CN109822070B - 一种薄板坯全无头轧制电驱动用无取向电工钢及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄板坯全无头轧制电驱动用无取向电工钢及制备方法，属于钢铁制造领域，其步骤为：(1)转炉冶炼和真空处理；(2)连铸，采用液芯压下；(3)进行热轧，控制粗轧出口温度；控制粗轧和精轧的压下分配；(4)进行常化酸洗；(5)进行冷轧；(6)进行退火，采用干气保护气氛。与现有技术相比较，本工艺合理设计，制备出了板形和磁性能优异的薄规格、磁性优良且均匀的电驱动电机用无取向电工钢。

Description

一种薄板坯全无头轧制电驱动用无取向电工钢及制备方法

技术领域

本发明涉及一种无取向电工钢制备方法，特别是一种薄板坯全无头轧制电驱动电机用无取向电工钢的制备方法。

背景技术

煤炭、石油和天然气等化石能源是当前工业和民用的主要能源之一，燃烧过程中释放大量二氧化碳、氮硫化物等有害气体，造成环境污染，危害身体健康。以水电、核电和太阳能等电能作为主要能源的电驱动电机替代传统燃油发动机，正逐步应用于新能源汽车以取代传统燃油汽车，成为人类发展的必然趋势。

电驱动电机为新能源汽车的核心部件，其品质直接影响新能源汽车的结构设计、舒适度、启动性能以及续航能力。用作电机铁芯的关键材料无取向电工钢应具有以下特性：(1)优异的磁性能，中低磁场下的高磁感，以降低铜损，电机可以获得更高的启动转矩。高速(高频)下的低铁损，降低损耗，提高电磁能转换效率，提升电机整体效率。(2)良好的板形和厚度精度，以制备出高尺寸精度的铁芯，减少定子和转子之间的装配公差，获得较小的定子和转子间气隙，提高电机的电磁转换效率和使用寿命。(3)更薄的厚度规格(≤0.35mm)，降低铁芯损耗，尤其电机在高频(高速)工作的损耗。

目前，制备薄规格电驱动电机用无取向电工钢，有以下几种方法：(1)常规长流程：现行通用的可批量化生产的制备工艺流程，其工艺流程为转炉冶炼-炉外精炼-连铸成坯-加热炉加热-粗轧-精轧-卷取-热轧板常化-冷轧-退火，厚度0.20mm以内通常采用二次冷轧、二次退火。该流程其工艺流程长，热轧单块轧制，长度方向温度不均匀，导致组织不均，成品磁性能不均。合金含量大，热轧最薄极限厚度厚(≥2.0mm)，冷轧至≤0.35mm总压下量大，无法获得薄规格成品的最佳磁性能，板形难以控制，易产生边裂和断带，冷轧难度大，成材率低。(2)薄板坯连铸连轧CSP工艺试生产过高牌号无取向电工钢并有专利报道：专利《薄板坯连铸连轧生产高牌号无取向硅钢及制造方法》(申请号201210308403.3)，通过优化工艺、增加热轧板平整工艺，且未经粗轧工序，成品瓦楞状缺陷无法杜绝，且成品厚度较厚(≥0.35mm)；另外，CSP为铸坯单块轧制，因其过程温度高，相比传统工艺板形有所改善，极限规格可降低(≥1.80mm)，但头尾板形和厚度精度难以保证，无法获得磁性能和板形优良的电驱动电机用薄规格高牌号无取向电工钢。

近年来，薄板坯全无头轧制(ESP)工艺可实现整浇次(≥2000吨)钢坯的无头轧制，其生产优势在于：(1)拉速高，偏析小，柱状晶细小。配有3台粗轧机，可实现高温大压下，无需电磁搅拌，可获得均匀的等轴晶组织。(2)过程时间短，从钢水浇注到成卷约7分钟，表面氧化铁皮薄，不易形成难酸洗的Fe₂SiO₄，有利于表面质量。(3)板形好、尺寸精度高、极限规格薄，最薄可生产0.65mm，0.80mm-1.20mm规格可批量稳定生产，为获得薄规格、板形良好的冷轧成品提供良好热轧卷基料。但是，将ESP工艺引入生产薄规格电驱动电机用无取向电工钢存在以下技术问题：(1)高Si/Al合金含量条件下，实现高拉速无头轧制；(2)因薄板坯全无头轧制工艺流程铸坯拉速高、钢带薄、无蓄热式加热炉，钢带热履历不同，析出相和微观组织的演变规律差异明显，析出相和晶粒细小，导致铁损过高。

因此，高拉速、薄板坯全无头轧制生产电工钢尤其高硅薄规格电驱动电机用无取向电工钢方面，目前没有稳定高效并且适合于量产的生产方式。

发明内容

本发明的技术任务是针对以上现有技术的不足，提供一种薄板坯全无头轧制电驱动电机用无取向电工钢及制备方法，用以制备低成本、高性能、优良板形和表面质量的电驱动电机用电工钢。

本发明解决其技术问题的技术方案是：一种薄板坯全无头轧制电驱动电机用无取向电工钢制备方法，其特征在于，其步骤为：

(1)采用常规方法进行转炉冶炼和真空处理；

(2)连铸，拉速4.50～6.00m/min，采用液芯压下，控制压下量5～20mm；控制铸坯出口温度1050℃～1150℃；

(3)进行热轧，控制粗轧出口温度≥950℃；控制粗轧和精轧的压下分配，F5不高于20％；终轧温度800～880℃，卷取温度600℃～720℃；

(4)进行常化酸洗；

(5)进行冷轧；

(6)进行退火，采用干气保护气氛，炉内张力控制在0.10～0.30daN。

上述无取向电工钢的组分及重量百分比含量为：C≤0.0030％，2.80％≤Si≤3.30％，0.50％≤Als≤1.0％，0.10％≤Mn≤0.5％，P≤0.03％，S≤0.0030％，N≤0.0030％，[0]≤0.0030％，其余为铁和不可避免的杂质。

上述步骤(2)中控制钢水过热度15℃～30℃。

上述步骤(3)中成品厚度0.80mm～1.50mm；R1不低于55％、R2不低于50％、R3不低于40％，F1和F2不低于45％；

上述步骤(3)钢带冷却速度≤20℃/S；控制感应加热温度1050～1180℃。

上述步骤(4)中控制常化温度830℃～870℃，时间1.5min～2.5min。

上述步骤(5)中成品厚度0.10mm～0.35mm。

上述步骤(5)中采用一次冷轧工艺，控制冷轧压下率75～90％。

上述步骤(6)干气保护气氛中H2:N2≥1:4，露点≤～15℃；退火温度850℃～950℃，时间2min～3min。

上述步骤(6)钢带退火后进行绝缘涂层。

与现有技术相比较，本发明具有以下突出的有益效果：

1、本发明技术工艺根据薄板坯全无头轧制(连铸、粗轧、精轧和卷取工序刚性连接)的特点，开发适合ESP工艺流程的成分工艺体系，热轧出0.8mm-1.50mm规格的热轧卷，实现了稳定连续生产，厚度精度高，板形好、组织和织构优良的热轧钢带，为冷轧工序提供最佳厚度和板形的热轧原料；

2、合理设计常化、冷轧和连续退火工艺，制备出了板形和磁性能优异的薄规格(0.10mm-0.35mm)、磁性优良且均匀的电驱动电机用无取向电工钢，为电工钢的制备开辟了新的工艺路径；

3、本发明技术工艺生产流程短、效率高、规格薄，省去了二次冷轧和退火，极大地降低了生产成本；

4、本发明的实施最终成品与现有驱动电驱动电机用的无取向电工钢比较，相同厚度规格下，铁损更低，磁感应强度更高。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明技术方案成分及设计范围为(wt％)：

C≤0.0030％，2.80％≤Si≤3.30％，0.50％≤Als≤1.0％，0.10％≤Mn≤0.5％，P≤0.03％，S≤0.0030％，N≤0.0030％，[0]≤0.0030％，其余为铁和不可避免的杂质。

本发明生产的无取向电工钢成分设计说明如下：

C，C原子间隙固溶于钢基体，成品C含量太高(大于30ppm)时会产生磁时效，另外析出细小的C化物粒子，导致成品和电机铁芯性能恶化；

Si，Si是无取向电工钢主合金元素，Si可显著提高钢的电阻率，降低铁损；但是，Si含量增加会降低磁感应强度，而且Si是明显的加工硬化元素，过高导致冷轧困难；因此2.80％≤Si≤3.30％，可保证冷轧顺行同时获得较低铁损。

Al，Al为高牌号无取向电工钢的主合金元素，添加Als也可增加电阻率，降低铁损；Al也是固N元素，Als可以减轻N对钢的危害。Als加工硬化较Si轻，因此Als可以部分替代Si元素降低铁损。Als过高(＞1.0％)，导致冶炼和连续浇铸困难。

Mn，Mn是固S元素，与S结合形成MnS，粗大的MnS有利于晶粒长大降低铁损。另外，Mn可以改善织构，增强有利织构(100)、(110)组分，减弱不利织构(111)组分，提高磁感应强度。Mn不应过高(大于0.50％)，Mn过高导致成本增加且冷轧困难。

P，磷为晶界偏聚元素，对于高拉坯速的短流程产线，严格控制该元素含量，P含量控制在≤0.030％；

S和N均为杂质元素，含量增加导致铁损和磁感降低，S、N元素含量越低越好，因此控制S≤0.0030％，N≤0.0030％。

[O]含量是衡量钢的纯净度重要元素，[0]含量过高，氧化物夹杂含量高，增加了磁化难度，铁损增加。通过转炉、精炼、连铸的冶炼和保护措施，控制[0]≤0.0030％。

本发明采用无头轧制生产电驱动电机用无取向电工的制造方法包括如下步骤：铁水预处理脱硫→转炉冶炼→真空精炼→连续浇铸→粗轧→感应加热→精轧→卷取→酸洗常化→冷轧→连续退火涂层。

(1)冶炼工序：

铁水预处理脱硫至残硫(≤0.0010％)，转炉冶炼、真空深脱碳和合金化获得满足本发明设计成分和纯净度要求的钢水。

(2)连铸工序：

钢水经中间包进入连铸机，经过扇形段浇注成铸坯，铸坯厚度90-110mm。控制过热度，控制范围15-30℃、拉速4.50-6.00m/min、二冷水采用强冷模式。控制铸坯出口温度为1050-1150℃。采用铸坯动态液芯压下技术，压下量5mm-20mm。

控制过热度和拉速之间的协调性：过热度过高，影响拉坯速度，易产生鼓肚甚至漏钢；拉速过高，铸坯壳强度不高，承受力不足，易漏钢；拉速过低，难以保证钢水正常浇注，影响生产效率，也不能保证铸坯的温度；二冷水采用强冷模式，以保证导热性较差的高硅含量顺利浇铸。结晶器出口铸坯厚度90-110mm，采用动态液芯压下技术，扇形段出口铸坯厚度85-95mm，压下量5mm-20mm。液芯压下可以减少成分偏析，减小柱状晶尺寸，避免成品瓦楞状缺陷。压下量太高(大于20mm)，导致结晶器液位波动，影响浇铸稳定性。铸坯厚度和动态液芯压下是相关要素，二者结合才可以实现高效生产和成品性能的稳定性。

(3)热轧工序：

连续浇铸的铸坯，进行三道次粗轧，控制粗轧出口温度≥950℃，R1压下率不低于55％、R2压下率不低于50％、R3压下率不低于40％；中间坯经感应炉加热、感应加热出口温度1050-1180℃；高压除鳞后入五机架精轧机，热轧成品厚度0.80mm-1.50mm，终轧温度800-880℃，F1和F2压下率不低于45％，F5压下率不高于20％。控制层流冷轧，钢带冷却速度≤20℃/S。卷取温度600℃-720℃。

控制感应加热出口温度1050℃-1180℃：加热温度过低(＜1050℃)，精轧轧制负荷过大，薄规格轧制困难，且晶粒粗化和析出相长大效果不佳。加热温度过高(＞1180℃)，感应炉能耗高，已析出的AlN重新固溶或未析出的析出条件不足，在后续精轧、冷却及卷取过程中细小弥散析出，导致成品晶粒细小，成品铁损高。

控制精轧各机架的压下率，F1和F2压下率不低于45％，F5压下率不高于20％。保证F1和F2大压下(≥45％)，有利于动态再结晶，保证遗留柱状晶充分再结晶，保证冷轧成品无瓦楞状缺陷，F5轻压下(≤20％)，有利于保持良好的板形，尤其较薄规格。热轧钢带厚度0.80mm-1.50mm，为冷轧至薄规格(≤0.35mm)成品提供良好冷轧性能，保证冷轧总压下率(75-90％)，获得良好的织构和组织；精轧终轧温度800℃-880℃，终轧温度过高，三次氧化铁皮重，终轧温度过低，静态再结晶，影响热轧板组织；分段式层冷控制，保证钢带冷却速度≤20℃/S，以获得良好的静态再结晶条件，可以减小钢带内应力；卷取温度650℃-720℃，卷取温度过高，氧化铁皮较重，难酸洗。卷取温度过低静态再结晶不充分，影响磁性能。

(4)常化酸洗：

常化温度830℃-870℃，均热时间1.5min-2.5min，板带650℃以上采用炉冷，650℃以下采用空冷和水冷，钢带常化后酸洗。

为了进一步改善组织和织构，进行热轧板常化(正火)。常化温度830℃-870℃，均热时间1.5min-2.5min。薄规格热轧板，常化温度过高(高于870℃)，晶粒过于粗大，后续轧制易脆断，常化温度过低(低于830℃)，晶粒长大不充分，磁性能欠佳。常化时间过短(＜1.5min)，晶粒长大不充分，不利于磁性能的提高，过长影响效率且易造成冷轧断带。

(5)冷轧：

采用一次冷轧工艺，冷轧压下率75-90％。冷轧成品厚度0.10mm-0.35mm。

冷轧压下率过低(＜75％)，形变储能低，再结晶退火不充分。冷轧压下率过高(≥90％)，退火后不利织构(111)组分增加，恶化磁性能。

(6)连续退火：

退火前进行碱洗脱脂处理；采用干气保护气氛，气体组成H2:N2≥1:4，露点≤-15℃；退火温度850℃-950℃，时间2min-3min；炉内张力0.10-0.30daN。钢带退火后可以进行绝缘涂层。

在干气还原性保护气氛下低张力状态退火。控制露点≤-15℃，露点过高，钢带的表层和次表层形成氧化层，增加了铁损；退火温度控制850℃～950℃，退火温度＜850℃，晶粒长大不充分，铁损高；退火温度＞950℃，晶粒过于粗大，钢带软，易在炉内断带，且高频铁损增高；退火时间2-3min，时间过长影响生产效率，时间过短，晶粒长大不充分，铁损高。炉内张力控制在0.10daN-0.30daN，张力＜0.10daN，钢带易跑偏甚至断带，张力＞0.30daN，钢带易拉窄，不利于增加有利织构(100)和(110)组分，磁性恶化。退火后进行绝缘涂层。

以下为具体实施例和对比例，其中实施例1-6和对比例1为薄板坯全无头轧制工艺，对比例2为薄板坯连铸连轧(CSP)单块轧制工艺，对比例3～5为传统长流程单块轧制工艺。

本发明各实施例1-6按以下步骤生产：

(1)按表1的目标化学成分进行转炉冶炼和真空处理；

(2)连铸，拉速4.50-6.00m/min，控制钢水过热度15℃-30℃；采用液芯压下，控制压下量5-20mm；控制铸坯出口温度1050℃-1150℃；

(3)进行热轧，成品厚度0.80mm-1.50mm。控制粗轧出口温度≥950℃，控制粗轧和精轧的压下分配，R1不低于55％、R2不低于50％、R3不低于40％，F1和F2不低于45％，F5不高于20％。控制感应加热温度1050-1180℃，终轧温度800-880℃，卷取温度600℃-720℃，钢带冷却速度≤20℃/S。

(4)进行常化酸洗，控制常化温度830℃-870℃，时间1.5min-2.5min。

(5)进行冷轧，成品厚度0.10mm-0.35mm。一次冷轧工艺，控制冷轧压下率75-90％。

(6)进行连续退火，退火温度850℃～950℃，时间2min-3min，采用干气保护气氛(H2:N2≥1:4，露点≤-15℃)，炉内张力控制在0.10-0.30daN。钢带退火后可进行绝缘涂层。

对比例1为薄板坯全无头轧制工艺，由于目前没有现行的高合金钢种ESP工艺，对比例1部分具体参数来自本公司对于含Ti集装箱钢的制备工艺(《一种含Ti集装箱钢及其生产方法》，申请号201810326322.3)。其具体按以下步骤生产：铁水预处理脱硫→转炉冶炼→真空精炼→连续浇铸→粗轧→感应加热→精轧→卷取→酸洗常化→冷轧→连续退火涂层。其具体参数见表1～4。

对比例2为薄板坯连铸连轧(CSP)单块轧制工艺，按以下步骤生产：铁水预处理脱硫→转炉冶炼→真空精炼→连续浇铸→隧道炉加热→精轧→卷取→酸洗常化→冷轧→连续退火涂层。其具体参数见表1～4。

对比例3～5为传统长流程单块轧制工艺，其工艺流程为：铁水预处理脱硫-转炉冶炼-炉外精炼-连铸成坯-加热炉加热-粗轧-精轧-卷取-热轧板常化-冷轧-退火。

本发明各实施例及对比例比较分析：

1、本发明各实施例及对比例的化学成分取值，见表1

表1本发明各实施例及对比例的化学成分取值列表；

2、本发明各实施例及对比例的连铸主要工艺参数，见表2

表2本发明各实施例及对比例的连铸主要工艺参数列表：

由表2可以看出，实施例1-6与对比例1的不同在于铸坯厚度和液芯压下的参数搭配；对比例2为CSP工艺，拉速低、铸坯薄、过热度高，铸坯出口温度低；对比例3～5为传统连铸，铸坯厚，拉速更低，相应连铸出口铸坯温度低。

3、本发明各实施例及对比例的热轧主要工艺参数，见表3

表3本发明各实施例及对比例的热轧主要工艺参数列表；

*为前段冷却

由表3可以看出，实施例1-6与对比例1的不同在于：实施例对各道次压下分配、终轧温度控制、冷却方式和卷取温度。对比例4为CSP工艺，热轧成品厚度，工艺布置不同。对比例5-7为传统热轧，热轧成品厚度更厚，工艺布置与ESP也不同。

4、本发明各实施例及对比例的常化、冷轧、连续退火主要工艺参数，见表4；

表4本发明各实施例及对比例的常化、冷轧、连续退火主要工艺参数列表

由表4可以看出，实施例1～6与对比例1相比，该工序参数保持一致，而与其他对比例比较，则根据ESP工艺流程的特点，由于实施例1～6热轧板厚度更薄，常化工艺、冷轧压下率以及退火工艺也相应有差异，可获得良好轧制工艺性和磁性能的薄规格成品。

5、为本发明各实施例及对比例性能检测情况，见表5。

表5本发明各实施例及对比例的主要工艺参数磁性能列表

由表5可以看出，本发明的实施效果理想，可顺行大规模生产0.10mm-0.35mm规格产品。采用实施例生产的成品表面平滑、无瓦楞装缺陷。在相同厚度规格情况下，采用实施例生产的成品铁损P1.5/50较其他对比例组要低0.12W/kg～0.79W/kg，P1.0/400低2.00W/kg～7.30W/kg，磁感B2500高0.01T～0.12T(100Gs-1200Gs)，磁感B5000高0.03T～0.10T(300Gs-1000Gs)。并且从表5可以看出，对比例1采用的ESP工序参数，并不适用于高合金生产，最终产品较同等成品厚度的实施例1，P1.5/50高0.79W/kg，P1.0/400高7.30W/kg，磁感B2500低0.12T，磁感B5000低0.10T，磁性能无法满足电驱动电机用无取向电工钢的产品需求。

需要说明的是，本发明的特定实施方案已经对本发明进行了详细描述，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种薄板坯全无头轧制电驱动电机用无取向电工钢制备方法，其特征在于，所述无取向电工钢的组分及重量百分比含量为：C≤0.0030％，2.80％≤Si≤3.30％，0.50％≤Als≤1.0％，0.10％≤Mn≤0.5％，P≤0.03％，S≤0.0030％，N≤0.0030％，[0]≤0.0030％，其余为铁和不可避免的杂质，成品厚度0.10mm-0.35mm；其步骤为：

(1)采用常规方法进行转炉冶炼和真空处理；

(2)连铸，拉速4.50～6.00m/min，采用液芯压下，控制压下量5～20mm；控制铸坯出口温度1050℃～1150℃；

(3)进行热轧，控制粗轧出口温度≥950℃；控制粗轧和精轧的压下分配，F5不高于20％；终轧温度800～880℃，卷取温度600℃～720℃；

(4)进行常化酸洗；

(5)进行冷轧；

(6)进行退火，采用干气保护气氛，炉内张力控制在0.10～0.30daN。

2.根据权利要求1所述的薄板坯全无头轧制电驱动电机用无取向电工钢制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中控制钢水过热度15℃～30℃。

3.根据权利要求1所述的薄板坯全无头轧制电驱动电机用无取向电工钢制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中成品厚度0.80mm～1.50mm；R1不低于55％、R2不低于50％、R3不低于40％，F1和F2不低于45％。

4.根据权利要求1所述的薄板坯全无头轧制电驱动电机用无取向电工钢制备方法，其特征在于：所述步骤(3)钢带冷却速度≤20℃/S；控制感应加热温度1050～1180℃。

5.根据权利要求1所述的薄板坯全无头轧制电驱动电机用无取向电工钢制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中控制常化温度830℃～870℃，时间1.5min～2.5min。

6.根据权利要求1所述的薄板坯全无头轧制电驱动电机用无取向电工钢制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中采用一次冷轧工艺，控制冷轧压下率75～90％。

7.根据权利要求1所述的薄板坯全无头轧制电驱动电机用无取向电工钢制备方法，其特征在于：所述步骤(6)干气保护气氛中H2:N2≥1:4，露点≤～15℃；退火温度850℃～950℃，时间2min～3min。

8.根据权利要求1所述的薄板坯全无头轧制电驱动电机用无取向电工钢制备方法，其特征在于：所述步骤(6)钢带退火后进行绝缘涂层。