CN103173678A

CN103173678A - 一种转子用无取向硅钢及其制造方法

Info

Publication number: CN103173678A
Application number: CN2011104371115A
Authority: CN
Inventors: 谢世殊; 陈晓; 王波; 王志成
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2013-06-26

Abstract

一种转子用无取向硅钢及其制造方法，其成分重量百分比为：C0.001～0.004％，Si 2.5～4.0％，Al 0.5～1.5％，Mn 0.10～1.50％，P≤0.02％，S≤0.001％，4.1％≤(Si+Al/2+Mn)≤6.0％，N≤0.002％，B≤0.005％，余Fe和不可避免杂质；其制造方法主要包括：精炼工序先Si后Al脱氧，最后加CaSi合金进行Ca处理；将铸坯在加热炉内加热到～1100℃，保温后，进行轧制；常化，酸洗、冷轧，压下率为70～78％；带张力退火，温度920～980℃，张力控制在0.5MPa～1.5MPa范围。本发明可以得到电磁性能优良、屈服强度及疲劳性能优异的电工钢板，并且退火温度低，可降低生产的能耗，进而降低生产的成本。

Description

一种转子用无取向硅钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及无取向电工钢制造技术，特别涉及一种转子用无取向硅钢及其制造方法。

背景技术

高牌号无取向硅钢主要用于制造大型电动机和发电机定子铁芯，其磁性的主要特点是铁损极低。传统上其制造特点是硅含量在2.5％以上，再添加0.2％以上的铝，以增加钢中的电阻，从而降低铁损。再实施热轧、常化和冷轧工序，并进行最终退火和涂覆绝缘层。为降低铁损，最终退火温度要求达到1000℃以上，甚至1075℃。

但是，用于制造大型发电机及电动机转子材料，在转动过程中要承受离心力，在启动和停止过程中还要能经受周期性疲劳作用，因此，对于旋转铁芯，除了要求电磁性能，尤其是各向异性优异外，对屈服强度、疲劳强度还有一定要求。比如，在保证磁性能(B50≥1.64T，P_15/50≤2.70W/kg，各向异性≤9％)的前提下，屈服强度达到420MPa以上，低周疲劳强度达到420MPa以上，普通高牌号无取向硅钢往往不能满足要求。

美国专利US20090202383提出，通过添加Cu、Ni、Cr、Mo、W等元素，进行基体固溶强化和第二相析出强化，提高屈服强度效果显著，但是，该方法磁感较低、成本增大，而且没有考虑疲劳性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种转子用无取向硅钢及其制造方法，在保证优异磁性能(P_15/50≤2.70W/kg)，尤其是磁各向异性(≤9％)的前提下，具备较高的屈服强度(≥420MPa)和疲劳强度(≥420MPa)，满足大型发电机及电动机转子材料使用要求。而且本方法成本低，效果稳定。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种转子用无取向硅钢，其化学成分重量百分比为：Si 2.5～4.0％，Al0.5～1.5％，C 0.001～0.004％，Mn 0.10～1.50％，4.1％≤(Si+Al/2+Mn)≤6.0％，P≤0.02％，S≤0.001％，N≤0.002％，B≤0.005％；其余为Fe和不可避免杂质。

作为优选，4.1％≤(Si+Al/2+Mn)≤4.5％。

在本发明成分设计中：

Si：能溶于铁素体中形成置换固溶体，提高基体电阻率，降低铁损，是电工钢最重要的合金元素，当Si含量达到一定值时，其含量继续增加，降低铁损作用明显减弱。Si是固溶强化元素，能显著提高屈服强度，为保证一定的屈服强度和低铁损，本发明规定2.5％≤Si≤4.0％，硅含量超过4.0％加工困难。

Al：可溶于铁素体提高基体电阻率，粗化晶粒，降低铁损，同时还可以脱氧固氮，但容易造成成品钢板表层内氧化。Al提高屈服强度，但是Al含量超过1.5％将使冶炼浇注困难，磁感降低，且加工困难，因此，本发明规定0.5～1.5％。

Mn：与Si、Al一样可以增加钢的电阻率，降低铁损，可与杂质元素S形成稳定的MnS，消除S对磁性的危害，还可防止热脆，其也溶于铁素体形成置换固溶体，有固溶强化作用，提高基体屈服强度。因此有必要添加0.1％以上的含量。本发明Mn为0.10％～1.50％，Mn含量低于0.1％有利作用不明显，高于1.50％，Ac1温度降低，再结晶温度降低，热处理时发生α-γ相变，劣化有利织构。

图1所示为屈服强度与(Si+Al/2+Mn)的关系，为了保证达到一定的屈服强度，兼顾可制造性，本发明规定：4.1％≤(Si+Al/2+Mn)≤6.0％。因为随Si+Al/2+Mn含量增大，屈服强度提高，冷轧难度增大，可制造性变差，容易发生严重边裂甚至脆断。表1是Si+Al/2+Mn含量常化板在实验室模拟室温20℃、60℃预热后轧制以及＞100℃温轧情况。

表1不同Si+Al/2+Mn(％)成分下冷轧及温轧通板性

Si+Al/2+Mn(％)	室温冷轧情况	60℃预热后轧制情况	＞100℃温轧
				4.1	无边裂	-	-
4.3	少量边裂	无边裂	-
				4.5	小锯齿边裂	无边裂	-
4.6	轧断	大边裂	无边裂

4.7	轧断	轧断	无边裂
				5.1	轧断	轧断	无边裂
6.0	-	-	偶见微小边裂
				6.2	-	-	大边裂

注：母合金C≤20ppm，S≤10ppm，Ti≤10ppm，Si+Al/2＝3.0％，通过添加Mn提高合金含量。常化采取900℃×90s，100％N₂保护。

表1的试验结果表明，＞100℃温轧条件下，Si+Al/2+Mn＝6.0％开始出现微小边裂，达到6.2％时出现了大边裂。因此，本发明将成分(Si+Al/2+Mn)上限设定为≤6.0％，保证轧制时顺利通板。

在(Si+Al/2+Mn)≤4.5％时，不需温轧就可以实现顺利轧制，即可以省略＞100℃温轧措施，从而进一步节省能源，降低制造成本，提高可制造性。因此优选地，4.1％≤(Si+Al/2+Mn)≤4.5％。

P：0.02％以下，在钢中添加一定的磷可以改善钢板的加工性，但对于高Si电工钢P超过0.02％时反而使钢板冷轧加工性劣化。

S：对加工及磁性均有害，其与Mn形成细小的MnS质点，阻碍成品退火晶粒长大，严重恶化磁性，与Fe形成低熔点FeS及FeS₂或共晶体，易造成热加工脆性。本发明规定S≤0.001％以下，超过0.001％将使MnS等S化物析出量大大增加，不仅铁损劣化，而且疲劳强度显著下降，如图2所示。

C：对磁性有害，是强烈阻碍晶粒长大的元素，同时C是扩大γ相区的元素，过量的C使常化处理时α与γ两相区转变量增加，大大降低Ac1点，引起结晶组织反常细化，引起铁损增加，而且C是间隙元素，含量过高有害于疲劳性能。本发明Si≥2.5％已属于完全铁素体，如果含量超过0.004％会发生磁时效，但是如果C含量过低，会导致屈服强度显著下降，因此要求C严格控制在0.001～0.004％。

N：易形成AlN等细小弥散氮化物，强烈阻碍晶粒长大，铁损劣化，本发明N≤0.002％以下，超过0.002％将使AlN等N化物析出量增加，强烈阻碍晶粒长大，铁损劣化。

B：低Si含量钢中加B为了降低Al量，降低炼钢成本，高Si高Al钢中加B，B处于固溶状态，固溶的B沿晶界偏聚可以改善织构，同时可以防止P偏聚得脆化，并可以防止形成内氧化层和内氮化层并促进晶粒长大。B是间隙原子，含量过高阻碍磁畴运动，降低磁性能，一般应控制在B≤0.005％。

本发明的综合性能优异的无取向硅钢的制造方法，包含如下步骤：

a)炼钢、铸造，化学成分重量百分比为：C 0.001～0.004％，Si 2.5～4.0％，Al 0.5～1.5％，Mn 0.10～1.50％，4.1％≤(Si+Al/2+Mn)≤6.0％，P≤0.02％，S≤0.001％，N≤0.002％，B≤0.005％；其余为Fe和不可避免杂质；钢水经精炼和连铸成铸坯，精炼工序脱碳完成后先Si后Al进行脱氧、之后脱S处理、最后加CaSi合金进行Ca处理；

在钢水精炼工序，脱碳结束时，先采用FeSi合金进行脱氧，可以有效去除钢中绝大部分自由氧，而脱氧生成物SiO₂夹杂，由于颗粒尺寸较大，所以比较容易上浮、去除；后续采用FeAl进行合金化时，由于其脱氧能力由于FeSi，可以去除钢中FeSi合金脱氧后的残留自由氧，因此钢中的氧化物夹杂数量明显减少，从而改善电磁性能和疲劳性能。

b)轧制，铸坯在加热炉内加热到1090℃，保温后进行轧制，终轧温度850℃以上；

c)常化，热轧板板温以5～15℃/s的平均加热速度升高到850～900℃，保温时间t：10s≤t≤90s，然后以≤10℃/s的冷却速度冷至650℃以下；

d)酸洗、冷轧，压下率为70～78％；当4.5％＜(Si+Al/2+Mn)≤6.0％，冷轧时采取＞100℃温轧；

e)退火，冷轧板以≥25℃/s的平均加热速度升温到900～1000℃，高温段加一定张力，张力控制要求0.5MPa≤σ≤1.5MPa，保温时间8s≤t≤60s，气氛为常规氮氢混合保护气氛。

优选地，步骤c)中常化温度为850～930℃。

优选地，步骤e)中退火温度为920～980℃，张力控制1MPa≤σ≤1.3MPa。

本发明的有益效果：

1.本发明不添加其它强化元素，通过炼钢控制C、S、Si、Al、Mn、N、B成分、精炼Ca处理，对高牌号无取向电工钢进行低温张力短时退火处理，可以得到电磁性能、屈服强度、疲劳性能优良的电工钢板。

2.本发明的制造工艺中，退火温度较低，降低了生产能耗，从而降低生产的成本。

附图说明

图1为(Si+Al/2+Mn)与屈服强度的关系示意图。

图2为经Ca处理及无Ca处理条件下，S含量与铁损P15/50及疲劳强度的关系(成分3.3％Si+0.8％Al+0.45％Mn)示意图。

图3为经过Ca处理与未经Ca处理的两炉钢在退火工序张力与铁损各向异性的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明实施例按表2的组分冶炼，精炼工序均为先Si后Al脱氧处理，并加入SiCa合金进行Ca处理。比较例成分也列在表2中。其中比较例1～7的精炼工艺与实施例相同，而比较例8～13均为先Al后Si脱氧处理工艺，未进行Ca处理。之后钢水通过连铸得到连铸板坯，连铸坯加热到～1090℃后经粗轧、精轧成2mm热板，终轧温度850℃，650℃卷取，经常化处理、酸洗、70～78％压下率，一次冷轧到0.5mm的成品厚度、冷轧时对Si+Al/2+Mn≥4.5％的料采取了＞100℃温轧以防止断带。最终冷轧带钢经过不同温度的再结晶退火获得成品。

表3为实施例和对比例制成成品后爱泼斯坦方圈测量及屈服强度、疲劳强度检测的结果。

表2实施例及比较例化学成分单位：重量百分比

	Si	Al	Mn	P	C	S	N	B	Si+Al/2+Mn
										实施例1	2.5	1.5	0.85	0.012	0.0015	0.0005	0.0010	0.0047	4.10
实施例2	3.3	0.8	0.45	0.012	0.0015	0.0005	0.0013	0.0032	4.15
										实施例3	3.5	0.8	0.20	0.013	0.0012	0.0005	0.0018	0.0024	4.10
实施例4	3.7	0.5	0.25	0.011	0.0012	0.0005	0.0018	0.0017	4.20
										实施例5	2.8	0.8	1.00	0.013	0.0012	0.0004	0.0015	0.0024	4.60
实施例6	2.8	0.8	1.50	0.010	0.0012	0.0004	0.0015	0.0024	5.11

实施例7	3.3	0.8	0.47	0.015	0.0012	0.0008	0.0013	0.0032	4.15
										实施例8	3.3	0.8	0.43	0.013	0.0011	0.001	0.0013	0.0035	4.15
比较例1	2.4	1.0	0.24	0.011	0.0018	0.0006	0.0012	0.0017	3.14
										比较例2	2.96	0.8	0.20	0.013	0.0012	0.0005	0.0015	0.0017	3.56
比较例3	3.01	0.8	0.25	0.012	0.0014	0.0008	0.0016	0.0017	3.66
										比较例4	3.12	1.03	0.26	0.014	0.0012	0.0006	0.0012	0.0017	3.89
比较例5	3.31	0.82	0.44	0.011	0.0014	0.0012	0.0012	0.0030	4.15
										比较例6	3.33	0.81	0.45	0.012	0.0013	0.0015	0.0013	0.0030	4.15
比较例7	3.3	0.8	0.45	0.012	0.0013	0.002	0.0013	0.0030	4.15
										比较例8	3.2	1.0	0.40	0.012	0.0008	0.0006	0.0018	0.0024	4.10
比较例9	3.3	0.8	0.45	0.013	0.0015	0.0008	0.0013	0.0032	4.15
										比较例10	3.31	0.78	0.46	0.012	0.0015	0.0010	0.0013	0.0032	4.15
比较例11	3.31	0.78	0.46	0.011	0.0015	0.0014	0.0013	0.0032	4.15
										比较例12	3.32	0.77	0.46	0.012	0.0015	0.0017	0.0013	0.0032	4.15
比较例13	3.31	0.78	0.45	0.014	0.0015	0.0020	0.0013	0.0032	4.15

备注：上述成分中，余量为Fe和不可避免的杂质。

表3工艺及性能比较

(Si+Al/2+Mn)与屈服强度的关系如图1所示。可以看到，随(Si+Al/2+Mn)含量增大，屈服强度持续提高。

疲劳性能试样为平行于轧向长150mm，宽5mm板状样品，边部用800#砂纸打磨，进行应力比0.1、频率为20Hz的拉-拉疲劳测试。疲劳极限为拉伸10⁷不产生破坏的最大应力值。

S含量对疲劳强度及铁损有显著影响，其关系如图2所示。可以看到，随S含量增加，疲劳强度降低，对于Ca处理过的材料，S≤0.001％时，疲劳强度保持在一定水平，S在0.001％以上时，疲劳强度显著降低。对于先Al后Si未进行Ca处理的材料，随S含量增加，疲劳强度持续降低。未经Ca处理的材料与经过Ca处理的材料相比，疲劳强度整体较低，铁损相对较高。因此，从保证磁性能及疲劳强度的角度，精炼工序先Si后Al脱氧加Ca处理的工艺与先Al后Si脱氧不进行Ca处理工艺具有优势。

表2中实施例7、比较例9的成分为Si：3.3％、Al：0.8％、Mn：～0.45％、S：0.0008％、C：0.0012～0.0015％、B：0.0032％、N：0.0013％、P：0.013～0.015％，主要成分基本相同，但是精炼工艺不同，前者经过先Si后Al并做Ca处理，后者先Al后Si脱氧不进行Ca处理，连铸坯经过～1090℃加热后热轧成卷，再进行850℃×90S常化、950℃×20S退火，退火过程中加张力0.5～2MPa张力，对成品进行磁各向异性检测，结果如图3所示。

可见，Ca处理及张力对磁各向异性有显著影响。Ca处理有利于降低磁各向异性，对于磁各向异性而言，张力存在一个最佳范围：1.0～1.3MPa，在此范围内各向异性优异。

Claims

1.一种转子用无取向硅钢，其化学成分重量百分比为：C 0.001～0.004％，Si 2.5～4.0％，Al 0.5～1.5％，Mn 0.10～1.50％，4.1％≤(Si+Al/2+Mn)≤6.0％，P≤0.02％，S≤0.001％，N≤0.002％，B≤0.005％，其余为Fe和不可避免杂质。

2.如权利要求1所述的转子用无取向硅钢，其特征是：4.1％≤(Si+Al/2+Mn)≤4.5％，以重量百分比计。

3.一种转子用无取向硅钢的制造方法，其包括如下步骤：

a)炼钢、铸造，无取向硅钢的化学成分重量百分比为：C 0.001～0.004％，Si 2.5～4.0％，Al：0.5～1.5％，Mn：0.10～1.50％，4.1％≤(Si+Al/2+Mn)≤6.0％，P≤0.02％，S≤0.001％，N≤0.002％，B≤0.005％，其余为Fe和不可避免杂质；钢水经精炼和连铸成铸坯，精炼工序脱碳完成后先Si后Al进行脱氧、之后脱S处理、最后加CaSi合金进行Ca处理；

e)退火，冷轧板以≥25℃/s的平均加热速度升温到900～1000℃，并施加一定张力，张力控制要求0.5MPa≤σ≤1.5MPa，保温时间8s≤t≤60s。

4.如权利要求3所述的转子用无取向硅钢的制造方法，其特征是：4.1％≤(Si+Al/2+Mn)≤4.5％，以重量百分比计。

5.如权利要求3所述的转子用无取向硅钢的制造方法，其特征是：步骤c)中常化温度为850～930℃。

6.如权利要求3所述的转子用无取向硅钢的制造方法，其特征是：步骤e)中退火温度为920～980℃，张力控制要求1.0MPa≤σ≤1.3MPa。