CN117210770A

CN117210770A - 高强度均质化铁素体特厚风电结构用钢板及其制造方法

Info

Publication number: CN117210770A
Application number: CN202311068588.XA
Authority: CN
Inventors: 颜秉宇; 王勇; 孙殿东; 王爽; 段江涛; 肖青松; 白玉璞; 管吉春; 胡海洋; 邢梦楠
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2023-08-24
Filing date: 2023-08-24
Publication date: 2023-12-12
Anticipated expiration: 2043-08-24
Also published as: CN117210770B

Abstract

本发明提供了一种高强度均质化铁素体特厚风电结构用钢板及其制造方法，该钢板的成分按重量百分比计如下：C：0.10％～0.22％，Mn：0.05％～1.88％，P≤0.022％，S≤0.010％，Cr：0.01％～0.60％，Ni：0.001％～0.009％，Mo：0.001％～0.010％，Cu：0.001％～0.009％，Nb：0.010％～0.020％，V:0.001％～0.027％，Ti：0.001～0.028％，CaO:0.02％～0.05％，La：5ppm～15ppm，B：0.0011～0.0029％，余量为Fe和不可避免的杂质；制造方法包括冶炼、连铸、组坯、轧制、淬火；应用本发明生产的风电结构用钢板厚度80～150mm，钢板1/2T和厚度1/4T处均为细小的多边形铁素体和珠光体组织，晶粒度≥8.5级。

Description

高强度均质化铁素体特厚风电结构用钢板及其制造方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种高强度均质化铁素体特厚风电结构用钢板及其制造方法。

背景技术

钢板经正火后可以获得较高的综合力学性能和较好的机加工性能，是提高钢板组织均匀性、韧性的重要热处理手段。正火钢板广泛应用于压力容器、高层建筑、桥梁、工程机械等领域，特别是一些风电、容器项目，在项目设计时就强制要求使用正火钢板。

常规正火采用空冷方式，因冷却速度慢会导致相变温度高，虽然可以得到细化的珠光体组织，使冲击功和延伸率得到提高，但提高韧性的同时，铁素体晶粒仍会长大，导致钢板的强度有所降低；铌微合金化钢正火后因铌的碳氮化物长大，其沉淀强化效果降低，因此钢板经正火后强度会有较大幅度降低，特别是控轧控冷钢板常会因强度损失过大而产生不合格品。

为防止钢板正火后强度大幅降低，开发了一种高均匀性的等轴铁素体特厚板的制造方法：复合钢板控制轧制后直接在线冷却至室温，通过复合坯的位置调配，与连铸坯直接轧制后的钢板相比，钢板薄弱的T/4和T/2位置内部不存在偏析并且强韧性得到提高，钢板经过淬火后消耗掉晶粒畸变能后得到组织均匀的铁素体+细小珠光体组织，通过细晶强化和析出强化手段使钢板各厚度位置的强度和韧性强韧性均有良好表现。目前，国内外铁素体特厚结构用钢板有一些研究，经检索发现了部分专利，但其所记载的内容与本发明的技术方案所述成分、生产方法、性能、产品类别等方面存在明显差异。

相关专利1：中国专利申请号CN101613828A公开了一种“屈服强度460MPa级低屈强比建筑用特厚钢板及制造方法”，其钢板成分重量百分比为：C0.14～0.18％，Si0.35～0.45％，Mn1.40～1.50％，Nb0.025～0.035％，V0.040～0.050％，Ti0.010～0.020％，P＜0.020％，S＜0.008％，其余为Fe；轧制工艺：加热温度1220～1250℃，采用奥氏体再结晶区和奥氏体未再结晶区两阶段控制轧制。热处理工艺：钢板加热到两相区800～850℃，保温时间10～20℃，保温后采用水冷淬火，控制终冷温度≤100℃；淬火后的钢板进行450～600℃回火处理，最终得到低屈强比高强度建筑用钢板。其不足处在于：钢板热处理采用淬火+回火，工艺较为复杂，生产周期较长。

相关专利2：中国专利申请号CN201210125992.1公开了一种“一种水电用大厚度易焊接调质高强度钢板及其生产方法”，公开了一种水电用大厚度易焊接调质高强度钢板，同时，还涉及一种该钢板的生产方法。其由以下重量百分含量的化学成分组成：C：0.15％～0.18％，Si：0.15％～0.35％，Mn：0.90％～1.00％，P≤0.012％，S≤0.005％，Ni：1.52％～1.60％，Cr：0.30％～0.40％，Nb：0.020％～0.030％，Al：0.020％～0.050％，Mo：0.20％～0.30％，V：0.055％～0.065％，B：0.0007％～0.0015％，Ti：0.015％～0.025％，余量为Fe和不可避免的杂质。生产方法包括以下步骤：电炉冶炼→LF/VD精炼→模铸→钢锭加热→轧制→轧后水冷→热堆垛→热处理→成品。本发明的水电用大厚度易焊接调质高强度钢板的最大厚度可达到230mm，具有焊接性能良好、屈强比低、低温冲击韧性优良以及厚度方向性能良好的特点，有广阔的应用前景。但该发明的成分设计思路及生产工艺与本发明不同，制造工艺不同，应用方向不同，未明确钢板高温拉伸性能及模拟焊后热处理性能。

相关专利3：中国发明专利申请号CN109797342A公开了一种用于钢结构制作的高强度、高韧性、耐大气腐蚀钢板及其制造方法，元素成分wt％：C：0.03～0.10％，Si：0.30～0.50％，Mn：1.10～1.50％，P<0.010％，S<0.003％，Cr：0.45～0.70％，Cu：0.25～0.40％，Ni：0.30～0.40％，Alt：≥0.030％，Ti：0.006～0.030％,V：0.040～0.080％，Mo：0.02～0.08％，Ca：0.0010～0.0030％，N：0.0020～0.0080％，B：0.0002～0.0030％，Ce：0.001～0.010％，耐大气腐蚀指数I>6.5，CEV<0.54，Pcm<0.27，余量为Fe和不可避免的杂质。该申请采用特定化学成分设计和钢板调制工艺获得具有贝氏体组织的高性能钢板，能够用于桥梁、高层建筑等钢结构制作。但该发明专利申请的缺点是钢板不具有较低的屈强比，安全性能不好，且添加Ca、B、Ce等稀有元素，冶炼困难，提高生产生产成本；碳当量过高，焊接性能较差。需要调质处理，工艺复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种具有具有良好的力学性能、组织均匀性和低温韧性的高强度均质化铁素体特厚风电结构用钢板及其制造方法。

本发明目的是这样实现的：

一种高强度均质化铁素体特厚风电结构用钢板，该钢板的成分按重量百分比计如下：C：0.10％～0.22％，Mn：0.05％～1.88％，P≤0.022％，S≤0.010％，Cr：0.01％～0.60％，Ni：0.001％～0.009％，Mo：0.001％～0.010％，Cu：0.001％～0.009％，Nb：0.010％～0.020％，V:0.001％～0.027％，Ti：0.001～0.028％，CaO:0.02％～0.05％，La：5ppm～15ppm，B：0.0011～0.0029％，余量为Fe和不可避免的杂质。

所述风电结构用钢板厚度80～150mm，钢板1/2T和厚度1/4T处均为细小的多边形铁素体和珠光体组织，晶粒度≥8.5级。

所述风电结构用钢板屈服强度≥358MPa，抗拉强度≥532MPa，-40℃,KV2≥94J，TNDT≥-40℃。

本发明成分设计理由如下：

(1)碳：C可以很大程度上通过固溶发挥强化作用，还可以与Nb，V，Ti等合金元素作用形成细小的碳化物析出，在轧制变形或奥氏体相变之前析出，阻碍晶粒长大，提高形核率，细化组织；但是，C含量过高会使钢板在轧制过程中形成明显的带状组织，严重影响钢板各方向性能的一致性，因此本发明C：0.10％～0.22％。

(2)锰：通过固溶强化提高钢的强度，降低奥氏体相变温度，抑制钢板加速冷却前的相变晶粒长大，发挥细化晶粒作用，提高钢板强度；但是，Mn含量过高会易抑制铁素体转变，影响钢的屈服强度，不利于降低屈强比，过高的Mn含量会诱发偏析，恶化钢板组织均匀性和层状撕裂性能，因此本发明Mn：0.05％～1.88％。

(3)P、S：在本发明钢中均为有害元素，对钢板的低温冲击韧性和抗层状撕裂性能会产生不利影响，增加钢的脆性。磷使焊接性能降低，降低塑性，使冷弯性能变差；硫降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。因此，控制含量越低越好，但考虑到炼钢条件和成本，本发明要求控制钢中的P≤0.022％，S≤0.010％。

(4)铬：铬是稳定碳化物的元素。添加铬使碳化物的溶解速率降低。因此，在采用热形变组织细化工艺时，即使提高加热温度或延长加热时间，仍能避免发生共析转变，获得细化组织。铬还能抑制含硅、铝超高碳钢石墨化。因此本发明要求钢中Cr：0.01％～0.60％。

(5)镍：钢中较好的固溶强化及淬透性增强元素，能够扩大奥氏体相区，降低奥氏体转变温度，阻止奥氏体向珠光体转变，进而降低钢的临界转变温度；Ni与Fe元素以互溶形式存在，可有效提高钢板的韧性，特别适用于改善特厚板心部塑韧性，但其成本较高，因此本发明中Ni：0.001％～0.009％。

(6)钼：Mo主要依靠固溶强化及晶界强化来提高钢的强度；其次Mo增加了过冷奥氏体的稳定性，使奥氏体向铁素体转变曲线右移，相变后得到更加细小的铁素体组织；另外Ti和Mo结合，在钢中大量析出纳米尺寸Ti-Mo(CN)碳化物，细化的碳化物钉扎位错，大大提高钢的强韧性，因此本发明要求钢中Mo含量控制为0.001％～0.010％。

(7)铜：能改善钢的淬透性，可以明显提高厚钢板的心部强度，也是重要的提高耐候性的元素，在厚钢板缓慢冷却过程中，适量Cu通过自回火可析出ε-Cu，提高钢板强度。Cu含量过高时，会使钢板产生热裂纹，降低钢板的塑性。因此本发明中Cu：0.001％～0.009％。

(8)铌：Nb可在淬火过程中通过抑制奥氏体再结晶有效的细化显组织，同时部分溶入固溶体，起固溶强化作用，稳定钢板不同厚度位置的强韧性匹配。本发明钢中Nb：0.010％～0.020％。

(9)钒：V属于微合金元素，钢中V微合金化能够形成细小的第二相粒子，起到钉扎晶界和析出强化的作用，能够有效地细化晶粒，大大提高钢板在不同厚度位置的韧性，尤其能够提高钢板T_NDT性能，因此本发明中V：0.001％～0.027％。

(10)钛：Ti可以发挥固氮效果，形成以TiN为主的析出相，能抑制高温条件下奥氏体的晶粒长大，也可以改善焊后热影响区韧性，在焊接过程中，TiN粒子阻止热影响粗晶区晶粒长大，提高焊接接头低温韧性。另外Ti由于较低的固溶度，易在奥氏体到铁素体的转变过程中以相间析出的形式出现，提高强度。但过多的Ti会降低钢的韧性，因此本发明中Ti：0.001～0.028％。

(11)氧化钙：氧化钙在炼钢中起到形核质点的作用，有利于细化晶粒，能够改善抗层状撕裂性和疲劳强度。所以本发明要求Ca:0.01％～0.035％。

(12)镧：净化钢质并使钢中夹杂变质，起到提高钢质纯净度的作用；具有一定捕氢能力，减少超厚板中白点等缺陷，能够提高钢板韧性；与Nb(C、N)形成复合的析出物可作为形核基础，进而起到细晶强化的作用，故本发明中其含量为La:1ppm～15ppm。

(13)硼：可以提高钢板淬透性，微量的B元素即可有明显的提高淬透性效果，保证钢板强度，但是B元素过量时钢板脆性增加，焊接裂纹倾向增加，因此，本发明将B：0.0011～0.0029％。

本发明技术方案之二是提供一种高强度均质化铁素体特厚风电结构用钢板的制造方法，包括冶炼、连铸、组坯、轧制、淬火；

(1)冶炼：将铁水、废钢等原料加入转炉或电炉内熔炼，当精炼钢水温度达到1550～1570℃时加入氧化钙、镧、硼合金并进行真空脱气，完成脱气后进入连铸。

(2)连铸：浇注温度1530～1580℃，中间包过热度为25～50℃。全程保护浇注，二冷采用中等冷却强度模式，控制连铸坯拉速为0.8～1.3m/min，铸坯厚度200～300mm，连铸时采用电磁搅拌或轻压下，减少中心偏析。

(3)组坯：两块及以上连铸坯叠加在一起后边部焊接；

(4)轧制：钢坯加热温度1100～1200℃，分三阶段轧制：第一阶段为高温奥氏体动态再结晶轧制，开轧温度为1050～1190℃，终轧温度为950～1050℃，轧制道次数3～5道次；第二阶段为奥氏体与铁素体两相区轧制，开轧温度为920～980℃，终轧温度为920～970℃，轧制道次数2～4道次；第三阶段为细化铁素体轧制，开轧制温度为920～970℃，终轧温度为900～950℃，轧制道次数不限，轧制成目标厚度。

(5)淬火温度：900℃～950℃冷速：18～32℃/s。

本发明的有益效果在于：

(1)钢板重量25～50t，钢板重量大于25t，钢板在正火和控轧控冷生产工艺下难以实现强韧性匹配，钢板的综合性能不能满足现有风电钢板的技术要求,。本发明通过复合坯的方式可以改变原有单个连铸坯在厚度T/4和T/2的薄弱位置，并且增加坯料厚度可以加大厚度方向的变形，增加厚度方向的渗透降低偏析，提高钢板的均匀性，大单重钢板通过淬火能够提高钢板的强韧性。

(2)本发明工艺技术生产的钢板，通过化学成分优化和工艺参数的合理设计，具有均匀细化的内部组织，钢板厚度1/2T和厚度1/4T处均为细小的多边形铁素体和珠光体组织，晶粒度≥8.5级。

(3)本发明钢板厚度80～150mm，钢种的屈服强度≥358MPa，抗拉强度≥532MPa，-40℃,KV2≥94J，TNDT≥-40℃。

附图说明

图1为本发明实施例1钢板厚度1/4处显微组织金相图。

图2为本发明实施例1钢板厚度1/2处显微组织金相图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的说明。

本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行冶炼、连铸、轧制、连续退火、平整。本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢冶炼和连铸的主要工艺参数见表2。本发明实施例钢轧制的主要工艺参数见表3。本发明实施例钢淬火的主要工艺参数见表4。本发明实施例钢的性能见表5。

表1本发明实施例钢的成分(wt％)

表2本发明实施例钢冶炼和连铸的主要工艺参数

表3本发明实施例钢轧制的主要工艺参数

表4本发明实施例钢淬火的主要工艺参数

实施例	淬火温度,℃	冷却速度,℃/s
			1	910	18
2	902	20
			3	905	22
4	909	24
			5	913	26
6	911	27
			7	922	28
8	927	29
			9	933	30
10	945	32

表5本发明实施例钢性能

从实施例可以看出所制钢板平均力学性能为：室温拉伸屈服强度≥358MPa，抗拉强度≥532MPa，延伸率≥32％，-40℃冲击功≥94J,TNDT≥-40℃，晶粒度≥8.5级。

为了表述本发明，在上述中通过实施例对本发明恰当且充分地进行了说明，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种高强度均质化铁素体特厚风电结构用钢板，其特征在于，C：0.10％～0.22％，Mn：0.05％～1.88％，P≤0.022％，S≤0.010％，Cr：0.01％～0.60％，Ni：0.001％～0.009％，Mo：0.001％～0.010％，Cu：0.001％～0.009％，Nb：0.010％～0.020％，V:0.001％～0.027％，Ti：0.001～0.028％，CaO:0.02％～0.05％，La：5ppm～15ppm，B：0.0011～0.0029％，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种高强度均质化铁素体特厚风电结构用钢板，其特征在于，所述风电结构用钢板厚度80-150mm，钢板厚度1/2T和厚度1/4T处均为细小的多边形铁素体和珠光体组织，晶粒度≥8.5级。

3.根据权利要求1所述的一种高强度均质化铁素体特厚风电结构用钢板，其特征在于，所述风电结构用钢板屈服强度≥358MPa，抗拉强度≥532MPa，-40℃下KV₂≥94J，TNDT≥-40℃。

4.一种权利要求1～3任一项所述的一种高强度均质化铁素体特厚风电结构用钢板的制备方法，包括冶炼、连铸、组坯、轧制、淬火；其特征在于：

(3)组坯：两块及以上连铸坯叠加在一起后边部焊接；

(4)轧制：钢坯加热温度1100～1200℃，分三阶段轧制：第一阶段为高温奥氏体动态再结晶轧制，开轧温度为1050～1190℃，终轧温度为950～1050℃，轧制道次数3～5道次；第二阶段为奥氏体与铁素体两相区轧制，开轧温度为920～980℃，终轧温度为920～970℃，轧制道次数2～4道次；第三阶段为细化铁素体轧制，开轧制温度为920～970℃，终轧温度为900～950℃，轧制道次数不限，轧制成目标厚度；

(5)淬火温度：900℃～950℃冷速：18～32℃/s。

5.根据权利要求4所述的一种高强度均质化铁素体特厚风电结构用钢板的制备方法，其特征在于：

冶炼：将铁水、废钢等原料加入转炉或电炉内熔炼，当精炼钢水温度达到1550～1570℃时加入氧化钙、镧、硼合金并进行真空脱气。

6.根据权利要求4所述的一种高强度均质化铁素体特厚风电结构用钢板的制备方法，其特征在于：

连铸：浇注温度1530～1580℃，中间包过热度为25～50℃，全程保护浇注，二冷采用中等冷却强度模式，控制连铸坯拉速为0.8～1.3m/min，铸坯厚度200～300mm，连铸时采用电磁搅拌：430～520A，连铸坯采用轻压下量：15～30mm。