CN104204237B - 用于制造电工钢片的热轧带材及其制造方法 - Google Patents

用于制造电工钢片的热轧带材及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于制造由下列重量%表示的合金成分组成的电工钢片的热轧带材：C 0.001至0.08；Al 4.8至20；Si 0.05至10；B 最多0.1；Zr 最多0.1；Cr 0.1至4；其余为铁和熔融相关的杂质。

Description

用于制造电工钢片的热轧带材及其制造方法
发明内容
本发明涉及用于制造电工钢片的热轧带材及其制造方法。
用于电工钢片的材料例如在DE 101 53 234 A1或DE 601 08 980 T2中已知。它们大多由铁-硅合金或铁-硅-铝合金组成，其中区别为晶粒定向（KO）的和非晶粒定向（NO）的电工钢片，并且将其用于不同的应用。特别是加入铝和硅以使磁化损失尽可能低。
通常，其物理性能取决于负荷方向的材料称为各向异性的。如果性能在所有的负荷方向中都相同，则称为各向同性的材料。电工带材的磁性性能的各向异性是基于铁的晶体各向异性。铁及其合金以立方体结构结晶。其中立方棱方向是最容易能够磁化的方向[100]。在立方体中的空间对角线[111]方向是磁性上最不利的方向。
在电机构造的应用中，磁通量没有固定在特定的方向上并且因此需要在所有方向中同样好的磁性性能，为此通常制造具有尽可能各向同性性能的电工带材，其称为非晶粒定向（NO）的电工带材。其主要应用于发电机、电动机、接触器、继电器和小型变压器。
非晶粒定向的电工带材的理想结构（微观结构）是具有20-200μm的晶粒大小的多晶微观结构，其中微晶无规地定向在具有面（100）的钢片面中。然而，实际上在钢片面中的真实的非晶粒定向的电工带材的磁性性能在小的范围中取决于磁化方向。因此，在纵向和横向之间的损失差仅为最大10%。在非晶粒定向的电工带材的情况下，磁性性能的充分的各向同性的建立主要受热变形、冷变形和最终退火的制造方法的设计的影响。
对于依赖特别低的转磁化损失和对磁导率或极化提出特别高要求的应用目的，例如电力变压器、配电变压器和高效小型变压器，制造具有统一微晶定向（晶体纹理）的电工带材，其称为晶粒定向（KO）的电工带材。统一的微晶定向造成电工带材强烈各向异性的性能。对于晶粒定向的电工带材，为此通过复杂的制造过程而实施有效的晶粒生长选择。其晶粒（微晶）由于在经最终退火的材料中的低缺陷定向而展现出几乎理想的纹理，该纹理根据其发现者而命名为戈斯（Goss）纹理。立方棱展现在轧制方向上，而面对角线展现在垂直于轧制方向上。对于标准材料，立方棱与轧制方向的偏差通常为最大7°，对于高磁导性的材料为最大3°。晶粒的大小为几毫米至几厘米。
根据已知的现有技术，电工带材的磁性性能主要由高纯度、硅和铝的含量（最多约4质量%）、其它合金元素（如锰、硫和氮）的低含量，以及由热轧、冷轧和退火工艺而决定。常见的钢片厚度明显低于1mm，例如为0.18mm或0.35mm。
在钢片面中的非晶粒定向的材料具有尽可能各向同性的磁性性能并且由此优选用于旋转的机器，而晶粒定向的材料由于多步相继的轧制处理和退火处理而产生晶粒定向（纹理）。由于在材料中有针对性地引入各向异性，在相应的磁化方向上转磁化损失减少而相对磁导率值增加。因此，相比于非晶粒定向的材料，可以使用这种纹理化的材料制造性能较高而构造尺寸较小的变压器。
在DE 101 53 234 A1中已知的用于非晶粒定向的电工钢片的材料具有的合金成分为：C＜0.02%、Mn≤1.2%、Si 0.1-4.4%和Al 0.1–4.4%。其中描述多种制造方法，例如薄板浇铸或薄带材浇铸，通过这些方法可以制造热轧带材。
所述已知材料的缺点在于，分别具有最多4.4%的相对低的硅含量和铝含量；在许多应用情况下，由于这些硅和铝含量而使磁导率仍不够高并且磁化损失足够低，这对电机的功效及其经济效率产生不利的影响。随着硅和铝的含量的增加，钢的电阻也增加。由此降低了诱导的涡电流以及磁芯损耗。
问题在于，随着增加的硅含量超过已知的限值，通过已知方法的铸造由于在凝固过程中棒材或带材的宏观偏析或弯曲而变得困难或者甚至变得不可能。铝含量＞2%的钢在空气中凝固的过程中形成氧化物（Al2O3），其极其硬和脆，由此使得铸造和再加工变得不可能。因此，所述钢只可能通过复杂的方法技术进行再加工，例如通过基础合金的真空感应熔炼制成块料，然后通过电渣再熔以均化和纯化熔体并且最后通过任选使用切削处理的重新锻造而获得钢片。当硅含量大于3.5%时，由于脆性（设定的有序态）而不能进行冷成型，而最多4%时热变形相对没有问题。因为成品带材厚度与涡电流损失的平方成正比，因此希望获得薄的最终厚度。由于脆性，这通过传统的方法（板坯、薄板浇铸（CSP））很难实现。对于近终型的铸造方法（例如使用相应高的冷却速度的薄带材浇铸），可以避免临界有序态。
所述已知方法的缺点还在于，初产品具有非常粗的晶粒，并且由于铁素体钢的高铝含量使用保护渣的铸造是有问题的。当熔体的铝含量高于约2%时可以不再使用保护渣，因为铝和在保护渣中带有的氧反应而由此形成氧化铝（见上）。
本发明的目的在于提供一种用于制造电工钢片的热轧带材，与已知的电工钢片相比，这种电工钢片可以实现明显改善的磁性性能，特别是更高的磁导率。
本发明的另一目的在于提供一种用于这种热轧带材的改善的和成本更有利的制造方法。
本发明的热轧带材具有如下重量%表示的合金成分：
C：0.001至0.08
Al：4.8至20
Si：0.05至10
B：最多0.1
Zr：最多0.1
Cr：0.1至4
其余为铁和熔融相关的杂质。
添加B和/或Zr至给定的限值可以有利地有助于改善热轧特性，因为形成的氮化物（BN、ZrN）或碳化物（ZrC）积聚在晶界并且在高温（热轧温度）下改善滑动。为了实现该效果，B的最低含量应当为0.001%，而Zr的最低含量应当为0.05%。另外有利地，通过这些添加显著地减少热裂形成。
通过添加多于0.1%至最多4%的Cr，可以在室温下有利地改善可锻性，而基本上没有影响磁性性能。
具有本发明的合金成分的热轧带材的特征在于明显改善的磁性性能，特别是明显更高的磁导率，由此可以显著扩大这些材料在能量和经济方面的应用范围。特别地，相比于已知的电工钢片显著提高至最多20%的Al含量显著地提高了电阻和由此相应地降低了转磁化损失。
因为所述热轧带材在高于400℃的温度下进一步加工（例如轧制），所以在防止起皮方面对所述材料提出高要求。由于异常高的Al或Si含量，在加热的钢片的表面上形成Al2O3或SiO2厚层，这有效地降低或甚至完全阻止了铁在钢中的起皮。层的厚度可能受退火的温度和时间段的影响。
随着退火的温度和时间段的增加，层的厚度也增加。然而，鳞片层的厚度应当不超过100μm，优选不超过50μm，从而所述层由于随增加的厚度而同样增加的脆性没有被脱落的鳞片而负面地影响可轧制性。
尽管添加超过0.05%的Si不是必须的，磁导率的进一步增加可以有利地通过添加更多的Si而实现。特别有利地，根据Al含量而添加Si。当Al含量为4.8至8%时，Si含量应当为2-5%；当Al含量超过8-15%时，Si含量应当为0.05-4%；当Al含量超过15%时，Si含量应当低于2%，从而使该材料保持可热轧性。
为了保证质量地和经济地制造这种热轧带材，在根据本发明使用的方法中，将所述熔体在水平的带材铸造设备中在平静流淌和无弯曲的情况下浇铸成6至30mm厚度范围的预成型带材，并且然后将其轧制成厚度为0.9至6.0mm的具有至少50%应变的热轧带材。在热轧之前，可能需要在800-1200℃进行退火工序。
对于待保持的最低应变，发现其随着增加的Al含量同样增加。因此，根据待实现的最终带材厚度和Al含量，需要保持超过50、70或者甚至超过90%的应变，从而实现无序相和有序相的混合结构。所述高的应变也是必须的，从而特别是在高Al合金的情况下破坏微观结构并由此使晶粒变小（晶粒细化）。因此，更高的Al含量相应地需要更高的应变。
当厚度为例如0.9mm时，所述热轧带材也可以有利地作为最终产品应用在电磁应用领域中。为了获得具有晶粒定向的微观结构的带材，需要另外的退火工艺，从而可以使晶粒定向。800-1200℃的退火处理工艺可以连续地或不连续地进行，并且最多持续30分钟。因此，可以根据需要使用本发明的合金成分生产晶粒定向（KO）的和非晶粒定向（NO）的电工带材。
此外，可以在再次加热的退火工艺之后冷轧所述热轧带材（任选在脱碳的氛围中），并且由此设定最多0.1mm的最终厚度。在冷轧之后的退火应当在700和900℃的温度进行最多10分钟，或者对于KO-电工带材在相当的温度窗口进行几个小时。
脱碳的氛围是有利的，因为由此降低了在所述带材中的碳含量（主要在边界范围）。这改善了磁性性能，因为在材料中出现较少的例如由碳原子引起的缺陷位点。
提供的方法的优点还在于，当使用水平的带材铸造设备时，由于在水平的带材铸造设备中的非常均匀的冷却条件而可以在很大程度上避免宏观偏析和缩孔。因为在该设备中没有使用保护渣，也就不存在保护渣的问题。
对于带材铸造过程在方法技术上建议，通过使用一起运行的电磁制动器（其产生与带材一起同步运行的或以最佳相对速度运行的区域），从而确保在理想的情况下熔体供应速度等于循环传输带的速度。在凝固过程中视为缺点的弯曲，通过在大量相邻的辊上支撑接收熔体的铸造带材的下侧而避免。该支撑以如下方式得到加强，即在铸造带材的区域中产生低压，从而将该铸造带材牢固地压到所述辊上。此外，富含Al或富含Si的熔体在几乎不含氧的炉氛围中凝固。在传统的1250℃以上的方法中，富含Si的鳞片（铁橄榄石）液化，其另外极难除去。这可以通过在外罩中合适的温度-时间关系和后续的工艺步骤而避免。
为了在凝固的关键阶段维持这些条件，选择传输带的长度，从而在传输带的末端在其转向之前在很大程度上使所述预成型带材完全凝固。
在传输带的末端连接有均化区域，其用于温度平衡和可能的应力减除。
将预成型带材轧制成热轧带材可以在线或者单独离线地进行。在离线轧制之前，所述预成型带材在制造之后在冷却之前可以直接趁热用绞盘绞起或者切割成板材。所述带材材料或板材材料然后在可能的冷却之后再次加热，并且展开用于离线轧制或者作为板材再次加热和轧制。
附件中展示的唯一附图示意了本发明的方法流程，其中条件为铸造速度 = 轧制速度。
在热轧工艺之前设置使用水平带材铸造设备1的铸造方法，该带材铸造设备由循环的传输带2和两个转向辊3、3'组成。其中也显示侧向密封件4，其可以阻止加载的熔体5从传输带2的左侧和右侧流下来。所述熔体5借助铁液罐6运输到带材铸造设备1上，并且通过在底部设置的开口7流到供应容器8。该供应容器8构成为如同溢流容器。
未显示用于剧烈冷却传输带2的上回行段的下侧的装置以及带材铸造设备1具有合适的保护气体氛围的完整的外罩。
在将熔体5加载到循环的传输带2上之后，随着剧烈的冷却而凝固和形成预成型带材9，该预成型带材在传输带2的末端在很大程度上完全凝固。
为了温度平衡和应力减除，在所述带材铸造设备1上然后连接有均化区域10。其由隔热的外罩11和图中没有显示的辊道组成。
后面的第一机座12仅构成为任选具有低轧道的纯驱动器装置或构成为具有前述轧道的轧制装置。
接着进行中间加热，其中有利地构成为例如以线圈13的形式的感应加热。实际的热变形在后续的机座系列14中进行，其中前三个机座15、15'、15''造成实际的每道压下量，而最后的机座16构成为平滑轧机。
在最后道次之后是冷却区域17，其中成品热轧带材冷却直至绞盘温度。
在冷却段17的末端和绞盘19、19'之间设置剪床20。剪床20的目的在于，当两个绞盘19、19'之一卷满时，横向分隔开热轧带材18。后续的热轧带材18的开端然后导入到第二个空着的绞盘19、19'。由此确保带材张力维持在整个带材长度上。这特别是在生产薄的热轧带材时具有重要意义。
在附图中未显示用于在热轧之前再加热预成型带材9和用于冷轧所述热轧带材的设备部分。
附图标记列表：
编号 名称
1 带材铸造设备
2 传输带
3、3’ 转向辊
4 侧向密封件
5 熔体
6 铁液罐
7 开口
8 供应容器
9 预成型带材
10 均化区域
11 外罩
12 第一机座
13 感应线圈
14 机座系列
15、15'、15'' 轧机机座
16 平滑机座
17 冷却段
18 成品热轧带材
19、19' 绞盘
20 剪床

Claims (19)

1.用于制造由下列重量%表示的合金成分组成的电工钢片的热轧带材：
C：0.001至0.08
B：最多0.1
Zr：0.05至最多0.1
Cr：0.1至4
其余为铁和熔融相关的杂质，其前提条件是：当Al含量超过8%至15%时，Si含量为0.05-4%；和当Al含量超过15%至20％时，Si含量为0.05%－低于2%，
其中所述的热轧带材可选地具有晶粒定向（KO）的或非晶粒定向（NO）的微观结构。
2.权利要求1的热轧带材，其特征在于下列重量%表示的合金成分：
B：0.001至最多0.1。
3.用于制造权利要求1至2之一的热轧带材的方法，其中将熔体浇铸成预成型带材并且然后将其轧制成热轧带材，其特征在于，将所述熔体在水平的带材铸造设备中在平静流淌和无弯曲的情况下浇铸成6至30mm范围的预成型带材，并且然后将其轧制成具有至少50%应变的热轧带材。
4.权利要求3的方法，其特征在于，所述熔体供应速度等于循环传输带的速度。
5.权利要求3至4之一的方法，其特征在于，为跨传输带宽度的条带的在凝固开始时形成的连铸坯外壳的所有面积单元提供几乎相同的冷却条件。
6.权利要求3至4之一的方法，其特征在于，所述熔体加到传输带上并且在该传输带的末端在很大程度上完全凝固。
7.权利要求6的方法，其特征在于，在完全凝固之后和在开始进一步处理之前，使所述预成型带材经过均化区域。
8.权利要求7的方法，其特征在于，所述进一步处理是将所述预成型带材切割成板材。
9.权利要求8的方法，其特征在于，在切割成板材之后，将板材加热到轧制温度并然后进行轧制工序。
10.权利要求7的方法，其特征在于，所述进一步处理是将所述预成型带材成卷。
11.权利要求10的方法，其特征在于，使所述预成型带材在成卷之后展开、加热到轧制温度并然后进行轧制工序。
12.权利要求10的方法，其特征在于，使所述预成型带材在展开之前再次加热。
13.权利要求3至4之一的方法，其特征在于，使所述预成型带材在线地进行轧制工序并且然后展开。
14.权利要求3至4之一的方法，其特征在于，在热轧过程中的应变＞70%。
15.权利要求3至4之一的方法，其特征在于，在热轧过程中的应变＞90%。
16.权利要求3至4之一的方法，其特征在于，将所述热轧带材再次加热并且在冷却之后进行冷轧成冷轧带材。
17.权利要求16的方法，其特征在于，在脱碳的氛围下进行退火工序。
18.权利要求16的方法，其特征在于，将所述热轧带材冷轧成最大0.150mm的厚度。
19.权利要求16的方法，其特征在于，所述冷轧带材在随后的退火处理过程中得到晶粒定向（KO）的微观结构。
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