CN110777232A - 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≤0.004％、Si：0.1～1.0％、Mn：0.4～1.0％、S：0.005～0.015％、Al≤0.4％、O：0.001～0.008％、0＜N≤0.003％，余量为Fe及其他不可避免的杂质。本发明还公开了上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)转炉冶炼；(2)RH精炼，其中在RH精炼的脱碳结束后进行一次或多次脱氧，其中采用Si元素进行终脱氧；(3)连铸；(4)热轧；(5)酸洗和连轧；(6)退火。本发明所述的磁性能优良的无取向电工钢板成本低廉，并具有优良的磁性能。

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
作为电力行业不可或缺的软磁材料之一，无取向电工钢板在各类电机、发电机、EI铁芯等原器件中被广泛使用。近年来，随着节能、环保、高效需求的不断提高，用户对作为原材料的无取向电工钢板的电磁性能，尤其是铁损性能要求越来越高。无取向电工钢板中，铁损主要包括涡流损耗、磁滞损耗和反常损耗三个部分。其中，磁滞损耗占上述三部分的70％以上，其大小主要与成品钢板的化学成分设计、晶粒尺寸、夹杂物控制效果有关。尤其在化学成分设计、生产工艺流程确定的情况下，夹杂物的控制效果就显得十分重要。
通常，对于无取向电工钢板而言，尤其是Si含量在1.5％以下的无取向电工钢板而言，阻碍成品带钢晶粒长大和造成成品带钢铁损劣化的主要夹杂物是尺寸细小的MnS、AlN和氧化物。通过减少上述夹杂物的数量或者采取措施使其粗大化，可以促进成品带钢的晶粒长大，进而有效降低成品带钢的铁损。
为此，现有技术中，通常是通过尽可能地降低形成上述夹杂物的N、S、O等元素的含量来降低成品带钢的铁损。例如，有研究表明，对于含有2.5～3.5％Si、0.3～1.0％Al的无取向电工钢板，为了降低成品带钢的铁损，需要将S、O含量分别控制在50ppm、25ppm以下。对于更高级别的钢种而言，甚至需要将S含量控制在10ppm以下。现有技术中控制N、S、O等元素含量比较常用的手段是，在冶炼过程中采用三次脱硫、强化脱氮和进行长时间的脱气处理，然而不可避免地会导致冶炼成本升高。
此外，现有技术中，也有通过采取措施使上述夹杂物尺寸粗大化的方法来降低成品带钢的铁损。有报道称，对于含有3.5％以下Si、1.0％以下Al的连铸坯，将其加热温度控制在1200℃或以下时，可以促进AlN夹杂物粗大化。而对于含有1.5％以下Si、0.5％以下Al和0.005％以下S的连铸坯，则需要将其加热温度控制在1100℃或以下时，才可以防止热轧过程中的微细MnS夹杂物析出。
鉴于此，期望获得一种无取向电工钢板，该无取向电工钢板成本低廉，并具有优良的磁性能。
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，该无取向电工钢板成本低廉，并具有优良的磁性能。
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≤0.004％、Si：0.1～1.0％、Mn：0.4～1.0％、S：0.005～0.015％、Al≤0.4％、O：0.001～0.008％、0＜N≤0.003％，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强烈阻碍成品带钢晶粒长大，容易与Nb、V、Ti结合形成细小析出物，从而引起铁损耗增加和产生磁时效，因此本案发明人将磁性能优良的无取向电工钢板中的C含量限定在0＜C≤0.004％。
Si：Si能提高基体电阻率，有效降低钢的铁损。当Si含量高于1.0％时，会显著降低钢的磁感。Si含量低于0.1％时，则起不到有效降低铁损的作用。因此，本案发明人将磁性能优良的无取向电工钢板中的Si含量限定在0.1～1.0％。
Mn：Mn与S结合生成MnS，有利于控制夹杂物形态、数量，进而可以有效减少对磁性能的危害。但是当Mn含量高于1.0％时，容易破坏再结晶织构，从而导致钢的制造成本大幅增加。因此，本案发明人将磁性能优良的无取向电工钢板中的Mn含量限定在0.4～1.0％。此外，需要说明的是，为确保MnS夹杂物充分析出，在后续制造过程中，需要根据钢中的S元素含量，动态调整Mn元素含量，以使[Mn][S]浓度积过饱和，使得S元素尽可能形成尺寸相对较大的MnS夹杂物，而不是随着连铸浇铸和铸坯热轧温度的降低，而生成尺寸更为细小的CuxS夹杂物。
S：S含量低于0.005％时，会增加冶炼成本，导致连退钢板表面N含量升高。当S含量高于0.015％时，会使MnS、CuxS夹杂物析出量大大增加，强烈破坏热轧有利织构，阻碍成品带钢晶粒长大，恶化钢的磁性能。因此，本案发明人将磁性能优良的无取向电工钢板中的S含量限定在0.005～0.015％。此外，需要说明的是，添加S元素是本案区别于现有技术的重要技术特征，现有技术中，为了降低铁损，通常将S元素作为杂质元素，尽量降低其含量，而本技术方案中的S元素并不是杂质元素，本案将S元素含量限定在0.005～0.015％，其目的是为了促进连铸浇铸或者铸坯热轧过程中，MnS夹杂物能够快速、优先析出，为后期MnS夹杂物充分长大奠定基础。
Al：Al含量超过0.4％时，将使AlN夹杂物析出量大大增加，强烈阻碍晶粒长大，恶化钢的磁性。因此，本案发明人将磁性能优良的无取向电工钢板中的Al含量限定在Al≤0.4％。
O：O含量低于0.001％时，会对硫化物夹杂物的析出产生不利影响。O含量超过0.008％时，会使氧化物夹杂物数量大大增加，不利于调整有利于夹杂物的比例，会恶化钢的磁性能。因此，本案发明人将磁性能优良的无取向电工钢板中的O含量限定在0.001～0.008％。
N：N含量超过0.003％时，会使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，本案发明人将磁性能优良的无取向电工钢板中的N含量限定在0＜N≤0.003％。
需要说明的是，本发明所述的磁性能优良的无取向电工钢板中，不可避免的杂质主要包括P。P元素容易导致冷脆现象发生，降低冷轧可制造性。因此，应尽可能降低P元素含量，在一些优选的实施方式中，可以将P元素含量限定在0～0.2％。
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，其中S元素含量为0.008～0.013％。
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，其具有MnS团聚在SiO2周围形成的复合夹杂物。
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，所述复合夹杂物的尺寸为1.0-5.0μm。
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，所述复合夹杂物占所有夹杂物的质量百分比满足：50％≤[复合夹杂物/所有夹杂物]≤85％。
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，其铁损P15/50≤4.0W/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，该制造方法简便易控，不需要进行常化处理，也不需要进行罩式炉中间退火，有利于夹杂物控制、晶粒尺寸长大以及形成有利织构，通过该制造方法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)转炉冶炼；
(2)RH精炼，其中在RH精炼的脱碳结束后进行一次或多次脱氧，其中采用Si元素进行终脱氧；
(3)连铸；
(4)热轧；
(5)酸洗和连轧；
(6)退火。
上述制造方法中，在一些实施方式中，在步骤(1)的转炉冶炼之前，可以包括铁水预处理。此外，在步骤(2)中，在RH精炼的脱碳结束后进行一次或多次脱氧，以便促进MnS夹杂物析出，并获得粗大的MnS夹杂物。其中采用Si元素进行终脱氧，原因是Si元素的脱氧能力要弱于Al、Mg和Ca，如果采用Si预脱氧，Al、Mg和Ca进行终脱氧，则会导致生成的SiO2夹杂物充分上浮、被去除或者被Al、Mg、Ca还原，从而生成尺寸细小的、形状不规则的碱性氧化物夹杂物，对铸坯热轧过程中MnS夹杂物的析出和聚合长大不利。因此，本技术方案在步骤(2)中，采用Si元素进行终脱氧。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，在采用Si元素进行终脱氧时，钢液中的游离氧含量控制在200～600ppm，在终脱氧后，钢液中的游离氧含量控制在250～400ppm。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，在RH精炼的脱碳结束后，控制钢液中的Mn、S含量比满足：70≤[Mn]/[S]≤160。
在本发明所述的技术方案中，为了控制MnS夹杂物数量、尺寸和形态，在RH精炼的脱碳结束后，控制钢液中的Mn/S含量比满足：70≤[Mn]/[S]≤160，优选地，控制钢液中的Mn、S含量比满足：80≤[Mn]/[S]≤120。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，在终脱氧前，采用Si、Al、Ca和Mg的至少其中之一进行至少一次预脱氧。
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，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，有利于夹杂物控制、晶粒尺寸长大以及形成有利织构，使制得的磁性能优良的无取向电工钢板的铁损P15/50≤4.0W/kg，磁感B50≥1.745T。
附图说明
图1为实施例1的磁性能优良的无取向电工钢板中的夹杂物的SEM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SEM图。
图3为实施例5的磁性能优良的无取向电工钢板的微观组织结构图。
图4为对比例5的磁性能优良的无取向电工钢板的微观组织结构图。
图5示意了在本发明所述的制造方法的步骤(2)中在RH精炼的脱碳结束后钢液中的Mn、S含量比与最终制得的磁性能优良的无取向电工钢板的磁感之间的关系。
图6示意了在本发明所述的制造方法的步骤(2)中在RH精炼的脱碳结束后钢液中的Mn、S含量比与最终制得的磁性能优良的无取向电工钢板的铁损之间的关系。
具体实施方式
下面将结合说明书附图及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1-11和对比例1-5
表1-1和表1-2列出了实施例1-11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以外的不可避免的杂质)
序号 C Si Mn P S Al
实施例1 0.0014 0.74 0.56 0.08 0.0071 0.0011
实施例2 0.0018 0.24 0.41 0.08 0.0053 0.0018
实施例3 0.0009 0.27 0.86 0.06 0.0067 0.27
实施例4 0.0025 0.43 0.98 0.04 0.0131 0.0012
实施例5 0.0010 0.97 0.64 0.06 0.0051 0.0013
实施例6 0.0018 0.27 0.82 0.08 0.0102 0.0012
实施例7 0.0029 0.83 0.91 0.02 0.0083 0.0009
实施例8 0.0034 0.75 0.82 0.03 0.0052 0.0008
实施例9 0.0011 0.47 0.55 0.01 0.0078 0.0017
实施例10 0.0018 0.34 0.44 0.02 0.0053 0.22
实施例11 0.0023 0.41 0.69 0.01 0.0074 0.38
对比例1 0.0021 0.84 <u>0.34</u> 0.02 <u>0.0029</u> 0.27
对比例2 0.0009 0.25 <u>0.19</u> 0.08 0.0084 0.0019
对比例3 0.0034 0.57 0.89 0.03 0.0088 0.24
对比例4 0.0018 0.32 0.41 0.07 0.0141 0.22
对比例5 0.0011 0.95 <u>0.26</u> 0.06 <u>0.0019</u> 0.0010
表1-2.(wt％，余量为Fe和除P以外的不可避免的杂质)
Figure BDA0001747802100000061
Figure BDA0001747802100000071
实施例1-11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通过铁水预处理和转炉冶炼。
(2)RH精炼，其中在RH精炼的脱碳结束后进行一次或多次脱氧，其中，采用Si、Al、Ca和Mg的至少其中之一进行至少一次预脱氧，采用Si元素进行终脱氧。在采用Si元素进行终脱氧时，钢液中的游离氧含量控制在200～600ppm，在终脱氧后，钢液中的游离氧含量控制在250～400ppm。此外，在RH精炼的脱碳结束后，控制钢液中的Mn、S含量比满足：70≤[Mn]/[S]≤160。
(3)连铸，制得170mm～250mm厚、800mm～1400mm宽的连铸坯。
(4)热轧。
(5)酸洗和连轧。
(6)退火。
表2.实施例1-11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
Figure BDA0001747802100000072
Figure BDA0001747802100000081
对实施例1-11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.
Figure BDA0001747802100000082
Figure BDA0001747802100000091
由表3可以看出，实施例1-12的磁性能优良的无取向电工钢板的铁损P15/50≤4.0W/kg，磁感B50≥1.745T。
对比例1中，Mn、S元素含量过低，O含量过高，RH精炼中终脱氧元素为Al元素，钢种形成的复合夹杂物尺寸细小，平均为0.4μm，因此对比例1的磁性能优良的无取向电工钢板的铁损超标为4.17W/kg。
对比例2中，Mn元素含量过低，并且终脱氧时钢中的游离氧含量过低153ppm，RH精炼的脱碳结束后钢液中的Mn、S含量比[Mn]/[S]偏低23，复合夹杂物占所有夹杂物的质量百分比偏低38％，因此对比例2的磁性能优良的无取向电工钢板的铁损超标为4.48W/kg。
对比例3中，RH精炼中终脱氧元素为Al元素，终脱氧时钢液中的游离氧含量为753ppm，因此对比例3的磁性能优良的无取向电工钢板的铁损超标为4.15W/kg。
对比例4中，RH精炼的脱碳结束后钢液中的Mn、S含量比[Mn]/[S]偏低29，加之RH精炼中终脱氧元素为Al元素，导致复合夹杂物占所有夹杂物的质量百分比偏低21％，且钢中复合夹杂物的平均尺寸细小0.5μm，因此对比例4的磁性能优良的无取向电工钢板的铁损超标为4.67W/kg，磁感超标为1.737T。
对比例5中，Mn、S元素含量过低，终脱氧时钢液中的游离氧含量为655ppm，复合夹杂物占所有夹杂物的质量百分比偏高89％，从而导致对比例5的磁性能优良的无取向电工钢板的的铁损超标为4.35W/kg，磁感超标为1.731T。
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和图2可以看出，图1对应的为实施例1中，采用Si进行终脱氧，化学成分O含量适中为58ppm，RH精炼的脱碳结束后钢液中的Mn、S含量比[Mn]/[S]为79，因此，复合夹杂物占所有夹杂物的质量百分比适中81％，试样中的复合夹杂物数量少、平均尺寸大，为4.2μm。图2对应的对比例1中，Mn、S元素含量过低，O含量过高，RH精炼中终脱氧元素为Al元素，钢种形成的复合夹杂物平均尺寸细小为0.4μm。
由图3和图4可以看出，图3对应的实施例5中，成品带钢的结晶效果良好，晶粒尺寸分布均匀、尺寸粗大，图4对应的对比例5中，成品带钢的结晶效果不良，局部不受尺寸细小夹杂物钉扎的晶粒可以长大，但绝大部分晶粒不能够长大，这部分细晶偏聚，尺寸细小。
由图5和图6可以看出，图5为RH精炼的脱碳结束后钢液中的Mn、S含量比[Mn]/[S]与成品带钢的磁感之间的关系，可以看出，随着Mn、S含量比[Mn]/[S]的增加，成品带钢的磁感随之增加，而在Mn、S含量比[Mn]/[S]达到60时，成品带钢的磁感可以达到1.750T。然后，随着Mn、S含量比[Mn]/[S]的继续增加，成品带钢的磁感略微增加至1.754T并保持稳定。图6为RH精炼的脱碳结束后钢液中的Mn、S含量比[Mn]/[S]与成品带钢的铁损之间的关系，可以看出，随着Mn、S含量比[Mn]/[S]的增加，成品带钢的铁损随之降低，而在Mn、S含量比[Mn]/[S]达到70时，成品带钢的铁损可以达到4.0W/kg。然后，随着Mn、S含量比[Mn]/[S]的继续增加，成品带钢的铁损可以继续降低至3.8W/kg，但降低趋势逐渐变缓。
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 (10)

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≤0.004％、Si：0.1～1.0％、Mn：0.4～1.0％、S：0.005～0.015％、Al≤0.4％、O：0.001～0.008％、0＜N≤0.003％，余量为Fe及其他不可避免的杂质。
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，其中S元素含量为0.008～0.013％。
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，其具有MnS团聚在SiO2周围形成的复合夹杂物。
4.如权利要求3所述的磁性能优良的无取向电工钢板，其特征在于，所述复合夹杂物的尺寸为1.0-5.0μm。
5.如权利要求3所述的磁性能优良的无取向电工钢板，其特征在于，所述复合夹杂物占所有夹杂物的质量百分比满足：50％≤[复合夹杂物/所有夹杂物]≤85％。
6.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，其铁损P15/50≤4.0W/kg，磁感B50≥1.745T。
7.如权利要求1-6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)转炉冶炼；
(2)RH精炼，其中在RH精炼的脱碳结束后进行一次或多次脱氧，其中采用Si元素进行终脱氧；
(3)连铸；
(4)热轧；
(5)酸洗和连轧；
(6)退火。
8.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，在步骤(2)中，在采用Si元素进行终脱氧时，钢液中的游离氧含量控制在200～600ppm，在终脱氧后，钢液中的游离氧含量控制在250～400ppm。
9.如权利要求7或8所述的制造方法，其特征在于，在步骤(2)中，在RH精炼的脱碳结束后，控制钢液中的Mn、S含量比满足：70≤[Mn]/[S]≤160。
10.如权利要求7或8所述的制造方法，其特征在于，在步骤(2)中，在终脱氧前，采用Si、Al、Ca和Mg的至少其中之一进行至少一次预脱氧。
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