專利名稱：用于百萬千瓦級大型水輪機頂蓋的環板鋼及其制造方法
用于百萬千瓦級大型水輪機頂蓋的環板鋼及其制造方法
技術領域 本發明提供了一種用于百萬千瓦級大型水輪機頂蓋的環板鋼，及其制造方法，屬于金屬材料制造領域。
背景技術 隨著我國經濟的快速發展，對能源的需求越來越多，能源消耗不斷加劇，由此帶來的環境問題也越來越凸顯。為了應對能源消耗所帶來的各種環境問題如大氣污染、水污染等，使得經濟能可持續地發展，必須大力發展清潔的能源，以替代不可再生的能源，調整能源結構，實現能源的多元化。發展清潔能源不僅可以滿足我國發展對能源的需要，還可以改善能源結構、減少環境污染，具有戰略意義，因而受到許多國家的重視。水電是一種清潔能源，而且我國水電資源豐富。目前水力發電技術也是應用最成熟的、最安全的。因此發展水電對解決我國能源問題有著重要意義。
隨著人們對水電資源的開發力度不斷加大，水電站建設不斷大型化，對水電用鋼的要求也越來越高。水輪機頂蓋是水輪機中重要的部件，在水輪機中起著支撐和過流作用，需要保證足夠的剛度和強度，才能使得整個機組能安全可靠地運行。百萬千瓦級大型水輪機的頂蓋用鋼往往要求大于IOOmm厚度，除了有較高的強度和韌性外，還要求抗層狀撕裂性能達到Z35及以上。
對于大、中型水輪機機組，水輪機頂蓋環板的傳統制造工藝:生產Z向鋼一切割成環板，這種工藝不僅生產周期長，而且板料的利用率低，。
目前，在國內外關于Z向鋼的生產已經形成多項專利。
舞陽鋼鐵有限責任公司申請的專利CN201010501298.6提出了一種大厚度、Z向性能優異的鋼板的生產方法。該專利的大厚度Z向鋼板是采用電爐、連鑄及電渣熔鑄技術，降低P、s，提純鋼質，采用大板坯電渣熔鑄技術，通過軋制變形以及軋后正火處理，達到抗層狀撕裂性能及強韌性的良好匹配。此發明除了電渣重熔外，還要經過軋制變形，生產工序繁多，此外此專利生產出來的大厚度Z向鋼的強度較低，無法達到大型水輪機頂蓋用鋼的力學性能要求。
舞陽鋼鐵有限責任公司申請的專利C`N201210182419.4提出了一種大厚度大單重低合金高強度結構鋼板的生產方法。雖然該發明的Z向鋼厚度可達410_，但鋼板的屈服強度較低，生產仍需要經過軋制變形。
濟鋼集團有限公司申請的專利CN201210263864.3提出了一種150_300mm厚低合金高強度鋼板制造方法。該發明是將多塊連鑄坯焊接在一起形成大厚度連鑄坯料，然后通過軋制變形以及熱處理達到所需要的力學性能。但這種鋼的強度較低，連鑄坯需要經過焊接，工序相對繁瑣。
綜合以上發明專利，目前，生產Z向鋼都得經過軋制變形、熱處理，Z向鋼的厚度可達到410mm，但強度較低。傳統水輪機頂蓋環板的制造工藝不僅工序多、生產周期長，而且板料的利用率低，此外經過冷加工后，板料的組織和力學性能會變差。因此為了滿足我國水電建設的需要，同時降低生產成本、提高生產效率，急需開發出合金系統簡單、強度高、抗層狀撕裂性能優異，且厚度大的水輪機頂蓋環板用Z向鋼及短流程的生產工藝。

發明內容
本發明的目的是提供了一種能夠用于百萬千瓦級大型水輪機頂蓋的大厚度抗層狀撕裂鋼板，以及這種環板的制造方法。通過電渣熔鑄直接鑄造成1/4弧形板坯，然后熱處理達到所需要的力學性能，避免了傳統生產工藝切割板料，造成材料利用率低，生產工序繁瑣等缺點。
為了實現上述目的，本發明的百萬千瓦級大型水輪機頂蓋用鋼所采用的技術方案是:一種用于百萬千瓦級大型水輪機頂蓋的環板鋼，其化學成分重量百分比:C 0.T0.2 ；Si 0.2 0.5 ;Mn 1.(Tl.5 ；P ^ 0.015 ；S ^ 0.01 ；Cr 0.6 1.0 ;Mo0.3 0.6 ；Ni 0.6 1.0 ；Cu 0.2 0.5 ；Nb 0.06 0.1 ；Ti 0.010 0.015 ； B 0.0010^0.0015 ；Al > 0.025 ；0 ^ 0.0030 ；N ^ 0.0035 ;其余為鐵和不可避免的雜質；其特征在于: Ti/B 為 0.8 1.20 ； 所述的百萬千瓦級大型水輪機頂蓋用鋼板的厚度大于100_。
一種用于百萬千瓦級大型水輪機頂蓋的環板鋼的生產方法，其步驟如下: I)按權利要求1的成分進行冶煉，盡量降低鋼中的0、N等有害元素，澆鑄之后，脫模空冷至室溫； 2)將鑄錠加熱到900 920°C，保溫一段時間，然后鍛造成圓棒鍛件； 3)電渣熔鑄前清除鍛件表面的氧化鐵皮，將鍛件作為電渣熔鑄的電極，進行電渣重熔冶煉提純，渣料為ANF-6:70%CaF2+30%A1203，采用交流電作為熔鑄電源，結晶器入水溫度為25°C，通過控制出水溫度來控制冷卻速度，保證出水溫度小于50°C，采用異型結晶器，熔鑄出1/4弧形板坯；電渣熔鑄完成后脫模空冷至室溫； 4)將弧形板加熱到900-950°C完全奧氏體保溫，保溫不少于1.5h，水冷至室溫；將環板再次加熱到800-84(TC保溫，保溫不少于1.5h，水冷至室溫；再次將環板加熱500-600°C進行回火，保溫不少于3 5h后，空冷至室溫，達到水輪機頂蓋用鋼板的力學性能要求。
進一步的，所述方法采用電渣熔鑄的方法實現1/4弧形板坯的形狀，采用QLT熱處理工藝達到所需的力學性能，避免軋制變形。
進一步的，預先 淬火溫度為950°C，亞溫淬火溫度為800°C，回火溫度為500°C。
碳:碳是鋼中最主要的強化元素，增加碳含量可以顯著提高鋼的強度，但增加碳含量同時會對鋼的塑性、韌性和焊接性能產生不利影響。為了保證鋼既有較高的強度，又具有良好的塑性、韌性以及焊接性能，應該降低碳含量。
硅:在鋼中主要起固溶強化的作用，可以提高鋼的強度，但會使塑性和韌性降低，因此硅的含量不能太高。
錳:在鋼中主要起固溶強化作用，通過增加錳含量可以彌補因碳含量降低所造成的強度損失。為了保證有較高的強度，應該適當地提高錳元素的含量。
硫:鋼中的有害元素。高溫時S會形成(Fe + FeS)共晶而導致鋼的高溫開裂，SP產生熱脆性，降低鋼的延展性和韌性，在鍛造和軋制時造成裂紋。硫對焊接性能也不利，它不但導致焊縫產生熱裂，而且在焊接過程中容易生成S02氣體，使焊縫產生氣孔和疏松，它還降低鋼材的耐腐蝕性。為了保證鋼的性能，硫的含量應該盡量低。
磷:磷也是鋼中的有害元素，使鋼的脆性轉折溫度急劇升高(冷脆)，使得鋼的低溫韌性降低。同時當P含量大于0.015%時，磷的偏析會急劇增加，因此磷元素的含量應該盡量低。
鉻:可以強烈抑制過冷奧氏體的轉變，提高鋼的淬透性，有利于獲得比較均勻的組織。鉻也是強碳化物形成元素，可以形成合金碳化物，彌散析出在鐵素體基體上，起到析出強化的作用，提高鋼的強度和硬度。在回火時，鉻還能提高鋼的回火抗力。
鑰:可以穩定奧氏體組織，提高淬透性，有利于獲得均勻的組織；鑰也是強碳化物形成元素，增加鋼的二次硬化能力，提高鋼的回火穩定性，同時抑制鋼的回火脆性。
銅:面心立方e -Cu從a -Fe中析出使鋼材強化，此外Cu還可以提高鋼的抗腐蝕性能。過量的添加Cu，會形成銅脆、鑄坯表面龜裂、內部質量問題等；添加的Cu量不足，所起的作用較小，特別是考慮到環板的厚度較大，在鋼中添加Cu提高環板心部的強度。
鎳:鎳在鋼中主要以固溶的形式存在。在鋼中添加鎳，可提高鋼的強度而不顯著降低其韌性，提高鋼的低溫韌性，改善鋼的可加工性和可焊性，同時鎳可以提高鋼的抗腐蝕能力，不僅能耐酸，而且能抗堿和大氣的腐蝕。鎳與銅復合添加還能降低Cu脆的危害。但過高的鎳會硬化焊接熱影響區，對焊接性不利。
硼:硼能強烈地推遲鐵素體和珠光體的形成，微量硼能使鋼的淬透性顯著提高，保證整個環板的組織均勻性。同時加入微量硼可以彌補因降碳而造成的強度的損失。
鈮、鈦:鈮、鈦是強碳氮化物形成元素，能形成穩定的碳氮化物，在奧氏體化時為奧氏體形核提供位置，阻礙奧氏體晶粒的長大，細化奧氏體晶粒。在鋼中加少量的Ti可以形成尺寸穩定的氮化物提高鋼的強度，避免熱影響區晶粒的快速長大，改善鋼的焊接性能。加入的Ti含量過多，鋼液在凝固時會形成大尺寸TiN，成為裂紋萌生點，降低Z向性能。
本發明由于采用了以上技術方案，使之與現有技術相比，具有以下優點和積極效果: 1、本發明制造出來的大厚度鋼板組織性能優異，不僅有強度高，而且韌性和抗層狀撕裂性能好。
2、本發明制造大厚度鋼板的生產工序流程短，避免了軋制變形，提高了生產效率。
3、本發明直接成形為環形的板坯，避免了板材的再次切割，減少了焊接次數，提高了板材的利用率，降低了生產成本。`



圖1是本發明實施例1的金相顯微組織。
圖2是本發明實施例2的金相顯微組織。
各實施例的化學成分如表I所示 表I實施例化學成分(wt%)
權利要求
1.一種用于百萬千瓦級大型水輪機頂蓋的環板鋼，其化學成分重量百分比:C 0.T0.2 ；Si 0.2 0.5 ;Mn 1.(Tl.5 ；P ^ 0.015 ；S ^ 0.01 ；Cr 0.6 1.0 ;Mo.0.3 0.6 ；Ni 0.6 1.0 ；Cu 0.2 0.5 ；Nb 0.06 0.1 ；Ti 0.010 0.015 ； B 0.0010 0.0015 ；Al > 0.025 ；0 ^ 0.0030 ；N ^ 0.0035 ;其余為鐵和不可避免的雜質；其特征在于: Ti/B 為 0.8 1.20 ； 所述的百萬千瓦級大型水輪機頂蓋用鋼板的厚度大于100_。
2.一種用于百萬千瓦級大型水輪機頂蓋的環板鋼的生產方法，其步驟如下: I)按權利要求1的成分進行冶煉，盡量降低鋼中的O、N等有害元素，澆鑄之后，脫模空冷至室溫； 2)將鑄錠加熱到900 920°C，保溫一段時間，然后鍛造成圓棒鍛件； 3)電渣熔鑄前清除鍛件表面的氧化鐵皮，將鍛件作為電渣熔鑄的電極，進行電渣重熔冶煉提純，渣料為ANF-6:70%CaF2+30%A1203，采用交流電作為熔鑄電源，結晶器入水溫度為25°C，通過控制出水溫度來控制冷卻速度，保證出水溫度小于50°C，采用異型結晶器，熔鑄出1/4弧形板坯；電渣熔鑄完成后脫模空冷至室溫； 4)將弧形板加熱到900-950°C完全奧氏體保溫，保溫不少于1.5h，水冷至室溫；將環板再次加熱到800-84(TC保溫，保溫不少于1.5h，水冷至室溫；再次將環板加熱500-600°C進行回火，保溫不少于3 5h后，空冷至室溫，達到水輪機頂蓋用鋼板的力學性能要求。
3.如權利要求2所述的水輪機環板的生產方法，其特征是:所述方法采用電渣熔鑄的方法實現1/4弧形板坯的形狀，采用QLT熱處理工藝達到所需的力學性能，避免軋制變形。
4.如權利要求2所述的水輪機環板的生產方法，其特征在于，預先淬火溫度為950°C，亞溫淬火溫度為800°C，回火溫度為500°C。
全文摘要
一種百萬千萬瓦級大型水輪機頂蓋用環板鋼，其化學成分(重量百分比)C0.1~0.2；Si0.2~0.5；Mn1.0~1.5；P≦0.015；S≦0.01；Cr0.6~1.0；Mo0.3~0.6；Ni0.6~1.0；Cu0.2~0.5；Nb0.06~0.1；Ti0.010~0.015；B0.0010~0.0015；Al＞0.025；O≦0.0030；N≦0.0035；其余為鐵和不可避免的雜質。制造方法(1)按上述成分進行冶煉，盡量降低鋼中的O、N等有害元素，澆鑄之后脫模空冷至室溫；(2)將鑄錠加熱到900～920℃，保溫一段時間后，鍛造成圓棒鍛件；(3)用鍛件做電渣熔鑄的電極，采用異型結晶器，通過電渣熔鑄工藝生產1/4弧形板坯；(4)采用預淬火、亞溫淬火、回火的熱處理工藝(QLT工藝)對弧形環板進行熱處理，達到所需要的力學性能。通過這種制造方法很好地滿足水輪機頂蓋用鋼的需要，具備良好的推廣及應用前景。
文檔編號C22C38/54GK103184391SQ20131009299
公開日2013年7月3日 申請日期2013年3月22日 優先權日2013年3月22日
發明者于浩, 陶攀 申請人:北京科技大學