CN114737129B - 一种卷绕式电机铁芯用高性能无取向硅钢及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种卷绕式电机铁芯用高性能无取向硅钢及其生产方法，成分：[C]≤0.0015％，[Mn]0.10％‑0.20％，[S]≤0.0015％，[P]≤0.010％，[Si]2.1％‑2.5％，[Als]0.9％‑1.3％，[Ce]0.002％‑0.005％，[N]≤0.0015％，[O]≤0.0015％，其余为Fe及不可避免的杂质。与现有技术相比，本发明通过合理调配Si/Al，在保证电磁性能的前提下提高钢材的韧性；经过本发明的生产方法，产品具有超薄厚度、强韧性、低铁损、高磁感等优点，可以减小电机体积和重量，提高电机能效，节约能源，降低噪声污染。

Description

一种卷绕式电机铁芯用高性能无取向硅钢及其生产方法
技术领域
本发明属于高牌号冷轧无取向电工钢生产领域，具体涉及一种卷绕式电机铁芯用高性能无取向硅钢及其生产方法。
背景技术
卷绕式电机用高牌号无取向电工钢制造工序流程长、工艺复杂、产品质量的影响因素多。特别是卷绕式电机定转子加工方式与其它电机定转子加工方式不一样，其它电机定转子采用的是高速冲床冲片叠片方式，对材料本身的韧性要求不高，而卷绕式电机定转子采用的是钢带整体分条，通过卷绕式方式附着在铁芯表面，因此对材料本身的韧性具有较高要求。
与传统叠装式电机相比，卷绕铁芯可采用非常薄的高导磁冷轧电工钢片，可以生产更低损耗的变压器。性能方面，相同条件下卷绕式电机空载比叠装电机损耗下降7％-10％，空载电流可下降50％-75％；生产效率方面，卷绕式式电机铁芯工艺性好，没有剪切废料，利用率几乎是100％，可采用机械化作业，免除了叠装工序，生产效率比叠装铁芯提高5-10倍；环保方面，因卷绕式电机铁芯自身是一个整体，不需支持件加紧固定，有没有一个接缝，因此在与叠装铁芯相同条件下，变压器噪声可降低5-10dB。
但是，目前市面上高牌号电工钢在满足性能的情况下由于Si含量高，材料极脆，卷绕铁芯时极易断带，生产效率低。由于这些特性，对卷绕式电机铁芯用电工钢的要求是厚度超薄、强度高、铁损低，极大限度地降低电耗，节约能源。
现有技术中没有发现厚度较薄卷绕式电机铁芯用低铁损强韧性高性能无取向电工钢及其生产方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种卷绕式电机铁芯用高性能无取向硅钢及其生产方法，通过对成分Si/Al的配比进行优化，并添加稀土Ce及进行钙处理对钢中的夹杂物变性处理，减少尺寸＜1μm的细小弥散夹杂物对成品磁性能的影响，配合本申请生产工艺，改善成品磁性能、且具有强韧性。
本发明具体技术方案如下：
一种卷绕式电机铁芯用高性能无取向硅钢，包括以下质量百分比成分：
[C]≤0.0015％，[Mn]0.10％-0.20％，[S]≤0.0015％，[P]≤0.010％，[Si]2.1％-2.5％，[Als]0.9％-1.3％，[Ce]0.002％-0.005％，[N]≤0.0015％，[O]≤0.0015％，其余为Fe及不可避免的杂质。
进一步的，所述卷绕式电机铁芯用高性能无取向硅钢，确保[Si+Als]3.1％-3.8％。
所述卷绕式电机铁芯用高性能无取向硅钢的成分中，控制[Si]/[Als]比在1.85-2.50范围内。
本发明提供的卷绕式电机铁芯用高性能无取向硅钢，产品厚度规格为0.25-0.35mm，材料延伸率A50≥25％,屈服强度ReL≥380Mpa,抗拉强度Rm≥500Mpa，产品退火后晶粒尺寸100-150μm。典型产品27ZW1500铁损P1.0/400≤13.5W/kg,最小磁极化强度J5000≥1.65T；30ZW1700铁损P1.0/400≤15.5W/kg,最小磁极化强度J5000≥1.66T。
本发明提供的一种卷绕式电机铁芯用高性能无取向硅钢的生产方法，包括以下工艺流程：
转炉冶炼、RH真空精炼、连续浇铸、板坯加热、热轧、卷取、常化、酸洗、冷轧、连续退火、冷却。
具体生产方法如下：
通过高牌号冷轧无取向硅钢洁净钢平台建设，冶炼、连铸成高质量铸坯，通过稀土处理和钙处理极大地降低钢中尺寸＜1μm的细小弥散夹杂物含量，提高钢水纯净度；
所述转炉冶炼具体为：转炉采用造双渣法，提高脱P效率，有效去除P、Ti等残余元素含量，控制钢水P含量降低到≤0.010％；通过LF工序进行升温,使钢水到RH站温度符合要求。
所述RH真空精炼控制钢[Si]2.1％-2.5％、[Als]0.9％-1.3％；通过控制Si/Als比在1.85-2.50范围，在确保性能的前提下提高钢的韧性；Als和Si的作用相似，明显提高电阻率和使晶粒长大，但Als对钢强度和硬度的影响不像Si那么明显。钢中加Als脆性增加程度小，提高硬度程度相当于Si的1/3，Als可使{100}组分增高和{111}组分减少，相应提高磁感强度。采用Ca-Si合金加脱硫剂脱硫，Ca收得率高，且脱硫效果显著，形成的Al(O，N)+(CaMn)(S，O)复合析出物容易上浮，细小弥散MnS(＜1μm)很少；加入稀土合金0.0020％-0.0050％对钢中夹杂物进行变性处理，尺寸＜1μm的细小弥散夹杂物数量减少，有利于提高成品电磁性能。控制RH出站前软吹时间≥8min，使钢液中夹杂物充分上浮去除，提高钢水纯净度。但是稀土处理时稀土含量要适中，低于设计要求，稀土处理不能有效去除钢水中夹杂物；高于目标值时，连铸浇注时容易堵塞水口，造成停机。
所述连续浇铸具体为：连铸成厚度为230mm的高质量铸坯，其化学成分应符合[C]≤0.0015％，[Mn]0.10％-0.20％，[S]≤0.0015％，[P]≤0.010％，[Si]2.1％-2.5％，[Als]0.9％-1.3％，[Ce]0.002％-0.005％，[N]≤0.0015％，[O]≤0.0015％，其余为Fe及不可避免的杂质，确保[Si+Als]3.1％-3.8％，[Si/Als]:1.85-2.50。
进一步的，所述板坯加热，控制加热温度1000-1150℃，进行热轧，控制粗轧温度930-970℃，热轧至厚度2.0-2.45mm；控制凸度15-25μm，楔形≤+15μm；
所述卷取，卷取温度600-620℃；
本发明控制加热温度，防止板坯中的析出物固溶，热轧后析出细小粒子阻碍晶粒长大；高温卷取使晶粒充分长大，起到部分常化效果。
所述常化，控制常化温度860℃-920℃，保温时间30-50s，使带钢晶粒充分长大，组织均匀；
常化酸洗后冷却至≤70℃出炉空冷。
所述冷轧，控制冷轧钢卷带温轧制，利用保温坑预热至80-100℃；采用工作辊直径60-80mm的二十辊轧机一次冷轧到0.25-0.35mm，控制冷轧压下率达到85％-90％；小辊径轧制可以获得板形好的薄规格产品，降低铁损。
所述连续退火，采用二段式连续退火工艺，控制第一段退火温度为910-930℃，保护气氛体积百分数为3％-18％H2和75％-90％N2，露点(-10℃)-(+30℃)，保温时间为1.5-3.0min；控制第二段退火温度为960℃-980℃，保护气氛体积百分数为3％-18％H2和75％-90％N2，露点(-40℃)-(+60℃)，保温时间为1.0-2.5min。
优选的，第一段退火主要功能为加湿脱碳，采用辐射加热和电加热控制，退火温度控制为910-930℃；保护气氛体积百分数为3％-18％H2和75％-90％N2，控制炉内露点(-10℃)-(+30℃)，保温时间为1.5-3.0min，脱碳至碳含量≤0.0012％。若碳含量高于0.0030％，在高温下碳和氮的固溶度高，固溶量大，冷却速度较快时来不及析出而过饱和于基体中。当铁芯工作时，一部分电能转化为热能，导致硅钢板温度上升，促使固溶在基体中过饱和的碳、氮析出进而使铁损增加，温度进一步升高。所以在磁时效初期，随着时间延长，磁时效效应会越来越显著。碳含量降低到≤0.0012％，不仅可以有效消除磁时效效应，还可促使γ相减少或无相变，AlN固溶度降低，钢中粗大AlN不易固溶，可防止析出细小AlN，并使最终退火温度提高促进晶粒长大，改善磁性。
优选的，第二段退火主要功能是使带钢在规定温度下再结晶，晶粒充分长大，晶粒度达到100μm以上，铁损低，退火温度控制为960℃-980℃，保护气氛体积百分数为3％-18％H2和75％-90％N2，露点(-40℃)-(+60℃)，保温时间为1.0-2.5min。
所述冷却是指：退火后采用纯N2分段冷却方法，控制钢带在管冷段冷却速度≥35℃/s，钢带出管冷段温度500-550℃；控制钢带在喷射段冷却速度≤15℃/s，钢带出喷射段温度150-190℃；控制钢带在终冷段冷却速度≤18℃/s，钢带冷却至室温；本发明采用纯N2分段冷却方法，减小成品钢带内应力的目的，成品铁损低。
最后，带钢经涂层后制成成品钢带，成品钢带分卷、包装。
与现有技术相比，本发明Si、Als显著提高钢的电阻率，降低铁损，是制造低铁损电工钢价格低廉的合金，通过合理调配Si/Als，可以在保证电磁性能的前提下提高钢材的韧性。RH精炼采用稀土处理和钙处理对钢中夹杂物进行变性处理，尺寸＜1μm的细小弥散夹杂物数量减少，，有利于提高成品电磁性能。本发明提供的一种卷绕式电机铁芯用高性能无取向电工钢及其生产方法，生产的无取向电工钢具有超薄厚度、强韧性、低铁损、高磁感等优点，可以减小电机体积和重量，提高电机能效，节约能源，降低噪声污染。产品主要用于制造中小型高性能变压器。满足卷绕式电机铁芯用无取向电工钢的特性和电磁性能，提高下游电机企业生产效率。
附图说明
图1为实施例1成品金相组织；
图2为对比例2成品金相组织。
图3为实施例1常化后试样＜1μm析出物检测统计图；
图4为对比例9常化后试样＜1μm析出物检测统计图。
具体实施方式
实施例1-实施例10
一种卷绕式电机铁芯用高性能无取向硅钢，包括以下质量百分比成分：如表1所示，表1中没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。
上述实施例1-实施例10所述的卷绕式电机铁芯用高性能无取向硅钢的生产方法具体如下：
1)通过高牌号冷轧无取向硅钢洁净钢平台建设，冶炼、连铸成高质量铸坯，通过转炉双渣法操作，有效去除残余元素P、Ti等；RH真空精炼控制钢[Si]2.1％-2.5％、[Als]0.9％-1.3％；通过控制Si/Als比在1.85-2.50范围，在确保性能的前提下提高钢的韧性；Als和Si的作用相似，明显提高电阻率和使晶粒长大，但Als对钢强度和硬度的影响不像Si那么明显。钢中加Als脆性增加程度小，提高硬度程度相当于Si的1/3，Als可使{100}组分增高和{111}组分减少，相应提高磁感强度。采用Ca-Si合金加脱硫剂脱硫，Ca收得率高，且脱硫效果显著，形成的Al(O，N)+(CaMn)(S，O)复合析出物容易上浮，细小弥散MnS(＜1μm)很少；加入稀土合金0.0020％-0.0050％对钢中夹杂物进行变性处理，尺寸＜1μm的细小弥散夹杂物数量减少，有利于提高成品电磁性能。控制RH出站前软吹时间≥8min，使钢液中夹杂物充分上浮去除，提高钢水纯净度。但是稀土处理时稀土含量要适中，低于设计要求，稀土处理不能有效去除钢水中夹杂物；高于目标值时，连铸浇注时容易堵塞水口，造成停机。通过LD+LF+RH双联工艺冶炼连铸成厚度230mm的铸坯。其化学成分应符合[C]≤0.0015％，[Mn]0.10％-0.20％，[S]≤0.0015％，[P]≤0.010％，[Si]2.1％-2.5％，[Als]0.9％-1.3％，[Ce]0.002％-0.005％，[N]≤0.0015％，[O]≤0.0015％，其余为Fe及不可避免的杂质，确保[Si+Als]3.1％-3.8％，[Si/Als]:1.85-2.50。
2)进行热轧：控制加热温度1000-1150℃，控制粗轧温度930-970℃，卷取温度600-620℃，热轧至厚度2.0-2.45mm。控制凸度15-25μm，楔形≤+15μm。
3)进行常化酸洗：控制常化温度860℃-920℃，保温时间30-50s，常化酸洗后冷却至≤70℃出炉空冷。
(4)控制冷轧钢卷带温轧制，利用保温坑预热至80-100℃，使用二十辊轧机轧制到0.25-0.35mm，工作辊直径60-80mm，控制冷轧压下率达到85％-90％；
5)采用二段式连续退火工艺，控制第一段退火段脱碳，分别采用辐射加热和电加热控制，退火温度控制为910-930℃，保护气氛体积百分数为3％-18％H2和75％-90％N2，露点(-10℃)-(+30℃)，保温时间为1.5-3.0min；控制第二段退火段温度，使带钢在规定温度下再结晶，晶粒充分长大，铁损低，退火温度控制为960℃-980℃，保护气氛体积百分数为3％-18％H2和75％-90％N2，露点(-40℃)-(+60℃)，保温时间为1.0-2.5min。
6)退火后采用纯N2分段冷却，控制钢带在管冷段冷却速度≥35℃/s，钢带出管冷段温度500℃-550℃；控制钢带在喷射段冷却速度≤15℃/s，钢带出喷射段温度150℃-190℃；控制钢带在终冷段冷却速度≤18℃/s，钢带冷却至室温，经涂层并烘烤后制成成品钢带。
7)进行分卷包装入库。
本发明具体实施时，实施例1-10，对比例1-9的具体工艺参数如表2、表3所示，其中对比例9不经过稀土处理和钙处理。
一种卷绕式电机铁芯用高性能无取向硅钢，包括以下质量百分比成分：如表1所示，表1中没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。
上述对比例1-对比例9所述的卷绕式电机铁芯用高性能无取向硅钢的生产方法同实施例，区别在于具体工艺参数不同，对比例1-对比例9的生产方法工艺参数见表2、表3。
表1本发明各实施例及对比例的化学成分取值列表(质量百分含量)
Figure BDA0003612784280000081
Figure BDA0003612784280000091
表2本发明各实施例和对比例的主要热轧工艺参数列表
Figure BDA0003612784280000092
表3本发明各实施例和对比例的主要常化、冷轧和退火工艺参数
Figure BDA0003612784280000093
Figure BDA0003612784280000101
各实施例和对比例生产的无取向硅钢的主要性能如表4所示。
表4本发明各实施例和对比例的主要性能参数
Figure BDA0003612784280000102
Figure BDA0003612784280000111
对比例1和对比例2成分在设计范围内，但热轧加热温度偏高，MnS、AlN等析出物大量固溶，轧制过程中随着板温的降低，大量细小弥散的MnS、AlN质点析出钉扎在晶界上，在退火过程中阻碍晶粒长大，降低产品电磁性能。对比例3中Si/Al比不满足1.85～2.5的范围，对比例3的Si含量超出成分设计要求，铁损与同牌号相比较低，但导致成品最小磁极化强度值低于设计要求，延伸率偏低，客户做定转子绕卷时存在多次断带，生产效率非常低。对比例4成分和其余工艺在设计范围内，但常化温度较低，晶格储能少，导致退火过程晶粒未有足够能量长大，晶粒度较小，产品铁损和磁感均未达到设计值，客户使用后电机空载损耗大；对比例5成分和其余工艺正常，但常化温度高于设计值，钢带边部晶粒粗大，冷轧轧制时断带多次，尤其是轧机启停阶段，影响生产效率。对比例6和对比例7碳元素超出设计要求，其余工艺参数按本发明控制，产品性能合格，但随着电机工作时间的延长，电机会逐渐升温，磁时效明显。对比例8成分和热轧、冷轧工艺按照本发明控制，但退火温度低于设计值，晶粒没有充分长大，尺寸低于设计要求，电磁性能不合格。对比例9中未加稀土合金，夹杂物未经变性处理，钢水中细小弥散夹杂物(晶粒尺寸＜1μm)未及时上浮去除，滞留在钢水中，而细小弥散夹杂物显著影响热轧板及成品板的组织，阻碍晶粒长大，使成品晶粒尺寸达不到最佳晶粒尺寸，相应磁滞损耗增加，最终产品电磁性能不合格。其中典型退火后金相组织图见图1和图2，其中图1为实施例1金相组织图，图2为对比例2的金相组织。由金相图可以看出，对比例2参数超出本发明工艺参数范围，晶粒均匀性差，平均晶粒尺寸为70μm，晶粒细小；实施例1使用本发明工艺参数，退火板晶粒均匀性好，平均晶粒尺寸为112μm，晶粒更加粗大，因而成品伸长率高、韧性好，有利于产品卷绕。图3和图4分别为实施例1和对比例9经常化后取样进行细小夹杂物(＜1μm)检测统计图。通过分析发现，实施例1常化后检测细小夹杂物(＜1μm)的面密度为13557.4个/mm2、平均尺寸0.561μm，对比例9未经稀土处理+钙处理，常化后检测细小夹杂物(＜1μm)的面密度为26210.7个/mm2、平均尺寸0.251μm，比实施例1(经稀土处理和钙处理)细小夹杂物(＜1μm)数量增加约1倍，平均尺寸不到对比例1的1/2。这些细小弥散夹杂物(＜1μm)钉扎在晶界上，在退火过程中阻碍晶粒长大，成品铁损超出性能设计范围。
从实施例客户使用情况看，产品性能完全符合客户需求。
上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims (7)

1.一种卷绕式电机铁芯用高性能无取向硅钢，其特征在于，所述卷绕式电机铁芯用高性能无取向硅钢包括以下质量百分比成分：
[C]≤0.0015%，[Mn]0.10%-0.20%，[S]≤0.0015%，[P]≤0.010%，[Si]2.1%-2.5%，[Als]0.9%-1.3%，[Ce]0.002%-0.005%，[N]≤0.0015%，[O]≤0.0015%，其余为Fe及不可避免的杂质；
所述的卷绕式电机铁芯用高性能无取向硅钢，确保[Si+ Als]3.1%-3.8%，控制 [Si]/[Als]比在1.85-2.50；
所述的卷绕式电机铁芯用高性能无取向硅钢退火后晶粒尺寸100-150μm；
所述卷绕式电机铁芯用高性能无取向硅钢的生产方法，包括以下工艺流程：转炉冶炼、RH真空精炼、连续浇铸、板坯加热、热轧、卷取、常化、酸洗、冷轧、连续退火、冷却；
所述连续退火，采用二段式连续退火工艺，控制第一段退火温度为910-930℃，保护气氛体积百分数为3％-18％H2和75％-90％N2，露点（-10℃）-（+30℃），保温时间为1.5-3.0min；控制第二段退火温度为960℃-980℃，保护气氛体积百分数为3％-18％H2和75％-90％N2，露点（-40℃）-（+60℃），保温时间为1.0-2.5min。
2.根据权利要求1所述的卷绕式电机铁芯用高性能无取向硅钢，其特征在于，所述的卷绕式电机铁芯用高性能无取向硅钢的延伸率A50≥25%；屈服强度ReL≥380MPa,抗拉强度Rm≥500MPa；典型产品27ZW1500铁损P1.0/400≤13.5W/kg,最小磁极化强度J5000≥1.65T；30ZW1700铁损P1.0/400≤15.5W/kg,最小磁极化强度J5000≥1.66T。
3.一种权利要求1或2所述的卷绕式电机铁芯用高性能无取向硅钢的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括板坯加热，控制加热温度1000-1150℃。
4.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括加热和热轧，控制粗轧终轧温度930-970℃热轧至厚度2.0-2.45mm；控制凸度15-25μm，楔形≤+15μm，卷取温度600-620℃。
5.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述常化，控制常化温度860℃-920℃，保温时间30-50s。
6.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括冷轧，控制冷轧钢卷带温轧制，利用保温坑预热至80-100℃；采用工作辊直径60-80mm的二十辊轧机一次冷轧到0.25-0.35mm，控制冷轧压下率达到85%-90%。
7.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括连续退火过后冷却，所述冷却是指：退火后采用纯N2分段冷却方法，控制钢带在管冷段冷却速度≥35℃/s，钢带出管冷段温度500-550℃；控制钢带在喷射段冷却速度≤15℃/s，钢带出喷射段温度150-190℃；控制钢带在终冷段冷却速度≤18℃/s，钢带冷却至室温。
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