栓用钢具有极大的意义。
目前对14.9级风电螺栓用钢的主要研究方向，是提高高强螺栓的机械性能。所述14.9级风电螺栓用钢，适用于制作圆钢直径为30~80mm的风电螺栓，要求具有高强度和高韧性，热处理力学性能可达到：Rm≥1400MPa，屈强比RP0.2/Rm≥0.9，断后伸长率A≥10％，断面收缩率Z≥45％，-40℃冲击吸收功KV2≥40J，有良好的强度和塑韧性，且具有优良的耐延迟断裂性能和良好的耐蚀性能。
现有技术多采用大量加入贵重金属的办法提高钢的性能，但是生产成本较高。能否少采用贵重金属和尽量少改变现有一般生产线设备来提高钢的性能，成为很有意义的探索方向。
发明内容
本发明旨在提供一种高强度风电螺栓用钢的制造方法，得到的钢的奥氏体晶粒度≥10.0级，适用于制作直径为30~80mm的14.9级风电螺栓，且具有高强度和高韧性，热处理力学性能可达到14.9级螺栓要求：Rm≥1400MPa，屈强比RP0.2/Rm≥0.9，断后伸长率A≥10％，断面收缩率Z≥45％，-40℃冲击吸收功KV2≥40J，有良好的强度和塑韧性，且具有优良的耐延迟断裂性能和良好的耐蚀性能。
本发明的技术方案：
一种高强度风电螺栓用钢的生产方法，包括转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空处理、连铸浇注、控制轧制和缓冷工序，其特征在于：钢的化学组成重量百分比为：C= 0.30%～0.44%、Si=0.15%～0.35%、Mn=0.30%～0.60 %、Cr=0.50%～1.20% 、Mo=0.45%～0.75%、V=0.10%～0.30%、Ni=0.45%～1.00%、Nb=0.10%～0.25%、Alt=0.040%～0.070% 、P≤0.010%、S≤0.005%、Sn≤0.010%、Cu≤0.20%、O≤0.0012％、N=0.0090%～0.0120%，其余为Fe和不可避免的杂质，关键工艺步骤包括：
（1）冶炼：采用铁水和废钢作为原料，其中入炉铁水重量为120t±1t，废钢重量为30±1t，利用顶底复吹转炉进行冶炼，控制终点钢水目标成分C≥0.06%、P≤0.008%，留钢出钢，禁止下氧化渣，出钢过程加入复合脱氧剂造渣脱氧；
（2）精炼：LF采用高碱度造渣脱氧，喂入铝线将钢水中的铝调整至0.070%~0.090%，精炼升温至1600℃以上时喂入氮线调整至N=0.0080%~0.0110%；出站前喂入钙线对钢水进行钙处理，然后加入覆盖剂对钢水进行保护；进RH时抽真空到67Pa以下保真空时间15min后破空对钢水进行定氢并控制H≤1.5ppm，RH开启环流增氮；出站前软吹时间25~35min；
（3）连铸：二次冷却采用强冷，比水量为0.30 L/kg，中包过热度目标值15~25℃，通过轻压下工艺微调各区配水，配合结晶器与末端电磁搅拌减弱连铸偏析，控制进拉矫机温度在1050~1100℃，铸坯入垛堆冷36h；
（4）轧制：采用分段加热模式，预热段温度在500℃以下时间大于60min，均热段加热温度1200~1220℃时间大于80min；轧制采用大压下工艺，第一道次与第二道次压下率大于60%；进行穿水控制轧制，超低温终轧温度700~750℃，累计压下率大于80%；
（5）轧后缓冷：轧后穿水弱冷，控制上冷床温度720±20℃，冷床堆钢缓冷，快速出保温罩入缓冷坑，进坑温度500~550℃，坑内采取预热模式，第一层与最后一层采用别的热圆钢种缓冷。
用以上方法生产得到的钢的奥氏体晶粒度≥10.0级，适用于制作直径为30~80mm的14.9级风电螺栓，且具有高强度和高韧性，热处理力学性能可达到14.9级螺栓要求：Rm≥1400MPa，屈强比RP0.2/Rm≥0.9，断后伸长率A≥10％，断面收缩率Z≥45％，-40℃冲击吸收功KV2≥40J，有良好的强度和塑韧性，且具有优良的耐延迟断裂性能和良好的耐蚀性能。
本发明原理：在中碳合金结构钢的基础上优化Mn、Cr、Mo元素的含量，并添加适量的Nb、V、Ni和N来细化晶粒，降低有害元素P、S含量来提高材料韧性。冶炼过程通过原辅材料的控制和铸坯缓冷来去除钢中的H含量，连铸过程通过对过热度、拉速及末端电磁搅拌参数的合理优化来减少铸坯低倍缺陷。轧制过程通过分段加热工艺来均匀组织，并通过控轧控冷工艺来细化材料的晶粒，采取缓冷等措施来降低延迟断裂的风险，最后使得材料的综合性能得到了极大提高。
本发明的突出特点和显著效果主要体现在：在中碳合金结构钢的基础上，优化Mn、Cr、Mo元素的含量，并添加适量的Nb、V、Ni和N来细化晶粒，降低有害元素P、S、Sn含量来提高材料韧性；采用大压下量的初轧技术，前两道次压下率达到60%，破碎晶粒；采用超低温终轧技术，终轧温度控制在700~750℃，进一步细化晶粒；轧后堆钢快速收集，进行缓冷，控制700~740℃到500℃之间的缓冷速率在0.05℃/S，确保原始组织无贝氏体等脆性组织；可利用钢厂现有设备和工艺条件，在不大量增加投资和生产成本的情况下创造工艺生产优钢转特钢产品。
附图说明
图1为本发明实施例1的圆钢的金相组织图。
实施方式
下面结合实施例进一步说明。各实施例按转炉—精炼—连铸—轧制等工艺流程进行生产；各实施例钢的化学组成见表1 ，其余为Fe和不可避免的杂质；各实施例生产的圆钢金相组织结果见表2 。
实施例1
高强度风电螺栓用钢的制造方法，关键工艺步骤：
（1）冶炼：转炉入炉铁水铁水重量为120.5t，废钢重量为30t；终点钢水C为0.08%、P为0.008%。
（2）精炼：LF炉精炼渣终渣碱度为7.2；RH软吹28min，出站温度为1540℃。
（3）连铸二冷比水量0.30L/KG，中包过热度20℃，监控铸坯进拉矫机温度1050~1080℃，微调二冷配水。
（4）轧制：预热段温度为480℃以下，时间为65min，高温段温度控制在1220℃、时间85min，终轧温度710℃。
（5）轧后直接穿水冷却和控冷，上冷床温度730℃，进坑温度510℃。
实施例2
高强度风电螺栓用钢的制造方法，关键工艺步骤：
（1）冶炼：转炉入炉铁水铁水重量为120.8t，废钢重量为30.2t；终点钢水C为0.07%、P为0.006%。
（2）精炼：LF炉精炼渣终渣碱度为6.5；RH软吹31min，出站温度为1541℃。
（3）连铸二冷比水量0.30L/KG，中包过热度21℃，监控铸坯进拉矫机温度1060~1090℃，微调二冷配水。
（4）轧制：预热段温度为500℃以下，时间为63min，高温段温度控制在1210℃、时间88min，终轧温度715℃。
（5）轧后直接穿水冷却和控冷，上冷床温度720℃，进坑温度500℃。
实施例3
高强度风电螺栓用钢的制造方法，关键工艺步骤：
（1）冶炼：转炉入炉铁水铁水重量为119.8t，废钢重量为31t；终点钢水C为0.07%、P为0.007%。
（2）精炼：LF炉精炼渣终渣碱度为6.6；RH软吹31min，出站温度为1540℃。
（3）连铸二冷比水量0.30L/KG，中包过热度23℃，监控铸坯进拉矫机温度1050~1080℃，微调二冷配水。
（4）轧制：预热段温度为500℃以下，时间为70min，高温段温度控制在1220℃、时间90min，终轧温度720℃。
（5）轧后直接穿水冷却和控冷，上冷床温度735℃，进坑温度510℃。
实施例4
高强度风电螺栓用钢的制造方法，关键工艺步骤：
（1）冶炼：转炉入炉铁水铁水重量为121.0t，废钢重量为29.5t；终点钢水C为0.09%、P为0.007%。
（2）精炼：LF炉精炼渣终渣碱度为6.9；RH软吹35min，出站温度为1540℃。
（3）连铸二冷比水量0.30L/KG，中包过热度18℃，监控铸坯进拉矫机温度1060~1070℃，微调二冷配水。
（4）轧制：预热段温度为490℃以下，时间为70min，高温段温度控制在1220℃、时间92min，终轧温度710℃。
（5）轧后直接穿水冷却和控冷，上冷床温度720℃，进坑温度505℃。
表1 各实施例圆钢的化学成分（%）
。
表2 各实施例圆钢样品金相组织检测结果
。
Claims (1)
1.一种高强度风电螺栓用钢的生产方法，包括转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空处理、连铸浇注、控制轧制和缓冷工序，其特征在于：钢的化学组成重量百分比为：C= 0.30%～0.44%、Si=0.15%～0.35%、Mn=0.30%～0.60%、Cr=0.50%～1.20% 、Mo=0.45%～0.75%、V=0.10%～0.30%、Ni=0.45%～1.00%、Nb=0.10%～0.25%、Alt=0.040%～0.070% 、P≤0.010%、S≤0.005%、 Sn≤0.010%、Cu≤0.20%、O≤0.0012％、N=0.0090%～0.0120%，其余为Fe和不可避免的杂质，关键工艺步骤包括：
（1）冶炼：采用铁水和废钢作为原料，其中入炉铁水重量为120t±1t，废钢重量为30±1t，利用顶底复吹转炉进行冶炼，控制终点钢水目标成分C≥0.06%、P≤0.008%，留钢出钢，禁止下氧化渣，出钢过程加入复合脱氧剂造渣脱氧；
（2）精炼：LF采用高碱度造渣脱氧，喂入铝线将钢水中的铝调整至0.070%~0.090%，精炼升温至1600℃以上时喂入氮线调整至N=0.0080%~0.0110%；出站前喂入钙线对钢水进行钙处理，然后加入覆盖剂对钢水进行保护；进RH时抽真空到67Pa以下保真空时间15min后破空对钢水进行定氢并控制H≤1.5ppm，RH开启环流增氮；出站前软吹时间25~35min；
（3）连铸：二次冷却采用强冷，比水量为0.30 L/kg，中包过热度目标值15~25℃，通过轻压下工艺微调各区配水，配合结晶器与末端电磁搅拌减弱连铸偏析，控制进拉矫机温度在1050~1100℃，铸坯入垛堆冷36h；
（4）轧制：采用分段加热模式，预热段温度在500℃以下时间大于60min，均热段加热温度1200~1220℃时间大于80min；轧制采用大压下工艺，第一道次与第二道次压下率大于60%；进行穿水控制轧制，超低温终轧温度700~750℃，累计压下率大于80%；
（5）轧后缓冷：轧后穿水弱冷，控制上冷床温度720±20℃，冷床堆钢缓冷，快速出保温罩入缓冷坑，进坑温度500~550℃，坑内采取预热模式，第一层与最后一层采用别的热圆钢种缓冷。
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