一種離岸風電塔筒用大單重厚鋼板制造工藝方法

專利名稱：一種離岸風電塔筒用大單重厚鋼板制造工藝方法
技術領域：
本發明屬于金屬材料領域，涉及一種離岸風電塔筒用大單重厚鋼板制造工藝方法。
背景技術：
風力發電是最具規模化開發條件和商業化前景的清潔能源發電方式，在各國大力開發清潔能源的政策下，風電行業發展迅速，近年來特別是離岸式風力發電成為發展的趨勢。大型風力發電機組需要風力發電塔作為其支撐，其中鋼制塔筒是風力發電塔的主體結構，不僅起支撐作用，同時要吸收機組震動能量，對于機組的安全至關重要。目前，隨著風電的發展，風電塔筒用鋼市場需求量很大，未來發展前景廣闊。

風電塔筒用鋼板一般要求具有良好的低溫韌性、易焊接性及Z向抗撕裂性能；鋼板一般要求厚度50-150mm，為減少焊縫，長度一般都在15m以上，鋼板單重一般都在20t以上。國內由于普通連鑄坯料受軋機寬度的限制，一般都難以滿足風電塔筒用鋼的單重要求，因此多采用模鑄鋼錠來生產，但存在成材率低、生產效率低，能耗偏高等缺點。

發明內容
本發明克服了上述問題，提供一種利用現有連鑄板坯生產離岸風電塔筒用大單重厚鋼板的生產技術，可實現最大單重40t厚鋼板的生產。本發明通過以下技術方案實現一種離岸風電塔筒用大單重厚鋼板制造工藝方法，其特征是，(I)以兩塊以上(包括兩塊)的四周相同尺寸(即長度、寬度相等，厚度可以不同)的連鑄板坯為原料，所用連鑄板坯包含如下化學成分(質量百分比，wt%) C 0. 08 0. 16%，Si 0. 20 0. 50%, Mn :1. 10 I. 60%, S、P 彡 0. 010%,微合金化元素(Nb+V+Ti + Ni)(0. 50% ；(2)對所有連鑄板坯的三條邊通過火焰切割或刨、銑等形式加工坡口，坡口深度
10-40mm，坡口角度15-35° ;將連鑄板坯疊放在一起，旋轉90°豎直放置，并組齊對正，然后采用氣體保護焊的焊接方式，對連鑄板坯有坡口的三個面上的邊縫進行打底焊接，再采用埋弧自動焊進行填充及蓋面焊接，最后將剩余面上的邊縫在高真空下進行真空電子束進行焊接，組焊成大厚度坯料；或者不開坡口，將連鑄板坯疊放在一起，旋轉90°豎直放置，并組齊對正，然后全部采用真空電子束焊接的方式將4個面焊接成大厚度坯料；(3)對焊接好的大厚度坯料采用車底式爐或均熱爐進行加熱，出爐溫度控制在1160 1280。。；(4)出爐后軋制，第一階段開軋溫度1000 1150°C，第二階段開軋溫度820 920°C，中間坯厚度不小于成品厚度的I. 4倍；(5)對軋后鋼板進行弱水冷卻，冷卻速度<5°C /S，表面返紅溫度620 780°C ；(6)對鋼板進行正火熱處理，熱處理溫度880 930°C，保溫系數I. 2 2. Omin/mmD所述步驟(2)氣體保護焊，其焊絲直徑I. 2-2. Omm,焊接電壓20-35V，焊接電流120-400A,焊接速度250-600mm/min，焊絲干伸長度15_25mm，保護氣體CO2或Ar+C02，保護氣體流量15-25L/min，熔深5_20mm。所述步驟(2)埋弧自動焊，其焊絲直徑4. 0-6. 0mm，焊接電壓30-45V，焊接電流250-1600A，焊接速度 250-600mm/min，焊絲干伸長度 25_45mm，熔深 10_30mm。所述步驟(2)真空電子束焊接，其焊接電壓30-150KV，真空度高于IX KT1Pa,焊接電流 100-500mA，焊接速度 50-700mm/min，熔深 20_50mm。所述步驟(2)連鑄板坯，其焊接前通過銑床、刨床等機加工方法，去除待復合表面的氧化鐵皮、油污等，實現表面潔凈。 所述步驟(I)的連鑄板坯為經轉爐煉鋼、爐外精煉、連鑄工序的連鑄板坯，所述爐外精煉工序中要進行真空脫氣處理，要求真空度0. 8Torr下保持10分鐘以上。本發明利用經轉爐煉鋼、爐外精煉的連鑄板坯，采取多元微合金化成分設計的路線，其化學成分如上所述，其化學成分設計原則如下C、Mn為主要強化元素，為保證其易焊接性，控制較低的C含量和Mn含量，同時保證正火后性能指標滿足標準要求；S、P元素含量盡量降低，以減少鋼中夾雜物等對鋼板內部質量的影響；Nb、V、Ti等微合金元素在加熱過程中抑制奧氏體的形變再結晶并阻止其晶粒長大，并通過它們的碳氮化合物的應變誘導析出，對鋼進行沉淀強化，添加少量的Ni合金用于提高厚規格鋼板的低溫韌性，使之充分滿足使用要求。該產品在煉鋼過程中采用爐外精煉真空脫氣處理真空度要求0. STorr保持10分鐘以上，其主要目的一是為了充分脫氣，盡可能降低鋼中氫等氣體的含量，減少氫致裂紋等對鋼板內部質量的影響；二是為了使鋼水中的夾雜物盡可能上浮，減少鋼中夾雜物的含量。本發明充分利用焊接形成的大厚度坯料增加軋制成品鋼板的壓縮比，由于焊接后坯料為高的真空狀態，在后續熱加工變形過程中，非常容易焊合在一起，形成一個整體，與基體保持一致。本發明對焊接好的大厚度坯料采用車底式爐或均熱爐進行加熱，適當增加高溫段保溫系數，確保鋼坯燒透、加熱均勻。本發明軋制過程中采用二階段軋制法，在第一階段軋制，進行高溫低速大壓下軋制，通過反復再結晶過程細化晶粒；二階段控制軋制，增加相變形核點細化晶粒，中間坯I. 4倍成品厚度是為了保證二階段軋制過程的累積變形量。本發明對軋后鋼板進行弱水冷卻。車L后水冷是為了更快冷卻到相變點，防止晶粒過分長大，低冷卻速度是為了減少鋼板厚度方向上的組織性能差異。本發明對鋼板進行正火熱處理。通過正火熱處理使鋼板組織均勻，增加鋼板的塑韌性及鋼板厚度方向組織性能均勻性。本發明的有益效果是所生產的大單重風電塔筒用鋼板具備良好的綜合力學性能，探傷合格率達到98%以上，低溫_50°C沖擊吸收功平均在165J以上，Z向拉伸斷面收縮率達到60%以上，坯材收得率85%以上。生產工藝可操作性強，成本低，生產效率高，適用于20t以上風電用塔筒鋼板的生產制造。尤其是氣體保護焊、埋弧焊和真空電子束焊的組焊方式，具有以下優勢
I、本發明對連鑄板坯組的三條邊縫首先采用氣體保護焊進行打底焊接，在不對接合面產生污染的前提下自動高效地完成基礎焊接并為下一步埋弧焊做好準備；然后對這三條邊縫再采用埋弧自動焊的方式快速地完成焊縫的填充焊接，最后將剩余一條邊縫在真空環境下應用真空電子束焊工藝，完成坯料的最終焊接；因此相對四邊真空電子束焊工藝大幅度提聞了焊接效率。2、本發明采用固定順序進行先后焊接的工藝，不是氣體保護焊、埋弧焊和真空電子束焊的簡單結合，而是嚴格按照大厚度板坯制備的內在質量要求，在充分考慮了這些焊接方式的突出優勢，并將其優化組合的結果。因為氣體保護焊不會污染板坯組結合面同時可以實現自動化提高焊接效率，埋弧自動焊是比氣體保護焊更加高效的一種焊接方式，而氣體保護焊和埋弧焊操作均在正常環境下進行，不像真空焊接時需要反復進出真空室，從而不必反復抽真空操作，因此大幅減少了真空作業時間，這種組合焊接順序和方式可以在 保證焊接要求(特別是對接合面的潔凈度要求)的前提下大幅度提高焊接效率，降低了生產成本。3、本發明由于板坯組是豎直方向放置，因此可以保證坯料之間保持Imm左右的間隙，而不會形成局部的封閉區域。真空電子束焊確保了最終的焊接在高真空中完成，避免了接合面處存在空氣影響軋后質量的可能性，相比較現有真空焊接工藝而言，只需要一次性抽真空和焊接操作，同時由于板坯組為豎直放置焊接，避免了水平焊接時復雜的機械機構和升降操作，大幅度提聞了焊接效率。4、本發明進一步實驗證明，本發明的大厚度板坯制造工藝可以完全替代全真空環境下的制造工藝，所生產的大厚度板坯及特厚鋼板內部質量優良，性能優異，完全達到全真空復合軋制工藝的水平；且與全真空復合軋制工藝相比，本發明操作簡單、投資少，成本降低80%以上，生產效率大幅提高一倍以上，生產組織形式靈活，適用于大批量工業化生產大厚度板坯，尤其是適用于厚度> 800mm (全真空電子束焊接無法批量生產)的板坯生產。


圖I為實施例I生產的鋼板原始鑄坯疊合面金相組織圖。
具體實施例方式以下結合具體的實施例，對此種離岸風電塔筒用大單重厚鋼板制造工藝作詳細描述。實施例I :生產95*2500*18800mm規格S355G8+N離岸風電塔筒制造用鋼板，單重35t I)高純凈度鋼水冶煉，鋼液經轉爐冶煉后進行LF+RH雙精煉，LF精煉充分去除夾雜、脫硫，RH真空處理保持真空度0. 8Torrl2分鐘，進一步除去夾雜和氣體，精煉后鋼液中的氣體
IOppm, [H] I. 5ppm。2)鋼水連鑄過程采用全程保護澆注，并使用電磁攪拌，恒速澆注等手段，鑄坯低倍分析結果中心偏析C類I. 0，無中間裂紋、疏松等缺陷。生產出兩支300*2100*4100mm的連鑄坯，熔煉成分分析結果如下表表I實施例I連鑄坯化學成分
化學成分 C ~SiMn ~P I-SNbTiNi
含量 wt% o7T2 025 L 34 0.008 0.004 0 04 0.035 0 02 0.273)將生產好的兩支300mm厚連鑄板坯三條邊利用火焰切割方法加工坡口，坡口深度25mm，坡口角度25°。4)將完成加工坡口的坯料通過銑床加工，去除表面的氧化鐵皮、油污等，實現表面 潔凈。5)將加工好的坯料疊放在一起后，旋轉90°豎直放置，并組齊對正。6)采用氣體保護焊的焊接方式，對已加工好坡口的三條邊縫進行打底焊接，焊絲直徑2. Omm,焊接電壓20V,焊接電流200A,焊接速度300mm/min,焊絲干伸長度25mm,保護氣體CO2,保護氣體流量20L/min,熔深15mm。7)將經氣體保護焊打底焊接后的三條邊縫，再采用埋弧自動焊進行填充及蓋面焊接，焊絲直徑5. Omm,焊接電壓30V,焊接電流400A,焊接速度350mm/min,焊絲干伸長度30mm,溶深 20mm。8)將剩余邊縫在高真空度下采用真空電子束焊接，最終形成600mm大厚度坯料。焊接電壓100KV，真空度I. 5 X l(T2Pa，焊接電流300mA，焊接速度150mm/min，熔深35_。9)對焊接好的600mm大厚度坯料采用車底式爐加熱，出爐溫度1210°C。10)軋制過程中采用二階段軋制法，第一階段開軋溫度1120°C，第二階段開軋溫度880 °C，中間坯厚度300mm;11)軋后鋼板采用弱水冷卻，冷卻速度3°C /S，表面返紅溫度680°C。12)對鋼板進行正火熱處理，熱處理溫度890°C，保溫系數I. 3min/mm。利用該工藝生產的鋼板原始鑄坯疊合面與基體組織完全一致，得到了很好的熔合,如圖I所示。實施例2 :生產95*2500*18800mm規格S355G8+N離岸風電塔筒制造用鋼板，單重35t I)高純凈度鋼水冶煉，鋼液經轉爐冶煉后進行LF+RH雙精煉，LF精煉充分去除夾雜、脫硫，RH真空處理保持真空度0. 8Torrl5分鐘，進一步除去夾雜和氣體，精煉后鋼液中的氣體
8ppm, [H]1.2ppm。2)鋼水連鑄過程采用全程保護澆注，并使用電磁攪拌，恒速澆注等手段，鑄坯低倍分析結果中心偏析C類I. 0，無中間裂紋、疏松等缺陷。生產出兩支300*2100*4100mm的連鑄坯，熔煉成分分析結果如下表表2實施例2連鑄坯化學成分
化學成分 C ~SiMn ~P I-SNb I-VTiNi
含量 wt% 07T3 027 L 32 0.008 0.004 0.035 003 0 03 0.28
3)將這兩支連鑄板坯通過銑床加工，去除表面的氧化鐵皮、油污等，實現表面潔凈。4)將生產好的兩支300mm厚連鑄板坯疊放在一起后，旋轉90°豎直放置，并組齊對正；然后全部采用真空電子束焊接的方式對4條邊進行焊接，形成600mm大厚度坯料。焊接電壓100KV，真空度1.5\10邛&，焊接電流3001^，焊接速度150mm/min。5)對焊接好的600mm大厚度坯料采用車底式爐加熱，出爐溫度1210°C。6)軋制過程中采用二階段軋制法，第一階段開軋溫度1100°C，第二階段開軋溫度890 °C，中間坯厚度300mm;7)軋后鋼板采用弱水冷卻，冷卻速度3°C /S，表面返紅溫度680°C。8)對鋼板進行正火熱處理，熱處理溫度890°C，保溫系數I. 3min/mm。對實施例I和實施例2的鋼板按標準進行拉伸、沖擊、Z向、探傷等實驗檢測，各項性能檢測指標優異，如下表3所示。實施例I的氣體保護焊、埋弧焊和真空電子束焊接的組焊方式(簡稱組焊方式)和實施例2的全真空電子束焊接的抽真空次數、生產周期及電耗指標如表4所示，從表4可以看出組焊方式比全真空電子束焊接方式生產效率大幅提高，且f倉泛。表3實施例I和實施例2制備的風電塔筒用鋼板的性能指標
權利要求
1.一種離岸風電塔筒用大單重厚鋼板制造工藝方法，其特征是， (1)以兩塊以上的四周相同尺寸的連鑄板坯為原料，所用連鑄板坯包含如下化學成分C 0. 08 O. 16%wt%, Si 0. 20 O. 50wt%, Mn :1. 10 I. 60wt%, S、P 彡 O. 010wt%，微合金化元素彡O. 50wt% ;所述微合金化元素為Nb+V+Ti + Ni ； (2)對所有連鑄板坯的三條邊加工坡口，坡口深度10-40mm，坡口角度15-35°;將連鑄板坯疊放在一起，旋轉90°豎直放置，并組齊對正，然后采用氣體保護焊的焊接方式，對連鑄板坯有坡口的三個面上的邊縫進行打底焊接，再采用埋弧自動焊進行填充及蓋面焊接，最后將剩余面上的邊縫在高真空下進行真空電子束進行焊接，組焊成大厚度坯料；或者不開坡口，將連鑄板坯疊放在一起，旋轉90°豎直放置，并組齊對正，然后全部采用真空電子束焊接的方式將4個面焊接成大厚度坯料； (3)對焊接好的大厚度坯料采用車底式爐或均熱爐進行加熱，出爐溫度控制在1160 1280 0C ； (4)出爐后軋制，第一階段開軋溫度1000 1150°C，第二階段開軋溫度820 920°C，中間坯厚度不小于成品厚度的I. 4倍； (5)對軋后鋼板進行弱水冷卻，冷卻速度<5°C/S，表面返紅溫度620 780°C ； (6)對鋼板進行正火熱處理，熱處理溫度880 930°C，保溫系數I.2 2. Omin/mm。
2.如權利要求I所述的一種離岸風電塔筒用大單重厚鋼板制造工藝方法，其特征是，所述步驟(I)的連鑄板坯為經轉爐煉鋼、爐外精煉、連鑄工序的連鑄板坯，所述爐外精煉工序中要進行真空脫氣處理，要求真空度O. 8Torr下保持10分鐘以上。
3.如權利要求I所述的一種離岸風電塔筒用大單重厚鋼板制造工藝方法，其特征是，所述步驟(2)真空電子束焊接，其焊接電壓30-150KV，真空度高于ΙΧΙΟ-lPa，焊接電流100-500mA，焊接速度 50-700mm/min，熔深 20_50mm。
4.如權利要求1-3中任意一項所述的一種離岸風電塔筒用大單重厚鋼板制造工藝方法，其特征是，所述步驟(2)為對所有連鑄板坯的三條邊加工坡口，坡口深度10-40mm，坡口角度15-35°，采用氣體保護焊的焊接方式，對連鑄板坯有坡口的三個面上的邊縫進行打底焊接，再采用埋弧自動焊進行填充及蓋面焊接，最后將剩余面上的邊縫在高真空下進行真空電子束進行焊接，組焊成大厚度坯料。
5.如權利要求4所述的一種離岸風電塔筒用大單重厚鋼板制造工藝方法，其特征是，所述氣體保護焊，其焊絲直徑I. 2-2. 0mm，焊接電壓20-35V，焊接電流120-400A，焊接速度250-600mm/min,焊絲干伸長度15_25mm，保護氣體CO2或Ar+C02，保護氣體流量15-25L/min,溶深 5_20mm。
6.如權利要求4所述的一種離岸風電塔筒用大單重厚鋼板制造工藝方法，其特征是，所述埋弧自動焊，其焊絲直徑4. 0-6. Omm,焊接電壓30-45V，焊接電流250-1600A，焊接速度250-600mm/min,焊絲干伸長度 25_45mm,溶深 10_30mm。
全文摘要
本發明公開了一種離岸風電塔筒用大單重鋼板制造工藝方法。它所采用的連鑄板坯的化學成分為C0.08～0.16％，Si0.20～0.50％，Mn1.10～1.60％，S、P≤0.010％，微合金化元素≤0.50％；將兩支或以上上述連鑄板坯加工坡口后疊放在一起，通過氣體保護焊、埋弧焊和真空電子束焊組合焊接成大厚度連鑄坯料；然后裝車底式爐或均熱爐加熱，出爐后經厚板軋機軋制，并經控制冷卻和熱處理后，生產出離岸風電塔筒用大單重厚鋼板。該離岸風電塔筒用鋼板最大單重40t，可滿足塔筒制作過程中減少焊縫的要求，生產工藝簡單、成材率高，超聲波探傷合格率達到98％以上，低溫韌性，Z向性能等各項指標優異。
文檔編號C21D8/02GK102764962SQ20121026447
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月27日 優先權日2012年7月27日
發明者劉曉東, 孫衛華, 崔健, 畢志超, 趙乾, 馬興云 申請人:濟鋼集團有限公司