CN112501407A - 高效变频压缩机用无取向硅钢板及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效变频压缩机用无取向硅钢板及其生产方法，采用洁净钢的冶炼方法进行冶炼，并连铸成坯，铸坯成分2.8％≤(Si+Als+Mn)％≤4.0％，(V+Nb+Ti+N+S+C)％≤0.012％；将连铸坯加热保温后进行热轧，卷取；进行常化并保温，随后进行冷却，冷却速度V满足：V≤105×(V+Nb+Ti+N+S+C)％；经酸洗后进行一次冷轧到0.25mm以及0.25mm以上的厚度；采用连续退火炉进行再结晶退火并保温，炉内钢带张力F满足：30×(Si+Als+Mn)％≤F≤15×d；涂层，即得本发明所述的高效变频压缩机用无取向硅钢板。本发明提供了一种铁损要求更低，磁各向异性更低，磁感要求更高的高牌号无取向硅钢及其生产方法。

Description

高效变频压缩机用无取向硅钢板及其生产方法
技术领域
本发明属于无取向硅钢的生产技术领域，具体涉及一种高效变频压缩机用无取向硅钢板及其生产方法。
背景技术
无取向电工钢广泛用于马达及变压器等的铁芯材料。近年来，从节能的观点出发，强烈要求提高各种电器的效率，而作为用于这些电器的马达和变压器的铁芯材料，期望得到更低的铁损和更高的磁感。
压缩机作为一个高精度高要求的机电产品，其中电动机部份又被称为其“心脏”，是电能转换成机械能的重要部件。电动机性能直接影响了压缩机的整机性能，如何有效提升电动机性能和降低制造及工艺成本是一项重点和难点。特别是近年来随着家电行业能效要求的提高，其对高效压缩机的性能要求也日益提高，而作为电动机的铁心材料，无取向硅钢片对压缩机的性能影响至关重要，其铁损和磁感水平直接影响到压缩机的效率和体积，因此目前高效变频压缩机所采用的无取向硅钢板主要为0.35mm及以下厚度的高牌号硅钢产品。
关于变频压缩机用无取向硅钢板及其生产方法，国内外相关技术如下：
(1)优化化学成分
专利《一种高磁感变频压缩机用无取向硅钢的制备方法》(ZL201210142261.8)公开了一种高磁感变频压缩机用无取向硅钢及其制备方法，涉及无取向电工钢生产技术领域。其化学成分重量百分比分别为：Si:2.6～2.9％，Mn:0.4～0.55％，Al:0.8～1.0％，S:0.001～0.0025％，N:0.001～0.0025％，Sn:0.025～0.035％，P≤0.011％，C:0.001～0.0025％，其余为Fe和不可避免的杂质。其成分特点为高Si加Sn的化学成分组成。其余均为常规工艺流程。
专利《一种变频高效压缩机用无取向硅钢及生产方法》(ZL201410545379.4)公开了一种变频高效压缩机用无取向硅钢，其组分及wt％为：C≤0.005％，Si：3.1～3.4％，Mn：0.03～0.1％，Als≤0.01％，P≤0.05％，0<S≤0.0025％，Cu≤0.06％，Sn：0.04～0.06％，N≤0.0025％，其特点为本发明在现有高牌号无取向硅钢的硅含量水平基础上，将Als含有量严格控制在0.01％以下，但是无Als钢冶炼难度大，生产成本高，后续焊接也会存在断焊问题，生产稳定性差。
专利《一种复合元素处理的高效电机用无取向硅钢的制备方法》(ZL201510665025.8)公开了一种复合元素处理的高效电机用无取向硅钢的制备方法，属于电工钢技术领域。本发明采用复合添加一定量的Ca、La和B的无取向电工钢铸坯，但BN的析出物仍会阻碍晶粒的长大。所述无取向硅钢的化学成分按重量百分比为：C≤0.005％,Si:0.8％～1.7％，Mn:0.3％～0.6％，Al:0.2％～0.4％，P≤0.015％，S≤0.004％，N≤0.004％，La:0.003％～0.015％，B:0.001％～0.004％，Ca:0.0015％～0.0025％,其针对也为中低牌号无取向硅钢。
专利《无方向性电磁钢板以及电机铁芯用无取向电磁钢板的制造方法》JP2017-179485A公开了一种电机铁芯用无取向电磁钢板的制造方法，其成分：0.5％≤Si≤4.0％，0.2％≤Al≤2.0％，0.1％≤Mn≤3.0％，0.010％≤Sn≤0.150％，C≤0.005％，S≤0.010％，N≤0.005％，其Al％最高达到2.0％，会明显增加连铸难度，Sn％最高达到0.15％，Sn％过高会在晶界偏析，降低晶间强度，在退火时容易造成钢带表面结瘤缺陷，同时影响成品强度以及铁芯冲压。
(2)优化生产工艺
专利《一种磁性能优良的无取向电工钢及其制造》(CN108004463A)公开了一种磁性能优良的无取向电工钢，其热轧加热温度为850～1250℃，终轧温度为800～1050℃，退火的板品控制在620～900℃，其热轧温度最高达到1250℃，AlN、TiN、MnS等有害析出物固溶度明显增大，在退火过程中会严重阻碍组织再结晶恶化磁性能，而退火的板的最低温度仅为620℃，冷轧后的组织也难以回复再结晶。
专利《一种高牌号无取向电工钢制造方法》(CN110565022A)公布了一种高牌号无取向电工钢制造方法，通过增加一道次冷轧后，边轧制边在线切边处理，来改善一道次冷轧边裂造成的冷轧断带风险，但此法对设备要求高，明显增加了生产成本。
专利《一种低铁损高磁感高牌号无取向砫钢的制备方法》(CN102634729A)公开了一种低铁损高磁感高牌号，铸坯经热轧、常化、酸洗、一次冷轧至0.80mm厚度、中间退火、二次冷轧至0.35mm厚度钢带、涂层后获得成品钢带。其采用二次冷法生产，但二次冷轧会导致成品磁各向异性大，且生产成本会急剧增加。
专利《一种新型冷轧高牌号无取向电工钢及其生产方法》(CN108277433A)公开了一种新型冷轧高牌号无取向电工钢及其生产方法。采用热轧后平整，保证表面质量和晶界储能有利于常化形成有利组织，其不足是利用热轧板平整进行应力诱导后续常化过程中的组织再结晶的同时，容易造成表层晶粒异常长大，最终导致成品组织不均匀，恶化成品磁各向异性及磁性水平。
目前针对高效变频压缩机用无取向硅钢板普遍存在设备要求高，生产成本高的问题(工艺成本，合金成本等)，同时目前普遍采用的工艺都存在不同的技术缺陷，工艺瓶颈凸显，从而影响成品的磁性及各向异性。这就是本发明所要解决的问题。
发明内容
基于现有高效变频压缩机用高牌号无取向硅钢板的生产中，普遍存在设备要求高，生产成本高的问题(工艺成本，合金成本等)，缺乏经济有效的进一步改善成品性能的方法，本发明所解决的技术问题在于提供一种铁损要求更低，磁各向异性更低，磁感要求更高的高牌号无取向硅钢，即高效变频压缩机用无取向硅钢板的生产方法。
针对铁损要求更低，磁各向异性更低，磁感要求更高的高牌号无取向硅钢，本发明通过控制常化过程中的冷却速率，以及优化成品退火过程中的张力控制，达到既能改善成品磁性，又能降低生产成本的方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种高效变频压缩机用无取向硅钢板的生产方法，包含如下步骤：
1)采用洁净钢的冶炼方法进行冶炼，并连铸成坯，铸坯成分2.8％≤(Si+Als+Mn)％≤4.0％，(V+Nb+Ti+N+S+C)％≤0.012％；
2)将连铸坯加热保温后进行热轧，卷取；
3)进行常化并保温，随后进行冷却，冷却速度V满足：
V≤105×(V+Nb+Ti+N+S+C)％，冷却速度V单位℃/s；
4)经酸洗后进行一次冷轧到0.25mm以及0.25mm以上的厚度；
5)采用连续退火炉进行再结晶退火并保温，炉内钢带张力F满足：
30×(Si+Als+Mn)％≤F≤15×d；
其中d为钢带厚度，单位mm；钢带张力F单位为MPa；
6)涂层。
作为上述技术方案的优选，本发明提供的高效变频压缩机用无取向硅钢板的生产方法进一步包括下列技术特征的部分或全部：
作为上述技术方案的改进，所述步骤(3)中，优选冷却速度V满足，V≤0.6×105×(V+Nb+Ti+N+S+C)％，冷却速度V单位℃/s。
作为上述技术方案的改进，所述所述步骤(5)中，优选炉内钢带张力F满足：50×(Si+Als+Mn)％≤F≤10×d；其中d为钢带厚度，单位mm；钢带张力F单位为MPa。
一种高效变频压缩机用无取向硅钢板：所述高效变频压缩机用无取向硅钢板是由如上任一所述的方法制备而成。
作为上述技术方案的优选，本发明提供的高效变频压缩机用无取向硅钢板进一步包括下列技术特征的部分或全部：
作为上述技术方案的改进，所述高效变频压缩机用无取向硅钢板铁损P1.0/400＝11.4-17.6W/kg、磁感B5000＝1.641-1.691T、铁损各向异性为9.2-12.8％、磁感各向异性为1.1-2.6％。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：本发明与现有技术相比，仅根据铸坯化学成分和成品厚度调整优化了常化冷却速率和成品退火炉内张力，易于实施，达到了既提高成品磁性又不提高生产成本的效果。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，详细说明如下。
具体实施方式
下面详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。
高效变频压缩机用高牌号无取向硅钢板的生产，其步骤：
1)采用洁净钢的冶炼方法进行冶炼，并连铸成坯，铸坯成分2.5％≤(Si+Als+Mn)％≤4.0％，(V+Nb+Ti+N+S+C)％≤0.012％；
2)将连铸坯加热保温后进行热轧，卷取；
3)进行常化并保温，随后进行冷却，冷却速度V满足：
V≤105×(V+Nb+Ti+N+S+C)％，
进一步地，优选V≤0.6×105×(V+Nb+Ti+N+S+C)％,冷却速度V单位℃/s；
4)经酸洗后进行一次冷轧到0.25mm以及以上厚度；
5)采用连续退火炉进行再结晶退火并保温，炉内张力F满足：
30×(Si+Als+Mn)％≤F≤15×d
进一步地，优选50×(Si+Als+Mn)％≤F≤10×d
其中d为钢带厚度，单位mm。钢带张力F单位为MPa。
6)涂层。
下面对本发明予以详细描述：
成品硅钢片中的任何夹杂物及第二相析出物至少都有两方面的直接危害：钉扎磁畴的移动；使材料的内应力增加。由此导致硅钢片磁性的降低，其中以微细夹杂物的钉扎作用最为突出，长条、针状夹杂物的钉扎作用又大于球状夹杂物，为此必须尽可能减少成品硅钢片中夹杂物的数量，尤其是微细夹杂物的数量，同时对夹杂物的形状进行控制。析出物粒子对成品硅钢片的磁性能的间接影响，则表现在限制最终成品退火过程中的晶粒长大，这主要体现在析出物粒子对晶界的拖曳作用上，当其细小、弥散分布时，就会对晶界产生强烈的拖曳作用，从而阻止基体晶粒的长大。因此，在无取向硅钢的生产中，必须合理控制第二相的体积分数，避免第二相粒子对冷轧后再结晶退火过程中晶粒正常长大的抑制。
无取向硅钢中的碳、氮和硫对磁滞损耗Ph最为有害，碳和氮为间隙式固溶元素，硫为置换式固溶元素，但硫原子半径与铁原子半径相差很大，这都使点阵严重畸变，引起大的内应力。析出物有晶内析出和晶界析出两种方式，小尺寸析出物的第二相粒子钉扎在晶界上，这将显著影响冷轧板在再结晶时晶粒的长大，成为其晶粒长大的主要阻碍因素。因此，高牌号无取向硅钢对有害元素的控制及夹杂物尺寸的控制要求极高。在无取向硅钢常化过程中，除了控制常化温度，冷却过程中，宜采用缓慢冷却的方式，降低冷却速度，使已经沉淀析出的第二相粒子(碳化物和氮化物等)可充分发生聚集长大，以达到析出物的无害化处理。同时降低冷却速度还可以降低常化后钢板的内应力，降低后续冷轧边裂甚至断带的风险。
铸坯中的V、Nb、Ti、N、S、C等杂质元素在铸坯内以细小夹杂物形式存在，热轧常化后的冷却过程中，会析出细小的第二相析出物，常化后降低冷却速度使已经沉淀析出的第二相粒子(碳化物和氮化物等)可充分发生聚集长大，因此需根据铸坯中上述元素的含量严格控制常化后的冷却速率，因此本发明中限定常化冷却速率V≤105×(V+Nb+Ti+N+S+C)％，进一步地，优选V≤0.6×105×(V+Nb+Ti+N+S+C)％。
无取向硅钢产品最终须经过连续退火炉完成再结晶退火处理，再结晶退火工艺包括温度制度、退火时间、炉内张力、炉内气氛。再结晶退火张力控制是保证良好板形，提高磁感强度、降低铁损的重要因素，退火张力在一定范围内可使钢的各向异性减小。在保证良好的带钢板形的前提下，应尽量降低炉内张力，张力过大，带钢沿轧向变形，残余应力增大，铁损值明显增加，也容易发生断带。
从微观角度来看，外加张力对冷变形金属退火过程再结晶规律的影响就是对晶界迁移的影响。晶界能主要来自位错能量，而位错能量又取决于晶粒间的位相差。高能晶界的迁移速率高于低能晶界的迁移速率，具有高晶界能的晶粒通过晶界的迁移而长大。因此，在不施加外应力的硅钢中，具有较多高角度取向差的高能晶界{111}(112)和{111}(110)晶粒比具有较少高角度取向差的低能晶界的{001}(100)晶粒生长得更快，未施加退火张力的再结晶织构组分中以γ织构为主。退火过程中炉内施加一定的张力，在退火过程中可以促进具有低的角度取向差的Goss和立方织构的发展，特别是对于高牌号无取向硅钢，(Si+Als+Mn)％含量较高，需要更高的再结晶驱动力，而一定的炉内张力有助于以及促进形变组织的回复再结晶，随着外加张力的增加，试样中的小角度晶界比例增加，具有低的角度取向差的Goss和立方织构得到发展，这对成品磁性有利，且一定的张力可以防止钢带在炉内跑偏，因此本发明中根据铸坯中(Si+Als+Mn)％限给出了炉内退火张力下限30×(Si+Als+Mn)％。当外加张力继续增加时，张力的作用继续增大，降低了再结晶的软化作用，在一定程度上阻碍了再结晶的发展，另外张力过大，退火后的成品磁各向异性会明显升高，且产品厚度越薄，张力对磁各向异性影响更为显著，且对于有细小边裂的冷轧来料，大张力条件下越容易发生边部裂纹扩展进而发生断带。因此炉内张力上线设定为15×d，进一步地，优选张力上限10×d。
实施例1
采用转炉冶炼和RH真空精炼，然后连铸成坯，铸坯的化学成份如表1所示。
表1铸坯化学成分(wt,％)
C S N Ti V Nb V+Nb+Ti+N+S+C Si+Al+Mn
0.0015 0.0011 0.0018 0.0021 0.0013 0.0022 0.010 3.5
试验钢铸坯进行1080热轧℃加热，粗轧，精轧到2.1mm、在680℃进行卷取，900℃常化均热保温45s，酸洗，一次冷轧至成品厚度0.35mm，最后在连续炉退火炉中进行980℃均热退火，保温20s，涂层。测量采用不同热轧和冷轧工艺对应的退火后爱泼斯坦方圈试样在400Hz,1.0T下的铁损P1.0/400和50Hz下的磁感B5000值，相关结果如表2所示。
表2实施例及对比例工艺及对应结果
Figure BDA0002806677240000081
本实施例中常化冷却速率V≤10℃/s，优选V≤6℃/s。退火炉内张力：1.05MPa≤F≤5.25MPa，优选1.75MPa≤F≤3.5MPa.实施例1-3相比对比例铁损更低，磁感更高，磁各向异性也较低，而实施例4-6为优选工艺参数，综合性能更佳。
实施例2
采用转炉冶炼和RH真空精炼，然后连铸成坯，铸坯的化学成份如表3所示。
表3铸坯化学成分(wt,％)
C S N Ti V Nb V+Nb+Ti+N+S+C Si+Al+Mn
0.0017 0.0009 0.0023 0.0027 0.0021 0.0023 0.009 4.0
试验钢铸坯进行1105热轧℃加热，粗轧，精轧到2.1mm、在675℃进行卷取，910℃常化均热保温40s，酸洗，一次冷轧至成品厚度0.30mm，最后在连续炉退火炉中进行960℃均热退火，保温25s，涂层。测量采用不同热轧和冷轧工艺对应的退火后爱泼斯坦方圈试样在400Hz,1.0T下的铁损P1.0/400和50Hz下的磁感B5000值，相关结果如表4所示。
表4实施例及对比例工艺及对应结果
Figure BDA0002806677240000082
Figure BDA0002806677240000091
本实施例中常化冷却速率V≤9℃/s，优选V≤5.4℃/s。退火炉内张力：1.2MPa≤F≤4.5MPa，优选2MPa≤F≤3MPa.实施例1-3相比对比例铁损更低，磁感更高，磁各向异性也较低，而实施例4-6为优选工艺参数，综合性能更佳。
实施例3
采用转炉冶炼和RH真空精炼，然后连铸成坯，铸坯的化学成份如表5所示。
表5铸坯化学成分(wt,％)
Figure BDA0002806677240000092
试验钢铸坯进行1112℃热轧加热，粗轧，精轧到2.0mm、在685℃进行卷取，905℃常化均热保温50s，酸洗，一次冷轧至成品厚度0.25mm，最后在连续炉退火炉中进行950℃均热退火，保温22s，涂层。测量采用不同热轧和冷轧工艺对应的退火后爱泼斯坦方圈试样试样在400Hz,1.0T下的铁损P1.0/400和50Hz下的磁感B5000值，相关结果如表6所示。
表6实施例及对比例工艺及对应结果
Figure BDA0002806677240000093
Figure BDA0002806677240000101
本实施例中常化冷却速率V≤11℃/s，优选V≤6.6℃/s。退火炉内张力：0.9MPa≤F≤3.75MPa，优选1.5MPa≤F≤2.5MPa.实施例1-3相比对比例铁损更低，磁感更高，磁各向异性也较低，而实施例4-6为优选工艺参数，综合性能更佳。
本发明所列举的各原料，以及本发明各原料的上下限、区间取值，以及工艺参数(如温度、时间等)的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高效变频压缩机用无取向硅钢板的生产方法，其特征在于，包含如下步骤：
1)采用洁净钢的冶炼方法进行冶炼，并连铸成坯，铸坯成分2.8％≤(Si+Als+Mn)％≤4.0％，(V+Nb+Ti+N+S+C)％≤0.012％；
2)将连铸坯加热保温后进行热轧，卷取；
3)进行常化并保温，随后进行冷却，冷却速度V满足：
V≤105×(V+Nb+Ti+N+S+C)％，冷却速度V单位℃/s；
4)经酸洗后进行一次冷轧到0.25mm以及0.25mm以上的厚度；
5)采用连续退火炉进行再结晶退火并保温，炉内钢带张力F满足：
30×(Si+Als+Mn)％≤F≤15×d；
其中d为钢带厚度，单位mm；钢带张力F单位为MPa；
6)涂层。
2.如权利要求1所述的高效变频压缩机用无取向硅钢板的生产方法，其特征在于：所述步骤(3)中，优选冷却速度V满足，V≤0.6×105×(V+Nb+Ti+N+S+C)％，冷却速度V单位℃/s。
3.如权利要求1所述的高效变频压缩机用无取向硅钢板的生产方法，其特征在于：所述所述步骤(5)中，优选炉内钢带张力F满足：50×(Si+Als+Mn)％≤F≤10×d；其中d为钢带厚度，单位mm；钢带张力F单位为MPa。
4.一种高效变频压缩机用无取向硅钢板，其特征在于：所述高效变频压缩机用无取向硅钢板是由如权利要求1-3任一所述的方法制备而成。
5.如权利要求4所述的高效变频压缩机用无取向硅钢板，其特征在于：所述高效变频压缩机用无取向硅钢板铁损P1.0/400＝11.4-17.6W/kg、磁感B5000＝1.641-1.691T、铁损各向异性为9.2-12.8％、磁感各向异性为1.1-2.6％。
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