【技术前沿】海上风电塔架用非热处理高强钢的开发｜降低素材成本 确保竞争优势

近年来，POSCO公司正式推出了“Greenable”系列产物，那是环保能源钢材的综合品牌，同时还在积极开发可利用于风电、太阳能和氢气等将来环保能源的消费、运输和贮存的钢材产物。风电塔架用厚板就是环保能源用钢产物的典型案例。近年来，跟着海优势电机组尺寸的增大，涡轮机收座的塔架部件关于高性能钢材的需求也在稳步增加，那类钢材是承载才能优良的高强厚板产物。到目前为行，让步强度为355MPa的钢材次要用做高120m、3-4MW级风塔的原素材。不外，从久远来看，因为5.6MW级、高155m的风塔有看利用于大型风塔的设想，估量将需要让步强度420MPa以上的高强度、高韧性钢材。

为了开发高强度、高韧性的钢材，晶粒细化是必不成少的，而那凡是是通过掌握合金化元素和优化轧造前提来实现的。不外，假设通过掌握合金化元素和轧造所获得的晶粒细化效应不敷足够，则可通过轧造后的二次热处置获得额外的奥氏体晶粒细化效应，那凡是相当于正火处置。关于风塔素材，传统摘用正火钢材，但在造造过程中摘用上述热处置工艺后，造形成本显著增加，不外，相较轧造钢材或TMCP钢材更易于贸易化。因而，需要造造强度与正火钢材附近，但不停止正火处置的轧造钢材。本研究旨在切磋不经热处置的、让步强度为420MPa或以上的风电塔架素材的造造工艺、显微组织和力学性能。

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试验步调

为了实现高强度和高韧性，添加了Mn、Nb、V等元素的铸坯在1140℃或更高的温度下加热4小时或更长时间使其平均化。加热的板坯在850-910℃的温度范畴内停止粗轧和精轧，厚度轧至15-75mm，然后停止空冷以造造最末产物。看察显微组织的试样用2.5%硝酸+乙醇溶液侵蚀2-3s，用光学显微镜看察厚度1/4处的点位。为了阐发铁素体基体中的析出物，搜集了复型试样，并用透射电子显微镜停止了阐发。摘用垂曲于轧造标的目的的试样测定了让步强度、抗拉强度和延伸率。在冲击试验中，在-15℃~-50℃的范畴内评判沿钢材轧造标的目的的试样，获得了改变曲线。

02

成果与讨论

表1展现了让步强度420MPa级高强度钢材的要求特征，完全契合欧洲EN I 0025-3原则，那是本研究的次要目标。根据钢种的区别，需要差别的让步强度和延伸率。室温抗拉强度为520-680 MPa，同时对-20℃冲击韧性也提出了必然要求。

正火钢材的缺点是不克不及通过二次热处置获得奥氏体细化效应，因而，有需要从成分掌握和消费工艺两个方面来促进奥氏体细化。一般而言，铌（Nb）是一种有效细化晶粒的元素，它按捺了奥氏体的再结晶和晶粒长大，在改变为铁素体的过程中，成核位点增加，构成藐小的铁素体。因而，因为具备获得细晶的才能，Nb用处普遍。

此外，在铁素体中，Nb与C连系析出NbC，大大进步了强度。为了使那种析出强化效应更大化，Nb必需足够化解在奥氏体中，以免冷却时析出招致晶粒粗大化。研究差别Nb和C含量下，Nb在奥氏体中的固溶温度，成果表白，跟着Nb和C含量的增加，Nb的固溶温度显著进步，同时发现，在足够高的温度下对板坯停止加热是大部门Nb固溶后通过二次析出实现高强度和高韧性的需要前提。另一方面，钒（V）也是一种易于确保强度的元素。即便在比Nb更低的温度下，它也有很高的化解度，因而，在轧造后的空冷过程中构成VC析出物。图1展现了（Nb，V）C堆积于厚度为15mm的轧造钢材的铁素体基体中，因为它闪现出约5-20nm级程度的细微散布，因而，能够揣测，那有助于强度的增加。

除了Nb和V固溶体的析出强化外，还需要造定一项方案，通过进一步细化晶粒来显著进步让步强度。在未再结晶温度下轧造时，晶粒发作应变，沿轧造标的目的构成带状组织。当奥氏体内产生大量位错使其发作相变时，可能会供给更多的成核位点，从而引起晶粒细化效应。图2展现了差别精轧压下率下让步强度、抗拉强度和显微组织的改变情状。与摘用压下率34%的情状比拟，摘用压下率59%的成果表白，铁素体整体细微，让步强度和抗拉强度都有所进步。

看察所开发的钢材在各厚度1/4处的显微组织。关于厚度15mm的钢样，能够认为是由十分细微的铁素体和带状组织的珠光体构成的。获得带状珠光体的过程如下：1）在凝聚过程中，起首构成枝晶，此时扩散的Mn等合金化元素在枝晶之间偏析，并通事后续处置来拉伸组织。2）加热到A c3 以上，铁素体改变为奥氏体，而冷却启动了Mn等元素的铁素体相变，从而降低了负偏析区域的Ar3温度。随后，铁素体相变之后，碳扩散到偏析区域。3）冷却到A 1 温度以下时，残存奥氏体改变为珠光体，构成带状组织。跟着厚度的增加，铁素体的晶粒尺寸逐步增大。那是因为跟着钢材厚度的增加，轧造所能施加的轧造力是有限的，并且因为接近钢材的中心，通过轧造其实不随便构成细微的晶粒。

表2展现了现有的355 MPa级钢材和新开发的420 MPa级钢材在差别厚度下的力学性能。跟着厚度的增加，让步强度逐步降低，那是因为跟着厚度的增加，轧造所能施加的轧造力有限，晶粒细化水平降低。与已开发的355 MPa级钢材比拟，让步强度进步50MPa，抗拉强度进步40MPa，所有厚度均称心EN 10025-3原则对强度和延伸率的相关要求。

图3展现了新型钢材在差别厚度下的冲击改变曲线。总体上能够看出，铁素体晶粒越细，即便在低温下冲击韧性也越好。韧性-脆性改变温度（DBTT）约为-30℃，-20℃是韧性断裂区，也是本研究开发的目标，其冲击韧性超越150J或更高。

图4展现了钢材的拉伸曲线，别离是厚度75mm的、非热处置的轧造钢材，以及870℃正火处置128min的钢材。未经热处置的钢材和正火钢材具有类似的让步强度和抗拉强度，正火钢材的延伸率略高，但差别其实不明显。从那些成果能够看出，即便利用非热处置的轧造钢材，也能够完全包管风塔行业所需的性能。

03

结语

本文研究了风电构造用非热处置的高强度钢材的造造前提、显微组织和力学性能。利用Nb固溶体，通过高温加热和轧造过程中构成的NbC的析出强化，能够进步强度，并细化铁素体以进步剩余压下率，以便在精轧过程中对钢施加足够的轧造力。因而，有可能开发出在-20℃下抗拉强度和冲击韧性优良的钢材。假设用新开发的非热处置高强度钢材代替现有的正火钢材，估量风塔造造商将可以通过降低素材成原来确保合作优势。

▲ 《世界金属导报》43期 B04

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