一种耐低温低合金结构钢及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种耐低温低合金结构钢，其组分包括：C：0.13～0.20％、Si：0.15～0.55％、Mn：1.00～1.75％、P：≤0.015％、S：≤0.005％、V：0.02～0.12％、Nb：0.015～0.050％、Als：0.010～0.035％、Re：0.020～0.050％、Ti：≤0.010％、Cr：≤0.35％、Ni：≤0.55％、Cu：≤0.15％、As：≤0.020％、Sn：≤0.020％、Pb：≤0.0025％、Sb：≤0.025％、Bi：≤0.005％、[O]≤15ppm、[H]≤2.0ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明制得的钢坯经锻造成风电塔筒法兰，力学性能稳定，低温冲击性能优异，内部质量优良。
【专利说明】一种耐低温低合金结构钢及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于低碳微合金钢【技术领域】，具体涉及一种低温韧性优异的低合金结构钢及其制造方法。
【背景技术】
[0002]地球上的风能资源是地球水能资源的10倍，每年发电量高达53万亿千瓦时。从分布来看，风能资源主要分布在北美洲、亚洲、拉丁美洲等地方。亚洲、北美洲和欧洲将成为未来5年风电发展较快的主 要地区，亚洲的风电增长速度会在全球范围内遥遥领先，中国仍将成为风电市场增长的主要动力。风电机组的主要构成部分包括塔筒、机舱底座、塔筒法兰和门框，风力发电机，主轴、轴承、齿轮和叶片等，分别对应的钢材品种主要为厚板、电工钢和特殊钢等。风电机组使用年限以及其作业环境≤海上，风沙较大的东北、西北地区)要求风电用钢具有高寿命≤20年)和高可靠性、耐低温冲击性能≤_50°C )等特点。
[0003]当前风电塔架建设用钢主要是执行国标GB/T1591中Q345E以及EN10025中的S355系列，通常要求_40°C低温韧性大于27J，标准系列中钢的设计和性能要求远远不能满足环境条件和使用寿命等要求。专利文献CN101407888A公开了一种厚度10_40mm之间的风力发电机塔架结构用钢及其生产方法，钢板生产采用两阶段控制轧制，并采用轧后控制冷却工艺，纵向-40°C冲击性能大于54J。该发明是塔架建设用钢板用钢，可以通过控制轧制工艺保证钢的性能。但是其仅用作结构用钢，无法对风电塔筒法兰用连铸圆坯具有借鉴意义。
【发明内容】
[0004]本发明的主要目的在于针对现有标准系列中钢级要求无法满足风电塔架用钢的现状，设计了一种风电塔筒锻造法兰用连铸圆坯及生产方法，其可以满足耐低温冲击性能≤-500C )和内部质量的要求。
[0005]本发明提供了一种耐低温低合金结构钢及其制造方法，以低碳C-Mn钢为基础，添加V、Nb微合金化元素和稀土元素Re ;严格控制钢中P、S、As、Sn、Pb、Sb、Bi有害元素含量，以及钢中气体含量；本发明还提供了该钢材的制造方法，生产的低合金高强度钢具有纯净度高和优异的低温冲击韧性，钢的内部质量满足风电机组高可靠性超声波探伤要求。
[0006]本发明提供的一种耐低温低合金结构钢，其化学成分按质量百分比为:C:0.13 ~0.20%、S1:0.15 ~0.55%、Mn:1.00 ~1.75%、P:≤ 0.015%、S:≤ 0.005%、V:0.02 ~0.12%, Nb:0.015 ~0.050%, Als:0.010 ~0.035%, Re:0.020 ~0.050%, Ti:^ 0.010%, Cr 0.35%, Ni 0.55%, Cu 0.15%, As 0.020%, Sn:≤ 0.020%,Pb..≤ 0.0025%, Sb:≤ 0.025%, Bi..≤ 0.005%, [O] ≤ 15ppm、[H] ≤ 2.0ppm，其余为 Fe和不可避免的杂质。
[0007]优选的，钢的组成按质量百分数为:
[0008]C:0.14 ~0.17 %、Si:0.20 ~0.30 %、Mn:1.30 ~1.45 %、P:≤ 0.015 %、S:(0.005%,V:0.02 ~0.08%,Nb:0.015 ~0.050%,Als:0.010 ~0.035%,Re:0.020 ~0.050%,Ti..( 0.010%,Cr..( 0.10%,Ni..( 0.55%,Cu..( 0.15%,As..( 0.020%,Sn:^ 0.020%,Pb 0.0025%、Sb:≤ 0.025%、B1:≤ 0.005%、[O] ( 15ppm、[H]≤ 1.5ppm,
其余为Fe和不可避免的杂质。控制碳当量Ceq:0.40%^ Ceq ( 0.43%。
[0009]优选的，为了保证发明钢性能的稳定性和焊接性能，还对化学成分进行综合控制，控制碳当量 Ceq:0.40% ≤ Ceq ≤ 0.43%，其中 Ceq = % C+% Mn/6+ (% Cr+% Mo+%V)/5+(% Ni+% Cu)/15。
[0010]本发明选用常用的低碳C-Mn低合金结构钢为基础,添加V、Nb微合金化兀素和稀土元素Re ;严格控制钢中P、S、As、Sn、Pb、Sb、Bi有害元素含量，以及钢中气体含量。在热轧正火铁素体-珠光体钢中，改善钢强韧性的合金化设计:降低碳含量，增加Mn含量；增加Si含量；加入微合金化元素V和Nb,以及微量稀土元素Re。
[0011]本发明中各元素的功能如下:
[0012]碳是钢中最基本的强化元素，从钢的韧-脆转变温度与含碳量关系看，低合金高强度钢的含碳量，一般均限制在0.20%以下，因此，为保证钢的强度、低温韧性和焊接性能，C含量控制在0.13~0.20%比较合适；猛起到固溶强化的作用，降低钢的Y — α相变温度，细化晶粒，降低钢的脆性转变温度，提高韧性，Mn含量控制在1.00~1.75%。
[0013]硅是脱氧的主要元素，控制Si的含量为0.15~0.55%。
[0014]钒是碳化物形成元素，可提高钢的强度和韧性，V含量小于0.01%，达不到强化效果，含量大于0.12%，会对钢的低温冲击韧性产生不利影响，V含量控制在0.02~0.12%比较合适。
[0015]铌元素可延迟奥氏体的再结晶，降低相变温度，细化晶粒，改善低温性能，但含量过高会影响韧性和焊接性，Nb含量控制在0.015~0.050% ；Nb-V复合微合金化，部分V结合成(NbV) CN,复合(NbV) CN比Nb和V各自的碳氮化物更细小，且析出温度更宽，从而更有效地阻止奥氏体晶粒长大和再结晶过程，达到同时提高强度和韧性的目的。
[0016]铝作为钢中的脱氧剂，从保证钢液脱氧和降低钢的洁净度的角度出发，控制Als:0.010~0.035% ;钛是强的固氮元素，Ti含量过高，析出的TiN会对低温韧性造成不利影响，控制T1:≤0.010%。
[0017]钢中加入微量稀土元素Re，可以提高铸坯质量，提高钢的塑、韧性，改善钢的横向性能和低温冲击韧性，同时，Re加入钢液中，与钢中P、S、As、Sn、Pb、Sb、Bi低熔点有害元素作用，生成高熔点金属化合物，不熔于钢中而进入炉渣，使钢中杂质减少，克服了热脆性，另外，Re能吸收大量的氢，抑制钢中氢引起的脆性和白点。
[0018]另外，钢中有害元素P、S、As、Sn、Pb、Sb、Bi会提高钢的脆性转变温度，恶化钢的低温冲击性能，本发明严格控制钢中P: ^ 0.015 %, S: ^ 0.005 %, As: ^ 0.020 %, Sn:≤ 0.020%, Pb: ^ 0.0025%, Sb: ^ 0.025%, Bi: ^ 0.005% ;钢中气体含量会对钢的洁净度、氢致裂纹造成不利影响，为保证钢的可靠性和内部质量，控制钢中[O] ^ 15ppm、
[H]^ 2.0ppm。
[0019]热轧钢材或钢坯制得锻件正火后的强塑性指标达:屈服强度> 325MPa、抗拉强度470 ~630MPa，延伸率≤ 22%，冲击韧性(AKv，-50°C )≤ 60J/cm2。
[0020]本发明一种耐低温低合金结构钢的制备方法，钢的化学成分设计要求如上所述，包括以下步骤:
[0021](I)冶炼。
[0022]采用电炉冶炼，电炉冶炼入炉原料为优质中重型优质废钢及铁水，铁水比例不小于60%。为保证钢中P、Ti有害元素尽可能低，电炉冶炼前期充分利用熔化期温度较低的有利条件，提高初渣的氧化性，和炉渣脱磷、脱钛能力，及时放掉初渣；冶炼过程造好泡沫渣，采用大渣量、深脱碳以加强脱磷、脱钛去除操作；合理控制脱碳和升温速度，确保碳氧反应增加钢渣界面的脱磷、脱钛效果。
[0023]优选的，冶炼时控制终点C:0.06~0.10%,P ≤ 0.008%,Ti ≤ 0.0010%，其余残
余元素含量也应终产品保持一致；准确控制出钢温度在1620~1640°C之间，避免出现高温回磷现象；为控制P、S和Ti，钢包合金化注意使用低磷、低硫、低钛合金；出钢过程采用“增碳剂+复合脱氧剂+合成渣”的预脱氧工艺。出钢时留钢、留渣操作，严禁下氧化洛，下渣炉次必须扒除氧化渣，为精炼创造好的钢水条件。
[0024]⑵LF炉外精炼，并加入稀土合金；
[0025]优选的，所述LF炉外精炼选用流动性良好、碱度为3.0~4.0的强还原性渣；精炼炉一次样铝要喂足，确保一次样铝≥ 0.03%，确保良好的脱硫条件；精炼过程保持白渣时间大于20分钟，加强脱硫操作。LF出钢前，按照1.0~2.5m/t钢喂入钙线进行钙变质处理。
[0026]优选的，精炼后真空处理，为保证真空脱气效果，钢包自由空间高度≥1000mm;用定氢仪进行过程氢的测定，氢含量不大于1.5ppm ;真空度小于67Pa,保持时间大于15分钟；VD破空后，喂入稀土硅铁合金包芯线，包芯线规格为Φ13_，稀土硅铁合金牌号优选的FeSiRe38 ；VD后软吹氩时间大于15分钟。
[0027](3)浇注
[0028]采用连铸浇注铸坯，连铸中采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌。控制中间包钢水温度1530~1540°C，根据不同圆坯坯型选择拉速0.10~0.40m/min,以保证铸坯质量，制得Φ 400~900mm规格圆还。
[0029]采用上述的方法可以提高钢的纯净度，通过严格控制钢中氧、氢含量，P、S及As、Sn、Pb、Sb、Bi有害元素含量，保证钢良好的低温性能和质量可靠性，满足风电机组用钢超声波探伤质量要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1、连铸圆坯的锻造方法。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合实施例对本发明作进一步说明。
[0032]一种耐低温低合金结构钢及其制造方法，该方法采用UHP超高功率电炉、LF炉外精炼、VD真空脱气处理工艺冶炼，连铸浇注圆形铸坯生产钢材。
[0033]生产工艺包括:
[0034](I)冶炼
[0035]采用电炉冶炼，电炉冶炼入炉原料为优质中重型优质废钢及铁水，铁水比例62~65%。为保证钢中P、Ti有害元素尽可能低，电炉冶炼前期充分利用熔化期温度较低的有利条件，提高初渣的氧化性，和炉渣脱磷、脱钛能力，及时放掉初渣；冶炼过程造好泡沫渣，采用大渣量、深脱碳以加强脱磷、脱钛去除操作；合理控制脱碳和升温速度，确保碳氧反应增加钢渣界面的脱磷、脱钛效果；控制终点[C]:0.08~0.10%，[P]:0.006~0.008%，[Ti]:
0.002~0.010%，残余元素含量符合设计要求；准确控制出钢温度在1620~1640°C之间，避免出现高温回磷现象。
[0036]⑵LF炉外精炼
[0037]选用流动性良好、碱度为3.0~4.0的强还原性渣；精炼炉一次样铝要喂足，确保一次样铝> 0.03%，确保良好的脱硫条件；精炼过程保持白渣时间20~25分钟，加强脱硫操作。LF出钢前，按照2.0~2.5m/t钢喂入钙线进行钙变质处理。
[0038]精炼后真空处理，为保证真空脱气效果，钢包自由空间高度> 1000mm ;用定氢仪进行过程氢的测定，氢含量为1.2~1.5ppm ;真空度小于67Pa,保持时间15~18分钟；VD破空后，喂入稀土硅铁合金包芯线，包芯线规格为Φ 13mm，稀土硅铁合金牌号为FeSiRe38，其化学成分组成见表1 ;VD后软吹氩时间15~25分钟。
[0039]表1
[0040]
【权利要求】
1.一种耐低温低合金结构钢，其特征在于，其组成按质量百分数包括: C:0.13 ~0.20 Si:0.15 ~0.55 %、Mn:L 00 ~L 75 P: ^ 0.015 S:(0.005%,V:0.02 ~0.12%,Nb:0.015 ~0.050%,Als:0.010 ~0.035%,Re:0.020 ~0.050%,Ti..≤ 0.010%,Cr.. ≤0.35%,Ni..≤ 0.55%,Cu..≤ 0.15%,As..≤ 0.020%,Sn:(0.020%,Pb..≤ 0.0025%,Sb..≤ 0.025%,Bi..≤ 0.005%, [O] ≤ 15ppm、[H] ≤ 2.0ppm,其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的耐低温低合金结构钢，其特征在于，钢的组成按质量百分数为: C:0.14 ~0.17 Si:0.20 ~0.30 Mn:1.30 ~1.45 P: ^ 0.015 S:≤0.005%,V:0.02 ~0.08%,Nb:0.015 ~0.050%,Als:0.010 ~0.035%,Re:0.020 ~0.050%,Ti..≤ 0.010%,Cr..≤ 0.10%,Ni..≤ 0.55%,Cu..≤ 0.15%,As..≤ 0.020%,Sn:≤0.020%,Pb..≤ 0.0025%,Sb..≤ 0.025%,Bi..≤ 0.005%, [O] ( 15ppm、[H] ≤ 1.5ppm,其余为Fe和不可避 免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的耐低温低合金结构钢，其特征在于钢的碳当量Ceq:0.40%^ Ceq ( 0.43%, Ceq =% C+% Mn/6+(% Cr+% Mo+% V)/5+(% Ni+% Cu)/15。
4.权利要求1-3所述的耐低温低合金结构钢的制备方法，包括: (1)冶炼；冶炼时控制终点C:0.06~0.10%,P^0.008%,Ti≤0.0010%，出钢温度在1620~1640°C之间； (2)LF炉外精炼，并加入稀土合金； (3)浇注。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述LF炉外精炼选用流动性良好、碱度为3.0~4.0的强还原性渣；精炼炉一次样铝含量> 0.03%。
【文档编号】C22C38/48GK103952646SQ201410186331
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月5日 优先权日:2014年5月5日
【发明者】戈文英, 翟正龙, 于学文, 邵明海, 袁淑君 申请人:莱芜钢铁集团有限公司