CN109082596B - 一种低铁损高磁极化强度的无取向硅钢及其制备方法 - Google Patents

一种低铁损高磁极化强度的无取向硅钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低铁损高磁极化强度的无取向硅钢及其制备方法，所述无取向硅钢包括以下重量百分比的化学成分：C≤0.0050％、Si≤1.70％、Mn 0.15～0.50％、Als 0.010～0.025％、S 0.0010～0.0050％，N 0.0010～0.0030％、O≤0.0050％，其余为Fe及不可避免的杂质。通过铁水预处理、转炉炼钢、真空处理、连铸、热轧、常化处理、轧制、退火、涂覆绝缘层、拉伸平整退火得到。通过合金成分和工艺调整，在不添加贵重金属的条件下，通过合理的工艺措施，获得一种Si含量在1.7％以下、Al含量在0.010～0.030％之间的一种低铁损、高磁极化强度的无取向硅钢，同时磁极化强度轧向(L)和横向(C)的比例控制在1.2以下，产品各向异性小。且产品表面硬度HV1控制在140～170之间，可以较好的满足冲片加工要求。

Description

一种低铁损高磁极化强度的无取向硅钢及其制备方法
技术领域
本发明属于硅钢制备技术领域，具体涉及一种低铁损高磁极化强度的无取向硅钢及其制备方法。
背景技术
电机高效化具有显著的节能效果，而高效化的途径一是通过对电机设计进行优化，提高铜、铁的用量，但往往会造成制造成本增加；二是不增加电机用材，选用铁损更低、磁极化强度高的硅钢片，不但可以减小电机体积，还可以减少铜、铁材料的使用量，同时提高电机的效率。
在电机用硅钢中70％以上是Si含量在1.7％以下的中低牌号无取向硅钢，在现有的基础上，降低铁损往往采用增加Si、Al合金的加入量、进一步降低钢中C、S、N、Ti等杂质元素含量来实现，但Si、Al合金的增加，往往会导致材料磁极化强度降低，而杂质元素进一步降低的难度也受制于控制水平，难以无限度提升。
在硅钢生产中，一般认为Als含量一般控制在较高的水平(≥0.1％重量百分数)以上，可以起到和增加Si一样的效果，来降低铁损而不显著的恶化磁感，或者控制在较低的水平(≤0.01％重量百分数以下)，以避免形成细小的AlN，阻碍成品退火过程中晶粒的长大，从而恶化铁损，但这样生产控制难度会大幅增加，稳定性较差。因此一般采用高Al的方法来进行生产。
为获得高的高磁通密度，通过热轧保温+二次冷轧、二次退火法、两相区终轧+高温卷取并保温法、合金成分调整法、低温浇注、高温终轧+层流后段冷却等方法，这些方法都能达到获得高磁感、高磁通密度的目的，但这些方法在一定程度上会影响生产节奏和生产效率，增加生产成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低铁损高磁极化强度的无取向硅钢及其制备方法，通过合金成分和工艺调整，在不添加贵重金属的条件下，通过合理的工艺措施，获得一种Si含量在1.7％以下、Al含量在0.010～0.030％之间的一种低铁损、高磁极化强度的无取向硅钢，同时磁极化强度轧向(L)和横向(C)的比例控制在1.2以下，产品各向异性小。且产品表面硬度HV1控制在140～170之间，可以较好的满足冲片加工要求。
本发明采取的技术方案为：
一种低铁损高磁极化强度的无取向硅钢，所述无取向硅钢包括以下重量百分比的化学成分：C≤0.0050％、Si≤1.70％、Mn 0.15～0.50％、Als 0.010～0.025％、S 0.0010～0.0050％，N 0.0010～0.0030％、O≤0.0050％，其余为Fe及不可避免的杂质。
进一步地，所述无取向硅钢优选为包括以下重量百分比的化学成分：C0.0018～0.003、Si 0.36～1.62％、Mn：0.20～0.32％、Als 0.014～0.022％，S 0.0023～0.0034％，N0.0012～0.0030％、O≤0.0050％，其余为Fe及不可避免的杂质。
各元素在钢中的作用如下：
C：C是产生磁时效的主要元素，因此控制在较低水平较好，在C≤0.005％范围内优选C≤0.003％；当Si含量增加时，需要适当提高C含量控制水平，已确保热加工过程中存在合适含量的奥氏体相；
Si：Si是增加电阻元素，是电工钢最重要的合金元素，为获得低的铁损，需要提高Si含量，但Si含量增加，会导致热加工过程中钢中不存在本发明所需要一定含量的奥氏体相。此外也会导致磁极化强度J5000降低，因此本发明中控制Si含量上限为1.7％；
Mn、Al、S、N：通过四者的添加结合相应的工艺措施，获得需要的MnS和AlN第二相析出，从而确保在获得需要的二次再结晶发生前，能有效的抑制晶粒尺寸，从而获得150μm以上的晶粒尺寸，从而获得低的铁损。
其他杂质元素的总含量应控制在较低水平，一般要求总含量控制在0.02％以下。
所述无取向硅钢的铁损P1.5/50﹤4.3W/kg，磁极化强度J5000在1.80T以上。
本发明还提供了所述的无取向硅钢的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)铁水预处理、转炉炼钢、真空处理后连铸成铸坯；
(2)铸坯经加热炉加热后热轧；
(3)热轧板经常化处理；
(4)常化处理后的带钢经100℃以上的温度轧制到成品厚度；
(5)带钢在氮氢混合气氛中进行脱碳退火，然后涂敷退火隔离剂；；带有退火隔离剂的钢卷在氮氢混合气氛中进行再结晶退火，然后按照一定的升温速度加热到一定温度，在纯氢气氛下进行保温处理，然后冷却；
(6)将退火后的带钢表面存留的退火隔离剂去除，然后在带钢表面涂覆绝缘涂层，烘干固化；
(7)将烘干固化后的带钢进行拉伸平整退火，即可得到所述无取向硅钢。步骤(1)中，所述铸坯的厚度为150～250mm或50-100mm。
步骤(2)中，对于厚度为150～250mm的厚铸坯，以冷坯入加热炉加热，也可以通过热装的方式进行加热热轧，铸坯加热温度为1050～1200℃，加热时间为120min以上，优选为250～300min；较低的加热温度有利于铁损的进一步降低，但会增加热轧控制的难度，因此控制在1050～1200℃的范围之内。
对于厚度为50-100mm的薄板坯直接入加热炉加热，加热温度为1050～1200℃，加热时间为60min以内。
步骤(2)中，所述热轧板的厚度为2.0～3.0mm。
步骤(3)中，所述常化处理的方法为：在氮气的保护下，在950～1200℃之间保温2～5min；冷却到950℃以下再保温3～8min；以获得需要的AlN和MnS的分布形态，同时获得150μm以上粗大的(100)和(110)位向的晶粒组织。
步骤(4)中，所述轧制的温度为150～200℃，所述成品厚度为0.3～0.5mm。
步骤(5)具体包括以下步骤：在氮氢混合气的保护下于700～900℃脱碳退火15～35s，然后在带钢表面涂覆退火隔离剂，冷却出炉；再在氮氢混合气的保护下加热至750～900℃，控制升温速度≤40℃/h加热至800～1150℃，并在氢气气氛中保温10h以上，然后再在氮氢混合气的保护下冷却出炉。从经济的角度出发，在不同的工艺阶段采用不同的惰性气体进行保护，以防止带钢在退火的过程中氧化。
步骤(5)中，所述氮氢混合气中氮气的体积百分比为70～80％。
步骤(5)中，所述在氢气气氛中保温的时间优选为30～40h。
步骤(5)中，所述升温速度优选为20℃/h；将升温的速度限制在40℃/h以下，可以获得良好的电磁性能和较小的磁各向异性。
步骤(5)中，所述退火隔离剂为以MgO为主要成分的退火隔离剂。选用以MgO为主要成分的退火隔离剂在脱碳退火和再结晶退火完成之后可在带钢的表面形成高硬度的硅酸镁玻璃膜。
步骤(6)中，所述烘干固化的温度为500℃以下，时间为10～20s；优选为450℃固化15s。
步骤(7)中，所述拉伸平整退火的温度为800～900℃，拉伸的张力为4MPa以下，这样可保证硅钢具有稳定的磁各向异性。
步骤(7)中，在氮气的保护下进行拉伸平整退火。
本发明提供的低铁损高磁极化强度的无取向硅钢的配方中，不需要增加贵重金属的添加，通过成分设计，控制Als以及Mn和N、S的含量，形成具有抑制效果的第二相，然后通过常化，获得粗大的具有(100)和(110)取向的退火组织；然后通过低成本的罩式退火方法，获得粗大的二次再结晶组织，成品晶粒尺寸在150μm以上，产品磁极化强度J5000可以达到1.80T以上，产品制作的电机效率明显提升。生产过程同时通过表面形成的硅酸镁玻璃膜，硬度比同样Si含量的产品高，配合合理的绝缘涂层，可以显著提高冲片加工性能。
附图说明
图1为实施例1中的无取向硅钢的常化工艺曲线；
图2为实施例1中的无取向硅钢B常化后带钢组织金相照片；
图3为实施例1中的无取向硅钢B常化后的取向分布图。
具体实施方式
下面结合实施例及说明书附图对本发明进行详细说明。
实施例1
一种低铁损高磁极化强度的无取向硅钢，其化学成分及重量百分比如表1所示。
表1化学成分
试验钢 C Si Mn P S Als N
A 0.0020 0.40 0.25 0.013 0.0025 0.014 0.0025
B 0.0028 0.81 0.22 0.0091 0.0033 0.018 0.003
C 0.0035 1.12 0.28 0.012 0.0028 0.022 0.0021
D 0.0045 1.53 0.30 0.011 0.030 0.019 0.0014
低铁损高磁极化强度的无取向硅钢的制备方法如下：
(1)将A、B、C、D含量的试验钢经铁水预处理、转炉冶炼、真空处理后连铸成230mm铸坯：
(2)铸坯经1150℃加热280min，热轧成2.5mm厚的热轧板；
(3)在氮气的保护下，热轧板在1100℃保温2min；以≤20℃/s的冷却速率冷却到930℃再保温4min；其工艺曲线如图1所示，图2为序号为B的实验钢常化处理后的晶粒形貌，平均晶粒尺寸在160μm；图3为常化后的试验钢B的取向分布图，从图中可以看出常化后组织中(100)和(110)取向晶粒比例占比50％以上；
(4)常化处理后的带钢在200℃轧制成0.50mm的产品厚度；
(5)在氮氢混合气的保护下经过850℃×30s的脱碳退火，然后在带钢表面涂覆退火隔离剂，冷却后出炉，然后在氮氢混合气的保护下加热到750℃，然后按照20℃/h的加热速率加热至1100℃，并在纯氢气气氛中保温30h，然后冷却至450℃，冷却过程采用氮氢混合气保护带钢防止氧化；所述氮氢混合气中氮气的体积百分比为70％；
(6)获得的产品经清洗去除表面残留的隔离剂，在带钢表面涂覆绝缘涂料，经过450℃×15s干燥固化；
(7)然后经过840℃拉伸平整退火，采用氮气保护，带钢张力按照3MPa控制，获得最终产品。
产品最终晶粒尺寸在200μm，采用爱波斯坦方圈试样测量产品的铁损P1.5/50，磁极化强度J5000、以及纵横向的铁损和磁感，具体结果如表2所示。
表2产品性能
实施例2
将D成分的试验钢按照实施例1所示的处理工艺完成产品罩式炉退火工序。然后经过清洗去除表面的退火隔离剂残留，涂覆绝缘涂料并经过450℃×15s干燥固化，然后经过拉伸退火，退火过程中通过控制不同的张力，表3为不同张力控制条件下本发明所测得的产品性能，当张力大于等于6MPa时，带钢的磁各向异性明显增加，这种增加对电机性能是不利的，当张力≤3MPa时，产品各向异性基本稳定不变。因此必须严格控制拉伸退火时的带钢张力在4MPa以下。
表3张力对性能的影响
实施例3
一种低铁损高磁极化强度的无取向硅钢的制备方法包括如下步骤：
(1)将实施例1中B成分的试验钢按照铁水预处理、转炉冶炼、真空处理，然后连铸成70mm薄板坯，
(2)经过1100℃热轧成2.3mm热轧卷，
(3)然后在氮气的保护下，经1050℃×3min保温，并在20s之内冷却至900℃保温5min；
(4)然后150℃温轧至0.50mm，
(5)在氮氢混合气的保护下经900℃×20s脱碳退火，然后在带钢表面涂覆退火隔离剂，冷却后出炉；然后在氮氢混合气的保护下带钢加热至900℃，按照20℃/h的升温速率加热至1000℃，并在纯氢气气氛下保温40h，然后在氮氢混合气氛中冷却至室温；所述氮氢混合气中氮气的体积百分比为80％；
(6)经清洗去除残留的退火隔离剂残留，涂覆绝缘涂层经450℃×15s干燥固化；
(7)然后经过840℃拉伸退火，带钢张力按照2MPa控制，采用氮气保护，获得最终产品。
最终产品晶粒尺寸250μm，产品的铁损P1.5/50＝3.53W/kg，磁极化强度J5000＝1.91T，J5000(L)//J5000(C)＝1.02。
实施例4
按照实施例1的加工方法，将成分D的试验钢加工成产品，但对涂覆退火隔离剂的带钢从750℃加热至1100℃的加热速率进行调整，加热速率按照10℃/h、20℃/h，40℃/h，以及60℃/h进行设定，磁性测试结果见表4。当加热速率控制在40℃/h以下时，可以获得良好的电磁性能和较小的磁各向异性。因此必须严格控制再结晶退火后的加热速率。
上述参照实施例对一种低铁损高磁极化强度的无取向硅钢及其制备方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低铁损高磁极化强度的无取向硅钢，其特征在于，所述无取向硅钢包括以下重量百分比的化学成分：C≤0.0050％、Si≤1.70％、Mn 0.15～0.50％、Als0.010～0.025％、S0.0010～0.0050％，N 0.0010～0.0030％、O≤0.0050％，其余为Fe及不可避免的杂质；
所述无取向硅钢的制备方法包括以下步骤：
(1)铁水预处理、转炉炼钢、真空处理后连铸成铸坯；
(2)铸坯经加热炉加热后热轧；
(3)热轧板经常化处理；
(4)常化处理后的带钢经100℃以上的温度轧制到成品厚度；
(5)带钢在氮氢混合气氛中进行脱碳退火，然后涂敷退火隔离剂；带有退火隔离剂的钢卷在氮氢混合气氛中进行再结晶退火，然后按照一定的升温速度加热到一定温度，在纯氢气氛下进行保温处理，然后冷却；
(6)将退火后的带钢表面存留的退火隔离剂去除，然后在带钢表面涂覆绝缘涂层，烘干固化；
(7)将烘干固化后的带钢进行拉伸平整退火，即可得到所述无取向硅钢；
步骤(5)具体包括以下步骤：在氮氢混合气的保护下于700～900℃脱碳退火15～35s，然后在带钢表面涂覆退火隔离剂，冷却出炉；再在氮氢混合气的保护下加热至750～900℃，然后控制升温速度≤40℃/h加热至800～1150℃，并在氢气气氛中保温10h以上，然后再在氮氢混合气的保护下冷却出炉；
步骤(7)中，所述拉伸平整退火的温度为800～900℃，拉伸的张力为4MPa以下。
2.根据权利要求1所述的无取向硅钢，其特征在于，所述无取向硅钢包括以下重量百分比的化学成分：C：0.0018～0.0046、Si：0.36～1.62％、Mn：0.20～0.32％、Als：0.014～0.022％，S：0.0023～0.0034％，N：0.0012～0.0030％、O≤0.0050％，其余为Fe及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的无取向硅钢，其特征在于，所述无取向硅钢的铁损P1.5/50﹤4.3W/kg，磁极化强度J5000在1.80T以上。
4.根据权利要求1所述的无取向硅钢，其特征在于，步骤(1)中，所述铸坯的厚度为150～250mm或50-100mm。
5.根据权利要求1或4所述的无取向硅钢，其特征在于，步骤(2)中，对于厚度为150～250mm的厚铸坯，以冷坯入加热炉加热，也可以通过热装的方式进行加热热轧，铸坯加热温度为1050～1200℃，加热时间为120min以上；对于厚度为50-100mm的薄板坯直接入加热炉加热，加热温度为1050～1200℃，加热时间为60min以内。
6.根据权利要求1所述的无取向硅钢，其特征在于，步骤(3)中，所述常化处理的方法为：在氮气的保护下，950～1200℃之间保温2～5min；然后在20s内冷却到950℃以下再保温3～8min。
7.根据权利要求1所述的无取向硅钢，其特征在于，步骤(4)中，所述轧制的温度为150～200℃，所述成品厚度为0.3～0.5mm。
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