风塔用钢板的研制与开发.doc

风塔用钢板的研制与开发风能是我国重点发展的清洁能源和新能源之一，是我国能源结构调整的方向。制造风力发电塔对钢板强度、韧性等力学性能提出了更高的要求。天津钢铁集团有限公司通过控轧控冷工艺，保证了钢板的力学性能和表面质量要求，获得用户的广泛赞誉。风塔用钢板主要用于制造风力发电塔的结构，要求钢板具有高强度、低温韧性强、抗断裂能力强、良好的焊接性能和表面质量。为了达到风塔用钢性能的特殊要求，天津钢铁集团有限公司（以下简称天钢）进行了风塔用钢板的研制与开发。在化学成分上采用去除Nb微合金元素的减量化成分设计，通过控轧控冷工艺，保证钢材的力学性能，降低了生产成本；通过对铸坯表面氧化铁皮的研究和实践，开发出了低Si含量和新高压水除鳞工艺，并申请了国家发明专利，解决了行业内普遍存在的因氧化铁皮压入造成的“麻坑”问题，保证了风塔用钢板的表面质量要求。1主要研制内容1.1风塔钢化学成分的减量化设计天钢风塔钢的化学成分设计，是以天钢低合金高强度钢Q345D/E钢种为基础，结合风塔钢的高强度、低温韧性强等力学性能和表面质量要求，进行的减量化成分设计。1.1.1力学性能要求天钢风塔钢是参考天钢现有的Q345D/E钢种的力学性能进行的化学成分设计，风塔钢Q345D/E力学性能要求，天钢低合金高强度钢Q345D/E力学性能。通天钢低合金高强度钢Q345D/E力学性能指标与风塔钢标准要求相比有较大余量，其中屈服强度有90-110MPa余量，抗拉强度有80-100MPa余量，低温冲击功余量也在55-97J左右。因此，风塔钢Q345D/E在成分设计上采用减量化，去除Nb的加入，通过优化轧制工艺，降低二阶段轧制的开轧温度和ACC终冷温度，保证产品的力学性能要求是可行的。1.1.2表面质量的要求对风塔钢的表面质量要求较高，而其表面质量目前普遍存在不同程度的因氧化铁皮压入造成的“麻坑”问题，这种现状不能满足其表面质量的要求。根据相关文献介绍，钢坯在加热的过程中，钢中Si含量较高时，其表层扩散性较强，与氧化铁皮中的FeO层在钢坯基体中生成铁橄榄石,铁橄榄石熔点在1170左右，铁橄榄石的生成降低了高压水除鳞的剥离效果，一旦形成较大量的铁橄榄石，在后续的除鳞中极难去除。为此，在成分设计中降低了Si含量，目标值控制在0.25%左右。1.2重点工艺控制1.2.1冶炼、连铸工艺控制以提高钢坯质量为重点，转炉采取精料方针，控制入炉铁水的成分和温度，提高终点冶炼命中率，严格控制钢种脱氧产物。精炼强化快速造还原渣的工艺操作，进行深脱硫，降低钢中有害元素含量。连铸控制合理匹配的注温注速，以及二冷区的比水量，减少铸坯缺陷，提高铸坯实物质量。1.2.2加热工艺的控制研究碳钢的氧化铁皮生成量与温度及时间的函数关系发现，板坯的氧化程度随着温度的增加和加热时间的延长而加剧。经验公式如式（1）所示。=6.21/2e-900/T（1）其中，：氧化铁皮生成量，g/cm2；：加热时间，min；T：加热温度，K。在工艺允许的条件下，要尽量降低加热温度和缩短加热时间。加热炉加热温度、加热时间及炉内气氛等因素都是造成板坯氧化烧损过高的主要原因。所以，着重从以下方面进行加热工艺的控制。1）炉膛温度控制天钢中厚板厂加热炉采用的是蓄热式四段步进加热炉，使用的燃料为高炉、转炉混合煤气，其发热值较低。针对加热炉炉型及燃料特点，在炉膛温度的控制上，考虑到因钢坯出炉温度高，造成精轧待温时间长，中间坯二次氧化铁皮厚、铁皮结构不易剥离，容易造成二次铁皮压入，所以降低了板坯出炉温度，由原来较高的出炉温度1180-1220，降到1120-1160。2）加热时间根据加热炉“黑匣子”测试结果以及改善铸坯中心偏析因素，不同断面坯料采用以下加热时间：250mm（热）：3-3.5h250mm（冷）：3.5-4h200mm（热）：2.5-3h200mm（冷）：3-3.5h3）炉膛气氛控制在炉膛气氛的控制上，降低高温段（一加、均热）炉膛的氧化性气氛，减少一次氧化铁皮的生成厚度。根据“黑匣子”测试结果，钢坯在这两段时表层温度达到1000以上，氧化铁皮生成速度比较快。1.2.3高压水除鳞天钢中厚板高压水除鳞系统采用的是高压水泵+液力耦合+蓄能器的供水方式。除鳞点分别为加热炉后除鳞箱、粗轧机除鳞和精轧机除鳞，系统设计压力为18MPa。为了保证风塔板的表面质量，在除鳞系统不增容的情况下，对现有的高压水除鳞系统进行了改进和工艺优化，增加除鳞打击力，改善除鳞效果。1）增加除鳞打击力从轧制的钢板下除鳞状态看，钢板经抛丸后下表面普遍存在着点状的“麻坑”，通过分析判断该缺陷应为粗、精轧下除鳞高压水打击力不足，二次铁皮未除净造成的。一方面，通过对粗、精轧下除鳞的喷嘴间距、喷嘴射流宽度、相邻喷嘴间射流重叠宽度、平均打击力进行了计算和优化。在满足射流重叠宽度的情况下，减小喷嘴与钢板下表面的间距，由原来的270mm调整到225mm，在压力不变的情况下，使下除鳞平均打击力提高了30%左右。另一方面，在原系统能力允许的情况下，修改了蓄能器设定压力，由原来的17-19MPa改为19-21MPa，提高了精轧高压水除鳞喷嘴前压力。2）完善除鳞箱上集管调整装置设备结构改进，使除鳞箱上集管具备上下可调功能，确保集管能够随板坯厚度断面的变化而及时调整；改进上导卫集管与上工作辊横梁同步装置，保证了轧机上导卫除鳞集管与上工作辊的同步升降；通过增加管路的二级过滤装置，防止管路内出现铁皮堵塞高压水喷嘴的情况，避免造成钢板表面出现除鳞盲区。粗、精轧根据钢板表面质量情况分别采取3-5道次除鳞。1.2.4轧制工艺控制1）阶段轧制（粗轧）阶段轧制的轧制过程属于奥氏体再结晶区轧制，通过奥氏体的反复再结晶进行晶粒细化。高温大压下可使奥氏体再结晶完全，单道次的压下率越大，奥氏体再结晶越完全，越有利于细化奥氏体晶粒，同时也有利于改善铸坯中夹杂物形态。为保证单道次变形量大于奥氏体临界变形量，每道次压下率（除横轧道次外）不得小于15%。阶段轧制结束温度要大于再结晶终止温度，通常在980以上结束粗轧。2）阶段轧制（精轧）在去除原成分设计中Nb加入后，为了保证强度、低温冲击指标，与原轧制工艺相比，降低了阶段的开轧温度，根据不同规格Q345D设定在920-950，Q345E设定在910-930。未再结晶区轧制时，奥氏体晶粒仅延伸拉长，而不发生再结晶，因表面和内部在轧制时的变形不均，会造成晶粒的大小不一。因此，在阶段的轧制中，应适当提高后续道次的压下率，以减少表面和心部变形的差异。精轧阶段的累积变形量要不低于50%，因为在精轧阶段精轧机变形速度快，轧制压力大。累积变形量大可以保持较高的位错密度，为相变形核提供更多几率，有助于细化晶粒，提高钢板的强韧性指标。中间坯厚度直接影响到钢板最终的性能指标和轧机的生产能力，对控制轧制某一规格范围的品种而言，在完全保证产品性能指标的前提下，实现轧机的最大生产能力。中间坯厚度设定为成品厚度的2-3倍。1.2.5ACC层流冷却通过控制轧后钢板的冷却过程，能有效控制奥氏体晶粒的长大，细化奥氏体组织，阻止或延迟碳化物在冷却过程中过早析出，使其在铁素体中弥散析出提高强度。同时因为奥氏体过冷时铁素体形核率与铁素体生成速度之比增大，导致铁素体晶粒细化，并且也能减小珠光体团的尺寸，细化珠光体片层间距，改善钢材的综合力学性能，终冷温度设定为660-700。1.2.6超声波探伤对于需要探伤的钢板，热矫直后下线堆冷，钢板下线温度250-350，要求Z向性能的铸坯需堆冷48小时。超声波探伤标准采用GB2970-2004或其它相关标准。超声波探伤采用在线自动探和手探相结合的方法进行最终的判定。2研制效果天钢研制的风塔钢，一方面采用了减量化成分设计，去除了风塔钢Q345D/E化学成分中Nb合金元素的加入，通过优化TMCP控轧控冷工艺来保证其力学性能稳定且满足用户的要求，节约了合金资源，吨钢成本降低约155元。另一方面，通过对铸坯表面氧化铁皮的研究与实践，开发出了降低Si含量和新的高压水除鳞工艺，生产的风塔板板坯上下表面一次除鳞率达到98%以上，未出现因一次除鳞不净造成的板坯回炉情况，消除了风塔钢普遍存在的表面麻点缺陷。天钢风塔钢板屈服强度365-450MPa，同厚度规格波动范围小于30MPa，抗拉强度495MPa，断后伸长率26%，Q345E在-40条件下的夏比冲击功60J，Q345D-Z35，Z向性能达到了40.5%-70.5%；风塔板金相组织主