CN110640104B - 一种磁性能优良的无取向电工钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁性能优良的无取向电工钢板，其化学元素质量百分比为：0＜C≤0.003％、Si：0.1～1.0％、Mn：0.1～0.5％、0＜Cu≤0.02％、0＜N≤0.003％、Ti≤0.002％，余量为Fe及其他不可避免的杂质。本发明还公开了一种上述磁性能优良的无取向电工钢板的制造方法，包括步骤：(1)制得连铸坯；(2)热轧；(3)酸洗和连轧；(4)连续退火；(5)涂覆绝缘涂层。本发明所述的磁性能优良的无取向电工钢板成本低廉，在不添加Al元素的情况下仍然具有优良的磁性能。

Description

一种磁性能优良的无取向电工钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种电工钢板及其制造方法，尤其涉及一种无取向电工钢板及其制造方法。
背景技术
随着国内无取向电工钢生产企业的不断扩充、壮大，以及同类产品同质化竞争的不断加剧，无取向电工钢用户市场竞争日趋残酷。要求无取向电工钢板在保证价格竞争优势的前提下具有优良的电磁性能，也就是通常所说的低铁损、高磁感，以满足对高效、节能、环保的迫切需求。
现有技术中，为了改善成品带钢的电磁性能，常规方法是向钢中加入较高的Si、Al元素，以提高材料电阻率，从而降低材料铁损。然而随着材料铁损迅速降低，材料磁感也会迅速降低，此外还容易出现冷轧断带的异常情况。
为了使材料具有良好的磁感，现有技术中，专利号为CN103014503A，公开日为2013年4月3号，名称为“无需常化的高磁感低铁损耐酸蚀无取向硅钢及生产方法”的中国专利文献公开了一种向钢中加入0.20％-0.45％Sn+Cu，利用晶界偏聚改善材料的织构形态的方法，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，此外Cu还容易使带钢表面产生质量缺陷。
也有研究者发现，在Si、Al总量不变的前提下，通过增加Al/(Si+Al)比例可以改善材料磁感，然而随着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。
现有技术中，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，然而其缺点是引进了新的生产设备，会大大增加制造费用，并延长材料的制造和交货周期，给生产现场技术、质量管理带来新的麻烦。
也有研究者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，从而可以有效去除或者降低非金属夹杂物，并通过改善钢质洁净度以提高材料电磁性能。还有研究者采用粗轧道次大压下，利用粗糙辊轧制和高温卷取，获得具有高磁感的高牌号无取向电工钢。
总体而言，以上磁性能的改善方法除了会明显增加制造成本以外，还会对生产工艺提出严格要求，稍有不慎则会对连铸稳定浇铸、冷轧轧制稳定性以及连续退火带钢表面质量产生非常不利的影响。
鉴于此，期望获得一种无取向电工钢板，其生产成本低廉，并且具有优良的磁性能。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种磁性能优良的无取向电工钢板，其成本低廉，具有优良的磁性能。
为了实现上述目的，本发明提出了一种磁性能优良的无取向电工钢板，其化学元素质量百分比为：
0＜C≤0.003％、Si：0.1～1.0％、Mn：0.1～0.5％、0＜Cu≤0.02％、0＜N≤0.003％、Ti≤0.002％，余量为Fe及其他不可避免的杂质。
本发明所述的磁性能优良的无取向电工钢板中的各化学元素的设计原理为：
C：C强烈阻碍晶粒长大，容易与Nb、V、Ti结合形成细小析出物，从而引起损耗增加和产生磁时效，因此本发明将磁性能优良的无取向电工钢板中的C元素的质量百分比限定在0＜C≤0.003％。
Si：Si能提高基体电阻率，有效降低钢的铁损。但Si含量高于1.0％时，会显著降低钢的磁感，而Si含量低于0.1％时，又起不到有效降低铁损的作用。因此本发明将磁性能优良的无取向电工钢板中的Si元素的质量百分比限定在0.1～1.0％。
Mn：Mn与S结合生成MnS，可以有效减少对磁性的危害，同时改善电工钢表面状态，减少热脆。但Mn含量高于0.5％时，容易破坏再结晶织构，又会大幅增加钢的制造成本。因此本发明将磁性能优良的无取向电工钢板中的Mn元素的质量百分比限定在0.1～0.5％。
Cu：本技术方案通过控制Cu含量来控制夹杂物，当Cu含量超过0.02％时，将使Cu2S夹杂物析出大大增加，从而强烈阻碍晶粒长大，恶化钢的磁性。因此本发明将磁性能优良的无取向电工钢板中的Cu元素的质量百分比限定在0＜Cu≤0.02％。
N：N含量超过0.003％时，将使N的Nb、V、Ti、Al析出物大大增加，强烈阻碍晶粒长大，恶化钢的磁性。因此本发明将磁性能优良的无取向电工钢板中的N元素的质量百分比限定在0＜N≤0.003％。
Ti：Ti含量超过0.002％时，将使Ti的C、N夹杂物大大增加，强烈阻碍晶粒长大，恶化钢的磁性。因此本发明将磁性能优良的无取向电工钢板中的Ti元素的质量百分比限定在Ti≤0.002％。
此外，需要说明的是，本发明与现有技术的不同之处在于：
本发明在钢的化学成分设计中，不添加Al元素，但材料的铁损仍然可以保持在较低的水平。现有技术中，为了改善钢的电磁性能，通常是加入较高含量的Al元素，以便提高材料电阻率，从而降低材料铁损。而本发明在不添加Al元素的情况下，仍然可以使材料具有较低的铁损和优良的磁性能。本案不添加Al元素的主要原因是，本案发明人通过研究发现，在Al含量大于0.001％之后，很容易与N结合形成尺寸细小的AlN夹杂物，这种夹杂物开始固溶和析出的温度要高于1300℃，并且在连铸坯冷却析出之后，AlN夹杂物尺寸细小，主要集中在50～200nm之间，对钢的危害很大。而不添加Al元素之后，钢中Al元素含量处于极低的水平(主要是不可避免的杂质中的Al元素引起的)，从而钢基本中不会出现AlN夹杂物。因为AlN夹杂物的有效减少，后续钢中析出的Cu2S夹杂物则不会以AlN为核心进行析出，而是以尺寸较大的MnS夹杂物为核心析出，从而MnS、Cu2S复合析出夹杂物，这与AlN、Cu2S复合析出夹杂物相比，数量要少、尺寸要大，对钢的危害要小。
进一步地，本发明所述的磁性能优良的无取向电工钢板，其具有的夹杂物以MnS、Cu2S为主，其中Cu2S夹杂物以MnS夹杂物为核心而析出，以集聚在MnS夹杂物周围，形成团聚的MnS、Cu2S复合夹杂物。
更进一步地，在本发明所述的磁性能优良的无取向电工钢板中，所述团聚的MnS、Cu2S复合夹杂物的尺寸为150～500nm。
进一步地，在本发明所述的磁性能优良的无取向电工钢板中，所述MnS夹杂物呈球形或者类球形，其平面投影为圆形或者椭圆形。
进一步地，在本发明所述的磁性能优良的无取向电工钢板中，当MnS夹杂物的平面投影为椭圆形时，该椭圆形的长轴与短轴的长度之比≤4.0。
进一步地，在本发明所述的磁性能优良的无取向电工钢板中，在所述其他不可避免的杂质中，S≤0.005％，P≤0.2％，Al≤0.001％。
在本发明所述的技术方案中，其他不可避免的杂质主要为P、S、Al，为了使本发明所述的磁性能优良的无取向电工钢板具有优良的磁性能，本发明将S、P、Al的含量分别控制在S≤0.005％，P≤0.2％，Al≤0.001％。
进一步地，本发明所述的磁性能优良的无取向电工钢板，其铁损P15/50≤4.5W/kg，磁感B50≥1.745T。
相应地，本发明的另一目的在于提供一种上述磁性能优良的无取向电工钢板的制造方法，该制造方法成本低廉，简单易操作，不需要进行常化处理，也不需要进行罩式炉中间退火，制得的磁性能优良的无取向电工钢板具有优良的磁性能。
为了实现上述目的，本发明提出了一种上述磁性能优良的无取向电工钢板的制造方法，其包括步骤：
(1)制得连铸坯；
(2)热轧；
(3)酸洗和连轧；
(4)连续退火；
(5)涂覆绝缘涂层。
在本发明所述的制造方法中，在一些实施方式中，在步骤(1)中，通过铁水预处理、转炉冶炼、钢液真空循环脱气法(RH)精炼以及连续浇铸后制得连铸坯。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(1)中，在连续浇铸、凝固过程中，在1100℃～1300℃温度范围内将连铸坯的冷却速率控制在≤10℃/min，且在600℃～800℃温度范围内，将连铸坯的冷却速率控制在20～40℃/min。
在本发明所述的制造方法中，在步骤(1)中，在连续浇铸、凝固过程中，在1100℃～1300℃温度范围内将连铸坯的冷却速率控制在≤10℃/min，主要是考虑到该期间会优先析出MnS，之所以限制了比较低的冷却速率，主要是为了尽可能充分的生成尺寸粗大的MnS夹杂物，以便可以避免后续低熔点、小尺寸的硫化物充分析出。此外缓冷条件下，MnS夹杂物也更容易粗化、长大，且保持良好的球形或者类球形。这种球形或者类球形夹杂物不容易形成更为有害的楔形畴，因此，磁化更容易，磁性能更优良。
此外，在连续浇铸、凝固过程中，在600℃～800℃温度范围内，将连铸坯的冷却速率控制在20～40℃/min。也就是说，该期间需要进行强冷、快冷，主要目的是，让低熔点Cu2S夹杂物来不及充分析出，Cu2S夹杂物析出的数量少则对磁性能控制有利，而少量能够析出的Cu2S夹杂物，则以MnS为核心进行析出，夹杂物的尺寸更大，对钢的危害更小。此外，本案发明人通过研究还发现，在上述两个温度区间内(即1100℃～1300℃和600℃～800℃)，通过合理的控制连铸坯的冷却速率，析出物的MnS、Cu2S夹杂物受到的液相外力差异小、不容易变形，从而MnS夹杂物比较容易形成球形或者类球形的形状，其平面投影图形为圆形或者椭圆形，且当MnS夹杂物的平面投影为椭圆形时，该椭圆形的长轴与短轴的长度之比≤4.0。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(1)中，在连续浇铸、凝固过程中，控制夹杂物中的元素含量满足下式：
(形成MnS夹杂物中的Mn含量)/(形成MnS夹杂物中的Mn含量+0.5×形成Cu2S夹杂物中的Cu含量)≥0.8。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，在精轧过程中控制带钢表面的冷却速率≤20℃/s，精轧结束后进行水冷以将带钢冷却至卷取温度，其中精轧结束至开始水冷之间的时间为5～20s，卷取温度为750～900℃。
在本发明所述的制造方法中，连铸坯在热轧精轧过程中，还需要限制带钢表面的冷却速率不大于20℃/s，精轧结束至开始水冷之间的时间为5～20s，卷取温度为750～900℃。主要原因是，与连铸坯不同的是，热轧带钢较薄且运行速度较快，因此更容易冷却，从而影响到热轧的再结晶效果。因此，必须限制带钢表面的冷却速率不大于20℃/s，最好限制带钢表面的冷却速率不大于15℃/s，同时考虑到热轧设备生产能力，一般带钢表面的冷却速率不会小于2.5℃/s。同样的道理，为了确保热轧的高温再结晶效果，需要控制精轧结束至开始水冷之间的时间为5～20s，卷取温度为750～900℃。
此外，需要说明的是，本案在不添加Al元素的情况下，仍然可以使本发明所述的磁性能优良的无取向电工钢板具有优良的磁性能，这主要一方面是得益于本案合理的化学成分设计以及夹杂物种类控制；另一方面是得益于本案优化的制造方法，从而可以简单、便捷、高效地控制夹杂物的形态、尺寸、数量，使其朝着有利于获得优良磁性能的钢板的方向发展。
本发明所述的磁性能优良的无取向电工钢板及其制造方法与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明通过合理的成分设计，使本发明所述的磁性能优良的无取向电工钢板成本低廉，在不添加Al元素的情况下仍然具有优良的磁性能。
(2)本发明所述的磁性能优良的无取向电工钢板的制造方法通过优化的工艺设计，简单易操作，不需要进行常化处理，也不需要进行罩式炉中间退火，使制得的磁性能优良的无取向电工钢板的铁损P15/50≤4.5W/kg，磁感B50≥1.745T。
附图说明
图1为实施例4的磁性能优良的无取向电工钢板中的夹杂物的微观组织结构图。
图2为对比例1的磁性能优良的无取向电工钢板中的夹杂物的微观组织结构图。
图3示意了在本发明所述的制造方法中的步骤(1)中控制夹杂物中的元素含量与最终制得的磁性能优良的无取向电工钢板中的夹杂物尺寸之间的关系。
具体实施方式
下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的磁性能优良的无取向电工钢板及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
实施例1-10和对比例1-5
表1-1和表1-2列出了实施例1-10和对比例1-5的磁性能优良的无取向电工钢板中各化学元素的质量百分比。
表1-1.(wt％，余量为Fe和除P、S、Al以外的不可避免的杂质)
Figure BDA0001708189810000061
Figure BDA0001708189810000071
表1-2.(wt％，余量为Fe和除P、S、Al以外的不可避免的杂质)
Figure BDA0001708189810000072
实施例1-10和对比例1-5的磁性能优良的无取向电工钢板采用下述步骤制得(具体工艺参数参见表2)：
(1)将铁水、废钢按照表1-1和表1-2中的各化学元素的质量百分比经过铁水预处理、300吨转炉冶炼之后，通过钢液真空循环脱气法(RH)精炼进行脱碳、脱氧、合金化。钢液经连铸浇铸后，得到厚度为170mm～250mm、宽度为800mm～1400mm的连铸坯。其中，在连续浇铸、凝固过程中，在1100℃～1300℃温度范围内将连铸坯的冷却速率控制在≤10℃/min，且在600℃～800℃温度范围内，将连铸坯的冷却速率控制在20～40℃/min。此外，在连续浇铸、凝固过程中，控制夹杂物中的元素含量满足下式：
(形成MnS夹杂物中的Mn含量)/(形成MnS夹杂物中的Mn含量+0.5×形成Cu2S夹杂物中的Cu含量)≥0.8。
(2)热轧，在精轧过程中控制带钢表面的冷却速率≤20℃/s，精轧结束后进行水冷以将带钢冷却至卷取温度，其中精轧结束至开始水冷之间的时间为5～20s，卷取温度为750～900℃。
(3)酸洗和连轧。
(4)连续退火。
(5)涂覆绝缘涂层。
表2列出了实施例1-10和对比例1-5的磁性能优良的无取向电工钢板的制造方法的具体工艺参数。
表2.
Figure BDA0001708189810000081
对实施例1-10和对比例1-5的磁性能优良的无取向电工钢板的磁性能进行了测试，测试结果列于表3中。
表3.
序号 磁感B<sub>50</sub>(T) 铁损P<sub>15/50</sub>(W/kg)
实施例1 1.772 4.45
实施例2 1.765 4.49
实施例3 1.762 4.16
实施例4 1.748 3.99
实施例5 1.752 4.31
实施例6 1.749 4.23
实施例7 1.768 4.42
实施例8 1.755 4.17
实施例9 1.745 4.32
实施例10 1.748 3.84
对比例1 1.748 6.92
对比例2 1.742 4.83
对比例3 1.739 5.89
对比例4 1.721 5.91
对比例5 1.738 4.32
由表3可以看出，实施例1-10的磁性能优良的无取向电工钢板的铁损P15/50≤4.5W/kg，磁感B50≥1.745T。
对比例1中，C、Al、Cu含量偏高，从而导致对比例1的磁性能优良的无取向电工钢板的铁损异常偏高。
对比例2中，Si含量偏高，MnS夹杂物椭圆形投影的长轴与短轴的长度之比达到4.2，加之600℃～800℃连铸坯冷速为14℃/min，Cu2S析出数量增多，从而导致对比例2的磁性能优良的无取向电工钢板的铁损、磁感均达不到本发明的技术效果。
对比例3中，Cu含量偏高，MnS、Cu2S复合夹杂物的尺寸偏小，此外热轧带钢冷速达到28℃/s，加之水冷时间为4秒和卷取温度为647℃，从而导致对比例3的磁性能优良的无取向电工钢板的铁损、磁感均达不到本发明的技术效果。
对比例4中，1100℃～1300℃连铸坯冷速达到13.5℃/min，MnS析出偏少，导致(形成MnS夹杂物中的Mn含量)/(形成MnS夹杂物中的Mn含量+0.5×形成Cu2S夹杂物中的Cu含量)偏低，加之MnS夹杂物椭圆形投影的长轴与短轴的长度之比达到5.5，从而导致对比例4的磁性能优良的无取向电工钢板的铁损、磁感均达不到本发明的技术效果。
对比例5中，600℃～800℃连铸坯冷速达到45℃/min，Cu2S析出数量增多，导致MnS、Cu2S复合夹杂物的尺寸偏小，此外(形成MnS夹杂物中的Mn含量)/(形成MnS夹杂物中的Mn含量+0.5×形成Cu2S夹杂物中的Cu含量)偏低，从而导致对比例4的磁性能优良的无取向电工钢板的铁损、磁感均达不到本发明的技术效果。
综上所述，只要有1项技术指标不满足本发明所述的成分设计和制造方法的要求，所获得的无取向电工钢板的电磁性能(比如铁损、磁感)就达不到本发明所述的技术效果。
由图1、图2可以看出，实施例4的磁性能优良的无取向电工钢板中的MnS夹杂物的尺寸明显要比对比例1中的大，此外，实施例4中，在MnS夹杂物外围以MnS为核心析出的MnS、Cu2S复合夹杂物，其平均尺寸约为300nm，相比对比例而言，尺寸大了2～3倍，对钢的危害大大减轻。
由图3可以看出，随着钢中形成硫化物夹杂物中的锰含量所占比例的升高，最终制得的磁性能优良的无取向电工钢板中的夹杂物的平均尺寸随之增加，当(形成MnS夹杂物中的Mn含量)/(形成MnS夹杂物中的Mn含量+0.5×形成Cu2S夹杂物中的Cu含量)≥0.8之后，夹杂物的平均尺寸均大于150nm，其对磁性能的劣化作用相应减少。需要说明的是，图中横坐标[Mn]/([Mn]+[Cu]/2)的含义是(形成MnS夹杂物中的Mn含量)/(形成MnS夹杂物中的Mn含量+0.5×形成Cu2S夹杂物中的Cu含量)。
需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。
此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种磁性能优良的无取向电工钢板，其特征在于，其化学元素质量百分比为：
0＜C≤0.003％、Si：0.1～1.0％、Mn：0.1～0.5％、0＜Cu≤0.02％、0＜N≤0.003％、Ti≤0.002％，余量为Fe及其他不可避免的杂质；
所述无取向电工钢具有的夹杂物以MnS、Cu2S为主，其中Cu2S夹杂物以MnS夹杂物为核心而析出，以集聚在MnS夹杂物周围，形成团聚的MnS、Cu2S复合夹杂物，所述MnS夹杂物呈球形或者类球形，其平面投影为圆形或者椭圆形，当MnS夹杂物的平面投影为椭圆形时，该椭圆形的长轴与短轴的长度之比≤4.0；
所述无取向电工钢板的铁损P15/50≤4.5W/kg，磁感B50≥1.745T。
2.如权利要求1所述的磁性能优良的无取向电工钢板，其特征在于，所述团聚的MnS、Cu2S复合夹杂物的尺寸为150～500nm。
3.如权利要求1所述的磁性能优良的无取向电工钢板，其特征在于，在所述其他不可避免的杂质中，S≤0.005％，P≤0.2％，Al≤0.001％。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的磁性能优良的无取向电工钢板的制造方法，其包括步骤：
(1)制得连铸坯；
(2)热轧；
(3)酸洗和连轧；
(4)连续退火；
(5)涂覆绝缘涂层。
5.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，在步骤(1)中，在连续浇铸、凝固过程中，在1100℃～1300℃温度范围内将连铸坯的冷却速率控制在≤10℃/min，且在600℃～800℃温度范围内，将连铸坯的冷却速率控制在20～40℃/min。
6.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在步骤(1)中，在连续浇铸、凝固过程中，控制夹杂物中的元素含量满足下式：
(形成MnS夹杂物中的Mn含量)/(形成MnS夹杂物中的Mn含量+0.5×形成Cu2S夹杂物中的Cu含量)≥0.8。
7.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，在步骤(2)中，在精轧过程中控制带钢表面的冷却速率≤20℃/s，精轧结束后进行水冷以将带钢冷却至卷取温度，其中精轧结束至开始水冷之间的时间为5～20s，卷取温度为750～900℃。
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