一种正火轧制型420MPa级高强韧风电用钢板及其制备方法与流程

本发明属于钢铁冶金领域，涉及一种正火轧制型420mpa级高强韧风电用钢板及其制备方法。

背景技术：

1、随着世界各国对能源需求的不断增长和环境保护意识的日益加强，清洁能源的推广应用已成必然趋势。风能作为清洁能源之一，因其可再生、无污染且储量巨大，各国都在加紧对风力的开发和利用，风力发电发展势头强劲，带动风电用钢板需求量不断攀升。风电塔筒作为风力发电机组的塔杆，主要起支撑作用，同时吸收发电机组振动，对整个风电发电机组起着至关重要的作用。目前国内外风电塔筒用钢正常设计材质为屈服强度345mpa级别或355mpa级别，但随着风电行业产品的升级迭代和技术的进步，风电呈现出明显的大容量、长叶片、高塔筒发展趋势，设备高度和重量的增加，必定导致所用钢板厚度增加，对于使用连铸板坯轧制生产的中厚板，轧制压缩比势必减小，铸坯内部冶金缺陷难以得到有效改善，从而对风电设备的安全性造成严重威胁。虽可通过选用更大规格的铸坯和控制铸坯冶金缺陷的手段来解决，但这些措施都需要对生产设备进行大的技术改造，短期内难以实现。更好的解决方案是开发更高强度级别材料，如将钢材强度级别提升到420mpa级别，便可有效降低材料厚度与设备自重，大幅度降低钢材的使用量，进一步提升工作效率、降低运输成本等，这也正是风电用钢领域的一个重点发展方向。

2、中国专利申请cn 103014282 a公布了“一种高强度及良好低温韧性风电钢板的生产方法”，该专利通过控轧+回火工艺开发出50～120mm厚460mpa级风电钢，但该方法采用的是大厚度铸坯坯型(厚度规格为400mm)且采用了回火热处理。

技术实现思路

1、针对现有技术发展状况，本发明的目的是提供一种正火轧制型420mpa级高强韧风电用钢板及其制备方法，可实现碳当量≤0.43％，屈服强度平均值≥470mpa，疲劳强度平均值≥470mpa，抗拉强度平均值≥570mpa，延伸率平均值≥24％，-20℃冲击功平均值≥160j。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种正火轧制型420mpa级高强韧风电用钢板，按重量百分比计，包括如下组分：

4、c：0.14-0.20％，si：0.20-0.60％，mn：1.00-1.70％，p≤0.025％，s≤0.020％，nb：0.010-0.050％，ti：0.006-0.050％，v：0.01-0.12％，cr：0.10-0.30％，als：0.015-0.040％，n≤0.006％，其余为fe和不可避免的杂质，其中要求as≤0.007％、b≤0.0005％。钢板的碳当量cev≤0.45％。

5、本发明对钢中化学成分进行了优化设计：

6、(1)c作为钢中基本的强化元素，可大幅提升钢的强度，同时也对焊接性能产生影响。若c含量过高，可大幅降低钢板低温韧性，同时也会降低焊接性能，因此应尽量降低钢中c含量。综合钢板所需强韧性因素，本发明设定钢中c含量控制在0.14-0.20％，优选0.14-0.17％。

7、(2)si可提高钢板的屈服和抗拉强度，可以有效的稳定铁素体相，同时si作为脱氧剂可减少o含量，si含量过高可导致组织粗化，严重降低细晶强化效果，本发明si含量为0.20-0.60％，优选0.20-0.40％。

8、(3)mn元素与fe原子半径相似，可大量固溶于fe基体中，可扩大奥氏体相区并提高奥氏体稳定性，若钢中mn含量过高，焊接热影响区性能下降，本发明mn含量为1.00-1.70％，优选1.40-1.55％。

9、(4)p、s元素对钢板的力学性能和焊接性能有害，应严格限定含量。综合考虑应用条件及生产成本，本发明控制p≤0.025％，s≤0.020％，优选控制p≤0.013％，s≤0.005％。

10、(5)nb、v、ti元素可以有效提高轧制过程中钢板的再结晶温度，得到细化晶粒的效果，改善钢板的低温韧性，同时ti与v/n/nb等元素可以在焊接熔池及热影响区附近析出，形成细小弥散的n化物第二相，可有效促进晶内铁素体形核长大，抑制原始奥氏体晶粒长大，进而显著提高钢板焊接热影响区性能。本发明中nb含量0.010-0.050％，优选0.025-0.035％，v含量0.01-0.12％，优选0.020-0.035％，ti含量0.006-0.050％，优选0.010-0.025％。

11、(6)cr能显著提高钢的强度，并大幅提升钢的淬透性，但会降低塑性和韧性，本发明中50mm以上厚度规格的产品中cr含量为0.10-0.30％，优选0.15-0.25％。

12、(7)al是钢中主要的脱氧元素，当al含量过低时脱氧效果较差，使得ti元素被氧化，若al加入量过多则形成大颗粒夹杂物，严重影响钢板机械性能，本发明中als含量为0.015-0.040％，优选0.020-0.040％。

13、(8)n元素可以与ti、v等元素配合，形成细小弥散的n化物析出相，可促进晶内铁素体形核。提高钢中氮含量可增加焊接高温时钢中tin的数量，在焊接过程中可抑制奥氏体晶粒粗化。若钢中n含量过高，易形成较大的tin粒子，钢材的热塑性、韧性下降。因此，本发明中n≤0.006％。

14、本发明中碳当量计算公式为：cev＝c+mn/6+(cr+mo+v)/5+(ni+cu)/15。

15、优选的，钢板要求满足要求cev≤0.43％。

16、一种正火轧制型420mpa级高强韧风电用钢板的制备方法，包括钢水转炉冶炼-rh+lf精炼-连铸-铸坯加热-轧制，具体步骤为：

17、(1)转炉冶炼

18、入炉原料必须满足转炉工艺技术要求，采用低硫、低磷铁水，要求s≤0.010％、p≤0.013％，处理后铁水s≤0.005％，严格控制装入量，不加入生铁。为控制铁水砷≤0.0060％，只允许加入自产优质废钢，且控制废钢比≤20％。所述的废钢比是指废钢加入量与出钢量之比。冶炼时采用恒压变枪和单渣工艺，做到早化渣、化好渣、渣化透，确保终渣碱度控制在3.0-4.0范围内，渣料必须于终点前3分钟加完。采用低碳低磷硅锰、中锰、铌铁、钒铁、铬铁合金进行合金化，合金在放钢1/4时加入，在3/4时加完，合金对准钢流冲击区加入。采用铝锰铁脱氧，铝锰铁加入量为2.0-3.5kg/t钢。

19、所述的恒压变枪是指保持供氧压力恒定，通过枪位调节进行吹氧造渣冶炼的操作模式。正常工作时供氧压力为0.85-0.95mpa，所述的枪位指氧枪位置，可通过公式(1)进行计算得到，其中氧枪采用五孔枪。

20、d＝kd                           (1)

21、式中，d表示理论枪位，mm；d表示喉口直径，取35.2mm；k表示理论枪位与喉口直径的比例系数，一般取30-50。

22、一般根据原料铁水、废钢等情况，选择适合的枪位模型。优选的，采用“高-低-低”枪位模型，即前期枪位1800mm，中期枪位1500mm，后期枪位1200mm。

23、所述的碱度是炉渣中碱性氧化物和酸性氧化物的比值。可以用公式(2)计算得到。

24、

25、式中，r表示碱度；w石灰表示吨铁石灰加入量，kg/t；ωcao表示吨铁氧化钙含量；ωsi表示吨铁硅含量。

26、(2)lf精炼操作

27、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，前期可根据情况适当调高氩气压力，出站前采用小压力弱吹，保证夹杂物上浮，保证精炼软吹氩≥5min。加热时采用“高低-低高”方式，即通电开始时采用高电压、低电流长弧操作，炉渣化好后采用低电压、高电流埋弧作业。精炼采用铝粒、铝渣、碳化钙进行调渣，用钛线进行调整ti成分，用铝线进行调整al成分。终渣碱度≥2.5。精炼时间≥45min(含软吹)，软吹时间≥5min。

28、所述的吹氩分为强吹、中吹和弱吹。强吹是为了加料化渣成分均匀，氩气压力0.6-1.0mpa、流量500-800ml/min；中吹是脱氧调渣，氩气压力0.4-0.6mpa、流量200-400ml/min；弱吹是后期促进夹杂上浮，氩气压力0.2-0.3mpa、流量80-150ml/min。

29、所述的铝渣为脱氧促进剂，其主要元素为51-55％的al2o3、12-15％的al、5-7％的sio2、8-10％的cao、4-6％的mgo，其余为h2o和不可避免的杂质。

30、(3)rh精炼操作

31、rh精炼采用本处理模式，保证真空度在133pa以内，时间10-15min，纯脱气时间≥5min。rh处理结束后，喂纳米高钙线100-150m，软吹12min以上，rh冶炼周期控制在40-60min。

32、所述的本处理是指真空环流脱气处理，主要目的是脱氢、脱氮，确保h≤0.0002％、n≤0.006％。

33、所述的纳米高钙线是在直径φ为9.0-10mm的高钙线外涂有一层重量不小于2g/m的纳米层。所述的高钙线是钙芯外包有铁皮的线，其中钙含量≥98％，钙芯重量≥42g/m，芯铁比≥0.17。加入纳米高钙线，去氧化铝夹杂物，有利于夹杂物上浮，提高钢水流动性，避免了加入钙铝线所带入的铝元素。

34、(4)连铸操作

35、连铸步骤中，对于200断面，所述连铸时拉速为1.1-1.4m/min；对于250mm断面，所述连铸时拉速为1.0-1.3m/min；对于300mm断面，所述连铸时拉速为0.8-0.9m/min。

36、在所述连铸步骤中，结晶器采用包晶钢保护渣，结晶器振动选用非正弦振动模式，通过结晶器振动可以保证在浇铸过程中板坯与结晶器壁不发生粘结，并获得良好的铸坯表面质量；中间包采用覆盖剂结合碳化稻壳覆盖，保证中间包液面覆盖良好：大包长水口采用氩封，流量70-100l/min。二冷水、动态轻压下按包晶钢定义。铸坯缓冷采用堆垛缓冷或入缓冷坑缓冷，缓冷时间≥48h。

37、所述的包晶钢保护渣主要是由25-31％的sio2、39-45％的cao、3-5％的al2o3、0-2％的mgo等化学物质组成的保护渣，且保证cao/sio2在1.45-1.55之间，粘度在0.07-0.17之间，熔点为1170-1270℃。

38、所述的轻压下是指通过在连铸坯液芯末端附近施加压力产生一定的压下量来补偿铸坯的凝固收缩量。一方面可以消除或减少铸坯收缩形成的内部空隙，防止晶间富集溶质元素的钢液向铸坯中心横向流动；另一方面，轻压下所产生的挤压作用还可以促进液芯中心富集的溶质元素钢液沿拉坯方向反向流动，使溶质元素在钢液中重新分配，从而使铸坯的凝固组织更加均匀致密，起到改善中心偏析和减少中心疏松的作用。轻压下可分为静态轻压下和动态轻压下。静态轻压下是浇铸前预先设定好辊缝，按照设定的拉速和工艺条件进行浇铸；动态轻压下是在浇铸过程中能够跟踪凝固终点，并能够随凝固终点的变化调整辊缝及辊缝收缩程度的一种浇铸方法。

39、本技术优选动态轻压下技术，与静态轻压下相比，主要优点在于：①可以在连铸机的主操作室快速远距离调整辊缝和辊缝收缩，提高连铸机作业率；②能够按照所浇钢种的凝固收缩率快速调整辊缝，并提高板坯质量。

40、优选的，轻压下一般在smart扇形段7-12段进行，压下区间固相率为f s＝0.6-0.95，压下量为7.0-8.0mm。

41、(5)铸坯加热制度

42、装炉方式：采用冷装。入炉板坯加热制度具体要求见表1。

43、表1板坯加热工艺

44、

45、上述加热工艺中，优选的均热段温度为1200-1240℃，出钢温度为1180-1220℃，加热速率10℃/min/cm。

46、(6)轧制制度

47、轧制工艺采用正火轧制，即在正火温度以上进行高温轧制以模拟正火热处理状态的生产方式，轧后钢板温度在临界温度ac3以上。其主要控制精轧阶段的开轧温度和终轧温度，生产实际模型中采用tcr1模式，即只设定精轧开轧温度，模型根据产品尺寸、轧制温降等参数自动测算终轧温度，保证钢板轧后温度在临界温度ac3以上。为充分细化原始奥氏体晶粒，并使变形尽量大的渗透到连铸坯心部以改变坯料心部的组织，粗轧阶段应尽可能增加道次压下量，减少变形道次，在设备参数允许的条件下，粗轧阶段采用高温大压下模式，缩短钢坯待温时间，至少保证2道次以上的压下率≥15％，并适当提高粗轧末机架道次变形量。

48、精轧开轧温度波动范围控制在0-10℃，精轧阶段轧制道次控制在9道次，单道次压下量≥8％，其中精轧前期通过在临界温度区间对奥氏体进行再结晶轧制，可细化奥氏体组织；精轧后期通过增加变形，增加变形奥氏体的应变累积，增加畸变能，为组织转变提供更多形核位置，获得细小的组织形态，充分发挥细晶强化效果。

49、所述的临界温度ac3是指加热时自由铁素体全部转变为奥氏体的终了温度，一般是从727℃到912℃之间。计算公式(3)如下：

50、

51、式中均为各元素的质量百分含量。

52、所述的正火温度t＝ac3+30～50℃。

53、根据成分组分测算出ac3＝844-858℃，t＝874-908℃。

54、优选的，根据优化设计的成分测算出ac3＝845-848℃，t＝875-898℃。

55、进一步优选的，根据生产数据统计，850℃温度以上正火强度损失在80～100mpa之间，为弥补正火高温引起的强度损失，添加适量的nb进行强化，mn作为扩大奥氏体区元素，钢中加入1.0～1.5％的mn可降低ac3约50℃，nb含量低，对转变温度影响不大，则确定ac3＝795-798℃，t＝825-848℃。各区间的正火轧制工艺见表2。

56、表2钢板正火轧制工艺

57、

58、

59、各厚度规格正火轧制型420mpa级风电用钢板的力学性能为：屈服强度平均值≥470mpa，疲劳强度平均值≥470mpa，抗拉强度平均值≥570mpa，延伸率平均值≥24％，-20℃冲击功平均值≥160j，综合力学性能优异。

60、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

61、(1)采用低c+nb、v、ti、cr复合微合金化技术，结合正火轧制工艺，获得420mpa级风电用钢板屈服强度平均值≥470mpa，疲劳强度平均值≥470mpa，抗拉强度平均值≥570mpa，延伸率平均值≥24％，-20℃冲击功平均值≥160j，实现高强韧性控制。

62、(2)采用正火轧制工艺，一方面该工艺不需要添加过多合金元素，也不需要复杂的后续热处理，是一项节约合金、能源并有利于环保的工艺；另一方面该工艺得到的晶粒细小的铁素体和片状珠光体组织，可提高钢材的强度、韧性和焊接性，进而提高风电塔筒的使用寿命。

63、(3)采用正火轧制工艺生产出的8mm薄规格钢板板形良好，不平度达到5mm/1000mm以下。

64、(4)采用洁净钢冶炼技术+正火轧制工艺可获得高强韧匹配良好的风电钢板，最厚可达70mm。