正火工藝對S275NL風電用鋼組織和性能的影響

高立福（山鋼股份萊蕪分公司寬厚板事業部，山東萊蕪271104）

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正火工藝對S275NL風電用鋼組織和性能的影響

高立福
（山鋼股份萊蕪分公司寬厚板事業部，山東萊蕪271104）

摘要：采用光學顯微鏡和力學性能測試設備研究了不同正火工藝對S275NL高韌性風電用鋼組織和性能的影響。試驗結果表明，隨著正火溫度的提高，鋼板強度有所降低，伸長率和Z向性能逐步提高，低溫沖擊韌性得到改善；正火保溫時間對力學性能的影響不顯著。適宜的正火加熱溫度為900℃，保溫時間175 min，該工藝處理后，鋼板組織為細小均勻的鐵素體和珠光體，鋼板強度富余量合理，強韌性匹配和綜合力學性能良好。

關鍵詞：高韌性風電用鋼；S275NL；正火；組織；力學性能

1　前言

隨著風電工業的高速發展，對高韌性風電用鋼的需求迅速增長［1-3］。目前，為提高鋼的綜合力學性能，鋼廠普遍在冶煉方面采用精煉及微合金化工藝，在軋鋼方面采用控軋（控冷）工藝控制鋼的晶粒度，以獲得材料的高韌性。85 mm厚S275NL高韌性風電用鋼，要求-50℃低溫沖擊韌性，采用控軋（控冷）工藝，帶狀組織嚴重，鐵素體和珠光體分層沿著軋制方向分布。帶狀組織使鋼板的力學性能呈各向異性，并降低其塑性和韌性。為了消除帶狀組織，改善鋼的綜合力學性能，本研究探討了正火工藝對S275NL高韌性風電用鋼組織和性能的影響，制定合理的正火工藝。

2　試驗材料及方法

2.1試驗選材

試驗所用材料取自萊鋼型鋼煉鋼廠，規格為300 mm×1 800 mm斷面的連鑄板坯。板坯冷裝加熱6.0 h，出爐溫度1 210℃，粗軋開軋溫度1 100～l 150℃，精軋開軋溫度在900℃以下，精軋終軋溫度在840℃以下，經加熱、粗軋、精軋、矯直、冷卻等工序軋出85 mm×2 500 mm規格S275NL高韌性風電用鋼。鋼的化學成分見表1。

表1　S275NL鋼設計化學（熔煉）成分%

2.2正火工藝參數選擇

正火是將鋼材或鋼件加熱到Ac3（或Accm）以上適當溫度，保溫適當時間后在空氣中冷卻的熱處理工藝［4］。通過正火不僅可以消除金屬材料的工藝缺陷，而且對改善鋼材或鋼件的硬度，細化晶粒，獲得比較均勻的組織和性能具有重要作用。

1）加熱溫度。實踐證明，鋼的正火加熱溫度需根據鋼的臨界點來確定性［5］，即亞共析鋼加熱到AC3+（30～50）℃，保溫一段時間，空冷后獲得細小均勻的等軸鐵素體+珠光體組織，以改善鋼的力學性能。為找到合適的加熱溫度，根據S275NL高韌性風電用鋼的化學成分和Fe-C相圖相關理論，確定3個加熱溫度（860、880、900℃）進行試驗。

2）保溫時間。保溫時間需考慮鋼板的厚度、在熱處理爐內的排布方式、化學成分等。根據S275NL鋼的實際情況，確定采用3個保溫時間（160、175、190 min）進行試驗。

2.3試驗方法

將試制的S275NL鋼按不同的正火工藝進行處理，并按歐洲標準加工拉伸試樣和夏比V型缺口縱向沖擊試樣，進行相應的力學性能檢測。切取尺寸為1.5 cm×2.0 cm全厚度小塊試樣，沿軋制方向縱剖面磨平拋光，用4%硝酸酒精溶液浸蝕，制成金相試樣觀察金相組織，用掃描電子顯微鏡觀察試樣的沖擊斷口形貌。

3　試驗結果與分析

3.1正火工藝對S275NL鋼性能的影響

不同正火工藝下S275NL鋼的橫向拉伸、縱向沖擊和厚度方向性能如表2所示。

表2　不同正火工藝下S275NL鋼的性能

由表2可見，隨著正火溫度的提高，S275NL鋼的屈服強度、抗拉強度均有不同程度下降，屈服強度整體降幅為37～43 MPa，抗拉強度整體降幅為18～31 MPa，但伸長率與低溫沖擊韌性值均提高。

當正火溫度為900℃時，鋼板綜合力學性能較其他正火溫度下優異；在900℃正火溫度下，延長保溫時間后，強度變化不大，伸長率和沖擊性能表現出先升高后降低的趨勢，當保溫時間為175 min時，鋼板綜合力學性能較其他保溫時間下優異。

因此，正火溫度900℃、保溫時間175 min正火處理后，S275NL鋼各項力學性能最優。

3.2金相組織

對正火溫度為900℃的3-1、3-2和3-3試驗鋼板取樣進行金相分析，鋼板金相組織如圖1所示。各試驗鋼板組織均由鐵素體和珠光體組成，整個鋼板厚度方向組織較為均勻，尤其是3-2試樣，在保溫175 min時晶粒尺寸更細小和均勻，晶粒度高于10級，珠光體彌散分布，帶狀組織得到很好的改善（圖1c、圖1d）。從鋼板表面到中心處晶粒尺寸有增大趨勢。由于鑄坯組織的遺傳性和特厚鋼板的生產特點，在正火鋼板心部可觀察到碳的偏聚現象，但是帶狀組織不明顯，對后續性能影響不大［6］。

圖1　試驗鋼板900℃正火處理后的金相組織

3.3沖擊試樣斷口形貌

試驗鋼板900℃正火溫度后試樣（3-1、3-2和3-3）沖擊斷口掃描電鏡形貌如圖2所示。可以看出試樣均為韌性斷裂，斷口均為韌窩狀形貌，其中3-2韌窩更深一些，斷口形貌整體差別不大。

4　結　論

4.1S275NL高韌性風電用鋼隨著正火溫度的提高，強度有所下降，但伸長率和Z向性能進一步改善，低溫沖擊韌性改善明顯。

4.2正火溫度是影響力學性能的主要參數，正火保溫時間對力學性能的影響不顯著。

4.3本試驗條件下，適宜的正火處理工藝參數：加熱溫度900℃，保溫時間175 min。鋼板組織為細小均勻的鐵素體和珠光體，屈服強度317 MPa，抗拉強度428 MPa，斷后伸長率33%，-50℃夏比V型缺口縱向沖擊221 J，Z向收縮率49%。鋼板強度富余量合理，強韌性匹配和綜合力學性能良好。

圖2　試驗鋼板900℃正火處理后沖擊試樣斷口形貌

參考文獻：

［1］金翔.風電產業在中國的發展前景［J］.中國商界，2011（2）：192.

［2］黃棟，李懷霞，張振.風電產業全球態勢與政府政策［J］.電網與清潔能源，2009，25（2）：46-49.

［3］張明鋒，鄧凱，陳波，等.中國風電產業現狀與發展［J］.機電工程，2010，27（1）：1-3.

［4］崔忠圻.金屬學與熱處理［M］.北京：機械工業出版社，2000：25-28.

［5］李梅廣.調質工藝在中厚板產品開發方面的應用探討［J］．山東冶金，2007，29（6）：15-17.

［6］馬光亭，湯化勝，王月香，等.130 mm Q345EZ35風電塔簡用特厚鋼板的研制開發［J］.山東冶金，2012，34（2）：13-15.

Influence of Normalizing Process on the Microstructure and Mechanical Properties of S275NL High-toughness Steel for Wind Towers

GAO Lifu
（The Heavy Plate Business Division of Laiwu Company of Shandong Iron and Steel Co., Ltd., Laiwu 271104, China）

Abstrraacctt:: The influence of different normalizing processes on the microstructure and mechanical properties of S275NL hightoughness steel for wind towers was studied by optical microscope and mechanical performance testing equipments. The results showed that, with the increasing of normalizing temperature, the strength of plates was decreased, the elongation and Zproperty were gradually increased, and the impact toughness at low temperature was improved. The influence of holding time in normalizing process on the mechanical properties was not significant. After normalizing process at 900℃suitable temperature plus 175 minutes holding time, the plate microstructure is fine and get uniform ferrite and pearlite, it has reasonable strength margin, matching strength with toughness and good comprehensive mechanical properties.

Key worrddss:: high-toughness steel for wind tower; S275NL; normalizing; microstructure; property

作者簡介：高立福，男，1983年生，2008年畢業于山東科技大學金屬材料工程專業。現為萊鋼寬厚板事業部工程師，從事寬厚板新產品開發和工藝優化工作。

收稿日期：2015-10-26

中圖分類號：TG156.4；TG142.41

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4620（2015）06-0040-03