一种高锰硫比风电用钢及其制备方法与流程

1.本发明涉及钢铁冶炼领域，特别涉及一种高锰硫比风电用钢及其制备方法。


背景技术：

2.锰硫比是指钢中锰和硫两种元素重量百分含量的比值。硫是一种有害元素，它在钢中以fes和mns的形态存在。当钢水凝固时，fes和fe形成低熔点的共晶体，如果钢液中有氧，则硫的氧化物共晶会使其熔点更低。在连铸钢水冷却过程中，这种共晶体最后凝固、并呈网状薄膜在晶界处析出。这时由于坯壳外部的收缩力、钢水凝固过程的热应力以及坯壳受到的钢水静压力等作用，极易使晶界处出现裂纹缺陷，称为铸坯的“热裂”。由于锰和硫的亲和力较大，高熔点mns的生成可取代fes。这种取代是随着钢中mn/s值的增大而增加。因此，为减少裂纹，保证铸坯质量，尽量消除fes共晶体的影响，通常规定钢中锰硫比应大于20。
3.目前并未发现有高锰硫比风电用钢及其制备方法的报道。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供高锰硫比风电用钢及其制备方法，有效解决铸坯热脆现象。本发明提供了一种高锰硫比的风电用钢板，以及采用添加和控制各种合金元素，通过两阶段轧制+正火工艺，性能合格率达到100％且厚度规格为8mm-100mm的高锰硫比钢板，得到高锰硫比风电用钢。
5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种高锰硫比风电用钢，所述高锰硫比风电用钢的化学成分按重量百分比为：0.12％≤c≤0.17％，0.20％≤si≤0.50％，1.30％≤mn≤1.65，0≤s≤0.012％，0≤p≤0.018％，0.010％≤nb≤0.045％，0.010％≤ti≤0.020％，0.020％≤alt≤0.040％，其余为铁和不可避免的杂质，其中alt为全铝。
7.本发明中锰硫比值＞100。
8.本发明还提供了一种高锰硫比风电用钢的制备方法，所述的制备方法包括如下步骤：
9.(1)预处理，将铁水脱硫；
10.(2)冶炼，将预处理后的铁水进行冶炼；
11.(3)精炼，分为lf精炼和rh精炼；
12.(4)连铸，采用全程保护浇铸；
13.(5)轧制，采用两阶段轧制；
14.(6)冷却，采用层流冷却；
15.(7)正火。
16.本发明步骤(1)中，将铁水中硫含量按质量百分比控制在0.010％以下，脱硫完毕扒净铁水表面的渣，直接兑入转炉。
17.本发明步骤(2)中，预处理后的铁水进入转炉进行冶炼；采用一次拉碳，控制枪位和加料时机，造渣料在铁水进入转炉的终点前3min内加完；采用单渣工艺冶炼，终渣碱度控制在r＝3.0-4.0；采用“高拉碳法”，控制锰含量；出钢温度控制在1615℃-1645℃，采用铝锰铁脱氧，铝锰铁加入量为2.0kg/t-3.0kg/t，钢水出至1/4～2/5时，分批加入锰硅合金、中碳锰铁、铌铁，钢水出至3/5～3/4时加完。
18.锰硅合金为含重量百分比为65％-72％的锰和17％-20％的硅的铁合金，锰硅合金的加入量为15.5kg/t-19.0kg/t；
19.中碳锰铁为含重量百分比为0.25％-2％的碳和75％-82％的锰的铁合金，中碳锰铁的加入量为1.5kg/t-4.0kg/t；
20.铌铁为含重量百分比为60％-70％的铌的铁合金，铌铁的加入量为0.3kg/t-0.4kg/t。
21.本发明步骤(3)中，lf精炼采用全程底吹氩搅拌，氩气压力、流量以渣面轻微翻动不露钢水为宜；采用铝粒、碳化钙、碳化硅造渣，白渣保持时间10min-30min，终渣碱度控制在r＝2.5-4.0，采用钛铁进行微合金化，加入量为0kg/t-0.6kg/t，铝线的加入量1.0m/t-2.6m/t，钛线的加入量为0m/t-1.1m/t；rh精炼过程中的真空度控制在10pa-30pa，真空时间为15min-25min，纯脱气时间≥5min，软吹时间≥10min，rh精炼的周期控制在45min-60min，处理结束后，喂纳米高钙线0.3m/t-0.8m/t。
22.本发明步骤(4)中，全程保护浇铸是指大包至中间包采用长水口并进行氩封保护；中间包采用覆盖剂结合碳化稻壳进行覆盖；中间包至结晶器采用浸入式水口并采用氩封保护；结晶器液面采用包晶钢保护渣；
23.按重量百分比，包晶钢保护渣的成分为21.0％≤sio2≤31.0％、32.7％≤cao≤42.7％、0≤mgo≤5％、6.5％≤al2o3≤12.5％。拉速稳定到0.7m/min-1.40m/min，中间包温度控制在1525℃-1535℃，液相线温度控制在1510℃-1515℃，浇铸过热度控制在15℃-25℃。
24.本发明步骤(5)中，钢坯出炉温度控制在1150℃-1250℃，粗轧开轧温度1130℃-1195℃、粗轧终轧温度950℃-1130℃，粗轧总压缩比》50％，中间坯厚度与成品厚度比为1.45-5.0；精轧开轧温度为840℃-970℃、精轧终轧温度为800℃-885℃。
25.本发明步骤(6)中，冷却开始温度为770℃-820℃、冷却结束温度为610℃-670℃、冷却速度为5℃/s-8℃/s。
26.本发明步骤(7)中，正火温度825℃-835℃，保温时间5min-27min。
27.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
28.1)本发明钢的化学成分设计基于c、si、mn、p、s元素，辅助添加nb、ti合金元素，不添加其它贵重元素，从而降低合金成本。
29.2)本发明满足mn/s＞100。
30.3)该产品主要应用于风电塔筒制造领域，锰硫比高有效控制热脆现象且保证冷成型时无裂纹，进一步提高生产效率，产生了良好的经济效益和社会效益。
31.4)发明提供了一种高锰硫比风电用钢板，以及采用添加和控制各种合金元素，通过两阶段轧制+正火工艺，性能合格率达到100％且厚度规格为8-100mm的高锰硫比风电钢板，得到高锰硫比风电用钢。
具体实施方式
32.下面以具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
33.实施例1-4
34.根据本发明的实施例，提供了高锰硫比风电用钢及其制备方法。按重量百分比，风电用钢包括如下成分：0.12％≤c≤0.17％，0.20％≤si≤0.50％，1.30％≤mn≤1.65，0≤s≤0.012％，0≤p≤0.018％，0.010％≤nb≤0.045％，0.010％≤ti≤0.020％，0.020％≤alt≤0.040％，其余为铁和不可避免的杂质，其中alt为全铝。该风电用钢采用kr法+“高拉碳”法，保证锰含量和硫含量，进而保证具有高的锰硫比。
35.以下对本发明的高锰硫比风电用钢的成分含量控制及作用进行进一步的说明。
36.以使用要求为依据，合理设计了mn和s的含量，适量添加nb、ti和al。mn：提高钢的韧性、强度、硬度和耐磨性，提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能；s：在通常情况下是有害元素，使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在轧制时造成裂纹，对焊接性能不利；nb：充分发挥nb的细晶强化作用，保证钢板具有足够的强度；ti：一方面消除钢中的自由氮，提高抗时效性能，另一方面细化晶粒，减少偏析降低带状组织级别，提高强韧性；al：一方面可细化晶粒，提高强度，另一方面al与n结合，可防止应变时效。
37.本发明还提供了一种上述的高锰硫比风电用钢的制备方法，制备方法包括如下步骤：预处理、冶炼、精炼、连铸、轧制、冷却、正火。
38.为保证风电用钢的高锰硫比要求，一方面在成分设计时充分考虑各合金元素的添加量，另一方面在轧制过程中采用两阶段轧制+正火工艺，以满足对产品性能的需求。
39.预处理，是指铁水脱硫。铁水脱硫严格执行工艺规程，将铁水中硫含量按质量百分比控制在0.010％以下(比如0.001％、0.002％、0.003％、0.004％、0.005％、0.006％、0.007％、0.008％、0.009％、0.010％)，脱硫完毕扒净铁水表面的渣。通常情况下，硫是有害元素，使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在轧制时造成裂纹，且对焊接性能不利。本发明在预处理时采用kr法脱硫控制脱硫温度，并有效降低铁水中硫含量至0.010％以下，脱硫彻底，保证钢质纯净度。
40.冶炼，预处理后的铁水进入转炉进行冶炼；采用一次拉碳，控制枪位和加料时机，造渣料在铁水进入转炉的终点前3min内加完，终渣碱度控制在r＝3.0-4.0，严格控制出钢温度，降低钢水氧化性，出钢温度控制在1615℃-1645℃(比如1615℃、1620℃、1625℃、1630℃、1635℃、1640℃、1645℃及任意两个数值之间的范围)，出钢温度在1615℃-1645℃内，加入的合金成分在钢水内的化学反应充分，达到完全均匀化。温度如果低于1615℃，反应不充分；温度如果高于1645℃，钢水会被氧化。
41.本发明采用高拉碳法，降低脱氧剂消耗和钢水中氧含量，有效提高锰系等合金收得率。
42.采用铝锰铁脱氧，铝锰铁加入量为2.0kg/t-3.0kg/t，钢水出至四分之一时，分批加入锰硅合金、高碳锰铁、铌铁，钢水出至四分之三时加完。转炉冶炼控制的重点是尽量降低终点磷、硫含量，合理控制碳含量，保证钢质纯净度。
43.锰硅合金为含重量百分比为65％-72％的锰和17％-20％的硅的铁合金，锰硅合金的加入量为15.5kg/t-19.0kg/t；中碳锰铁为含重量百分比为0.25％-2％的碳和75％-82％的锰的铁合金，中碳锰铁的加入量为1.5kg/t-4.0kg/t；铌铁为含重量百分比为60％-70％
的铌的铁合金，铌铁的加入量为0.3kg/t-0.4kg/t。
44.精炼，采用lf+rh双精炼。
45.其中，lf精炼采用全程底吹氩搅拌，加入石灰进行造渣，采用铝粒脱氧剂进行脱氧，白渣保持时间10min-30min(比如10min、15min、20min、25min、30min及任意两个数值之间的范围)，白渣保持时间过短，终渣未化透；白渣保持时间过长，影响生产效率。终渣碱度控制在r＝2.5-4.0，采用钛铁对成分进行微调，钛铁的加入量为0kg/t-0.6kg/t，喂铝线增铝，喂钛线增钛。lf精炼可以进一步脱硫、脱氧、去夹杂，调整钢水成分和温度，获得良好的精炼效果。
46.rh精炼采用深处理模式，真空度控制在10pa-30pa，真空度越小，说明钢水中氮、氢、氧等气体夹杂物含量越小，即洁净钢冶炼。理想状态真空度的数值是0pa，但要达到不太现实，本发明将真空度控制在10pa-30pa，说明钢水中氮、氢、氧等气体夹杂物含量很小，接近洁净钢冶炼。真空时间控制在15min-25min(比如15min、17min、19min、20min、22min、25min及任意两个数值之间的范围)，真空度保持时间过短，气体夹杂除不净；过长，不再起作用反而影响生产效率。纯脱气时间控制在≥5min，软吹时间≥10min。rh精炼的周期控制在45min-60min，铝粒的加入量为0kg/t-0.2kg/t(当lf精炼时，铝线加入量已足够达到脱氧效果时，rh精炼可以不再加入铝粒)。处理结束后，加入纳米高钙线0.3m/t-0.8m/t，其作用是对铝系夹杂物进行改质处理，促进夹杂物上浮吸附，防止浇铸过程套眼。rh精炼的主要目是进行真空脱气，降低钢中气体含量，减少钢板内部由气体带来的缺陷，改善钢水的纯净度及合金化和均匀化。
47.连铸，在板坯连铸过程中，采用全程保护浇铸，即大包至中间包采用长水口并进行氩封保护；中间包采用覆盖剂结合碳化稻壳进行覆盖，保证液面覆盖良好，使钢水与空气隔绝，避免二次氧化；中间包至结晶器采用浸入式水口并采用氩封保护；结晶器液面采用包晶钢保护渣，稳定拉速。按重量百分比，包晶钢保护渣的成分为21.0％≤sio2≤31.0％、32.7％≤cao≤42.7％、0≤mgo≤5％、6.5％≤al2o3≤12.5％。
48.连铸过程中，开浇缓慢、均匀地提高拉速，提至目标拉速后，实行自动控制，同时密切观察结晶器液面波动情况，逐步使拉速稳定到0.7m/min-1.40m/min，根据断面的尺寸确定拉速，本发明采用200mm或250mm或300mm断面。断面的尺寸是指铸坯的厚度规格。
49.在浇铸温度和过热度一定时，上述根据断面设定的速度可使液体凝固更充分，在液体中保留了较多的非均匀形核核心，提高了形核率，阻止柱状晶区的发展，从而获得了更多的等轴晶，达到了细化晶粒的效果。
50.拉速的确定取决于铸坯断面大小。根据提速曲线，台阶式进行提速，每30s速度提高0.05m，提高到一个数值后保持一定时间，具体操作是0.4m/min保持1min，0.6m/min保持2min，如此进行，最终提高到所需拉速。断面大拉速小，断面小拉速大，是根据浇铸周期和凝固定律确定，避免铸坯出现内部缺陷。若断面大拉速大，钢水未凝固直接拉钢会产生漏钢。
51.连铸过程主要通过对浇铸过热度的控制来减轻铸坯中心偏析程度以及通过对冷却水和矫直温度的合理控制，减少或避免连铸坯表面裂纹，从而提高铸坯表面和内部质量，为最终产品的质量提供有力保证。浇铸过热度是由中间包温度与液相线温度之差确定，目标控制在15℃-25℃(比如15℃、20℃、25℃及任意两数值之间的范围)。控制中间包温度在1525℃-1535℃(比如1525℃、1530℃、1535℃及任意两数值之间的范围)，液相线温度在
1510℃-1515℃(比如1510℃、1515℃及任意两数值之间的范围)。中间包温度采用连续测温棒不间断测量；液相线温度通过公式(1)计算得到，与化学成分有着密切关系。一方面通过进行水冷，降低浇铸温度，获得细小的晶粒尺寸；一方面采用结晶器振动和动态轻压下，细化晶粒。
52.t
液
＝1537-(88[c]+8[si]+5[mn]+30[p]+25[s]+5[cu]+4[ni]+[mo]+[v]+1.5[cr])
……
(1)；
[0053]
轧制，在轧制过程中，宽厚板轧制采用两阶段轧制，其分为粗轧和精轧，粗轧和精轧轧制采用四辊可逆式轧机。在轧制之前对钢坯进行加热处理，钢坯出炉温度控制在1150℃-1250℃(比如1150℃、1155℃、1160℃、1170℃、1175℃、1180℃、1190℃、1200℃、1205℃、1210℃、1215℃、1220℃、1230℃、1240℃、1250℃及任意两数值之间的范围)；钢坯进行加热的目的是提高钢的塑性，降低变形抗力，改善金属内部组织和性能。一般将钢加热到奥氏体单相固溶体组织的温度范围内，并保证有较高的温度和足够的时间以均匀化组织及溶解碳化物，但温度不能过高。加热温度过高，一方面会引起钢的强烈氧化、脱碳、过热、过烧等缺陷；也会导致与铸坯基体接触的氧化铁皮粘度增大，影响除鳞效果；另一方面，会导致原始奥氏体晶粒过于粗大，根据晶粒遗传原理，成品的晶粒也会较为粗大，不利于成品的性能。加热温度过低则会使终轧温度降低，轧制道次增多，轧制力增加，影响轧制节奏和最终成品板形的控制，降低钢的质量，甚至会导致废品。
[0054]
钢坯出炉后粗轧前要进行高压水除鳞即除去铸坯表面的氧化铁皮，为后续获得高表面质量提供保证。因此，钢坯粗轧开轧温度相比于钢坯出炉温度会降低。钢坯粗轧开轧温度1130℃-1195℃(比如1130℃、1135℃、1140℃、1145℃、1150℃、1155℃、1160℃、1165℃、1170℃、1175℃、1180℃、1190℃、1195℃及任意两数值之间的范围)，粗轧终轧温度970℃-1130℃(比如970℃、980℃、990℃、1000℃、1050℃、1100℃、1130℃及任意两数值之间的范围)，较高的轧制温度可以为再结晶的发生提供良好的温度条件，并且可使轧制过程变形抗力降低，减少对轧机设备的损害，有利于高温低速大压下工艺的实施，进而有利于裂纹、疏松、孔隙等缺陷的消除及夹杂物的球化，有利于变形渗透到中心，使变形更均匀，提高了板坯的塑性，有利于轧制，以保证粗轧阶段的总压缩比。
[0055]
粗轧总压缩比》50％，中间坯厚度与成品厚度比为1.45-5.0(比如1.45、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0及任意两数值之间的范围)；精轧开轧温度为840℃-970℃(比如840℃、860℃、880℃、900℃、920℃、940℃、960℃、970℃及任意两数值之间的范围)，精轧终轧温度为800℃-885℃(比如800℃、810℃、820℃、830℃、840℃、850℃、860℃、870℃、885℃及任意两数值之间的范围)。
[0056]
冷却，在冷却过程中，采用acc冷却，冷却开始温度为770℃-820℃、冷却结束温度为610℃-670℃、冷却速度为5℃/s-8℃/s。
[0057]
正火，正火温度825℃-835℃，保温时间5min-27min。
[0058]
上述生产过程中各参数的控制能够最大程度地细化晶粒及改善钢板心部的组织，可获得最终厚度、性能、表面质量都符合要求的钢板。
[0059]
本发明采用的是两阶段轧制即粗轧阶段和精轧阶段，粗轧阶段处在奥氏体再结晶区域，精轧阶段在奥氏体的未再结晶区轧制。经过粗轧阶段反复再结晶后一定程度细化的晶粒组织，在处于未再结晶区的精轧阶段变形时，奥氏体晶粒由于轧制变形而被压扁和拉
长，一方面，增加了单位体积重奥氏体的晶界面积；另一方面，在晶内产生大量的形变带和高密度位错。这些形变带和位错均可作为相变时铁素体晶粒形核的场所。同时在组织中存储了大量的形变能。这样以来，在未再结晶区中变形能使铁素体形核场地和形核率增大，因此在相变后能获得更加细小的晶粒组织。
[0060]
本发明采用正火，将产品加热到ac3温度以上30℃-50℃后，保温一段时间出炉空冷。可细化晶粒，不仅获得满意的强度，还可明显提高韧性，同时降低构件的开裂倾向。
[0061]
本发明工艺中未详细说明的工艺或参数为本领域风电用钢的常规技术。
[0062]
实施例的化学成分配比列于表1中。
[0063]
表1本发明高锰硫比风电用钢板的化学成分及含量(wt％)
[0064][0065]
实施例的各阶段工艺参数列于表2中。
[0066]
表2本发明高锰硫比风电用钢板的生产工艺
[0067][0068]
实施例的钢板性能列于表3中，性能测试方法采用国际通用方法。
[0069]
表3实施例1-4中钢板性能
[0070][0071][0072]
本发明的示例性实施例通过调整钢的成分和制造工艺，实现对组织转变和各相比例的精确控制，最终得到特殊的力学性能的高锰硫比风电用钢，本发明提供了比较精确的mn、s控制范围，并且给出了c、nb、ti的控制范围，炼钢生产成本较低，生产过程容易稳定控制，化学成分也容易稳定控制，通过lf精炼和rh精炼控制合金成分、采用两阶段轧制+正火工艺可以生产满足高锰硫比要求，钢板的其它综合性能优良。因此，本发明的示例性实施例提供一种高锰硫比风电用钢，因此能够在冷成型时合格率100％。
[0073]
根据本发明的示例性实施例，能够提供一种高锰硫比风电用钢。本发明是一种风电用钢，适用于有两阶段轧制+正火工艺和高锰硫比要求的风电塔筒部件，在使用过程中冷成型无裂纹。
[0074]
本发明的工艺参数(如温度、时间等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法，在此不一一列举实施例。
[0075]
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
[0076]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。