CN112143961A - 一种磁性能优良的无取向电工钢板及其连续退火方法 - 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：0.1‑3.5％；Mn：0.15‑2.0％；Al：0.1‑3.5％；Sb、Sn中的一种或两种，其总含量为0.001‑0.1％；Ca、Mg、RE中的一种或几种，其总含量为0.0005‑0.01％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。此外，本发明还公开了上述的磁性能优良的无取向电工钢板的连续退火工艺。另外，本发明还公开了一种磁性能优良的无取向电工钢板的制造方法，其包括步骤：冶炼和铸造；热轧；常化；冷轧；进行上述的连续退火工艺；绝缘涂层，以得到磁性能优良的无取向电工钢板。

Description

一种磁性能优良的无取向电工钢板及其连续退火方法
技术领域
本发明涉及一种钢板及其制造工艺，尤其涉及一种无取向电工钢板及其连续退火方法。
背景技术
近年来，随着各类EI铁芯、电机、压缩机逐渐向小型、精密、高效方向发展，由此对节能、高效，保护环境提出了越来越高的需求，而为了满足这些用电产品的需求，作为其相应原材料的无取向电工钢板，必须在保证价格优势的同时还需要具有优良的磁性，即通常所说的具备超低铁损、超高磁感的性能。
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，使磁化变得更容易，从而能够大幅降低成品钢板的铁损，故向钢中添加适量的Si、Al元素是改善无取向电工钢板磁性最为有效的方法之一。但随着Si、Al元素的不断提高，会导致大量夹杂物的形成，这样不仅显著抑制晶粒长大、促使晶格畸变，而且还会阻碍磁畴运动，最终造成钢的磁滞损耗升高，磁感性能降低。因此，在现有技术中，通常采用常化或罩式炉中间退火的方式来有效地提高或者改善成品钢板的磁感。但是这种方式会造成生产成本上升，降低产品市场竞争力。
对于Si的质量百分比为1.0％或以下的钢种而言，在冶炼过程中，可以加入质量百分比为0.04-0.12％的微量元素Sn，依靠晶界偏聚以提高磁感，还可以加入质量百分比为0.005-0.016％的稀土元素Ce，以净化钢液品质以降低铁损。同时，为了避免材质偏软，也可以加入质量百分比为0.02-0.10％的P，以提高钢的机械强度。由此，获得的电工钢板铁损可以降低0.4-0.8W/kg的铁损，并且磁感可以提高0.01-0.02T。
但是上述的技术方案应用范围相对较窄。并且，为了在不采用常化或罩式炉中间退火和不改变相对固定的化学成分的前提下，有效去除或者改善钢中的夹杂物及提高成品钢板的磁性，现有技术通常在钢液中采用钙处理方法来提高钢质纯净度。
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，该无取向电工钢板磁性能优良，能源介质消耗低，具有很好的适用性以及推广前景。
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：0.1-3.5％；
Mn：0.15-2.0％；
Al：0.1-3.5％；
Sb、Sn中的一种或两种，其总含量为0.001-0.1％；
Ca、Mg、RE中的一种或几种，其总含量为0.0005-0.01％；
余量为Fe和其他不可避免的杂质。
在本发明所述的磁性能优良的无取向电工钢板中，各化学元素的设计原理如下所述：
C：在本发明所述的磁性能优良的无取向电工钢板中，C会强烈阻碍成品晶粒长大，并且其容易与Nb、V、Ti等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，在本发明所述的磁性能优良的无取向电工钢板控制C的质量百分比在0＜C≤0.004％。
Si：在本发明所述的技术方案中，Si提高材料的电阻率，能有效降低钢的铁损。但是，Si的质量百分比高于3.5％时，会显著降低钢的磁感，劣化材料的制造性；但是若Si的质量百分比低于0.1％时，又起不到有效降低铁损的作用。基于此，在本发明所述的磁性能优良的无取向电工钢板控制Si的质量百分比在0.1-3.5％。
Mn：在本发明所述的磁性能优良的无取向电工钢板中，Mn与S结合生成MnS，有利于控制夹杂物形态以及其数量，进而可以有效减少对磁性能的危害。因此，有必要添加质量百分比为0.15％以上的Mn。但是需要指出的是，若Mn的质量百分比高于2％，则会劣化S系夹杂物的控制效果，并且会大幅增加钢的制造成本。基于此，在本发明所述的磁性能优良的无取向电工钢板控制Mn的质量百分比控制在0.15-2％。
Al：对于本发明所述的磁性能优良的无取向电工钢板而言，若Al的质量百分比低于0.1％时，则起不到良好的钢液脱氧作用，并且还会降低铁损。但是若Al的质量百分比超过3.5％时，则会显著降低钢的磁感，造成连铸浇铸困难，劣化材料的加工性。因此，在本发明所述的技术方案中，Al的质量百分比为0.1-3.5％。
Sb、Sn：在本发明所述的技术方案中，Sb、Sn是晶界偏聚元素，可以改善钢的晶体织构，且可以进一步提升钢的磁感，与此同时，Sb、Sn也是晶粒细化元素，向钢中加入大量的Sb、Sn元素之后，会导致晶粒异常细化和钢的铁损劣化，并容易产生带钢表面质量缺陷。基于此，在本发明所述的磁性能优良的无取向电工钢板中控制添加Sb、Sn中的一种或两种，并且其总量之和控制在0.001-0.1％。
Ca、Mg、RE：在本发明所述的技术方案中，Mg、Ca、RE是强脱氧元素，能够有效去除或改善钢中的夹杂物，并促进小颗粒夹杂物团聚和上浮。但是若过多添加Mg、Ca、RE，则会导致制造成本大大增加，并影响炼钢工序之间的物流周期。基于此，在本发明所述的磁性能优良的无取向电工钢板中控制添加Ca、Mg、RE中的一种或几种，其总含量为0.0005-0.01％。
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，在其他不可避免的杂质中，P≤0.2％，S≤0.005％，N≤0.005％，O≤0.005％。
上述方案中，不可避免的杂质应当控制得越少越好，但是综合考虑到工艺难度以及制造成本，因而，控制P、S、N和O满足下列各项的至少其中之一：P≤0.2％，S≤0.005％，N≤0.005％，O≤0.005％。
而其中，P的质量百分比超过0.2％时，容易导致冷脆现象发生，降低冷轧可制造性，因此，可以控制P的质量百分比P≤0.2％。
而S的质量百分比超过0.005％时，将使MnS、Cu2S等夹杂物数量大大增加，显著破坏热轧有利织构和阻碍成品晶粒长大，恶化钢的磁性能。因此，可以控制S的质量百分比为S≤0.005％。
此外，N的质量百分比超过0.005％时，将使N的Nb、V、Ti、Al等析出物大大增加，强烈阻碍晶粒长大，恶化钢的磁性。因此，在本案中，可以控制N的质量百分比在N≤0.005％。
另外，O的质量百分比超过0.005％时，将使O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，恶化钢的磁性能。因此，可以控制O的质量百分比在O≤0.005％。
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，Ca、Mg、RE中的一种或几种的总含量与O和S的总含量之比为0.5-4.0。
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，其中晶体织构{100}的面织构比例为15％-40％。
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≤2.3W/kg，磁感B50≥1.70T。
相应地，本发明的另一目的还在于提供一种上述的磁性能优良的无取向电工钢板的连续退火工艺，采用该连续退火工艺可以获得磁性能优良的无取向电工钢板。并且，该连续退火工艺可以有效减少场地投资，明显缩短连续退火时间，从而大大提高了生产效率和减少了能源介质消耗，并且整个连续退火过程简便易控，和钢种之间有针对性和关联性。
为了达到上述发明目的，本发明提出了一种上述的磁性能优良的无取向电工钢板，其包括步骤：
将冷轧带钢以第一升温速度k1从快速加热起始温度T始加热至钢种的居里温度T居里温度；
然后再以第二升温速度k2快速加热至均热温度，以进行均热保温；
其中，k1为50-550℃/s；k2为50-800℃/s；k2/k1＝0.2-8.0。
对于本发明所述的技术方案而言，其创新之处在于，不同于常规的连续退火方式，需要全程采用燃气或者通电方式，将冷轧带钢以1-30℃/s的常规升温速率加热至均热温度，并进行均热保温之后降温结束连退生产，本案采用的是将冷轧带钢以第一升温速度k1从快速加热起始温度T始加热至钢种的居里温度T居里温度；然后再以第二升温速度k2快速加热至均热温度，以进行均热保温；其中，k1为50-550℃/s；k2为50-800℃/s；k2/k1＝0.2-8.0，通过设置第一升温速度以及第二升温速度以有效抑制冷轧带钢的晶体回复，使再结晶发生前的剩余形变储能增加，导致形核驱动力增加，并促进形核和大角晶界迁移，同时，还可以降低了晶核择优位向，最终能够降低<111>//ND再结晶织构组分强度。因而，采用本案的连续退火工艺可以获得更高的磁感，更低的铁损。
而反观现有技术，由于其加热设备能力有限，冷轧带钢的升温速率缓慢，到达均热之前的停留时间较长，因而连续退火设备的长度很长，基建场地投资大，能源介质消耗多，且生产效率低。更重要的是，现有技术所采用的方法由于升温速率较慢，不能有效抑制晶体回复，并会降低再结晶之前的剩余形变储能，进而形核驱动力降低，<111>//ND再结晶织构组分强度增加，不利于电磁性能的提高和改善。
而在本发明所述的技术方案中，在冷轧带钢的连续退火过程中，为了进一步增加形核长大驱动力，改善和控制最终的再结晶效果，可以控制k1为50-550℃/s；k2为50-800℃/s，这是因为：随着退火温度的上升，带钢的再结晶逐渐完成，晶粒尺寸开始持续长大，为了有效抑制<111>//ND再结晶织构组分强度增加，以及保持晶体长大所需的形变储能，以获得粗大均匀的晶粒尺寸，从而获得优良的磁感、铁损性能，第一升温速度以及第二升温速度，必须根据钢的居里温度差异有所增加，并且需要满足k2/k1＝0.2-8.0。
进一步地，在本发明所述的连续退火工艺中，均热时间为1-90s。
进一步地，在本发明所述的连续退火工艺中，k2/k1＝0.5-6.0。
进一步地，在本发明所述的连续退火工艺中，均热温度T均热的范围为(T居里温度+40℃)至(T居里温度+330℃)。
进一步地，在本发明所述的连续退火工艺中，均热时间t均热还满足：t均热＝1000a/T均热+b；其中，a的取值范围为1-50，b的取值范围为1-30；t均热的单位参量为s。
进一步地，在本发明所述的连续退火工艺中，采用燃气加热或电加热的方式先将冷轧带钢从室温加热至快速加热起始温度T始。
进一步地，在本发明所述的连续退火工艺中，以第二升温速度加热的加热过程和以第一升温速度加热的加热过程之间间隔1-10s。
这是因为：为了避免在第一升温速度以及第二升温速度切换时，冷轧带钢的表面温度出现急剧波动，进而导致钢板内部产生新的应力，并且影响再结晶效果和板型控制，因而，以第二升温速度加热的加热过程和以第一升温速度加热的加热过程之间间隔可以控制为1-10s。
上述方案中，优选地间隔可以设置为3-10s。
此外，本发明的又一目的在于提供一种磁性能优良的无取向电工钢板的制造方法，通过该制造方法可以获得磁性能优良的无取向电工钢板。
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的制造方法，其包括步骤：
冶炼和铸造；
热轧；
常化；
冷轧；
进行上述的连续退火工艺；
绝缘涂层，以得到磁性能优良的无取向电工钢板。
本发明所述的磁性能优良的无取向电工钢板、连续退火工艺及其制造方法具有如下所述的优点以及有益效果：
本发明所述的无取向电工钢板磁性能优良，能源介质消耗低，具有很好的适用性以及推广前景。
此外，采用本发明所述的连续退火工艺可以获得磁性能优良的无取向电工钢板。并且，所述的连续退火工艺可以有效减少场地投资，明显缩短连续退火时间，从而大大提高了生产效率和减少了能源介质消耗，并且整个连续退火过程简便易控，和钢种之间有针对性和关联性。
另外，本发明所述的制造方法也同样具有上述的优点以及有益效果。
附图说明
图1示意性地显示了本发明所述的连续退火工艺与常规退火工艺的升温速度的差异。
图2示意性地显示了本发明所述的连续退火工艺与常规退火工艺中的均热温度与晶粒尺寸的关系。
图3示意了实施例A17的无取向电工钢板的微观组织。
图4示意性地显示了本发明所述的连续退火工艺中第二升温速度与第一升温速度的比值对铁损的影响。
图5示意性地显示了本发明所述的连续退火工艺中第二升温速度与第一升温速度的比值对磁感的影响。
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连续退火工艺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。
各个对比例的常规电工钢板以及实施例的无取向电工钢板采用以下步骤制得：
(1)利用铁水、废钢按照表1所示的化学成分进行搭配，经转炉冶炼之后，再RH精炼进行脱碳、脱氧合金化，钢液经连铸浇铸后，得到120～250mm厚、800～1400mm宽的连铸坯。
(2)热轧。
(3)常化。
(4)冷轧。
(5)连续退火。
(6)绝缘涂层涂覆之后得到最终产品。
需要说明的是，各个实施例的无取向电工钢板采用的连续退火工艺包括步骤：
将冷轧带钢以第一升温速度k1从快速加热起始温度T始加热至钢种的居里温度T居里温度，其中，快速加热起始温度T始为室温或室温以上均热温度以下的温度，
然后再以第二升温速度k2快速加热至均热温度，以进行均热保温，其中，均热温度T均热的范围为(T居里温度+40℃)至(T居里温度+330℃)，均热时间为1-90，在一些实施方式中，均热时间t均热还满足：t均热＝1000a/T均热+b；其中，a的取值范围为1-50，b的取值范围为1-30；t均热的单位参量为s。
其中，k1为50-550℃/s；k2为50-800℃/s；k2/k1＝0.2-8.0。
在一些优选的实施方式中，k2/k1可以进一步设置为k2/k1＝0.5-6.0。
在一些实施方式中，可以采用燃气加热或电加热的方式先将冷轧带钢从室温加热至快速加热起始温度T始，也可以采用电磁感应方式进行加热，或者也可以采用二者结合的方式进行加热，以将冷轧带钢从室温加热至快速加热起始温度T始。
此外，需要和说明的是，以第二升温速度加热的加热过程和以第一升温速度加热的加热过程之间间隔1-10s。
表1列出了各个实施例的无取向电工钢板以及对比例的常规电工钢板的各化学元素的质量百分配比。
表1.(wt％，余量为Fe和除了P、S、O以及N以外的其他杂质)
Figure BDA0002111821960000081
Figure BDA0002111821960000091
Figure BDA0002111821960000101
注：表1中X＝(Mg+Ca+RE)/(O+S)
表2.
Figure BDA0002111821960000102
表3列出了各个实施例的各个实施例的无取向电工钢板以及对比例的常规电工钢板的电磁性能。
表3.
Figure BDA0002111821960000111
由表3可以看出，本案各个实施例的无取向电工钢板由于采用了本案的连续退火工艺使得其最终获得的晶体织构{100}所占的面积比例为15％-40％，因而，无取向电工钢板的电磁性能可以达到：铁损P15/50≤2.3W/kg，磁感B50≥1.70T。
图1示意性地显示了本发明所述的连续退火工艺与常规退火工艺的升温速度的差异。
如图1所示，由于在常规退火工艺中，冷轧带钢的升温速率缓慢，到达均热之前的停留时间较长，因而连续退火设备的长度很长，基建场地投资大，能源介质消耗多，且生产效率低。更重要的是，现有技术所采用的方法由于升温速率较慢，不能有效抑制晶体回复，并会降低再结晶之前的剩余形变储能，进而形核驱动力降低，<111>//ND再结晶织构组分强度增加，不利于电磁性能的提高和改善。
而本案所采用的连续退火工艺则通过第一升温速度k1以及第二升温速度k2，从而增加形核长大驱动力，改善和控制了最终的再结晶效果。
图2示意性地显示了本发明所述的连续退火工艺与常规退火工艺中的均热温度与晶粒尺寸的关系。
如图2所示，随着均热时间的增长，相较于常规退火工艺，采用本案的连续退火工艺的带钢的再结晶逐渐完成，晶粒尺寸开始持续长，使得本案最终可以获得粗大均匀的晶粒尺寸，进而使得本案的无取向电工钢板可以获得优良的磁感、铁损性能。
图3示意了实施例A17的无取向电工钢板的微观组织。
如图3所示，本案实施例A17的无取向电工钢板的晶体织构{100}的面织构比例为15％-40％。
图4示意性地显示了本发明所述的连续退火工艺中第二升温速度与第一升温速度的比值对铁损的影响。
如图4所示，当控制第二升温速度k2与第一升温速度k1在k2/k1＝0.2-8.0时，铁损P15/50≤2.3W/kg。
图5示意性地显示了本发明所述的连续退火工艺中第二升温速度与第一升温速度的比值对磁感的影响。
如图5所示，当控制第二升温速度k2与第一升温速度k1；k2/k1＝0.2-8.0时，磁感B50≥1.70T。
综上所述可以看出，本发明所述的磁性能优良的无取向电工钢板、连续退火工艺及其制造方法具有如下所述的优点以及有益效果：
本发明所述的无取向电工钢板磁性能优良，能源介质消耗低，具有很好的适用性以及推广前景。
此外，采用本发明所述的连续退火工艺可以获得磁性能优良的无取向电工钢板。并且，所述的连续退火工艺可以有效减少场地投资，明显缩短连续退火时间，从而大大提高了生产效率和减少了能源介质消耗，并且整个连续退火过程简便易控，和钢种之间有针对性和关联性。
另外，本发明所述的制造方法也同样具有上述的优点以及有益效果。
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 (14)

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：0.1-3.5％；
Mn：0.15-2.0％；
Al：0.1-3.5％；
Sb、Sn中的一种或两种，其总含量为0.001-0.1％；
Ca、Mg、RE中的一种或几种，其总含量为0.0005-0.01％；
余量为Fe和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，在其他不可避免的杂质中，P≤0.2％，S≤0.005％，N≤0.005％，O≤0.005％。
3.如权利要求2所述的磁性能优良的无取向电工钢板，其特征在于，Ca、Mg、RE中的一种或几种的总含量与O和S的总含量之比为0.5-4.0。
4.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，其中晶体织构{100}的面织构比例为15％-40％。
5.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≤2.3W/kg，磁感B50≥1.70T。
6.如权利要求1-4中任意一项所述的磁性能优良的无取向电工钢板的连续退火工艺，其包括步骤：
将冷轧带钢以第一升温速度k1从快速加热起始温度T始加热至钢种的居里温度T居里温度；
然后再以第二升温速度k2快速加热至均热温度，以进行均热保温；
其中，k1为50-550℃/s；k2为50-800℃/s；k2/k1＝0.2-8.0。
7.如权利要求6所述的连续退火工艺，其特征在于，所述快速加热起始温度T始为室温或室温以上均热温度以下的温度。
8.如权利要求6所述的连续退火工艺，其特征在于，均热时间为1-90s。
9.如权利要求6所述的连续退火工艺，其特征在于，k2/k1＝0.5-6.0。
10.如权利要求6-9中任意一项所述的连续退火工艺，其特征在于，所述均热温度T均热的范围为(T居里温度+40℃)至(T居里温度+330℃)。
11.如权利要求10所述的连续退火工艺，其特征在于，均热时间t均热还满足：t均热＝1000a/T均热+b；其中，a的取值范围为1-50，b的取值范围为1-30；t均热的单位参量为s。
12.如权利要求6所述的连续退火工艺，其特征在于，采用燃气加热或电加热的方式先将冷轧带钢从室温加热至所述快速加热起始温度T始。
13.如权利要求6所述的连续退火工艺，其特征在于，以第二升温速度加热的加热过程和以第一升温速度加热的加热过程之间间隔1-10s。
14.一种磁性能优良的无取向电工钢板的制造方法，其包括步骤：
冶炼和铸造；
热轧；
常化；
冷轧；
进行如权利要求6-13中任意一项所述的连续退火工艺；
绝缘涂层，以得到磁性能优良的无取向电工钢板。
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