CN105886932A - 一种高功率因数电机用无取向硅钢及生产方法 - Google Patents

Abstract

一种高功率因数电机用无取向硅钢，其组分及wt%为：C：≤0.0020%，Si：1.70～1.90%，Mn：0.10～0.20%，P：≤0.05%，S：≤0.0030%，Al：0.25～0.35%，Cr：0.05～0.50%，N：≤0.0020%；生产步骤：采用纯净钢模式冶炼并成坯；对铸坯加热；热轧；卷取；常化；酸洗；冷轧；在N₂+H₂气氛下成品退火；按常规进行冷却、涂层及精整。本发明厚度为0.50mm，铁损P_1.5/50≤3.3W/kg，B₅₀₀₀≥1.74T。从电机仿真结果表明：本发明产品可以制造出高功率因数电机，获得相对更高的电机效率，且成分简单。

Description

一种高功率因数电机用无取向硅钢及生产方法

技术领域

本发明涉及一种无取向硅钢及其生产方法，具体地属于一种高功率因数电机用无取向硅钢及生产方法。

背景技术

近年来，地球变暖和大气污染等环境问题及能源短缺问题受到全世界高度关注。为了抑制地球持续变暖，必须提高能源利用效率，减排以CO₂为主的温室气体。在我国，电机大约消耗国内总电力的60-70%，特别是工业电机要消耗掉70%以上的电力。相关报告表明，目前我国高效电机市场份额仅占整个电机市场的10％左右。为此，提高电机的性能与效率是一项长期而艰巨的任务，这就要求制造电机铁芯材料的无取向电工钢板进一步实现高性能化。

高效电机对无取向电工钢的性能要求，主要包括：

低铁损、高磁感：降低能耗、提高效率。

低、高场的导磁性良好：可降低磁化电流和铜耗。

低频和高频铁损低：可降低温升、提高效率、改善起动性能。

各向同性好：可降低电机工作中的旋转损耗而提高效率。

磁化曲线中的线性段范围宽：可降低非线性磁化引起的谐波损耗。

皮膜薄、耐温、绝缘效果好：皮膜减薄能降低铁芯内的气隙率。

屈强比高：可改善冲片加工性并降低边缘磁性恶化。

经检索：中国专利申请号为200910273336.4的文献，公开了一种含Cr无取向电工钢及其生产方法。其化学组分为：C：0.001～0.015%，Mn：0.2～0.8%，Cr：0. 1～0.8%，Al：0.1～1.4%，Si：0.1～0.9%，P≤0.08%，S≤0.015%， N≤0.008%， 其余为Fe及不可避免的杂质；同时要满足：Si+ Al之和在：0.2～2.0%。该文献通过添加少量的Cr，获得一种屈强比高，冲片工艺性能好，片间铆接强度高，各向同性好，耐蚀性强，使模具使用寿命长的无取向电工钢，但没有考虑电机的功率因数和效率。

中国专利申请号为201410556802.0的文献，公开了一种高效电机用无取向电工钢，其化学组分为：C：≤0.0030%，Si：1.9～2.1%，Mn：0.28～0.32%，Al：0.10～0.60%，P：0.01～0.06%，S≤0.0050%，Cu：0.10～0.30%，Sb：0.02～0.05%，N≤0.0030%，其余为Fe及不可避免的杂质；同时要满足：主合金元素之和：A1=（Si+Al+Mn）在2.0～3.0%，辅助元素之和：A2=(Cu+P+Sb)在0.16～0.40%，并且A1/ A2在6～18。该专利通过主辅元素的综合匹配，获得一种高磁感低铁损的无取向电工钢的生产方法，也没有考虑电机的功率因数和效率。

中国专利申请号为CN200510027404.0的文献，公开了一种低铁损高磁感冷轧无取向电工钢带的生产方法，其.成分为C≤0.0050％，Si≤2.50％，Al≤1.0％，且Si+2Al≤2.50％，Mn：0.10％～1.50％，P≤0.20％，S≤0.005％，N≤0.0025％，可添加Sn、Sb中的一种或两种，总量不超过0.2％，其余为铁和不可避免杂质。热轧板进行常化处理：以5～15℃/s的加热速度升高到Ac1以上、1100℃以下温度进行均热，均热时间：10s≤t≤90s；冷却，采用两阶段冷却：以≤15℃/s将钢带冷却到650℃以下，然后以保证板型前提下的速度冷却到80℃以下。该专利重点在于常化工艺的控制，没有具体性能指标，也没有考虑电机的功率因数和效率。

中国专利申请号为CN00115993.3的文献，公开了一种高效电机铁芯用系列电工钢，具体说是一种极高磁感低铁损冷轧无取向系列电工钢成分及生产方法。通过调整主合金元素含量，降低气体夹杂，添加偏析元素，采用低温热轧、一次法冷轧、干气或增湿气氛成品退火，使0.50mm产品P_1.5为2.30～10.00W/kg，而B₅₀₀₀达1.73～1.82T，比普通冷轧无取向硅钢对应牌号分别高0.10T以上，最适宜作各类高效率电机铁芯。该专利涵盖范围太广，重点在于考虑偏析元素的作用，没有考虑铬当量与硅当量，也没有考虑电机的功率因数和效率。

中国专利申请号为CN200510027401.7的文献，公开了一种具有高磁感的高牌号无取向电工钢及其制造方法，其成分重量百分比为：C≤0.0050％、N≤0.0030％、Si 1.50％～2.50％、Al 0.80％～1.30％、Mn 0.20％～0.50％、P≤0.030％、S≤0.005％、Sb 0.03％～0.10％、Sn 0.05％～0.12％、B 0.0005％～0.0040％、其余为铁和不可避免的夹杂；其中Sb和Sn选择其中一种。该专利成分中含Sn，因为Sn的熔点低，在成品退火时极易产生炉底辊结瘤现象，没有具体的性能范围，没有考虑铬当量与硅当量，也没有考虑电机的功率因数和效率。

从以上文献来看， 均未认为通过提高电机的功率因数能够提高电机效率的认识及相应技术措施。

发明内容

本发明在于克服现有技术仅通过将低铁损提高电机效率的不足，提供一种高功率因数电机用无取向硅钢及生产方法。

实现上述目的的措施：

一种高功率因数电机用无取向硅钢，其组分及重量百分比含量为：C：≤0.0020%，Si：1.70～1.90%，Mn：0.10～0.20%，P：≤0.05%，S：≤0.0030%，Al：0.25～0.35%， Cr：0.05～0.50%，N：≤0.0020%，其余为Fe及不可避免残余含量；并同时满足2.3≤Si_eq≤2.5和0.80≤Cr_eq≤0.85；磁性能：P_1.5/50≤3.3w/kg，B₅₀₀₀≥1.74T。

其在于：Si_eq的计算公式为：

式中：Si、Mn及Al均按质量百分比进行计算。

其在于：Cr_eq的计算式为：

式中：Si、Mn、Al、C、Cr、P、S及N均按质量百分比进行计算。

生产一种高功率因数电机用无取向硅钢的方法，其步骤：

1）采用纯净钢模式冶炼并连铸成坯；

2）对铸坯加热，控制其升温速度为6～10℃/min，均热温度在1100～1160℃，均热时间为30～60min；

3) 进行热轧，控制粗轧温度为1000～1050℃；控制精轧入口温度为950～1000℃，控制终轧温度750～850℃，并控制轧后热轧板的厚度不低于2.0mm；

4）进行卷取，控制卷取温度在650～750℃；随后缓冷至室温；

5）进行常化，控制其升温速度不低于20℃/S，控制均热段温度不低于950℃，均热时间不少于1min，常化结束后空冷至室温；

6）进行酸洗，酸液温度控制在80～95℃，酸洗时间不少于1min；

7）进行冷轧，轧制到0.50mm成品厚度，并控制第1道次的压下率不小于30%，总压下率不低于75%；

8）在N₂+H₂气氛下进行成品退火，并控制升温速度不低于25℃/S，均热段退火温度不低于920℃，均热时间不少于30S；控制均热段露点为-20～0℃、钢板通板速度不低于70m/min；

9）按常规进行冷却、涂层及精整。

本发明中各元素及主要工艺的作用及机理如下：

1）通过Cr对磁性和物理冶金的贡献及对硅钢组织结构的影响、Cr与Mn在硅钢中的复合作用等研究发现，可以采取以Cr替代部分Si+Al所起的作用；在本发明中，Cr 不仅能提高电阻率而降低涡流损耗，而且还可以促进硅钢再结晶组织的发达和完善，有利于改善磁性及冲片加工性。所以本发明中添加了少量的Cr。考虑到Cr与其它元素的复合作用，故提出采用Cr当量(Cr_eq) 进行控制，Cr_eq为：

且Cr_eq含量必须满足：0.80≤Cr_eq≤0.85。

经大量试验证明，当Cr_eq＜0.80时，尤其是硅或铬含量低，锰含量高时，可使γ相区急剧扩大，A₃点急剧降低，容易导致热轧过程中在两相区（α+γ）进行轧制形成混晶组织，使成品磁性恶化，另外A₃点急剧降低也会时成品退火温度降低，晶粒无法长大，铁损升高。

当Cr_eq＞0.85时，磁性转变温度(居里温度T_C)随Cr_eq的增加而降低，因此少量Cr加入到钢中能使T_C升高，由公式Ms²≈3N²μ_B ²(1-T/T_C)可知，T_C升高有利于饱和磁化强度M_S的提高。而Si、Al则不同，剧烈地降低Ms和Bs。

当0.80≤≤0.85时，形变诱导作用所产生的γ→α相变驱动力被消除，相变点温度A_r1相对降低，终轧温度容易接近A_r1点，在α单相区精轧的时间缩短，从而使热轧板内部再结晶组织发达、形变晶少、等轴晶多、等轴晶比例高，冷轧后的组织中过渡带和切变带发达，形变带少。由于过渡带和切变带是(100)等有利织构的形核地点，形变带是(111)等不利织构的形核位置，因此，退火后(100)有利织构发达，(111)等不利织构被弱化，改善磁性显著。另外，在这一范围内，还使材料层错能明显降低，进而阻碍位错的交滑移运动、提高位错密度、抑制形变位错胞的形成，并使抑制向不利于磁性的{111}位向的转动而促进再结晶和再结晶有利织构的形成。因此，添加适量的Cr替代部分(Si+Al)，利用Cr与其它元素的复合作用，使钢中的铬当量Cr_eq满足0.80≤≤0.85，可以保证成品的高频铁损低，改善成品织构提高磁感，并能提高电机的功率因数，进而提高电机单位电流的输出转矩。

(Si+Al)是降低铁损最有效的元素，但Si%过高会给冷加工带来很大困难，特别是当成品厚度较薄时尤为明显；Al%高连铸时易结瘤，铸坯表面易结疤,成品表面缺陷多。另外(Si+Al)含量高对降低磁感的作用也很明显。(Si+Al)主要依靠所产生的晶格畸变阻碍位错运动，所产生的加工硬化、提高位错密度和形变储能为主要途径，来增大静态再结晶动力而促进再结晶，但由于其层错能高，位错交滑移阻力小，容易发生回复，使亚晶组织中的位错密度降低，储存能下降，再结晶动力变小。

考虑到Si与其它元素的复合作用，因此，本发明还提出采用Si当量（Si_eq）作为另一个控制措施：Si当量：Si_eq=Si+2Al-0.5Mn+2.92P。并且从产品需要出发，在Si：1.70～1.90%，Al：0.25～0.35%基础上，提出2.3%≤Si_eq≤2.5％这一限制条件，其一方面是为了保证产品硬度适合冲片需要，另一方面是为了进一步提高性价比。

锰与硫形成MnS，可防止沿晶界形成低熔点的FeS所引起的热脆现象，因此要保证一定量的Mn来改善热轧塑性。Mn固溶在钢中可提高电阻率，提高电阻率程度相当于硅的1/2，而降低程度低于硅和铝。另外，适量的Mn有抑制（111）组分和促进（100）及（110）织构的作用，即提高有利织构的组分，所以要求Mn在：0.10～0.20%。

碳为有害元素，扩大γ相区使相变温度降低，碳含量高会迫使成品退火温度降低，晶粒长大不充分，铁损增高。所以要求C：≤0.0020%

硫为有害元素，硫与锰形成细小MnS时可强烈阻止成品退火时的晶粒长大。所以要求S：≤0.0030%

氮为有害元素，易形成细小AlN质点抑制晶粒长大。所以要求C：≤0.002%

磷量过高，特别是在碳量很低的情况下，冷加工性变坏，产品发脆。所以要求N：≤0.0020%

总之，本发明对各成分范围的限制要求是制造高功率因数电机的必要条件，同时也是技术创新之关键。

2）本发明专利对热轧工艺的精心设计也是生产高功率因数电机用无取向硅钢的关键步骤。首先，要求在板坯加热时，控制其升温速度为6-10℃/min，均热温度在1100～1160℃，均热时间为30～60min；这是保证热轧顺利进行并适当抑制MnS在钢中的固溶析出并为后续加工奠定较好基础的措施之一。

钢卷经热轧后，要求控制卷取温度为650～750℃，这是为了在热轧板内形成较多的铁素体组织。但是高温卷取工艺也会造成钢卷头尾冷却速度不均，导致头尾组织不均匀，其后在冷轧过程中因头尾轧制负荷不均导致板型难以控制，使得成品钢卷头尾性能差异较大。为此，本发明采用高温常化工艺处理热轧板头尾组织不均的问题。

常化时，控制其升温速度不低于20℃/S，控制均热段温度不低于950℃，均热时间不少于1min。常化后采用缓冷工艺，避免急剧水冷后部分夹杂物析出，阻碍退火过程中的晶粒长大，并且急冷会在钢板内部产生较大的内应力，给冷轧过程中板型控制带来困难。

3）本发明采用一次冷轧法轧到成品厚度，要求控制第1道次的压下率不小于30%，总压下率不低于75%，主要是为控制成品板型精度需要。

4）本发明在成品退火时要求控制升温速度不低于25℃/S，均热段退火温度不低于920℃，均热时间不少于30S；控制退火气氛为N₂+H₂ ，控制均热段露点为-20～0℃，控制钢板通板速度不低于70m/min。一方面保证成品钢板的晶粒充分长大，获得最佳晶粒尺寸；另一方面要获得较多的有利织构，使(100)和(110)组分增加、(1l1)组分减少。

与现有技术相比，本发明产品具有优良的磁性能，即厚度为0.50mm的产品，铁损P_1.5/50≤3.3W/kg，B₅₀₀₀≥1.74T。另外，针对不同磁性能产品进行同一型号(Y2-132M-4)电机仿真分析，结果表明：本发明产品可以制造出高功率因数电机，获得相对更高的电机效率。电机的高效率来自两个方面，一方面是因为铁芯材料的铁损低使电机总损耗降低；另一方面是铁芯材料的磁感高可以提高电机的功率因数，因而可以使电机输出的有功功率更多。

综上所述，本发明原理清晰、成分简单、生产方法实用，可以通过提高电机的功率因数来获得相对更高的效率。

附图说明

图1为本发明实施例及对比例的铁损与磁感的对应分布图；

图2为本发明实施例的成品组织；

说明：图1中左上角的点为本发明实施例结果；右下角的点为对比例结果。

具体实施方式

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列表；

表3为本发明各实施例及对比例性能检测及电机性能仿真列表。

本发明各实施例按照以下步骤进行：

1）采用纯净钢模式冶炼并连铸成坯；

2）对铸坯加热，控制其升温速度为6～10℃/min，均热温度在1100～1160℃，均热时间为30～60min；

3) 进行热轧，控制粗轧温度为1000～1050℃；控制精轧入口温度为950～1000℃，控制终轧温度750～850℃，并控制轧后热轧板的厚度不低于2.0mm；

4）进行卷取，控制卷取温度在650～750℃；随后缓冷至室温；

5）进行常化，控制其升温速度不低于20℃/S，控制均热段温度不低于950℃，均热时间不少于1min，常化结束后空冷至室温；

6）进行酸洗，酸液温度控制在80～95℃，酸洗时间不少于1min；

7）进行冷轧，轧制到0.50mm成品厚度，并控制第1道次的压下率不小于30%，总压下率不低于75%；

8）在N₂+H₂气氛下进行成品退火，并控制升温速度不低于25℃/S，均热段退火温度不低于920℃，均热时间不少于30S；控制均热段露点为-20～0℃、钢板通板速度不低于70m/min；

9）按常规进行冷却、涂层及精整。

表1中Si_eq及Cr_eq按照以下公式计算所得：

表1 本发明各实施例及对比例的成分取值列表（wt%）

实施例	C	Si	Mn	P	S	Al	Cr	N	Creq	Sieq
											1	0.0013	1.70	0.15	0.017	0.0018	0.30	0.50	0.0011	0.083	2.3
2	0.0016	1.72	0.20	0.016	0.0019	0.32	0.26	0.0020	0.080	2.3
											3	0.0017	1.74	0.17	0.022	0.0018	0.35	0.42	0.0015	0.085	2.4
4	0.0018	1.76	0.16	0.017	0.0030	0.30	0.25	0.0015	0.081	2.3
											5	0.0015	1.77	0.17	0.013	0.0012	0.32	0.37	0.0016	0.085	2.4
6	0.0012	1.79	0.15	0.013	0.0023	0.28	0.26	0.0017	0.081	2.3
											7	0.0015	1.81	0.14	0.011	0.0028	0.31	0.086	0.0018	0.080	2.4
8	0.0019	1.84	0.17	0.015	0.0024	0.27	0.16	0.0015	0.081	2.3
											9	0.0015	1.85	0.16	0.013	0.0024	0.28	0.050	0.0014	0.080	2.4
10	0.0020	1.87	0.15	0.021	0.0022	0.31	0.080	0.0018	0.082	2.5
											11	0.0021	1.88	0.16	0.018	0.0022	0.32	0.099	0.0013	0.083	2.5
12	0.0018	1.90	0.10	0.013	0.0012	0.25	0.15	0.0014	0.081	2.4
											对比1	0.0010	1.92	0.26	0.016	0.0024	0.32	0.22	0.0024	0.088	2.5
对比2	0.0016	1.85	0.19	0.019	0.0023	0.23	0.024	0.001	0.078	2.3
											对比3	0.0017	1.64	0.19	0.017	0.0017	0.31	0.39	0.0013	0.080	2.2
对比4	0.0019	1.94	0.16	0.013	0.0025	0.33	0.051	0.0015	0.085	2.6

说明：对比例1是满足2.3≤Si_eq≤2.5，而Cr_eq>0.85；对比例2是满足2.3≤Si_eq≤2.5，而Cr_eq<0.80；对比例3是满足0.80≤Cr_eq≤0.85，而Si_eq<2.3；对比例4是满足0.80≤Cr_eq≤0.85，而Si_eq >2.5。

表2 本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表

续表2 本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表

注：表1与表2中实施例数据并非对应关系。

表3 本发明各实施例及对比例性能检测及电机性能列表

从表3可以看出，与对比例相比，实施例可满足磁性能目标（P_1.5/50≤3.3w/kg，B₅₀₀₀≥1.74T）要求，而对比例不能达到目标要求。从电机仿真结果来看，由于采用本发明无取向硅钢，其不仅可以降低空载电流，而且可以得到较高的功率因数，使电机输出的有功功率更多，因而可获得相对更高的电机效率。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims (4)

1.一种高功率因数电机用无取向硅钢，其组分及重量百分比含量为：C：≤0.0020%，Si：1.70～1.90%，Mn：0.10～0.20%，P：≤0.05%，S：≤0.0030%，Al：0.25～0.35%， Cr：0.05～0.50%，N：≤0.0020%，其余为Fe及不可避免残余含量；并同时满足2.3≤Si_eq≤2.5和0.80≤Cr_eq≤0.85；磁性能：P_1.5/50≤3.3w/kg，B₅₀₀₀≥1.74T。

2.如权利要求1所述的一种高功率因数电机用无取向硅钢，其特征在于：Si_eq的计算公式为：

式中：Si、Mn及Al均按质量百分比进行计算。

3.如权利要求1所述的一种高功率因数电机用无取向硅钢，其特征在于：Cr_eq的计算式为：

式中：Si、Mn、Al、C、Cr、P、S及N均按质量百分比进行计算。

4.生产如权利要求1所述的一种高功率因数电机用无取向硅钢的方法，其步骤：

1）采用纯净钢模式冶炼并连铸成坯；

2）对铸坯加热，控制其升温速度为6～10℃/min，均热温度在1100～1160℃，均热时间为30～60min；

3) 进行热轧，控制粗轧温度为1000～1050℃；控制精轧入口温度为950～1000℃，控制终轧温度750～850℃，并控制轧后热轧板的厚度不低于2.0mm；

4）进行卷取，控制卷取温度在650～750℃；随后缓冷至室温；

5）进行常化，控制其升温速度不低于20℃/S，控制均热段温度不低于950℃，均热时间不少于1min，常化结束后空冷至室温；

6）进行酸洗，酸液温度控制在80～95℃，酸洗时间不少于1min；

7）进行冷轧，轧制到0.50mm成品厚度，并控制第1道次的压下率不小于30%，总压下率不低于75%；

8）在N₂+H₂气氛下进行成品退火，并控制升温速度不低于25℃/S，均热段退火温度不低于920℃，均热时间不少于30S；控制均热段露点为-20～0℃、钢板通板速度不低于70m/min；

9）按常规进行冷却、涂层及精整。