专利名称：一种耐低温、高焊接性能、高强度的风电法兰用钢的制作方法
技术领域：
本发明涉及钢铁行业中的合金钢，具体涉及耐低温、高焊接性能、高强度的风电法 兰用钢钢种设计。
背景技术：
目前，国际社会日益感觉到环境污染和全球气候变暖问题的严重性，《京都议定 书》制订了减排计划与进度表。各国纷纷采取措施试图遏制环境问题的恶化，措施之一就是 扶持清洁新能源的发展。伴随着风电行业如火如荼的发展形势，风电用钢需求也大幅度增长。2006年我 国生产风电用钢10万吨，相比2005年增长42. 9% ；2007年我国生产风电用钢15万吨，较 2006年增长50%;2008年我国生产风电用钢32万吨，相比2007年增长113. 3%，以此速度 估算2010年风电用钢可达100-120万吨。由于风电机组大多位于国内北方地区和沿海地 区，除了具有足够的强度，较轻的重量外，还需具备优良的低温韧性，耐候性等高端要求。作 为风电塔筒连接用法兰材料，除满足上述要求外，对钢材纯净度、低温韧性提出了更苛刻的 要求，甚至-40°C、-5(TC环境下仍具有优异的冲击韧性。目前，风电法兰主要采用连铸圆坯 (或模铸坯)锻造加工成型，钢种国内牌号为Q345E，欧洲牌号S355NL，2010年锻造风电法 兰国内需求量在30万吨左右。受行业过热和利益驱使，很多企业盲目扩大产能，目前，国内 可以生产具备风电法兰用钢生产能力的达十数家，产品质量参差不齐。有些企业并不具备 生产风电法兰用圆坯的技术和管理水平，生产技术、设备与工艺、技术要求等。如，2010年2 月韩国出现风电塔楼倒塌事故，经调查，断裂就是由中塔筒下法兰断裂引起。因此风电行业 对制造法兰的用钢提出了更加苛刻的要求，不仅材料要具有良好的焊接性能，而且材料的 耐低温性能标准大大提高-50°C，AKv彡50J,同时，材料的强度必须达到GB/T1591中Q345 级别强度的要求。目前国内能够批量生产并申请专利的风电法兰用钢的生产厂家，只有南阳汉冶特 钢有限公司(申请号200910065962)。但是，由于合金成分设计有一定的不合理处，所以按 照该设计，材料低温性只能保证-40°C，AKv彡27J的低温性能要求，却难以保证目前市场的 低温要求-50°C，AKv彡50J，而且按照该发明制造的材料的低温性能不够稳定，对制造法 兰的热处理要求非常苛刻。为了能够生产出低温性能稳定的且焊接性能良好，且具有较高 强度的风电法兰用钢，本公司依据风电法兰对材料的整体要求，改进产品配方，确保材料不 仅具有良好的焊接性能，而且具有稳定的低温冲击性能和较高的强度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种耐低温、高焊接性能、高强度的风电法兰用 钢，其焊接性能良好，具有稳定的低温冲击性能，并且材料的强度较高。国内目前用于耐低温、高焊接性能、高强度的风电法兰用钢的专利钢种(申请号 200910065962)，与本发明的钢种对比情况如下。(重量比％ )
风电法兰的制造工艺为连铸圆坯下料一装炉加热一热锻粗一热冲孔一辗环一冷 却一正火一车削一探伤一钻孔一入库。对于大型风电法兰，保证材料的良好焊接性能、使材 料获得高的耐低温性能及保证钢的高的强度及洁净度是本钢种设计的关键。本发明通过以下技术方案实现一种耐低温、高焊接性能、高强度的风电法兰用钢，其化学成分Wt %为 CO. 13-0. 18 %, Si 0. 17-0. 40 %, Mn 1. 30-1. 45 %, V 0. 035-0. 060 %，NbO. 03-0. 05 %， Al 0. 015-0. 030 %, Ti 0. 010—0. 020 %, S ^ 0. 005 %, P ^ 0. 015 %, As ^ 0. 04 %,
( 0. 0020%, _· 0060-0. 0110%, [H] ( 0. 0002%，余为 Fe。本发明进一步改进方案是，一种耐低温、高焊接性能、高强度的风电法兰用钢，其 化学成分 0. 14-0. 17%, Si 0. 29-0. 35%, Mn 1. 35-1. 40%, V0. 046-0. 050%, Nb 0. 036-0. 039%, Al 0. 022-0. 025%, Ti 0. 015-0. 018%, S 彡 0. 004%, P 彡 0. 012%, As ( 0. 008%,
( 0. 0017%, _· 0075-0. 009%, [H] ( 0. 00008%，余为 Fe。本发明更进一步改进方案是，上述耐低温、高焊接性能、高强度的风电法兰用钢， 碳当量 CEV 为 0. 40-0. 43%。下面具体说明本发明耐低温、高焊接性能、高强度的风电法兰用钢化学成分的限
定理由。C 能显著提高钢的强度，同时又可以提高钢的淬透性和淬硬性，但也使钢的塑性 恶化，并会降低材料的焊接性能，C是显著提高钢的脆性转变温度元素之一。如果C含量低 于0. 13%，材料的强度和力学性能指标均达不到客户使用要求。如果C含量高于0. 18%, 按照本发明方案，材料的塑性指标和焊接性能及低温冲击性能均达不到客户使用要求，所 以本钢种C含量取0. 13-0. 18%。Si 在钢中能溶入铁素体，能提高合金钢的强度和硬度，降低钢的塑性和韧性，并 且能够显著提高钢的屈强比，其最低含量为0. 17%才能达到效果，但过高的Si含量，特别 是与Mn元素共存时，容易引起钢的晶粒粗化，增加钢的回火脆性，同时Si是显著提高钢的 脆性转变温度元素之一。综合材料的总体要求，本钢种将Si含量确定为0. 17-0. 40%。Mn:在钢中能溶入铁素体，强化基体，在轧后冷却时能细化珠光体且能相对提高珠 光体含量，且Mn和S容易形成MnS塑性夹杂，改善钢的切削性能。因此，能提高强度和硬 度，显著提高淬透性，改善热处理性能，且对材料的塑性影响较小。当Mn含量低于1.30% 时，材料的力学性能和抗低温性能能均很难达到风电法兰的使用要求，当Mn含量高于 1. 45%时，大大增加了材料的焊接裂纹倾向，因而影响材料的焊接性能。所以Mn含量确定 为 1. 30-1. 45%。V 钒在钢中主要起的作用细化组织晶粒，提高晶粒粗化温度，从而降低钢的过 热敏感性，并提高钢的强度和韧性；增加回火稳定性，并产生二次硬化效应。对中、低碳含量 的钢，无论在退火、正火或调质状态，钒除提高钢的强度，特别是屈服点和屈强比以外，还改
4善钢的塑性和韧性。由于材料晶粒的细化，所以细化后材料的晶粒度等级大大提高，晶界的 比重加大，同时钢的强度增加，材料对裂纹的敏感性大大降低。当V含量低于0. 035%时，材 料的低温性能及强度很难稳定地达到风电法兰用钢的要求，当V含量高于0. 060%不仅材 料的成本提高，而且容易在铁素体内产生次生的另类组织，反而降低材料的低温冲击性能， 所以发明V含量确定为0. 035-0. 060%。Nb 细化晶粒和沉淀强化作用，提高钢的粗化晶粒温度，降低钢的过热敏感性和回 火脆性，提高钢的强度和韧性及对蠕变的抗力等。同时，Nb对降低钢中的气体含量及改善 钢的低温冲击韧性有显著作用。当Nb含量高于0.05%时，作用增加不明显。所以，Nb含量 定为 0. 03% -0. 05%。Al 提高钢的抗氧化性，降低钢中气体含量，提高钢的耐磨性和疲劳强度，同时提 高钢的低温性能和耐蚀性能。当Al含量低于0. 015%时，材料的脱氧效果差，纯净度低，但 如果Al含量高于0. 030 %，形成硬的Al2O3夹杂几率大幅度提高，从而降低钢的疲劳寿命， 恶化钢的冲击韧性。所以本发明的Al含量确定为0. 015% -0. 030%。Ti是极为活泼的金属元素之一，它和氮、氧、碳都有极强的亲和力，因此利用它 来固定钢中的氮，Ti元素和碳形成一种碳化物TiC，这种碳化物结合力极强，极稳定，不易 分解，在钢中，只有加热到1000°c以上，才能缓慢地溶入固溶体(α或Y相)中。在未溶 入前，碳化钛微粒有阻止钢晶粒长大粗化的作用。因此，用Ti来细化晶粒，将该钢的晶粒 粗化温度提高的1000°C以上，既避免了该钢材料的裂纹敏感性，同时提高了材料的综合 力学性能，但当Ti含量超过0. 020%，材料的耐低温性能大大降低，所以确定Ti范围为
0. 010% -0. 020% ON:钢中N主要起固溶强化和沉淀强化的作用，是一种很强的形成和稳定奥氏体 的元素，它扩大奥氏体相区的效果是Ni的20倍，所以在一些低温用钢中可以代替一部 分Ni。N在钢中的作用主要表现为固溶强化及时效强化；形成和稳定奥氏体组织；与钢 中的Al、V、Nb、Ti等形成稳定的氮化物，将大大增加钢的强度、硬度及抗疲劳等性能。但 N导致钢的时效及蓝脆现象，过高的N还会造成钢的疏松和气泡。本发明确定N含量为 0. 0060% -0. 0110%。当氮含量在设定的范围内时，材料的低温性能很高，而且很稳定。残余元素P、S、As等，实践证明，P、S、As在晶间偏聚造成晶界脆化，会造成材料高 温回火脆性，同时P、S、As超过一定含量时，对钢材的脆性转变温度提高很多，造成材料低 温冲击韧性低，恶化钢材的综合力学性能。所以本发明对上述残余元素作了相关的规定。0:在室温时对钢的强度影响不大，但使钢的伸长率和面缩率显著的降低，在较低 温度和0含量极低时，材料的强度和塑性均随0含量的增加而急剧降低。冲击性能方面，随 着0含量的增加冲击的最大值逐渐降低，脆性转变温度却很快地升高，脆性转变温度的范 围也随着变宽。同时，随着0含量的增加，材料的氧化夹杂物几率大大增加，从而降低材料 的疲劳寿命。本发明及生产工艺可以将O含量控制在0. 0020%以内。CEV 碳当量是衡量材料焊接性能的一个重要指标，CEV = C+Mn/6+(Cr+M0+V)/5+(Ni+CU)/15。但是，由于碳当量是由该钢中的主要元素构成的，所以 碳当量还影响材料的力学性能，当碳当量小于0. 40%时，材料的力学性能达不到材料的使 用要求，当碳当量大于0.43%时，材料的焊接性能较差，裂纹敏感性也较高。所以本发明对 碳当量做出了严格的规定，范围为0. 40% -0. 43%。
本发明采用优质铁水、铁水预处理、90吨顶底复吹转炉、吹氩处理、LF炉精炼、RH 真空脱气处理、连铸、缓冷等工艺生产风电法兰用连铸圆坯具有纯净度高、低倍质量好、尺 寸精度高等特点，与模铸锭相比可提高成材率25%以上，大大降低了成本。按照本发明生产的风电法兰，具有高焊接性能、耐低温、高强度。法兰经过正火 处理后，性能如下抗拉强度Rm = 500-570MPa ；屈服强度Rel = 325-360MPa ；伸长率A5 = 28-39% ；断面收缩率 Z = 76-85% ；_50°C，V 型缺口冲击功 AKv = 110-180J。
具体实施例方式实施例1采用以下生产工艺制备在常规的转炉或电炉中熔炼后，在精炼装置中进行精炼，在精炼后期进行钡微合 金化及终脱氧。精炼成分调整完成后，采用RH/VD进行脱气和去除夹杂物，也可以在LF精 炼前采用RH/VD进行脱气和去除夹杂物。本发明通过RH/VD工艺，可显著提高钢的洁净度， 从而显著提高钢的強韧性，提高材料的疲劳寿命。所得钢的化学成分C 0. 17 %, S 0. 32 %, Mn 1. 38 %, Nb 0. 039 %, V 0. 048 %, Al 0. 022 %, TiO. 015 %, S 0.0030 %, P 0.010 %, As 0.008 %,
0.0016 %, [N]0.0090 %, [H]0. 00008%，余为 Fe。所得钢碳当量CEV为0. 41 %。辗环规格=4200X3800X110经过910°C正火，所得的力学性能如下抗拉强度Rm = 530MPa、屈服强度Rel = 335MPa、伸长率A5 = 29. 5%、断面收缩率 Z = 78%,-500C V 型缺口冲击功 AKv :172J、144J、106J。实施例2C 0. 15 %, Si 0. 29 %, Mn 1. 40 %, Nb 0. 036 %, V 0. 046 %, Al 0. 025 %, TiO. 017 %, S 0.0040 %, P 0.012 %, As 0.006 %,
0.0015 %, [N]0.0075 %, [Η]0· 00007%，余为 Fe。所得钢碳当量CEV为0. 42%。辗环规格3282Χ2970Χ100经过910°C正火，所得的力学性能如下抗拉强度Rm = 525MPa、屈服强度Rel = 335MPa、伸长率A5 = 28%、断面收缩率Z = 76%,-500C V 型缺口冲击功 AKv :149J、146J、176J。其余实施如实施例1。实施例3C 0. 14 %, Si 0. 35 %, Mn 1. 35 %, Nb 0. 037 %, V 0. 050 %, Al 0. 024 %, TiO. 018 %, S 0.0030 %, P 0.011 %, As 0.007 %,
0.0017 %, [N]0.0086 %, [Η]0· 00006%，余为 Fe。所得钢碳当量CEV为0. 43%。辗环规格4000Χ3582Χ 140经过910°C正火，所得的力学性能如下抗拉强度Rm = 500MPa、屈服强度Rel = 330MPa、伸长率A5 = 35%、断面收缩率Z = 79%,-500C V 型缺口冲击功 AKv :146J、116J、148J。
6
其余实施如实施例1。以上实施例1-3中的抗拉强度、屈服强度、伸长率等数据均是相关风电法兰制造 厂使用淮钢开发的风电法兰用钢制造的法兰的产品的实际数据。
权利要求
一种耐低温、高焊接性能、高强度的风电法兰用钢，其特征在于化学成分wt％为C 0.13 0.18％，Si 0.17 0.40％，Mn 1.30 1.45％，V 0.035 0.060％，Nb 0.03 0.05％，Al 0.015 0.030％，Ti 0.010 0.020％，S≤0.005％，P≤0.015％，As≤0.04％，[O]≤0.0020％，[N]0.0060 0.0110％，[H]≤0.0002％，余为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种耐低温、高焊接性能、高强度的风电法兰用钢， 其特征在于化学成分 wt % 为C 0. 14-0. 17%, Si 0. 29-0. 35 %，Mn 1.35-1.40 %，V 0. 046-0. 050%, Nb 0. 036-0. 039%, Al 0. 022-0. 025%, Ti 0. 015-0. 018%, S ^ 0. 004%, P^O. 012%, As ^ 0. 008%,
^ 0. 0017%, [N]0. 0075-0· 009%，[H]彡 0.00008%，余 为Fe。
3.根据权利要求1或2所述的一种耐低温、高焊接性能、高强度的风电法兰用钢，其特 征在于材料的碳当量CEV 0. 40-0. 43%。
全文摘要
本发明公开了一种耐低温、高焊接性能、高强度的风电法兰用钢，其化学成分wt％为C 0.13-0.18％，Si 0.17-0.40％，Mn 1.30-1.45％，V 0.035-0.060％，Nb 0.03-0.05％，Al 0.015-0.030％，Ti 0.010-0.020％，S≤0.005％，P≤0.015％，As≤0.04％，[O]≤0.0020％，[N]0.0060-0.0110％，[H]≤0.0002％，余为Fe；同时要求材料的碳当量CEV 0.40-0.43％。用本钢种制成法兰经过正火处理后，性能如下抗拉强度Rm＝500-570MPa；屈服强度Re1＝325-360MPa；伸长率A5＝28-39％；断面收缩率Z＝76-85％；-50℃，V型缺口冲击功AKv＝110-180J。本发明不仅具有良好的焊接性能，而且具有稳定的低温冲击性能和较高的强度。
文档编号C22C38/14GK101906579SQ20101024854
公开日2010年12月8日 申请日期2010年8月9日 优先权日2010年8月9日
发明者包石磊, 尹修刚, 张庆武, 张银生, 王忠英 申请人:江苏沙钢集团淮钢特钢有限公司