CN105925884B - 一种高磁感、低铁损无取向硅钢片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种高磁感、低铁损无取向硅钢片及其制造方法，该无取向硅钢片的化学成分质量百分比为：C≤0.005％，Si：0.1～1.6％，Mn：0.1～0.5％，P≤0.2％，S≤0.004％，Al≤0.003％、N≤0.005％，Nb≤0.004％，V≤0.004％，Ti≤0.003％，其余为Fe和不可避免的杂质，且同时需满足：120≤[Mn]/[S]≤160，[Nb]/93+[V]/51+[Ti]/48+[Al]/27≤[C]/12+[N]/14。本发明在钢液浇铸结束之后，采用温控方式调整铸坯入炉温度，有效实现了高磁感、低铁损的无取向硅钢片的稳定生产，制造费用相对低廉，且不需要进行常化处理或者罩式炉中间退火。

Description

一种高磁感、低铁损无取向硅钢片及其制造方法
技术领域
本发明涉及无取向硅钢片，具体涉及一种高磁感、低铁损无取向硅钢片及其制造方法，尤其涉及不经过常化处理或者罩式炉中间退火、制造成本相对低廉的高磁感、低铁损无取向硅钢片及其制造方法。
背景技术
近年来，随着用户市场对高效、节能、环保需求的日益加严，要求用于制作电机、压缩机、EI铁芯原料的无取向硅钢片要在保证价格竞争优势的前提下，具有优良的电磁性能，即通常所说的低铁损、高磁感，以满足这些用电产品对高效、节能、环保的迫切需求。
通常，向钢中加入含量较高的Si、Al，可以提高材料电阻率，进而降低材料铁损。例如，日本专利JP2015515539A中Si含量达到2.5～4.0％，Al含量达到0.5～1.5％，这样，随着Si、Al含量增加，材料铁损迅速降低，但材料磁感也迅速降低，还容易出现冷轧断带等异常情况。为了改善冷轧可轧性，中国专利CN104399749A公开了防止≥3.5％Si含量钢的边裂及脆断治理方法，提高硅钢板磁性能的同时使钢板在冷轧过程中无边裂产生，但即使如此，脆断报废率仍有0.15％，且对设备功能精度要求很高。与此同时，为了获得良好的材料磁感，中国专利CN103014503A向钢中加入了0.20～0.45％(Sn+Cu)，利用晶界偏聚改善材料的织构形态，获得了良好的磁感，但Sn、Cu属于昂贵金属，会大幅增加制造费用，Cu还容易使带钢表面产生质量缺陷。
日本专利特开平10-25554在Si、Al总量不变的前提下，通过增加Al/(Si+Al)比例以改善材料磁感，但随着Al含量升高、Si含量降低，材料铁损开始出现劣化，材料机械性能也随之降低。
现阶段，采用常化处理或者罩式炉中间退火是改善材料铁损、磁感行之有效的方法，在高效、高牌号无取向硅钢片生产上得以广泛采用，可以有效降低材料铁损、大幅提高材料磁感，其缺点是引进了新的生产设备，大大增加了制造费用，并延长了材料的制造和交货周期，给生产现场技术、质量管理等带来了新的麻烦。
受此影响，技术人员开始研究在化学成分相对固定的情况下，向钢中加入稀土、钙合金等强脱氧、脱硫元素，可以有效去除或者降低非金属夹杂物，通过改善钢质洁净度以提高材料电磁性能；或者采用粗轧道次大压下，并利用粗糙辊轧制和高温卷取，也可以获得具有高磁感的高牌号无取向电工钢；如果具有热轧平整功能，并配合常化退火处理，同样可以获得高磁感无取向硅钢。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高磁感、低铁损无取向硅钢片及其制造方法，该无取向硅钢片具有高磁感、低铁损，其化学成分中不含贵金属，并且制造工艺不需要常化处理或者罩式炉中间退火，制造费用相对较低，生产过程稳定。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种高磁感、低铁损无取向硅钢片，其化学成分质量百分比为：C≤0.005％，Si：0.1～1.6％，Mn：0.1～0.5％，P≤0.2％，S≤0.004％，Al≤0.003％、N≤0.005％，Nb≤0.004％，V≤0.004％，Ti≤0.003％，其余为Fe和不可避免的杂质，且上述元素同时需满足如下关系：120≤[Mn]/[S]≤160，[Nb]/93+[V]/51+[Ti]/48+[Al]/27≤[C]/12+[N]/14。
优选的，上述化学成分中120≤[Mn]/[S]≤140。
进一步，所述无取向硅钢片具有如下电磁性能：
Si含量为0.01％≤Si≤0.30％时，对应A牌号钢种，磁感B50≥1.76T、铁损P15/50≤7.00W/kg；
Si含量为0.3％<Si≤0.80％时，对应B牌号钢种，磁感B50≥1.75T、铁损P15/50≤6.00W/kg；
Si含量为0.8％<Si≤1.20％时，对应C牌号钢种，磁感B50≥1.72T、铁损P15/50≤4.00W/kg；
Si含量为1.2％<Si≤1.60％时，对应D牌号钢种，磁感B50≥1.70T、铁损P15/50≤4.00W/kg。
在本发明钢的成分设计中：
C：C强烈阻碍成品晶粒长大，容易与Nb、V、Ti等结合形成细小析出物，从而引起损耗增加和产生磁时效，因此必须严格控制C含量在0.005％以下。
Si：Si能提高基体电阻率，有效降低钢的铁损。Si含量高于1.6％时，会显著降低钢的磁感；而低于0.1％时，又起不到大幅降低铁损的作用。因此，本发明控制Si含量为0.1～1.6％。
Mn：Mn与S结合生成MnS，可以有效减少对磁性的危害，同时改善电工钢表面状态，减少热脆。因此，有必要添加0.1％以上的Mn含量，而高于0.5％以上的Mn含量，容易破坏再结晶织构，又会大幅增加钢的制造成本。因此，本发明控制Mn含量为0.1～0.5％。
P：P含量超过0.2％时，容易导致冷脆现象发生，降低冷轧可制造性。因此，本发明控制P含量在0.2％以下。
S：S含量超过0.004％时，将使MnS等析出物大大增加，强烈阻碍晶粒长大，恶化钢的磁性。因此，本发明控制S含量在0.004％以下。
Al：Al是增加电阻元素，同时用于电工钢的深脱氧，Al含量高于0.003％时，会造成连铸浇注困难，磁感显著降低，因此，本发明控制Al含量在0.003％以下。
N：N含量超过0.005％时，将使N的Nb、V、Ti、Al等析出物大大增加，强烈阻碍晶粒长大，恶化钢的磁性。因此，本发明控制N含量在0.005％以下。
Nb：Nb含量超过0.004％时，将使Nb的C、N夹杂物大大增加，强烈阻碍晶粒长大，恶化钢的磁性。因此，本发明控制Nb含量在0.004％以下。
V：V含量超过0.004％时，将使V的C、N夹杂物大大增加，强烈阻碍晶粒长大，恶化钢的磁性。因此，本发明控制V含量在0.004％以下。
Ti：Ti含量超过0.003％时，将使Ti的C、N夹杂物大大增加，强烈阻碍晶粒长大，恶化钢的磁性。因此，本发明控制Ti含量在0.003％以下。
本发明所述高磁感、低铁损无取向硅钢片的制造方法，其包括如下步骤：
1)冶炼、铸造
按照上述化学成分进行转炉冶炼、RH精炼、连续浇铸成铸坯，连续浇铸工序中，在铸坯表面温度从1100℃降至700℃的降温过程中控制冷却速率为2.5～20℃/min；
2)加热
铸坯进加热炉加热，控制铸坯入炉温度≤600℃；
3)依次经过热轧、酸洗、冷轧、成品退火、涂层后得到成品无取向硅钢片。
优选的，步骤2)中铸坯入炉温度≤300℃。
进一步，本发明制备得到的所述无取向硅钢片具有如下电磁性能：
Si含量为0.01％≤Si≤0.30％时，对应A牌号钢种，磁感B50≥1.76T、铁损P15/50≤7.00W/kg；
Si含量为0.3％<Si≤0.80％时，对应B牌号钢种，磁感B50≥1.75T、铁损P15/50≤6.00W/kg；
Si含量为0.8％<Si≤1.20％时，对应C牌号钢种，磁感B50≥1.72T、铁损P15/50≤4.00W/kg；
Si含量为1.2％<Si≤1.60％时，对应D牌号钢种，磁感B50≥1.70T、铁损P15/50≤4.00W/kg。
本发明的创新之处在于：实现了更为合理的化学成分搭配，进而显著抑制了对成品材料电磁性能有副作用的MnS夹杂以及Nb、V、Ti、Al的C、N化物的析出、长大，具体阐述如下：
在浇铸过程中钢液温度逐渐降低，Mn、S元素偏析造成凝固前沿[Mn][S]浓度积逐渐增大，并达到或超出其平衡浓度，开始析出MnS夹杂。由于MnS夹杂尺寸细小、数量众多，因此，对成品材料的电磁性能影响很大。为了尽可能消除MnS的副作用，现有技术通过加入稀土、钙等强脱氧、脱硫元素，依靠稀土、钙与硫的结合能力远远大于Mn与S的结合能力，从而可以形成大颗粒的稀土、钙硫化物，而不是尺寸细小的MnS夹杂，并依靠钢液浮力上浮去除。但这样会大幅增加炼钢制造成本，大颗粒的稀土、钙夹杂物还容易堵塞水口，造成浇铸中断和产生钢质类缺陷等。
本发明根据S含量动态调整Mn的加入量，图1为[Mn]/[S]与磁感B50之间的关系，由图1可知，随着[Mn]/[S]的增加，磁感B50先是升高，而后快速降低，而在Mn/S位于120～160之间时，磁感B50最优。本发明将[Mn]/[S]控制在120～160之间，以确保在钢液凝固初期尽早的析出MnS夹杂，这样可以为后续MnS夹杂的充分长大提供温度、时间上的条件，而长大至0.5μm或以上的MnS夹杂对成品材料的电磁性能影响明显减弱。与此同时，本发明在铸坯入加热炉之前，对铸坯温度也进行了严格限制，具体是控制铸坯入炉温度≤600℃，优选≤300℃，目的是利用较低的铸坯温度在铸坯加热升温过程中进一步促进MnS生长，由图2可知，随着铸坯入炉温度的升高，磁感B50快速降低，而入炉温度在600℃以上时，磁感B50整体保持在较低水平。因此，从实际生产控制角度而言，铸坯入炉温度保持在600℃以下，或者更低水平为好，优选≤300℃。
本发明中Mn、S元素形成的MnS夹杂，可以借助上述方法调控长大，也就是说可以消除或者减弱其影响。而Nb、V、Ti、Al会和C、N元素结合形成纳米级别的Nb、V、Ti、Al的C、N夹杂物，这种夹杂物尺寸更为细小，且主要在晶界上析出，会严重减弱成品材料的电磁性能。因此，必须尽可能的限制其析出，即应该推迟其析出时间，减少其析出数量。
为此，一方面，本发明在成分设计要求上，需要控制合适的Nb、V、Ti、Al含量范围，并尽可能将其降低，并控制[Nb]/93+[V]/51+[Ti]/48+[Al]/27≤[C]/12+[N]/14；另一方面，精炼生产过程中，可以利用钢液的C、T、O以及OB吹氧、真空度控制等常规手段，实现超低C、N含量控制，由此，Nb、V、Ti、Al元素和C、N元素结合形成C、N化合物的浓度积便会大幅降低，并达到或者低于其析出时的平衡浓度积，Nb、V、Ti、Al元素和C、N元素结合形成C、N化合物数量便会大大减少。
与此同时，为了尽可能的减少Nb、V、Ti、Al元素和C、N元素结合形成C、N化合物生成，需要对铸坯表面温度从1100降至700℃的降温过程中的冷却速率进行控制，要求限定在2.5～20℃/min范围之内，原因是，Nb、V、Al、Ti微量元素在奥氏体和铁素体中的溶解与析出差异很大。接近1100℃，Nb、V、Al、Ti微量元素可全部溶入奥氏体中；800℃左右时Nb、V、Al、Ti的C、N化物几乎全部沉淀析出，在700℃左右时，碳化物析出最快；随着温度的继续降低，碳化物的析出明显减慢。基于此，在该温度区间内，尽可能的提高铸坯冷却速率，以减少该温度范围内的停留时间。由图3可知，当冷却速率为2.5℃/min时，析出物种类主要是S化物析出物，析出物尺寸均较大(≥0.5μm)，对成品磁性能影响较小。
从目前的控制效果来看，过大的冷却速率对设备能力要求很高，一般难以达到＞20℃/min，并且在冷却速率超出20℃/min后，对铸坯低倍质量有不利影响。由图4可知，冷却速率为25℃/min时，析出物种类主要是N化物析出物，析出物尺寸普遍较小(＜0.5μm)，因此，对成品磁性能影响较大。而在冷却速率低于2.5℃/min时，铸坯温度冷却速度太慢，不利于控制Nb、V、Al、Ti的C、N化物析出，也即生成了较多的有害夹杂物。
本发明所述化学成分中控制[Mn]/[S]在120～160之间，[Nb]/93+[V]/51+[Ti]/48+[Al]/27≤[C]/12+[N]/14，旨在分别严格控制对磁性有害的S化物、N化物。硅钢制造工艺设计中，连续浇铸过程中，铸坯表面温度在1100～700℃范围内降温过程中，控制冷却速率为2.5～20℃/min；以及控制铸坯加热时入炉温度≤600℃，是基于冶金原理，采用析出物“形成机制”优化，而不是常规的“控制机制”优化。
本发明的有益效果：
本发明优化了化学成分设计，通过调整锰、硫含量，获得合适的Mn/S比例，冶炼结束之后，Nb、V、Ti、Al含量受控且满足设计要求，浇铸工艺中控制铸坯表面温度从1100降至700℃的降温过程的冷却速率，钢液浇铸结束之后，采用温控方式调整铸坯入炉温度，制造得到的无取向硅钢片具有高磁感、低铁损，有效实现了高磁感、低铁损无取向硅钢片的稳定生产。
本发明的制造工艺无需经过常化处理或者罩式炉中间退火处理，具有成本低、操作简便、易于实现、生产难度小等特点，同时，生产制造过程稳定，制造的成品硅钢片电磁性能优良。
附图说明
图1为本发明[Mn]/[S]与磁感B50之间的关系。
图2为本发明铸坯入炉温度与磁感B50之间的关系。
图3为本发明中铸坯表面温度从1100℃降至700℃的降温过程中冷却速率为2.5℃/min时，析出物种类及尺寸结果。
图4为本发明铸坯表面温度从1100℃降至700℃的降温过程中冷却速率为25℃/min时，析出物种类及尺寸结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
表1为本发明实施例硅钢片和对比例硅钢片的成分，表2为本发明实施例、对比例工艺设计及电磁性能。
实施例：
铁水、废钢按照表1中化学成分比例进行搭配，经300吨转炉冶炼之后，经RH精炼进行脱碳、脱氧、合金化；根据钢中S含量动态调整Mn含量，以获得最佳比例的[Mn]/[S]，控制C、N、Nb、V、Ti、Al含量满足设计要求；钢液经连铸浇铸后，得到170mm～250mm厚、800mm～1400mm宽的铸坯；浇铸结束之后，铸坯表面温度从1100℃降至700℃的降温过程中的冷却速率控制在2.5～20℃/min；然后，采用温控方式调整铸坯入炉炉温度≤600℃，优选≤300℃；然后，对铸坯依次进行热轧、酸洗、冷轧、退火、涂层后得到最终产品，其工艺参数和电磁性能参见表2。
表1、表2数据说明如下：
表1中，Si含量在0.1～1.6％范围内，按照不同Si含量可以将钢分为四类，分别为Si含量介于0.11～0.30％、Si含量介于0.30～0.80％(不包含0.30％)、Si含量介于0.80～1.20％(不包含0.80％)、Si含量介于1.20～1.60％(不包含1.20％)，依次标记为A牌号、B牌号、C牌号、D牌号。不同Si含量系列对应相同牌号钢的电磁性能同属一类。
本发明中，A牌号钢(实施例1-3)的电磁性能均能满足磁感B50≥1.76T、铁损P15/50≤6.50W/kg；B牌号钢(实施例4-6)的电磁性能均能满足磁感B50≥1.75T、铁损P15/50≤5.40W/kg；C牌号钢(实施例7-9)的电磁性能均能满足磁感B50≥1.72T、铁损P15/50≤4.00W/kg；D牌号钢(实施例10-11)的电磁性能均能满足磁感B50≥1.70T、铁损P15/50≤3.80W/kg的控制要求。
对比例1中，[Mn]/[S]低于120控制要求；对比例2中，([C]/12+[N]/14)-([Nb]/93+[V]/51+[Ti]/48+[Al]/27)小于0；对比例3中，[Mn]/[S]以及([C]/12+[N]/14)-([Nb]/93+[V]/51+[Ti]/48+[Al]/27)均不符合控制要求；对比例4中，板坯入炉温度大于600℃；对比例5中，铸坯冷却速率大于20℃/min；对比例6中，[Mn]/[S]以及([C]/12+[N]/14)-([Nb]/93+[V]/51+[Ti]/48+[Al]/27)和铸坯入炉温度均不符合控制要求，对比例7中，铸坯冷却速率小于2.5℃/min，铸坯入炉温度大于600℃。也就是说，只要有1项不满足本发明设计要求，对应钢的电磁性能均不佳。
可见，基于相同牌号而言，本发明无取向硅钢片具有更高的磁感、更低的铁损。

Claims (6)

1.一种高磁感、低铁损无取向硅钢片，其化学成分质量百分比为：C≤0.005％，Si：0.1～1.6％，Mn：0.1～0.5％，P≤0.2％，S≤0.004％，Al≤0.003％、N≤0.005％，Nb≤0.004％，V≤0.004％，Ti≤0.003％，其余为Fe和不可避免的杂质，且上述元素同时需满足如下关系：120≤[Mn]/[S]≤160，[Nb]/93+[V]/51+[Ti]/48+[Al]/27≤[C]/12+[N]/14。
2.根据权利要求1所述的高磁感、低铁损无取向硅钢片，其特征在于，所述化学成分中120≤[Mn]/[S]≤140。
3.根据权利要求1或2所述的高磁感、低铁损无取向硅钢片，其特征在于，所述无取向硅钢片具有如下电磁性能：
Si含量为0.1％≤Si≤0.30％时，磁感B50≥1.76T、铁损P15/50≤7.00W/kg；
Si含量为0.3％<Si≤0.80％时，磁感B50≥1.75T、铁损P15/50≤6.00W/kg；
Si含量为0.8％<Si≤1.20％时，磁感B50≥1.72T、铁损P15/50≤4.00W/kg；
Si含量为1.2％<Si≤1.60％时，磁感B50≥1.70T、铁损P15/50≤4.00W/kg。
4.根据权利要求1-3任一项所述的高磁感、低铁损无取向硅钢片的制造方法，其包括如下步骤：
1)冶炼、铸造
按照权利要求1或2所述化学成分进行冶炼、精炼、连续浇铸成铸坯，连续浇铸工序中，在铸坯表面温度从1100℃降至700℃的降温过程中控制冷却速率为2.5～20℃/min；
2)加热
铸坯进加热炉加热，控制铸坯入炉温度≤600℃；
3)依次经过热轧、酸洗、冷轧、成品退火、涂层后得到成品无取向硅钢片。
5.根据权利要求4所述的高磁感、低铁损无取向硅钢片的制造方法，其特征在于，步骤2)中，所述铸坯入炉温度≤300℃。
6.根据权利要求4或5所述的高磁感、低铁损无取向硅钢片的制造方法，其特征在于，制备得到的所述无取向硅钢片具有如下电磁性能：
Si含量为0.1％≤Si≤0.30％时，磁感B50≥1.76T、铁损P15/50≤7.00W/kg；
Si含量为0.3％<Si≤0.80％时，磁感B50≥1.75T、铁损P15/50≤6.00W/kg；
Si含量为0.8％<Si≤1.20％时，磁感B50≥1.72T、铁损P15/50≤4.00W/kg；
Si含量为1.2％<Si≤1.60％时，磁感B50≥1.70T、铁损P15/50≤4.00W/kg。
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