CN106521319A - 一种海上风电管桩用特厚eh36钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及海上风电管桩用特厚EH36钢，化学成分按质量百分比计为C：0.15～0.18%，Si：0.15～0.30%，Mn：1.40～1.60%，P≤0.0070%，S≤0.0030%，Nb：0.050～0.070%，V：0.015～0.030%，Ti：0.008～0.020%，Al：0.030～0.050%，Ni：0.15～0.40%，Cr：0.10～0.20%余量为Fe。生产工艺流程：转炉—LF精炼—RH真空脱气—Ca处理—连铸—脱氢—轧制—空气冷却—高温热矫直—正火。本申请获得了单重大、高强度、高冲击韧性、厚度公差小、平直度良好的表面无缺陷的海上风电管桩用90～120mm的EH36钢板。

Description

一种海上风电管桩用特厚EH36钢及其制备方法
技术领域
本发明属于钢铁冶金领域，具体涉及海上风电管桩用特厚、单重大、厚度公差小、平直度良好的EH36钢及其制备方法。
背景技术
风电作为一种可再生能源，被视为清洁能源的未来。风力发电为家庭和企业提供清洁能源，减少气候变化碳污染，增加国标经济竞争力。由于持续的低价格、更高效的风力涡轮机、全球范围内快速增长的需求，在未来数十年内，国内风能市场保持强劲。
为了降低海上风电项目的均化发电成本，风机尺寸不断增大。风机越大需要配套的设施要求就越严格，由于海上风电机在近海、浅海、深海等苛刻的环境中使用，对其制造材料要求也极高，要求具备高强度，抗层状撕裂、耐低温、耐腐蚀、易焊接。目前风电安装的基本部分，仍然由传统材料钢铁焊接而成。风机越大，塔筒内径越大，需要的钢板越厚，为了节省焊接量，希望钢板单重越大越好。为了尽可能满足大风机的大内径的需求，一般沿垂直于钢板轧向的方向卷取、焊接制成管，也就是，管桩卷取的方向为钢板的轧向，为了尽可能减少焊接应力，要求钢板具有良好的平直度，特别是垂直于钢板轧向的横向。考虑到风机的安全运转，还严格要求钢板的厚度公差。因而生产该技术要求的钢板，存在如下几个难点：一、在保证特厚EH36钢板强韧性的基础上，需要满足风电管桩部位钢板的厚度精度。二、在保证钢板的强韧性的基础上要保证钢板的平直度。中国专利CN102899569A，通过（控轧控冷）0TMCP+正火的方法获得了一种超低温韧性优异的海上风电用宽厚钢板制造方法，其性能达到了S355G8+N的性能要求。但该技术没有研究钢板平直度、厚度公差、大单重等系列关系到用户使用的重要技术指标。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种特厚、单重大、高强度、高冲击韧性、厚度公差小、平直度良好的表面无缺陷的海上风电管桩用90～120mm 的EH36钢板。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种海上风电管桩用特厚EH36钢，化学成分按质量百分比计为C：0.15～0.18%，Si：0.15～0.30%，Mn：1.40～1.60%，P：≤0.0070%，S：≤0.0030%，Nb：0.050～0.070%，V：0.015～0.030%，Ti：0.008～0.020%，Al：0.030～0.050%，Ni：0.15～0.40%，Cr：0.10～0.20%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
该钢板的化学成分进一步优选为，C：0.16%，Si：0.20%，Mn：1.50%，P：≤0.0070%，S：≤0.0030%，Nb：0.065%，V：0.020%，Al：0.035%，Ni：0.30%，Cr：0.10%，Ti：0.015%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
本申请钢板的屈服强度：370-410MPa，抗拉强度：550-580MPa，延伸率≥21%，-40℃下厚度1/4处、1/2处夏比冲击功≥120J。钢板无分层，裂纹缺陷，探伤结果满足En10160S3E4级要求，钢板表面无气泡、结疤、裂纹、拉裂、折叠、夹杂和压入氧化铁皮。钢板单重达28-33吨，表面不平度达到每米≤5mm，钢板宽度方向整体不平度每米≤3mm，厚度公差稳定保持在公差为T-0 +2mm。
本发明海上风电管桩用特厚EH36钢板的化学成分是这样确定的：
C的加入可以增加钢的淬透性，特别是中厚板生产，可以显著提高正火钢的强度，但是C含量过多不利于钢的超低温冲击性能、低温应变时效性能、焊接性能以及耐蚀性能，所以本发明中碳含量控制为低碳控制，介于0.15～0.18%。
Si主要用于脱氧，虽要依据不同的冶炼方式来确定其加入量，但要获得良好的钢板性能，必须在0.15%以上，考虑到氧化铁皮中但若超过0.30%以上易形成硅铝尖晶石，不易去除，影响钢板整体厚度公差测量值。又会造成心部偏析以及破坏焊接性能，所以规定其上限为0.30%。
Mn在所述钢中具有推迟奥氏体向铁素体转变的作用，对细化铁素体，提高强度和韧性有利。当锰的含量较低，上述作用不显著，钢板强度和韧性偏低等。过高则又会引起连铸坯偏析、韧性差和可焊性降低，同时船级社规范要求锰含量上限为1.60%等，故本发明中考虑到合金的综合加入，规定锰含量加入量介于1.40～1.60%的范围内。
Nb的溶质拖曳作用和Nb(C,N)对奥氏体晶界的钉扎作用，均抑制形变奥氏体的再结晶，扩大奥氏体非再结晶区间，减少特厚板生产待温时间。并在冷却或回火时形成析出物，从而使强度和韧性均得到提高，可以很好的抑制轧后钢板因冷却不足晶粒粗化的现象，还可以提高钢的耐蚀性能。添加量小于0.050%时效果不明显，大于0.070%时韧性降低，导致连铸坯产生表面裂纹。因此，本发明规定铌含量应介于0.050～0.070%的范围内。
V是钢的优良脱氧剂，是有效的细化晶粒元素，提高钢的强度和韧性。在正火钢中，V属于析出强化元素，同时有益于厚板在缓冷过程中扩氢。综合考虑到船级社船规中细化晶粒元素Nb+V+Ti≤0.12%，因而结合Nb的加入量，考虑到厚板中低压缩比钢对连铸坯中心偏析的负面影响。而V又是强偏析元素，顾不可多加入，因此，本发明规定钒含量应介于0.015～0.030%的范围内。
Al是用来固定钢中的氮元素，是利用Al细化替代微元素的Ti的加入，以防止Ti与其它元素如Nb、O、N复合析出，形成棱形的坚硬大型夹杂物等，导致冲击性能不稳定。同时，Al含量过高，容易导致结晶器冒口堵塞，以及大型含Al氧化物的形成。本发明中，规定铝含量介于0.030～0.050%。
Ni是提高钢淬透性的元素，也是有效提高钢的低温韧性的最常用元素。此外，与钢中残余Cr、P复合作用，将有助于提高钢的耐腐蚀性，但是船级社规范规定上限0.40%，为了不超出船级社规范规定。故在本发明中，规定镍含量介于0.15～0.40%。
Cr是提高钢淬透性的元素，能够抑制多边形铁素体和珠光体的形成，促进低温组织贝氏体或马氏体的转变，提高钢的强度。但Cr含量过高将影响钢的韧性，并引起回火脆性，船级社规范要求不超过0.20%。故本发明中铬含量控制在0.10～0.20%。
P虽能提高耐蚀性，但会降低低温韧性和影响钢板的可焊性，对结构钢是不适当的，本发明规定其控制在0.0070%以下。
S形成MnS夹杂物，也会导致中心偏析，对耐蚀性也有不良影响，发明规定在其控制在0.0030%以下。
考虑海上风电管桩用钢板，要求钢板厚度大、单重大、强度高、冲击韧性高、厚度公差小，具有良好的平直度以及表面无缺陷的高标准要求，本发明主要以C-Mn-Cr-Ni-Cu等淬透性元素为合金体系，结合微合金Nb、V、Ti等有效析出，细化晶粒。其外，还在成分设计中考虑了影响氧化铁皮形成的元素，如Si、Al、Ni、Cr的含量控制，以减少钢板因表面麻点、麻坑、凹坑等表面缺陷影响钢板整板的各测量点的厚度公差。添加相对高的Nb以及适量的V，通过其在钢板轧后空气冷却（非ACC冷却）或者正火后冷却过程中析出，钉轧铁素体晶粒三角晶界、晶界、晶内来限制铁素体的快速长大，添加V同时有助于钢坯、钢板中残余H的析出，通过Ti加入，改善钢板的焊接性能。
本发明的另一目的是提供上述海上风电管桩用特厚EH36钢的制备方法，步骤包括：
冶炼工艺：采用铁水预处理，KR深脱硫，硫含量低于0.0020%，采用转炉冶炼，出钢过程进行15～20min底吹氩气、氮气，采用RH或VD真空脱气处理以及LF处理，尽可能降低有害元素O、N、H、S、P含量，进行微合金化，然后铸坯，连铸坯厚度为360～450mm；
轧制工艺：连铸坯与成品厚度的压缩比≥3，采用控轧工艺，连铸坯再加热温度1180～1250℃，加热时间0.8～1.5min/mm，采用粗轧和精轧两阶段控制轧制，粗轧的开轧温度介于1050-1100℃，粗轧后三道次单道次压下率≥15%，粗轧后所得中间坯的厚度为1.4～2.0倍于成品厚度；通过加入足量的Nb，并结合更高的精轧开轧温度850～900℃，总轧制道次为8～16道次，轧后采用空气冷却，轧制完成之后不经过ACC机组进行加速冷却，空冷过程中通过Nb在钢板轧后空气冷却（非ACC冷却）过程中析出，钉轧铁素体晶粒三角晶界、晶界、晶内来限制铁素体的快速长大，V同时有助于钢坯、钢板中残余H的析出释放；
热矫工艺：轧后钢板在600-700℃进行温矫，温矫主要对钢板头部、尾部矫直。无论钢板是否平直，都需要经过热矫处理。高温矫直有助于减轻轧制过程中钢板头尾温度低、中间温度高而导致的钢板内应力；
正火热处理工艺：热矫后钢板送入连续炉作正火处理，连续炉正火温度为880-920℃，钢板进炉至出炉时间为1.6-2.2min/mm。
本发明结合海上风电企业定单的基础上进行批量生产海上风电管桩用90-120mm特厚EH36钢板，通过足够的强度和韧性来保证海工装备的稳定性和安全性，并且较好的可维护性。在受到强外力的作用下，仍保持钢材相应的性能，不至于被破坏。成分在满足船级社要求，通过轧制控制及正火处理，钢板厚度方向上组织性能均匀，无明显的组织差异。通过工艺上的调整来控制钢板平直度，使钢板不平度达到每米≤5mm，钢板宽度方向不平度每米≤3mm。避免因钢板不平度的原因导致焊接应力升高而使焊缝薄弱区出现裂缝，结合可靠焊接技术的基础上，保证海洋工程用EH36特厚钢板具有非常好的焊接性能，保证海上风电机结构的安全，避免重大事故发生，提供了恶劣环境中使用的安全材质。通过本发明，批量生产的海上风电管桩用90-120mm特厚EH36钢板按CCS《材料与焊接规范》测量方法，钢板厚度稳定保持在公差为T-0 +2mm。
本发明具有如下特点：
1、本发明主要以C-Mn-Cr-Ni-Cu等淬透性元素为合金体系，增加钢板的淬透性，结合微合金Nb、V、Ti等有效析出，细化晶粒，实现轧后不浇水，使得钢板可以保证平直度。
2、本发明的制造工艺摒弃了传统海上风电用EH36钢TMCP+正火的制造方式，作为替代，配合C-Mn-Cr-Ni-Cu合金体系，以及轧制大压下量，本发明采用控轧+正火的方式，轧后不浇水，少一道控制工序，节省成本，降低控制难度。
3、本发明限定了钢板的高温热矫工艺，无论钢板是否平直，都经过热矫处理。有助于减轻轧制过程中钢板头尾温度低、中间温度高而导致的钢板内应力。
4、本发明生产海上风电管桩用EH36钢板生产流程简单，生产工艺稳定，生产工艺窗口大，与传统的TMCP+正火的钢板，单重大、平直度优良，厚度公差小，性能稳定，易于后期卷取焊接。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过简单而合理的成分设计，采用控轧+正火的方式代替传统海上风电用EH36钢TMCP+正火的方式，配合设置轧制道次数和限定粗轧单道次压下量，以及轧后无论钢板是否平直，增加钢板矫头、矫尾的热矫工艺，获得一种特厚、单重大、高强度、高冲击韧性、厚度公差小，平直度好，表面无缺陷的海上风电管桩用90-120mm EH36钢板。其中屈服强度介于370-410MPa，抗拉强度介于550-580MPa的范围，延伸率≥21，-40℃下厚度1/4处、1/2处夏比冲击功≥100J。钢板材质均匀，无分层，裂纹等缺陷。探伤结果满足En10160 S3E4级要求。钢板表面无气泡、结疤、裂纹、拉裂、折叠、夹杂和压入氧化铁皮。钢板表面不平度达到每米≤5mm，钢板宽度方向整体不平度≤3mm，厚度公差稳定保持在公差为T-0 +2mm。该生产流程简单，生产工艺稳定，生产工艺窗口大，可以推广应用至其它特厚高强度钢如高层建筑用钢、桥梁用钢、结构钢、压力容器钢等。
附图说明
图1是在金相显微镜下，实施例典型组织（实施例4）钢板厚度1/4处组织，为铁素体珠光体组织，碳化物弥散分布于晶界与晶内；
图2是在金相显微镜下，实施例典型组织（实施例4）钢板厚度1/2处组织，为铁素体珠光体组织，与厚度1/4处晶粒尺寸相当。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明海洋工程用特厚RH36钢的生产工艺流程为：转炉->LF精炼->RH真空脱气->Ca处理->连铸->铸坯脱氢处理->加热->轧制->空气冷却->高温热矫直->正火。
本发明实施例1-6的一种海上风电管桩用特厚EH36钢及其制备方法，包括如下步骤：
（1）冶炼：采用150吨转炉冶炼，然后送入LF炉进行精炼并经过RH真空脱气处理，破空进行Ca处理，成分控制见表1。
（2）连铸：将冶炼的钢水浇铸成360mm-450mm厚的连铸坯。浇铸温度控制在液相线以上10-25℃。浇铸过程中实施动态轻压下。
（3）铸坯扩氢处理：连铸板坯加罩缓冷扩氢，在罩时间为48小时。
（4）轧制：将步骤（3）所得连铸坯放入步进式加热炉，加热至1180-1250℃，加热时间为0.8～1.5min/mm，使钢中的合金元素充分固溶以保证最终产品的成份及性能的均匀性。钢坯出炉后经粗轧+精轧两阶段控制轧制。粗轧的开轧温度介于1050-1100℃，采用大压下量轧制，粗轧后三道道次压下率≥15%。待温厚度1.4～2.0倍于成品厚度。精轧开轧温度介于850-900℃。总轧制道次为8～16道次，轧后采用空气冷却。轧制完成之后不经过ACC机组进行喷水加速冷却，连铸工艺参数见表2。
（5）热矫：将步骤（4）所得钢板在600-700℃高温下进行温矫，温矫主要对钢板头部、尾部矫直。
（6）正火：将步骤（5）所得钢板送入连续炉，正火温度为880-920℃，钢板进炉至出炉时间为1.6-2.2min/mm。
（6）对正火后的钢板进行横向拉伸、纵向冲击及整板不平度、厚度公差的检测。
具体成分、工艺参数见表1、表2。
各实例钢板对应的性能见表3。
其中屈服强度介于370-410MPa，抗拉强度介于550-580MPa的范围，延伸率≥21%，-40℃下厚度1/4处、1/2处夏比冲击功≥120J。
钢板外观尺寸见表4。钢板厚度90-120mm，单重介于28-33吨。板型十分良好，通过控制钢板不平度，其中钢板表面不平度达到每米≤5mm，钢板宽度方向整体不平度每米≤3mm，避免因钢板不平度的问题导致焊接应力，使焊缝薄弱区出现裂缝，结合可靠的焊接技术上，保证海洋工程用EH36特厚钢板具有非常好的焊接性能，保证海上风电机的结构的安全，避免灾难性事故发生。在满足2015 CCS《材料与焊接规范》中钢板所有测量点的数值不低于钢板名义厚度，也就是在满足GB/T709-2006标准C类标准基础上，稳定保持在公差为T-0 +2mm。钢板材质均匀，无分层，裂纹等缺陷。探伤结果满足En10160 S3E4级要求。钢板表面无气泡、结疤、裂纹、拉裂、折叠、夹杂和压入氧化铁皮。
图1、2给出了实施例典型的微观组织照片。成品钢板的微观组织为铁素体珠光体组织，碳化物弥散分布于晶界与晶内。铁素体晶粒尺寸介于5-15um。可见，通过合理的成分设计进行控轧+正火，如此大厚度的钢板，晶粒没有粗化。在满足钢板强度的同时，充分保证了钢板的低温冲击韧性。
表1 实施例海上风电管桩用EH36钢板的化学成分（wt%）
表2 轧制工艺控制
表3本发明实施例拉伸、冲击性能
表4 本发明实施例钢板的厚度及平直度
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种海上风电管桩用特厚EH36钢，其特征在于：化学成分按质量百分比计为C：0.15～0.18%，Si：0.15～0.30%，Mn：1.40～1.60%，P：≤0.0070%，S：≤0.0030%，Nb：0.050～0.070%，V：0.015～0.030%，Ti：0.008～0.020%，Al：0.030～0.050%，Ni：0.15～0.40%，Cr：0.10～0.20%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的海上风电管桩用特厚EH36钢，其特征在于：该钢板的化学成分按重量百分比优选为，C：0.16%，Si：0.20%，Mn：1.50%，P：≤0.0070%，S：≤0.0030%，Nb：0.065%，V：0.020%，Al：0.035%，Ni：0.30%，Cr：0.10%，Ti：0.015%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
3.根据权利要求1或2所述的海上风电管桩用特厚EH36钢，其特征在于：该钢板的屈服强度：370-410MPa，抗拉强度：550-580MPa，延伸率≥21%，-40℃下厚度1/4处、1/2处夏比冲击功≥120J。
4.根据权利要求1或2所述的海上风电管桩用特厚EH36钢，其特征在于：钢板无分层，裂纹缺陷，探伤结果满足En10160 S3E4级要求，钢板表面无气泡、结疤、裂纹、拉裂、折叠、夹杂和压入氧化铁皮。
5.根据权利要求1或2所述的海上风电管桩用特厚EH36钢板，其特征在于：钢板单重达28-33吨，表面不平度达到每米≤5mm，钢板宽度方向整体不平度每米≤3mm，厚度公差稳定保持在公差为T-0 +2mm。
6.一种制造权利要求1或2所述海上风电管桩用特厚EH36钢板的方法，其特征在于：工艺如下，
原料经铁水预处理、KR深脱硫后转炉冶炼，出钢过程进行15～20min底吹氩气、氮气，采用RH或VD真空脱气处理以及LF处理，然后铸成360～450mm厚的连铸坯，将连铸坯再加热至1180～1250℃，加热时间0.8～1.5min/mm，采用粗轧和精轧两阶段控制轧制，粗轧的开轧温度1050-1100℃，粗轧后三道次的单道次压下率≥15%，粗轧后所得中间坯的厚度为1.4～2.0倍于成品厚度；精轧开轧温度为850～900℃，总轧制道次为8～16道次，轧后不浇水，采用空气冷却，轧后所得钢板在600-700℃温度范围内进行温矫，将热矫后的钢板送入连续炉作正火处理，连续炉正火温度为880-920℃，钢板进炉至出炉时间为1.6-2.2min/mm。
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