专利名称：一种风电法兰用钢材及其制备方法
技术领域：
本发明涉及钢铁行业中的合金钢，具体涉一种风电法兰用钢材及其制备方法。
技术背景
随着社会的发展，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， 为了“将大气中的温室气体含量稳定在一个适当的水平，进而防止剧烈的气候改变对人类造成伤害”，联合国气候变化框架公约参加国于1997年12月在日本京都制定了《京都议定书》以及减排计划与进度表。世界各国纷纷采取措施遏制环境问题的恶化，而扶持清洁新能源的发展就是很有效的措施之一，是世界各国的战略选择。风电是风能发电或者风力发电的简称，属于可再生的清洁能源。风力发电是风能利用的重要形式，风能是可再生、无污染、 能量大、前景广的能源。
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。随着风力发电的迅猛增长，市场对风电塔筒的需求量也愈来愈大，对风电塔筒关键连接件——塔筒法兰的重要性也越来越得到重视。由于法兰要在野外可靠使用20年以上，经受各种极恶劣天气和复杂的风力交变载荷，长期在50 80m高处承受着拉伸、弯曲及剪切等作用力，而我国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，还有具备优良的低温韧性，耐候性等高端要求。
河南南阳汉冶特钢有限公司的专利CN 101643879公开了一种制造风电法兰用钢及其生产工艺，所述风电法兰用钢的成分按重量百分比为c:0. 14 0. 17%, Si 0.25 0. 40%, Mn :1. 35 1. 50%, P 彡 0. 015%, S 彡 0. 003%, V 彡 0. 015 0. 030%, Nb 彡 0. 025 0. 040 %, A10. 030 0. 045，N 彡 0. 004，H 彡 0. 0001，0 彡 0. 002， As+Cu+Cu ( 0. 1，该发明是用连铸的方法生产制造风电法兰用钢，其整体的工艺流程为优质铁水、KR铁水预处理、120吨顶底复吹转炉、吹氩处理、LF炉精炼、VD真空脱气处理、连铸、 堆冷、检验、入库。
江苏沙钢集团淮钢特钢有限公司的专利CN101906579A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%, Mn1.30-1. 45%, V 0. 035-0. 060%, Nb 0. 03-0. 05%, A10. 015-0. 030%, Ti 0. 010-0. 020%, S 彡 0.005 %, P ^ 0.015 %, As 彡 0. 04 %,
彡 0.0020 %, [N]0. 0060-0. 0110 %, [H]彡0.0002%，余量为Fe ；同时要求材料的碳当量CEV 0.40-0.43%。该发明所得钢种制成的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 =沘_39%;断面收缩率Z = 76-85%；-50°C V型缺口冲击功Akv = 110-180J，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。
钢材中的夹杂物同样也可引起许多缺陷，例如钢水中的总氧含量与产品的裂纹发生率明显有关，最终影响风力发电设备的运行寿命。
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，并保证钢的高的强度和洁净度，获得钢的高的抗裂纹敏感性是对风电法兰用钢材的设计要求。
目前随着行业的发展，1丽、1. 5丽、3丽等机组相继出现，现有钢材的屈服强度为 345MPa左右，专利CN 101643879和CN101906579A公开的法兰钢材的屈服强度最大也仅为 360MPa,与现有的钢材区别不大，用作法兰钢材料，势必造成设备重量大大增加，浪费资源， 不利于国民经济的可持续发展。因此，急需开发一种强度等级高的强韧性钢，并达到高洁净、长疲劳寿命、低抗裂纹敏感性的要求，用以代替目前市场广泛使用的低强度钢用于风电法兰，成为市场的客观需求。发明内容
针对现有技术风电法兰用钢材强度等级低、不耐低温、焊接性能不高、易出现裂纹的不足，本发明的目的之一在于提供一种风电法兰用钢材，所述钢材具有高强度、耐低温、 高焊接性能、抗裂纹的性能。与现有风电法兰用钢材相同，本发明所述钢材也主要包括狗、 C、Mn、V、Si、Nb、Al几种元素，但本发明通过对其中各个元素的配比进行调整，使得本发明提供的风电法兰用钢材的屈服强度能够大于465MPa，抗拉强度大于580MPa。
本发明所述钢材按重量百分包括以下组分C 0. 15-0. 19%, Si 0. 17-0. 35%, Mn 1. 45-1. 55%, V 0. 060-0. 090%, Nb 0. 02-0. 04%, Al 0. 015-0. 040%, Ti 彡 0. 005%,
彡 0. 0015 %, [N] ^ 0. 0120 %, S ^ 0. 005 %, P ^ 0. 012 %, As ^ 0. 04 %, [H] ^ 0. 00015 %，余量为狗。优选地，所述钢材按重量百分比主要含有以下组分C 0. 15-0. 19 %, Si 0. 17-0. 35 %，Mn 1.45-1.55 %，V 0. 061-0. 090 %, Nb 0. 02-0. 04%, Al 0. 015-0. 040 %, Ti 彡 0. 003 %,
彡 0. 0015 %, [N]彡 0. 0120 %, S 彡 0. 0048 %, P 彡 0. 012%, As ( 0. 035%, [H] ( 0. 00015%，余量为 Fe。
C(Carbon),是钢材中有效的硬化元素，是显著提高钢的脆性转变温度元素之一， 能显著提高钢的强度、淬透性和淬硬性，增加其强度和硬度；但随着碳含量的增加，钢的塑性和延展性却随之降低，使钢变脆且难以加工，降低材料的焊接性能。反之，随着碳含量的减少，钢的韧性得到增强且易于切削加工。
由此，钢需要有一定量的碳，性能才达到最佳，本发明选择C含量为 0. 15-0. 19wt%，例如 0. 151wt%,0. 152wt%,0. 155wt%,0. 16wt%,0. 162wt%,0. 168wt%, 0. 17wt%,0. 18wt%,0. 186wt%,0. 189wt%,0. 19wt%^,^it0. 15-0. 16wt%。如果C含量低于0. 15%，钢材的强度低，力学性能不到风电法兰的要求；如果C含量高于0. 19%，配合本发明中其他元素的加入，钢材的塑性指标、焊接性能及低温冲击性能均达不到风电法兰用钢的使用要求。
Mn(Manganese),是钢材中重要的元素之一，有助于钢材生成纹理结构，增加其坚固性、强度及耐磨损性。Mn和铁能够形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度， 同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子。Mn在钢中由于降低临界转变温度，起到细化晶粒的作用，也间接起到提高珠光体钢强度的作用。钢中的奥氏体是一种塑性很好，强度较低，具有一定韧性，不具有铁磁性的固溶体。在合金钢中合金元素可溶于奥4氏体中，并扩大或缩小奥氏体稳定区的温度和成分范围，而Mn使钢形成和稳定奥氏体的能力仅次于附。本发明在钢材中加入Mn有如下优点a、能够扩大铁碳平衡相图中的奥氏体相区，从而能够使钢形成奥氏体，并稳定奥氏体；b、能够强烈的增加钢的淬透性。但应严格控制Mn的加入量，因为Mn含量较高时候，有使晶粒粗化的倾向，并增加钢的回火脆敏感性。
优选地，本发明选择Mn的加入量为1. 45-1. 55wt%，例如1. 455wt%U. 46wt %, 1. 49wt%U. 51wt%U. 53wt%U. 54wt%U. 548wt%U. 549界1%等，优选 1. 46-1. 55wt%。
Si (Silicon)，是钢材的重要元素之一，有助于增强钢的强度，具体讲，Si以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中，它起到提高固溶体的强度和冷加工变形硬化率的作用。 Si对钢的淬透性影响中等，但对钢的高温回火稳定性和抗氧化性能都有很大的好处，但同时在一定程度上降低钢的韧性和塑性，同时和Mn作用时，提高钢的回火脆性。
优选地，本发明所述钢材Si的加入量为0. 17-0. 35wt %，例如0. 171wt %、 0. 172wt %,0. 19wt %,0. 26wt %,0. 29wt %,0. 31wt%,0. 34wt %,0. 349wt %,0. 35wt % 等， 优选 0. 26-0. 35wt%。
V(Vanadium),也是钢材的重要元素之一，能够增强钢材的抗磨损能力和延展性， 具体讲，钒在钢中能起到细化组织晶粒，提高晶粒粗化温度，降低钢的过热敏感性，从而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。
优选地，本发明所述钢材V的加入量为0. 060-0. 090wt %，例如0. 060wt %、 0. 061wt%,0. 067wt%,0. 073wt%,0. 079wt%,0. 085wt%,0. 089wt%,0. 090wt%等。
Nb (Niobium)，能提高钢材的屈服强度和冲击韧性，降低钢的脆响转变温度，并改善其焊接性能。对Mn含量较高的钢材，改善焊接性能的效果更为显著。Nb能同时提高低碳低合金钢的强度和韧性，主要是通过他细化钢的晶粒和固溶如铁素体使之强化，以及碳化铌和氮化铌沉淀强化的结果。但是在强化钢时，如果Nb的含量过高或者以较高的含量与V 共同作用时，容易使钢产生脆性。优选地，本发明所述Nb的加入量为0. 02-0. (Mwt%，例如 0. 021wt%,0. 022wt%,0. 026wt%,0. 031wt%,0. 035wt%,0. 039wt%,0. 04wt%等。
Al (Aluminum)，能够提高钢的抗氧化性，降低钢中气体含量，从而提高钢材的耐磨性和疲劳强度，同时提高钢的低温性能和耐蚀性能。与现有技术不同，本发明将Al加入风电法兰用钢材中，与其他组分配伍后，能够大大提高钢材的疲劳强度和耐磨性。但是当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. 040 %，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。优选地，本发明所述 Al 的加入量为 0. 015-0. 040wt%，例如 0. 015wt%,0. 016wt% 0. 021wt%,0. 029wt%, 0. 033wt%,0. 038wt%,0. 039wt%,0. 040wt%等。
Ti (titanium)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，因此本发明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5材料的综合力学性能，但是Ti和N的作用比Nb和V的作用都显著，加入Ti时会降低V和Nb 的作用，同时生成的TiCN会大大降低钢的耐低温性能，从而本发明规定残余Ti ( 0. 005%； 优选残余Ti ^ 0. 003% ο
N(Nitrogen),在钢材中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。本发明所述N的含量为彡 0. 0120%，例如 0. 0119wt%,0. 0115wt%,0. 0110wt%,0. 0101wt%,0. 0090wt%, 0. 006(^丨％等。
O(Oxygen)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. 0015%以内，从而保证在钢材的洁净性方面优于现有技术。
P、S、As元素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。
优选地，本发明所述钢材中P、S、As和[H]的含量按重量百分比分别为 S 彡 0. 005%, P 彡 0. 012%, As 彡 0. 04%, [H]彡 0. 00015%。
合金钢中除碳以外各种合金元素对钢材的强度与可焊性也起着重要作用。为便于表达这些材料的强度性能和焊接性能便通过大量试验数据的统计简单地以碳当量来表示。 碳当量(carbon equivalent，简写为CEV)，即将钢铁中各种合金元素折算成碳的含量，目的是为了衡量材料焊接性能，其具体的计算公式为CEV = [C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu )/15] X100%。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. 46%时，材料的焊接性能较差，裂纹敏感性也较高。
优选地，本发明所述钢材的碳当量为0. 40-0. 46 %，例如0. 401 %、0. 402 %、 0. 409 %,0. 432 %,0. 448 %,0. 457 %,0. 459 %,0. 46%,优选 0. 41-0. 46%,进一步优选 0. 43-0. 46 %，特别优选 0. 44-0. 46 %。
本发明所述风电法兰用钢材，具有耐低温、高焊接性能、高强度、抗裂纹敏感性的特点，为了实现这些优点，在于在元素控制方面要求C、Mn、V不得同时按照添加量的上限 (或下限)控制，如果C、Mn、V之一接近内控上限(或下限)，另一元素必须按内控下限(或上限)控制，保证碳当量在设计的要求之内。
用于耐低温、高焊接性能、高强度、抗裂纹敏感性风电法兰用钢的专利钢种目前已有报道，典型但非穷尽的例子有专利CN 101643879和CN101906579A。下面将现有的钢材与本发明的钢材中各个元素含量进行对比，情况如下(以重量比计，单位为)
权利要求
1.一种风电法兰用钢材，所述钢材主要包括Fe、C、Mn、V、Si、Nb、Al，其特征在于，所述钢材的屈服强度大于465MPa，抗拉强度大于580MPa。
2.如权利要求1所述的钢材，其特征在于，所述钢材按重量百分比包括以下组分 C 0. 15-0. 19%, Si 0. 17-0. 35%, Mn 1. 45-1. 55%, V 0. 060-0. 090%, NbO. 02-0. 04%, Al 0. 015-0. 040 %, Ti ^ 0. 005 %,
彡 0. 0015 %, [N] ^ 0. 0120 %, S ^ 0. 005 %, P 彡 0. 012%, As ( 0. 04%, [H] ( 0. 00015%，余量为 Fe。
3.如权利要求1或2所述的钢材，其特征在于，所述钢材按重量百分比包括以下组分 C 0. 15-0. 19%, Si 0. 17-0. 35%, Mn 1. 45-1. 55%, V 0. 061-0. 090%, Nb 0. 02-0. 04%, Al 0. 015-0. 040 %, Ti 彡 0. 003 %,
彡 0. 0015 %, [N]彡 0. 0120 %, S 彡 0. 0048 %, P 彡 0. 012%, As ( 0. 035%, [H] ( 0. 00015%，余量为 Fe。
4.如权利要求1-3任一项所述的钢材，其特征在于，所述钢材的碳当量为 0. 40-0. 46 %，优选 0. 41-0. 46 %，进一步优选 0. 43-0. 46 %，特别优选 0. 44-0. 46 %。
5.如权利要求1-4任一项所述的钢材，其特征在于，所述钢材按重量百分比包括以下组分C 0. 15-0. 188 %, Si 0. 172-0. 35 %，Mn 1. 46-1. 55 %, V0. 061-0. 090 %, Nb 0. 02-0. 04 %, Al 0. 015-0. 040 %, Ti ^ 0. 005 %,
彡 0. 0015 %, [N]彡 0. 0120 %, S 彡 0. 0048%, P 彡 0. 011%, As 彡 0. 015%, [H]彡 0. 00015%，余量为 Fe。
6.如权利要求1-5任一项所述的钢材，其特征在于，所述钢材按重量百分比包括以下组分C 0. 15-0. 16 %，Si 0. 26-0. 35 %, Mn 1. 46-1. 55 %, V 0. 061-0. 090 %，Nb 0. 02-0. 04 %, Al 0. 015-0. 040 %, Ti ^ 0. 003 %,
彡 0. 0015 %, [N]彡 0. 0120 %, S 彡 0. 0045%, P 彡 0. 010%, As 彡 0. 015%, [H]彡 0. 00015%，余量为 Fe。
7.如权利要求1-6任一项所述的钢材，其特征在于，所述钢材的抗拉强度Rm= 580-720MPa ；屈服强度 Rel = 470_500MPa ；伸长率 A5 = 22-26 % ；断面收缩率 Z = 66-72% ；-20 °C，V 型缺口冲击功 Akv = 60-90J。
8.—种如权利要求1-7任一项所述的风电法兰用钢材的制备方法，包括熔炼一精炼一除渣过程，其特征在于，所述精炼在精炼装置中进行，优选在精炼炉中进行。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述除渣在精炼成分调整完成后进行，优选除渣过程采用RH或/和VD炉进行脱气和去除夹杂物；优选地，在真空脱气后进行钙夹杂物变性处理。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的风电法兰用钢材的用途，其特征在于，所述风电法兰用钢材用于风力发电行业，优选用于制造有耐低温、高焊接性能、高强度、抗裂纹要求的风电法兰。
全文摘要
本发明涉及一种风电法兰用钢材，按重量百分含量主要包括C 0.15-0.19％，Si 0.17-0.35％，Mn 1.45-1.55％，V 0.060-0.090％，Nb 0.02-0.04％，Al0.015-0.040％，Ti≤0.005％，[O]≤0.0015％，[N]≤0.0120％，S≤0.005％，P≤0.012％，As≤0.04％，[H]≤0.00015％，余量为Fe。本发明所述钢材的屈服强度大于465MPa，抗拉强度大于580MPa，具有耐低温、高焊接性能、高强度、抗裂纹敏感性好，焊接性能好，低温冲击性能优良的特点，更能适应风电行业风电法兰用钢材的要求。
文档编号C22C38/12GK102517494SQ20121000912
公开日2012年6月27日 申请日期2012年1月12日 优先权日2012年1月12日
发明者刘江伟, 尹修刚, 张献昭, 李学刚, 王彦文, 陈宏豫 申请人:承德建龙特殊钢有限公司