一種耐低溫低合金結(jié)構(gòu)鋼及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種耐低溫低合金結(jié)構(gòu)鋼，其組分包括：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，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明制得的鋼坯經(jīng)鍛造成風電塔筒法蘭，力學性能穩(wěn)定，低溫沖擊性能優(yōu)異，內(nèi)部質(zhì)量優(yōu)良。
【專利說明】一種耐低溫低合金結(jié)構(gòu)鋼及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于低碳微合金鋼【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種低溫韌性優(yōu)異的低合金結(jié)構(gòu)鋼及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]地球上的風能資源是地球水能資源的10倍，每年發(fā)電量高達53萬億千瓦時。從分布來看，風能資源主要分布在北美洲、亞洲、拉丁美洲等地方。亞洲、北美洲和歐洲將成為未來5年風電發(fā)展較快的主 要地區(qū)，亞洲的風電增長速度會在全球范圍內(nèi)遙遙領(lǐng)先，中國仍將成為風電市場增長的主要動力。風電機組的主要構(gòu)成部分包括塔筒、機艙底座、塔筒法蘭和門框，風力發(fā)電機，主軸、軸承、齒輪和葉片等，分別對應(yīng)的鋼材品種主要為厚板、電工鋼和特殊鋼等。風電機組使用年限以及其作業(yè)環(huán)境≤海上，風沙較大的東北、西北地區(qū))要求風電用鋼具有高壽命≤20年)和高可靠性、耐低溫沖擊性能≤_50°C )等特點。
[0003]當前風電塔架建設(shè)用鋼主要是執(zhí)行國標GB/T1591中Q345E以及EN10025中的S355系列，通常要求_40°C低溫韌性大于27J，標準系列中鋼的設(shè)計和性能要求遠遠不能滿足環(huán)境條件和使用壽命等要求。專利文獻CN101407888A公開了一種厚度10_40mm之間的風力發(fā)電機塔架結(jié)構(gòu)用鋼及其生產(chǎn)方法，鋼板生產(chǎn)采用兩階段控制軋制，并采用軋后控制冷卻工藝，縱向-40°C沖擊性能大于54J。該發(fā)明是塔架建設(shè)用鋼板用鋼，可以通過控制軋制工藝保證鋼的性能。但是其僅用作結(jié)構(gòu)用鋼，無法對風電塔筒法蘭用連鑄圓坯具有借鑒意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的主要目的在于針對現(xiàn)有標準系列中鋼級要求無法滿足風電塔架用鋼的現(xiàn)狀，設(shè)計了一種風電塔筒鍛造法蘭用連鑄圓坯及生產(chǎn)方法，其可以滿足耐低溫沖擊性能≤-500C )和內(nèi)部質(zhì)量的要求。
[0005]本發(fā)明提供了一種耐低溫低合金結(jié)構(gòu)鋼及其制造方法，以低碳C-Mn鋼為基礎(chǔ)，添加V、Nb微合金化元素和稀土元素Re ;嚴格控制鋼中P、S、As、Sn、Pb、Sb、Bi有害元素含量，以及鋼中氣體含量；本發(fā)明還提供了該鋼材的制造方法，生產(chǎn)的低合金高強度鋼具有純凈度高和優(yōu)異的低溫沖擊韌性，鋼的內(nèi)部質(zhì)量滿足風電機組高可靠性超聲波探傷要求。
[0006]本發(fā)明提供的一種耐低溫低合金結(jié)構(gòu)鋼，其化學成分按質(zhì)量百分比為: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，其余為 Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0007]優(yōu)選的，鋼的組成按質(zhì)量百分數(shù)為:
[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,
其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)?？刂铺籍斄緾eq:0.40%^ Ceq ( 0.43%。
[0009]優(yōu)選的，為了保證發(fā)明鋼性能的穩(wěn)定性和焊接性能，還對化學成分進行綜合控制，控制碳當量 Ceq:0.40% ≤ Ceq ≤ 0.43%，其中 Ceq = % C+% Mn/6+ (% Cr+% Mo+%V)/5+(% Ni+% Cu)/15。
[0010]本發(fā)明選用常用的低碳C-Mn低合金結(jié)構(gòu)鋼為基礎(chǔ),添加V、Nb微合金化兀素和稀土元素Re ;嚴格控制鋼中P、S、As、Sn、Pb、Sb、Bi有害元素含量，以及鋼中氣體含量。在熱軋正火鐵素體-珠光體鋼中，改善鋼強韌性的合金化設(shè)計: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]本發(fā)明中各元素的功能如下:
[0012]碳是鋼中最基本的強化元素，從鋼的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度與含碳量關(guān)系看，低合金高強度鋼的含碳量，一般均限制在0.20%以下，因此，為保證鋼的強度、低溫韌性和焊接性能，C含量控制在0.13~0.20%比較合適；猛起到固溶強化的作用，降低鋼的Y — α相變溫度，細化晶粒，降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，提高韌性，Mn含量控制在1.00~1.75%。
[0013]硅是脫氧的主要元素，控制Si的含量為0.15~0.55%。
[0014]釩是碳化物形成元素，可提高鋼的強度和韌性，V含量小于0.01%，達不到強化效果，含量大于0.12%，會對鋼的低溫沖擊韌性產(chǎn)生不利影響，V含量控制在0.02~0.12%比較合適。
[0015]鈮元素可延遲奧氏體的再結(jié)晶，降低相變溫度，細化晶粒，改善低溫性能，但含量過高會影響韌性和焊接性，Nb含量控制在0.015~0.050% ；Nb-V復(fù)合微合金化，部分V結(jié)合成(NbV) CN,復(fù)合(NbV) CN比Nb和V各自的碳氮化物更細小，且析出溫度更寬，從而更有效地阻止奧氏體晶粒長大和再結(jié)晶過程，達到同時提高強度和韌性的目的。
[0016]鋁作為鋼中的脫氧劑，從保證鋼液脫氧和降低鋼的潔凈度的角度出發(fā)，控制Als:0.010~0.035% ;鈦是強的固氮元素，Ti含量過高，析出的TiN會對低溫韌性造成不利影響，控制T1:≤0.010%。
[0017]鋼中加入微量稀土元素Re，可以提高鑄坯質(zhì)量，提高鋼的塑、韌性，改善鋼的橫向性能和低溫沖擊韌性，同時，Re加入鋼液中，與鋼中P、S、As、Sn、Pb、Sb、Bi低熔點有害元素作用，生成高熔點金屬化合物，不熔于鋼中而進入爐渣，使鋼中雜質(zhì)減少，克服了熱脆性，另外，Re能吸收大量的氫，抑制鋼中氫引起的脆性和白點。
[0018]另外，鋼中有害元素P、S、As、Sn、Pb、Sb、Bi會提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，惡化鋼的低溫沖擊性能，本發(fā)明嚴格控制鋼中P: ^ 0.015 %, S: ^ 0.005 %, As: ^ 0.020 %, Sn:≤ 0.020%, Pb: ^ 0.0025%, Sb: ^ 0.025%, Bi: ^ 0.005% ;鋼中氣體含量會對鋼的潔凈度、氫致裂紋造成不利影響，為保證鋼的可靠性和內(nèi)部質(zhì)量，控制鋼中[O] ^ 15ppm、
[H]^ 2.0ppm。
[0019]熱軋鋼材或鋼坯制得鍛件正火后的強塑性指標達:屈服強度> 325MPa、抗拉強度470 ~630MPa，延伸率≤ 22%，沖擊韌性(AKv，-50°C )≤ 60J/cm2。
[0020]本發(fā)明一種耐低溫低合金結(jié)構(gòu)鋼的制備方法，鋼的化學成分設(shè)計要求如上所述，包括以下步驟:
[0021](I)冶煉。
[0022]采用電爐冶煉，電爐冶煉入爐原料為優(yōu)質(zhì)中重型優(yōu)質(zhì)廢鋼及鐵水，鐵水比例不小于60%。為保證鋼中P、Ti有害元素盡可能低，電爐冶煉前期充分利用熔化期溫度較低的有利條件，提高初渣的氧化性，和爐渣脫磷、脫鈦能力，及時放掉初渣；冶煉過程造好泡沫渣，采用大渣量、深脫碳以加強脫磷、脫鈦去除操作；合理控制脫碳和升溫速度，確保碳氧反應(yīng)增加鋼渣界面的脫磷、脫鈦效果。
[0023]優(yōu)選的，冶煉時控制終點C:0.06~0.10%,P ≤ 0.008%,Ti ≤ 0.0010%，其余殘
余元素含量也應(yīng)終產(chǎn)品保持一致；準確控制出鋼溫度在1620~1640°C之間，避免出現(xiàn)高溫回磷現(xiàn)象；為控制P、S和Ti，鋼包合金化注意使用低磷、低硫、低鈦合金；出鋼過程采用“增碳劑+復(fù)合脫氧劑+合成渣”的預(yù)脫氧工藝。出鋼時留鋼、留渣操作，嚴禁下氧化洛，下渣爐次必須扒除氧化渣，為精煉創(chuàng)造好的鋼水條件。
[0024]⑵LF爐外精煉，并加入稀土合金；
[0025]優(yōu)選的，所述LF爐外精煉選用流動性良好、堿度為3.0~4.0的強還原性渣；精煉爐一次樣鋁要喂足，確保一次樣鋁≥ 0.03%，確保良好的脫硫條件；精煉過程保持白渣時間大于20分鐘，加強脫硫操作。LF出鋼前，按照1.0~2.5m/t鋼喂入鈣線進行鈣變質(zhì)處理。
[0026]優(yōu)選的，精煉后真空處理，為保證真空脫氣效果，鋼包自由空間高度≥1000mm;用定氫儀進行過程氫的測定，氫含量不大于1.5ppm ;真空度小于67Pa,保持時間大于15分鐘；VD破空后，喂入稀土硅鐵合金包芯線，包芯線規(guī)格為Φ13_，稀土硅鐵合金牌號優(yōu)選的FeSiRe38 ；VD后軟吹氬時間大于15分鐘。
[0027](3)澆注
[0028]采用連鑄澆注鑄坯，連鑄中采用結(jié)晶器電磁攪拌和末端電磁攪拌?？刂浦虚g包鋼水溫度1530~1540°C，根據(jù)不同圓坯坯型選擇拉速0.10~0.40m/min,以保證鑄坯質(zhì)量，制得Φ 400~900mm規(guī)格圓還。
[0029]采用上述的方法可以提高鋼的純凈度，通過嚴格控制鋼中氧、氫含量，P、S及As、Sn、Pb、Sb、Bi有害元素含量，保證鋼良好的低溫性能和質(zhì)量可靠性，滿足風電機組用鋼超聲波探傷質(zhì)量要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1、連鑄圓坯的鍛造方法。
【具體實施方式】
[0031] 下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0032]一種耐低溫低合金結(jié)構(gòu)鋼及其制造方法，該方法采用UHP超高功率電爐、LF爐外精煉、VD真空脫氣處理工藝冶煉，連鑄澆注圓形鑄坯生產(chǎn)鋼材。
[0033]生產(chǎn)工藝包括:
[0034](I)冶煉
[0035]采用電爐冶煉，電爐冶煉入爐原料為優(yōu)質(zhì)中重型優(yōu)質(zhì)廢鋼及鐵水，鐵水比例62~65%。為保證鋼中P、Ti有害元素盡可能低，電爐冶煉前期充分利用熔化期溫度較低的有利條件，提高初渣的氧化性，和爐渣脫磷、脫鈦能力，及時放掉初渣；冶煉過程造好泡沫渣，采用大渣量、深脫碳以加強脫磷、脫鈦去除操作；合理控制脫碳和升溫速度，確保碳氧反應(yīng)增加鋼渣界面的脫磷、脫鈦效果；控制終點[C]:0.08~0.10%，[P]:0.006~0.008%，[Ti]:
0.002~0.010%，殘余元素含量符合設(shè)計要求；準確控制出鋼溫度在1620~1640°C之間，避免出現(xiàn)高溫回磷現(xiàn)象。
[0036]⑵LF爐外精煉
[0037]選用流動性良好、堿度為3.0~4.0的強還原性渣；精煉爐一次樣鋁要喂足，確保一次樣鋁> 0.03%，確保良好的脫硫條件；精煉過程保持白渣時間20~25分鐘，加強脫硫操作。LF出鋼前，按照2.0~2.5m/t鋼喂入鈣線進行鈣變質(zhì)處理。
[0038]精煉后真空處理，為保證真空脫氣效果，鋼包自由空間高度> 1000mm ;用定氫儀進行過程氫的測定，氫含量為1.2~1.5ppm ;真空度小于67Pa,保持時間15~18分鐘；VD破空后，喂入稀土硅鐵合金包芯線，包芯線規(guī)格為Φ 13mm，稀土硅鐵合金牌號為FeSiRe38，其化學成分組成見表1 ;VD后軟吹氬時間15~25分鐘。
[0039]表1
[0040]
【權(quán)利要求】
1.一種耐低溫低合金結(jié)構(gòu)鋼，其特征在于，其組成按質(zhì)量百分數(shù)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,其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐低溫低合金結(jié)構(gòu)鋼，其特征在于，鋼的組成按質(zhì)量百分數(shù)為: 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,其余為Fe和不可避 免的雜質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的耐低溫低合金結(jié)構(gòu)鋼，其特征在于鋼的碳當量Ceq:0.40%^ Ceq ( 0.43%, Ceq =% C+% Mn/6+(% Cr+% Mo+% V)/5+(% Ni+% Cu)/15。
4.權(quán)利要求1-3所述的耐低溫低合金結(jié)構(gòu)鋼的制備方法，包括: (1)冶煉；冶煉時控制終點C:0.06~0.10%,P^0.008%,Ti≤0.0010%，出鋼溫度在1620~1640°C之間； (2)LF爐外精煉，并加入稀土合金； (3)澆注。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟2)中，所述LF爐外精煉選用流動性良好、堿度為3.0~4.0的強還原性渣；精煉爐一次樣鋁含量> 0.03%。
【文檔編號】C22C38/48GK103952646SQ201410186331
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月5日
【發(fā)明者】戈文英, 翟正龍, 于學文, 邵明海, 袁淑君 申請人:萊蕪鋼鐵集團有限公司