CN109852878A - 磁性优良的无取向电工钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种磁性优良的无取向电工钢板及其制造方法，其化学成分质量百分比为：C：0～0.005％，Si：2.1～3.2％，Mn：0.2～1.0％，P：0～0.2％，Al：0.2～1.6％，N：0～0.005％，Ti：0～0.005％，Cu：0～0.2％，其余为Fe和不可避免的杂质；同时要求：(形成MnS的S含量+形成CuxS的S含量)/钢中的S含量≤0.2。本发明生产无取向电工钢板时制造过程简便，钢的化学成分容易控制，制造过程稳定，技术要求容易实现。

Description

磁性优良的无取向电工钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及电工钢板，尤其涉及一种磁性优良的无取向电工钢板及其制造方法。
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。
之前，为了获得低铁损、高磁感，往往采用对化学成分进行设计优化，向钢中添加特殊的有益合金元素，采用热轧板常化处理，以及提高连续退火温度的加工方式。这些因素都没有考虑钢中微细析出物对材料电磁性能的巨大影响。例如，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，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，获得了良好的材料磁感，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。
此外，钢中的微细析出物会对连续退火时，成品带钢的晶粒长大产生影响，尤其是微细的硫化物对晶粒尺寸的影响，会导致成品带钢的铁损大幅增加。从无害化角度而言，需要尽可能的减少钢中的硫化物数量，并确保其保持粗大化。减少硫化物数量与减少硫含量密切相关，这就需要在RH精炼进行深脱硫，并通过延长RH精炼脱气时间的方式提高脱硫效率，但这势必会增加钢的制造成本。
还有，有人提出降低热轧加热温度的方式，例如，将热轧过程中，粗轧道次的温度限制在950～1150℃，以防止微细的MnS析出。只是，通过这种单纯的降低热轧加热温度的方式，将钢中硫化物的种类、状态限制在特定的范围内十分困难。并且，热轧加热温度的降低，还会导致热轧负荷加大，对热轧之后的再结晶和晶粒尺寸长大十分不利。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁性优良的无取向电工钢板及其制造方法，所述无取向电工钢板磁性优良，铁损P15/50不大于2.4W/kg；而且制造过程简便，钢的化学成分容易控制，制造过程稳定，技术要求容易实现。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种磁性优良的无取向电工钢板，其化学成分质量百分比为：C：0～0.005％，Si：2.1～3.2％，Mn：0.2～1.0％，P：0～0.2％，Al：0.2～1.6％，N：0～0.005％，Ti：0～0.005％，Cu：0～0.2％，其余为Fe和不可避免的杂质；同时，还需要满足以下技术要求：
(形成MnS的S含量+形成CuxS的S含量)/钢中的S含量≤0.2……式(1)
进一步，在0.2～0.5μm尺寸范围内，形成的MnS数量要求≤5.0×108个/mm3，并且，在0.2～1.0μm尺寸范围内，形成的MnS数量中：(0.5～1.0μm)的MnS数量/(0.2～0.5μm)的MnS数量≤0.2……式(2)
本发明所述无取向电工钢板的铁损P15/50不大于2.4W/kg。
在本发明磁性优良的无取向电工钢板的成分设计中：
碳(C)：强烈阻碍成品钢的晶粒长大，容易与Nb、V、Ti等元素结合形成细小析出物，从而引起损耗增加并产生磁时效。因此，有必要将C含量限制在0～0.005％。
硅(Si)：能显著提高成品钢的电阻率，有效降低成品钢的损耗。Si含量高于3.2％时，会显著降低成品钢的磁感；而低于2.1％时，又起不到大幅降低损耗的效果。因此，本发明将Si含量限制在2.1～3.2％。
锰(Mn)：与S结合生成MnS，可以减少对成品钢的磁性能危害，并且改善成品钢的表面质量。因此，有必要添加0.2％以上Mn含量，而Mn含量高于1.0％时，会造成连铸浇铸困难，还容易破坏成品钢的再结晶织构。因此，本发明将Mn含量限制在0.2～1.0％。
磷(P)：超过0.2％时，容易导致冷脆现象发生，降低冷轧机组的可制造性。因此，本发明将P含量限制在0.2％以下。
铝(Al)：能显著提高成品钢的电阻率，同时进行钢液深脱氧。因此，有必要添加0.2％以上Al含量，而Al含量高于1.6％时，会导致成品钢的磁感明显降低，同时大幅增加炼钢制造成本。因此，本发明将Al含量限制在0.2～1.6％。
氮(N)：超过0.005％时，将使N的Nb、V、Ti、Al等析出物大大增加，强烈阻碍成品钢的晶粒长大，恶化成品钢的磁性能。因此，本发明将N含量限制在0.005％以下。
钛(Ti)：超过0.005％时，将使Ti的C、N化物夹杂物大大增加，强烈阻碍成品钢的晶粒长大，恶化成品钢的磁性能。因此，本发明将Ti含量限制在0～0.005％。
铜(Cu)：与S结合生成CuxS，劣化成品钢的磁性能。超过0.2％时，容易导致热轧板表面出现质量缺陷。因此，本发明将Cu含量限制在0～0.2％。
本发明所述的磁性优良的无取向电工钢板及其制造方法，包括以下步骤：
1)高炉铁水经过铁水预处理脱硫、脱锰、除渣；
2)搭配废钢，进行转炉冶炼；
3)进行RH真空循环脱气精炼，并在该过程中：
a)进行深脱碳，将钢液的碳含量控制≤0.005％；
b)脱氧、合金化处理；
c)钢液化学成分优化，钢液中各元素化学成分质量百分配比为：C：0～0.005％，Si：2.1～3.2％，Mn：0.2～1.0％，P：0～0.2％，Al：0.2～1.6％，N：0～0.005％，Ti：0～0.005％，Cu：0～0.2％，其余为Fe和不可避免的杂质；
d)精炼脱气；
4)浇铸成坯，浇铸过程中，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2.5～25℃/min；
5)热轧；
6)酸洗；
7)冷轧；
8)退火；
9)涂层。
优选的，步骤4)浇铸过程中，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。
优选的，步骤5)热轧中，精轧过程中带钢的冷却速率不能大于20℃/s，精轧结束至水冷开启的时间不能低于5s，且卷取温度不能低于600℃，优选卷取温度不低于700℃。
本发明涉及的无取向电工钢，原料经过铁水预处理脱硫、脱锰、除渣后，配加适当比例的废钢进行转炉冶炼。冶炼过程中，确保化渣情况良好，钢液脱碳、升温效果稳定。
经过转炉冶炼的钢液，首先在RH精炼(真空循环脱气精炼)过程进行深脱碳，在脱碳结束后，将钢液的碳含量控制≤0.005％。然后，在钢液中采用添加硅、铜方式对钢液进行脱氧、合金化。
相较于现有技术，本发明从成分设计方面来说，由于Si、Al元素能够显著提高材料的电阻率，可以有效降低磁晶各向异性，使材料更易磁化，是改善无取向电工钢板磁性最为有效的元素，因此在钢中添加适当Si元素，既提高了钢的磁感，又降低了钢的铁损；适量的Al元素在增加电阻的同时还起到了钢种的深脱氧的作用。
本发明的关键是，如何有效的控制钢中硫化物的形态和数量，因为这直接关系到了相应的成品带钢电磁性能。研究表明，钢中的夹杂物，特别是细小弥散夹杂物，会显著影响热轧板及成品板的组织，细小弥散的夹杂物还会显著阻碍晶粒长大，使成品晶粒尺寸达不到最佳晶粒尺寸，相应磁滞损耗增加。因此，必须有效控制钢中的夹杂物数量和尺寸。另一方面，有经验表明，细小分散的夹杂对磁性的危害程度，针状＞条状，树枝状＞球状。
基于此，研究发现了在特定的夹杂物有害尺寸条件下，钢液浇铸、凝固过程中，氧化物、氮化物的数量极少，绝大部分都是MnS、CuxS等含硫夹杂物。并且，随着钢中化学成分控制的差异，以及连铸冷却制度的设计、和热轧温度控制过程中，MnS、CuxS夹杂物的析出条件差异很大，包括其形态、尺寸等，因此，对磁性能影响截然不同。例如，与畴壁尺寸相近的夹杂物，尺寸约为百纳米级，它们优先在铸坯冷却过程中形成，尺寸约为0.5-1.0um，形态为椭圆或者近球形，对成品带钢磁性能的影响相对较小，而0.2-0.5um范围内的夹杂物，主要产生于热轧后期，如Cu2S夹杂物。随着其数量的增加，成品磁性能显著劣化。
此外，通常，钢中的S可以和Mn、Cu、Ca、Mg等元素结合，视热轧条件不同形成了单个或者复合夹杂物。其中，硫化物的分析测试采用的方法是非水溶液电解提取+扫描电镜观察。该方法在1000倍率下观察1μm及以上尺寸的夹杂物，在5000倍率下观察0.5-1.0μm尺寸的夹杂物，在10000倍率下观察0.2-0.5μm尺寸的夹杂物。通过统计一定数量的视场中，夹杂物的尺寸、种类、数量、分布等，得出钢中的夹杂物分布规律和存在状态等信息。
研究表明，硫化物种类不同，其固溶、析出温度不尽相同，而在热轧、热处理过程中，影响晶体织构发展和晶粒尺寸长大的主要就是MnS和CuxS，并且其在钢中的尺寸、比例不同，也直接与再结晶效果密切相关。比较理想的控制效果和技术要求是：
(形成MnS的S含量+形成CuxS的S含量)/钢中的S含量≤0.2……式(1)。
更进一步，在0.2～0.5μm尺寸范围内，形成的MnS数量要求≤5.0×108个/mm3，并且，在0.2～1.0μm尺寸范围内，形成的MnS数量中：(0.5～1.0μm)的MnS数量/(0.2～0.5μm)的MnS数量≤0.2……式(2)
其中，热轧工艺对硫化物的析出控制至关重要。特别是，在热轧之前的铸坯经过900-1100℃加热，均热30min以后的效果更为明显。这主要是考虑高温阶段温度越高、时间越长，硫化物的固溶量就越多，在冷却阶段中，析出的夹杂物就越小，数量就越多。另一方面，如果铸坯加热温度偏低，相应的终轧、卷取温度也就是越低，对硫化物的形成有一定的抑制作用，但同时也会影响到热轧再结晶组织的成长。
比较合适的热轧方法是，控制热轧过程中的温度、时间、履历和冷却速度。对于0.2％Cu以下的成分体系，可以预先将铸坯在900-1100℃加热，均热30min以上确保温度均匀，而后再升高至1150℃以上进行短时高温加热，以确保铸坯在轧制过程中，由于表面温度的降低而影响到热轧再结晶组织的成长。这样就可以通过控制热轧过程中精轧温度和带钢冷却速度控制硫化物的析出种类、数量和尺寸。
另外，由于含Cu硫化物的生成所需的温度更低，精轧过程中带钢的冷却速率优选不大于20℃/s，精轧结束至水冷开启的时间不低于5s，并且卷取温度不低于600℃，优选不低于700℃，目的是控制含Cu硫化物的形态和数量。
本发明不经过常化处理或者罩式炉中间退火，并且制造成本相对低廉的高磁感、低铁损无取向电工钢板及其制造方法。
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为本发明实施例电工钢板和对比例电工钢板的化学成分，以及表2为本发明实施例、对比例工艺设计及电磁性能。
实施例的铁水、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，在RH精炼进行脱碳、脱氧、合金化。根据钢中S含量动态调整Mn、Cu含量，控制C、N、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；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3。其中，热轧轧制时，铸坯经过1100℃的充分均热和表面短时加热至1150℃，热轧过程中，严格控制终轧、卷取冷却速率和时间，确保卷取温度不低于700℃，以获得合适的形成Mn、Cu硫化物的S含量，以及不同尺寸区间的MnS含量。
表1单位：重量百分比
表2
备注：E1：(形成MnS的S含量+形成CuxS的S含量)；E2：(0.2～0.5μm)的MnS数量/(0.5～1.0μm)的MnS数量。表3

Claims (7)

1.一种磁性优良的无取向电工钢板，其化学成分质量百分比为：C：0～0.005％，Si：2.1～3.2％，Mn：0.2～1.0％，P：0～0.2％，Al：0.2～1.6％，N：0～0.005％，Ti：0～0.005％，Cu：0～0.2％，其余为Fe和不可避免的杂质；同时，还需要满足以下要求：
(形成MnS的S含量+形成CuxS的S含量)/钢中的S含量≤0.2式(1)。
2.如权利要求1所述的磁性优良的无取向电工钢板，其特征是，在0.2～0.5μm尺寸范围内，形成的MnS数量要求≤5.0×108个/mm3，并且，在0.2～1.0μm尺寸范围内，形成的MnS数量中：
(0.5～1.0μm)的MnS数量/(0.2～0.5μm)的MnS数量≤0.2……式(2)。
3.如权利要求1或2所述的磁性优良的无取向电工钢板，其特征是，所述无取向电工钢板的铁损P15/50不大于2.4W/kg。
4.如权利要求1或2或3所述的磁性优良的无取向电工钢板的制造方法，其特征是，包括以下步骤：
1)高炉铁水经过铁水预处理脱硫、脱锰、除渣；
2)搭配废钢，进行转炉冶炼；
3)进行RH真空循环脱气精炼，并在该过程中：
a)进行深脱碳，将钢液的碳含量控制≤0.005％；
b)脱氧、合金化处理；
c)钢液化学成分优化，钢液中各元素化学成分质量百分配比为：C：0～0.005％，Si：2.1～3.2％，Mn：0.2～1.0％，P：0～0.2％，Al：0.2～1.6％，N：0～0.005％，Ti：0～0.005％，Cu：0～0.2％，其余为Fe和不可避免的杂质；
d)精炼脱气；
4)浇铸成坯，浇铸过程中，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2.5～25℃/min；
5)热轧；
6)酸洗；
7)冷轧；
8)退火；
9)涂层。
5.如权利要求4所述的磁性优良的无取向电工钢板的制造方法，其特征是，步骤4)浇铸过程中，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。
6.如权利要求4所述的磁性优良的无取向电工钢板的制造方法，其特征是，步骤5)热轧中，精轧过程中带钢的冷却速率不大于20℃/s，精轧结束至水冷开启的时间不低于5s，且卷取温度不低于600℃。
7.如权利要求6所述的磁性优良的无取向电工钢板的制造方法，其特征是，步骤5)热轧中，卷取温度不低于700℃。
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