專利名稱：用于百萬千瓦級(jí)大型水輪機(jī)頂蓋的環(huán)板鋼及其制造方法
用于百萬千瓦級(jí)大型水輪機(jī)頂蓋的環(huán)板鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域 本發(fā)明提供了一種用于百萬千瓦級(jí)大型水輪機(jī)頂蓋的環(huán)板鋼，及其制造方法，屬于金屬材料制造領(lǐng)域。
背景技術(shù) 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需求越來越多，能源消耗不斷加劇，由此帶來的環(huán)境問題也越來越凸顯。為了應(yīng)對(duì)能源消耗所帶來的各種環(huán)境問題如大氣污染、水污染等，使得經(jīng)濟(jì)能可持續(xù)地發(fā)展，必須大力發(fā)展清潔的能源，以替代不可再生的能源，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)能源的多元化。發(fā)展清潔能源不僅可以滿足我國(guó)發(fā)展對(duì)能源的需要，還可以改善能源結(jié)構(gòu)、減少環(huán)境污染，具有戰(zhàn)略意義，因而受到許多國(guó)家的重視。水電是一種清潔能源，而且我國(guó)水電資源豐富。目前水力發(fā)電技術(shù)也是應(yīng)用最成熟的、最安全的。因此發(fā)展水電對(duì)解決我國(guó)能源問題有著重要意義。
隨著人們對(duì)水電資源的開發(fā)力度不斷加大，水電站建設(shè)不斷大型化，對(duì)水電用鋼的要求也越來越高。水輪機(jī)頂蓋是水輪機(jī)中重要的部件，在水輪機(jī)中起著支撐和過流作用，需要保證足夠的剛度和強(qiáng)度，才能使得整個(gè)機(jī)組能安全可靠地運(yùn)行。百萬千瓦級(jí)大型水輪機(jī)的頂蓋用鋼往往要求大于IOOmm厚度，除了有較高的強(qiáng)度和韌性外，還要求抗層狀撕裂性能達(dá)到Z35及以上。
對(duì)于大、中型水輪機(jī)機(jī)組，水輪機(jī)頂蓋環(huán)板的傳統(tǒng)制造工藝:生產(chǎn)Z向鋼一切割成環(huán)板，這種工藝不僅生產(chǎn)周期長(zhǎng)，而且板料的利用率低，。
目前，在國(guó)內(nèi)外關(guān)于Z向鋼的生產(chǎn)已經(jīng)形成多項(xiàng)專利。
舞陽鋼鐵有限責(zé)任公司申請(qǐng)的專利CN201010501298.6提出了一種大厚度、Z向性能優(yōu)異的鋼板的生產(chǎn)方法。該專利的大厚度Z向鋼板是采用電爐、連鑄及電渣熔鑄技術(shù)，降低P、s，提純鋼質(zhì)，采用大板坯電渣熔鑄技術(shù)，通過軋制變形以及軋后正火處理，達(dá)到抗層狀撕裂性能及強(qiáng)韌性的良好匹配。此發(fā)明除了電渣重熔外，還要經(jīng)過軋制變形，生產(chǎn)工序繁多，此外此專利生產(chǎn)出來的大厚度Z向鋼的強(qiáng)度較低，無法達(dá)到大型水輪機(jī)頂蓋用鋼的力學(xué)性能要求。
舞陽鋼鐵有限責(zé)任公司申請(qǐng)的專利C`N201210182419.4提出了一種大厚度大單重低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板的生產(chǎn)方法。雖然該發(fā)明的Z向鋼厚度可達(dá)410_，但鋼板的屈服強(qiáng)度較低，生產(chǎn)仍需要經(jīng)過軋制變形。
濟(jì)鋼集團(tuán)有限公司申請(qǐng)的專利CN201210263864.3提出了一種150_300mm厚低合金高強(qiáng)度鋼板制造方法。該發(fā)明是將多塊連鑄坯焊接在一起形成大厚度連鑄坯料，然后通過軋制變形以及熱處理達(dá)到所需要的力學(xué)性能。但這種鋼的強(qiáng)度較低，連鑄坯需要經(jīng)過焊接，工序相對(duì)繁瑣。
綜合以上發(fā)明專利，目前，生產(chǎn)Z向鋼都得經(jīng)過軋制變形、熱處理，Z向鋼的厚度可達(dá)到410mm，但強(qiáng)度較低。傳統(tǒng)水輪機(jī)頂蓋環(huán)板的制造工藝不僅工序多、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，而且板料的利用率低，此外經(jīng)過冷加工后，板料的組織和力學(xué)性能會(huì)變差。因此為了滿足我國(guó)水電建設(shè)的需要，同時(shí)降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率，急需開發(fā)出合金系統(tǒng)簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高、抗層狀撕裂性能優(yōu)異，且厚度大的水輪機(jī)頂蓋環(huán)板用Z向鋼及短流程的生產(chǎn)工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供了一種能夠用于百萬千瓦級(jí)大型水輪機(jī)頂蓋的大厚度抗層狀撕裂鋼板，以及這種環(huán)板的制造方法。通過電渣熔鑄直接鑄造成1/4弧形板坯，然后熱處理達(dá)到所需要的力學(xué)性能，避免了傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝切割板料，造成材料利用率低，生產(chǎn)工序繁瑣等缺點(diǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的百萬千瓦級(jí)大型水輪機(jī)頂蓋用鋼所采用的技術(shù)方案是:一種用于百萬千瓦級(jí)大型水輪機(jī)頂蓋的環(huán)板鋼，其化學(xué)成分重量百分比:C 0.T0.2 ；Si 0.2 0.5 ;Mn 1.(Tl.5 ；P ^ 0.015 ；S ^ 0.01 ；Cr 0.6 1.0 ;Mo0.3 0.6 ；Ni 0.6 1.0 ；Cu 0.2 0.5 ；Nb 0.06 0.1 ；Ti 0.010 0.015 ； B 0.0010^0.0015 ；Al > 0.025 ；0 ^ 0.0030 ；N ^ 0.0035 ;其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)；其特征在于: Ti/B 為 0.8 1.20 ； 所述的百萬千瓦級(jí)大型水輪機(jī)頂蓋用鋼板的厚度大于100_。
一種用于百萬千瓦級(jí)大型水輪機(jī)頂蓋的環(huán)板鋼的生產(chǎn)方法，其步驟如下: I)按權(quán)利要求1的成分進(jìn)行冶煉，盡量降低鋼中的0、N等有害元素，澆鑄之后，脫模空冷至室溫； 2)將鑄錠加熱到900 920°C，保溫一段時(shí)間，然后鍛造成圓棒鍛件； 3)電渣熔鑄前清除鍛件表面的氧化鐵皮，將鍛件作為電渣熔鑄的電極，進(jìn)行電渣重熔冶煉提純，渣料為ANF-6:70%CaF2+30%A1203，采用交流電作為熔鑄電源，結(jié)晶器入水溫度為25°C，通過控制出水溫度來控制冷卻速度，保證出水溫度小于50°C，采用異型結(jié)晶器，熔鑄出1/4弧形板坯；電渣熔鑄完成后脫?？绽渲潦覝?； 4)將弧形板加熱到900-950°C完全奧氏體保溫，保溫不少于1.5h，水冷至室溫；將環(huán)板再次加熱到800-84(TC保溫，保溫不少于1.5h，水冷至室溫；再次將環(huán)板加熱500-600°C進(jìn)行回火，保溫不少于3 5h后，空冷至室溫，達(dá)到水輪機(jī)頂蓋用鋼板的力學(xué)性能要求。
進(jìn)一步的，所述方法采用電渣熔鑄的方法實(shí)現(xiàn)1/4弧形板坯的形狀，采用QLT熱處理工藝達(dá)到所需的力學(xué)性能，避免軋制變形。
進(jìn)一步的，預(yù)先 淬火溫度為950°C，亞溫淬火溫度為800°C，回火溫度為500°C。
碳:碳是鋼中最主要的強(qiáng)化元素，增加碳含量可以顯著提高鋼的強(qiáng)度，但增加碳含量同時(shí)會(huì)對(duì)鋼的塑性、韌性和焊接性能產(chǎn)生不利影響。為了保證鋼既有較高的強(qiáng)度，又具有良好的塑性、韌性以及焊接性能，應(yīng)該降低碳含量。
硅:在鋼中主要起固溶強(qiáng)化的作用，可以提高鋼的強(qiáng)度，但會(huì)使塑性和韌性降低，因此硅的含量不能太高。
錳:在鋼中主要起固溶強(qiáng)化作用，通過增加錳含量可以彌補(bǔ)因碳含量降低所造成的強(qiáng)度損失。為了保證有較高的強(qiáng)度，應(yīng)該適當(dāng)?shù)靥岣咤i元素的含量。
硫:鋼中的有害元素。高溫時(shí)S會(huì)形成(Fe + FeS)共晶而導(dǎo)致鋼的高溫開裂，SP產(chǎn)生熱脆性，降低鋼的延展性和韌性，在鍛造和軋制時(shí)造成裂紋。硫?qū)附有阅芤膊焕?，它不但?dǎo)致焊縫產(chǎn)生熱裂，而且在焊接過程中容易生成S02氣體，使焊縫產(chǎn)生氣孔和疏松，它還降低鋼材的耐腐蝕性。為了保證鋼的性能，硫的含量應(yīng)該盡量低。
磷:磷也是鋼中的有害元素，使鋼的脆性轉(zhuǎn)折溫度急劇升高(冷脆)，使得鋼的低溫韌性降低。同時(shí)當(dāng)P含量大于0.015%時(shí)，磷的偏析會(huì)急劇增加，因此磷元素的含量應(yīng)該盡量低。
鉻:可以強(qiáng)烈抑制過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變，提高鋼的淬透性，有利于獲得比較均勻的組織。鉻也是強(qiáng)碳化物形成元素，可以形成合金碳化物，彌散析出在鐵素體基體上，起到析出強(qiáng)化的作用，提高鋼的強(qiáng)度和硬度。在回火時(shí)，鉻還能提高鋼的回火抗力。
鑰:可以穩(wěn)定奧氏體組織，提高淬透性，有利于獲得均勻的組織；鑰也是強(qiáng)碳化物形成元素，增加鋼的二次硬化能力，提高鋼的回火穩(wěn)定性，同時(shí)抑制鋼的回火脆性。
銅:面心立方e -Cu從a -Fe中析出使鋼材強(qiáng)化，此外Cu還可以提高鋼的抗腐蝕性能。過量的添加Cu，會(huì)形成銅脆、鑄坯表面龜裂、內(nèi)部質(zhì)量問題等；添加的Cu量不足，所起的作用較小，特別是考慮到環(huán)板的厚度較大，在鋼中添加Cu提高環(huán)板心部的強(qiáng)度。
鎳:鎳在鋼中主要以固溶的形式存在。在鋼中添加鎳，可提高鋼的強(qiáng)度而不顯著降低其韌性，提高鋼的低溫韌性，改善鋼的可加工性和可焊性，同時(shí)鎳可以提高鋼的抗腐蝕能力，不僅能耐酸，而且能抗堿和大氣的腐蝕。鎳與銅復(fù)合添加還能降低Cu脆的危害。但過高的鎳會(huì)硬化焊接熱影響區(qū)，對(duì)焊接性不利。
硼:硼能強(qiáng)烈地推遲鐵素體和珠光體的形成，微量硼能使鋼的淬透性顯著提高，保證整個(gè)環(huán)板的組織均勻性。同時(shí)加入微量硼可以彌補(bǔ)因降碳而造成的強(qiáng)度的損失。
鈮、鈦:鈮、鈦是強(qiáng)碳氮化物形成元素，能形成穩(wěn)定的碳氮化物，在奧氏體化時(shí)為奧氏體形核提供位置，阻礙奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，細(xì)化奧氏體晶粒。在鋼中加少量的Ti可以形成尺寸穩(wěn)定的氮化物提高鋼的強(qiáng)度，避免熱影響區(qū)晶粒的快速長(zhǎng)大，改善鋼的焊接性能。加入的Ti含量過多，鋼液在凝固時(shí)會(huì)形成大尺寸TiN，成為裂紋萌生點(diǎn)，降低Z向性能。
本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)方案，使之與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果: 1、本發(fā)明制造出來的大厚度鋼板組織性能優(yōu)異，不僅有強(qiáng)度高，而且韌性和抗層狀撕裂性能好。
2、本發(fā)明制造大厚度鋼板的生產(chǎn)工序流程短，避免了軋制變形，提高了生產(chǎn)效率。
3、本發(fā)明直接成形為環(huán)形的板坯，避免了板材的再次切割，減少了焊接次數(shù)，提高了板材的利用率，降低了生產(chǎn)成本。`



圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的金相顯微組織。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例2的金相顯微組織。
各實(shí)施例的化學(xué)成分如表I所示 表I實(shí)施例化學(xué)成分(wt%)
權(quán)利要求
1.一種用于百萬千瓦級(jí)大型水輪機(jī)頂蓋的環(huán)板鋼，其化學(xué)成分重量百分比:C 0.T0.2 ；Si 0.2 0.5 ;Mn 1.(Tl.5 ；P ^ 0.015 ；S ^ 0.01 ；Cr 0.6 1.0 ;Mo.0.3 0.6 ；Ni 0.6 1.0 ；Cu 0.2 0.5 ；Nb 0.06 0.1 ；Ti 0.010 0.015 ； B 0.0010 0.0015 ；Al > 0.025 ；0 ^ 0.0030 ；N ^ 0.0035 ;其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)；其特征在于: Ti/B 為 0.8 1.20 ； 所述的百萬千瓦級(jí)大型水輪機(jī)頂蓋用鋼板的厚度大于100_。
2.一種用于百萬千瓦級(jí)大型水輪機(jī)頂蓋的環(huán)板鋼的生產(chǎn)方法，其步驟如下: I)按權(quán)利要求1的成分進(jìn)行冶煉，盡量降低鋼中的O、N等有害元素，澆鑄之后，脫?？绽渲潦覝?； 2)將鑄錠加熱到900 920°C，保溫一段時(shí)間，然后鍛造成圓棒鍛件； 3)電渣熔鑄前清除鍛件表面的氧化鐵皮，將鍛件作為電渣熔鑄的電極，進(jìn)行電渣重熔冶煉提純，渣料為ANF-6:70%CaF2+30%A1203，采用交流電作為熔鑄電源，結(jié)晶器入水溫度為25°C，通過控制出水溫度來控制冷卻速度，保證出水溫度小于50°C，采用異型結(jié)晶器，熔鑄出1/4弧形板坯；電渣熔鑄完成后脫模空冷至室溫； 4)將弧形板加熱到900-950°C完全奧氏體保溫，保溫不少于1.5h，水冷至室溫；將環(huán)板再次加熱到800-84(TC保溫，保溫不少于1.5h，水冷至室溫；再次將環(huán)板加熱500-600°C進(jìn)行回火，保溫不少于3 5h后，空冷至室溫，達(dá)到水輪機(jī)頂蓋用鋼板的力學(xué)性能要求。
3.如權(quán)利要求2所述的水輪機(jī)環(huán)板的生產(chǎn)方法，其特征是:所述方法采用電渣熔鑄的方法實(shí)現(xiàn)1/4弧形板坯的形狀，采用QLT熱處理工藝達(dá)到所需的力學(xué)性能，避免軋制變形。
4.如權(quán)利要求2所述的水輪機(jī)環(huán)板的生產(chǎn)方法，其特征在于，預(yù)先淬火溫度為950°C，亞溫淬火溫度為800°C，回火溫度為500°C。
全文摘要
一種百萬千萬瓦級(jí)大型水輪機(jī)頂蓋用環(huán)板鋼，其化學(xué)成分(重量百分比)C0.1~0.2；Si0.2~0.5；Mn1.0~1.5；P≦0.015；S≦0.01；Cr0.6~1.0；Mo0.3~0.6；Ni0.6~1.0；Cu0.2~0.5；Nb0.06~0.1；Ti0.010~0.015；B0.0010~0.0015；Al＞0.025；O≦0.0030；N≦0.0035；其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)。制造方法(1)按上述成分進(jìn)行冶煉，盡量降低鋼中的O、N等有害元素，澆鑄之后脫模空冷至室溫；(2)將鑄錠加熱到900～920℃，保溫一段時(shí)間后，鍛造成圓棒鍛件；(3)用鍛件做電渣熔鑄的電極，采用異型結(jié)晶器，通過電渣熔鑄工藝生產(chǎn)1/4弧形板坯；(4)采用預(yù)淬火、亞溫淬火、回火的熱處理工藝(QLT工藝)對(duì)弧形環(huán)板進(jìn)行熱處理，達(dá)到所需要的力學(xué)性能。通過這種制造方法很好地滿足水輪機(jī)頂蓋用鋼的需要，具備良好的推廣及應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C22C38/54GK103184391SQ20131009299
公開日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2013年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月22日
發(fā)明者于浩, 陶攀 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)