本發(fā)明屬于低合金高強度鋼，具體涉及一種極地抗寒風電塔筒用高強耐腐蝕鋼及其制造方法。

背景技術：

1、作為一種可再生的清潔能源，風能在全球范圍內得到了快速發(fā)展。2022年全球風電新增吊裝容量達到77.6gw，其中陸上風電裝機68.8gw，海上風電裝機8.8gw，累計風電裝機容量為923gw。

2、目前南極有83個科考站，其中53個常年有人居住，其中使用的電能80-90％仍然來自于燃油發(fā)電，燃油發(fā)電對極地環(huán)境的污染已不可忽視。國際相關組織多次建議世界各國把南極的燃油發(fā)電轉換成清潔能源發(fā)電，但由于極地環(huán)境惡劣，多年來難以實現(xiàn)。目前，世界各國在南極的清潔能源利用都在應用試驗，其中，比利時伊利沙白公主站建設的100千瓦風光儲能開始得到應用。在極地，工地施工、導航、交通運輸，都離不開能源，需要繼續(xù)建設大容量清潔能源機組。

3、南北極夜期長達179天，1～3月平均氣溫約為-40℃～-20℃，北極點附近年平均積雪時間超過360天，北極風電場冬季可能出現(xiàn)-65℃～-70℃的極端低溫，對風電支撐材料提出了嚴格的要求。

4、中國專利cn106435369a公開了“一種含cr的低溫韌性優(yōu)異的正火態(tài)耐蝕風電鋼及生產方法”，鋼組分及重量百分比含量為c：0.04～0.09％，si：0.33～0.40％，mn：1.41～1.61％，p≤0.015％，s≤0.008％，als：0.030～0.040％，nb：0.038～0.051％，cr：0.40～0.8％，其余為fe及不可避免的雜質；并滿足公式：cr/(10*c)：0.87～1.00；(cr+mn)/(als+nb)：19.23～20.37。該專利采用低碳、中錳、高鈮的成分體系，但由于采用正火工藝，其屈服強度只有360mpa，強度等級較低，不能很好滿足大容量風電鋼發(fā)展需求。

5、中國專利cn108330393a公開了“一種風電鋼及其制備方法”，鋼組分及重量百分比含量為c：0.05～0.10％；si：0.22～0.42％；mn：1.26～1.42％；p≤0.015％；s≤0.008％；als：0.015～0.028％；v：0.10～0.15％；cr：0.80～1.35％；mo：0.10～0.20％；ce：0.08～0.15％；其中，16.7％≤(cr+mn)/mo≤22.2％；2.56％≤5c+8v+mn≤2.87％。該專利采用低碳中錳、cr、mo合金化的成分體系，配合熱軋+正火的制備方法，獲得了420mpa級別風電鋼。但鋼級同樣較低，不能滿足高強度風電鋼要求。

6、中國專利cn115354240a公開了“一種經(jīng)濟型耐海水沖蝕鋼板及其制造方法”，鋼組分及重量百分比含量為c：0.04-0.10％、si：0.10-0.20％、mn：1.20-1.40％、nb：0.010-0.025％、als：0.015-0.035％、cr：0.10-0.30％、p＜0.010％、s＜0.003％，cev≤0.38％，其余為fe和不可避免的雜質。通過降低碳含量、合理調整各元素之間的相對含量，結合鋼材內部潔凈度控制、后續(xù)控制軋制、控制冷卻來實現(xiàn)均勻組織，獲得的鋼板具有優(yōu)良的強韌性，耐海水沖刷腐蝕性、耐磨性。但該發(fā)明合金元素添加有限，且碳當量較低，不能滿足極地大厚度風電鋼需求。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種極地抗寒風電塔筒用高強耐腐蝕鋼及其制造方法，該鋼種不僅具有高的強度，優(yōu)異的低溫沖擊韌性，還具有良好的抗寒性能，同時，鋼板具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，可免涂裝使用，保護極地環(huán)境；其屈服強度≥500mpa，抗拉強度為610～770mpa，延伸率≥17％，-60℃下的沖擊功≥100j，td(tkb)≤-30℃，ndtt≤-65℃，-30℃下的ctod≥1.0mm，-30℃下的焊接ctod≥0.38mm，在極地大氣環(huán)境下的腐蝕速率≤0.80g/(m2*h)；特別適用于極地風電樁基及塔筒建造，滿足極地清潔風電能源需求。

2、為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是：

3、一種極地抗寒風電塔筒用高強耐腐蝕鋼，其化學成分重量百分比為：c：0.08～0.14％，si：0.80～1.40％，mn：0.4～0.8％，p≤0.010％，s≤0.0020％，cr：0.60～1.00％，ni：0.5～1.0％，mo：0.05～0.40％，cu：0.3～0.6％，al：0.01～0.06％，ti：0.006～0.015％，mg：0.0005～0.0030％，余量包括fe及其它不可避免的雜質；且需要同時滿足：

4、5.8≤α≤8.8，α＝26.01cu+3.88ni+1.20cr+1.49si+17.28p-7.29cu*ni-9.10ni*p-33.39cu*cu；

5、50≤β≤72，

6、進一步，余量為fe和其它不可避免雜質。

7、本發(fā)明所述高強耐腐蝕鋼的微觀組織為鐵素體+回火貝氏體，其中鐵素體體積占比10～25％，回火貝氏體體積占比75～90％。

8、本發(fā)明所述高強耐腐蝕鋼的屈服強度≥500mpa，抗拉強度為610～770mpa，延伸率≥17％，-60℃下的沖擊功≥100j，td(tkb)≤-30℃，ndtt≤-65℃，-30℃下的ctod≥1.2mm，-30℃下的焊接ctod≥0.50mm，在極地大氣環(huán)境下的腐蝕速率≤0.80g/(m2*h)。

9、在本發(fā)明所述極地抗寒風電塔筒用高強耐腐蝕鋼的化學成分設計中：

10、c：本發(fā)明采用中碳設計，一方面，利用碳的間隙強化和析出強化作用，保證發(fā)明鋼板具有適宜的強度；另一方面，防止過多的碳降低鋼板的低溫韌性和焊接性能。因此，本發(fā)明中c含量控制在0.08～0.14％。

11、si：是煉鋼中常見的弱脫氧元素，利用固溶強化可提升鋼板的強度，同時可提升鋼板的耐腐蝕性能，但過量的硅加劇鋼板表面脫碳，降低鋼的韌性，因此，本發(fā)明中將si含量控制在0.80～1.40％。

12、mn：是低合金高強鋼種最基本的合金元素，通過固溶強化提高鋼的強度。但mn含量過高易在鋼板中心位置產生偏析，降低低溫韌性。因此，本發(fā)明中將mn含量在0.4～0.8％。

13、p磷：鋼中不可避免的有害雜質元素，磷在鋼中分布不均勻，集中在晶界處，影響晶界結構，在低溫下易于發(fā)生冷脆。因此，本發(fā)明控制p≤0.010％。

14、s硫：鋼中不可避免的有害雜質元素，易形成偏析、夾雜等缺陷，惡化鋼板的焊接性能、沖擊韌性和疲勞性能。因此，本發(fā)明控制s≤0.0020％，且須通過夾雜物改性技術，使夾雜物形態(tài)球化、尺寸細化且分布均勻，減少其對韌性和耐腐蝕性的影響。

15、cr：能提高鋼的耐腐蝕性能，但cr是貴重金屬元素，考慮到成本，因此，本發(fā)明中將cr含量控制在0.60～1.00％。

16、ni：可提高鋼材低溫韌性，同時對改善鋼材在極地環(huán)境下的耐腐蝕性也有較大作用，抑制腐蝕的逆效應及點蝕傾向。但ni含量太高時，板坯表面易生成黏性較高的氧化鐵皮，難以去除，影響鋼板的表面質量和疲勞性能，且成本較高。因此，本發(fā)明控制ni含量在0.5～1.0％。

17、mo：提高鋼淬透性的重要元素，提升厚度方向性能均勻性和耐腐蝕性，但過多的mo會增加鋼板的冷裂傾向性，也同時增加成本。因此，本發(fā)明中將mo含量控制在0.05～0.40％。

18、銅cu：適當提高鋼的淬透性，可以提高鋼的抗大氣腐蝕能力。但是過高的cu會惡化鋼的焊接性能，因此，本發(fā)明將cu含量控制在0.30～0.60％。

19、al：是為了脫氧而加入鋼中的元素，脫氧完全后，降低材料中的氧含量，改善時效性能；此外，適量的al有利于細化晶粒，改善鋼材的強韌性能。因此，本發(fā)明中將a1含量控制在0.01～0.06％以滿足脫氧需求。

20、ti：是強的固n元素，抑制n含量過高對鋼材性能的不利影響。同時，形成tin析出相可抑制板坯和鋼板在加熱過程中晶粒的過分長大。因此，本發(fā)明中將ti含量控制在0.006～0.015％。

21、mg：可改善硫化物形態(tài)，細化夾雜物，提升鋼板耐腐蝕性能，mg含量過低起不到夾雜物變性的作用，太高容易形成過多mgo、mgs，堵塞水口。因此，本發(fā)明將mg含量控制在0.0005～0.0030％。

22、進一步地，在本發(fā)明所述的高強耐腐蝕鋼中，各化學元素的質量百分含量還滿足下述各項要求：5.8≤α≤8.8，50≤β≤72，其中：

23、α＝26.01cu+3.88ni+1.20cr+1.49si+17.28p-7.29cu*ni-9.10ni*p-33.39cu*cu；

24、

25、式中的各化學元素均代入該化學元素的質量百分含量的百分號前面的數(shù)值。

26、cu、ni、cr、si、p等耐腐蝕元素可在銹層富集，提高銹層的穩(wěn)定性和致密性。α值的設定綜合cu、ni、cr、si、p的耐腐蝕性，保證鋼板的綜合耐腐蝕性。但過高的α值增加合金成本，降低鋼板的焊接性能。因此，本發(fā)明α值控制在5.8～8.8。

27、β值對si、mo、cu等進行限定，一方面提高鋼板的淬透性，另一方面提高鋼板電極電位從而提高耐腐蝕性。但過多的合金添加，降低鋼板焊接性能。因此，本發(fā)明β值控制在50～72。

28、進一步地，在本發(fā)明所述的高強耐腐蝕鋼中，其微觀組織為鐵素體+回火貝氏體，且鐵素體比例10～25％，回火貝氏體比例75～90％，從而保證鋼材具有良好的強韌性匹配。

29、進一步地，在本發(fā)明所述的高強耐腐蝕鋼中，其屈服強度≥500mpa，抗拉強度為610～770mpa，延伸率≥17％，-60℃下的沖擊功≥100j，td(tkb)≤-30℃，ndtt≤-65℃，-30℃下的ctod≥1.2mm，-30℃下的焊接ctod≥0.50mm，在極地大氣環(huán)境下的腐蝕速率≤0.80g/(m2*h)。

30、本發(fā)明所述極地抗寒風電塔筒用高強耐腐蝕鋼的制造方法，包括如下步驟：

31、1)冶煉、連鑄

32、按上述成分冶煉，連鑄拉速0.5～1.0m/min，動態(tài)輕壓下固相率0.35～0.70，壓下量為6～10mm；

33、2)再加熱

34、板坯加熱溫度為th±15℃，單位℃；

35、3)控制軋制

36、開軋溫度tsr＝0.95th±15℃；終軋溫度為tfr±15℃，單位℃，軋制后，鋼板冷卻至600℃以下，入保溫坑堆冷；

37、4)熱處理

38、淬火，淬火溫度為tq±15℃，單位℃；在爐時間為1.6t±15min，t為鋼板厚度，單位mm，加熱后以大于10℃/s的速度冷卻至室溫；

39、回火，回火溫度為tt±15℃，單位℃；在爐時間為1.6t±15min，t為鋼板厚度，單位mm，加熱后空冷至室溫。

40、進一步，步驟1)中，依次進行鐵水預處理、轉爐冶煉、lf精煉、rh精煉、夾雜物有益化處理和連鑄，其中在夾雜物有益化處理階段，形成以mgo+al2o3為核心，包覆(ca，mn)s的復合夾雜物，該復合夾雜物的尺寸為0.2～2.5um，該尺寸范圍的復合夾雜物的數(shù)量占夾雜物總數(shù)量的95％以上。

41、更進一步，步驟1)中，在鐵水預處理脫硫階段，保證鐵水硫≤0.0035％；在lf精煉階段，控制渣中feo+mno≤1％，控制渣中堿度r>9，r＝(cao+mgo+mno)/(sio2+p2o5)，式中的各物質均代入其質量百分含量；在rh精煉階段進行真空處理，真空處理時間≥22min；在夾雜物有益化處理階段，以包芯線形式加入mg線，喂絲速度為200～300m/min。

42、優(yōu)選的，步驟3)中，單道次的壓下量為8～12％，累計壓下量≥60％。

43、在本發(fā)明所述的制造方法中：

44、對于來料鐵水，依次進行預處理脫硫、轉爐冶煉及合金化、lf精煉及合金化、rh精煉、夾雜物有益化處理、連鑄。

45、其中，在鐵水預處理脫硫階段，保證鐵水硫≤0.0035％；設定上述工藝的目的是保證鋼種具有低的硫含量，提升鋼板的低溫韌性。

46、在轉爐冶煉階段保證cr、ni、cu、mo合金元素滿足成分要求，轉爐合金化完成后，擋渣出鋼；采用擋渣出鋼，鋼包內渣層厚度控制在50mm以下，可避免回磷和提高合金的收得率，降低氧化物夾雜。

47、在lf爐冶煉階段，造白渣，渣中堿度r>9，

48、r＝(cao+mgo+mno)/(sio2+p2o5)。

49、上述高堿度、低熔點、低氧化鐵的精煉渣工藝設定能有效脫硫，吸收夾雜物，降低鋼中全氧。

50、進行脫硫，并控制鋼液中s含量小于0.0012％；rh進行真空處理，真空處理時間≥22min。上述工藝設定可有效去除鋼液中大型夾雜物，提升鋼板沖擊韌性。

51、破真空后，進行夾雜物有益化處理，以包芯線形式加入mg線，喂絲速度200-300m/min。在夾雜物有益化處理階段，形成以mgo+al2o3為核心，包覆(ca，mn)s的復合夾雜物，該復合夾雜物的尺寸為0.2～2.5um，該尺寸范圍的復合夾雜物的數(shù)量占夾雜物總數(shù)量的95％以上。上述工藝設定可對夾雜物進行有效變性及細化處理，提升鋼板低溫韌性。

52、連鑄拉速0.5-1.0m/min；動態(tài)輕壓下固相率0.35～0.70，壓下量為6-10mm，可形成心部致密的鑄坯組織，提升鋼板的抗寒服役能力。

53、控制板坯加熱溫度為th±15℃，單位℃，設定上述的板坯再加熱溫度，是為了保證tin的充分固溶，并促進偏析元素的均勻化，減輕鋼中宏觀與微觀偏析，減輕由于不同相及成分間電位差不同而形成腐蝕原電池，降低鋼板耐腐蝕性。

54、軋制過程中，控制開軋溫度tsr＝0.95th±15℃，單位℃；主要是為了確保鋼板在再結晶區(qū)較高溫度下軋制，以充分再結晶，形成均勻等軸的奧氏體晶粒。

55、終軋溫度為tfr±15℃，單位℃，上式各化學元素均代入該化學元素的質量百分含量的百分號前面的數(shù)值。可以保證鋼板在非靜態(tài)再結晶溫度以上軋制，防止發(fā)生混晶，晶粒不均勻；其次保證軋制過程中有足夠的溫降空間。

56、進一步，軋制過程中，軋制單道次的壓下量為8～12％，累計壓下量≥60％。單道次的壓下量為8～12％主要是為了保證鋼板在每一道次有足夠的再結晶驅動力，同時又具有足夠多的軋制道次使鋼板晶粒均勻化，以滿足軋制后原奧氏體晶粒尺寸保持在20～25um之間。相應地，控制累計壓下量≥60％，主要是為了使鋼板心部發(fā)生足夠再結晶，充分均勻化，保證心部強韌性能及斷裂止裂性能。軋制后，鋼板冷至600℃以下，入保溫坑堆冷。

57、熱處理過程中，控制淬火溫度為tq±15℃，單位℃；在爐時間為1.6t±15min，t為鋼板厚度，單位mm，加熱后以大于10℃/s的速度冷卻至室溫。淬火溫度的設定，首先是為了保證鋼板發(fā)生75～90％的奧氏體化轉變，10～25％仍保證鐵素體未溶解狀態(tài)。隨后可以進行水淬，這是為了獲得較高的冷速，轉變奧氏體形成馬氏體組織，奧氏體晶粒尺寸保持在15～25um之間。

58、控制回火溫度為tt±15℃，單位℃；在爐時間為1.6t±15min，t為鋼板厚度，單位mm，加熱后空冷至室溫。回火溫度的設定，首先是為了保證鋼板具有良好的力學性能和斷裂止裂性能，其次是為了回火消除鋼板內淬火應力，防止鋼板內部各處受力不同而引起腐蝕，最后，回火后鋼板能夠獲得鐵素體+回火馬氏體組織，軟相與硬相結合，具有優(yōu)異的低溫韌性。回火溫度過高，鋼中將形成過多鐵素體組織，降低鋼板的強度和沖擊性能；而當回火溫度過低時，則鋼板強度過高，且沖擊韌性較低。

59、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

60、現(xiàn)有風電用鋼多采用低碳中錳的合金設計，不僅鋼板強度及韌性級別較低，而且耐腐蝕性能不能滿足極低高強度風電用鋼要求。

61、本發(fā)明在成分設計上，采用中碳低錳、低p低s、鉻鎳鉬銅合金化、鋁鈦鎂微合金處理的成分設計，同時控制各化學元素的質量百分含量還滿足下述各項要求：5.8≤α≤8.8，50≤β≤72，鋼種不僅具有高的強度，優(yōu)異的低溫沖擊韌性和焊接性能，同時，鋼板還具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，可免涂裝使用。其屈服強度≥500mpa，抗拉強度為610～770mpa，延伸率≥17％，-60℃下的沖擊功≥100j，td(tkb)≤-30℃，ndtt≤-65℃，-30℃下的ctod≥1.2mm，-30℃下的焊接ctod≥0.50mm，在極地大氣環(huán)境下的腐蝕速率≤0.80g/(m2*h)。

62、本發(fā)明在成分設計的基礎上，采用低硫冶煉工藝及夾雜物有益化鋼液處理技術、低偏析及高致密度板坯制造技術、鋼板大壓下軋制技術、高組織均勻性熱處理工藝技術設計，使鋼板在具有高強度的同時，具有良好的抗寒冷性能和耐腐蝕性能。而現(xiàn)有極低風電用鋼冶煉過程中硫含量較高，且夾雜物未進行有益處理，鋼板厚度方向微觀組織均勻性低，導致鋼板韌性等級較低；且軋制及冷卻生產工藝，未結合成分對工藝參數(shù)進行精準控制，不能滿足高強度的生產需求。