一种耐低温海上风电法兰用钢及其热处理方法和生产方法与流程

本发明属于钢铁，具体涉及一种耐低温海上风电法兰用钢及其热处理方法和生产方法。

背景技术：

1、海上风电具有清洁、高效的特点是未来风电的发展趋势。我国风电装机容量和装机功率逐年升高，陆上风电装机逐渐趋于饱和，海上风电进入快速增长期。海上风电向大功率、深海发展，这对风电关键支撑部件的性能要求提高。风电法兰是风电塔筒的重要支撑件和连接件，法兰的性能关系到风电的安全。

2、随着海上风电的大型化、深水化，风电塔筒的直径、高度均增加，为了减少风电塔筒的重量，塔筒用钢的强度提高，目前常用级别为s355nl级。未来风电塔筒的用钢的强度级别将提高至q390、q420级，而法兰做为塔筒的重要组成部分，强度级别也相应的提高。目前国内为解决海上风电支撑问题，常采用增加塔筒壁厚来增加支撑强度。对高强度风电法兰用钢研究相对较少，为降低塔筒重量，开发高强度海上风电法兰的需求日益迫切。

3、专利cn 111893394a指出海上风电基础桩法兰的制造工艺，该专利强调的是法兰锻造、辗环、热处理过程，而法兰钢的强度级别为355级。并未对钢材强度提升，低温韧性提高做出明显阐述，并且实施例中未提及产品强韧性。

4、专利cn 111286668a指出一种低成本高低温韧性稀土风电法兰用钢及其生产工艺，从专利中看出所阐述专利重点采用稀土处理提高钢-60℃低温韧性，钢的强度级别为q345级。该专利的强度级别仍然不足。

5、专利cn 110773692a指出一种低温高强度海上风电法兰的锻造方法，该专利所列举的法兰钢碳含量高达3.7％，已超出一般钢材含碳量，该体系应为铸铁体系，低温韧性不高。并且该专利并未列举实施例，无最终产品性能数据，产品的强度级别、韧性均未知。

6、专利cn 1115058645a指出一种风电大壁厚低成本耐低温塔筒法兰用连铸圆坏及其制造方法。该专利所设计钢种的屈服强度为285mpa级，-50℃冲击功最大为168j，强度和韧性均不能满足海上风电法兰需求。另外专利题目中的大壁厚，在专利中并未出现壁厚量级。

7、专利cn 113913690a指出一种海上风电法兰用钢及制备方法，该专利提出屈服强度460mpa级的风电法兰用钢的制造方法，但该钢的低温韧性不足，也未涉及法兰海上疲劳性能。

8、专利cn 114921720a指出一种六兆瓦以上海上大功率风电机组法兰用钢锭及其生产方法，该专利所设计法兰强度为q355级别，低温韧性不足。原料为钢锭，材料的利用率不高，会造成成本高。

9、专利cn 112342459a指出一种耐低温风电法兰用钢及其轧制方法，该专利所设计法兰强度为q355级别，低温韧性不足。

10、因此，根据海上风电法兰的要求，开发一种耐低温、高强度、高疲劳、耐腐蚀的法兰用钢，并且针对性设计法兰的热处理工艺，解决大型化、深海化的海上机组装备安全问题已十分迫切。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种耐低温海上风电法兰用钢及其热处理方法和生产方法，该钢的屈服强度级别为q420ne级，具备较好的低温韧性，旋转弯曲疲劳强度，耐腐蚀性能优异。

2、本发明采取的技术方案如下：

3、一种耐低温海上风电法兰用钢，按重量百分比含有：c 0.05％～0.10％、si0.20％～0.40％、mn 1.70％～2.00％、cr 0.30％～0.60％、mo 0.10％～0.30％、ni0.40％～0.60％、cu 0.030％～0.050％、v 0.10％～0.20％、ti 0.015％～0.035％、b0.0020％～0.0040％、al 0.015％～0.025％、p≤0.015％、s≤0.010％、n 0.0050％～0.0090％、o≤0.0040％，其余为fe和其它不可避免的杂质。

4、所述耐低温海上风电法兰用钢的成分满足：

5、a＝(4.5×％c)×(1+3.4×％mn)×(1+0.7×％si)×(1.2+2.6×％cu)×(1+2.7×％ni)×(1+3.

6、1×％cr)×(1+2.3×％mo)×(1+1.6×％v+4.6×％n+1.3×％ti+1.7×％cu)；

7、40.0≤a≤55.0。

8、所述耐低温海上风电法兰用钢的成分满足：y＝2.5×％cr+3.8×％mo+16.5×％ni+2.5×％cu+1.2×％v+1.4×％ti-1×％c-4×％mn≥2.0。

9、所述耐低温海上风电法兰用钢的金相组织为回火索氏体。

10、耐低温海上风电法兰的壁厚≥240mm。

11、所述耐低温海上风电法兰用钢的屈服强度级别为q420ne级；1/2壁厚处的低温韧性-50℃kv2≥210j；旋转弯曲疲劳强度≥300mpa；室温腐蚀速率≤0.09mm/a。

12、本发明还提供了所述耐低温海上风电法兰用钢的热处理方法，所述热处理方法包括淬火和回火步骤。

13、所述淬火条件为：将法兰半成品加热至t1＝800～900℃，保温t1 min，然后水冷，其中，s-t1/10≤t1≤s-t1/50，s为法兰壁厚，单位为mm。所述法兰半成品的入炉温度≤400℃。

14、所述回火条件为：将法兰半成品加热至t2＝600～700℃，保温t2 min，然后水冷，其中，1.5×s-t2/10≤t2≤1.5×s-t2/50，s为法兰壁厚，单位为mm。

15、本发明还提供了所述耐低温海上风电法兰用钢的生产方法，所述生产方法包括以下步骤：电弧炉或转炉冶炼→lf炉精炼→rh或vd真空脱气→圆坯连铸→圆坯缓冷，圆坯下料→圆坯加热→墩粗→冲孔→辗环→热处理→机加工→探伤→修磨→包装入库；所述热处理采用本发明所述的热处理方法进行。

16、本发明提供的耐低温海上风电法兰用钢中，各成分作用及控制如下：

17、c：c是钢中最低廉的强化元素，每提高0.01％的固溶c，可使强度提高约45mpa，c与钢中的合金元素形成析出相，起到析出强化作用。c能够显著提高淬透性，使大壁厚钢管中心获得马氏体组织。但随着其含量增大，塑性和韧性降低，故c含量控制在0.05％～0.10％。

18、si：si是钢中有效的固溶强化元素，提高钢的强硬度，si在炼钢时能够起到脱氧作用，是常用的脱氧剂。但si易偏聚有奥氏体晶界，降低晶界结合力，引发脆性。另外si易引起钢中元素偏析。因此，si含量控制在0.20％～0.40％。

19、mn：mn能够起到固溶强化作用，固溶强化能力弱于si，mn是奥氏体稳定化元素能显著提高钢的淬透性，还能够减少钢的脱碳，mn与s结合能够防止s引起的热脆性。但过量的mn会降低钢的塑性。所以，mn含量控制在1.70％～2.00％。

20、cr：cr是碳化物形成元素，cr能够使钢的淬透性和强度均提高，却易引起回火脆性。cr能够提高钢的抗氧化性能，增加耐蚀性，但cr含量过高时将增加裂纹敏感性。应将cr含量控制在0.30％～0.60％。

21、mo：mo主要是提高钢的淬透性，固溶于基体的mo能够使钢的组织在回火过程中保持较高的稳定性，且能有效降低p、s和as等杂质元素在晶界处偏聚，从而提高钢的韧性，降低回火脆性。mo降低m7c3的稳定性，当mo含量较高时将形成针状mo2c，将导致基体mo含量减少。mo能够通过固溶强化和沉淀强化的共同作用提高钢的强度，也能通过改变碳化物的析出来改变钢的韧性。故mo控制在0.10％～0.30％。

22、ni：ni能与fe生成无限互溶的固溶体，是奥氏体稳定化元素，具有扩大相区的作用，增加过冷奥氏体的稳定性，使c曲线右移，提高钢的淬透性。ni能够细化马氏体板条宽度，提高强度。ni能显著降低钢的韧脆转变温度，提高低温韧性。ni元素是贵金属元素，过量加入导致成本过高。将ni含量控制在0.40％～0.60％。

23、v：v是强c、n化合物形成元素，v(c、n)细小弥散，且与基体保持共格关系，能够起到强化和细化组织的作用。v含量控制在0.10％～0.20％。

24、ti：ti是强c、n化合物形成元素，ti(c、n)细小弥散，且与基体保持共格关系，能够起到强化和细化组织的作用，基体的强化能够使疲劳裂纹萌生和扩展抗力增加，从而提高疲劳强度。ti含量控制在0.015％～0.035％。

25、cu：cu是扩大奥氏体相区，cu单质可以作为第二相显著提升强度，能提升组织回火稳定性和强度。但cu过高将导致cu脆。因此cu含量控制在0.030％～0.050％。

26、al：al是炼钢的主要脱氧剂，al与n结合形成细小弥散分布的aln，且与基体保持共格关系，能够起到强化和细化组织的作用，能够使疲劳裂纹萌生和扩展抗力增加，从而提高钢的持久强度。al含量控制在0.015％～0.025％。

27、o和n：t.o在钢中形成氧化物夹杂，控制t.o≤0.0040％；n在钢中能与氮化物形成元素形成细小析出相细化组织，又能析出fe4n，扩散速度慢，导致钢产生时效性，降低加工性能，因此将n控制在0.0050％～0.0090％。

28、本发明提供的耐低温海上风电法兰用钢，通过有益合金元素的添加能够提高钢的强度，通过元素有效配比能够提高钢的韧性，通过形成有效的韧性析出相能够提高断裂性能。通过本合金体系研究在该成分系统下，合金元素中mn提高淬透性及强度最为有效故系数为3.4；mo通过提高回火稳定性及与mn的交互作用对淬透性及强度贡献也较大，系数为2.3；cr是主要的置换固溶元素和碳化物形成元素，对强度的贡献系数为3.1；ni和cu在钢中不形成碳化物，通过固溶强化改变晶格形态从而对钢的淬透性及强度提高，系数分别为2.7和2.6；c为非金属元素，是钢中最主要的间隙固溶强化元素，对强度和韧性都有影响，故系数为4.5；si是非金属元素，也是钢中主要的固溶强化元素，对钢的性能贡献为0.7；v、n、ti是微合金元素通过相互作用及形成第二相提高钢的强度，另外n能够通过改变c的晶格提高钢的强度，故系数分别为1.6、4.6和1.3。由于钢的强度与塑性和韧性具有反比例关系，及强度高时会导致塑性及韧性降低，为保证钢的综合性能不能一味提高强度。令钢中的强化因素用a表示，则40.0≤a≤55.0，a＝(4.5×％c)×(1+3.4×％mn)×(1+0.7×％si)×(1.2+2.6×％cu)×(1+2.7×％ni)×(1+3.1×％cr)×(1+2.3×％mo)×(1+1.6×％v+4.6×％n+1.3×％ti+1.7×％cu)。

29、法兰在服役过程中需要较好的抗疲劳性能，因此需对c、mn、cr、mo、ni、cu的配比进行限定。由于c、mn能较显著提高钢的强度，但这些元素易偏距从而造成组织不均，从而引起材料的熵增加，引发材料基体局部薄弱，从而加剧裂纹形成。cr、mo、v能够与钢中的c、n形成第二相，第二相在钢中能够形成缺陷的固定源，从而提高疲劳能力，故对抗疲劳有利。ni能够提高钢的层错能，提高钢中位错密度及降低位错滑移速率，从而有提高抗疲劳能力。cu能够在纳米尺度与钢有良好的结合形成半共格关系，从而起到固定缺陷的作用，能够阻碍疲劳裂纹。令钢中的抗疲劳因子用y表示，则y≥2.0，

30、y＝2.5×％cr+3.8×％mo+16.5×％ni+2.5×％cu+1.2×％v+1.4×％ti-1×％c-4×％mn。

31、本发明提供的耐低温海上风电法兰用钢的热处理方法中，通过法兰壁厚和加热温度来决定淬火和回火的保温时间，经热处理后，能够得到100％回火索氏体组织。

32、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

33、1.本发明将影响钢的强度的各化学成分在公式a中进行限定，控制40.0≤a≤55.0，通过各化学成分的有效配比能够提高钢的韧性，通过形成有效的韧性析出相能够提高钢的断裂性能。

34、2.为保证法兰在服役过程中具备较好的抗疲劳性能，本发明对c、mn、cr、mo、ni、cu成分在公式y中进行了限定，控制y≥2.0。

35、3.本发明提供的耐低温海上风电法兰用钢的屈服强度级别为q420ne级，1/2壁厚处抗拉强度≥610mpa、屈服强度≥440mpa；1/2壁厚处的低温韧性-50℃kv2≥210j；旋转弯曲疲劳强度≥300mpa；室温腐蚀速率≤0.09mm/a，具备较好的低温韧性，旋转弯曲疲劳强度，耐腐蚀性能优异。