风能是我国重点发展的清洁能源和新能源之一，是我国能源结构调整的方向。制造风力发电塔对钢板强度、韧性等力学性能提出了更高的要求。天津钢铁集团有限公司通过控轧控冷工艺，保证了钢板的力学性能和表面质量要求，获得用户的广泛赞誉。

　　风塔用钢板主要用于制造风力发电塔的结构，要求钢板具有高强度、低温韧性强、抗断裂能力强、良好的焊接性能和表面质量。

　　为了达到风塔用钢性能的特殊要求，天津钢铁集团有限公司(以下简称天钢)进行了风塔用钢板的研制与开发。在化学成分上采用去除Nb微合金元素的减量化成分设计，通过控轧控冷工艺，保证钢材的力学性能，降低了生产成本;通过对铸坯表面氧化铁皮的研究和实践，开发出了低Si含量和新高压水除鳞工艺，并申请了国家发明专利，解决了行业内普遍存在的因氧化铁皮压入造成的“麻坑”问题，保证了风塔用钢板的表面质量要求。

　　1 主要研制内容

　　1.1 风塔钢化学成分的减量化设计

　　天钢风塔钢的化学成分设计，是以天钢低合金高强度钢Q345D/E钢种为基础，结合风塔钢的高强度、低温韧性强等力学性能和表面质量要求，进行的减量化成分设计。

　　1.1.1 力学性能要求

　　天钢风塔钢是参考天钢现有的Q345D/E钢种的力学性能进行的化学成分设计，风塔钢Q345D/E力学性能要求，天钢低合金高强度钢Q345D/E力学性能。

　　通天钢低合金高强度钢Q345D/E力学性能指标与风塔钢标准要求相比有较大余量，其中屈服强度有90-110MPa余量，抗拉强度有80-100MPa余量，低温冲击功余量也在55-97J左右。因此，风塔钢Q345D/E在成分设计上采用减量化，去除Nb的加入，通过优化轧制工艺，降低二阶段轧制的开轧温度和ACC终冷温度，保证产品的力学性能要求是可行的。

　　1.1.2 表面质量的要求

　　对风塔钢的表面质量要求较高，而其表面质量目前普遍存在不同程度的因氧化铁皮压入造成的“麻坑”问题，这种现状不能满足其表面质量的要求。根据相关文献介绍，钢坯在加热的过程中，钢中Si含量较高时，其表层扩散性较强，与氧化铁皮中的FeO层在钢坯基体中生成铁橄榄石, 铁橄榄石熔点在1170℃左右，铁橄榄石的生成降低了高压水除鳞的剥离效果，一旦形成较大量的铁橄榄石，在后续的除鳞中极难去除。为此，在成分设计中降低了Si含量，目标值控制在0.25%左右。

　　1.2 重点工艺控制

　　1.2.1 冶炼、连铸工艺控制

　　以提高钢坯质量为重点，转炉采取精料方针，控制入炉铁水的成分和温度，提高终点冶炼命中率，严格控制钢种脱氧产物。精炼强化快速造还原渣的工艺操作，进行深脱硫，降低钢中有害元素含量。连铸控制合理匹配的注温注速，以及二冷区的比水量，减少铸坯缺陷，提高铸坯实物质量。

　　1.2.2 加热工艺的控制

　　研究碳钢的氧化铁皮生成量与温度及时间的函数关系发现，板坯的氧化程度随着温度的增加和加热时间的延长而加剧。经验公式如式(1)所示。

　　α=6.2τ1/2e-900/T (1)

　　其中， α：氧化铁皮生成量，g/cm2;

　　τ：加热时间，min ;

　　T：加热温度，K。

　　在工艺允许的条件下，要尽量降低加热温度和缩短加热时间。加热炉加热温度、加热时间及炉内气氛等因素都是造成板坯氧化烧损过高的主要原因。所以，着重从以下方面进行加热工艺的控制。

　　1)炉膛温度控制

　　天钢中厚板厂加热炉采用的是蓄热式四段步进加热炉，使用的燃料为高炉、转炉混合煤气，其发热值较低。针对加热炉炉型及燃料特点，在炉膛温度的控制上，考虑到因钢坯出炉温度高，造成精轧待温时间长，中间坯二次氧化铁皮厚、铁皮结构不易剥离，容易造成二次铁皮压入，所以降低了板坯出炉温度，由原来较高的出炉温度1180-1220℃，降到1120-1160℃。

　　2)加热时间

　　根据加热炉“黑匣子”测试结果以及改善铸坯中心偏析因素，不同断面坯料采用以下加热时间：

　　250mm(热)：3-3.5h

　　250mm(冷)：3.5-4h

　　200mm(热)：2.5-3h

　　200mm(冷)：3-3.5h

　　3)炉膛气氛控制

　　在炉膛气氛的控制上，降低高温段(一加、均热)炉膛的氧化性气氛，减少一次氧化铁皮的生成厚度。根据“黑匣子”测试结果，钢坯在这两段时表层温度达到1000℃以上，氧化铁皮生成速度比较快。

　　1.2.3 高压水除鳞

　　天钢中厚板高压水除鳞系统采用的是高压水泵+液力耦合+蓄能器的供水方式。除鳞点分别为加热炉后除鳞箱、粗轧机除鳞和精轧机除鳞，系统设计压力为18MPa。为了保证风塔板的表面质量，在除鳞系统不增容的情况下，对现有的高压水除鳞系统进行了改进和工艺优化，增加除鳞打击力，改善除鳞效果。

　　1)增加除鳞打击力

　　从轧制的钢板下除鳞状态看，钢板经抛丸后下表面普遍存在着点状的“麻坑”，通过分析判断该缺陷应为粗、精轧下除鳞高压水打击力不足，二次铁皮未除净造成的。

　　一方面，通过对粗、精轧下除鳞的喷嘴间距、喷嘴射流宽度、相邻喷嘴间射流重叠宽度、平均打击力进行了计算和优化。在满足射流重叠宽度的情况下，减小喷嘴与钢板下表面的间距，由原来的270mm调整到225mm，在压力不变的情况下，使下除鳞平均打击力提高了30%左右。另一方面，在原系统能力允许的情况下，修改了蓄能器设定压力，由原来的17-19MPa改为19-21MPa，提高了精轧高压水除鳞喷嘴前压力。

　　2)完善除鳞箱上集管调整装置

　　设备结构改进，使除鳞箱上集管具备上下可调功能，确保集管能够随板坯厚度断面的变化而及时调整;改进上导卫集管与上工作辊横梁同步装置，保证了轧机上导卫除鳞集管与上工作辊的同步升降;通过增加管路的二级过滤装置，防止管路内出现铁皮堵塞高压水喷嘴的情况，避免造成钢板表面出现除鳞盲区。粗、精轧根据钢板表面质量情况分别采取3-5道次除鳞。

　　1.2.4 轧制工艺控制

　　1) Ⅰ阶段轧制(粗轧)

　　Ⅰ阶段轧制的轧制过程属于奥氏体再结晶区轧制，通过奥氏体的反复再结晶进行晶粒细化。高温大压下可使奥氏体再结晶完全，单道次的压下率越大，奥氏体再结晶越完全，越有利于细化奥氏体晶粒，同时也有利于改善铸坯中夹杂物形态。为保证单道次变形量大于奥氏体临界变形量，每道次压下率(除横轧道次外)不得小于15%。Ⅰ阶段轧制结束温度要大于再结晶终止温度，通常在980℃以上结束粗轧。

　　2) Ⅱ阶段轧制(精轧)

　　在去除原成分设计中Nb加入后，为了保证强度、低温冲击指标，与原轧制工艺相比，降低了Ⅱ阶段的开轧温度，根据不同规格Q345D设定在920-950℃，Q345E设定在910-930℃。未再结晶区轧制时，奥氏体晶粒仅延伸拉长，而不发生再结晶，因表面和内部在轧制时的变形不均，会造成晶粒的大小不一。因此，在Ⅱ阶段的轧制中，应适当提高后续道次的压下率，以减少表面和心部变形的差异。精轧阶段的累积变形量要不低于50%，因为在精轧阶段精轧机变形速度快，轧制压力大。累积变形量大可以保持较高的位错密度，为相变形核提供更多几率，有助于细化晶粒，提高钢板的强韧性指标。中间坯厚度直接影响到钢板最终的性能指标和轧机的生产能力，对控制轧制某一规格范围的品种而言，在完全保证产品性能指标的前提下，实现轧机的最大生产能力。中间坯厚度设定为成品厚度的2-3倍。

　　1.2.5 ACC层流冷却

　　通过控制轧后钢板的冷却过程，能有效控制奥氏体晶粒的长大，细化奥氏体组织，阻止或延迟碳化物在冷却过程中过早析出，使其在铁素体中弥散析出提高强度。同时因为奥氏体过冷时铁素体形核率与铁素体生成速度之比增大，导致铁素体晶粒细化，并且也能减小珠光体团的尺寸，细化珠光体片层间距，改善钢材的综合力学性能，终冷温度设定为660-700℃。

　　1.2.6 超声波探伤

　　对于需要探伤的钢板，热矫直后下线堆冷，钢板下线温度250-350℃，要求Z向性能的铸坯需堆冷48小时。超声波探伤标准采用GB2970-2004或其它相关标准。超声波探伤采用在线自动探和手探相结合的方法进行最终的判定。

　　2 研制效果

　　天钢研制的风塔钢，一方面采用了减量化成分设计，去除了风塔钢Q345D/E化学成分中Nb合金元素的加入，通过优化TMCP控轧控冷工艺来保证其力学性能稳定且满足用户的要求，节约了合金资源，吨钢成本降低约155元。另一方面，通过对铸坯表面氧化铁皮的研究与实践，开发出了降低Si含量和新的高压水除鳞工艺，生产的风塔板板坯上下表面一次除鳞率达到98%以上，未出现因一次除鳞不净造成的板坯回炉情况，消除了风塔钢普遍存在的表面麻点缺陷。

　　天钢风塔钢板屈服强度365-450MPa，同厚度规格波动范围小于30MPa，抗拉强度≥495MPa，断后伸长率≥26%，Q345E在-40℃条件下的夏比冲击功≥60J，Q345D-Z35，Z向性能达到了40.5%-70.5%;风塔板金相组织主要为铁素体和珠光体，16mm钢板晶粒粒度等级为9.5级，45mm钢板晶粒粒度等级为9级，探伤合格率达到95.42%。上述性能指标，完全满足风力发电设备的设计及使用要求，为风塔钢板的安全使用提供了有力的质量保证。天钢风塔板产品已形成规范化、规模化生产。截至目前，天钢已生产10- 60mm不同规格风塔板30余万t，销往国内外十几个风力发电制造厂家，产品受到用户一致好评。