CN104894471A

CN104894471A - 一种高锰高铝含钒无磁钢板及其制造方法

Info

Publication number: CN104894471A
Application number: CN201410075553.3A
Authority: CN
Inventors: 毛征东
Original assignee: Baosteel Special Steel Co Ltd
Current assignee: Baosteel Special Steel Co Ltd
Priority date: 2014-03-04
Filing date: 2014-03-04
Publication date: 2015-09-09

Abstract

本发明公开了一种高锰高铝含钒无磁钢板，其化学元素质量百分配比为：C：0.14～0.20%；Mn：21.50～25.00%；Al：1.50～2.50%；V：0.04～0.10%；N＜0.05%；余量为Fe和其他不可避免的杂质。相应地，本发明还公开了该高锰高铝含钒无磁钢板的制造方法。本发明所述的高锰高铝含钒无磁钢板电阻率高且磁导率低，在磁场中的涡流损耗极小，其屈服强度为280～300MPa，强度为550～700Mpa，塑性延伸率为55～65%，其生产工艺简单，生产周期短，生产成本低。

Description

一种高锰高铝含钒无磁钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种钢板及其制造方法，尤其涉及一种无磁钢板及其制造方法。

背景技术

近年来，随着变压器、选矿采矿、船舶制造等行业的发展，越来越多的低磁钢、无磁钢被广泛应用。通常将无磁钢划分为两类：以CrNiMo（N）系、CrNiMnN系和CrMnN系为主的奥氏体不锈钢，以及以MnCr系和MnAl系为主的奥氏体高合金钢。

其中，奥氏体不锈钢的化学元素的特点在于：以Mn、N元素来代替Ni元素以稳定钢中的奥氏体相，从而达到材料无磁或低磁的效果。然而，奥氏体不锈钢中的部分钢种仍会含有一定量的镍元素。

目前使用的MnCr、MnAl系无磁钢的化学元素的成分特点在于：碳含量普遍较高，锰含量控制为16～20wt%，相应控制Al，V和N元素的含量。但是碳含量过高会使得材料焊接性能变差，铬含量过高不仅会导致焊接性能变差，还会使得材料的硬度变差，从而增加钢材料的冷加工难度。

公开号为CN1727509A，公开日为2006年2月1日，名称为“一种奥氏体无磁钢及其制备方法”的中国专利文献公开了一种奥氏体无磁钢，该无磁钢的化学元素质量百分含量为：锰20%～26%，铬2%～10%，铝1%～4%，碳0.18%～0.24%，稀土元素0.1%～0.2%，硫≤0.04%，磷≤0.04%，余量为铁。

此外，公开号为CN101445864A，公开日为2009年6月3日，名称为“一种高锰高铝含量的高强度高塑性钢铁材料的制备方法”的中国专利文献涉及了一种高锰高铝含量的钢铁材料，其化学元素的质量百分含量（wt%）为:C:0.6～1.2%，Mn:18～33%，Al:8～13%，S<0.008%，P<0.02%，余量为Fe或不可避免的杂质。

另外，公开号为CN101376915A，公开日为2009年3月4日，名称为“高铝无磁钢的冶炼方法”的中国专利文献公开了一种高铝无磁钢的冶炼方法，其包括预处理铁水、复吹转炉冶炼、VD精炼、LF炉精炼与连铸，其主要步骤的特征是：I）复吹转炉冶炼：A将预处理铁水装入复吹转炉；B底吹全程供氩；C金属锰和铝铁分三批用料槽或高位料仓加入；D金属锰和铝铁加入方法分三步进行，然后提起氧枪，底吹氩气搅拌5～8min出钢；E出钢时，往钢包内加入铝或其它合金；II）VD炉精炼工序A进站前扒渣；B到站条件：温度≥1550℃，渣厚≤50mm，净空≥1250mm；C抽真空3min后开底吹氩气；结束时，先将钢包底吹氩气关闭，待钢面平静后破空；III）LF炉工序：A进站调渣，加铝粉，喂CASI线；B出站成分按成品目标控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种高锰高铝含钒无磁钢板，其在保证力学性能的前提下，具有较低的磁导率，较高的电阻率，此外其电磁性能稳定，在磁场中的涡流损耗极小。

为了实现上述目的，本发明提出了一种高锰高铝含钒无磁钢板，其化学元素质量百分配比为：

余量为Fe和其他不可避免的杂质。

本技术方案中所述的不可避免的杂质主要是S、P和Si元素。

本发明所述的高锰高铝含钒无磁钢板中的各化学元素的设计原理为：

C：碳不仅是保证材料强度的元素之一，也是稳定奥氏体的元素之一。当钢材中的锰含量较高的情况下，碳元素含量的增加会使得材料热轧后的硬度增加，焊接性能降低，从而导致材料不易加工。此外，在连铸凝固过程中，碳含量过高也容易在材料中生成渗碳体，不仅会降低材料塑性，使得连铸坯料易于边裂和角裂，甚至产生纵向裂纹，还会劣化材料的热塑性能。一方面一定含量的碳元素可以保证材料具有足够强度和组织的稳定性，另一方面较低含量的碳元素则可以改善材料的焊接性能和冷加工性能，因此，将本发明中的碳含量合理控制为0.14～0.20wt%。

Mn：锰是主要的奥氏体形成元素，较高的锰含量使得材料中的奥氏体相稳定温度区间变大，以稳定奥氏体相组织，从而确保材料在较高磁场强度下仍具有较低的相对磁导率。另外，相较于其他稳定奥氏体的元素，例如Ni或Mo，锰的价格较低，其可以大幅度降低生产成本。同时，较高的锰含量，使得热加工过程中的奥氏体晶粒发生孪晶转变，起到细化晶粒的作用，以大幅度提高材料的强度和塑性。此外，在材料中大量添加锰元素，可以降低材料的密度，轻量化材料，并提高材料的力学性能。因而，在本发明的技术方案中需要将锰含量设定为21.50～25.00wt%

Al：虽然铝并不是奥氏体形成元素，但是可以起到稳定材料中的奥氏体相的作用。尤其是在冷加工过程中或是低温服役条件下，铝的加入能够防止奥氏体相向马氏体相转变。在本发明的技术方案中，将铝元素的含量设计为1.50～2.50wt%。

V：钒是强碳化物的形成元素，其在材料中具有强化作用。在一定工艺条件下，钒元素在钢材中形成M2C型和MC型的碳化物，产生弥散强化相以提高钢材的强度性能。在钢材中添加一定量的钒也能够起到进一步细化钢材晶粒的作用。所以，将本发明的技术方案中的钒元素的含量控制为0.04～0.10wt%。

N：氮也是稳定奥氏体相元素，且其加入成本较低。不过，由于氮元素是较强的锰、铝化合物的形成元素，氮含量的增加会导致铝的弥散析出，从而会明显削弱了铝在钢材中的作用。在本发明的高锰高铝含钒无磁钢板中的氮元素需要控制在少量的范围，其含量控制为＜0.05wt%。

综上所述，与现有的钢材相比较，在成分设计方面，本发明所述的高锰高铝含钒无磁钢板，不含铬元素和稀土元素，碳、铝含量较低，其中，降低了碳元素的含量和不含有铬元素是为了防止钢液在凝固时金属碳化物在晶间析出，以提高材料的塑性和焊接性能，并改善冷加工性能。同时，在本技术方案添加了钒元素，其与碳结合形成钒的碳化物细小颗粒，并弥散分布在晶内，以起到强化效果，从而保证了材料具备一定的强度。另外，该高锰高铝含钒无磁钢板具有较高的锰含量，并相应控制氮元素的添加量。

相应地，本发明的另一目的在于提供上述高锰高铝含钒无磁钢板的制造方法，其包括下列步骤：

（1）采用电弧炉+钢包精炼炉进行冶炼；

（2）连铸；

（3）加热；

（4）轧制。

在本发明中，通过电弧炉+钢包精炼方式进行冶炼，这样可以大量使用低成本的原料，避免直接采用金属锰作为锰元素的添加原料，从而无需在冶炼前对原料进行烘烤，既降低了成本投入，又简化了步骤流程。

采用模铸工艺需要逐个对钢锭切头去尾，生产成材率低，在后序的热轧过程中还需要中间开坯，开坯后还要再次精整修磨，生产周期长。因此在本发明所述的技术方案中，采用连铸工艺将坯料制成连铸坯，最终连铸坯直接一次加热热轧成型。因此，相较于模铸工艺，连铸工艺可以实现2～3炉连续浇铸，无需逐个对钢锭进行切头去尾处理，其总体成材率高，并且缩短了生产所需的时间，提高了生产制造效率。

进一步地，在本发明所述的高锰高铝含钒无磁钢板的制造方法中，在上述步骤（1）中，在电弧炉阶段加入电解锰，使Mn元素含量为15～19%；然后在钢包精炼炉冶炼阶段加入Mn合金，使Mn元素含量为21.50～25.00%。

不同于在精炼炉阶段中加入电解锰，在电弧炉阶段加入电解锰，一方面可以使得电解锰在电弧炉内逐步熔化，另一方面可以增加电解锰的冶炼时间，以便于脱气处理，从而避免钢材产生气泡缺陷。另外，需要控制在电弧炉阶段中电解锰的添加量，使得电弧炉中的锰元素含量为15～19wt%，以避免在精炼炉冶炼阶段时合金添加比例增大。

向精炼炉中加入Mn合金，并使得锰元素的含量为21.50～25.00wt%，其中，精炼炉主要起到均匀成分，微调成分和微调温度的作用。

需要说明的是，在钢包精炼阶段可以采用底吹氩气搅拌，搅拌时间≥10min，Mn合金则可以采用低碳Mn-Fe合金。

进一步地，在本发明所述的高锰高铝含钒无磁钢板的制造方法的步骤（2）中，中间包温度控制为1445～1460℃。

在连铸过程中，调包温度是根据钢的液相线温度和炼钢工位到连铸平台过程中的温降程度来决定的，需要将中间包的温度控制为1445～1460℃。若中间包温度高于1460℃，连铸坯将会出现柱状晶特别粗大的情况，造成柱状晶间偏析，纵向裂纹及中心偏析等缺陷；若中间包温低于1445℃，连铸坯表面则容易产生结疤，夹渣及夹杂等缺陷，并且容易在浇铸过程中造成水口堵塞，从而导致浇铸过程的中断。

进一步地，在本发明所述的高锰高铝含钒无磁钢板的制造方法的步骤（2）中，控制水口插入深度为105～115mm。

当水口插入深度小于深度下限时，连铸坯会出现夹渣，裹渣及边裂等不良缺陷，而当水口插入深度大于深度上限时，连铸过程中的保护渣熔化速度慢，容易造成铸坯润滑和传热的不良，从而造成浇铸过程的中断，因此，需要将水口插入深度控制在105～115mm的范围之内。

进一步地，在本发明所述的高锰高铝含钒无磁钢板的制造方法的步骤（3）中，加热温度为1150～1180℃。

更进一步地，在本发明所述的高锰高铝含钒无磁钢板的制造方法的步骤（3）中，加热时间为1.2-1.5min/mm。

在加热过程中，控制加热温度和加热时间，以保证坯料温度均匀后出炉。

更进一步地，在本发明所述的高锰高铝含钒无磁钢板的制造方法的步骤（3）中，控制加热炉内的残氧量在5%（体积分数）以下。

由于在炉内残氧量高的情况下会发生钢坯表面元素选择性氧化的现象，例如，锰和铝元素选择性氧化后会造成连铸坯表面氧化不均匀，在板坯表面形成氧化裂纹，热轧后形成裂纹缺陷，因此，需要严格控制加热温度，并保证加热炉内残氧量≤5%（体积分数）。

更进一步地，在本发明所述的高锰高铝含钒无磁钢板的制造方法的步骤（4）中，开轧温度为1120～1150℃，终轧温度为850～1000℃。

由于采用了上述技术方案，本发明所述的高锰高铝含钒无磁钢板具有以下优点：

1）电阻率高且磁导率低，在16000奥斯特磁场强度条件下，相对磁导率μ低于1.005，在磁场中的涡流损耗极小；

2）屈服强度为280～300MPa，强度为550～700Mpa，塑性延伸率为55～

65%；

3）生产工艺简单，生产周期短，生产成本低。

附图说明

图1显示了在连铸过程中当中间包温度过高时连铸坯表层截面的微观组织。

图2显示了在加热过程中当炉内残氧量超出范围时连铸坯表面的微观组织。图2中的P为晶界。

图3显示了在加热过程中当炉内残氧量超出范围时连铸坯表层附近截面的微观组织。图2中的Q为点缺陷、N为晶界裂纹。

具体实施方式

下面将根据具体实施例和说明书附图对本发明所述的高锰高铝含钒无磁钢板及其制造方法做进一步说明，但是具体实施例和相关说明并不构成对于本发明的技术方案的不当限定。

实施例A1～A4

按照下列步骤制造本发明所述的高锰高铝含钒无磁钢板，其包括：

1）冶炼：在电弧炉阶段加入电解锰，使得Mn元素含量为15～19wt%；然后在钢包精炼炉冶炼阶段加入低碳Mn-Fe合金，使得Mn元素含量为21.50～25.00wt%，其中，钢包精炼炉主要起到均匀成分、微调成分和微调温度的作用，采用底吹氩气搅拌，搅拌时间≥10min，控制钢中的化学元素质量百分配比如表1所示；

2）连铸：在连铸过程中采用专用保护渣，控制水口插入深度为105～115mm，并且控制中间包的温度为1445～1460℃；

3）加热：入炉温度为700～900℃，加热时间为1.2-1.5min/mm，加热温度设定在1150～1180℃之间，同时，在加热过程中控制炉内的残氧量在5%（体积分数）以下；

4）轧制：开轧温度为1120～1150℃，终轧温度为850～1000℃；

5）轧后空冷或缓冷。

上述各步骤中的相关工艺参数详见表2，所获得的高锰高铝含钒无磁钢板的相关力学性能详见表3。

表1.实施例A1～A4中的化学元素的质量百分配比

（wt%，余量为Fe和其他不可避免的杂质）

序号	C	Mn	Al	V	N
						A1	0.14	24.50	1.55	0.10	0.010
A2	0.18	22.00	2.00	0.08	0.002
						A3	0.19	21.90	2.20	0.06	0.001
A4	0.20	21.50	2.50	0.04	0.005

表2列出了实施例A1～A4中的各步骤的工艺参数。

表2.

表3列出了实施例A1～A4中的高锰高铝含钒无磁钢板的各项性能参数。

表3.

序号	强度（MPa）	屈服强度（MPa）	塑性延伸率（％）	弯曲试验	相对磁导率(1600A/m)
						A1	600	265	62	合格	1.00213
A2	650	270	60	合格	1.00212
						A3	689	275	59	合格	1.00217
A4	695	276	57	合格	1.00215

从表3可以看出，实施例A1～A4中的高锰高铝含钒无磁钢板具有良好的力学性能，其强度≥600Mpa，屈服强度≥265Mpa，塑性延伸率≥57%，弯曲试验均合格，能够完全满足无磁钢板的力学性能要求。此外，该高锰高铝含钒无磁钢板在1600A/m条件下的相对磁导率均小于1.003，磁导率低，在磁场中的涡流损耗极小。

另外，图1显示了在连铸过程中当中间包温度过高时所获得的连铸坯表层截面的微观组织。

在连铸过程中，当中间包温度超过1460℃时，从图1可以看出，表层截面的柱状晶会特别粗大，过热程度越高柱状晶就越粗大，严重时甚至会产生晶间裂纹，同时，在晶间也出现了偏析的碳化物。

图2显示了在加热过程中当炉内的残氧量过高时所获得的连铸坯表面的微观组织，而图3则显示了在加热过程中当炉内的残氧量过高时所获得的连铸坯表层附近截面的微观组织。

在加热过程中，当炉内残氧量超过5%时，从图2中可以看出，连铸坯表面氧化严重，尤其是晶界P氧化，晶界P氧化后呈网状分布。另外，从图3中可以看出，由于Mn、Al元素会发生选择性氧化，连铸坯表层附近晶界严重氧化，并产生大量氧化裂纹N。同时，在晶界和裂纹附近存在有大量的点状缺陷Q，这是由于Al的选择性氧化而生成的。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种高锰高铝含钒无磁钢板，其特征在于，其化学元素质量百分配比为：

余量为Fe和其他不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的高锰高铝含钒无磁钢板的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：

（1）采用电弧炉+钢包精炼炉进行冶炼；

（2）连铸；

（3）加热；

（4）轧制。

3.如权利要求2所述的高锰高铝含钒无磁钢板的制造方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，在电弧炉阶段加入电解锰，使Mn元素含量为15～19%；然后在钢包精炼炉冶炼阶段加入Mn合金，使Mn元素含量为21.50～25.00%。

4.如权利要求2所述的高锰高铝含钒无磁钢板的制造方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，中间包温度控制为1445-1460℃。

5.如权利要求2所述的高锰高铝含钒无磁钢板的制造方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，控制水口插入深度为105-115mm。

6.如权利要求2所述的高锰高铝含钒无磁钢板的制造方法，其特征在于，在所述步骤（3）中，加热温度为1150-1180℃。

7.如权利要求2所述的高锰高铝含钒无磁钢板的制造方法，其特征在于，在所述步骤（3）中，加热时间为1.2-1.5min/mm。

8.如权利要求2所述的高锰高铝含钒无磁钢板的制造方法，其特征在于，在所述步骤（3）中，控制加热炉内的残氧量体积分数5%以下。

9.如权利要求2所述的高锰高铝含钒无磁钢板的制造方法，其特征在于，在所述步骤（4）中，开轧温度为1120-1150℃，终轧温度为850-1000℃。