CN102796948A - 极低Ti含量的无取向电工钢板及其冶炼方法 - Google Patents
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Abstract
极低Ti含量的无取向电工钢板及其冶炼方法,其包括如下步骤:1)铁水预处理、转炉冶炼,化学成分重量百分比为:C≤0.005%、Si:0.1~1.6%、Mn:0.1~0.6%、P≤0.2%、S≤0.005%、Al≤0.005%、N≤0.005%、O:0.005~0.02%,Ti 0.0002~0.001%,余量为Fe及不可避免的夹杂;转炉采用挡渣操作降低下渣量,转炉出钢结束后,钢包表面渣量≤20kg/吨钢;2)RH精炼,RH精炼脱碳结束后,依次采用铝铁、硅铁弱脱氧,使弱脱氧之后钢液的游离氧含量在100~300ppm。本发明通过控制转炉出钢过程下渣量,采用铝铁、硅铁依次弱脱氧,以及严格控制精炼结束后钢中的氧含量,实现了极低Ti含量的无取向电工钢板生产。
Description
技术领域
本发明涉及无取向电工钢板及其冶炼方法,尤其涉及磁性优良的、极低Ti含量的无取向电工钢板及其冶炼方法。
背景技术
Ti是电工钢中的有害元素。冶炼过程中,极少量的Ti、O、N元素便能结合,形成微细夹杂物TiOx和TiN等。这些夹杂物会显著降低钢质纯净度,抑制热处理过程中带钢的晶粒成长,从而大幅降低成品带钢的各类磁性。基于此,越来越多的生产厂家对电工钢中的Ti含量提出了苛刻要求,目标是小于或等于30ppm,甚至10ppm。
钢中的Ti主要来源于铁水、炉渣以及硅铁合金。三者与钢中的Ti含量的相互作用关系可以解释如下:
粗炼过程中,由于Ti具有很强的还原性,因此氧化性氛围中,钢中的Ti几乎全部被氧化并形成TiOx进入炉渣;精炼过程中,随着脱氧、合金化的进行,钢液氧化性不断降低,炉渣Al2O3含量不断升高,这些都不利于提高渣-钢间Ti的分配比,也就不利于降低钢中的Ti含量。此时,炉渣中的TiOx开始被还原,再次形成Ti进入钢中。
此外,脱氧、合金化过程中,硅铁合金中的Ti也不会被氧化,而是溶解后直接进入钢中,增加钢中的Ti含量。硅铁合金的添加数量越多,钢中的Ti含量的控制难度就越大。
理论上讲,最佳的Ti控措施是,尽可能的降低硅铁、铝铁、磷铁等铁合金中的Ti含量,或者尽可能的降低硅铁、铝铁、磷铁等铁合金的添加数量,以最大限度的减少外界Ti的带入。例如,日本专利特开2002-322508,对钢液脱氧、合金化过程中还原材料的添加数量提出了严格要求,硅铁所占比例不能高于0.05%,铝铁所占比例不能高于0.002%。因此,为满足该工艺的控制要求,必须采用超高纯度的铁合金,但这会大幅增加钢的制造成本,同时,也很难通过工业化的方式,稳定、批量获得这些高纯度的铁合金。
还有,通过尽可能的降低铁水Ti含量,以降低成品钢中的Ti含量。例如,日本专利特开2004-307942提出将铁水Ti含量严格限制在500ppm以内,这样可以将钢中的Ti含量控制在20ppm以内。然而,由于高炉炼铁过程为还原气氛,本身不具备脱除Ti的条件,因此严格限制铁水Ti含量的苛刻要求,最终只能通过提高冶炼铁水用原、辅材料的品质级别予以实现,这样也会大幅增加成品钢的制造成本,不利于改善或提高产品的市场竞争力。此外,由于对铁矿石、熔剂等原、辅材料的品质级别提出了苛刻要求,不利于高炉炉况的保养和维护。
再有,目前广泛采用的通过降低炉渣中的TiOx含量,或者调整炉渣的化学成分,或者减少炉渣中TiOx的还原的方式,以降低成品钢中的Ti含量。例如,为有效减少炉渣中的TiOx含量,避免脱氧、合金化之后,炉渣中的TiOx被还原,日本专利特开2002-180123提出在粗炼结束后、精炼开始前,通过扒渣、除渣的方式,降低炉渣数量。在此基础之上,日本专利特开2002-105578提出在粗炼结束后、精炼开始前,通过先行扒渣、除渣,然后添加铝铁进行终脱氧、合金化;同样,在此基础之上,日本专利特开2004-307942提出在粗炼结束后、精炼开始前,通过先行扒渣、除渣,控制炉渣的碱度、FeO含量,然后采用硅铁预脱氧、铝铁终脱氧的方式,调整最终炉渣的碱度,要求脱氧、合金化之后,炉渣的碱度限制在0.3~1.5;为准确控制炉渣化学成分,日本专利特开平5-86413提出在粗炼结束之后,通过进行钢包顶渣改质,添加FeSi和SiO2改质剂的方式控制炉渣的碱度,也提高了渣-钢间Ti的分配比。上述方法的共同缺点是,需要预留出扒渣、除渣时间,从而延长了冶炼周期。此外,为达到炉渣的改质效果,冶炼过程添加的改质剂价格昂贵,操作过程也比较复杂。
还有,为有效避免炉渣中的TiOx被还原,以及确保成品带钢的各类性能,日本专利特开2002-105578提出将机械用钢的Al含量控制在0.01~0.1%之间;日本专利特开2003-73726提出将轴承钢的P含量控制在0.025%以下;为避免脱氧、合金化之后,添加磷铁造成额外增Ti,日本专利特开平7-173519提出含P钢种添加磷铁时,钢液的游离氧含量需要大于100ppm。
发明内容
本发明的目的在于提供一种极低Ti含量的无取向电工钢板及其冶炼方法,通过控制转炉出钢过程下渣量,采用铝铁、硅铁依次弱脱氧,以及严格控制精炼结束后钢中的氧含量,实现了极低Ti含量的无取向电工钢板生产,具有操作简便、成本低廉、磁性优良的特点。同时,粗炼结束后、精炼开始前,不需要进行扒渣、除渣,也无须对铁水Ti含量提出严格要求,以及限制脱氧、合金化效果。
为达到上述目的,本发明的技术方案是,
极低Ti含量的无取向电工钢板,其化学成分重量百分比为:C≤0.005%、Si:0.1~1.6%、Mn:0.1~0.6%、P≤0.2%、S≤0.005%、Al≤0.005%、N≤0.005%、O:0.005~0.02%,Ti≤0.001%,余量为Fe及不可避免的夹杂。
进一步,钢中氧含量控制在90~140ppm。
在本发明化学成分中:
C:0.005%以下。C是强烈抑制成品晶粒成长的元素,容易恶化成品带钢的磁性,并产生严重的磁时效。因此,必须控制在0.005%以下。
Si:0.1~1.6%。Si是增加成品带钢电阻率的有效元素。Si含量低于0.1%时,起不到有效降低铁损的作用;Si含量高于1.6%时,磁通密度会显著降低,硬度增加,而且加工性会变差。
Mn:0.1%~0.6%。Mn与Si、Al元素相同,可以增加钢的电阻率,同时改善电工钢表面状态,因此有必要添加0.1%以上的含量。同时,Mn含量高于0.6%时,将使制造成本增加,成品磁感降低。
Al:0.005%以下。如果Al含量超出0.005%,成品钢板中就会析出AlN夹杂,强烈阻碍晶粒长大,并显著降低成品磁性。
P:0.2%以下。在钢中添加一定的磷可以改善钢板的加工性,但超过0.2%时反而使钢板冷轧加工性劣化。
S:0.005%以下。超过0.005%时,将使MnS等S化物析出大大增加,强烈阻碍晶粒长大,铁损劣化。
N:0.005%以下。超过0.005%时,将使AlN等N化物析出大大增加,强烈阻碍晶粒长大,铁损劣化。
O:0.005~0.2%以下。超过0.2%时,将使Al2O3等O化物夹杂大大增加,强烈阻碍晶粒长大,铁损劣化,而低于0.005%时,不利于低Ti含量的控制。
O的控制
首先,氧也是杂质元素。氧含量越高,对应钢中的夹杂物越多,越容易影响磁畴移动,同时阻碍成品退火过程中晶粒长大,进而恶化最终产品的磁性。因此,从原理上讲,希望尽可能的降低氧含量,以减少由此产生的夹杂物劣化成品磁性。
然而,严格控制钢中氧含量,以获得较高的钢质纯净度,需要大幅增加钢的制造成本,同时还会浪费较大产能。更重要的是,氧含量过低会造成钢液氧位下降、氧化性偏低,脱氧、合金化之后,钢液产生增Ti现象。由此,又产生了治理Ti的问题,而且Ti对成品磁性的影响更大,钢的制造成本也更高。因此,基于低成本生产需要,在保证成品磁性的前提下,产生了通过提高钢液氧位,增加氧元素含量,利用高氧化性控制Ti元素含量的想法。
其次,氧的控制要求需要同时满足两点。一,钢液氧化性需要。目的是尽可能的降低钢中Ti元素含量。由于Ti是强氧化性元素,很容易和氧元素进行结合,生成氧化物夹杂被去除。为避免脱氧、合金化之后,钢液重新增Ti,50ppm或以上氧含量是必须的。当然,如上所述,随着氧含量升高,钢的制造成本不断降低,并在氧含量为90-140ppm时,钢的铁损达到最低,随后钢的铁损逐步升高,并在氧含量为200ppm时超出原有控制水平。因此,本发明将氧含量的控制范围定为50-200ppm。
本发明的极低Ti含量的无取向电工钢的冶炼方法,其包括如下步骤:
1)铁水预处理、转炉冶炼
无取向电工钢的化学成分重量百分比为:C≤0.005%、Si:0.1~1.6%、Mn:0.1~0.6%、P≤0.2%、S≤0.005%、Al≤0.005%、N≤0.005%、O:0.005~0.02%,Ti 0.0002~0.001%,余量为Fe及不可避免的夹杂;转炉采用挡渣操作降低下渣量,转炉出钢结束后,钢包表面渣量≤20kg/吨钢;以减少钢包表面炉渣中的TiOx在RH精炼脱氧、合金化之后被大量还原,再次形成Ti进入钢中;
2)RH精炼,RH精炼脱碳结束后,依次采用铝铁、硅铁弱脱氧,使弱脱氧之后钢液的游离氧含量在100~300ppm;弱脱氧的目的是,控制钢液的氧化性气氛,避免钢包表面炉渣中的TiOx被还原。
进一步,成品钢中氧含量控制在90~140ppm。
转炉采用挡渣操作降低下渣量,其主要目的是,避免经过转炉冶炼后,富Ti熔渣重新进入钢包,造成钢液脱氧、合金化之后,钢液增Ti。相同的铁水条件下,钢包下渣量越大,成品钢中的Ti含量越高。限于渣、钢界面为接触式反应,即使钢中的氧含量再高,富Ti含量熔渣较多时,良好的热力学条件仍然可以造成钢液增Ti。因此,挡渣是高氧控制要求的补充,也是非常关键的,二者缺一不可。
本发明的最大区别在于,无须采用特殊设备、工艺,在转炉出钢结束、精炼处理开始前,进行扒渣、除渣,无须对铁水Ti含量提出严格要求,也无须严格控制钢包表面炉渣的化学成分,以尽可能的减少渣中TiOx的还原;而是通过挡渣方式控制转炉出钢下渣量,并在RH精炼脱氧、合金化过程中,通过弱脱氧方式控制钢液的氧化性,以及成品钢的氧含量,从而有效抑制了炉渣中的TiOx还原,成品带钢具有极低的Ti含量,以及优良的电磁性能。
本发明没有对铁水Ti含量提出严格要求。而在正常的铁水Ti含量1000~2000ppm情况下,通过转炉冶炼过程产生的氧化性气氛,就可以在较短的时间内,去除钢液中的绝大部分Ti,这部分Ti被快速氧化后形成TiOx进入炉渣。因此,通过转炉出钢过程的挡渣操作,就可以去除绝大部分的高TiOx含量的炉渣。另外,即使转炉出钢过程的挡渣效果不佳,根据Ti的氧化、还原热力学计算,也只须将钢包表面的炉渣控制在20kg/t钢以内,便可以有效抑制炉渣中的TiOx被大量还原,如图1所示。
此外,为了进一步避免炉渣中的TiOx被还原,尽可能的实现极低Ti含量的控制,本发明还利用了在RH精炼脱碳结束之后进行弱脱氧,以控制钢液的氧化性气氛。
采用该方法的主要原因是,在RH精炼脱碳期间,为满足脱碳的需要,钢液的游离氧含量通常大于或等于200ppm,而在这样的氧化性气氛中,炉渣中的TiOx不会被还原,而是在后续的脱氧、合金化过程中,随着钢液中的氧含量不断降低,氧化性气氛不断减弱,炉渣中的TiOx才开始被还原,钢液中的Ti含量开始不断上升。因此,可以针对RH精炼脱氧、合金化过程,依次采用铝铁、硅铁进行弱脱氧。这样,既利用了铝铁费用低廉的特点,最大限度的降低了脱氧成本;又利用了硅铁合金的弱脱氧性,能够精确控制钢液的最终脱氧效果,避免氧化性气氛过度降低造成钢液回Ti。此外,采用较多的铝铁预脱氧、且预脱氧效果充分时,钢中多余的铝含量会以酸溶铝形式存在,这样就增加了钢液凝固过程中生成AlN微细夹杂的机会;而采用较少的铝铁预脱氧、且脱氧效果不充分时,因为硅铁是弱脱氧剂,会生成大量的氧化类夹杂。二者均会降低钢液纯净度,恶化成品带钢的磁性。弱脱氧控制的关键是,要控制钢液的氧化性气氛,避免钢包表面炉渣中的TiOx被还原。弱脱氧之后,要求钢液的游离氧含量介于100~300ppm。然后,按照钢种化学成分的控制要求,分别添加硅铁、锰铁等进行合金化。此外,为得到良好的磁性,还应根据钢种化学成分的不同,将成品钢的氧含量控制在50~200ppm,最好控制在90~140ppm。弱脱氧效果和成品钢的氧含量对成品磁性的影响分别如图2、图3所示。
附图说明
图1为铁水Ti含量、钢包渣量与钢中Ti含量的关系。
图2为弱脱氧效果与成品磁性的关系。
图3为钢的氧含量与成品磁性的关系。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
本发明钢的成分实施例参见表1,钢成分实施例参见表1。表2为实施例钢的性能。其中,A、B、C是表示不同钢种,实施例和对比例只有在同钢种下进行比较。
铁水、废钢按照比例进行搭配,经300吨转炉冶炼、控制出钢过程下渣,RH精炼脱碳、弱脱氧以及硅铁、锰铁合金化,之后进行连铸浇铸,最终得到170~250mm厚、800~1400mm宽的连铸坯。
表1 单位:重量百分比
表2
从表2可以看出,必须严格控制转炉下渣量,以及弱脱氧后的游离氧含量,二者交互作用,同时控制要求后,才能有效降低钢中Ti含量。
例如,实施例3中,转炉下渣量为4kg/t钢,弱脱氧后的游离氧含量为275ppm,对应的成品钢中Ti含量为4ppm;而对比例6中,转炉下渣量为22kg/t钢,弱脱氧后的游离氧含量为170ppm,对应的成品钢中Ti含量为23ppm。
Ti含量高低直接决定着成品磁性好坏。实施例3中,钢中Ti含量为4ppm,对应的成品磁性分别为1.771T、6.35W/kg,而对比例2中,钢中Ti含量为14ppm,对应的成品磁性分别为1.758T、6.98W/kg。
Claims (4)
1.极低Ti含量的无取向电工钢,其化学成分重量百分比为:C≤0.005%、Si:0.1~1.6%、Mn:0.1~0.6%、P≤0.2%、S≤0.005%、Al≤0.005%、N≤0.005%、O:0.005~0.02%,Ti 0.0002~0.001%,余量为Fe及不可避免的夹杂。
2.如权利要求1所述极低Ti含量的无取向电工钢板,其特征是,钢中氧含量控制在90~140ppm。
3.极低Ti含量的无取向电工钢的冶炼方法,其包括如下步骤:
1)铁水预处理、转炉冶炼
无取向电工钢板的化学成分重量百分比为:C≤0.005%、Si:0.1~1.6%、Mn:0.1~0.6%、P≤0.2%、S≤0.005%、Al≤0.005%、N≤0.005%、O:0.005~0.02%,Ti 0.0002~0.001%,余量为Fe及不可避免的夹杂;转炉采用挡渣操作降低下渣量,转炉出钢结束后,钢包表面渣量≤20kg/吨钢;
2)RH精炼,RH精炼脱碳结束后,依次采用铝铁、硅铁弱脱氧,使弱脱氧之后钢液的游离氧含量在100~300ppm。
4.如权利要求3所述极低Ti含量的无取向电工钢板的冶炼方法,其特征是,成品钢中氧含量控制在90~140ppm。
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