專利名稱：一種風電法蘭用鋼材及其制備方法
技術領域：
本發明涉及鋼鐵行業中的合金鋼，具體涉一種風電法蘭用鋼材及其制備方法。
技術背景
隨著社會的發展，國際社會日益感覺到環境污染和全球氣候變暖問題的嚴重性， 為了“將大氣中的溫室氣體含量穩定在一個適當的水平，進而防止劇烈的氣候改變對人類造成傷害”，聯合國氣候變化框架公約參加國于1997年12月在日本京都制定了《京都議定書》以及減排計劃與進度表。世界各國紛紛采取措施遏制環境問題的惡化，而扶持清潔新能源的發展就是很有效的措施之一，是世界各國的戰略選擇。風電是風能發電或者風力發電的簡稱，屬于可再生的清潔能源。風力發電是風能利用的重要形式，風能是可再生、無污染、 能量大、前景廣的能源。
伴隨著風電行業如火如荼的發展形勢，風電用鋼需求也大幅度增長。2006年我國生產風電用鋼10萬噸，相比2005年增長42. 9%；2007年我國生產風電用鋼15萬噸，較2006 年增長50% ；2008年我國生產風電用鋼32萬噸，相比2007年增長113. 3%，以此速度估算 2010年風電用鋼可達100-120萬噸。隨著風力發電的迅猛增長，市場對風電塔筒的需求量也愈來愈大，對風電塔筒關鍵連接件——塔筒法蘭的重要性也越來越得到重視。由于法蘭要在野外可靠使用20年以上，經受各種極惡劣天氣和復雜的風力交變載荷，長期在50 80m高處承受著拉伸、彎曲及剪切等作用力，而我國風電機組大多位于國內北方地區和沿海地區，除了具有足夠的強度，較輕的重量外，還有具備優良的低溫韌性，耐候性等高端要求。
河南南陽漢冶特鋼有限公司的專利CN 101643879公開了一種制造風電法蘭用鋼及其生產工藝，所述風電法蘭用鋼的成分按重量百分比為c:0. 14 0. 17%, Si 0.25 0. 40%, Mn :1. 35 1. 50%, P 彡 0. 015%, S 彡 0. 003%, V 彡 0. 015 0. 030%, Nb 彡 0. 025 0. 040 %, A10. 030 0. 045，N 彡 0. 004，H 彡 0. 0001，0 彡 0. 002， As+Cu+Cu ( 0. 1，該發明是用連鑄的方法生產制造風電法蘭用鋼，其整體的工藝流程為優質鐵水、KR鐵水預處理、120噸頂底復吹轉爐、吹氬處理、LF爐精煉、VD真空脫氣處理、連鑄、 堆冷、檢驗、入庫。
江蘇沙鋼集團淮鋼特鋼有限公司的專利CN101906579A公開了一種耐低溫、高焊接性能、高強度的風電法蘭用鋼，其化學成分wt%為=C 0. 13-0. 18%, Si 0. 17-0. 40%, Mn1.30-1. 45%, V 0. 035-0. 060%, Nb 0. 03-0. 05%, A10. 015-0. 030%, Ti 0. 010-0. 020%, S 彡 0.005 %, P ^ 0.015 %, As 彡 0. 04 %,
彡 0.0020 %, [N]0. 0060-0. 0110 %, [H]彡0.0002%，余量為Fe ；同時要求材料的碳當量CEV 0.40-0.43%。該發明所得鋼種制成的法蘭經過正火處理后，性能如下抗拉強度Rm = 500-570MPa ；屈服強度Rel = 325-360MPa ；伸長率A5 =沘_39%;斷面收縮率Z = 76-85%；-50°C V型缺口沖擊功Akv = 110-180J，具有良好的焊接性能，而且具有穩定的低溫沖擊性能和較高的強度。
鋼材中的夾雜物同樣也可引起許多缺陷，例如鋼水中的總氧含量與產品的裂紋發生率明顯有關，最終影響風力發電設備的運行壽命。
風電法蘭的制造工藝為連鑄圓坯下料一裝爐加熱一熱鍛粗一熱沖孔一輾環一冷卻一正火一車削一探傷一鉆孔一入庫。對于大型風電法蘭，保證材料的良好焊接性能、使材料獲得高的耐低溫性能，并保證鋼的高的強度和潔凈度，獲得鋼的高的抗裂紋敏感性是對風電法蘭用鋼材的設計要求。
目前隨著行業的發展，1麗、1. 5麗、3麗等機組相繼出現，現有鋼材的屈服強度為 345MPa左右，專利CN 101643879和CN101906579A公開的法蘭鋼材的屈服強度最大也僅為 360MPa,與現有的鋼材區別不大，用作法蘭鋼材料，勢必造成設備重量大大增加，浪費資源， 不利于國民經濟的可持續發展。因此，急需開發一種強度等級高的強韌性鋼，并達到高潔凈、長疲勞壽命、低抗裂紋敏感性的要求，用以代替目前市場廣泛使用的低強度鋼用于風電法蘭，成為市場的客觀需求。發明內容
針對現有技術風電法蘭用鋼材強度等級低、不耐低溫、焊接性能不高、易出現裂紋的不足，本發明的目的之一在于提供一種風電法蘭用鋼材，所述鋼材具有高強度、耐低溫、 高焊接性能、抗裂紋的性能。與現有風電法蘭用鋼材相同，本發明所述鋼材也主要包括狗、 C、Mn、V、Si、Nb、Al幾種元素，但本發明通過對其中各個元素的配比進行調整，使得本發明提供的風電法蘭用鋼材的屈服強度能夠大于465MPa，抗拉強度大于580MPa。
本發明所述鋼材按重量百分包括以下組分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 彡 0. 005%,
彡 0. 0015 %, [N] ^ 0. 0120 %, S ^ 0. 005 %, P ^ 0. 012 %, As ^ 0. 04 %, [H] ^ 0. 00015 %，余量為狗。優選地，所述鋼材按重量百分比主要含有以下組分C 0. 15-0. 19 %, Si 0. 17-0. 35 %，Mn 1.45-1.55 %，V 0. 061-0. 090 %, Nb 0. 02-0. 04%, Al 0. 015-0. 040 %, Ti 彡 0. 003 %,
彡 0. 0015 %, [N]彡 0. 0120 %, S 彡 0. 0048 %, P 彡 0. 012%, As ( 0. 035%, [H] ( 0. 00015%，余量為 Fe。
C(Carbon),是鋼材中有效的硬化元素，是顯著提高鋼的脆性轉變溫度元素之一， 能顯著提高鋼的強度、淬透性和淬硬性，增加其強度和硬度；但隨著碳含量的增加，鋼的塑性和延展性卻隨之降低，使鋼變脆且難以加工，降低材料的焊接性能。反之，隨著碳含量的減少，鋼的韌性得到增強且易于切削加工。
由此，鋼需要有一定量的碳，性能才達到最佳，本發明選擇C含量為 0. 15-0. 19wt%，例如 0. 151wt%,0. 152wt%,0. 155wt%,0. 16wt%,0. 162wt%,0. 168wt%, 0. 17wt%,0. 18wt%,0. 186wt%,0. 189wt%,0. 19wt%^,^it0. 15-0. 16wt%。如果C含量低于0. 15%，鋼材的強度低，力學性能不到風電法蘭的要求；如果C含量高于0. 19%，配合本發明中其他元素的加入，鋼材的塑性指標、焊接性能及低溫沖擊性能均達不到風電法蘭用鋼的使用要求。
Mn(Manganese),是鋼材中重要的元素之一，有助于鋼材生成紋理結構，增加其堅固性、強度及耐磨損性。Mn和鐵能夠形成固溶體，提高鋼中鐵素體和奧氏體的硬度和強度， 同時又是碳化物形成元素，進入滲碳體中取代一部分鐵原子。Mn在鋼中由于降低臨界轉變溫度，起到細化晶粒的作用，也間接起到提高珠光體鋼強度的作用。鋼中的奧氏體是一種塑性很好，強度較低，具有一定韌性，不具有鐵磁性的固溶體。在合金鋼中合金元素可溶于奧4氏體中，并擴大或縮小奧氏體穩定區的溫度和成分范圍，而Mn使鋼形成和穩定奧氏體的能力僅次于附。本發明在鋼材中加入Mn有如下優點a、能夠擴大鐵碳平衡相圖中的奧氏體相區，從而能夠使鋼形成奧氏體，并穩定奧氏體；b、能夠強烈的增加鋼的淬透性。但應嚴格控制Mn的加入量，因為Mn含量較高時候，有使晶粒粗化的傾向，并增加鋼的回火脆敏感性。
優選地，本發明選擇Mn的加入量為1. 45-1. 55wt%，例如1. 455wt%U. 46wt %, 1. 49wt%U. 51wt%U. 53wt%U. 54wt%U. 548wt%U. 549界1%等，優選 1. 46-1. 55wt%。
Si (Silicon)，是鋼材的重要元素之一，有助于增強鋼的強度，具體講，Si以固溶體的形態存在于鐵素體或奧氏體中，它起到提高固溶體的強度和冷加工變形硬化率的作用。 Si對鋼的淬透性影響中等，但對鋼的高溫回火穩定性和抗氧化性能都有很大的好處，但同時在一定程度上降低鋼的韌性和塑性，同時和Mn作用時，提高鋼的回火脆性。
優選地，本發明所述鋼材Si的加入量為0. 17-0. 35wt %，例如0. 171wt %、 0. 172wt %,0. 19wt %,0. 26wt %,0. 29wt %,0. 31wt%,0. 34wt %,0. 349wt %,0. 35wt % 等， 優選 0. 26-0. 35wt%。
V(Vanadium),也是鋼材的重要元素之一，能夠增強鋼材的抗磨損能力和延展性， 具體講，釩在鋼中能起到細化組織晶粒，提高晶粒粗化溫度，降低鋼的過熱敏感性，從而提高鋼的強度和韌性；增加回火穩定性，并產生二次硬化效應。對中、低碳含量的鋼，無論在退火、正火或調質狀態，釩除提高鋼的強度，特別是屈服點和屈強比以外，還改善鋼的塑性和韌性。由于材料晶粒的細化，所以細化后材料的晶粒度等級大大提高，晶界的比重加大，同時鋼的強度增加，材料對裂紋的敏感性大大降低。
優選地，本發明所述鋼材V的加入量為0. 060-0. 090wt %，例如0. 060wt %、 0. 061wt%,0. 067wt%,0. 073wt%,0. 079wt%,0. 085wt%,0. 089wt%,0. 090wt%等。
Nb (Niobium)，能提高鋼材的屈服強度和沖擊韌性，降低鋼的脆響轉變溫度，并改善其焊接性能。對Mn含量較高的鋼材，改善焊接性能的效果更為顯著。Nb能同時提高低碳低合金鋼的強度和韌性，主要是通過他細化鋼的晶粒和固溶如鐵素體使之強化，以及碳化鈮和氮化鈮沉淀強化的結果。但是在強化鋼時，如果Nb的含量過高或者以較高的含量與V 共同作用時，容易使鋼產生脆性。優選地，本發明所述Nb的加入量為0. 02-0. (Mwt%，例如 0. 021wt%,0. 022wt%,0. 026wt%,0. 031wt%,0. 035wt%,0. 039wt%,0. 04wt%等。
Al (Aluminum)，能夠提高鋼的抗氧化性，降低鋼中氣體含量，從而提高鋼材的耐磨性和疲勞強度，同時提高鋼的低溫性能和耐蝕性能。與現有技術不同，本發明將Al加入風電法蘭用鋼材中，與其他組分配伍后，能夠大大提高鋼材的疲勞強度和耐磨性。但是當Al 含量低于0. 015 %時，材料的脫氧效果差，純凈度低，但如果Al含量高于0. 040 %，形成硬的Al2O3夾雜幾率大幅度提高，從而降低鋼的疲勞壽命，惡化鋼的沖擊韌性。優選地，本發明所述 Al 的加入量為 0. 015-0. 040wt%，例如 0. 015wt%,0. 016wt% 0. 021wt%,0. 029wt%, 0. 033wt%,0. 038wt%,0. 039wt%,0. 040wt%等。
Ti (titanium)是極為活潑的金屬元素之一，它和氮、氧、碳都有極強的親和力，因此本發明利用它來固定鋼中的氮。Ti元素和碳形成一種碳化物TiC，這種碳化物結合力極強，極穩定，不易分解，在鋼中，只有加熱到1000°c以上，才能緩慢地溶入固溶體(α或Y 相)中。在未溶入前，碳化鈦微粒有阻止鋼晶粒長大粗化的作用。因此，用Ti來細化晶粒， 將該鋼的晶粒粗化溫度提高的1000°C以上，既避免了該鋼材料的裂紋敏感性，同時提高了5材料的綜合力學性能，但是Ti和N的作用比Nb和V的作用都顯著，加入Ti時會降低V和Nb 的作用，同時生成的TiCN會大大降低鋼的耐低溫性能，從而本發明規定殘余Ti ( 0. 005%； 優選殘余Ti ^ 0. 003% ο
N(Nitrogen),在鋼材中主要起固溶強化和沉淀強化的作用，是一種很強的形成和穩定奧氏體的元素，它擴大奧氏體相區的效果是Ni的20倍，所以在一些低溫用鋼中可以代替一部分Ni。N在鋼中的作用主要表現為固溶強化及時效強化；形成和穩定奧氏體組織；與鋼中的Al、V、Nb、Ti等形成穩定的氮化物，將大大增加鋼的強度、硬度及抗疲勞等性能。但N導致鋼的時效及藍脆現象，過高的N還會造成鋼的疏松和氣泡。本發明所述N的含量為彡 0. 0120%，例如 0. 0119wt%,0. 0115wt%,0. 0110wt%,0. 0101wt%,0. 0090wt%, 0. 006(^丨％等。
O(Oxygen)在室溫時對鋼的強度影響不大，但使鋼的伸長率和面縮率顯著的降低， 在較低溫度和0含量極低時，材料的強度和塑性均隨0含量的增加而急劇降低。沖擊性能方面，隨著0含量的增加沖擊的最大值逐漸降低，脆性轉變溫度卻很快地升高，脆性轉變溫度的范圍也隨著變寬。同時，隨著0含量的增加，材料的氧化夾雜物幾率大大增加，從而降低材料的疲勞壽命。本發明及生產工藝可以將O含量控制在0. 0015%以內，從而保證在鋼材的潔凈性方面優于現有技術。
P、S、As元素在晶間偏聚造成晶界脆化，會造成材料高溫回火脆性，同時P、S、As超過一定含量時，對鋼材的脆性轉變溫度提高很多，造成材料低溫沖擊韌性低，惡化鋼材的綜合力學性能。所以本發明對上述殘余元素作了相關的規定。
優選地，本發明所述鋼材中P、S、As和[H]的含量按重量百分比分別為 S 彡 0. 005%, P 彡 0. 012%, As 彡 0. 04%, [H]彡 0. 00015%。
合金鋼中除碳以外各種合金元素對鋼材的強度與可焊性也起著重要作用。為便于表達這些材料的強度性能和焊接性能便通過大量試驗數據的統計簡單地以碳當量來表示。 碳當量(carbon equivalent，簡寫為CEV)，即將鋼鐵中各種合金元素折算成碳的含量，目的是為了衡量材料焊接性能，其具體的計算公式為CEV = [C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu )/15] X100%。但是，由于碳當量是由該鋼中的主要元素構成的，所以碳當量還影響材料的力學性能，當碳當量小于0. 40%時，材料的力學性能達不到材料的使用要求，當碳當量大于 0. 46%時，材料的焊接性能較差，裂紋敏感性也較高。
優選地，本發明所述鋼材的碳當量為0. 40-0. 46 %，例如0. 401 %、0. 402 %、 0. 409 %,0. 432 %,0. 448 %,0. 457 %,0. 459 %,0. 46%,優選 0. 41-0. 46%,進一步優選 0. 43-0. 46 %，特別優選 0. 44-0. 46 %。
本發明所述風電法蘭用鋼材，具有耐低溫、高焊接性能、高強度、抗裂紋敏感性的特點，為了實現這些優點，在于在元素控制方面要求C、Mn、V不得同時按照添加量的上限 (或下限)控制，如果C、Mn、V之一接近內控上限(或下限)，另一元素必須按內控下限(或上限)控制，保證碳當量在設計的要求之內。
用于耐低溫、高焊接性能、高強度、抗裂紋敏感性風電法蘭用鋼的專利鋼種目前已有報道，典型但非窮盡的例子有專利CN 101643879和CN101906579A。下面將現有的鋼材與本發明的鋼材中各個元素含量進行對比，情況如下(以重量比計，單位為)
權利要求
1.一種風電法蘭用鋼材，所述鋼材主要包括Fe、C、Mn、V、Si、Nb、Al，其特征在于，所述鋼材的屈服強度大于465MPa，抗拉強度大于580MPa。
2.如權利要求1所述的鋼材，其特征在于，所述鋼材按重量百分比包括以下組分 C 0. 15-0. 19%, Si 0. 17-0. 35%, Mn 1. 45-1. 55%, V 0. 060-0. 090%, NbO. 02-0. 04%, Al 0. 015-0. 040 %, Ti ^ 0. 005 %,
彡 0. 0015 %, [N] ^ 0. 0120 %, S ^ 0. 005 %, P 彡 0. 012%, As ( 0. 04%, [H] ( 0. 00015%，余量為 Fe。
3.如權利要求1或2所述的鋼材，其特征在于，所述鋼材按重量百分比包括以下組分 C 0. 15-0. 19%, Si 0. 17-0. 35%, Mn 1. 45-1. 55%, V 0. 061-0. 090%, Nb 0. 02-0. 04%, Al 0. 015-0. 040 %, Ti 彡 0. 003 %,
彡 0. 0015 %, [N]彡 0. 0120 %, S 彡 0. 0048 %, P 彡 0. 012%, As ( 0. 035%, [H] ( 0. 00015%，余量為 Fe。
4.如權利要求1-3任一項所述的鋼材，其特征在于，所述鋼材的碳當量為 0. 40-0. 46 %，優選 0. 41-0. 46 %，進一步優選 0. 43-0. 46 %，特別優選 0. 44-0. 46 %。
5.如權利要求1-4任一項所述的鋼材，其特征在于，所述鋼材按重量百分比包括以下組分C 0. 15-0. 188 %, Si 0. 172-0. 35 %，Mn 1. 46-1. 55 %, V0. 061-0. 090 %, Nb 0. 02-0. 04 %, Al 0. 015-0. 040 %, Ti ^ 0. 005 %,
彡 0. 0015 %, [N]彡 0. 0120 %, S 彡 0. 0048%, P 彡 0. 011%, As 彡 0. 015%, [H]彡 0. 00015%，余量為 Fe。
6.如權利要求1-5任一項所述的鋼材，其特征在于，所述鋼材按重量百分比包括以下組分C 0. 15-0. 16 %，Si 0. 26-0. 35 %, Mn 1. 46-1. 55 %, V 0. 061-0. 090 %，Nb 0. 02-0. 04 %, Al 0. 015-0. 040 %, Ti ^ 0. 003 %,
彡 0. 0015 %, [N]彡 0. 0120 %, S 彡 0. 0045%, P 彡 0. 010%, As 彡 0. 015%, [H]彡 0. 00015%，余量為 Fe。
7.如權利要求1-6任一項所述的鋼材，其特征在于，所述鋼材的抗拉強度Rm= 580-720MPa ；屈服強度 Rel = 470_500MPa ；伸長率 A5 = 22-26 % ；斷面收縮率 Z = 66-72% ；-20 °C，V 型缺口沖擊功 Akv = 60-90J。
8.—種如權利要求1-7任一項所述的風電法蘭用鋼材的制備方法，包括熔煉一精煉一除渣過程，其特征在于，所述精煉在精煉裝置中進行，優選在精煉爐中進行。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述除渣在精煉成分調整完成后進行，優選除渣過程采用RH或/和VD爐進行脫氣和去除夾雜物；優選地，在真空脫氣后進行鈣夾雜物變性處理。
10.一種如權利要求1-9任一項所述的風電法蘭用鋼材的用途，其特征在于，所述風電法蘭用鋼材用于風力發電行業，優選用于制造有耐低溫、高焊接性能、高強度、抗裂紋要求的風電法蘭。
全文摘要
本發明涉及一種風電法蘭用鋼材，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％，Al0.015-0.040％，Ti≤0.005％，[O]≤0.0015％，[N]≤0.0120％，S≤0.005％，P≤0.012％，As≤0.04％，[H]≤0.00015％，余量為Fe。本發明所述鋼材的屈服強度大于465MPa，抗拉強度大于580MPa，具有耐低溫、高焊接性能、高強度、抗裂紋敏感性好，焊接性能好，低溫沖擊性能優良的特點，更能適應風電行業風電法蘭用鋼材的要求。
文檔編號C22C38/12GK102517494SQ20121000912
公開日2012年6月27日 申請日期2012年1月12日 優先權日2012年1月12日
發明者劉江偉, 尹修剛, 張獻昭, 李學剛, 王彥文, 陳宏豫 申請人:承德建龍特殊鋼有限公司