CN109112403A - 一种高压电机用高磁导率无取向硅钢及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高压电机用高磁导率无取向硅钢及制造方法，按重量百分比计含有以下成分(％)：Si：2.00％～3.2％；Als：0.20％～0.90％；Mn：0.10％～0.40％；Sn：0.01％～0.10％；Sb：0.01％～0.10％；Cu：0.02％～0.10％；C+S+N+Ti：≤85ppm，且各元素含量均≤25ppm，其余成分为Fe及不可避免的杂质元素。采用本发明生产的高压电机用高磁导率硅钢产品，相对于现有成分和工艺硅钢产品，由于Sn和Sb晶界偏聚元素的添加及热轧均热和常化工艺优化，铁损P1.5/50降低0.2W/kg以上，铁损性能优化在5％以上，磁感B5000提升0.02T，磁导率μ1.5/60提升120Gs/Oe，满足高压电机用户提出的≥1300Gs/Oe要求，磁导率性能提升率在10％以上，产品经客户批量化使用验证，各项性能指标均满足高压电机设计要求。

Description

一种高压电机用高磁导率无取向硅钢及制造方法
技术领域
本发明属于无取向硅钢生产技术领域，具体涉及到一种高压电机用高磁导率无取向硅钢及制造方法。
背景技术
电工钢主要包括碳含量很低且硅含量低于0.5％的电工钢和硅含量为0.5％～6.5％的硅钢两种，主要用作各种电机、变压器、发电机和新能源汽车驱动电机等的铁芯，是电力、电子、军事工业和交通工具中不可缺少的重要软磁合金材料。
高压电机是指额定电压在1000V以上电动机，常使用的是6000V和10000V电压，由于国外的电网不同，也有3300V和6600V的电压等级。高压电机的产生是由于电机功率与电压和电流的乘积成正比，因此低压电机功率增大到一定程度(如300kW/380V)电流受到导线的允许承受能力的限制就难以做大，或成本过高，需要通过提高电压实现大功率输出。高压电机优点是功率大，承受冲击能力强；缺点是惯性大，启动和制动都困难。
随着高压电机行业节能降耗及环保要求提高，用户提出制备效率更高、体积和噪音更小的高压电机要求。高压电机主要损耗包括铁损和铜损，铜损＝I2R，I为激磁电流，R为导线电阻，激磁电流I与(1/μ)2成正比，μ为硅钢磁导率，因此硅钢作为高压电机制造的关键磁性材料，在确保低铁损和高磁感的前提下，用户对磁导率提出更高要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压电机用高磁导率无取向硅钢及制造方法。通过合理的成分设计，借助工艺的优化，提供一种适用于高压电机用高磁导率无取向硅钢及制造方法，用于降低高压电机在磁感1.5T，频率60Hz条件下的损耗，提高高压电机工作稳定性，同时提升高磁导率硅钢的力学性能、冲片性和涂层绝缘性能等，满足高压电机领域发展需求。
本发明采取的技术方案为：
一种高压电机用高磁导率无取向硅钢，按重量百分比计含有以下成分(％)：Si：2.00％～3.2％；Als：0.20％～0.90％；Mn：0.10％～0.40％；Sn：0.01％～0.10％；Sb：0.01％～0.10％；Cu：0.02％～0.10％；C+S+N+Ti：≤85ppm，且各元素含量均≤25ppm，其余成分为Fe及不可避免的杂质元素。
上述成分中，C、S、N和Ti为有害元素，C含量超过0.0025％时会产生磁时效导致硅钢使用规程中铁损恶化；S和N超过0.0025％时会产生大量的MnS、Cu2S和AlN等夹杂，影响硅钢磁导率性能；Ti含量增加时会形成大量细小稳定的TiC和TiN夹杂，严重阻碍晶粒长大，特别是对高Si硅钢铁损性能有很坏影响；
Si、Mn和Als：三者是按比例控制在一定范围内的元素，随着三者总量增加，铁损P1.5/50性能得到明显提升，但磁感B5000性能会恶化，同样影响磁导率μ1.5/60性能；
Sn和Sb：属于晶界偏聚元素，可有效增强(100)组分和晶粒粗化并阻碍(111)再结晶晶核的形成，有利于磁化从而改善磁性，增加磁感应强度和磁导率性能。
所述高压电机用高磁导率无取向硅钢的铁损P1.5/50≤3.0W/kg；B5000≥1.68T；磁导率μ1.5/60≥1300Gs/Oe；磁各向异性≤10％。
本发明还提供了所述的高压电机用高磁导率无取向硅钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铁水添加到RH炉中进行精炼，并加入配方量的合金化元素进行合金化处理；
(2)将RH炉精炼后的钢水经连铸制成210～330mm的铸坯；
(3)将连铸后的板坯经加热炉加热后，热轧，然后进行卷取；
(4)热轧板经常化、酸洗；
(5)经一次冷轧冷轧至目标厚度0.50mm；
(6)退火；
(7)涂覆绝缘层，经加热固化后即可得到所述高压电机用高磁导率无取向硅钢。
步骤(3)中，加热炉温度1100～1180℃，保温时间160～280min，经粗轧至25～36mm，精轧至1.8mm～3.0mm厚度，经水冷工艺后温度降至540～680℃进行卷取。
步骤(4)中，热轧板经温度820～1020℃，速度22～28m/min工艺进行常化，选用高温和长时工艺，确保硅钢磁导率性能提升。
步骤(4)中，常化后用质量浓度15％盐酸进行酸洗，酸洗温度75℃。
步骤(5)中，冷轧总压下率控制在73％～83％之间。
步骤(6)中，退火温度880～980℃，时间220～360s；H2和N2按3:7比例做保护气氛；再以不超过15℃/s的冷却速度至560℃以下。
步骤(7)中，固化温度420～680℃，时间35～65s。
采用本发明生产的高压电机用高磁导率硅钢产品，其金相组织为铁素体，晶粒尺寸为70～80μm，相对于现有成分和工艺硅钢产品，由于Sn和Sb晶界偏聚元素的添加及热轧均热和常化工艺优化，铁损P1.5/50降低0.2W/kg以上，铁损性能优化在5％以上，磁感B5000提升0.02T，磁导率μ1.5/60提升120Gs/Oe，满足高压电机用户提出的≥1300Gs/Oe要求，磁导率性能提升率在10％以上，产品经客户批量化使用验证，各项性能指标均满足高压电机设计要求。
附图说明
图1为实施例1中高压电机用高磁导率无取向硅钢的金相组织图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
本发明对高压电机用高磁导率无取向硅钢性能测试部分中，铁损P1.5/50为频率50Hz交变磁场，磁极化强度在1.5T下测得的比总损耗；磁感B5000为磁场强度为5000A/m条件下测得的磁极化强度；磁导率μ1.5/60为最大磁极化强度1.5T，频率60Hz交变磁场时的硅钢磁导率；磁各向异性＝(横向铁损-纵向铁损)/(横向铁损+纵向铁损)*100％。
实施例1
一种高压电机用高磁导率无取向硅钢的制造方法，具体包括以下步骤：
1)将铁水添加到RH炉中进行精炼和合金化处理，按组分设计要求添加各合金化元素；
2)将RH炉精炼后的钢水连续浇铸成厚度为260mm的板坯，板坯的化学成分重量百分比分别为Si：2.70％；Als：0.85％；Mn：0.25％；Sn：0.01％；Sb：0.05％；Cu：0.05％；C+S+N+Ti：78ppm，且各元素含量均≤25ppm，其余为Fe及不可避免的杂质元素；
3)将连铸后的板坯经加热炉，加热炉温度1120℃，时间195min，然后经3道次粗轧至33mm，7道次精轧至2.0mm厚度，经水冷工艺后温度降至580℃进行卷取；
4)热轧板常化温度为980℃，速度为28m/min，常化后用质量浓度15％盐酸进行酸洗，酸洗温度75℃；
5)经4道次冷轧至目标厚度为0.50mm，冷轧总压下率控制在为75％；
6)最后经920℃，速度95m/min，退炉火时间320s，H2和N2按体积比3:7比例做保护气氛进行退火；再以12℃/s的冷却速度至560℃以下；
7)经涂层辊进行绝缘涂料的涂敷，温度580℃和时间45s工艺对绝缘涂料进行固化。
经上述工艺制造的高压电机用高磁导率无取向硅钢表面质量优良，其金相组织图如图1所示，其金相组织为铁素体，晶粒度等级为4.2级，晶粒尺寸达到75μm。成品的铁损P1.5/50为2.87W/Kg，磁感B5000为1.69T，磁导率μ1.5/60＝1386Gs/Oe；磁各向异性为8.6％，磁性能优异，同时具有优良的力学性能、冲片性和绝缘涂层性能。
实施例2
一种高压电机用高磁导率无取向硅钢的制造方法，具体包括以下步骤：
1)将铁水添加到RH炉中进行精炼和合金化处理，按组分设计要求添加各合金化元素；
2)将RH炉精炼后的钢水连续浇铸成厚度为260mm的板坯，板坯的化学成分重量百分比分别为Si：3.10％；Als：0.65％；Mn：0.35％；Sn：0.08％；Sb：0.04％；Cu：0.03％；C+S+N+Ti：72ppm，且各元素含量均≤25ppm，其余为Fe及不可避免的杂质元素；
3)将连铸后的板坯经加热炉，加热炉温度1150℃，时间205min，然后经3道次粗轧至33mm，7道次精轧至2.0mm厚度，经水冷工艺后温度降至580℃进行卷取；
4)热轧板常化温度为960℃，速度为26m/min，常化后用质量浓度15％盐酸进行酸洗，酸洗温度75℃；
5)经4道次冷轧至目标厚度为0.50mm，冷轧总压下率控制在为75％；
6)最后经960℃，速度85m/min，退炉火时间360s，H2和N2按体积比3:7比例做保护气氛进行退火；再以10℃/s的冷却速度至560℃以下；
7)经涂层辊进行绝缘涂料的涂敷，温度580℃和时间45s工艺对绝缘涂料进行固化。
经上述工艺制造的高压电机用高磁导率无取向硅钢表面质量优良，成品的铁损P1.5/50为2.55W/Kg，磁感B5000为1.67T，磁导率μ1.5/60＝1306Gs/Oe；磁各向异性为9.1％，磁性能优异，同时具有优良的力学性能、冲片性和绝缘涂层性能。
实施例3
一种高压电机用高磁导率无取向硅钢的制造方法，具体包括以下步骤：
1)将铁水添加到RH炉中进行精炼和合金化处理，按组分设计要求添加各合金化元素；
2)将RH炉精炼后的钢水连续浇铸成厚度为260mm的板坯，板坯的化学成分重量百分比分别为Si：2.25％；Als：0.90％；Mn：0.30％；Sn：0.09％；Sb：0.06％；Cu：0.04％；C+S+N+Ti：70ppm，且各元素含量均≤25ppm，其余为Fe及不可避免的杂质元素；
3)将连铸后的板坯经加热炉，加热炉温度1100℃，时间220min，然后经3道次粗轧至33mm，7道次精轧至2.0mm厚度，经水冷工艺后温度降至580℃进行卷取；
4)热轧板常化温度为1000℃，速度为24m/min，常化后用质量浓度15％盐酸进行酸洗，酸洗温度75℃；
5)经4道次冷轧至目标厚度为0.50mm，冷轧总压下率控制在为75％；
6)最后经900℃，速度100m/min，退炉火时间320s，H2和N2按体积比3:7比例做保护气氛进行退火；再以15℃/s的冷却速度至560℃以下；
7)经涂层辊进行绝缘涂料的涂敷，温度580℃和时间45s工艺对绝缘涂料进行固化。
经上述工艺制造的高压电机用高磁导率无取向硅钢表面质量优良，成品的铁损P1.5/50为2.96W/Kg，磁感B5000为1.70T，磁导率μ1.5/60＝1428Gs/Oe；磁各向异性为8.4％，磁性能优异，同时具有优良的力学性能、冲片性和绝缘涂层性能。
对比例1
一种高压电机用高磁导率无取向硅钢及制造方法，具体包括以下步骤：
1)将铁水添加到RH炉中进行精炼和合金化处理，按组分设计要求添加各合金化元素；
2)将RH炉精炼后的钢水连续浇铸成厚度为260mm的板坯，板坯的化学成分重量百分比分别为Si：1.65％；Als：1.05％；Mn：0.35％；Sb：0.05％；Cu：0.06％；C+S+N+Ti：100ppm，且各元素含量均≤30ppm，其余为Fe及不可避免的杂质元素；
3)将连铸后的板坯经加热炉，加热炉温度1180℃，时间160min，然后经3道次粗轧至33mm，7道次精轧至2.5mm厚度，经水冷工艺后温度降至580℃进行卷取；
4)热轧板常化温度为900℃，速度为30m/min，常化后用质量浓度15％盐酸进行酸洗，酸洗温度75℃；
5)经4道次冷轧至目标厚度为0.50mm，冷轧总压下率控制在为80％；
6)最后经880℃，速度100m/min，退炉火时间320s，H2和N2按体积比3:7比例做保护气氛进行退火；再以20℃/s的冷却速度至560℃以下；
7)经涂层辊进行绝缘涂料的涂敷，温度580℃和时间45s工艺对绝缘涂料进行固化。
经上述工艺制造的高压电机用高磁导率无取向硅钢表面质量优良，成品的铁损P1.5/50为3.24W/Kg，磁感B5000为1.71T，磁导率μ1.5/60＝1228Gs/Oe；磁各向异性为10.5％，性能相对较差，力学性能、冲片性和绝缘涂层性能正常。
对比例2
一种高压电机用高磁导率无取向硅钢及制造方法，具体包括以下步骤：
1)将铁水添加到RH炉中进行精炼和合金化处理，按组分设计要求添加各合金化元素；
2)将RH炉精炼后的钢水连续浇铸成厚度为260mm的板坯，板坯的化学成分重量百分比分别为Si：3.25％；Als：0.50％；Mn：0.20％；Sn：0.15％；Cu：0.06％；C+S+N+Ti：106ppm，且各元素含量均≤30ppm，其余为Fe及不可避免的杂质元素；
3)将连铸后的板坯经加热炉，加热炉温度1180℃，时间210min，然后经3道次粗轧至33mm，7道次精轧至2.0mm厚度，经水冷工艺后温度降至580℃进行卷取；
4)热轧板常化温度为800℃，速度为30m/min，常化后用质量浓度15％盐酸进行酸洗，酸洗温度75℃；
5)经4道次冷轧至目标厚度为0.50mm，冷轧总压下率控制在为75％；
6)最后经920℃，速度100m/min，退炉火时间320s，H2和N2按体积比3:7比例做保护气氛进行退火；再以15℃/s的冷却速度至560℃以下；
7)经涂层辊进行绝缘涂料的涂敷，温度580℃和时间45s工艺对绝缘涂料进行固化。
经上述工艺制造的高压电机用高磁导率无取向硅钢表面质量优良，成品的铁损P1.5/50为2.76W/Kg，磁感B5000为1.66T，磁导率μ1.5/60＝1128Gs/Oe；磁各向异性为10.6％，磁性能相对较差，力学性能、冲片性和绝缘涂层性能正常。
上述参照实施例对一种高压电机用高磁导率无取向硅钢及制造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 (9)

1.一种高压电机用高磁导率无取向硅钢，其特征在于，按重量百分比计含有以下成分(％)：Si：2.00％～3.2％；Als：0.20％～0.90％；Mn：0.10％～0.40％；Sn：0.01％～0.10％；Sb：0.01％～0.10％；Cu：0.02％～0.10％；C+S+N+Ti：≤85ppm，且各元素含量均≤25ppm，其余成分为Fe及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的高压电机用高磁导率无取向硅钢，其特征在于，所述高压电机用高磁导率无取向硅钢的铁损P1.5/50≤3.0W/kg；B5000≥1.68T；磁导率μ1.5/60≥1300Gs/Oe；磁各向异性≤10％。
3.根据权利要求1或2所述的高压电机用高磁导率无取向硅钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将铁水添加到RH炉中进行精炼，并加入配方量的合金化元素进行合金化处理；
(2)将RH炉精炼后的钢水经连铸制成210～330mm的铸坯；
(3)将连铸后的板坯经加热炉加热后，热轧，然后进行卷取；
(4)热轧板经常化、酸洗；
(5)经一次冷轧冷轧至目标厚度0.50mm；
(6)退火；
(7)涂覆绝缘层，经加热固化后即可得到所述高压电机用高磁导率无取向硅钢。
4.根据权利要求3所述的的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，加热炉温度1100～1180℃，保温时间160～280min，经粗轧至25～36mm，精轧至1.8mm～3.0mm厚度，经水冷工艺后温度降至540～680℃进行卷取。
5.根据权利要求3所述的的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，热轧板经温度820～1020℃，速度22～28m/min工艺进行常化。
6.根据权利要求3所述的的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，常化后用质量浓度15％盐酸进行酸洗，酸洗温度75℃。
7.根据权利要求3所述的的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，冷轧总压下率控制在73％～83％之间。
8.根据权利要求3所述的的制备方法，其特征在于，步骤(6)中，退火温度880～980℃，时间220～360s；H2和N2按3:7比例做保护气氛；再以不超过15℃/s的冷却速度至560℃以下。
9.根据权利要求3所述的的制备方法，其特征在于，步骤(7)中，固化温度420～680℃，时间35～65s。
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