一种海上风电法兰用钢及制备方法与流程

1.本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及一种海上风电法兰用钢及制备方法。


背景技术：

2.风力发电是可再生能源领域中最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式，已经成为仅次于火电和水电的第三大电力来源。海上风力发电作为风力发电的重要组成部分，由于其风力资源丰富、风源稳定、风速较陆上更大、信号主导方向稳定、年利用小时长、不占用土地资源以及接近沿海用电负荷中心等优点，已成为近年来改变国家能源结构、实现绿色低碳发展的重要手段。同时在风电装备制造技术和国家产业政策的支持下，国内海上风力发电得到了快速的发展，2020年，国内风力发电新增容量为3.06gw，累计装机容量为12.05gw。
3.海上风力发电装备要在长期经受海面台风、严寒冰冻、海水喷溅高盐雾等恶劣环境中使用寿命达到50年以上，且随着单台海上风力发电机普遍容量从1-2mw发展到目前的5-8mw，导致机组的大型化，对海上风力发电机所用法兰、塔筒、风轮等部件的质量及性能提出更高的严格。针对海上风电法兰，对其材质的耐腐蚀性、耐低温性、强度级别、焊接性能、抗层状撕裂性等各项性能均提出了更高的要求。
4.中国专利cn102517494b公开一种风电法兰用钢材及其制备方法，此发明的钢材按重量百分含量主要包括c：0.15～0.19％，si:0.17～0.35％,mn：1.45～1.55％，v：0.060～0.090％，nb 0.02～0.04％，al：0.015～0.040％，ti≤0.005％，[o]≤0.0015％，[n]≤0.012％，s≤0.005％，p≤0.012％，as≤0.04％，[h]≤0.00015％，余量为fe。该发明中钢材的碳当量为0.41-0.46％；抗拉强度rm＝580～720mpa；屈服强度rel＝470～500mpa；伸长率a5＝22～26％；断面收缩率z＝66～72％；-20℃，v型缺口冲击功akv＝60～90j。此发明中只保证材质-20℃温度下的冲击性能，已不能满足海上风电-50℃低温下的使用要求，[o]≤0.0015％的要求，难以保证钢优良的洁净度，从而可导致其低温性能的降低。
[0005]
中国专利申请cn112342459a公开了一种耐低温风电法兰用钢及其轧制方法，提供的耐低温风电法兰用钢的化学成分按质量百分比计包括：c 0.15～0.20％、si 0.15～0.35％、mn 1.25～1.50％、p≤0.020％、s≤0.015％、al≤0.020-0.050％、cr≤0.30％、cu≤0.30％、ni≤0.30％、[h]≤2.0ppm、[o]≤20ppm、[n]≤120ppm、al/n≥2、ce≤0.43，其余为fe和不可避免的杂质。该发明的钢材屈服强度rp0.2≥360mpa，抗拉强度：512～540mpa，延伸率a≥30.5％，z≥33.0％，低温冲击韧性满足(-50℃)：≥68j。此发明的钢材强度较低，难以达到大型海上风电的使用要求；s≤0.015％也满足不了钢材的抗层状撕裂性能要求；[o]≤20ppm的要求，难以保证钢优良的洁净度。同时其公开了轧制方法，规定热轧圆钢规格为φ100mm～φ200mm，可知其钢材并不是作为大型风电法兰用钢。
[0006]
在上述两项专利中，均未对钢材的耐腐蚀性能进行要求；而在本发明中需要充分考虑海上风电作业环境中的海洋腐蚀的影响。本发明针对海上风电法兰的服役条件以及高耐腐蚀性、高耐低温性、高强度、易焊接性能、高抗层状撕裂性等优良性能要求，通过合理的
成分设计和工艺控制，提供了一种海上风电法兰用钢及制备方法。


技术实现要素：

[0007]
针对现有风电法兰用钢耐腐蚀性差、低温性能较差、强度偏低、焊接性能以及抗层状撕裂性能较差，难以满足海上风电法兰使用要求的情况，本发明的目的之一是提供一种海上风电法兰用钢，所述钢具有高耐腐蚀性、高耐低温性、高强度、易焊接性能、高抗层状撕裂性等优良性能。
[0008]
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
[0009]
一种海上风电法兰用钢，其屈服强度r
el
≥460mpa，抗拉强度rm：530～680mpa断后伸长率a≥25％，厚度方向性能为z35级别，-60℃下低温冲击吸收能量kv2≥50j。为满足以上性能指标的要求，重点从以下几方面制定方案：
[0010]
1、海上风电法兰用钢的化学成分质量百分比为：c：0.05～0.08％、si：0.30～0.50％、mn：0.50～0.80％、p：≤0.012％、s：≤0.003％、cr：1.20～1.40％、cu：0.10～0.30％、ni:0.05～0.20％、v：0.040～0.060％、nb：0.010～0.030％、n：0.0120～0.0180％、re：0.0010～0.0030％、as：≤0.015％、sn：≤0.015％、pb：≤0.0025％、sb：≤0.0025％、bi：≤0.0025％、(as sn pb sb bi)：≤0.025％、[o]≤0.0012％，其余为fe和不可避免的杂质。
[0011]
所述海上风电法兰用钢的碳当量cev＝c mn/6 (cr mo v)/5 (ni cu)/15≤0.47％；裂纹敏感系数pcm＝c si/30 mn/20 cu/20 ni/60 cr/20 mo/15 v/10 5b≤0.22％；耐腐蚀性指数i＝26.01(％cu) 3.88(％ni) 1.20(％cr) 1.49(％si) 17.28(％p)-7.29(％cu)(％ni)-9.10(％ni)(％p)-33.39(％cu)2≥6.0。
[0012]
本发明的海上风电法兰用钢各化学元素设计原理为结合高耐腐蚀性、高耐低温性、高强度、易焊接性能、高抗层状撕裂性等综合性能的要求，主要采用低碳、高铬、铜-镍复合来提高钢材的耐腐蚀性，采用钒、铌、氮微合金化原理提高钢材的强度，采用re稀土元素对钢液进行净化、夹杂物变性及微合金化，来保证钢材优良的耐腐蚀性、耐低温性以及强韧性；同时严格控制磷、硫、砷、锡、铅、锑、铋、氧等有害元素含量，来提高钢材的耐腐蚀性、抗层状撕裂性能；各合金元素含量微调，保证碳当量、裂纹敏感系数、耐腐蚀系数的要求，从而保证钢材良好的焊接性能以及耐腐蚀性。各元素的设计原理分析如下：
[0013]
碳：c元素是钢铁材料中不可缺少的元素，为本发明中需重点考量钢材的耐腐蚀性能以及耐低温性能，同时为避开包晶钢(c含量0.08～0.17％)范畴，降低连铸生产难度，因此将c元素含量上限定为0.080％；且为保证钢材一定的强度以及电炉炼钢脱碳的难度，因此将c元素含量下限定位0.050％。
[0014]
硅：si元素是炼钢过程中主要的脱氧剂，作为合金元素时，其以固溶体形态存在铁素体或奥氏体中，可显著的提高钢材的屈服强度和抗拉强度，因此将si元素含量下限定为0.30％；但si元素的热传导能力较差，将导致铸坯心部与表面温度差较大，易出现锻造裂纹，且会促进钢材表面脱碳，从而恶化锻件的表面质量，因此将si元素含量上限定为0.50％。
[0015]
锰：mn元素是钢铁材料中的常存元素，低于0.80％时，可较好的提高钢材的强度并不降低钢材的韧性，同时为不恶化钢材的焊接性能，因此将mn元素含量的上限定为0.80％；但mn元素含量低于0.50％时，则稳定奥氏体组织不足，将降低钢材的耐腐蚀性能，因此将mn
0.0030％、as：≤0.015％、sn：≤0.015％、pb：≤0.0025％、sb：≤0.0025％、bi：≤0.0025％、(as sn pb sb bi)：≤0.025％、[o]≤0.0012％，其余为fe和不可避免的杂质。
[0025]
优选的碳当量cev控制范围为0.43～0.47％，裂纹敏感系数pcm≤0.20％。
[0026]
2、本发明上述海上风电法兰用钢的制备方法主要包括以下步骤：电炉冶炼-lf精炼 vd真空处理-连铸。具体工艺步骤包括：
[0027]
(1)电炉冶炼：入炉原料为铁水和废钢，铁水中as≤0.010％，废钢使用低合金系列、优碳系列自循环废钢，不能使用高ti的废钢以及渣钢、罐帮铁等高p、s废钢；电炉出钢终点[c]：0.02～0.04％、[p]≤0.007％，钢水的出钢温度控制在1640～1680℃；加入金属锰、微碳铬铁、硅锰、硅铁进行钢包合金化，使si控制在0.15～0.30％，mn控制在0.40～0.50％，cr控制在0.40～0.50％。
[0028]
(2)lf精炼 vd真空处理：控制lf炉精炼渣碱度3.2～3.5，采用大渣量、喂铝线强脱氧、脱硫工艺；加入金属锰、微碳铬铁、镍板、硅铁、铜粒、氮化铬铁、钒铁，铌铁合金进行合金成分微调，控制c、si、mn、p、s、cr、ni、cu、nb、v符合成分要求。到vd工位后，采用喂丝工艺加入稀土合金，真空度小于67pa保持时间≥15分钟；破空后，取样检验钢水成分，结合稀土含量以及氮含量检验结果，适当补喂稀土合金以及补吹氮气，使re、n符合成分要求。
[0029]
(3)连铸：中间包过热度控制在20～25℃，即中间包钢水温度控制在1540～1545℃；采用低碳钢专用连铸保护渣，其碱度为1.10～1.20，黏度为0.30～0.50pa
·
s，熔化温度为1050-1090℃；结晶器电磁搅拌电流控制在350～400a，频率控制在2.5～3..5hz，末端电磁搅拌电流为50～80a，频率为1.0～1.2hz；坯型为φ800mm，拉速为0.16～0.18m/min。
[0030]
以上制备方法中未加限定的工艺条件均可参照本领域常规技术。
具体实施方式
[0031]
结合实施例1-3对本发明的具体实施方式做进一步描述。
[0032]
实施例1-3生产工序控制参数见表1；lf精炼出钢以及成品化学成分见表2；成品五害元素含量、碳当量cev、裂纹敏感系数pcm以及耐腐蚀系数i结果见表3。
[0033]
根据实施例1-3生产出来的连铸圆坯，采用正常的风电法兰生产工艺即“下料
→
加热炉加热
→
制坯
→
二次加热
→
碾环
→
码垛缓冷
→
粗加工
→
热处理
→
精加工
→
探伤
→
成品”生产出的风电法兰锻件，其力学性能检验结果见表4，其中拉伸性能和厚度方向性能取2个样，冲击性能取3个样进行检验。
[0034]
表1实施例1-3生产工序控制参数
[0035][0036][0037]
表2 lf精炼出钢及成品化学成分(％)
[0038][0039]
表3五害元素含量(％)、cev(％)、pcm(％)、i值
[0040][0041]
表4风电法兰锻件力学性能
[0042][0043]
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。
[0044]
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。
[0045]
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。