CN116288012B - 一种大型水力发电机用冷轧磁极钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种大型水力发电机用冷轧磁极钢及其制造方法，成分：C：0.06～0.08％、Si：0.20～0.40％、Mn：0.10～0.30％、P：0.08～0.12％、S：0.0040～0.0060％、Als：0.0030～0.0050％、Ti：0.0030～0.0050％、N：0.0080～0.0100％；V含量满足：2(Mn+V)＝1.3×(Si+P)+2.5×S，剩余为Fe以及不可避免的杂质，与现有技术相比，本发明产品屈服强度≥450MPa、屈强比0.80～0.90，磁感应强度B100≥1.81T、B150≥1.89T，叠装系数≥0.98，满足大型水力发电机使用要求。

Description

一种大型水力发电机用冷轧磁极钢及其制造方法
技术领域
本发明属于合金领域，具体涉及一种大型水力发电机用冷轧磁极钢及其制造方法，产品屈服强度不低于450Mpa，且具有高磁感。
背景技术
磁极是水轮发电机转子体的关键部件，为保证机组高速运行的平衡和稳定，必须要求磁极尺寸精度高和具有足够的强度；磁极又是重要的导磁通道，对发电机的效率等级有重大影响；此外，由于发电机组装备体积大、零部件更换难度大，所以需要所用材料能够有较长的服役周期。近年来，随着水电机组向大型化、高效化发展，对其关键部件材料的强度、尺寸精度、以及磁性能等方面均不断提升。
冷轧磁极钢是大型水力发电机组中不可或缺的材料，在整个发电机组用钢中占比约60～65％。为了获得较高的磁感应强度和强度指标，英国专利GB1351884通过合金化提高碳、锰和硅含量的方法，虽然获得了高强度但磁感应强度明显较低。中国专利CN200610019771.0、CN200610019772.5、CN201310226025.9、CN201310226038.6、CN201310226044.1、CN201310227270.1通过锰、铌和钛微合金化元素的不同添加量，并控制合适的热轧和冷轧退火工艺，获得高的机械强度和较高的磁感应强度，但由于合金元素的大量添加无疑增加了生产成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大型水力发电机用冷轧磁极钢及其制造方法，通过成分设计，并匹配合适的生产方法，不添加贵重合金，成本更低，且获得的产品屈服强度≥450MPa、屈强比0.80～0.90，磁感应强度B100≥1.81T、B150≥1.89T，叠装系数≥0.98，为后续发电机的效率提供了保障，满足大型水力发电机使用要求。
本发明具体技术方案如下：
一种大型水力发电机用冷轧磁极钢，包括以下质量百分比成分：
C：0.06～0.08％、Si：0.20～0.40％、Mn：0.10～0.30％、P：0.08～0.12％、S：0.0040～0.0060％、Als：0.0030～0.0050％、Ti：0.0030～0.0050％、N：0.0080～0.0100％；剩余为Fe以及不可避免的杂质。
所述大型水力发电机用冷轧磁极钢中还含有V，V含量满足：2(Mn+V)＝1.3×(Si+P)+2.5×S，计算的V含量保留小数点后3位。设计原理：Mn和C、N都是奥氏体形成元素，本发明降低了Mn含量、提高了C和N的含量，此种设计相当于提高了碳当量，进而有利于V在奥氏体状态下的固溶以及后续冷却相变时的析出；本设计的关键在于V含量的匹配，V是形成连续固溶体的元素，Si和P是铁素体形成元素，此种匹配一方面是考虑生产过程中热轧、冷轧的顺利进行，另一方面是综合匹配力学性能(屈服强度和抗拉强度)和磁性能(磁感应强度)。过高地提升Si含量可以提高力学强度但也会大大降低磁感，通过适当提高C含量，既提高了力学强度、同时C和V、Ti形成了碳化物使得固溶的碳含量几乎未明显增加，所以对磁性能(磁感应强度)恶化较小。
所述大型水力发电机用冷轧磁极钢的组织为珠光体组织，珠光体晶粒度评级为11级及以上，珠光体的晶粒度评级越高表明组织越细小，相应的力学强度越高。
所述大型水力发电机用冷轧磁极钢的屈服强度≥450MPa、屈强比稳定在0.80～0.90之间，为后续在发电机上的使用提供了足够的强度安全裕度；
所述大型水力发电机用冷轧磁极钢的磁感应强度B100≥1.81T、B150≥1.89T保证了整个磁路的磁通量较大，叠装系数≥0.98使得发电机铁芯的漏磁减少保证了发电机效率。
本发明提供了一种大型水力发电机用冷轧磁极钢的制造方法，包括以下工艺流程：冶炼钢水→连铸→铸坯加热→热轧→酸洗冷轧→退火→平整→精整包装。
所述连铸，投用结晶器电磁搅拌，连铸坯厚度200～260mm，使得铸坯的等轴晶比例≥60％；等轴晶比例过低会导致成品出现瓦楞状表面缺陷。
所述铸坯加热，铸坯加热温度1120～1220℃。
所述热轧，控制热轧厚度2.8～3.2mm，终轧温度850～900℃，卷取温度650～700℃；此热轧厚度与铸坯厚度之间的压下率一方面可以保证铸坯中的柱状晶充分破碎避免成品表面出现瓦楞印缺陷，另一方面可以保证有足够强度的{100}组分织构；此终轧温度可以保证热轧在奥氏体相区进行保证了热轧过程稳定顺行；此卷取温度可以保证热轧后的变形晶粒能够完成充分的再结晶为后续冷轧做好了微观组织准备。此终轧温度和卷取温度的配合能够保证在较高合金含量下固溶的碳氮化物能够析出、且奥氏体能够充分相变无对性能有害的残余奥氏体。
所述退火，在650～750℃温度还原性气氛下保持0.5～1h，此温度能够保证冷轧后的形变组织得到部分回复和再结晶，保证了屈强比(屈服强度与抗拉强度的比值)，为后续在发电机上的使用提供了足够的安全裕度。
平整工艺采用板形控制模式，控制平整延伸率0.3～0.5％，消除浪形、改善成品的板形保证叠装系数。
本发明通过C、Si、V和Mn的匹配，一方面能保证热轧过程中足够的奥氏体含量利于热轧的顺利进行，另一方面此匹配的碳当量(碳当量是将各种成分对强度的贡献折算成C的影响，本发明中的成分设计是在碳当量的基础上进行了优化匹配，同时兼顾力学性能和磁性能)可以保证成品中足够数量的渗碳体Fe3C来保证强度，合金含量过高会显著恶化磁感并增加合金成本；P的加入一方面可适当提高强度、另一方面P沿晶界偏聚可提高{100}组分和减少{111}组分对磁感应强度的提高有利，但P含量过高会变脆恶化冷加工性；S与Mn结合形成细小的MnS质点会抑制退火时晶粒的长大提高强度，但过量的S会增加热脆倾向不利于热轧顺行；本发明Als、N和Ti设计的含量匹配可以形成AlN和Ti(N、C)质点会抑制退火时晶粒的长大提高强度。此外，Al可以作为炼钢工序后期的微调脱氧剂使用微量加入，Ti是铁水中难以去除的杂质元素此含量下生产控制成本较低。V是与铁素体无限固溶的微合金化元素，易于N形成VN质点弥散分布于钢中，强烈阻碍退火时的晶粒长大和位错移动，具有显著的提升强度的效果；但V含量过高时影响冷轧顺行和板形质量，磁性能也会受到影响。本发明生产的冷轧磁极钢成品中的组织为珠光体组织，渗碳体Fe3C、MnS、AlN和Ti(C、N)的析出质点增加了强度并保证了组织的择优取向，特别是VN的弥散强化使得力学性能强度较大提升。
与现有技术相比，本发明生产的冷轧磁极钢产品的屈服强度≥450MPa、屈强比稳定在0.80～0.90之间，为后续在发电机上的使用提供了足够的强度安全裕度；产品的磁感应强度B100≥1.81T、B150≥1.89T，叠装系数≥0.98，为后续发电机的效率提供了保障。
附图说明
图1是实施例1的组织图晶粒度评级为11级；
图2为对比例1的组织图晶粒度评级为10级；
珠光体的晶粒度评级越高表明晶粒越细小、力学强度越高；而且图1中的析出相(黑色)数量明显多于图2，析出相越多根据析出强化原理可知强度也越高。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明技术方案进一步描述。
实施例1
一种大型水力发电机用冷轧磁极钢的制造方法，包括以下工艺流程：冶炼钢水→连铸→铸坯加热→热轧→酸洗冷轧→退火→平整→精整包装。
其中：钢水的成分按照质量百分比进行冶炼：C：0.06％、Si：0.20％、Mn：0.10％、P：0.08％、S：0.0060％、Als：0.0030％、N：0.010％、Ti：0.0050％、V：0.090％，剩余为Fe以及不可避免的杂质。然后将冶炼好的钢水进行连铸成200mm厚度的连铸坯，铸坯中的等轴晶比例为60％，然后将铸坯在1120℃的加热炉中进行加热3h，之后热轧至2.8mm，控制终轧温度850℃、卷取温度650℃；之后将热轧卷酸洗冷轧至1.0mm的订单厚度，再将冷轧卷进行退火，退火工艺为650℃温度还原性气氛下保持0.5h，最后将退火卷按照板型模式(延伸率0.5％)进行平整轻压下。
按照上述实施例1制造方法生产的冷轧磁极钢产品的屈服强度为459MPa、屈强比0.88、磁感应强度B100＝1.83T、B150＝1.91T、叠装系数为0.99。
实施例2
一种大型水力发电机用冷轧磁极钢的制造方法，包括以下工艺流程：冶炼钢水→连铸→铸坯加热→热轧→酸洗冷轧→退火→平整→精整包装。
其中：钢水的成分按照质量百分比进行冶炼：C：0.08％、Si：0.40％、Mn：0.30％、P：0.12％、S：0.0040％、Als：0.0030％、N：0.010％、Ti：0.0050％、V：0.043％，剩余为Fe以及不可避免的杂质。然后将冶炼好的钢水进行连铸成260mm厚度的连铸坯，铸坯中的等轴晶比例为62％，然后将铸坯在1220℃的加热炉中进行加热3h，之后热轧至3.2mm，控制终轧温度900℃、卷取温度700℃；之后将热轧卷酸洗冷轧至1.0mm的订单厚度，再将冷轧卷进行退火，退火工艺为750℃温度还原性气氛下保持0.5h，最后将退火卷按照板型模式(延伸率0.5％)进行平整轻压下。
按照上述实施例2制造方法生产的冷轧磁极钢产品的屈服强度为502MPa、屈强比0.80、磁感应强度B100＝1.81T、B150＝1.89T、叠装系数为0.99。
实施例3
一种大型水力发电机用冷轧磁极钢的制造方法，包括以下工艺流程：冶炼钢水→连铸→铸坯加热→热轧→酸洗冷轧→退火→平整→精整包装。
其中：钢水的成分按照质量百分比进行冶炼：C：0.07％、Si：0.20％、Mn：0.10％、P：0.08％、S：0.0041％、Als：0.0050％、N：0.0090％、Ti：0.0030％、V：0.087％，剩余为Fe以及不可避免的杂质。然后将冶炼好的钢水进行连铸成200mm厚度的连铸坯，铸坯中的等轴晶比例为60％，然后将铸坯在1120℃的加热炉中进行加热3h，之后热轧至2.8mm，控制终轧温度900℃、卷取温度700℃；之后将热轧卷酸洗冷轧至0.5mm的订单厚度，再将冷轧卷进行退火，退火工艺为750℃温度还原性气氛下保持1h，最后将退火卷按照板型模式(延伸率0.3％)进行平整轻压下。
按照上述实施例3生产的冷轧磁极钢产品的屈服强度为451MPa、屈强比0.81、磁感应强度B100＝1.82T、B150＝1.90T、叠装系数为0.98。
实施例4：
一种大型水力发电机用冷轧磁极钢的制造方法，包括以下工艺流程：冶炼钢水→连铸→铸坯加热→热轧→酸洗冷轧→退火→平整→精整包装。
其中：钢水的成分按照质量百分比进行冶炼：C：0.07％、Si：0.40％、Mn：0.30％、P：0.12％、S：0.0042％、Als：0.0050％、N：0.0085％、Ti：0.0030％、V：0.043％，剩余为Fe以及不可避免的杂质。然后将冶炼好的钢水进行连铸成260mm厚度的连铸坯，铸坯中的等轴晶比例为61％，然后将铸坯在1200℃的加热炉中进行加热3h，之后热轧至3.2mm，控制终轧温度850℃、卷取温度650℃；之后将热轧卷酸洗冷轧至0.5mm的订单厚度，再将冷轧卷进行退火，退火工艺为700℃温度还原性气氛下保持0.8h，最后将退火卷按照板型模式(延伸率0.3％)进行平整轻压下。
按照上述实施例4生产的冷轧磁极钢产品的屈服强度为487MPa、屈强比0.87、磁感应强度B100＝1.81T、B150＝1.90T、叠装系数为0.98。
对比例1
一种冷轧磁极钢的制造方法，包括以下工艺流程：冶炼钢水→连铸→铸坯加热→热轧→酸洗冷轧→退火→平整→精整包装。
具体为：钢水的成分按照质量百分比进行冶炼：C：0.06％、Si：0.20％、Mn：0.10％、P：0.08％、S：0.0060％、Als：0.0030％、N：0.010％、Ti：0.0050％、不加V，剩余为Fe以及不可避免的杂质。然后将冶炼好的钢水进行连铸成200mm厚度的连铸坯，铸坯中的等轴晶比例为60％，然后将铸坯在1120℃的加热炉中进行加热3h，之后热轧至2.8mm，控制终轧温度850℃、卷取温度650℃；之后将热轧卷酸洗冷轧至1.0mm的订单厚度，再将冷轧卷进行退火，退火工艺为650℃温度还原性气氛下保持0.5h，最后将退火卷按照板型模式(延伸率0.5％)进行平整轻压下。按照本发明技术方案生产的冷轧磁极钢产品的屈服强度为435MPa、屈强比0.88、磁感应强度B100＝1.84T、B150＝1.92T、叠装系数为0.99。加V后形成VC析出相会增加强度，而对比例1中不含V，导致强度降低。
对比例2：
一种冷轧磁极钢的制造方法，包括以下工艺流程：冶炼钢水→连铸→铸坯加热→热轧→酸洗冷轧→退火→平整→精整包装。
具体为：钢水的成分按照质量百分比进行冶炼：C：0.08％、Si：0.40％、Mn：0.30％、P：0.12％、S：0.0040％、Als：0.0030％、N：0.010％、Ti：0.0050％、V：0.043％，剩余为Fe以及不可避免的杂质。然后将冶炼好的钢水进行连铸成260mm厚度的连铸坯，铸坯中的等轴晶比例为62％，然后将铸坯在1220℃的加热炉中进行加热3h，之后热轧至3.2mm，控制终轧温度900℃、卷取温度700℃；之后将热轧卷酸洗冷轧至1.0mm的订单厚度，再将冷轧卷进行退火，退火工艺为800℃温度还原性气氛下保持0.5h，最后将退火卷按照板型模式(延伸率0.7％)进行平整轻压下。按照本发明技术方案生产的冷轧磁极钢产品的屈服强度为563MPa、屈强比0.92、磁感应强度B100＝1.76T、B150＝1.88T、叠装系数为0.91，冷轧难度大板形难以控制。对比例2生产中退火温度过高会恶化磁感、延伸率过高产生的加工硬化会增加屈强比并恶化板形。
2(Mn+V)＝1.3×(Si+P)+2.5×S
对比例3
一种冷轧磁极钢的制造方法，包括以下工艺流程：冶炼钢水→连铸→铸坯加热→热轧→酸洗冷轧→退火→平整→精整包装。
具体为：钢水的成分按照质量百分比进行冶炼：C：0.07％、Si：0.20％、Mn：0.50％、P：0.08％、S：0.0063％、Als：0.0020％、N：0.0090％、Ti：0.0030％、V：0.04％，剩余为Fe以及不可避免的杂质。然后将冶炼好的钢水进行连铸成200mm厚度的连铸坯，铸坯中的等轴晶比例为60％，然后将铸坯在1120℃的加热炉中进行加热3h，之后热轧至2.8mm，控制终轧温度900℃、卷取温度700℃；热轧出现裂纹、冷轧断带频繁。Als可以在钢水冶炼时起到一定的脱氧作用，本对比例Als含量低钢种的氧化产物较高，相当于钢水纯净度较低，对性能不利；S过高会形成低熔点的FeS相，此二者都会对轧制产生较大恶化。
对比例4
一种冷轧磁极钢的制造方法，包括以下工艺流程：冶炼钢水→连铸→铸坯加热→热轧→酸洗冷轧→退火→平整→精整包装。
具体为：钢水的成分按照质量百分比进行冶炼：C：0.07％、Si：0.40％、Mn：0.30％、P：0.12％、S：0.0037％、Als：0.0020％、N：0.0085％、Ti：0.0030％、V：0.08％，剩余为Fe以及不可避免的杂质。然后将冶炼好的钢水进行连铸成260mm厚度的连铸坯，铸坯中的等轴晶比例为61％，然后将铸坯在1200℃的加热炉中进行加热3h，之后热轧至3.2mm，控制终轧温度850℃、卷取温度650℃；之后将热轧卷酸洗冷轧至0.5mm的订单厚度，再将冷轧卷进行退火，退火工艺为700℃温度还原性气氛下保持0.8h，最后将退火卷按照板型模式(延伸率0.1％)进行平整轻压下。按照本发明技术方案生产的冷轧磁极钢产品的屈服强度为442MPa、屈强 比0.79、磁感应强度B100＝1.82T、B150＝1.90T、叠装系数为0.96。对比例4延伸率低，板形改善效果和加工硬化效果均不明显，所以强度、屈强比和叠装系数均较低。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种大型水力发电机用冷轧磁极钢，其特征在于，所述大型水力发电机用冷轧磁极钢包括以下质量百分比成分：
C：0.06~0.08%、Si：0.20~0.40%、Mn：0.10~0.30%、P：0.08~0.12%、S：0.0040~0.0060%、Als：0.0030~0.0050%、Ti：0.0030~0.0050%、N：0.0080~0.0100%；剩余为Fe以及不可避免的杂质；所述大型水力发电机用冷轧磁极钢中还含有V，V含量满足：2（Mn+V）=1.3×（Si+P）+2.5×S；
所述大型水力发电机用冷轧磁极钢的屈服强度≥450MPa、屈强比0.80~0.90；
所述大型水力发电机用冷轧磁极钢的磁感应强度B100≥1.81T、B150≥1.89T，叠装系数≥0.98。
2.一种权利要求1所述的大型水力发电机用冷轧磁极钢的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括以下工艺流程：冶炼钢水→连铸→铸坯加热→热轧→酸洗冷轧→退火→平整→精整包装；
所述连铸，投用结晶器电磁搅拌，连铸坯厚度200~260mm，使得铸坯的等轴晶比例≥60%；
所述铸坯加热，铸坯加热温度1120~1220℃；
所述热轧，控制热轧厚度2.8~3.2mm；
所述热轧，终轧温度850~900℃，卷取温度650~700℃；
所述退火，在650~750℃温度还原性气氛下保持0.5~1h；
控制平整延伸率0.3~0.5%。
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