CN104862589B - 一种低温焊接性能优良的风电塔筒用钢及生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种低温性能优良的风电塔筒用钢，其组分及wt%为：C：0.10~0.15%，Si：0.25~0.35%，Mn：0.85~1.20%，P：≤0.015%，S：≤0.008%，Nb：0.013~0.032%，Als：0.025~0.045%，Pr：0.03~0.07%；生产步骤：经冶炼并连铸成坯后对铸坯加热并常规保温；分段热轧；层流冷却；自然冷却至室温；正火；再次自然冷却至室温。本发明采用热轧+正火状态交货，使生产的钢板屈服强度≥355MPa，抗拉强度：490~630MPa，延伸率A≥30%，‑50℃KV2≥260J，‑60℃KV2≥220J，而且碳当量＜0.32，在低温状态下具有优良的焊接性能。可缩短在冬季温度相对较低时制备风力发电塔结构的工期，也能使出现的小规模修补更为便捷。
Description
技术领域
本发明涉及一种风电塔用钢及生产方法，具体地属于一种低温焊接性能优良的风电塔筒用钢及生产方法。
背景技术
我国风电场建设已遍布全国各省市自治区。风电成为继火电、水电之后的第三大电源。风电能够带动各地区传统能源消费比重的逐渐下调，风电产业的发展对于国家能源结构的调整意义重大，困扰我国多个地区的雾霾，若要从根本上加以解决，风电必将是最为关键的环节之一。风电有望成为雾霾克星，与光伏、燃气等一起为清洁能源行业的发展壮大做出积极贡献。
现有技术中有关于低温韧性优异的结构用钢有许多报道，经检索：
中国专利公开号为CN101831586A的文献，公开了一种低温韧性优异的低碳当量高强度厚钢板及其生产方法。该发明采用控轧控冷工艺，通过控制冷却速率生产钢板屈服强度在345MPa以上，其低温冲击性能虽然较好，但其碳当量在0.33~0.36。
中国专利公开为CN102899569A的文献，公开了一种超低温韧性优异的海上风电用宽厚钢板制造方法。该发明钢采用控轧控冷+正火工艺，生产出钢板屈服强度在355~410MPa，抗拉强度在470~550MPa，延伸率在26%~36%，-60 ℃冲击功100~240J。虽然该发明钢板性能较好，但其碳当量在0.38~0.43，焊接性能较差。
中国专利公开号为CN101906579A的文献，公开了一种耐低温、高焊接性能、高强度的风电法兰用钢。该发明钢使用了Nb、V、Ti合金，正火后延伸率在28%~39%，-50℃冲击功值为110J~180J。虽然钢板力学性能较为理想，但其碳当量在0.40~0.43，焊接性能较差。
风电塔筒是通过钢板卷制焊接而成，如不经正火，往往会出现强度较低的部分已经弯曲，强度高的部分还未变形的现象。正火后钢板各部分强度均匀，有益于卷制。上述专利文献，在控轧控冷工艺生产的钢板采用的C、Mn含量相对较低，能够将CEV控制到较低水平，但当进行正火热处理后，强度性能将得不到保障。如若将钢板中C、Mn含量上调，则钢板正火后性能较好，但焊接性能又较差。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种既能在正火后屈服强度≥355MPa，抗拉强度在490~630MPa，延伸率A≥30%，碳当量＜0.32，-50℃KV2≥260J，-60℃KV2≥220J的低温焊接性能优良的风电塔筒用钢及生产方法。
实现上述目的的措施：
一种低温性能优良的风电塔筒用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.10~0.15%，Si：0.25~0.35%，Mn：0.85~1.20%，P：≤0.015%，S：≤0.008%，Nb：0.013~0.032%，Als：0.025~0.045%，Pr：0.03~0.07%，其余为Fe及不可避免的杂质；同时满足CEV＜0.32，金相组织为铁素体+珠光体组织，其中铁素体体积比例为50~60%，其余为珠光体组织。
生产一种低温性能优良的风电塔筒用钢的方法，其步骤：
1）经冶炼并连铸成坯后对铸坯加热并常规保温，加热温度为1160~1250℃，加热速率在0.8~1.1min/mm；
2）进行分段热轧，并控制精轧开轧温度在900℃~950℃，终轧温度在800~860℃，累计压下率不低于75%，末三道次压下率不低于40%；
3）进行层流冷却，冷却速率控制在8~15℃/s，返红温度控制在600~680℃；
4）自然冷却至室温；
5）进行正火，正火温度控制在875~908℃，并保温32~47min；
6）再次自然冷却至室温。
本发明中各元素的作用
C是提高钢材强度最有效的元素，随着碳含量的增加，钢的抗拉强度和屈服强度随之提高，但延伸率和冲击韧性下降，而且钢材的焊接热影响区还会出现淬硬现象，导致焊接冷裂纹的产生。当C含量低于0.10%时，正火后强度性能达不到要求，若C含量高于0.15%钢板CEV上升，恶化焊接性能，因此，本发明C选择在0.10~0.15%。
Si是炼钢脱氧的必要元素，以固溶强化形式提高钢的强度，当Si含量低于0.25%时，强度性能偏低，当Si含量高于0.35%时，钢的韧性下降。因此，本发明Si选择在0.25~0.35%。
Mn是重要的强韧化元素，随着Mn含量的增加，钢的强度明显增加，改善钢的加工性能，而冲击转变温度几乎不发生变化，含1%的Mn大约可提高抗拉强度100MPa。Mn含量低于0.85%时，正火后强度性能较低，当Mn含量高于1.20%时，钢板CEV上升。因此，本发明Mn选择在0.85~1.20%。
P、S是钢中难以避免的有害杂质元素。高P会导致偏析，影响钢组织均匀性，降低钢的塑性；S易形成硫化物夹杂对低温韧性不利，且会造成性能的各向异性，同时严重影响钢的应变时效。因此，应严格限制钢中的P、S含量，本发明P控制在≤0.015%， S控制在≤0.008%。
Nb可延迟奥氏体再结晶，降低相变温度，晶粒细化作用明显，并可改善低温韧性。Nb通过固溶强化、相变强化、析出强化等机制来获得要求的强度。当Nb含量低于0.013%时，细化晶粒效果不理想，当Nb含量大于0.032%时，容易产生晶间裂纹。因此，本发明Nb选择在0.013~0.032%。
Als通常作为钢中的脱氧剂。但Als含量低于0.025%时，脱氧不充分，当Als含量高于0.045%时，氧化铝夹杂物增加，降低钢的洁净度。因此，本发明Als选择在0.025~0.045%。
Pr：其是很好的钢中脱硫去气剂，可以清除砷、锑、铋等有害杂质；可以改变钢中夹杂物的形状和分布情况，从而改善钢的质量。在低合金钢中加入适量稀土可以提高低温冲击韧性，改善钢材的各向异性。当Pr含量低于0.03%时，对钢材性能改善效果不明显，当Pr含量高于0.07%时，对钢材性能的改善不再提高，且增加成本。因此，本发明Pr选择在0.03~0.07%。
本发明之所以控制碳当量＜0.32，其目的在于保证焊接厚度低于20mm的钢板时，在零度环境下无需预热，同时低的CEV钢板的冷裂纹倾向更低。
本发明之所以控制正火温度在875~908℃，并保温32~47min，其目的在于控制钢板的金相组织中软相和硬相的比例，以保证钢板同时满足强度好，韧性优的特点。
本发明与现有技术相比，采用热轧+正火状态交货，使生产的钢板屈服强度≥355MPa，抗拉强度：490~630MPa，延伸率A≥30%，-50℃KV2≥260J，-60℃KV2≥220J，而且碳当量＜0.32，在低温状态下具有优良的焊接性能。可缩短在冬季温度相对较低时制备风力发电塔结构的工期，同时也使未来可能出现的小规模修补更为便捷。
具体实施方式
下面对本发明予以详细描述：
表1为本发明各实施例及对比例的取值列表；
表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；
表3为本发明各实施例及对比例性能检测情况列表。
本发明各实施例按照以下步骤生产：
1）经冶炼并连铸成坯后对铸坯加热并常规保温，加热温度为1160~1250℃，加热速率在0.8~1.1min/mm；
2）进行分段热轧，并控制精轧开轧温度在900℃~950℃，终轧温度在800~860℃，累计压下率不低于75%，末三道次压下率不低于40%；
3）进行层流冷却，冷却速率控制在8~15℃/s，返红温度控制在600~680℃；
4）自然冷却至室温；
5）进行正火，正火温度控制在875~908℃，并保温32~47min；
6）再次自然冷却至室温。
表1 本发明实施例与比较例的化学成分列表（wt%）
表2 本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表
表3 本发明各实施例及对比例的力学性能对比列表
| 实施例 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 对比例1 | 对比例2 |
| ReL/MPa | 355 | 372 | 386 | 398 | 435 | 422 | 408 | 419 | 432 | 312 | 328 |
| Rm/MPa | 490 | 532 | 567 | 586 | 630 | 602 | 617 | 585 | 579 | 468 | 476 |
| A/% | 35 | 34 | 32 | 30 | 34 | 33 | 31 | 32 | 33 | 25 | 23 |
| -50℃KV2/J | 264 | 262 | 260 | 273 | 276 | 265 | 283 | 274 | 268 | 127 | 135 |
| -60℃KV2/J | 242 | 235 | 225 | 240 | 231 | 224 | 237 | 230 | 220 | 86 | 103 |
从表3可以看出，本发明钢板进行常温拉伸实验性能，-50℃和-60℃纵向冲击试验，并与对比钢对比发现，本发明钢屈服强度和抗拉强度均优于对比钢，本发明钢延伸率A高于对比钢且均不低于30%，体现出良好的塑韧性。本发明-50℃冲击功值较高在260J以上，-60℃冲击功值较高在220J以上，远高于对比钢，说明本发明钢具有更为优异的低温韧性。
综上所述，本发明钢具有优良低温韧性，高延伸率，低碳当量的特点。本发明钢采用热轧+正火工艺，同一钢板上性能稳定均匀，可广泛应用于风力发电塔工程钢结构。
上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。
Claims (1)
1.生产一种低温焊接性能优良的风电塔筒用钢的方法，其步骤：
风电塔筒用钢的组分及重量百分比含量为：C：0.10~0.115%，Si：0.25~0.35%，Mn：0.85~1.09%，P：≤0.015%，S：≤0.008%，Nb：0.013~0.032%，Als：0.025~0.045%， Pr：0.03~0.07%，其余为Fe及不可避免的杂质；同时满足CEV＜0.32，金相组织为铁素体+珠光体组织，其中铁素体体积比例为50~60%，其余为珠光体组织；
1）经冶炼并连铸成坯后对铸坯加热并常规保温，加热温度为1160~1250℃，加热速率在0.8~1.1min/mm；
2）进行分段热轧，并控制精轧开轧温度在900℃~950℃，终轧温度在852~860℃，累计压下率不低于75%，末三道次压下率不低于40%；
3）进行层流冷却，冷却速率控制在10.5~15℃/s，返红温度控制在600~680℃；
4）自然冷却至室温；
5）进行正火，正火温度控制在883~908℃，并保温32~47min；
6）再次自然冷却至室温。
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