CN117165844B

CN117165844B - 一种42kg级低屈强比高性能海上风电用钢及生产方法

Info

Publication number: CN117165844B
Application number: CN202310438312.XA
Authority: CN
Inventors: 李文斌; 赵坦; 金耀辉; 李家安; 柴铁洋; 韩鹏; 陈华; 渠秀娟; 郝未杰; 黄松
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2023-04-23
Filing date: 2023-04-23
Publication date: 2024-11-29
Anticipated expiration: 2043-04-23
Also published as: CN117165844A

Abstract

本发明涉及一种42kg级低屈强比高性能海上风电用钢及生产方法，钢板化学成分为C：0.095％～0.135％，Si：0.35％～0.45％，Mn：0.50％～1.05％，P≤0.015％，S≤0.005％，Nb：0.02％～0.03％，Ti：0.06％～0.08％，Sb：0.06％～0.09％，RE：0.06％～0.08％，Als0.10％～0.155％，N≤0.003％；其余为Fe及杂质。本发明钢中不含Cr、Ni、Mo等贵金属元素，通过Al元素含量和Si元素含量比例的控制，并且复合添加少量RE和Sb，大幅度降低了钢板的屈强比和时效敏感性，提高了钢板的耐蚀性能，且钢板具有优异的Z向性能及厚度方向性能均匀性。

Description

一种42kg级低屈强比高性能海上风电用钢及生产方法

技术领域

本发明涉及钢材生产技术领域，尤其涉及一种42kg级低屈强比高性能海上风电用钢及生产方法。

背景技术

随着全球能源结构转型和应对气候变化的需求，清洁能源成为未来能源发展的主要方向；海上风能的资源丰富稳定，且沿海地区电网容量大、风电接入条件好，因此海上风电是一种理想的清洁能源。而随着海上风电工程的单机组容量越来越大，风力发电行业对钢材的性能提出了更高的要求，如更大的厚度、较低的屈强比、较好的冲击韧性、良好的时效性能、更好的Z向性能以及厚度方向性能均匀性等，同时还要具有较好的耐腐蚀性。现有常规钢材很难同时满足上述性能要求。

申请号为201780071626.3的PCT国际专利申请，公开了一种“低屈强比超高强度钢材及其制造方法”，其是一种具有低屈强比和高拉伸强度适合用作建设用钢材的低屈强比超高强度钢材及其制造方法，可生产拉伸强度大于等于800MPa、屈强比小于等于0.85、-5℃冲击功大于等于150J、厚度小于等于100mm的钢材。但其不能满足当前风电用钢-20℃冲击韧性、厚度大于100mm的需求，另外其含有贵金属Cr 0.1～0.5％、Ni0.1～0.5％、Mo0.1～0.5％，增加了制造成本；而且其也不能满足海上风电用钢时效性能和耐腐蚀性能的需求。

申请号为201510314696.X的中国专利申请公开了“一种低屈强比耐候风电塔筒用钢及生产方法”，钢的屈服强度≥420MPa，抗拉强度640～850MPa，延伸率A≥25％，屈强比≤0.64，耐腐蚀性能指数I不低于6.44，-50℃KV2≥200J，-60℃KV2≥185J。但其钢中含有Cu0.25～0.45％、Cr 0.63～0.996％、Ni 0.10～0.40％等贵金属，提高了生产成本；且其没有记载钢板的最大厚度，没有时效性能评价，因此无法确定其能否满足海上风电工程对大厚度钢板及耐腐蚀性能的需求。

申请号为201310677610.0的中国专利申请公开了“一种屈强比≤0.65的移动式海洋平台用钢及生产方法”，钢的屈服强度ReL≥360MPa，抗拉强度R m≥560MPa，屈强比≤0.65，延伸率A≥26％，-40℃夏比冲击吸收功横向＞100J，CE≤0.43％。钢板最大厚度只有80mm，且其含有Ni 0.10～0.15％、Mo 0.07～0.17％及Cr 0.10～0.20％等贵金属，增加了合金成本，另外，其没有时效性能评价，不能适应海上风电工程对大厚度钢板、时效性能和耐腐蚀性能的需求；其生产工艺采用了轧后正火热处理，延长了工序时间，增加了工序成本。

申请号为202010654393.3的中国专利申请公开了“一种高断裂韧性低时效敏感性海上风电用钢及其生产方法”，钢板具有较好的时效冲击韧性，-40℃时效冲击敏感性≤20％。但其成份含有贵金属Ni 0.10～0.20％、Mo 0.05～0.15％，增加了合金成本，且不能满足海上风电用钢厚度方向性能均匀性、Z向性能以及耐腐蚀性能的需求。

申请号为202010654392.9的中国专利申请公开了“一种大单重特厚海上风电用钢及其生产方法”，钢板在满足大单重和特厚规格的同时，具备优异的焊接性能，可生产最大厚度150mm的钢板，钢板屈服强度≥355MPa，抗拉强度≥490MPa，断后伸长率≥24％，-40℃钢板冲击韧性稳定控制在100J以上，抗层状撕裂性能满足Z35要求。但其钢中含有Ni0.10％，Cr 0.15％，增加了合金成本，且未解决厚度方向性能均匀性的问题，也不能同时满足对时效性能和耐腐蚀性能的需求。

综上，目前的海上风电用钢或结构钢存在如下不足：1、添加较多的贵金属元素Cr、Ni、Mo，增加了合金成本；2、钢板最大厚度不能满足海上风电用钢的需求；3、未解决厚钢板Z向性能或厚度方法性能均匀性问题；4、不能同时满足对时效敏感性和耐腐蚀性能的要求。

发明内容

本发明提供了一种42kg级低屈强比高性能海上风电用钢及生产方法，钢中不含Cr、Ni、Mo等贵金属元素，通过Al元素含量和Si元素含量比例的控制，并且复合添加少量RE和Sb，大幅度降低了钢板的屈强比和时效敏感性，提高了钢板的耐蚀性能，且钢板具有优异的Z向性能及厚度方向性能均匀性。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种42kg级低屈强比高性能海上风电用钢，钢板化学成分按重量百分比计为C：0.095％～0.135％，Si：0.35％～0.45％，Mn：0.50％～1.05％，P≤0.015％，S≤0.005％，Nb：0.02％～0.03％，Ti：0.06％～0.08％，Sb：0.06％～0.09％，RE：0.06％～0.08％，Als0.10％～0.155％，N≤0.003％；其中，Al/N≥50，Sb+RE≥0.12％，Si/Al≥2.5；其余为Fe以及不可避免的杂质。

所述钢板的综合力学性能为：屈服强度420～460Mpa，屈强比≤0.80，延伸率≥26％，-40℃冲击功≥200J。

所述钢板的耐海洋大气腐蚀速率＜0.09mm/a。

所述钢板经时效处理后的时效敏感系数＜0.15；所述时效处理的条件为：时效应变5％、保温温度250℃，保温时间1h；所述时效敏感系数＝(时效处理前冲击吸收功-时效处理后冲击吸收功)/时效处理前冲击吸收功。

所述钢板的最大厚度为150mm；钢板的Z向性能≥45％；厚度方向1/4位置与1/2位置的屈服强度偏差≤20MPa，冲击功偏差≤30J。

一种42kg级低屈强比高性能海上风电用钢的生产方法，包括冶炼、连铸、加热及轧制过程；其中加热及轧制过程控制如下：

1)加热时的升温速率≥100℃/h，均热段温度控制在1155～1180℃，加热时间控制在4～6h；

2)粗轧开轧温度为1120～1160℃，轧制时采用低速大压下量，道次压下率控制在15％～25％，轧制速度控制在1.2～1.8m/s；

3)精轧开轧温度为820～860℃，终轧温度控制在800～840℃；弛豫时间为20～50s；

4)轧后钢板层流冷却时的冷却速度控制在5～15℃/s，返红温度控制在400～450℃。

所述冶炼过程采用RH进行真空处理，RH循环时间15～18min，钢中[H]控制在2ppm以下、[O]控制在20ppm以下。

所述连铸过程中，中间包目标过热度为20～25℃；全程保护浇注，上机前钢包静吹氩时间为5～10min；铸坯下线后与热坯堆垛缓冷，缓冷时间为24～30h。

轧制前对钢坯的上、下表面进行除鳞，除鳞压力≥22MPa。

轧制中间坯厚度为成品钢板厚度的1.5～2倍时进行待温。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)钢中不含贵金属Cr、Ni、Mo，复合添加少量RE和Sn、Al和Si，在控制生产成本的同时提高钢板的耐蚀性能，钢板的耐海洋大气腐蚀速率＜0.09mm/a；

2)钢板具有较好的综合力学性能，屈服强度420～460Mpa、屈强比≤0.80，延伸率≥26％、-40℃冲击功≥200J；

3)时效处理(时效应变为5％，保温温度为250℃，保温时间为1h)后的时效敏感系数＜0.15；

4)可生产的厚度规格范围大，最大厚度可达到150mm，且钢板的Z向性能≥40％；厚度方向1/4位置和1/2位置屈服强度偏差≤20MPa，冲击功偏差≤30J。

具体实施方式

本发明所述一种42kg级低屈强比高性能海上风电用钢，钢板化学成分按重量百分比计为C：0.095％～0.135％，Si：0.35％～0.45％，Mn：0.50％～1.05％，P≤0.015％，S≤0.005％，Nb：0.02％～0.03％，Ti：0.06％～0.08％，Sb：0.06％～0.09％，RE：0.06％～0.08％，Als 0.10％～0.155％，N≤0.003％；其中，Al/N≥50，Sb+RE≥0.12％，Si/Al≥2.5；其余为Fe以及不可避免的杂质。

所述钢板的耐海洋大气腐蚀速率＜0.09mm/a。

本发明所述一种42kg级低屈强比高性能海上风电用钢的生产方法，包括冶炼、连铸、加热及轧制过程；其中加热及轧制过程控制如下：

轧制前对钢坯的上、下表面进行除鳞，除鳞压力≥22MPa。

轧制中间坯厚度为成品钢板厚度的1.5～2倍时进行待温。

本发明所述一种42kg级低屈强比高性能海上风电用钢选择合金元素种类及含量的原因即各元素在钢板中的作用如下：

C：碳是影响钢板组织性能的关键元素，碳含量不同可获得硬度和韧性的不同匹配关系；碳是最有效提高钢板强度的元素，其含量低将会大幅度降低钢板的强度，但对钢板的耐腐蚀性能和时效敏感性有利；碳对屈服强度的贡献小于对抗拉强度的贡献，故高的碳含量设计可以降低钢材的屈强比。本发明将C含量控制在0.095％～0.135％。

Si：硅是炼钢脱氧的必要元素，用铝脱氧时加一定量的硅能显著提高铝的脱氧能力；Si可以通过固溶强化作用提高钢板的强度；一定的Si含量可有效提高钢材耐海洋腐蚀性能，特别是与Al、N等配合，能够提高抗海洋大气腐蚀蚀和抗高温氧化能力。但高硅会使钢具有石墨化倾向，使钢材脆化、塑性降低、韧性恶化。本发明将Si含量控制在0.35％～0.45％，并且要求Si/Al≥2.5。

Mn：锰是提高强度和韧性的主要元素，且成本十分低廉，是钢中的主要添加元素；当C含量较低时，较高的Mn含量可有效提高钢的淬透性，并通过组织细化以及促进贝氏体转变进而提高钢板的强度；锰能够扩大奥氏体区范围，促进晶粒增大，配合Nb合金化和控制轧制可有效细化晶粒；但Mn含量过高会恶化中心偏析，使钢的热导率急剧下降、线胀系数上升，快速加热或冷却时形成较大内应力，使工件开裂倾向增大。本发明将Mn含量控制在0.5％～1.05％。

P：磷溶于铁素体，虽然能提高钢的强度和硬度，但其最大的害处是偏析严重、增加回火脆性、显著降低钢的塑性和韧性，致使钢在冷加工时容易脆裂，产生”冷脆”现象。作为杂质元素给母材的低温韧性和焊接热影响区韧性带来不利的影响，所以P含量应尽可能的控制在合理范围。本发明控制P含量≤0.015％。

S：硫在钢中会导致偏析严重、恶化钢的质量。硫是夹杂物形成元素，形成FeS、MnS等夹杂进而钢材延性降低，且夹杂物附近会成为腐蚀的发源地，不利于钢板的耐腐蚀性能。本发明控制S含量≤0.005％。

N：氮和碳一样可固溶于铁，形成间隙式的固溶体，在钢中氮既可形成氮化物又可以溶解残留在凝固后的间隙中，使钢脆化而不适于冷加工，因此，为了生产高塑性的软钢，氮含量必须低于0.003％。另外，钢中残留氮量过高会导致宏观组织疏松或气孔，在快冷后的回火或在室温长时间停留时，由于析出超显微氮化物，可发生沉淀硬化过程；氮还会使低碳钢发生应变时效现象，在强度和硬度提高的同时，钢的韧性下降、缺口敏感性增加。本发明控制N含量≤0.003％。

Nb：铌是控轧控冷钢中的重要元素，Nb和Mn的复合添加可有效抑制轧制过程中奥氏体的回复、再结晶等过程，一方面可提高奥氏体再结晶温度进而提高轧制温度，减轻轧制机组负荷；另一方面可有效细化钢板的相转变组织，从而能够同时提高强度和低温冲击韧性；Nb可以提高钢中稀土的固溶量，从而提高钢的耐腐蚀性能，本发明将Nb含量控制在0.02％～0.03％。

Ti：钛和氮、氧、碳都有极强的亲和力，与硫的亲和力比铁强。因此，它是一种良好的脱氧去气剂和固定氮、碳的有效元素。碳化钛、氮化钛的结合力强、稳定、不易分解，在钢中只有加热到1000℃以上才能缓慢地溶入固溶体中；碳化钛微粒有阻止晶粒长大的作用，由于钛固定了氮和硫并形成氮化钛，可使钢的塑性和冲击韧性得到显著改善。Ti可以提高钢中稀土的固溶量，进而提高钢的耐腐蚀性能。本发明将Ti含量控制在0.06％～0.08％。

Al：铝主要用于脱氧和细化晶粒，铝与氮或氧生成有效的细小弥散物进而抑制钢加热时的晶粒长大，在钢冷却时对奥氏体分解起促进作用，改善钢的淬透性；还能成为再结晶的形核质点，促进铁素体形核并细化晶粒。铝能抑制低碳钢的时效，经精轧后可长期存放，不产生应变时效；AlN本身在加热时具有高稳定性，因而可提高钢的热稳定性，有利于减弱钢的过热倾向，并可改善钢的抗氧化性；铝通过氮的较低温扩散(氮化)而生成有效的表面硬化层，提高钢的抗氧化性和耐蚀性，用铝脱氧时酌情加一定量的硅，能显著提高铝的脱氧性；但如果铝用量过多，则会使钢产生反常组织并促进钢的石墨化倾向。本发明将Al含量控制在0.10％～0.155％。

RE：稀土(RE)原子性质活泼，结合力较强，将稀土添加在钢中可以起到改善凝固组织、改变固态相变组织、形成无害化低熔点夹杂物、通过偏聚强化界面、钝化表面锈层等作用；稀土可以提高耐候钢的自腐蚀电位、极化电阻，从而抑制阳极反应，使整个电化学反应的阻力增大，使得钢的腐蚀速率显著降低；稀土通过扩散机制富集在晶界，能够抑制夹杂物在晶界的偏聚，提高钢材的低温性能和耐腐蚀性能；但稀土属于稀缺资源，要控制其加入量，本发明将RE含量控制在0.06％～0.08％。

Sb:奥氏体温度下钢中的锑(Sb)在MnS夹杂物处及沿原奥氏体晶界处析出，从而抑制MnS夹杂物在晶界上富集析出；锑还可以使二次再结晶晶粒尺寸细化，使钢的组织得到细化并提高韧性，从而提高钢材的耐腐蚀性能。Sb通过钢表面形成了Sb₂O₅耐蚀性氧化膜，有效阻止基体与腐蚀介质的相互作用，抑制钢在腐蚀介质中的腐蚀。Sb经水化作用后得到的Sb³⁺在阳极微区形成的沉淀物填充腐蚀裂纹或空洞，提高阻挡侵蚀性Cl^-渗透的能力。Sb还可以通过在Cl^-环境介质下的水合作用抑制Fe³⁺水解产生H⁺的过程，改善了腐蚀微区pH值，缓解了阳极溶解过程。复合添加RE时更能显著提高钢的耐腐蚀性能。本发明将Sb含量控制在0.06％～0.09％。

本发明所述一种42kg级低屈强比高性能海上风电用钢的生产方法包括冶炼、连铸、加热及轧制过程；具体如下：

1、冶炼时采用RH进行真空处理，RH循环时间15～18min，钢中[H]控制在2ppm以下、[O]控制在20ppm以下；

2、连铸中间包目标过热度20～25℃；全程保护浇注，上机前保证钢包静吹氩时间5～10min；铸坯下线后与热坯堆垛缓冷，缓冷时间24～30小时。

3、加热时要求升温速率≥100℃/小时，可有效控制C(0.095％～0.0135％)的扩散溶解速度，增加奥氏体形核点；均热段温度控制在1155～1180℃，加热时间控制在4～6小时，能保证钢坯加热充分均匀，使升温过程中未溶解的“残余渗碳体”及Nb元素充分溶解，又可以控制钢中原始奥氏体晶粒不粗大；

轧制前对钢坯的上、下表面进行除鳞，确保钢坯上表面的异物清除干净。

4、粗轧开轧温度控制在1120～1160℃之间，轧制时采用低速大压下量，道次压下率控制在15％～25％，轧制速度控制在1.2～1.8m/s，可保证轧制力充分渗透到钢板心部，提高钢板厚度方向性能均匀性；

轧制中间坯厚度为成品钢板厚度的1.5～2倍时进行待温，二次开轧温度在820～860℃，终轧温度控制在800～840℃；弛豫时间为20～50s，使变形组织得到回复，形变位错发生多边形化，先共析铁素体的量增加(析出物的量也增多，会有析出强化，析出物还可以钉扎晶界细化晶粒)，降低钢材的屈服强度并控制钢材的屈服比；轧后钢板进入层流冷却，冷却速度控制在5～15℃/s，返红温度控制在400～450℃。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

【实施例】

按照本发明所述化学成分及生产工艺生产42kg级低屈强比高性能海上风电用钢，各实施例钢的熔炼成分如表1所示,生产工艺参数如表2所示，成品钢板性能如表3所示。

表1钢的熔炼成分

实施例	C	Si	Mn	P	S	Nb	Ti	Als	Sb	RE	N	Al/N	Sb+RE	Si/Al
															1	0.095	0.45	1.00	0.015	0.004	0.02	0.08	0.12	0.06	0.07	0.002	60	0.13	3.75
2	0.135	0.35	0.80	0.015	0.004	0.03	0.06	0.11	0.09	0.08	0.002	55	0.17	3.18
															3	0.10	0.40	1.05	0.012	0.005	0.025	0.065	0.15	0.07	0.06	0.002	75	0.13	2.67
4	0.105	0.30	0.65	0.012	0.005	0.02	0.07	0.1	0.08	0.07	0.002	50	0.15	3
															5	0.13	0.35	0.85	0.012	0.005	0.03	0.075	0.14	0.06	0.06	0.002	70	0.12	2.5
6	0.12	0.40	0.90	0.012	0.005	0.02	0.06	0.15	0.08	0.06	0.002	75	0.14	2.67
															7	0.115	0.42	0.70	0.013	0.004	0.03	0.08	0.125	0.07	0.08	0.0025	50	0.15	3.36
8	0.125	0.36	0.60	0.013	0.004	0.02	0.07	0.13	0.06	0.07	0.0025	52	0.13	2.77
															9	0.12	0.38	0.80	0.014	0.003	0.03	0.065	0.1	0.08	0.08	0.002	50	0.16	3.8
10	0.13	0.40	0.50	0.013	0.005	0.02	0.065	0.155	0.09	0.06	0.003	51.7	0.15	2.58

注：表1中除Al/N、Si/Al外，其余数值的单位均为Wt％。

表2各实施例钢板的生产工艺参数

表3各实施例成品钢板的性能

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种42kg级低屈强比高性能海上风电用钢，其特征在于，钢板化学成分按重量百分比计为C：0.095%～0.135%，Si：0.35%～0.45%，Mn：0.50%～1.05%，P≤0.015%，S≤0.005%，Nb：0.02%～0.03%，Ti：0.06%～0.08%，Sb：0.06%～0.09%，RE：0.06%～0.08%，Als 0.10%～0.155%，N≤0.003%；其中，Al/N≥50，Sb+RE≥0.13%，Si/Al≥2.5；其余为Fe以及不可避免的杂质；所述42kg级低屈强比高性能海上风电用钢的生产方法，包括冶炼、连铸、加热及轧制过程；其中加热及轧制过程控制如下：

1）加热时的升温速率≥100℃/h，均热段温度控制在1155～1180℃，加热时间控制在4～6h；

2）粗轧开轧温度为1120～1160℃，轧制时采用低速大压下量，道次压下率控制在15%～25%，轧制速度控制在1.2～1.8m/s；

3）精轧开轧温度为820～860℃，终轧温度控制在800～840℃；弛豫时间为20～50s；

4）轧后钢板层流冷却时的冷却速度控制在5～15℃/s，返红温度控制在400～450℃。

2.根据权利要求1所述的一种42kg级低屈强比高性能海上风电用钢，其特征在于，所述钢板的综合力学性能为：屈服强度420～460Mpa，屈强比≤0.80，延伸率≥26%，-40℃冲击功≥200J。

3.根据权利要求1所述的一种42kg级低屈强比高性能海上风电用钢，其特征在于，所述钢板的耐海洋大气腐蚀速率＜0.09mm/a。

4.根据权利要求1所述的一种42kg级低屈强比高性能海上风电用钢，其特征在于，所述钢板经时效处理后的时效敏感系数＜0.15；所述时效处理的条件为：时效应变5%、保温温度250℃，保温时间1h；所述时效敏感系数=（时效处理前冲击吸收功-时效处理后冲击吸收功）/时效处理前冲击吸收功。

5.根据权利要求1所述的一种42kg级低屈强比高性能海上风电用钢，其特征在于，所述钢板的最大厚度为150mm；钢板的Z向性能≥45%；厚度方向1/4位置与1/2位置的屈服强度偏差≤20MPa，冲击功偏差≤30J。

6.如权利要求1～5任意一种所述42kg级低屈强比高性能海上风电用钢的生产方法，其特征在于，包括冶炼、连铸、加热及轧制过程；其中加热及轧制过程控制如下：

7.根据权利要求6所述的一种42kg级低屈强比高性能海上风电用钢的生产方法，其特征在于，所述冶炼过程采用RH进行真空处理，RH循环时间15～18min，钢中[H]控制在2ppm以下、[O]控制在20ppm以下。

8.根据权利要求6所述的一种42kg级低屈强比高性能海上风电用钢的生产方法，其特征在于，所述连铸过程中，中间包目标过热度为20～25℃；全程保护浇注，上机前钢包静吹氩时间为5～10min；铸坯下线后与热坯堆垛缓冷，缓冷时间为24～30h。

9.根据权利要求6所述的一种42kg级低屈强比高性能海上风电用钢的生产方法，其特征在于，轧制前对钢坯的上、下表面进行除鳞，除鳞压力≥22MPa。

10.根据权利要求6所述的一种42kg级低屈强比高性能海上风电用钢的生产方法，其特征在于，轧制中间坯厚度为成品钢板厚度的1.5～2倍时进行待温。