CN105296849B - 一种大型发电机转子用无取向电工钢及生产方法 - Google Patents

Abstract

一种大型发电机转子用无取向电工钢，其组分及wt%为：C≤0.0030%，Si：2.8～3.2%，Mn：0.60～0.90%，P≤0.05%，S≤0.0050%，Als：0.55～0.75%，N≤0.0040%，V：0.040～0.060%；生产方法：按纯净钢冶炼并连铸成坯；将铸坯加热；热轧并卷取；常化；酸洗；冷轧至成品厚度；连续退火；常规冷却、涂层及精整。本发明通过添加少量的钒（钒比值在1.0～1.5之间）、控制硅当量在4.0以上和合适的生产工艺，能获得磁性能：P_1.0/50≤5.0W/kg，B₅₀₀₀≥1.60T，铁损各向异性≤9%，又可使屈服强度≥600MPa、低周疲劳强度≥420MPa，成品厚度在1.00±0.03mm，厚度同板差≤30μm，满足大型发电机转子用无取向电工钢的要求。

Description

一种大型发电机转子用无取向电工钢及生产方法

技术领域

本发明涉及一种无取向硅钢及生产方法，具体地属于一种大型发电机转子用无取向电工钢及生产方法，特别适用于产品厚度在1.00±0.03mm的大型发电机转子用无取向电工钢及生产方法。

背景技术

随着水轮发电机组向大型化、巨型化方向发展，磁轭用钢的要求也逐渐提高。九十年代以前，磁轭用钢全部依赖进口，转子材料以高强度为主要指标。由于机组功率不断提高，转子材料不仅要有高强度而且要有高精度。目前国内已开发出屈服强度达到600MPa及以上级别的热轧磁轭钢，但存在以下两个问题：其一，热轧板厚度精度无法达到30μm以内；其二，磁性能指标不能达到要求，特别是因为厚度通常都在2.0mm以上，其铁损P_1.0/50无法降到5.0W/kg以下，不能满足需要。

经检索：中国专利公开号为CN103173678A的文献，公开了一种转子用无取向硅钢及其制造方法。其通过在传统高牌号无取向硅钢中添加少量硼（B≤0.005%），主要合金元素满足4.1%≤（Si+Al/2+Mn）≤6.0%，还通过钙处理脱S(S≤10ppm)和850~900℃×90S常化、>100℃温轧、920~950℃×20S再结晶退火等技术手段，实现优良磁性能(B₅₀₀₀≥1.66T，P_1.5/50≤2.70W/kg，各向异性≤9%)和高强度（屈服强度≥420MPa，低周疲劳强度≥420MPa）。该文献存在屈服强度低，加工难度大的不足，不能满足大型电机转子用钢的要求。

中国专利公开号为CN103409684A的文献，公开了一种高强度冷轧磁极钢及其制备方法。其通过添加0.05~0.07%C、1.0~1.2%Mn、0.3~0.5%Si、0.02~0.07%Als、Ti≤0.04%、Nb≤0.04%等化学元素，并通过在连续退火+平整工艺获得高强度和高磁感性能。但是，经平整以后铁损很高，也没有考虑到疲劳强度的问题，对于大型电机转子用钢来讲，不能满足要求。

中国专利公开号为CN201010278193.9的文献，公开了一种高磁感含钒含钛无取向电工钢，其化学成分重量百分比为C：0.001～0.005％、Si：0.50～0.65％、Mn：0.15～0.35％、P≤0.025％、S≤0.008％、Als：0.25～0.35％、N≤0.007％、0＜Ti≤0.01％、0＜V≤0.01％、余量为Fe和不可避免的杂质，通过合理的成分设计，减少细小弥散的钒钛碳氮化物的析出。其制备方法，加热温度为1130～1160℃；精轧开轧温度为≥1020℃、终轧温度为870～910℃，卷取温度为≥650℃。通过抑制钒钛的不利影响，能生产满足电磁性能要求的含钒含钛无取向电工钢。但该文献不仅没有考虑疲劳强度、而且屈服强度与磁性能等指标均不能满足大型发电机组的转子磁轭要求。

中国专利申请号为201310420802.3的文献，公开了一种Rm≥600MPa的优良磁性能无取向电工钢及其生产方法。其成分重量百分比含量为：Si：2.5～3.5%，Mn：0.1～1.0%，Ni+Al不超过1.0%， N≤0.005%，S≤0.015%，C≤0.003%，P≤0.05%,其余为铁及残余含量；且要满足：1.0≤Al/Ni≤2.0；性能：Rm≥600MPa，Rel≥500MPa，P_1.0/400≤17 W/kg，B₅₀₀₀≥1.66T。该文献为高转速的驱动电机设计，要求高频铁损低，通过Ni和Al等元素的固溶强化获得高强度，厚度为0.35mm及以下的薄规格产品。因要求铁损低所以成本相对较高，也没有考虑疲劳强度。疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一，在交变应力的作用下，虽然材料所承受的应力低于材料的屈服点，但经过长时间的工作后也会产生裂纹或突然发生完全断裂。如果将该材料用于大型发电机的转子，一方面因厚度同板差难以保证，另一方面因叠片较多对铆接要求更高，相反不利于提高疲劳强度。

中国专利申请号为200910049782.7的文献，公开了一种500Mpa级冷轧磁极钢的制造方法.其成分重量百分比含量为：C：0.07~0.1%，Si：0.18~0.31%，Mn：1.00~1.50%，P≤0.02%，S≤0.007%，O≤0.004%，N≤0.004%，Nb：0.046~0.06%，Ti≤0.003%，V：0.050~0.070%，余量为Fe和不可避免的杂质；性能：Rm≥570MPa，B5000≥1.570T，但没有考虑控制铁损（Si含量太低），这对转子发热不利。

美国专利US20090202383，其公开了一种无取向硅钢及其制造方法。其通过添加Cu、Ni、Cr、Mo、W等元素、进行基体固溶强化和第二相析出强化来提高屈服强度，但该方法磁性能较差，成本较高。也没有考虑疲劳强度，对大型发电机的转子来说，应该是磁性能与高强度兼顾。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种屈服强度≥600MPa、低周疲劳强度≥420MPa，厚度同板差≤30μm，B₅₀₀₀≥1.60T，P_1.0/50≤5.0w/kg，铁损各向异性≤9%的大型发电机转子用无取向电工钢及生产方法。

实现上述目的的措施：

一种大型发电机转子用无取向电工钢，其组分及重量百分比含量为：C≤0.0030%，Si：2.8～3.2%，Mn：0.60～0.90%，P≤0.05% ，S≤0.0050%，Als：0.55～0.75%， N≤0.0040%，V：0.040～0.060%，其余为Fe及不可避免的残余元素；同时要满足：硅当量Si_eq=Si+2Als-0.5Mn+2.92P≥4.0，1.0≤钒比值Vs=100×V/Si_eq≤1.5；屈服强度≥600MPa、低周疲劳强度≥420MPa，厚度同板差≤30μm，B₅₀₀₀≥1.60T，P_1.0/50≤5.0w/kg，铁损各向异性≤9%。

一种大型发电机转子用无取向电工钢的生产方法，其步骤：

1）按纯净钢冶炼并连铸成坯；

2）对连铸坯进行加热，均热温度控制在1200～1250℃，在炉时间为2～4h；

3）进行热轧并卷取：控制粗轧道次为6～8次，控制精轧入口温度为950～990℃，终轧温度为810～850℃；卷取温度为650～680℃；

4）进行常化，控制常化均热温度在750℃～850℃，通板速度在30～40m/min；

5）进行酸洗，控制酸洗温度在80～100℃，酸洗时间在3～5min；

6）进行冷轧：控制总压下率不低于60%，控制成品厚度在1.00±0.03mm；

7）进行连续退火，脱碳温度为800~850℃，露点温度为25～35℃，退火温度为720～780℃，均热时间为60～90S，气氛为常规的H₂+N₂混合气；

8）按常规进行冷却、涂层及精整。

本发明无取向电工钢的成分及制备工艺主要围绕高强度和高性能设计。在强度设计方面以加V的固溶强化为主、配合低温常化和低温退火等工艺措施提高屈服强度和疲劳强度；在磁性能设计方面，在保证必要的硅当量的基础上，通过热轧高温卷取、常化及成品退火等改善磁性能。

本发明中各元素及主要工艺的机理和作用：

Si能提高电阻率，降低铁损；Si也是固溶强化元素，能显著提高屈服强度，过高的Si会降低磁感。为保证一定的屈服强度和磁性能，本发明规定Si：2.8～3.2%。

Mn作为置换型固溶元素，能显著提高钢板的屈服强度和疲劳强度，但Mn也不能过高。因为过高的Mn易造成热轧轧制力波动，不利于板型精度控制。因此本发明规定Mn：0.60～0.90%。

钢中少量的P可以提高电阻率，降低铁损，但P高易引起磷脆，因此本发明规定P≤0.05%。S是钢中的有害元素，特别是在加工过程中易形成有害夹杂MnS，阻碍再结晶退火时的晶粒长大。

另外，S高显著降低疲劳强度。因此本发明规定S≤0.0050%。

Al可溶于铁素体提高电阻率降低铁损，同时能脱氧固氮，但容易造成成品板表层内氧化；Al能提高屈服强度，但高Al会使冶炼浇铸困难并降低成品板的磁感。因此本发明规定Als：0.55～0.75%。

N易形成弥散细小的AlN强烈阻碍晶粒长大，恶化铁损，因此本发明规定N≤0.0040%。V在钢中主要以碳氮化物形式存在，能起到细化晶粒和析出强化作用，能有效提高钢板的屈服强度和疲劳强度，但过多的V将对磁性能不利，因此本发明规定V：0.040～0.060%。

本发明采用纯净钢冶炼工艺，通过连续浇铸得到连铸坯。对连铸坯的加热温度设计得比一般中低牌号无取向硅钢还要高（1200～1250℃），在炉时间为(2～4h)，主要是通过V的充分固溶和VN的弥散析出来提高屈服强度。

之所以采用6～8次的粗轧，使钢中粗大的晶粒细化；

同时控制精轧入口温度为950～990℃，保证轧制顺利，且适当控制其终轧温度为810～850℃，卷取温度在650～680℃，一方面为钢板中的动态回复和动态再结晶提供驱动力，另一方面通过析出强化来提高强度。过高的卷取温度使得VN不能弥散析出，过低的卷取温度对降低铁损不利。最终控制热轧板厚度为2.55±0.1mm，保证冷轧压下率及同板差要求。

常化处理是提高磁性能的常见手段之一，控制常化均热温度在750℃～850℃和通板速度为30～40m/min，是必要条件。过高的常化温度及过慢的通板速度都对提高屈服强度不利，但是过低的常化温度及过快的通板速度都对提高磁性能不利。

冷轧是实现高厚度精度的关键步骤。控制总压下率不低于60%，保证成品厚度为1.00±0.03mm，满足用户需求。

连续退火也是实现高性能和高强度结合的关键步骤。才用合适的退火温度，同时根据带钢厚度匹配相应的退火时间。如果退火温度高、带钢在炉时间长，晶粒尺寸过大，钢板强度下降；而退火温度过低、带钢在炉时间短，会造成钢板性能不均匀，影响磁性能和冲压质量。所以控制脱碳温度在800~850℃和露点温度在25～35℃，是将碳含量降低的必要措施。控制退火温度在720～780℃和均热时间在60～90S，一方面要降低铁损提高磁感，另一方面高强度需要不完全退火，使钢板中存在部分未再结晶组织，这样才能保证屈服强度在600MPa以上。退火气氛为H₂+N₂混合气，使钢板表面无氧化；同时在钢板表面涂上一层半有机涂层，防止叠片时产生较大的涡流损失。

本发明旨在通过添加少量的V和合适的制备工艺来生产高强度和高性能兼备的无取向电工钢产品，满足大型发电机转子磁轭用钢需要。

本发明与现有技术相比，通过添加少量的钒（钒比值在1.0～1.5之间）、控制硅当量在4.0以上和合适的生产工艺，既可获得优良磁性能（P_1.0/50≤5.0W/kg，B₅₀₀₀≥1.60T，铁损各向异性≤9%），又可获得高强度，即屈服强度≥600MPa、低周疲劳强度≥420MPa，成品厚度在1.00±0.03mm，满足大型发电机转子用无取向电工钢的要求。

附图说明

图1为钒比值与硅当量的关系；

图2为常化板的金相组织；

图3为成品板的金相组织。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例及对比例的化学成分取值列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数情况列表；

表3为本发明各实施例及对比例的性能检测结果列表。

本发明各实施例按照以下步骤生产：

1）按纯净钢冶炼并连铸成坯；

2）对连铸坯进行加热，均热温度控制在1200～1250℃，在炉时间为2～4h；

3）进行热轧并卷取 ：控制粗轧道次为6～8次，控制精轧入口温度为950～990℃，终轧温度为810～850℃；卷取温度为650～680℃；

4）进行常化，控制常化均热温度在750℃～850℃，通板速度在30～40m/min；

5）进行酸洗，控制酸洗温度在80～100℃，酸洗时间在3～5min；

6）进行冷轧：控制总压下率不低于60%，控制成品厚度在1.00±0.03mm；

7）进行连续退火，脱碳温度为800~850℃，露点温度为25～35℃，退火温度为720～780℃，均热时间为60～90S，气氛为常规的H₂+N₂混合气；

8）按常规进行冷却、涂层及精整。

以下各实施例的成品厚度在1.00±0.03mm；

需要说明的是以下表1及表中数据并非对应关系。

表1本发明各实施例及对比例的化学成分取值列表

注：硅当量Si_eq=Si+2Als-0.5Mn+2.92P，钒比值Vs=100×V/Si_eq。

表2本发明各实施例及对比例的主要工艺参数情况列表

续表2-1

续表2-2

表3本发明各实施例及对比例的性能检测结果列表

注：(1)磁性能为纵横向各8片的方圈试样测试的性能，测量密度为7.6g/cm3；

(2)铁损各向异性为(Pc-PL)/(Pc+PL)×100%；

(3) 屈服强度为平行于轧向试样的性能；

(4) 低周疲劳强度为平行于轧向试样（1.0×5.0×150mm）在频率为20Hz、应力比为0.1的条件下测试的拉-拉疲劳性能。

从表3可以看出，与对比例相比，本发明实施例的厚度同板差≤30μm，磁性能B₅₀₀₀≥1.60T，P_1.0/50≤5.0w/kg，铁损各向异性≤9%，屈服强度≥600MPa、低周疲劳强度≥420MPa，可满足大型发电机转子用无取向电工钢的要求。

本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。

Claims (2)

1.一种大型发电机转子用无取向电工钢，其组分及重量百分比含量为：C≤0.0030%，Si：3.07～3.2%，Mn：0.60～0.90%，P≤0.05% ，S≤0.0050%，Als：0.55～0.75%， N≤0.0040%，V：0.040～0.060%，其余为Fe及不可避免的残余元素；同时要满足：硅当量Si_eq=Si+2Als-0.5Mn+2.92P≥4.0，1.0≤钒比值Vs=100×V/Si_eq≤1.5；屈服强度≥600MPa、低周疲劳强度≥420MPa，厚度同板差≤30μm，B₅₀₀₀≥1.60T，P_1.0/50≤5.0w/kg，铁损各向异性≤9%。

2.一种大型发电机转子用无取向电工钢的生产方法，其步骤：

1）按纯净钢冶炼并连铸成坯；其连铸坯组分及重量百分比含量为：C≤0.0030%，Si：3.07～3.2%，Mn：0.60～0.90%，P≤0.05% ，S≤0.0050%，Als：0.55～0.75%， N≤0.0040%，V：0.040～0.060%，其余为Fe及不可避免的残余元素；

2）对连铸坯进行加热，均热温度控制在1200～1250℃，在炉时间为2～4h；

3）进行热轧并卷取：控制粗轧道次为6～8次，控制精轧入口温度为950～990℃，终轧温度为810～850℃；卷取温度为650～680℃；

4）进行常化，控制常化均热温度在750℃～850℃，通板速度在30～40m/min；

5）进行酸洗，控制酸洗温度在80～100℃，酸洗时间在3～5min；

6）进行冷轧：控制总压下率不低于60%，控制成品厚度在1.00±0.03mm；

7）进行连续退火，脱碳温度为800~850℃，露点温度为25～35℃，退火温度为720～780℃，均热时间为60～90S，气氛为常规的H₂+N₂混合气；

8）按常规进行冷却、涂层及精整。