CN105624556B - 一种热轧磁极钢板及其制造方法 - Google Patents

一种热轧磁极钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种热轧磁极钢板及其制造方法。钢板通过C、Si、Mn、P、S、Nb、Ti、Al、N的配合，经转炉冶炼、LF精炼、轧制、退火与平整，钢板的屈服强度≥650MPa，磁感性能B50≥1.5T。制造方法的步骤是：Ⅰ转炉冶炼；ⅡLF精炼加入Fe‑Ti合金化，出LF工位前喂Si‑Ca线，钢水达到要求出钢；Ⅲ连铸长水口保护浇注，温度1530～1550℃；Ⅳ 轧制铸坯加热1250～1350℃，保温：Ⅴ退火罩式炉中退火，温度450‑600℃，保温在冷后出炉；Ⅵ平整钢卷开平后，横纵不平度≤2mm/m。本发明制造的热轧磁极钢板屈服强度、抗拉强度与磁感性能高，能满足大型水轮发电机转子的要求。

Description

一种热轧磁极钢板及其制造方法
技术领域
本发明属于水轮发电机转子体磁极用钢板及其制造方法，特别是涉及一种热轧磁极钢板及其制造方法。
背景技术
磁极是水轮发电机转子体的关键部件，通过磁轭连接在水轮发电机转子体轴上，与磁轭钢板叠合成高度为2000-4000毫米、直径为十几米的大环件，直接在50～100高斯的磁场下工作，同时还承受着巨大的转动惯量。因此，为了提高水轮发电机的发电效率，必须要求磁极具有较高的尺寸精度和足够的强度，以保证机组高速运行的平衡和稳定；同时又必须具有优良的磁通量，以保证机组减少涡流损失。
随着水电机组的大型化发展，国内主要生产厂都在积极开发高强度级别的磁极钢。
公告日为2008年9月17日的发明专利CN100419108C、公告日为2008年6月4日的发明专利CN100392133C、公告日为2008年6月4日的发明CN100392134C、公告日为2011年11月23日的发明专利CN1101871076B 、公告日为2015年1月21日的发明专利CN104294151A分别公开了250MPa级、 350MPa级、450MPa、 550MPa和600MPa级冷轧磁极钢的生产方法，其生产工艺均为热轧+酸洗+冷轧+退火，其缺点是工序多、生产周期长，环境污染高、且生产出来的磁极钢屈服强度不高，最大仅为 600MPa，不能满足水轮发电机组大型化的发展需求。
发明内容
为解决现有技术所存在的生产周期长、成本高、环境污染大的问题，本发明提供了一种能满足大型水轮发电机转子中磁极部分使用的屈服强≥650MPa，磁感性能B50≥1.5T的高强度热轧磁极钢板。
本发明的另一个目的是提供该钢板的制造方法。
本发明化学成分体系中不添加Ni、Mo等贵重金属元素，仅添加微合金化元素Nb、Ti，且两者合金总量≤0.17%，通过合适的热轧、卷取工艺，可使材料的屈服强度达到650MPa，5kA/m磁场下的磁感应强度达到1.50T以上。通过热连轧罩式炉整卷退火，消除钢板残余应力，在保持高强度、高磁感的情况下，获得了良好的切割板形，完全满足大型水轮发电机组对磁极钢板的使用要求，该生产方法具有工序少、成本低、污染小、效率高的优点。
本发明的机理是碳C含量为0.04％～0.08％，碳是钢中不可缺少的提高钢材强度的元素之一，碳含量过低，无法保证钢的基体强度；碳含量过高不仅会损害到钢的磁感性能，而且碳含量易落在包晶钢范围，铸坯易产生角裂，影响表面质量。将碳含量限定在0.04％～0.08％， 既可提高钢的强度，保证钢的磁感性能；又可避开包晶区，保证生产顺行。
锰Mn含量为1.60～2.10%，锰是提高材料强度的重要元素之一，但锰含量过高会产生偏析，并恶化韧性。
磷P含量≤0.018％、硫(S)含量≤0.008％，磷硫元素过高对磁性能、材料韧性产生不利影响。本发明应尽量减少磷、硫元素含量，降低对钢性能的不利影响。
硅Si含量≤0.20％，硅对热连轧板卷表面质量有不利影响， 因此本发明应尽量降低钢中硅含量。
钛Ti含量为0.06％～0.12％，钛是一种强烈的碳化物和氮化物 形成元素，钛在钢加热中阻止奥氏体晶粒长大，在中温卷取具有强烈的析出作用，提高钢的强度。
铌Nb含量为0.05％～0.09％，微量的铌能显著细化晶粒，本发明铌与钛复合加入，可有效解决单Ti微合金化钢的强度波动大的技术难题。
铝Al含量为0.01～0.06％，其主要作用是脱去钢水中的氧。
本发明的N≤0.008%，N易与钢中的Ti结合形成较粗大的TiN粒子，TiN虽可组织奥氏体晶粒长大，但同时也降低了钢中“有效钛”含量，削弱了Ti的析出强化作用，因此将N含量控制在0.008%以下。
本发明的热轧磁极钢板的化学成分按质量百分配比如下：
C：0.04～0.08%,Si：0～0.20%，Mn：1.60～2.10%，P≤0.018%，S≤0.008%,Nb：0.05～0.09%,Ti：0.06～0.12%，Al：0.01～0.06%,N≤0.008%,其余为Fe与不可避免的杂质。
经过铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、连铸、轧制、退火与平整，钢板的屈服强度690~750MPa，抗拉强度760~810MPa，延伸率19~23.5%，磁感性能B50：1.59~1.71T,B100：1.75~1.84T，B200：1.91~2.00 T，B300：2.01~2.10T。
本发明的热轧磁极钢板的其制造方法包括下述依次步骤：
Ⅰ 转炉冶炼
铁水经预处理，转炉入炉铁水S≤0.0030%。转炉终点控制：C ≥0.03%，P≤0.008%，S≤0.006%。
ⅡLF精炼
采用LF炉精炼，对钢中成分进行微调，加入Fe-Ti合金化，之后吹氩搅拌3分以上。钢包出LF工位前进行喂Si-Ca线2～4m/t，且底吹氩弱搅拌5分钟以上。
钢水的成分的质量百分比达下述要求出钢：
C：0.04～0.08%,Si：0～0.20%，Mn：1.60～2.10%，P≤0.018%，S≤0.008%,Nb：0.05～0.09%,Ti：0.06～0.12%，Al：0.01～0.06%,N≤0.008%,其余为Fe与不可避免的杂质。
Ⅲ 连铸
采用长水口保护浇注，浇注温度控制在1530～1550℃，拉速0.85-1.30m/min。
Ⅳ轧制
将200-230mm铸坯加热至1250～1350℃，保温时间按0.9-1.4min/mm计算。控制加热温度在1250-1350℃的目的：保证微合金化元素尤其是Ti能够充分回溶，为随后的轧制及卷取过程中的析出提供物质基础，实现析出强化。
若加热温度较低，合金元素回溶不充分，不能为后续析出提供物质保障，达不到析出强化效果；加热温度过高，又易使组织过分粗大，不利于提高强度。因此，将连铸坯加热温度定为1250～1350℃。采用多机架热连轧将铸坯轧至目标厚度（1.5-3mm），精轧终轧温度为860～930℃，一方面通过高温轧制降低轧制负荷，另一方面，高温终轧可以使钢板表面获得致密的氧化铁皮，在后续的使用过程中，表面不会产生黑灰，不会对生产环境造成污染。轧后层流冷却采用带钢全长冷却方式；卷取温度为580～650℃， 在该温度下卷取，能够充分发挥铌钛析出强化效果，温度过低，析出不充分，强度不足；温度过高，位错减少，降低强度。
Ⅴ 退火
轧后钢卷放入罩式炉中进行退火，退火温度450-600℃，有效保温时间4-8h，冷到250℃以下，出炉。在此工艺下退火，获得了强度和磁性能的良好匹配，同时钢板残余应力得到充分释放。
Ⅵ 平整
将退火后的钢卷进行平整，轧制压力550-650吨，在对钢卷开平后，横纵向不平度控制在2mm/m的较高水平，可满足大型水轮发电机组对磁极钢板不平度的高标准要求。
上述的热轧高强带钢的制造方法，其特征是：在步骤Ⅲ连铸时，在铸坯凝固末端，对铸坯施加3-4mm的压下量，以减小或消除中心偏析和疏松；在步骤Ⅳ轧制时，通过合理匹配加热、终轧、卷取温度，获得铁素体细晶粒，实现Nb、Ti化合物的两阶段析出，使钢的屈服强度达到650MPa以上；在步骤Ⅴ 退火时，合理的退火温度不但能充分释放钢卷残余应力，而且有助于提高磁性能，5kA/m磁场下的磁感应强度达到1.55T以上。
试验表明，本发明的屈服强度650MPa级高强度热轧磁极钢可以实现高强度、高磁感性能的良好匹配：屈服强度690~750MPa，抗拉强度760~810MPa，延伸率19~23.5%，磁感性能B50：1.59~1.71T,B100：1.75~1.84T，B200：1.91~2.00 T，B300：2.01~2.10T可以满足大型水轮发电机转子体磁极用钢的需求。
具体实施方式
下面结合实施例详细说明本发明的热轧磁极钢及其制造方法的具体实施方式，但热轧磁极钢及其制造方法的具体实施方式不局限于下述的实施例，下述的实施例只是有助于理解本发明。
钢板实施例一
本实施例是一种650MPa级热轧磁极钢，钢板厚1.8mm，宽1000mm，其化学成分的质量百分配比如下：
C：0.06%，Si：0.05%，Mn：1.75%，P：0.008%，S：0.004%,
Nb：0.06%,Ti：0.09%，Al：0.03%,N:0.004%，
其余为Fe与不可避免的杂质。
钢板屈服强度Rp0.2为710Mpa，抗拉强度Rm为790Mpa，延伸率A为22%,磁感性能B50：1.64T，B100：1.79T，B200：1.96 T，B300：2.06T钢板不平度≤2mm/m。
制造方法实施例一
本650MPa级热轧磁极钢板制造方法的实施例制造的是钢板实施例一的品种，它为下述依次的步骤：
Ⅰ 转炉冶炼
采用80吨转炉冶炼，入炉铁水S：0.0020%，出钢成分P：0.006%，出钢S：0:005%,C:0.04%。
ⅡLF精炼
采用LF炉精炼，对钢中成分进行微调，加入Fe-Ti合金化后，吹氩搅拌5分钟。钢包出LF工位前进行喂Si-Ca线3m/t，底吹氩弱搅拌8分钟。钢水的成分的质量百分比达下述要求出钢：
C：0.06%，Si：0.05%，Mn：1.75%，P：0.008%，S：0.004%,
Nb：0.06%,Ti：0.09%，Al：0.03%,N:0.004%，其余为Fe与不可避免的杂质。
Ⅲ 连铸
采用长水口保护浇注，浇注温度控制在1540℃，拉速1.0m/min。
Ⅳ轧制
将铸坯加热至1290℃，保温时间200min，采用1549热连轧机组将铸坯轧至1.8mm，终轧温度870℃；轧后带钢全长冷却方式；卷取温度590℃。
Ⅴ退火
轧后钢卷放入罩式炉中进行退火，退火温度500℃，有效保温时间6h，冷到200℃以下，出炉。
Ⅵ平整
将退火后的钢卷进行平整，轧制压力600吨，制成1.8mm热轧磁极钢。
在对钢卷开平后，横纵向不平度控制在2mm/m的较高水平，可满足大型水轮发电机组对磁极钢板不平度的高标准要求。
性能检验结果：钢板屈服强度Rp0.2为710Mpa，抗拉强度Rm为790Mpa，延伸率A为22%,冷弯试验d=2a完好。磁感性能B50：1.64T，B100：1.79T，B200：1.96 T，B300：2.06T，钢板不平度≤2mm/m。
钢板实施例二
本实施例是一种650MPa级热轧磁极钢，钢板厚1.6mm，宽1160mm，其化学成分的质量百分配比如下：
C：0.05%，Si：0.15%，Mn：1.80%，P：0.015%，S：0.007%,
Nb：0.05%,Ti：0.12%，Al：0.05%,N:0.006%，
其余为Fe与不可避免的杂质。
钢板屈服强度Rp0.2为730Mpa，抗拉强度Rm为800Mpa，延伸率A为20%,磁感性能B50：1.63T，B100：1.78T，B200：1.95 T，B300：2.02T钢板不平度≤2mm/m。
制造方法实施例二
本650MPa级热轧磁极钢板制造方法的实施例制造的是钢板实施例二的品种，它为下述依次的步骤：
Ⅰ 转炉冶炼
采用80吨转炉冶炼，入炉铁水S：0.0015%，出钢成分P：0.007%，出钢S：0:006%,C:0.03%。
ⅡLF精炼
采用LF炉精炼，对钢中成分进行微调，加入Fe-Ti合金化后，吹氩搅拌7分钟。钢包出LF工位前进行喂Si-Ca线2m/t，底吹氩弱搅拌6分钟。钢水的成分的质量百分比达下述要求出钢：
C：0.05%，Si：0.15%，Mn：1.80%，P：0.015%，S：0.007%,
Nb：0.05%,Ti：0.12%，Al：0.05%,N:0.006%，其余为Fe与不可避免的杂质。
Ⅲ 连铸
采用长水口保护浇注，浇注温度控制在1540℃，拉速1.2m/min。
Ⅳ轧制
将铸坯加热至1270℃，保温时间220min，采用1549热连轧机组将铸坯轧至1.6mm，终轧温度860℃；轧后带钢全长冷却方式；卷取温度640℃。
Ⅴ退火
轧后钢卷放入罩式炉中进行退火，退火温度600℃，有效保温时间4h，冷到220℃以下，出炉。
Ⅵ平整
将退火后的钢卷进行平整，轧制压力560吨，制成1.6mm热轧磁极钢。
在对钢卷开平后，横纵向不平度控制在2mm/m的较高水平，可满足大型水轮发电机组对磁极钢板不平度的高标准要求。
性能检验结果：钢板屈服强度Rp0.2为730Mpa，抗拉强度Rm为800Mpa，延伸率A为20%,磁感性能B50：1.63T，B100：1.78T，B200：1.95 T，B300：2.02T，钢板不平度≤2mm/m。
钢板实施例三
本实施例是一种650MPa级热轧磁极钢，钢板厚2mm，宽1000mm，其化学成分的质量百分配比如下：
C：0.08%，Si：0.10%，Mn：2.10%，P：0.010%，S：0.005%,
Nb：0.09%,Ti：0.07%，Al：0.04%,N:0.005%，其余为Fe与不可避免的杂质。
钢板屈服强度Rp0.2为690Mpa，抗拉强度Rm为780Mpa，延伸率A为23%,磁感性能B50：1.66T，B100：1.80T，B200：1.97 T，B300：2.08T，钢板不平度≤2mm/m。
制造方法实施例三
本650MPa级热轧磁极钢板制造方法的实施例制造的是钢板实施例三的品种，它为下述依次的步骤：
Ⅰ 转炉冶炼
采用80吨转炉冶炼，入炉铁水S：0.0025%，出钢成分P：0.005%，出钢S：0:004%,C:0.05%。
ⅡLF精炼
采用LF炉精炼，对钢中成分进行微调，加入Fe-Ti合金化后，吹氩搅拌7分钟。钢包出LF工位前进行喂Si-Ca线2.5m/t，底吹氩弱搅拌7分钟。钢水的成分的质量百分比达下述要求出钢：
C：0.08%，Si：0.10%，Mn：2.10%，P：0.010%，S：0.005%,
Nb：0.09%,Ti：0.07%，Al：0.04%,N:0.005%，其余为Fe与不可避免的杂质。
Ⅲ 连铸
采用长水口保护浇注，浇注温度控制在1530℃，拉速1.1m/min。
Ⅳ轧制
将铸坯加热至1250℃，保温时间230min，采用1549热连轧机组将铸坯轧至2mm，终轧温度910℃；轧后带钢全长冷却方式；卷取温度580℃。
Ⅴ退火
轧后钢卷放入罩式炉中进行退火，退火温度450℃，有效保温时间5h，冷到200℃以下，出炉。
Ⅵ平整
将退火后的钢卷进行平整，轧制压力620吨，制成2mm热轧磁极钢。
在对钢卷开平后，横纵向不平度控制在2mm/m的较高水平，可满足大型水轮发电机组对磁极钢板不平度的高标准要求。
性能检验结果：钢板屈服强度Rp0.2为690Mpa，抗拉强度Rm为780Mpa，延伸率A为23%,磁感性能B50：1.66T，B100：1.80T，B200：1.97 T，B300：2.08T，钢板不平度≤2mm/m。
上述三个制造方法实施例中，在步骤Ⅲ连铸时，在铸坯凝固末端，对铸坯施加3-4mm的压下量，以减小或消除中心偏析和疏松。
上述三个制造方法实施例中同，在步骤Ⅳ轧制时，通过合理匹配加热、终轧、卷取温度，获得铁素体细晶粒，实现Nb、Ti化合物的两阶段析出，使钢的屈服强度达到650MPa以上；在步骤Ⅴ 退火时，合理的退火温度不但能充分释放钢卷残余应力，而且有助于提高磁性能，5kA/m磁场下的磁感应强度达到1.55T以上。

Claims (2)

1.一种热轧磁极钢板，它的化学成分的质量百分配比如下：
C：0.04～0.08%,Si：0～0.20%，Mn：1.60～2.10%，P≤0.018%，S≤0.008%,Nb：0.05～0.09%,Ti：0.06～0.12%，Al：0.01～0.06%, N≤0.008% ,其余为Fe与不可避免的杂质；
经过铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、连铸、轧制、退火与平整，钢板的屈服强度690~750MPa，抗拉强度760~810MPa，延伸率19~23.5%，磁感性能B50：1.59~1.71T,B100：1.75~1.84T，B200：1.91~2.00 T，B300：2.01~2.10T。
2.一种热轧磁极钢板的制造方法，它包括下述依次步骤：
Ⅰ 转炉冶炼
转炉终点控制：C ≥0.03%，P≤0.008%，S≤0.006%；
ⅡLF精炼
LF炉精炼对钢中成分进行微调，加入Fe-Ti合金化，之后吹氩搅拌3分以上，钢包出LF工位前喂Si-Ca线2～4m/t，并且底吹氩弱搅拌5分钟以上；
钢水的成分的质量百分比达下述要求出钢：
C：0.04～0.08%,Si：0～0.20%，Mn：1.60～2.10%，P≤0.018%，S≤0.008%,Nb：0.05～0.09%,Ti：0.06～0.12%，Al：0.01～0.06%, N≤0.008% ,其余为Fe与不可避免的杂质；
Ⅲ 连铸
采用长水口保护浇注，浇注温度控制在1530～1550℃，拉速0.85-1.30m/min；
Ⅳ轧制
将200-230mm铸坯加热至1250～1350℃，保温时间按0.9-1.4min/mm计算，控制加热温度在1250-1350℃：
Ⅴ 退火
轧制后钢卷放入罩式炉中进行退火，退火温度450-600℃，有效保温时间4-8h，冷到250℃以下，出炉；
Ⅵ 平整
将退火后的钢卷进行平整，轧制压力550-650吨，在对钢卷开平后，横纵向不平度控制在2mm/m；
在步骤Ⅲ连铸时，在铸坯凝固末端，对铸坯施加3-4mm的压下量；
在步骤Ⅳ轧制时，通过合理匹配加热、终轧、卷取温度，获得铁素体细晶粒，实现Nb、Ti化合物的两阶段析出，使钢的屈服强度达到650MPa以上；在步骤Ⅴ 退火时，合理的退火温度不但能充分释放钢卷残余应力，而且有助于提高磁性能，5kA/m磁场下的磁感应强度达到1.55T以上。
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