专利名称：一种用于海上风电设备的材料及工件的制造工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属材料中合金元素、微量元素的含量及热处理工艺和法兰环制作工艺，具体涉及一种满足海上高盐雾腐蚀、高强度低合金结构钢；主要用于加工海上风电机组的塔架法兰及塔体等结构件，属于黑色金属合金材料领域。
背景技术：
我国能源结构及能源可持续发展必须满足国民经济可持续发展的要求，为此，大力发展我国风电能源建设是当务之急。《国家能源科技“十二五”规划》中着重提出了风机大型化的要求，未来五年研制具有自主知识产权的6 10兆瓦陆地及近海风电机组的整机制造技术是一个崭新的课题，我国第一个国家海上风电示范项目， 上海东海大桥10万千瓦项目是一个海上风电发展里程碑。由于海上风电机组大型化时代的到来，从而对海上风力发电关键技术与重要配套部件新材料提高更高要求，如大型风电机组关键部件塔架及其法兰用钢，在沿海极端天气情况下，经受台风、强风沙、低温及高盐雾恶劣环境考验，为了满足上述使用条件下要求，对其所用钢材提出更严苛的技术指标。大型风电发电机的塔筒是由若干段筒体通过法兰连接而成，目前塔筒法兰的外经多为Φ 200(Γ Φ 6000mm，也有超过Φ 6000mm的，其法兰的直径应与塔筒的直径相对应，法兰的厚度一般在5(T230mm，也有超过300mm以上的，法兰的壁厚一般在8(T300mm，有的可达到450mm ;大型风电发电机的塔筒法兰的整体重量在80(T5000kg，重的可达8000 kg。目前用于连接大型风电塔筒的法兰，使用的材料都选用Q345钢ENlOl 13-ZS355NL牌号，相当于我国16Mn低合金结构钢，强度较低，能否满足海上高盐雾腐蚀环境下的使用要求还需要通过实践来检验。Q345E钢风电塔架法兰主要技术规范如下
1、Q345E牌号化学成分应符合GB/T1591-2008;碳当量(CEV)〈O.43 ;根据下列公式CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15
2、锻件锻造比不小于4:1，锻造后正火处理；
3、磁粉探伤依据JB4730-2005—级合格100%检测；
4、力学性能
.拉伸试验GB/T228、冲击试验GB/T229，同时满足以下指标(厚度100
150mm)
屈服强(Rel)/MPa |抗拉强度(Rm)/MPa |断后伸长率(A) % |冲击吸收能量/J (-40°C )
^ 285470I彡 1940
5、晶粒度试验
依据GB/T6394-2002检测，级别为N彡6。综上所述Q345E钢远远满足不了大型化海上风电塔架及其塔筒法兰的技术要求，理由如下a、力学性能欠佳，随着风电机组大型化，塔架高度增加至90m以上，法兰厚度增加至10(T260mm，显然Q345E钢抗拉强度偏低；
b、Q345E钢低温塑韧性较低，_60°C冲击值达不到40J以上；
c、Q345E钢是Mn(猛)含量较高的低合金结构钢,众所周知，Mn元素是不耐腐蚀的,而且对抗腐蚀起负作用，Q345E钢耐腐蚀性能还不如Q235E低碳钢。因此，为了适应海上风力发电机塔筒连接法兰的特殊需要，有必要对现有Q345E低碳钢的材质及其工艺进行改进。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种适用于5兆瓦以上大型 海上风电设备上关键部件用新型钢材、钢材的冶炼工艺和采用这种钢材加工法兰件的加工工艺，新型钢材具有全面优于Q345E牌号各种的性能，不但屈服了强度高，低温冲击韧性好，尤其是耐海洋大气腐蚀性能方面更优越；同时通过冶炼工艺的改进，以及制造大型风电法兰工件的加工工艺的改进，使其法兰件的屈服强度和耐腐蚀性能得到显著的提高。为实现上述发明目的，本发明的技术方案是之一提供一种用于海上风电设备的材料，所述风电设备是连接海上大型风电塔筒的法兰，其特征在于，所述材料包括下列化学成分0. 08wt% 0. 16wt% 的碳、O. 20wt% 0. 60wt% 的硅、O. 30wt% 0. 70wt% 的锰、(0. 02wt% 的磷，(O. 015wt% 的硫、O. 80wt % 1· 30wt% 的铬、O. 90 wt% l. 20wt% 的镍、0. 50wt% 0. 80wt%的钥、0. 06wt% 0. 12wt%的钒、0. 50wt% 0. 80wt%的铜和0. 02% 0· 07wt%的稀土，余量为铁及不可避免的杂质。其中优选的技术方案是，在所述材料中还可以包括彡O. 05wt%铌和/或钛。进一步优选的技术方案是，在所述材料中包括的化学成分还可以是O. 10wt% O. 14wt% 的碳、O. 30wt% O. 50wt% 的娃、O. 40wt% O. 60wt% 的猛、< O. 015wt% 的憐，(O. 010wt% 的硫、O. 90wt% l. 20wt% 的铬、I. 00wt% l. 10wt% 的镍、O. 60wt% 0. 70wt% 的钥、0. 07wt% 0. llwt% 的钒、0. 60wt% 0. 70wt% 的铜、0. 03wt% 0. 06wt% 的稀土，( 0. 05wt% 的铌和/或钛。由于在钢中加入一定含量范围的合金元素加是人们为了获得所需的金相组织和各种性能的需求，本发明的技术方案中加入钢材中的主要元素包括C、Cr、Ni、Mo、V、Cu、RE及S和0，其他Si、P等为GB/T1591-2008标准中规定的含量范围，在此不作详述。本发明各合金元素确定的原则及依据如下
I、C含量的确定
随着钢C (碳)含量的增加，钢的抗拉强度和硬度大幅提高，是低合金结构钢提高抗拉强度最有效元素，但是钢的塑韧性、耐腐蚀、耐低温及可焊性等却显著降低，综合考虑之后，决定较Q345E钢采取降C措施，把C含量确定为O. 08 O. 16wt% ；
2、Mn含量的确定
钢中含有一定Mn (锰)含量，主要目的是脱氧的需要，同时对提高塑韧性贡献较大，但是Mn含量较高对钢的耐腐蚀性能不利，所以决定较Q345E钢中Mn含量采取降低措施，把Mn含量确定为O. 30^0. 70wt% ；
3、Cr含量的确定Cr (铬)元素对耐大气腐蚀和耐海洋大气腐蚀有决定性影响，尤其是对高盐雾Ce—离子腐蚀有特殊贡献，有助于形成致密的表面皮膜，阻止锈层扩展，经综合考虑，所以把Cr含量确定为O. 80 1· 30wt% ；
4、Ni含量的确定
Ni (镍)元素对耐海洋大气腐蚀有突出贡献，尤其是与Cu和Cr共同存在钢中能形成致密的表面皮膜，有利于耐腐蚀性显著提高，同时Ni对钢的塑韧性提高是不可多得的合金元素，为此把Ni含量确定为O. 9(Tl. 20wt% ；
5、Mo含量的确定
Mo (钥)元素对提高钢的回火稳定性显著，当Cr与Mo在钢中共存时，有利于耐海 水腐蚀性提高，所以把Mo含量确定为O. 50 O. 80wt% ；6、V或Nb、Ti元素
提高钢的抗拉强度贡献很大，当与钢中C、N、Al形成化合物，在回火时能弥散析出基体金属结晶处，V (钒)或Nb (铌)、Ti (钛)元素对促使铁素体晶粒由20 μ m细化到5 10 μ m,沉淀强化效果明显，在钢塑韧性不显著降低的同时强度增量达IOOMpa以上；
7、Cu含量的确定
Cu (铜)元素是对耐腐蚀性能提高的最主要的合金元素，铜能抵消钢中硫对耐候性的有害作用；Cu与钢中P (磷)能浓缩在锈层中，抑制致密稳定的锈层进一步扩展，为此把Cu含量确定为O. 50 0· 80wt% ；
8、RE含量的确定
RE (稀土)在钢中的作用主要是提高耐大气腐蚀性，净化钢质，减少了夹杂物总量，当钢中RE含量> O. 02被％时，促使钢中MnS等夹杂物球化，有利于钢的抗层状撕裂性能提高；当RE/S (硫)质量比大于2时，RE能提高铜在钢中的溶解度；RE可使P在钢中宏观偏析减少，抑制钢中树枝晶发展，减少S偏析30% ;另外RE和氧，硫有很强的亲和力，当钢中氧质量分数大于O. 005%，硫质量分数大于O. 015%时，98%以上的RE以夹杂物形态存在，固溶RE量很少，从而RE起不到应有的效果，因此要求钢中氧质量分数应小于3ppm，硫质量分数应小于IOppm0为此要求钢中RE含量质量分数为O. 02 O. 07为好。为实现上述发明目的，本发明的技术方案是之二提供一种以上所述用于风电设备的材料冶炼工艺，所述冶炼工艺包括如下工艺步骤
51KR铁水预处理，将冶炼过的铁水进行扒渣处理，然后再将铁水经KR搅拌脱硫处理后，使铁水中S彡O. 005% ；
52LD转炉冶炼，将脱硫处理后的铁水加入LD转炉，入LD炉的铁水温度彡1270 °C，在LD转炉冶炼过程中加入造渣剂，当铁水温度达到1600°C ±10，当LD转炉的渣碱度为
2.5 3. O时，C3 0. 05%, S^O. 012%, P ^ O. 015%时出钢，在出钢过程中向钢包内倒入Mn-Fe、Si-Fe铁合金及Cr-Fe、V-Fe铁合金；在出钢时采用挡渣塞挡渣出钢，并且LD转炉在出钢过程中要全程吹氩；
53LF炉精炼，精炼过程全程吹氩，吹氩强度需要依据不同环节需要进行调节，在LF炉精炼过程中应加入精炼脱氧剂，当铁水中氧质量分数小于3ppm、硫质量分数小于IOppm时加入稀土合金粉；当LF炉精炼中各种化学成分达到规定值范围时，钢水温度> 1610°C时转入VD真空脱气处理；54:VD真空脱气，在VD真空脱气过程中真空度必须达到67Pa以下，保压时间彡18min,破真空后软吹3 5min，当钢水温度≥1580°C，转入连铸工艺；
55:连铸，在连铸过程中采用全保护浇铸，中间包过热度> 15 °C，拉坯速度为
O.5 I. Om/min，冷却水量为O. 80L/kg，结晶器电磁搅拌参数为电流900A，频率5Hz ;连铸坯直径为Φ60(Γ800πιπι，铸坯下线后要求堆冷时间不小于24小时。其中优选的技术方案是，在所述SI步中扒渣时间控制在2(T22min，铁水温降≤20°C，扒渣后渣层厚度≤20mm。优选的技术方案还包括，在所述S2步中的造渣剂为氧化钙和萤石。优选的技术方案还包括，在所述S2步中全程吹氩的氩气流量为30(T500NL/min， 强吹时间为3 4min，铁水温度不得低于1570°C。优选的技术方案还包括，在所述S2步中的精炼脱氧剂以电石、铝线、硅钙粉为主，加入量依据钢水中氧含量而定。为实现上述发明目的，本发明的技术方案是之三提供一种用以上所述冶炼工艺制成的材料制作法兰环的制造工艺，所述制造工艺包括如下工艺步骤
Si:下料，依据锻坯质量计算出所需坯料的尺寸，包括坯料长度和直径，采用圆锯床冷切连铸后的坯料；
52:坯料加热，将坯料放入加热炉，炉温应小于400°C，自由升温I小时后，然后以每小时40°C 60°C升温到950°C保温3小时，然后再以每小时120°C 140°C，升温至1300°C，保温2小时后在降温到1260°C，再保温I小时后，出炉开始锻造；
53:锻造、冲孔、精压，根据锻件大小分别在4500吨或2000吨压机上镦粗或拔长坯料，在锻造工艺中始锻温度控制在1200°C 1250°C，锻造比最少为4飞倍，终锻温度控制在800°C ^850°C ;将锻造后的坯料用冲模冲出中心孔；将冲孔后的坯料通过精压工艺，使锻坯尺寸达到成品毛坯规定几何形状，最后将精压后的坯料尽快放入缓冷坑内，缓慢冷却至150°C以后出坑；
54:热处理，将S3步加工后的锻件加热到950°C 土 10，保温时间按锻件公称尺寸I小时/英寸，然后空冷或吹风冷却或间歇式水冷，然后再进行650°C ±10回火热处理，回火保温时间为1.3 1.5小时/英寸；
55:将热处理后的工件进行机加工，机加工后进行探伤检查和力学性能检查。其中优选的技术方案是，所述S4步中的空冷适用于法兰的公称厚度< 150mm，且环境温度低于15°C ;所述吹风冷却适用于法兰的公称厚度大于150mm且小于等于220mm，且环境温度高于25°C ;所述间隙式水冷适用于法兰的公称厚度> 220mm，且环境温度高于250C ;所述间隙式水冷是将出炉后的法兰放入4(T60°C的水中水冷一段时间，然后再将法兰从水中提起在空气中空冷一段时间，之后再放入上述的水中水冷一段时间，如此反复将法兰的冷却速率控制在O. 80C /S，然后在空气中冷却到< 200°C。本发明的优点和有益效果在于上述用于风电设备的材料，利用各种合金元素在钢中的有益作用，巧妙合理的确定了各种合金元素化学成分配比组成，科学的设计了一种适用于海上风电设备用的低合金钢；(主要用于风电塔架筒体及其法兰等锻件)。同时对该钢的冶炼、连铸、铁合金的加入方法及顺序，法兰锻造工艺等采取了一系列有效技术措施与工艺步骤。该用于海上风电设备的材料(Q460E新牌号)与国内外通用Q345E牌号对比有如下优点由于该钢晶粒度细化N彡8级，所以屈服强度Rel提高了 10(Tl20Mpa，抗拉强度Rm提高了 12(Tl60Mpa ;抗层状撕裂Z厚度方向性能提高一个级别，即厚度方向断面收缩率Z%提高了 5 10% ;低温冲击韧性_40°C AKv值提高了 3(T40J，-60°C AKv值提高了 40-50J ;特别是耐海洋大气腐蚀率显著提高，年平均腐蚀率由I. 00mm/a下降到O. 2mm/a水平。综上所述由于对用于海上风电设备的材料(Q460E牌号)钢中化学成分进行了科学组方和反复优化设计。从而Q460E新牌号比Q345E牌号屈服强度提高了 30%以上，可节约钢材2(Γ30% ;由于耐腐蚀率提高近5倍，则钢材腐蚀寿命可成倍提高，则结论为用于海上风电设备的材料(Q460E)属于高效钢材。
具体实施例方式下面结合实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例I
现有的Q345E牌号与本发明用于海上风电设备的材料(Q460E新牌号)低合金钢化学成分对比及力学性能对比见表I、表2 :
表I化学成分wt%
权利要求
1.一种用于海上风电设备的材料，所述风电设备是连接海上大型风电塔筒的法兰，其特征在于，所述材料包括下列化学成分0. 08wt% O. 16wt%的碳、O. 20wt% O. 60wt%的娃、O.30wt% 0. 70wt% 的锰、彡 O. 02wt% 的磷，(O. 015wt% 的硫、O. 80wt % 1· 30wt% 的铬、O. 90wt% l. 20wt% 的镍、0. 50wt% 0. 80wt% 的钥、0. 06wt% 0. 12wt% 的钒、0. 50wt% 0. 80wt% 的铜和0. 029Γ0. 07wt%的稀土，余量为铁及不可避免的杂质。
2.如权利要求I所述的用于海上风电设备的材料，其特征在于，在所述材料中还包括彡O. 05wt%铌和/或钛。
3.如权利要求I所述的用于海上风电设备的材料，其特征在于，所述材料中包括下列化学成分0. 10wt% O. 14wt% 的碳、O. 30wt% O. 50wt% 的娃、O. 40wt% O. 60wt% 的猛、(O. 015wt% 的磷，(O. 010wt% 的硫、O. 90wt% l. 20wt% 的铬、I. 00wt% l. 10wt% 的镍、O.60wt% 0. 70wt% 的钥、O. 07wt% 0. llwt% 的钒、O. 60wt% 0. 70wt% 的铜、0. 03wt% 0. 06wt%的稀土，( 0. 05wt%的铌和/或钛。
4.一种如权利要求I或2或3所述用于海上风电设备材料的冶炼工艺，所述冶炼工艺包括如下工艺步骤 51KR铁水预处理，将冶炼过的铁水进行扒渣处理，然后再将铁水经KR搅拌脱硫处理后，使铁水中SS O. 005% ； 52LD转炉冶炼，将脱硫处理后的铁水倒入LD转炉，入LD炉的铁水温度彡1270°C,在LD转炉冶炼过程中加入造渣剂，当铁水温度达到1600°C ±10，当LD转炉的渣碱度为2.5 3. O时，C3 0. 05%, S^O. 012%, P ^ O. 015%时出钢，在出钢过程中向钢包内加入Mn-Fe、Si-Fe铁合金及Cr-Fe、V-Fe铁合金；在出钢时采用挡渣塞挡渣出钢，并且LD转炉在出钢过程中要全程吹氩； 53LF炉精炼，精炼过程全程吹氩，吹氩强度需要依据不同环节需要进行调节，在LF炉精炼过程中应加入精炼脱氧剂，当铁水中氧质量分数小于3ppm、硫质量分数小于IOppm时加入稀土合金粉；当LF炉精炼中各种化学成分达到规定值范围时，钢水温度> 1610°C时转入VD真空脱气处理； 54:VD真空脱气，在VD真空脱气过程中真空度必须达到67Pa以下，保压时间彡18min,破真空后软吹3 5min，当钢水温度彡1580°C，转入连铸工艺； 55:连铸，在连铸过程中采用全保护浇铸，中间包过热度> 15 °C，拉坯速度为O.5 I. Om/min，冷却水量为O. 80L/kg，结晶器电磁搅拌参数为电流900A，频率5Hz ;连铸坯直径为Φ60(Γ800πιπι，铸坯下线后要求堆冷时间不小于24小时。
5.如权利要求4所述的用于海上风电设备材料的冶炼工艺，其特征在于，在所述SI步中扒渣时间控制在2(T22min，铁水温降彡20°C，扒渣后渣层厚度彡20mm。
6.如权利要求4所述的用于海上风电设备材料的冶炼工艺，其特征在于，在所述S2步中的造洛剂为氧化I丐和萤石。
7.如权利要求4所述的用于海上风电设备材料的冶炼工艺，其特征在于，在所述S2步中全程吹氩的氩气流量为30(T500NL/min，强吹时间为3 4min，铁水温度不得低于1570°C。
8.如权利要求4所述的用于风电设备的材料冶炼工艺，其特征在于，在所述S2步中的精炼脱氧剂以电石、铝线、硅钙粉为主，加入量依据钢水中氧含量而定。
9.一种用权利要求4冶炼工艺制成的材料制作法兰环的制造工艺，所述制造工艺包括如下工艺步骤 Si:下料，依据锻坯质量计算出所需坯料的尺寸，包括坯料长度和直径，采用圆锯床冷切连铸后的坯料； 52:坯料加热，将坯料放入加热炉，炉温应小于400°C，自由升温I小时后，然后以每小时40°C 60°C升温到950°C保温3小时，然后再以每小时120°C 140°C，升温至1300°C，保温2小时后在降温到1260°C，再保温I小时后，出炉开始锻造； 53:锻造、冲孔、精压，根据锻件大小分别在4500吨或2000吨压机上镦粗或拔长坯料，在锻造工艺中始锻温度控制在1200°C 1250°C，锻造比最少为4飞倍，终锻温度控制在800°C ^850°C ;将锻造后的坯料用冲模冲出中心孔；将冲孔后的坯料通过精压工艺，使锻坯尺寸达到成品毛坯规定几何形状，最后将精压后的坯料尽快放入缓冷坑内，缓慢冷却至150°C以后出坑； 54:热处理，将S3步加工后的锻件加热到950°C ±10，保温时间按锻件公称尺寸I小时/英寸，然后空冷或吹风冷却或间歇式水冷，然后再进行650°C ±10回火热处理，回火保温时间为1.3 1.5小时/英寸； 55:将热处理后的工件进行机加工，机加工后进行探伤检查和力学性能检查。
10.如权利要求9所述的材料制作法兰环的制造工艺，其特征在于，所述S4步中的空冷适用于法兰的公称厚度彡150_，且环境温度低于15°C;所述吹风冷却适用于法兰的公称厚度大于150mm且小于等于220mm，且环境温度高于25°C ;所述间隙式水冷适用于法兰的公称厚度> 220mm，且环境温度高于25°C ;所述间隙式水冷是将出炉后的法兰放入4(T60°C的水中水冷一段时间，然后再将法兰从水中提起在空气中空冷一段时间，之后再放入上述的水中水冷一段时间，如此反复将法兰的冷却速率控制在O. 80C /S，然后在空气中冷却到(200。。。
全文摘要
本发明公开了一种用于海上风电设备的材料及工件的制造工艺，该材料包括下列化学成分碳、硅、锰、磷，硫、铬、镍、钼、钒、铜和稀土，余量为铁及不可避免的杂质；该材料通过优质铁水、KR铁水预处理、顶底复合吹转炉、吹氩处理、LF炉精炼、VD真空脱气处理、连铸圆钢坯、堆冷、锯切下料、钢坯加热、自由锻造、冲孔、精压、热处理、机械加工、探伤、检查、包装入库等工艺。生产出一种适用于5兆瓦以上海上风电设备关键部件用材料，具有优于Q345E性能的钢，不但屈服了强度高，低温冲击韧性好，尤其是耐海洋大气腐蚀性能方面更优越；同时对该钢冶炼工艺及制造工艺等采取了一系列优化技术措施，满足了用户需求。
文档编号C21D9/40GK102851609SQ20121016120
公开日2013年1月2日 申请日期2012年5月23日 优先权日2012年5月23日
发明者承立新, 周洪亮, 戴宝昌, 缪惠民, 杨家灼, 张伟 申请人:江阴市恒润重工股份有限公司