CN110629120A - 磁性能优良的冷轧无取向硅钢及其生产方法 - Google Patents

磁性能优良的冷轧无取向硅钢及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁性能优良的冷轧无取向硅钢及其生产方法，属于炼钢技术领域。它包括如下质量百分比的各化学组分：Si:3.10～3.50％，Als:0.70～2.20％，Mn:0.10～0.50％，C≤0.0040％，S≤0.0020％，N≤0.0030％，P≤0.010％，Ti≤0.0030％、Nb≤0.0030％、V≤0.0030％，余量为Fe和其它不可避免的杂质元素。在制备工序中还对钢带施加特定压力，因此在一定程度上降低了铁损值P1.0/50，可较大幅度的提高产品合格率；按50W250号产品5000吨合同计算，原产品合格率提高60％以上。

Description

磁性能优良的冷轧无取向硅钢及其生产方法
技术领域
本发明涉及一种无取向硅钢，属于炼钢技术领域，具体地涉及一种磁性能优良的冷轧无取向硅钢及其生产方法。
背景技术
目前对于大型水电电机铁芯、抽水蓄能电机铁芯及使用的无取向硅钢以高牌号产品为主，尤其是大型水电电机。此类电机由于其使用环境特殊、体积庞大，工作频率为工频，启动转矩大，对无取向硅钢低场下的性能要求较高。若低场下磁性能差，在长期使用过程中会造成严重发热，同时引起电机振动，影响电机使用效率及寿命，甚至会引起更严重的后果。但在目前实际生产过程中，低场下的铁损横向P1.0/50一直较高，一般≥1.12W/kg，严重影响产品合格率。
对无取向硅钢产品，铁损是判定其产品等级的重要性能指标。对于铁损，按照经典理论，可以分为磁滞损耗、涡流损耗和反常损耗。对于在工频范围内使用的无取向硅钢，铁损主要由磁滞损耗和涡流损耗构成，反常损耗占比很小可以忽略。而工频下磁滞损耗点比约为50％～70％，因此降低工频下的铁损，主要考虑降低磁滞损耗。影响磁滞损耗的因素主要与晶体织构、杂质、夹杂物、内应力、晶粒尺寸等因素有关。
通过检索，有相关或相近的专利和文献如下。
《电工钢》(何忠志等，冶金工业出版社，2012年)中，对介绍无取向电工钢沿轧向加拉应力，总铁损下降。所加应力范围为从0Mpa至147Mpa及以上，在此应力作用下，铁损一直降低。另外，同时指出退火过程中炉内压力控制在2.9Mpa以下，以保证磁性各向异性小，当压力大于2.9Mpa退火，钢带沿轧向变形，残余有内应力，磁各向异性增大。该结论与本发明中阐述的实验结果有较大区别。
文献《弯曲形变对无取向硅钢磁畴结构和磁性能的影响》(宋守许等，钢铁钒钛，第38卷第6期，2017年12月)，该文献中指出无取向硅钢在弯曲过程中存在拉压应力，而此应力对硅钢磁畴及性能会产生影响。文献以B35AV1900无取向硅钢为对象，研究了小幅度变形情况下，硅钢内部磁畴组织和磁性能的变化规律。采用软磁交/直流测试仪、Bitter粉纹法、X-射线应力仪、显微硬度计等分析手段，获取了不同弯曲形变下磁畴形貌、弯曲应力、硬度的变化和磁性能的影响规律。结果表明随弯曲角度增大，硅钢交直流性能呈现明显下降趋势，在0°变化到18°时，硅钢损耗上升了23.2％，矫顽力增大，磁导率、剩余磁感应强度减小；弯曲应力随变形角度增大而增大，其硬度也呈现略微上升趋势；随变形角度增大，磁畴种类增多，相邻磁壁之间间距和磁壁宽度均缩小。
文献《不同载荷对无取向硅钢试件表面漏磁场的影响》(范泽亚等，无损探伤，第34卷第4期，2010年8月)，该文献利用电子拉伸试验设备和弱磁场测量系统，对受静拉伸载荷的试样表面漏磁场进行测量，研究了试件在弹性阶段、均匀变形阶段和非均匀变形阶段磁记忆信号随载荷大小不同的变化规律；最后，根据试验现象，结合晶粒滑移理论基础对静载荷下磁记忆检测的机理作了解释。试验和理论研究的结果表明：采用磁记忆方法对承载疲劳载荷铁磁构件由应力集中造成的早期损伤进行检测是可行的。文献重点研究硅钢试件在不同载荷下的无损探伤是否可行及漏磁场的影响，并未对不同载荷对磁性能的影响进行研究。
文献《冷轧无取向硅钢冲裁边缘残余应力研究》(郝林坡等，材料导报，2016年11月第30卷专辑28)，针对武钢冷轧无取向硅钢，利用纳米压痕法研究了硅钢片冲压后的残余应力，采用Suresh理论模型恒定压深时的公式计算残余应力，测得硅钢残余应力分布，并结合x射线衍射法和冲裁仿真验证其准确性，最后利用有限元软件ABAQUS对压痕过程进行数值模拟和分析。结果表明，纳米压痕技术能有效测量硅钢片冲裁边缘的残余应力分布，硅钢片在冲裁后边缘的应力影响区宽度为0.4～0.5mm。此文献研究的应力为试样边部的残余应力。
因此，现有技术并未有关于采用稳定的生产工艺，制备适应低场铁损值相对较低要求的无取向硅钢产品的报道。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种磁性能优良的冷轧无取向硅钢及其生产方法。通过对成分的优化、工序工艺的匹配，以及成品退火阶段的特殊控制，提供了一种可以稳定生产出适应低场要求的磁性能优良的无取向硅钢产品。
为实现上述目的，本发明公开了一种磁性能优良的冷轧无取向硅钢，它包括如下质量百分比的各化学组分：Si:3.10～3.50％，Als:0.70～2.20％，Mn:0.10～0.50％，C≤0.0040％，S≤0.0020％，N≤0.0030％，P≤0.010％，Ti≤0.0030％、Nb≤0.0030％、V≤0.0030％，余量为Fe和其它不可避免的杂质元素。
进一步地，所述冷轧无取向硅钢低场下的横向铁损值P1.0/50≤1.12W/kg。
进一步地，所述冷轧无取向硅钢的磁感应强度B5000≥1.64T。
进一步地，所述无取向硅钢包括在制备过程中对冷却后的钢带施加压力F以提高内部微观有利织构比例。其中，所述冷轧无取向硅钢内部微观织构参数Tp值可达到1.41以上，且Tp值是按照Tp＝((100)+(310)+(210)+(110))/((211)+(433)+(111)+(332))计算得到；探究发现冷轧无取向硅钢内部微观织构磁畴以180°畴为主，典型成品试样反极图中有利织构比例高，故磁感性能较好，铁损值较低。
这说明本发明公开的冷轧无取向硅钢产品的横向铁损值P1.0/50低，磁性能能满足相关标准。
进一步地，所述冷轧无取向硅钢包括如下质量百分比的各化学组分：Si:3.15～3.40％，Als:0.80～2.00％，Mn:0.10～0.50％，C≤0.0040％，S≤0.0020％，N≤0.0030％，P≤0.010％，Ti≤0.0030％、Nb≤0.0030％、V≤0.0030％，余量为Fe和其它不可避免的杂质元素。
进一步地，所述冷轧无取向硅钢包括如下质量百分比的各化学组分：Si:3.15～3.40％，Als:0.80～2.00％，Mn:0.20～0.40％，C≤0.0030％，S≤0.0015％，N≤0.0025％，P≤0.008％，Ti≤0.0030％、Nb≤0.0030％、V≤0.0030％，余量为Fe和其它不可避免的杂质元素。
优选的，所述冷轧无取向硅钢包括如下质量百分比的各化学组分：
Si:3.23％，Als:0.93％，Mn:0.20％，C:0.0027％，S:0.0011％，N:0.0016％，P:0.009％，Ti:0.0014％、Nb:0.0016％、V:0.0020％，余量为Fe和其它不可避免的杂质元素。
优选的，所述冷轧无取向硅钢包括如下质量百分比的各化学组分：
Si:3.17％，Als:0.92％，Mn:0.21％，C:0.0034％，S:0.0008％，N:0.0014％，P:0.007％，Ti:0.0019％、Nb:0.0015％、V:0.0020％，余量为Fe和其它不可避免的杂质元素。
优选的，所述冷轧无取向硅钢包括如下质量百分比的各化学组分：
Si:3.21％，Als:0.94％，Mn:0.20％，C:0.0034％，S:0.0005％，N:0.0019％，P:0.009％，Ti:0.0020％、Nb:0.0020％、V:0.0012％，余量为Fe和其它不可避免的杂质元素。
此外，本发明还公开了一种磁性能优良的冷轧无取向硅钢的生产方法，它包括冶炼、铸坯加热、热轧、卷取、常化处理、酸洗、冷轧、成品退火、冷却、涂层、精整工艺，在成品退火工序钢带冷却后对钢带施加压力F，所述压力F满足如下数学关系式：
F≥0.417×(Si％+2×Als％)+(4.437×TCP+1.033×TFA)×10-4且
F≤0.543×(Si％+2×Als％)+(6.262×TCP+1.436×TFA)×10-4；
其中，F为压力，单位Mpa；
Si％为Si元素的质量百分含量；
Als％为Als元素的质量百分含量；
TCP为钢带常化温度；
TFA为钢带成品退火温度；
所述成品退火工艺包括在保护气氛中控制退火温度为980～1050℃，退火时间为25～60s；
所述常化处理工艺包括常化温度为890～960℃，常化时间为30～90s。
进一步地，所述常化处理工艺包括常化温度为900～940℃，常化时间为35～80s。
进一步地，所述常化处理工艺包括常化温度为908～940℃，常化时间为38～69s。
进一步地，所述成品退火工艺包括在保护气氛中控制退火温度为990～1040℃，退火时间为30～50s。
进一步地，所述成品退火工艺包括在保护气氛中控制退火温度为1019～1034℃，退火时间为30～36s。
进一步地，该冷轧无取向硅钢包括如下质量百分比的各化学组分：Si:3.10～3.50％，Als:0.70～2.20％，Mn:0.10～0.50％，C≤0.0040％，S≤0.0020％，N≤0.0030％，P≤0.010％，Ti≤0.0030％、Nb≤0.0030％、V≤0.0030％，余量为Fe和其它不可避免的杂质元素。
进一步地，所述铸坯加热工艺包括将铸坯加热至1080～1160℃，总加热时间为120～300min。
进一步地，所述铸坯加热工艺包括将铸坯加热至1094～1148℃，总加热时间为131～284min。
其中，所述冶炼工艺包括将具备上述含量的各化学组分进行冶炼并连铸成板坯。
所述冷轧工艺包括将钢带轧成0.5±0.05mm目标成品厚度，本发明优选为0.495～0.500mm厚。
本发明设计的冷轧无取向硅钢中各化学组分及含量限定的原因如下：
硅元素(Si)，其是降低铁损的有效元素，增加电阻率，降低铁损；Si含量高将会导致钢带变脆进而会给冷加工带来困难，特别是当钢带成品厚度较薄时；Si含量过低，铁损降低程度减弱，本发明主要应用于中高牌号无取向电工钢生产，对成品铁损有较高的要求，本发明控制Si含量在3.10％～3.50％。
酸溶铝(Als)与Si作用相似，提高电阻率，降低铁损，同时也可使{100}组分增高和{111}组分降低，改善磁性值，为保证有效的改善成品铁损值，限定其下限为0.70％；Als含量过高时易堵塞中包，进而导致钢带成品表面缺陷增多。此外因Si含量已限定范围，Als含量过高，会加剧钢带冷轧脆性，带来较大生产难度，限定其上限为2.20％，本发明中控制Als含量在0.70％～2.20％。
锰元素(Mn)，其可改善热轧塑性，增加热轧板组织有利织构组分，进而改善磁性能；但Mn扩大γ相区，降低成品退火温度不利于晶粒长大恶化铁损。本发明中Mn含量控制0.10％～0.50％。
碳元素(C)为有害元素，含量过高时在退火工序也要脱C，同时阻碍晶粒长大，恶化成品磁性能，因此要求其含量≤0.0040％。
硫元素(S)为有害元素，可与Mn形成MnS夹杂，可严重阻碍晶粒长大，进而恶化磁性能，要求其含量≤0.0020％。
氮元素(N)为有害元素，含量过高时可与Al元素形成AlN，可严重阻碍晶粒长大，同时在退火过程中也易形成内氮化层，恶化成品磁性能，要求其含量≤0.0030％。
磷元素(P)，其可提高电阻率进而改善成品铁损，但含量过高可大大增加钢带的脆性，尤其是成分中Si、Als元素含量高时，给生产带来难度，其含量要求≤0.010％。
钛元素(Ti)、钒元素(V)、铌元素(Nb)，均为有害元素，含量高时与钢中C、N等元素形成夹杂物，强烈阻止晶粒长大，恶化磁性能，本发明中控制Ti、Nb、V分别≤0.0030％。
本发明制备冷轧无取向硅钢的原理如下：
热轧工艺控制铸坯加热温度在1060～1160℃。当加热温度在1060℃以下时，钢坯温度过低，钢坯硬度较大，大大增加轧机负荷，易对设备造成损害，同时生产难度也大大增加；当温度高于1160℃时，温度过高，钢种AlN、MnS等第二相质点完全固溶，随着后续温度降低，第二相质点以细小弥散状态析出，此类质点在后工序会阻碍晶粒长大及钉轧磁畴，恶化磁性能；温度过高也造成生产成本增加。本发明限定热轧加热温度范围为1060～1160℃。本工序对加热时间也有明确要求。加热时间低于120min时，铸坯存在温度不均匀情况，增加轧制负荷；铸坯加热过程要缓慢加热，特别是低温阶段，因本发明中Si及Als含量较高，加热过快可能会产生裂纹。在本发明温度区间内保温到要求时间，钢坯加热均匀。若总时间超过300min，时间过长，造成能源浪费。本发明限定热轧加热温度范围为1060～1160℃，加热总时间为120～300min。
常化工序温度在890～960℃，保温30～90s。本工序使热轧板中的纤维组织发生再结晶，组织更加均匀，加强有利织构组分，改善成品磁性能。当常化温度低于890℃时，热轧板组织再结晶不充分，细小的晶粒较多，甚至会有形变带，不利于改善成品磁性能。常化温度高于960℃时，会导致常化后晶粒尺寸过大，由于本发明中Si及Als含量较高，钢板脆性很大，常温条件下钢带几乎无延伸率，给后续冷轧工序带来很大的生产难度。本工序常化保温时间将随着温度的变化做适当调整。
成品退火，成品退火温度范围为980～1050℃，退火时间在25～140s。本发明中涉及到的成品为高牌号无取向硅钢，Si及Als含量较高，对成品退火工艺有较高要求。若退火温度低于980℃，成品晶粒难于长大，工频下铁损中的磁滞损耗较高，恶化成品铁损；当退火温度高于1050℃时，钢带中晶粒尺寸过大，钢板脆性磁大，导致力学性能发生恶化，同时也会带来表面质量问题及增加设备负荷。退火时间随温度变化做适当调整。
本发明的有益效果主要体现在如下几个方面：
本发明设计了一种磁性能优良的冷轧无取向硅钢及其生产方法，其中该工艺方法制得的无取向硅钢满足了低场对铁损值P1.0/50的要求，可较大幅度提高产品合格率；按相关牌号如50W250产品生产5000吨合同计算，相较于原生产工艺，原产品合格率提高60％以上。
附图说明
图1为在成品退火工序炉内施加本申请公开的压力所得产品的内部微观结构示意图；
图2为图1中产品试样的反极图；
图3为在成品退火工序炉内未施加压力所得产品的内部微观结构示意图；
图4为图3中产品试样的反极图。
具体实施方式
本发明公开了一种磁性能优良的冷轧无取向硅钢的生产方法，其中，各实施例中冷轧无取向硅钢包含的各化学组分如表1所示；
表1本发明各实施例化学组分(％wt)
实施例 Si Mn Als C S N P Ti V Nb
1 3.18 0.2 0.91 0.0036 0.0012 0.002 0.007 0.0016 0.0012 0.0014
2 3.17 0.21 0.92 0.0034 0.0008 0.0014 0.007 0.0019 0.0020 0.0015
3 3.23 0.20 0.93 0.0027 0.0011 0.0016 0.009 0.0014 0.0020 0.0016
4 3.17 0.20 0.92 0.0025 0.0015 0.0014 0.008 0.0017 0.0014 0.0015
5 3.21 0.20 0.94 0.0034 0.0005 0.0019 0.009 0.0020 0.0012 0.0020
6 3.13 0.21 0.85 0.0032 0.0014 0.0017 0.007 0.0017 0.0016 0.0018
7 3.18 0.20 0.91 0.0019 0.0008 0.002 0.008 0.0012 0.0013 0.0016
8 3.19 0.20 0.88 0.0025 0.0009 0.0017 0.010 0.0015 0.0017 0.0012
9 3.20 0.19 0.89 0.002 0.001 0.0019 0.007 0.0020 0.0014 0.0020
10 3.22 0.19 0.88 0.0037 0.0006 0.0016 0.009 0.0017 0.0014 0.0020
具体生产方法，包括冶炼、铸坯加热、热轧、卷取、常化处理、酸洗、冷轧、成品退火、冷却、涂层、精整工艺，各实施例的具体工艺控制如表2所示；
表2本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表
还包括在成品退火工序钢带冷却后对钢带施加压力F，所述压力F满足如下数学关系式：
F≥0.417×(Si％+2×Als％)+(4.437×TCP+1.033×TFA)×10-4且
F≤0.543×(Si％+2×Als％)+(6.262×TCP+1.436×TFA)×10-4；
其中，F为压力，单位Mpa；
Si％为Si元素的质量百分含量；
Als％为Als元素的质量百分含量；
TCP为钢带常化温度；
TFA为钢带成品退火温度；
本发明各实施例施加压力F值如表3所示；
表3本发明各实施例施加压力F值
并且上述实施例制备的无取向硅钢的磁感应强度B5000≥1.64T。满足磁性能要求。
结合上述表3及说明书附图图1、图2、图3及图4可知，本发明通过对各化学组分的优化、工序工艺的匹配，以及成品退火阶段特殊控制等方法，如对钢带施加特定压力，对产品的磁性能有所改善，尤其是成品中铁损值P1.0/50有所降低，这可能是因为在低场下铁损构中磁滞损耗占比较高，施加一定的压力形成较多的有利织构，更有助于在磁化过程中加速磁畴壁移动，减少损耗。具体的结合图1、图2，其中，图1a、图1b为产品试样在不同方向观察的内部微观结构示意图；可明显看出内部磁畴以180°畴为主，体现在图2中发现内部有利织构比例高，Tp值达到1.41；具体的结合图3、图4，其中，图3a、图3b为产品试样在不同方向观察的内部微观结构示意图；可明显看出内部磁畴以迷宫畴为主，体现在图4中发现内部有利织构比例相对较低，通过计算Tp值为0.814，故本发明设计的产品磁性能更好。
与此同时施加的压力应满足本发明的限定要求，这是因为过小的压力起不到辅助磁畴壁移动的作用，而压力过大时，磁畴壁移动距离过大，反而导致磁损耗增加。
以上实施例仅为最佳举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种磁性能优良的冷轧无取向硅钢，其特征在于：它包括如下质量百分比的各化学组分：Si:3.10～3.50％，Als:0.70～2.20％，Mn:0.10～0.50％，C≤0.0040％，S≤0.0020％，N≤0.0030％，P≤0.010％，Ti≤0.0030％、Nb≤0.0030％、V≤0.0030％，余量为Fe和其它不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述磁性能优良的冷轧无取向硅钢，其特征在于：所述冷轧无取向硅钢低场下的横向铁损值P1.0/50≤1.12W/kg。
3.根据权利要求1所述磁性能优良的冷轧无取向硅钢，其特征在于：所述冷轧无取向硅钢的磁感应强度B5000≥1.64T。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述磁性能优良的冷轧无取向硅钢，其特征在于：所述无取向硅钢包括在制备过程中对冷却后的钢带施加压力F以提高内部微观有利织构比例；所述压力F满足如下数学关系式：
F≥0.417×(Si％+2×Als％)+(4.437×TCP+1.033×TFA)×10-4且
F≤0.543×(Si％+2×Als％)+(6.262×TCP+1.436×TFA)×10-4；
其中，F为压力，单位Mpa；
Si％为Si元素的质量百分含量；
Als％为Als元素的质量百分含量；
TCP为钢带常化温度；
TFA为钢带成品退火温度。
5.根据权利要求1～3中任意一项所述磁性能优良的冷轧无取向硅钢，其特征在于：所述冷轧无取向硅钢包括如下质量百分比的各化学组分：Si:3.15～3.40％，Als:0.80～2.00％，Mn:0.10～0.50％，C≤0.0040％，S≤0.0020％，N≤0.0030％，P≤0.010％，Ti≤0.0030％、Nb≤0.0030％、V≤0.0030％，余量为Fe和其它不可避免的杂质元素。
6.一种磁性能优良的冷轧无取向硅钢的生产方法，它包括冶炼、铸坯加热、热轧、卷取、常化处理、酸洗、冷轧、成品退火、冷却、涂层、精整工艺，其特征在于：在成品退火工序钢带冷却后对钢带施加压力F，所述压力F满足如下数学关系式：
F≥0.417×(Si％+2×Als％)+(4.437×TCP+1.033×TFA)×10-4且
F≤0.543×(Si％+2×Als％)+(6.262×TCP+1.436×TFA)×10-4；
其中，F为压力，单位Mpa；
Si％为Si元素的质量百分含量；
Als％为Als元素的质量百分含量；
TCP为钢带常化温度；
TFA为钢带成品退火温度；
所述成品退火工艺包括在保护气氛中控制退火温度为980～1050℃，退火时间为25～60s；
所述常化处理工艺包括常化温度为890～960℃，常化时间为30～90s。
7.根据权利要求6所述磁性能优良的冷轧无取向硅钢的生产方法，其特征在于：所述常化处理工艺包括常化温度为900～940℃，常化时间为35～80s。
8.根据权利要求6所述磁性能优良的冷轧无取向硅钢的生产方法，其特征在于：所述成品退火工艺包括在保护气氛中控制退火温度为990～1040℃，退火时间为30～50s。
9.根据权利要求6或7或8所述磁性能优良的冷轧无取向硅钢的生产方法，其特征在于：该冷轧无取向硅钢包括如下质量百分比的各化学组分：Si:3.10～3.50％，Als:0.70～2.20％，Mn:0.10～0.50％，C≤0.0040％，S≤0.0020％，N≤0.0030％，P≤0.010％，Ti≤0.0030％、Nb≤0.0030％、V≤0.0030％，余量为Fe和其它不可避免的杂质元素。
10.根据权利要求9所述磁性能优良的冷轧无取向硅钢的生产方法，其特征在于：所述铸坯加热工艺包括将铸坯加热至1080～1160℃，总加热时间为120～300min。
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