CN106987776B - 一种镍铬磷系高性能无取向电工钢 - Google Patents

一种镍铬磷系高性能无取向电工钢 Download PDF

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Abstract

一种采用红土镍矿为原料生产的铬镍磷系无取向电工钢，该无取向电工钢的成分质量百分比为：C小于0.06％；Cr含量1％‑4％，Ni含量1.5‑2.5％，P含量0.03‑0.1％，S含量<0.006％，其余为Fe元素和杂质，所述杂质中Si，Mn锰含量要尽可能低，其中Si含量小于2％，Mn含量小于0.5％。

Description

一种镍铬磷系高性能无取向电工钢
技术领域
本发明涉及钢铁冶金及电工材料领域，特别涉及一种镍铬磷系高性能无取向电工钢。
背景技术
电工钢亦称硅钢片，是一种以硅为主导合金的硅铁合金钢，是电力、电子和军事工业不可缺少的重要软磁合金，亦是产量最大的金属功能材料，主要用作各种电机、发电机和变压器的铁芯。它的生产工艺比较复杂，制造技术要求严格。
我国硅钢电工钢技术主要是由武钢引进日本技术，并在较长时间加以保护。国外的生产技术都以专利形式加以保护。目前我国冷轧电工钢数量、质量、规格牌号，能够基本满足各个门类的工业发展的需求，但在生产技术、设备、管理及科研等方面与世界先进水平还有一定差距，多年没有突破性自主知识产权的电工钢形成产能，主导技术是日本专利占统治地位。而对于其它元素构成的无取向电工钢未见学术研究和工业应用。
现有技术中无取向电工钢成分组成基本包括三大类元素。第一类为基本合金元素，如Si、Al、Mn等；第二类为杂质元素，如C、S、N、O、Ti、Zr等；第三类为微量元素如Sb、Sn等。第一类元素的影响：Si、Al、Mn是有益的合金元素，可使铁的磁各向异性常数和饱和磁滞伸缩常数值降低，磁化更容易。另外这些元素还可提高电阻率，提高第一类元素的含量可以明显降低铁损。但当这些元素含量太高时，材料变得既硬又脆而无法冷加工。第二类元素的影响：C、S、N、O、Ti、Zr等为有害元素，这些元素的存在可在钢中形成细小弥散的碳化物、硫化物、氮化物及氧化物，阻碍成品退火时晶粒长大，对磁性能不利，因此要求钢中这类元素的含量越低越好。第三类元素的影响：在无取向硅钢中添加少量的Sb、Sn，可以改善无取向电工钢再结晶退火后的织构，使(100)和(110)有利织构组分明显增加，使(111)不利织构组分明显减弱，从而降低铁损，提高磁感。添加少量的此类元素，还可以抑制内氧化层和氮化层的形成，改善磁性。上述电工钢元素均无涉及铬镍磷(CrNiP)元素电工钢。
以“无取向电工钢”为关键词在百度学术中检索中国核心期刊的216篇文献中没有提及镍铬磷系电工钢。从搜索的结果看，无取向硅钢电工钢属于无取向电工钢技术定型优选产品，几乎无人进行其它元素构成的电工钢的研究工作。电工非晶材料关注铬镍元素的研究。如《磁性材料及器件》2013年8月号，对Cr含量对TeNiCr软磁合金磁性能的影响；沈君，何琪，梁迪飞。非晶态铁镍铬磷硼合金磁致伸缩的研究；许苏苏，程先安，王绪威《北京航空航天大学学报》，1990(2)：97-102；但由于非晶材料在过载条件下性能急剧衰减，所以工业电机基本还是采用传统电工钢制造。
据2015年统计数据计算，全国发电量55000亿kW.h，其中电机用电量约占总发电量的65％-70％，所以提高电机用电工钢的节能效果具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能、低成本无取向电工钢。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种采用红土镍矿为原料生产的铬镍磷系无取向电工钢，该无取向电工钢的成分质量百分比为：C小于0.06％；Cr含量1％-4％，Ni含量1.5-2.5％，P含量0.03-0.1％，S含量<0.006％，其余为Fe元素和杂质，所述杂质中Si，Mn锰含量要尽可能低，其中Si含量小于2％，Mn含量小于0.5％。
作为优选实施例，铬Cr含量1.8-2.4％；镍Ni含量1.5-2.5％；磷P含量0.03-0.09％；碳C含量小于0.03％；硫S含量小于0.006％，氧O含量小于30ppm。
作为优选实施例，所述电工钢的金相组织为回火索氏体或粒状珠光体金相组织；所述金相组织为一种微米级微晶组织；晶粒度控制在7-12级。
作为优选实施例，所述电工钢断裂强度>600Mpa，屈服强度>450MPa，延伸率>18％。
一种采用红土镍矿为原料的镍铬磷系无取向电工钢的制备方法，包括：
S1：选取含镍铬磷褐铁性红土镍矿；
根据目标成份的要求，选用褐铁性红土镍矿为原料，所述红土镍矿镍含量为1-4％；
S2：对所述含镍铬磷褐铁性红土镍矿进行烧结形成烧结矿；
S3：烧结矿进行筛分后进入高炉冶炼成高炉铁水，高炉铁水经过AOD工艺进行脱碳，目标脱碳至0.03％以下，从而将所述高炉铁水冶炼成半钢水；
AOD扒渣后半钢水进入LF炉，加入合成渣；加热升温吹氩精炼进行脱氧和/或脱硫去杂，
优选地，所述合成渣成分为：CaO：60％；SiO2：25％；Al2O3：7％；FeO小于0.5％为佳，
优选地，脱氧至氧含量小于30ppm，脱硫至硫含量小于0.006％；优选为，0.005％，0.004％，0.003％，0.0001％；
S4：将所述精炼后的钢水连铸成板坯，并进行轧制。
作为本发明的另一优选实施例：
一种采用红土镍矿为原料的镍铬磷系无取向电工钢的制备方法，包括：
S1：选取含镍铬磷褐铁性红土镍矿；
根据目标成份的要求，选用褐铁性高铁品位红土镍矿为原料。所述红土镍矿镍含量2％为理想值，铬和磷的含量应当满足所述电工钢的目标成分要求，但是在大多数情况下，所述铬和磷的要求是容易得到满足的；
S2：对所述含镍铬磷褐铁性红土镍矿进行烧结形成烧结矿；将所述烧结矿进行筛分后在高炉冶炼成高炉铁水，铸成含镍生铁块；
S3：采用电弧炉、感应炉、热风炉中的一种或多种将所述含镍生铁块熔化成为含镍铁水或半钢水；
S4：熔化成为含镍铁水或半钢水经过AOD工艺进行脱碳，从而将所述高炉铁水冶炼成半钢水；
AOD扒渣后半钢水进入LF炉，加入合成渣，加热升温吹氩精炼进行脱氧和/或脱硫去杂；
S4：将所述精炼后的钢水连铸成板坯，并进行轧制。
作为优选实施例，所述板坯经过热轧和冷轧轧制成薄板后，在720-780℃保温后自然回火热处理。
本专利实施的有益效果是：
1、利用红土镍矿作为原料来源工艺简单、无需合金化、成本较低，提供了电工钢更广泛的原料来源；
2、提供了电工钢更简单的冶炼工艺方法；
3、无需在冶炼过程中进行合金化；
4、原料选择和工艺过程保证了产品的低成本；
5、所述电工钢具有超过硅钢的电工性能；
6、金相组织是回火索氏体；这个金相组织保证了获得高的延伸率，使电工钢更好的加工性能，减轻了传统电工钢的加工脆性。
附图说明
图1为本发明的冶炼工艺流程；
图2为本发明的热轧和冷轧工艺流程；
图3为本发明的金相组织电子显微镜照片。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
无取向电工钢是含碳很低的硅铁软磁合金，是电力、电子和军事工业中不可缺少的重要材料。其中，无取向硅钢是在旋转磁场中工作的电动机和发电机转子的铁芯材料，要求良好的磁性能和工艺性能。近年来，随着电机高速化和小型化的发展，对无取向硅钢的性能要求提出了更高的要求，如在高频下具有低铁损和高磁感强度等。
本发明要解决的技术问题是提供一种采用红土镍矿为原料生产的镍铬磷系高性能无取向电工钢。
该高性能无取向电工钢的成分质量百分比为：C小于0.06％；Cr含量1％-4％，Ni含量1.5-2.5％，P含量0.03-0.1％，S含量<0.006％，其余为Fe元素和杂质，所述杂质中硅锰含量要尽可能低，优选地Si含量小于2％，更优选地小于：1.8％，1.6％，1.2％，0.9％，0.6％，0.4％，0.1％，0.09％；优选地，Mn含量小于0.5％，更优选地小于0.3％，0.2％，0.16％，0.1％，0.098％，0.06％。
经过本申请发明人潜心研究，Si、Mn元素满足上述含量标准时，尤其是Si含量小于0.4％，Mn含量小于0.16％时，可以兼顾所述电工钢的磁化、电阻率、铁损和材料柔韧性性能。即，不会因为Si，Mn元素的过低而导致所述电工钢磁化困难，铁损过高，同时也不会因为Si，Mn含量过高使得所述电工钢即脆又硬无法冷加工。
作为优选实施例，铬Cr含量1.8-2.4％，优选为：1.9％，2.0％，2.1％，2.2％，2.3％；镍Ni含量1.5-2.5％，优选为1.68％，1.72％，1.98％，2.25％，2.48％；磷P含量0.03-0.09％，优选为：0.04％，0.06％，0.09％；碳C含量小于0.03％；硫S含量小于0.006％，氧O含量小于30ppm；其余为Fe元素和杂质。上述比例范围是在能实现本发明的目的情况下，更为优选的较佳实施例，较佳地，所述电工钢为回火索氏体金相组织。
该电工钢性能如下表1所示。该表说明，本发明电工钢厚度1mm的条件下，就达到了国标GB/2521-2006电工钢0.35mm的电工性能水平。同样本发明0.44mm电工钢电工性能也达到GB/2521-2006电工钢0.35mm的电学性能水平。
表1不锈结构钢热处理后机械性能
图1所示的是本发明所述的采用红土镍矿为原料生产的铬镍磷系高性能无取向电工钢的生产工艺概括性流程图，下面重点介绍本发明所述的采用红土镍矿为原料生产的镍铬磷系高性能无取向电工钢的具体生产方法：
实施例1：
S1：选取含镍铬磷褐铁性红土镍矿；
根据目标成份的要求，选用褐铁性高铁品位红土镍矿为原料。所述红土镍矿镍含量2％为理想值，铬和磷的含量应当满足所述电工钢的目标成分要求，但是在大多数情况下，所述铬和磷的要求是容易得到满足的；
S2：对所述含镍铬磷褐铁性红土镍矿进行烧结形成烧结矿；
具体而言首先对所述红土镍矿进行粉碎，然后进行筛分和干燥处理，从而获得一定范围和粒度的矿粉和矿块，在所述矿粉和矿块中加入焦炭或焦炭粉作为燃料，加入石灰石作为熔剂，然后进行混合，混合的目的是使烧结料的成分均匀，水分合适，易于造球，从而获得粒度组成良好的烧结混合料，以保证烧结矿的质量和提高产量。
根据原料性质不同，可采用一次混合或二次混合两种流程。一次混合的目的：润湿与混匀，当加热返矿时还可使物料预热。二次混合的目的：继续混匀，造球，以改善烧结料层透气性。用粒度10～Omm的富矿粉烧结时，因其粒度已经达到造球需要，采用一次混合，混合时间约50s。
使用细磨精矿粉烧结时，因粒度过细，料层透气性差，为改善透气性，必须在混合过程中造球，所以采用二次混合，混合时间一般不少于2.5～3min。
将经过上述工艺混合后的混合矿料放入烧结机内，进行烧结从而形成烧结矿。
S3：烧结矿进行筛分后进入高炉冶炼成高炉铁水，高炉铁水经过AOD工艺进行脱碳，目标脱碳至0.06％以下，优选为0.03％以下，0.02％以下、0.01％以下、0.005％以下、0.0005％以下，从而将所述高炉铁水冶炼成半钢水，其它元素不做要求；
AOD扒渣后半钢水进入LF炉(最好采用直流电弧电渣钢包炉)，加入合成渣。合成渣成分为：CaO：60％；SiO2：25％；Al2O3：7％；FeO小于0.5％为佳，加热升温吹氩精炼进行脱氧和/或脱硫去杂，优选地，脱氧至氧含量小于30ppm，脱硫至硫含量小于0.006％；优选为，0.005％，0.004％，0.003％，0.0001％。
S4：将所述精炼后的钢水连铸成板坯，并进行轧制,热处理获得相应的金相组织，所述金相组织为：回火索氏体(含少量铁素体)或粒状珠光体金相组织；优选地，所述回火索氏体含有少量铁素体。
所述回火索氏体可以采用如下方式形成：将淬火钢在特定高温下进行回火形成，其是指马氏体在高温回火形成以铁素体为基体内分布着细均匀碳化物颗粒小球状碳化物(包括渗碳体)的复相组织。
回火索氏体的组织特征是由等轴状铁素体和细粒状碳化物构成的复相组织，马氏体片的痕迹已消失，渗碳体的外形已较清晰，在光学金相显微镜下放大500～600倍以上才能分辨出来，其为铁素体基体内分布着碳化物(包括渗碳体)球粒的复合组织。它也是马氏体的一种回火组织，是铁素体与粒状碳化物的混合物。此时的铁素体已基本无碳的过饱和度，碳化物也为稳定型碳化物。常温下是一种平衡组织。其碳化物分散度很大，呈球状，比索氏体具有更好的机械性能。
如图2所示，所述轧制流程为：热连轧—热剪—卷曲成捆—退火—冷连轧—酸洗—成品。
经过热轧和冷轧轧制成薄板后，在720-780℃保温后自然回火热处理制得电工钢。
实施例2：
作为所述镍铬磷系高性能无取向电工钢制备方式的另外一个实施例，还可以采用如下方法制备：
采用红土镍矿冶炼的生铁为原料
S1：选取含褐铁性红土镍矿；
根据目标成份的要求，选用褐铁性高铁品位红土镍矿为原料。所述红土镍矿镍含量2％为理想值，铬和磷的含量应当满足所述电工钢的目标成分要求，但是在大多数情况下，所述铬和磷的要求是容易得到满足的；
S2：将所述褐铁性红土镍矿经高炉冶炼成为含镍生铁块；
这里需要特别说明的是所述含镍生铁块的形成，可以采用实施例1中步骤S3中获得的高炉铁水铸成。鉴于实施例1已经对高炉铁水的形成进行了详细的描述，为节约篇幅，在这里不再重复。
S3：采用电弧炉、感应炉、热风炉中的一种或多种将所述含镍生铁块熔化成为含镍铁水或半钢水；
S4：熔化成为含镍铁水或半钢水经过AOD工艺进行脱碳，目标脱碳至0.03％以下，优选为0.02％以下、0.01％以下、0.005％以下、0.0005％以下，从而将所述高炉铁水冶炼成半钢水，其它元素不做要求；
AOD扒渣后半钢水进入LF炉(最好采用直流电弧电渣钢包炉)，加入合成渣。合成渣成分为：CaO：60％；SiO2：25％；Al2O3：7％；FeO小于0.5％为佳，加热升温吹氩精炼进行脱氧和/或脱硫去杂，优选地，脱氧至氧含量小于30ppm，脱硫至硫含量小于0.006％；优选为，0.005％，0.004％，0.003％，0.0001％。
S4：将所述精炼后的钢水连铸成板坯，并进行轧制,热处理获得相应的金相组织，所述金相组织为：回火索氏体(含少量铁素体)或粒状珠光体金相组织；
如图2所示，所述轧制流程为：热连轧—热剪—卷曲成捆—退火—冷连轧—酸洗—成品。
经过热轧和冷轧轧制成薄板后，在720-780℃保温后自然回火热处理制得电工钢。
推荐冷轧厚度为0.5mm。
根据目标成份和目标厚度的建议，冷轧至0.5mm的厚度时，即可达到0.35毫米无取向硅钢的能损耗要求和最小磁化强度要求，从而使电工钢的性能大幅度提高。
在本发明中所述金相组织的晶粒度控制在7-12级，优选粒度为8级、9级、10级、11级，是一种微晶金相组织，所述微晶优选为微米级；
所述电工钢断裂强度>600Mpa，屈服强度>450MPa，延伸率>18％。
本发明的电工钢完全不同于传统的硅钢电工钢，是利用褐铁矿型红土镍矿作为原料来源工艺简单、无需合金化、所述红土镍矿地球储量丰富，来源广泛成本较低；采用了天然矿相中的铬镍磷为电工钢的合金元素，获得了回火索氏体的电工钢金相组织。最终制成的所述电工钢电学性能和力学性能卓越。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种镍铬磷系无取向电工钢的制备方法，包括：
S1：选取含镍铬磷褐铁性红土镍矿；
根据目标成份的要求，选用褐铁性红土镍矿为原料，所述红土镍矿镍含量为1-4％；
S2：对所述含镍铬磷褐铁性红土镍矿进行烧结形成烧结矿；
S3：烧结矿进行筛分后进入高炉冶炼成高炉铁水，高炉铁水经过AOD工艺进行脱碳，目标脱碳至0.03％以下，从而将所述高炉铁水冶炼成半钢水；
AOD扒渣后半钢水进入LF炉，加入合成渣；加热升温吹氩精炼进行脱氧和/或脱硫去杂，
S4：将所述精炼后的钢水连铸成板坯，并进行轧制；
该无取向电工钢的成分质量百分比为：C小于0.06％；Cr含量1.8％-2.4％，Ni含量1.68％-2.5％，P含量0.03-0.1％，S含量<0.006％，其余为Fe元素和杂质，所述杂质中Si，Mn锰含量要尽可能低，其中Si含量小于1.2％，Mn含量小于0.5％；
所述板坯经过热轧和冷轧轧制成薄板后，在720℃-780℃保温后自然回火热处理制得所述电工钢；
所述电工钢的金相组织为回火索氏体或粒状珠光体金相组织；所述金相组织为一种微米级微晶组织；晶粒度控制在7-12级。
2.一种镍铬磷系无取向电工钢的制备方法，包括：
S1：选取含镍铬磷褐铁性红土镍矿；
根据目标成份的要求，选用褐铁性红土镍矿为原料；所述红土镍矿镍含量为1-4％；
S2：对所述含镍铬磷褐铁性红土镍矿进行烧结形成烧结矿；将所述烧结矿进行筛分后在高炉冶炼成高炉铁水，铸成含镍生铁块；
S3：采用电弧炉、感应炉、热风炉中的一种或多种将所述含镍生铁块熔化成为含镍铁水或半钢水；
S4：熔化成为含镍铁水或半钢水经过AOD工艺进行脱碳，从而将所述高炉铁水冶炼成半钢水；
AOD扒渣后半钢水进入LF炉，加入合成渣，加热升温吹氩精炼进行脱氧和/或脱硫去杂；
S5：将所述精炼后的钢水连铸成板坯，并进行轧制；
该无取向电工钢的成分质量百分比为：C小于0.06％；Cr含量1.8％-2.4％，Ni含量1.68％-2.5％，P含量0.03-0.1％，S含量<0.006％，其余为Fe元素和杂质，所述杂质中Si，Mn锰含量要尽可能低，其中Si含量小于1.2％，Mn含量小于0.5％；
所述板坯经过热轧和冷轧轧制成薄板后，在720℃-780℃保温后自然回火热处理制得所述电工钢；
所述电工钢的金相组织为回火索氏体或粒状珠光体金相组织；所述金相组织为一种微米级微晶组织；晶粒度控制在7-12级。
3.如权利要求1或2所述的方法，脱氧至氧含量小于30ppm，脱硫至硫含量小于0.006％。
4.一种无取向电工钢，所述电工钢采用任一项权利要求1-3所述的任一方法制备获得。
5.如权利要求4所述的电工钢，其特征在于：Cr含量1.8-2.4％；Ni含量1.68-2.5％；P含量0.03-0.09％；C含量小于0.03％；S含量小于0.006％，O含量小于30ppm。
6.如权利要求4所述的电工钢，所述电工钢断裂强度>600Mpa，屈服强度>450MPa，延伸率>18％。
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