TW201942377A - 矽系合金、其製造方法及此合金之用途 - Google Patents

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Abstract

本發明關於一種矽系合金，其包含在45至95重量百分比之間的Si；最多0.05重量百分比之C；0.01-10重量百分比之Al；0.01-0.3重量百分比之Ca；最多0.10重量百分比之Ti；0.5-25重量百分比之Mn；0.005-0.07重量百分比之P；0.001-0.005重量百分比之S；其餘為平常量的Fe及附帶雜質，以及該合金之製造方法及其用途。

Description

矽系合金、其製造方法及此合金之用途
本發明關於一種矽系合金、其製造方法及此合金之用途。
矽鐵(FeSi)為矽與鐵之合金，且為製造鋼產品之重要添加物。此合金常被稱為矽鐵合金，但是當矽含量高時及/或當合金元素量高時，合金中的鐵量會非常少，因此亦使用術語矽(Si)合金表示此合金。矽鐵形式的矽被用於從鋼移除氧，且作為改良最終鋼質之合金元素。矽即增加強度及耐磨性、彈性(彈簧鋼)、水垢層熱阻(耐熱鋼)，且降低導電度及磁致伸縮(電磁鋼)。參見在表1中由Elkem製造的先行技藝矽鐵品質之實例。如LAl(低鋁)、HP/SHP(高純度/半高純度)、及LC(低碳)矽鐵之特殊矽鐵被用於製造特殊鋼質，如電磁鋼、不銹鋼、軸承鋼、彈簧鋼、及輪胎鋼索。
非粒向電磁鋼(non-grain oriented electrical steel,NGOES)對於製造電氣機械(如馬達、發電機、及變壓器)之磁蕊為重要的。依製造者及品質而定，NGOES通常被以0.1-3.7重量百分比(wt%)之範圍的矽所合金化，但亦可發現更高的Si含量。低Si量等級(一般為<1.5重量百分比的Si)在此稱為低級，而高矽量(>2/2.5重量百分比)者經常稱為高級。受到增加電氣化(如電動力)及減少CO2排放之帶動，全球高級NGOES之需求漸增。因此現在需要發展新穎的NGOES等級，其進而要求可製造或發展此等級的更佳解決方案。
NGOES要求碳含量儘可能低(一般為C<0.005重量百分比)。在製造NGOES時，為了將鋼中的碳污染儘可能最小化而應使用低碳合金。如果由於來自附加合金之污染造成鋼熔化物中的碳量太高，則其需要額外及昂貴的方法步驟以得到所需的低碳量。其為低碳矽鐵/矽合金(LC、LAl、或HP/SHP FeSi形式)已被及仍被廣泛用於製造NGOES的原因。
近來錳漸漸被作為高級NGOES之合金元素。除了矽合金，製造此鋼等級的碳污染之一個主要來源為使用錳合金。為了將添加的碳保持低量，其經常使 用昂貴等級的錳，如低碳錳鐵(LCFeMn)或錳金屬。當今實務涉及使用分別添加的低碳矽系合金(如LC、LAl、或HP/SHP FeSi)及低碳錳系合金(如低碳錳鐵(LC FeMn)或錳金屬)，而將鋼中的碳保持儘可能低量同時在鋼中得到所欲的Si及Mn含量。低碳矽合金及低碳錳鐵合金在製造上均為昂貴的，且必須將這些合金分別加入鋼。
錳系合金中的主要污染元素為碳，其可為0.04至8重量百分比。市售Mn合金之實例為碳含量一般在6至8重量百分比之高碳錳鐵(HC FeMn)，C一般為1-2重量百分比之中碳錳鐵(MC FeMn)，及C為約0.5重量百分比之低碳錳鐵(LC FeMn)。亦有C低到最大0.04重量百分比之電解錳。還有不同的碳含量為至多8重量百分比的其他合金。又應注意，在電解錳發現Mn合金中的碳含量最低，但已知其製程製造環境問題且製造成本非常高。以下表2顯示市售錳合金之實例。
在當今含Mn之NGOES之製造方法中，如分別添加矽合金及錳合金造成的處理時間、成本及品質，仍有許多挑戰，且必須添加大量合金。
因此，本發明之目的為提供一種新穎的碳含量低且含有錳之節省成本的矽系合金，其可作為加入需要低碳含量及特定錳含量之鋼質(如NGOES)的唯一合金。
另一目的為提供一種製造該Si系合金之方法。
另一目的為提供該Si系合金之用途。
本發明之這些及其他優點在以下說明中變得更加明白。
在第一態樣中，本發明關於一種矽系合金，其包含：在45至95重量百分比之間的Si；最多0.05重量百分比之C；0.01-10重量百分比之Al；0.01-0.3重量百分比之Ca；最多0.10重量百分比之Ti；0.5-25重量百分比之Mn；0.005-0.07重量百分比之P；0.001-0.005重量百分比之S；其餘為平常量的Fe及附帶雜質。
在一具體實施例中，該矽系合金包含在50至80重量百分比之間的Si。
在另一具體實施例中，該矽系合金包含在64至78重量百分比之間的Si。
在一具體實施例中，該矽系合金包含最多0.03重量百分比之C。
在一具體實施例中，該矽系合金包含0.01-0.1重量百分比之Ca。
在一具體實施例中，該矽系合金包含最多0.06重量百分比之Ti。
在一具體實施例中，該矽系合金包含1-20重量百分比之Mn。
在第二態樣中，本發明關於一種製造以上定義的矽系合金之方法，其中該方法包含提供液態基本矽鐵合金，及將包含作為合金元素或雜質元素的碳之Mn來源加入該液態矽鐵中，而得到熔化物，及將得到的熔化物精煉，該精煉包含在流延該熔化物之前及/或期間移除形成的碳化矽粒子。
在一具體實施例中，該添加的Mn為高碳錳鐵合金、中碳錳鐵合金、低碳錳鐵合金、Mn金屬、或其混合物之形式。
在一具體實施例中，該液態基本矽鐵合金包含：Si：45-95重量百分比：C：至多0.5重量百分比；Al：至多2重量百分比；Ca：至多1.5重量百分比；Ti：0.01-0.1重量百分比；Mn：至多0.5重量百分比； P：至多0.02重量百分比；S：至多0.005重量百分比；其餘為平常量的Fe及附帶雜質。
在一具體實施例中，添加Al而將Al含量調整到0.1-10重量百分比之範圍內。
在另一態樣中，本發明關於以上定義的矽系合金在製鋼中作為添加物之用途。
在一具體實施例中，本發明關於以上定義的矽系合金在製造非粒向電磁鋼中作為添加物之用途。
本發明提供一種新穎的矽系合金，其碳量低且錳含量為至多25重量百分比。
本發明之合金具有以下組成：Si：45-95重量百分比：C：最多0.05重量百分比；Al：0.01-10重量百分比；Ca：0.01-0.3重量百分比；Ti：最多0.10重量百分比；Mn：0.5-25重量百分比；P：0.005-0.07重量百分比；S：0.001-0.005重量百分比；其餘為平常量的Fe及附帶雜質。
在本申請案中，術語矽系合金及矽鐵合金被 交換使用。Si為此欲加入鋼熔化物之合金中的主要元素。傳統上使用75重量百分比之Si或65重量百分比之Si。加入Si為75重量百分比之矽鐵產生的鋼熔化物溫度增加比65重量百分比之Si高，其亦為幾乎溫度中立。Si低於50重量百分比之矽鐵極少用於現今的鋼鐵工業，且表示必須加入大量合金以在鋼中得到目標Si含量，而在製鋼期間產生製造考驗。現今很少使用高於80%，因為當矽系合金中的矽含量增加時，每個矽單元之製造成本增加。因此較佳的Si範圍為50-80重量百分比。另一較佳的Si範圍為64-78重量百分比。
碳為NGOES中主要的不欲元素，且在本發明之此新穎合金中應儘可能低。該合金中的最大碳含量為0.05重量百分比。在用於製造該鋼之當今低碳矽鐵等級中，較佳含量應為最多0.03重量百分比或甚至最多0.02重量百分比。碳難以被完全移除，因此通常0.003重量百分比之C可存在於本發明之合金中。超過該碳含量則碳對錳比例為關鍵參數。隨合金中的錳增加，本發明之新穎矽系合金中的碳含量可為最多0.05重量百分比。
鋁為矽系合金製造中的雜質，在標準等級中離開熔爐時一般為約1重量百分比。其可被精煉降到最多0.01重量百分比，雖然對於NGOES，最多0.03重量百分比或甚至最多0.1重量百分比仍為良好的解決方案。然而在NGOES中，Al經常以少量或大量加入。因此在某些情況偏好在本發明之合金中添加至多5重量百 分比、或甚至至多10重量百分比之鋁。
鈣為矽系合金製造中的雜質，且應保持低量以在製鋼及流延期間避免問題，如注口阻塞。在本發明之合金中，鈣為0.01-0.3重量百分比之範圍。較佳的鈣範圍為0.01-0.1重量百分比。較佳含量為最多0.05重量百分比。如果用於製造本發明合金之起始材料中的鈣含量比該合金之所欲鈣含量高，則鈣可在製造期間藉由以氧(來自空氣及/或純氧)鼓風/攪拌因而形成可如熔渣而移除之氧化鈣，而容易地移除。
鈦為矽系合金製造中的雜質，在75重量百分比之FeSi標準製造中離開熔爐時一般為約0.08重量百分比，但是其依原料混合物而定。然而在NGOES中，鈦含量低經常為有益的，以避免形成有害的夾雜物。因此，在本發明之新穎合金中較佳為有最多0.06重量百分比或甚至最多0.03重量百分比之Ti含量。微量Ti可存在於該合金中，使得最小Ti含量可為0.005重量百分比。澆斗中的Ti難以被精煉，故需要良好的熔爐操作及原料選擇以成功得到低鈦含量。
錳一般為矽系合金製造中的雜質。然而本案發明人驚訝地發現，將碳含量保持低而將矽系合金與0.5至25%之範圍之錳進行合金化，提供性質優良之合金，尤其是用於製造需要低碳含量之鋼質，如NGOES。其他可行的Mn範圍為1-20%、或1-15%、或2-10%。
磷為矽系合金製造中的雜質。尤其是在未添加Mn之矽系合金中，P含量低於0.04%。然而P通常在 Mn合金中較多，因此具有Mn之合金化會導致在最終產物中P含量較高。然而在源自添加本發明矽合金之鋼中，P會與來自分別添加矽合金及錳合金者相同或稍低。
硫在矽合金製造中通常為低量。然而S通常在Mn合金中稍高，故具有Mn之合金化會導致在最終產物中S較多。然而在源自添加本發明矽合金之鋼中，S會與來自分別添加矽合金及錳合金者相同或稍低。
本發明之合金之較佳組成物為：Si：64-78重量百分比；C：最多0.03重量百分比；Al：0.1-10重量百分比；Ca：0.01-0.05重量百分比；Ti：最多0.06重量百分比；Mn：1-20重量百分比；P：0.005-0.05重量百分比；S：0.001-0.005重量百分比；其餘為平常量的Fe及附帶雜質。
本發明之合金係藉由將包含作為合金元素或作為雜質元素的碳之Mn來源加入液態Si系合金中而製造。該Mn來源可為固態或液態錳單元之形式、錳合金或錳金屬之形式、或其混合物之形式。錳來源可包含正常雜質/污染物。錳合金可為例如錳鐵合金，如高碳錳鐵、中碳錳鐵、低碳錳鐵、或其混合物。市售錳合金適合用於本發明，例如如以上表2所示，或此合金之二種以上的組合。較佳為添加的Mn為高碳錳鐵或中碳錳鐵 之形式。
來自錳來源之添加碳會與矽反應，因而形成固態SiC(碳化矽)粒子，其在精煉期間被從熔化物移除到耐火澆斗或任何已在流延程序之前或期間形成的熔渣，較佳為在澆斗中攪拌。如果需要則可添加熔渣形成劑，使所形成的SiC粒子有充分大的受體。如此造成本發明之Si合金的碳含量低且含錳，該元素範圍如上所示。
起始材料組成物之一實例可為來自熔爐之液態FeSi，但是依欲達成的最終規格而定，其他許多種為可行的。重新熔化任何市售矽系合金，如標準矽鐵或高純度矽鐵，亦為可行的起始材料。
因此，可行的起始材料可包含：Si：45-95重量百分比；C：至多0.5重量百分比；Al：至多2重量百分比；Ca：至多1.5重量百分比；Ti：0.01-0.1重量百分比；Mn：至多0.5重量百分比；P：至多0.02重量百分比；S：至多0.005重量百分比；其餘為平常量的Fe及附帶雜質。
如果欲增加最終產物中的鋁含量(至多10重量百分比)，則可在澆斗中添加固態或液態鋁單元。或者可藉由選擇熔爐之原料而增加來自熔爐之鋁。其可添加Al而將Al含量調整到0.01-10重量百分比之範圍內。
為了製造本發明之合金，其可實行依照眾所周知技術之涉及熔渣精煉、除渣及/或攪拌的額外步驟，尤其是為了達到本發明所請求的低碳含量。此步驟可在流延程序之前或期間或組合實行。
以下實施例描述本發明而非限制其範圍。
實施例1
在兩個分別的試驗中，如常將矽鐵收集到盛桶(澆斗1及澆斗2)中，且在底部與空氣攪拌。收集之矽鐵量為澆斗1及澆斗2中各約5900公斤。表3顯示使用的2個澆斗中的起始材料組成物。
在收集之後，將塊狀FeMn(有75.7重量百分比之Mn與6-8重量百分比之C，其餘為平常量的Fe及附帶雜質)以等於246公斤之Mn單元之量加入各澆斗之液態矽鐵中，而在最終產物中達到4.5%之Mn。因Mn產率為未知，故將FeMn經過20-25分鐘之時間逐漸加入，直到達到4.5%之Mn目標(添加可在更短或更長的時間內完成)。在全部添加程序期間保持底部攪拌以確保Mn溶解良好，且將形成的SiC粒子從Si合金熔化物移除到形成的熔渣及澆斗壁。在精煉步驟之後將澆斗送到流延區域，在此在流延到鑄鐵模具中之前取得最終液態樣品。
恰在流延前，在液態階段結束時取得本發明 製造的新穎合金之樣品。兩個澆斗的結果示於表4。
以XRF(得自Malvern Panalytical之Zetium®)分析所有的樣品之Al、Si、P、Ca、Ti、Mn，C則使用LECO® CS-220(燃燒分析)。
實施例2
如常將液態矽鐵收集到盛桶中，且在底部與空氣攪拌。收集到澆斗中的矽鐵量為約6000公斤。由表5可知起始材料組成物。
在收集期間，將塊狀FeMn(有78.4重量百分比之Mn與6.85重量百分比之C，其餘為平常量的Fe及附帶雜質)以等於950公斤之量加入液態矽鐵中。將100公斤之石英連同FeMn加入熔化物，以增加受體體積而有助於捕獲所形成的SiC。在全部添加程序期間保持底部攪拌以確保Mn溶解良好，且將形成的SiC粒子從FeSi合金熔化物移除到澆斗壁及所形成的熔渣。在精煉步驟之後將澆斗送到流延區域，在此在流延到鑄鐵模具中之前取得最終液態樣品。
恰在流延前之液態階段結束時，及流延後之最終產物上，取得本發明製造的新穎合金之樣品。結果示於表5。
以XRF(得自Malvern Panalytical之Zetium®)分析所有的樣品之Al、Si、P、Ca、Ti、Mn，C則使用 LECO® CS-220(燃燒分析)。
藉由應用此方法，本案發明人得到低碳含量，其可由碳在高矽合金中的溶解度低解釋。然而令人驚訝地，碳量可低到如當今低碳矽鐵等級(參見表1)。
藉由改良製程時間及品質，本發明之合金為分別添加分別為矽鐵及錳合金或錳金屬之所需的合金元素Si與Mn之節省成本的替代物。該合金亦有助於NGOES製造者降低鋼中的總碳含量，且達到比分別添加矽鐵/Si系合金、及低碳錳合金或錳金屬形式的錳更低的含量。此外，該合金可使電磁鋼製造者僅使用一種合金添加物而製造Mn量更高之新等級，同時將鋼中碳含量保持低。
現已揭述本發明之不同具體實施例，其可使用帶有該概念之其他具體實施例對所屬技術領域者為明顯的。以上描述的這些及其他的本發明實施例意圖僅為舉例，本發明之實際範圍由以下的申請專利範圍決定。

Claims (13)

  1. 一種矽系合金，其包含在45至95重量百分比之間的Si；最多0.05重量百分比之C；0.01-10重量百分比之Al；0.01-0.3重量百分比之Ca；最多0.10重量百分比之Ti；0.5-25重量百分比之Mn；0.005-0.07重量百分比之P；0.001-0.005重量百分比之S；其餘為平常量的Fe及附帶雜質。
  2. 如請求項1之矽系合金，其中該矽系合金包含在50至80重量百分比之間的Si。
  3. 如請求項2之矽系合金，其中該矽系合金包含在64至78重量百分比之間的Si。
  4. 如以上請求項中任一項之矽系合金，其中該矽系合金包含最多0.03重量百分比之C。
  5. 如以上請求項中任一項之矽系合金，其中該矽系合金包含在0.01至0.1重量百分比之間的Ca。
  6. 如以上請求項中任一項之矽系合金，其中該矽系合金包含最多0.06重量百分比之Ti。
  7. 如以上請求項中任一項之矽系合金，其中該矽系合金包含在1至20重量百分比之間的Mn。
  8. 一種製造如請求項1至7中任一項之矽系合金之方法，其中該方法包含提供液態基本矽鐵合金，及將包 含作為合金元素或雜質元素的碳之Mn來源加入該液態矽鐵中，而得到熔化物，及將該得到的熔化物進行精煉，該精煉包含在流延該熔化物之前及/或期間移除所形成的碳化矽粒子。
  9. 如請求項8之方法，其中該添加的Mn來源為高碳錳鐵合金、中碳錳鐵合金、低碳錳鐵合金、Mn金屬、或其混合物之形式。
  10. 如請求項8或9之方法，其中該液態基本矽鐵合金包含：Si：45-95重量百分比；C：至多0.5重量百分比；Al：至多2重量百分比；Ca：至多1.5重量百分比；Ti：0.01-0.1重量百分比；Mn：至多0.5重量百分比；P：至多0.02重量百分比；S：至多0.005重量百分比；其餘為平常量的Fe及附帶雜質。
  11. 如請求項8至10中任一項之方法，其中添加Al而將Al含量調整到0.01-10重量百分比之範圍內。
  12. 一種如請求項1至7中任一項之矽系合金之用途，其係用於在製鋼中作為添加物。
  13. 如請求項12之用途，其係用於製造非粒向電磁鋼(non-grain oriented electrical steel)。
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