CN109022703A - 一种磁各向异性低的无取向硅钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁各向异性低的无取向硅钢及其制造方法，所述无取向硅钢组成化学元素及质量百分比为：C≤0.005％，Si 2.5～3.5％，Mn 0.15～0.25％，Al 0.8～1.0％，P≤0.05％，S≤0.0015％，N≤0.002％，Ti≤0.005％，V≤0.004％，Nb≤0.004％，且同时满足3.8％≤Si+Al≤4.3％，其它为Fe及不可避免的夹杂。本发明提供的磁各向异性低的无取向硅钢0.5mm厚度时铁损P1.5/50≤2.4W/kg，铁损P1.5/50各向异性T≤10％，能够满足大型水力发电机定子铁芯等领域对硅钢片的磁性要求。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种磁各向异性低的无取向硅钢及其制造方法。
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及低的磁各向异性。如大型水力发电机的定子铁损就提出了要求采用铁损P1.5/50≤2.4W/kg、P1.5/50各向异性≤10％的无取向硅钢。
作为降低高牌号无取向电工钢磁各向异性的手段，特开平5－214444号公报中提出在最终冷轧前钢板的退火过程中(常化或中间退火)在高温加热段进行通电加热，以达到晶粒细化、组织均匀、磁各向异性小的目的，但通电加热对设备及操作等的要求高，在生产制造过程中难以实现。另外，特开2008－127659号公报中提出在钢中添加Sn的方案，以提高钢中有利的{100}面织构的比例，减小磁各向异性。但对高牌号无取向硅钢来说，钢中添加Sn会增加钢的脆性，增加其制造难度。
作为降低无取向电工钢铁损的手段，我们知道通过降低热轧加热温度、防止钢中MnS和AlN等析出物的固溶，可以减少弥散析出物对成品退火时晶粒长大的阻碍，从而提高成品磁性。但是，降低热轧加热温度会增大热轧的轧制压力，影响热轧板形的控制，提高轧制难度。而且，低的热轧加热温度还会导致钢中TiN、TiC的微细析出后难以聚集长大，反而阻碍成品退火时晶粒的长大。另外，低的热轧加热温度进行热轧的钢板在常化后的组织中容易出现残余的带状组织，它会恶化成品的磁各向异性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种低铁损且磁各向异性低的无取向硅钢及其制造方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
提供一种磁各向异性低的无取向硅钢，所述无取向硅钢0.5mm厚度下铁损P1.5/50≤2.4W/kg，铁损P1.5/50各向异性T≤10％，其组成化学元素及质量百分比为：C≤0.005％，Si2.5～3.5％，Mn 0.15～0.25％，Al 0.8～1.0％，P≤0.05％，S≤0.0015％，N≤0.002％，Ti≤0.005％，V≤0.004％，Nb≤0.004％，且同时满足3.8％≤Si+Al≤4.3％，其它为Fe及不可避免的夹杂；
其制造方法包括以下步骤：
1)采用洁净钢的冶炼工艺按上述成份范围进行冶炼，并连铸成坯；
2)将连铸坯加热到1120～1160℃，加热保温时间为0.5～1小时；
3)钢坯出炉进行热轧，热终轧温度800～900℃，卷取温度580～680℃；
4)钢卷自然冷却至室温；
5)进行常化酸洗，常化温度控制在900～950℃，常化时间为10秒～3分钟，酸洗至表面洁净；
6)进行冷轧，冷轧压下率为70～85％；
7)在连续退火炉中进行成品退火，成品退火温度为950～1050℃，退火时间为10～60秒，在H2和N2混合气或全H2气氛中进行退火；
8)退火后冷却，钢带冷却过程采用两段式冷却，第一段为高温段缓慢冷却，此段冷却在退火炉内进行，冷却速度≤5℃/s，出炉温度控制在920℃以下，第二段为控制冷却阶段，钢带出炉后从920℃以下冷却到400℃以下，冷却速度≤18℃/s，冷却后钢板的残余应力不大于60MPa；
9)按常规方法进行涂层及精整。
上述铁损P1.5/50各向异性T的计算公式为：
T＝(P1.5/50横向－P1.5/50纵向)/(P1.5/50横向+P1.5/50纵向)×100％。
本发明还提供上述磁各向异性低的无取向硅钢的制造方法，包括以下步骤：
1)采用洁净钢的冶炼工艺按上述成份范围进行冶炼，并连铸成坯；
2)将连铸坯加热到1120～1160℃，加热保温时间为0.5～1小时；
3)钢坯出炉进行热轧，热终轧温度800～900℃，卷取温度580～680℃；
4)钢卷自然冷却至室温；
5)进行常化酸洗，常化温度控制在900～950℃，常化时间为10秒～3分钟，酸洗至表面洁净；
6)进行冷轧，冷轧压下率为70～85％；
7)在连续退火炉中进行成品退火，成品退火温度为950～1050℃，退火时间为10～60秒，在H2和N2混合气或全H2气氛中进行退火；
8)退火后冷却，钢带冷却过程采用两段式冷却，第一段为高温段缓慢冷却，此段冷却在退火炉内进行，冷却速度≤5℃/s，出炉温度控制在920℃以下，第二段为控制冷却阶段，钢带出炉后从920℃以下冷却到400℃以下，冷却速度≤18℃/s，冷却后钢板的残余应力不大于60MPa；
9)按常规方法进行涂层及精整。
本发明各元素组分在钢中的优选质量百分比及作用如下：
C在0.005％以下。C是对磁性有害的成分，希望越低越好，因此规定其含量在0.005％以下，考虑到其对磁时效的影响，其含量最好在0.003％以下。
Si在2.5～3.5％。Si是提高电阻率、改善铁损的有效添加元素，对高牌号无取向硅钢来说，Si含量不到2.5％得不到所需的磁性，故其下限为2.5％。另一方面，Si含量如果超过3.5％其硬度会很高，用户在对其进行冲片加工时其冲片恶化，因此其上限定为3.5％。
Mn在0.15～0.25％。Mn对板坯加热时固溶的S量有减低效果，另外，其添加具有抑制S引起的热脆性，其含量不足0.15％则达不到效果，另一方面，其含量如果超过0.25％，会导致磁性的恶化，因此其含范围定为0.15～0.25％。
Al在0.8～1.0％。Al除了对钢的脱氧等作用外，同Si一样，是提高电阻率、改善铁损的有效元素。为有效降低铁损，其下限定为0.8％。另一方面，其含量如果超过1.0％，同Si一样，会导致硬度上升，加工性能的的恶化。因此其上限定为1.0％。
Si+Al的值优选为3.8～4.3％，因为Si、Al二者都是提高电阻率、降低铁损的元素，含量过低则不能达到本发明中要求的低铁损要求，含量过高由会大幅度增加钢板的脆性，导致冷轧等加工过程困难。
S在0.0015％以下。S是钢中夹杂物成分的重要组成部分，特别是在本发明中要求较高的热轧加热温度时其钢中析出物MnS会大量固溶，随后在热加工过程弥散析出，会阻碍成品退火过程中晶粒的长大，降低成品磁性，因此其含量必须控制在0.0015％以下，最好在0.0010％以下。
N在0.002％以下。同S一样，N也是钢中夹杂物成分的重要组成部分，特别是在本发明中要求较高的热轧加热温度时其钢中析出物AlN会大量固溶，随后在热加工过程弥散析出，会阻碍成品退火过程中晶粒的长大，降低成品磁性，因此其含量必须控制在0.002％以下，最好在0.0015％以下。
P在0.05％以下。P可有效改善铁损，但对高牌号无取向硅来说，超过0.05％会显著恶化钢的冷延性，因此其含量定在0.05％以下。
Ti在0.005％以下，作为Al含量较高的钢，其精炼过程中添加合金时渣中的TiO会被Al还原，Ti又进入钢液中，因此钢中Ti含量相对较高，但作为钢中的碳化物、氮化物形成元素，其细小的析出物会阻碍退火过程中成品晶粒的长大，因此Ti必须控制在0.005％以下。
Nb、V分别在0.004％以下。Nb、V作为碳化物、氮化物形成元素，也是本发明的关键杂质元素，其含量均应在0.004％以下，在0.003％以下为最好。
控制以上所述钢中杂质元素的含量是本发明的关键，只有钢的纯净度达到上述要求，热轧过程中采用较高的1120～1160℃的热轧加热温度才会不至于出现大量的固溶析出物。以下对制造过程进行说明。
热轧：如前所述，一般为了防止钢中MnS和AlN等析出物的固溶而降低成品磁性，无取向硅钢在热轧工序的加热过程中总希望加热温度越低越好，最好为1050～1100℃，但是，过低的热轧加热温度会增大热轧的轧制压力，影响热轧板形的控制，提高轧制难度。而且，低的热轧加热温度还会导致钢中TiN、TiC的微细析出，反而阻碍成品退火时晶粒的长大。另外，低的热轧加热温度进行热轧的钢板在常化后的组织中容易出现残余的带状组织(见图1)，它会恶化成品的磁各向异性。本发明者通过研究认为，在进一步控制好钢的纯净度的前提下，由于钢中MnS和AlN等析出物的量极少，如果此时适当提高热轧加热温度，该类析出物的固溶量并不会明显增加，而适当高的加热温度可以促进低温下微细析出的TiN、TiC的聚集长大，消除其对成品退火晶粒长大的阻碍，另外，由于高的加热温度导致钢中少量大型析出物的较充分固溶，使热轧板的组织更加均匀，可以消除热轧板常化后的残余带状组织(见图2)，降低成品的磁各向异性。而且，高的热轧加热温度还会降低热轧的轧制压力，提高热轧板的板形质量。当然，如果，热轧加热温度过高，也会使MnS、AlN等析出物的固溶量增加明显，析出的细小析出物数量增多，从而恶化成品磁性。鉴于此，本发明采用的热轧加热温度范围为1120～1160℃，且保温0.5～1小时。
常化：为改善成品织构所必须的工艺过程，采用连续退火炉常化时，常化温度控制在900～950℃，常化时间为10秒～3分钟，如果温度过低则达不到改善织构的效果，如果温度超过950℃，则晶粒长得过大，脆性增加，会造成冷轧困难；常化时间过短则得不到改善磁性的效果，而过长会造成生产效率低下。
成品退火：成品退火温度在950～1050℃，退火时间为10～60秒时较为合适，温度如果小于950℃，则晶粒无法充分长大，磁性能较差，而温度如果超过1050℃，容易造成钢板表面氧化、结瘤等问题。
退火后冷却：冷却过程采用两段式冷却，第一段为高温段缓慢冷却，即钢带从退火均热温度冷却到920℃，冷却速度≤5℃/s。这一冷却过程在炉内完成，主要是为了使钢板在高温再结晶完成后有一个组织均匀化的过程，以较低的温度出炉冷却也有利于降低钢板的冷却内应力。第二段为控制冷却阶段，钢带从920℃以下冷却到400℃以下，冷却速度≤18℃/s。钢以出炉后冷却速度越慢越有利于降低钢板的冷却内应力，从而降低钢板的磁各向异性，但冷却段过长会大幅度提高生产成本，按以上所述的两段式冷却方式进行控制，可低成本的有效控制钢板的残余应力≤60MPa，稳定的达到铁损P1.5/50的各向异性T≤10％的要求。
本发明的有益效果在于：1、本发明提供的磁各向异性低的无取向硅钢0.5mm厚度时铁损P1.5/50≤2.4W/kg，铁损P1.5/50各向异性T≤10％，能够满足大型水力发电机定子铁芯等领域对硅钢片的磁性要求。2、本发明方法中热轧加热温度相对较高，轧制压力小，另外，成品退火采用控制冷却可有效降低退火线长度，整个制造成本相对较低。
附图说明
图1为本发明对比例9所制备的无取向硅钢经较低的热轧加热温度热轧并常化后的金相组织图；
图2为本发明实施例7所制备的无取向硅钢经较高的热轧加热温度热轧并常化后的金相组织图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明实施例提供一种磁各向异性低的无取向硅钢，所述无取向硅钢0.5mm厚度时铁损P1.5/50≤2.4W/kg，铁损P1.5/50各向异性T≤10％，其组成化学元素及质量百分比为：C≤0.005％，Si 2.5～3.5％，Mn 0.15～0.25％，Al 0.8～1.0％，P≤0.05％，S≤0.0015％，N≤0.002％，Ti≤0.005％，V≤0.004％，Nb≤0.004％，且同时满足3.8％≤Si+Al≤4.3％，其它为Fe及不可避免的夹杂；
其制造方法包括以下步骤：
1)采用洁净钢的冶炼工艺按上述成份范围进行冶炼，并连铸成坯；
2)将连铸坯加热到1120～1160℃，加热保温时间为0.5～1小时；
3)钢坯出炉进行热轧，热终轧温度800～900℃，卷取温度580～680℃；
4)钢卷自然冷却至室温；
5)进行常化酸洗，常化温度控制在900～950℃，常化时间为10秒～3分钟，酸洗至表面洁净；
6)进行冷轧，冷轧压下率为70～85％；
7)在连续退火炉中进行成品退火，成品退火温度为950～1050℃，退火时间为10～60秒，在H2和N2混合气或全H2气氛中进行退火；
8)退火后冷却，钢带冷却过程采用两段式冷却，第一段为高温段缓慢冷却，此段冷却在退火炉内进行，冷却速度≤5℃/s，出炉温度控制在920℃以下，第二段为控制冷却阶段，钢带出炉后从920℃以下冷却到400℃以下，冷却速度≤18℃/s，冷却后钢板的残余应力不大于60MPa；
9)按常规方法进行涂层及精整。
实施例1-6及对比例1-8
采用转炉冶炼和RH真空精炼下，得到重量百分比化学成份见表1(各实施例和对比例的Mn和P含量均在本发明范围内，表中略去)；试验钢热轧加热温度1130℃，保温50分钟，热轧终轧温度840℃，卷取温度670℃卷取，热轧板厚度2.1mm；常化连续炉均热温度920℃，均热时间1min；热轧板酸洗后采用一次冷轧法进行冷轧，成品厚度0.5mm，连续炉退火均热温度为1020℃，均热时间25秒，在炉内以2℃/s的速度冷却至905℃出炉，出炉后以15℃/s的速度冷却至400℃以下。测试不同成分退火后成品爱泼斯坦方圈试样的铁损P1.5/50和P1.5/50各向异性T值，相关结果如表1所示。
表1
说明：表1是采用相同的工艺条件，所冶炼的化学成分及试验结果。从该表可见，当Si+Al含量超过本发明所限定的上限时，会导致冷轧断带；当C、S、N、Ti、Nb、V等杂质元素超出本发明所限定的范围，也会使铁损P1.5/50不合。只有成分完全符合本发明范围，其铁损P1.5/50及其P1.5/50各向异性才能达到要求，当S、N的含量在优选范围内时，其对应试样的磁性会更加优良。
实施例7-10及对比例9-11
按表1中实施例3的化学成分的连铸坯，采用表2中所示的不同的热轧加热温度进行加热，均保温50分钟，热轧终轧温度840℃，卷取温度670℃卷取，热轧板厚度2.1mm；常化连续炉均热温度920℃，均热时间1min；热轧板酸洗后采用一次冷轧法进行冷轧，成品厚度0.5mm，连续炉退火均热温度为1020℃，均热时间25秒，在炉内以2℃/s的速度冷却至905℃出炉，出炉后以15℃/s的速度冷却至400℃以下。测试不同加热温度的最终成品的爱泼斯坦方圈试样的铁损P1.5/50和P1.5/50各向异性T。
表2
如图1所示为表2中对比例9所制备的无取向硅钢经较低的热轧加热温度(1110℃)热轧并常化后的金相组织图，由图1可知较低的热轧加热温度导致其常化后的组织中出现了残余的带状组织，该带状组织导致成品的P1.5/50各向异性达11.5％。如图2所示为表2中实施例7所制备的无取向硅钢经较高的热轧加热温度热轧并常化后的金相组织图，由图2可知，热轧加热温度适当提高到在本发明要求的范围内以后(1140℃)，其常化组织中的残余带状组织完全消除，其成品的P1.5/50各向异性也明显降低，只有8.5％，满足大型水力发电机定子的磁性要求。
由表2可见，热轧加热温度在1120～1160℃范围内时，热轧板常化后组织中不会出现带状组织，成品铁损P1.5/50及P1.5/50各向异性T也均较低，当热轧加热温度超过其上限时，其P1.5/50各向异性T虽低，但其铁损恶化，当热轧加热温度低于其下限时，其铁损较低，但其P1.5/50各向异性明显升高。
实施例11-14及对比例12-14
按表1中实施例1的化学成分的连铸坯，加热至温度1130℃，保温60分钟，进行热轧，热轧终轧温度840℃，卷取温度670℃卷取，热轧板厚度2.1mm；常化连续炉均热温度920℃，均热时间1min；热轧板酸洗后采用一次冷轧法进行冷轧，成品厚度0.5mm，连续炉退火均热温度为1020℃，均热时间25秒，在炉内以不同的速度V1进行冷却至不同温度出炉，出炉后以V2的速度冷却至400℃以下。采用X射线残余应力测试仪对不同冷却工艺下的成品试样进行常规试验检测，测试点为5个，并计算出残余应力平均值，其试验、检测结果见表3。同时，测量不同冷却工艺下的成品爱泼斯坦方圈试样的铁损P1.5/50和P1.5/50各向异性T值，相关结果如表3所示。
表3
从表3可见，钢板在炉内的冷却速度V1都很低，均在5℃/s以下，该速度越大，钢板出炉温度越低，只有出炉温度降低至920℃以下，且随后降温至400℃以下对冷却速度控制在18℃/s以下时，钢板的残余内应力≤60MPa，此时铁损P1.5/50及其各向异性才符合要求。
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 (2)
1.一种磁各向异性低的无取向硅钢，其特征在于，所述无取向硅钢0.5mm厚度时铁损P1.5/50≤2.4W/kg，铁损P1.5/50各向异性T≤10％，其组成化学元素及质量百分比为：C≤0.005％，Si 2.5～3.5％，Mn 0.15～0.25％，Al 0.8～1.0％，P≤0.05％，S≤0.0015％，N≤0.002％，Ti≤0.005％，V≤0.004％，Nb≤0.004％，且同时满足3.8％≤Si+Al≤4.3％，其它为Fe及不可避免的夹杂；
其制造方法包括以下步骤：
1)采用洁净钢的冶炼工艺按上述成份范围进行冶炼，并连铸成坯；
2)将连铸坯加热到1120～1160℃，加热保温时间为0.5～1小时；
3)钢坯出炉进行热轧，热终轧温度800～900℃，卷取温度580～680℃；
4)钢卷自然冷却至室温；
5)进行常化酸洗，常化温度控制在900～950℃，常化时间为10秒～3分钟，酸洗至表面洁净；
6)进行冷轧，冷轧压下率为70～85％；
7)在连续退火炉中进行成品退火，成品退火温度为950～1050℃，退火时间为10～60秒，在H2和N2混合气或全H2气氛中进行退火；
8)退火后冷却，钢带冷却过程采用两段式冷却，第一段为高温段缓慢冷却，此段冷却在退火炉内进行，冷却速度≤5℃/s，出炉温度控制在920℃以下，第二段为控制冷却阶段，钢带出炉后从920℃以下冷却到400℃以下，冷却速度≤18℃/s，冷却后钢板的残余应力不大于60MPa；
9)按常规方法进行涂层及精整。
2.一种权利要求1所述的磁各向异性低的无取向硅钢的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采用洁净钢的冶炼工艺按上述成份范围进行冶炼，并连铸成坯；
2)将连铸坯加热到1120～1160℃，加热保温时间为0.5～1小时；
3)钢坯出炉进行热轧，热终轧温度800～900℃，卷取温度580～680℃；
4)钢卷自然冷却至室温；
5)进行常化酸洗，常化温度控制在900～950℃，常化时间为10秒～3分钟，酸洗至表面洁净；
6)进行冷轧，冷轧压下率为70～85％；
7)在连续退火炉中进行成品退火，成品退火温度为950～1050℃，退火时间为10～60秒，在H2和N2混合气或全H2气氛中进行退火；
8)退火后冷却，钢带冷却过程采用两段式冷却，第一段为高温段缓慢冷却，此段冷却在退火炉内进行，冷却速度≤5℃/s，出炉温度控制在920℃以下，第二段为控制冷却阶段，钢带出炉后从920℃以下冷却到400℃以下，冷却速度≤18℃/s，冷却后钢板的残余应力不大于60MPa；
9)按常规方法进行涂层及精整。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |