CN103540846A - 一种薄规格、超低铁损、低噪声高磁感取向硅钢片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄规格、超低铁损、低噪声、高磁感取向硅钢片的制备技术，其组成为C：0.003～0.05wt%；Si：4.1～9wt%；Mn：0.05～0.5wt%；Al：0.02～0.06wt%；Sn：0.01～1wt%；Mo：0.05～0.1wt%；Cu：0.2～1wt%；N：0.003～0.02wt%；P：0.002～0.06wt%；S：0.001～0.008wt%，余量由铁和其他不可避免的杂质，通过热轧、冷轧、退火工艺等工艺制得的高磁感取向硅钢片，具有超低铁损、高磁通密度、低磁致伸缩系数，厚度薄等优异性能，且本发明的工艺简单，组织稳定，在保证变压器容量不变的同时，大大节约用材，节省资源，为目前制造高等级输配电变压器铁芯的最佳候选材料。

Description

一种薄规格、超低铁损、低噪声高磁感取向硅钢片及其制备方法

【技术领域】

本发明属于电力行业输配电变压器铁芯用材料领域，具体讲涉及一种薄规格、超低铁损、低噪声高磁感取向硅钢片及其制备方法。

【背景技术】

冷轧电工硅钢片主要用于电工行业，一直是我国严重紧缺的钢材品种，其消费量大体与发电量成正比关系。硅含量～3%的冷轧取向电工硅钢是一类重要的软磁材料，主要用以制造变压器的铁芯，在电力电讯事业中有着广泛的应用。而电工硅钢的损耗造所造成的电量损失占各国全年发电量的2.5%～4.5%，因此各国生产电工硅钢总是千方百计设法降低铁损。我国在“十一五”规划纲要中已经明确的提出了“节能减排”的目标并将其列为一项重要的任务。由此可见，优质硅钢新产品的发展对中国乃至国际经济的可持续发展具有重要的影响。

目前，世界上主要的取向硅钢生产工艺有四种，分别是高温加热CGO、高温加热Hi-B、低温加热CGO、低温加热Hi-B。其中，低温加热Hi-B取向硅钢制造技术是最先进的技术，其核心技术是渗氮，由于成本最低，性能好，产品的市场竞争力最强。

从上个世纪以来，日本在高磁感取向硅钢的产能、产品质量、工艺和品种开发等方面，处于世界领先地位。日本大量生产0.23mm厚的取向硅钢，采用激光刻痕、快速加热等先进技术来细化磁畴，使Hi-B钢产品的最低铁损P17/50降到0.6W/kg，最高磁感达到1.94T以上。

国内目前只有武钢、宝钢能够批量稳定生产高磁感取向硅钢。武钢研究情况如下：一硅钢引进日本新日铁技术，采用高温加热两次冷轧法生产CGO产品、高温加热一次冷轧法生产Hi-B产品，但Hi-B产量少，二硅钢采用低温加热两次冷轧法生产CGO产品，三硅钢主要采用高温加热一次冷轧法生产Hi-B产品。目前，武钢能够采用低温加热一次冷轧法稳定批量生产0.27mm厚高磁感取向硅钢。宝钢可以稳定批量生产0.23mm厚低温加热Hi-B取向硅钢，但尚无变压器用0.18mm厚高磁感取向硅钢产品。

基于以上研究及应用背景，我国亟需研发薄规格、超低损耗高磁感取向硅钢，以适应我国电力行业发展需要，对于振兴我国钢铁产业、装备制造业，实现我国国民经济可持续发展，建立环境友好型社会具有重大意义。

【发明内容】

本发明目的在于开发电力行业中应用于输配电变压器的铁芯材料-薄规格、高磁感、超低铁损取向硅钢材料，实现降低硅钢片厚度的同时，提高磁感B8、降低铁损及噪声水平，开发出具有高于国标最高等级牌号的薄规格、超低铁损、高磁感取向硅钢材料。

为实现上述目的本发明采用一下技术方案：

一种冷轧取向硅钢片，硅钢片的厚度为0.18mm，铁芯损耗P1.7≤0.80W/Kg，磁致伸缩系数λ≤6×10^-6，磁通密度B8≥1.88T。

本发明提供的取向硅钢片，组成成分为：

C：0.003～0.05wt%    Si：4.1～9wt%        Mn：0.05～0.5wt%

Al：0.02～0.06wt%    Sn：0.01～1wt%       Mo：0.05～0.1wt%

Cu：0.2～1wt%        N：0.003～0.02wt%    P：0.002～0.06wt%

S：0.001～0.008wt%，余量由铁和其他不可避免的杂质。

一种制造本发明取向硅钢片的制造技术，包括如下步骤：

制备由C、Si、Mn、Al、Sn、Mo、Cu、N、P、S，余量由铁和其他不可避免的杂质组成硅钢锭；

经热轧：将温度控制在1150～1300℃，保温2～3h后先粗轧2道次，再精轧3道次，最终压下量为80～90%，板材厚度≤3mm，在热轧过程中可形成MnS抑制剂；

卷曲：加热至500～600℃；

常化：在900～1100℃下迅速退火，时间为1～5min，控制粒子的析出，大小、分布，进而控制组织的均匀性，并且使板材发生初次再结晶；

冷轧：压下量为80～90%，厚度≤0.18mm；

脱碳-渗氮：脱碳时通入水蒸气，控制最终C含量在30～500ppm，渗氮时通入NH₃，在800℃下进行，并涂覆玻璃膜；

高温退火、净化：

1)所述高温退火在纯氮气保护下，升到400～500℃保温2～4h，去除水蒸气并隔离空气；

2)在氮气：氢气为1：1～3条件下，升温速率为31℃/h～43℃/h下将炉温升至1120～1200℃后，环境换为纯氢气，保温8～10h；

3)净化粒子，去除抑制剂及杂质。

冷却、涂覆绝缘涂层，制得。

本发明制得的取向硅钢片的厚度为0.18mm，铁芯损耗P1.7≤0.80W/Kg，磁致伸缩系数λ≤6×10-6，磁通密度B8≥1.88T，其他性能满足GB2521要求的可用于制造输配电变压器铁芯的材料。

本发明中采用的各合金元素的作用及机理如下：

C：C含量过大时，钢材强度硬度提高，加工及脱碳困难，过低时，则在Si含量较高时不易发生相变，热轧时晶粒粗大，并且由于<110>织构强，冷轧后残存有形变晶粒，高温退火后二次再结晶不完全；

Si：Si元素在取向硅钢中可起到增加电阻率降低铁芯损耗和降低磁致伸缩系数的作用，一般如果Si含量较低时，则材料电阻率升高较少甚至降低，使铁芯损耗增大；但Si含量较高时，钢的脆性将增加显著，冷轧加工困难；

Mn：Mn元素一方面可以提高材料的电阻率，降低铁损，另一方面在钢中可形成抑制剂有助于细化磁畴以及二次再结晶发展，钢中的S主要和Mn结合生成MnS，形成分散细小的析出物，可显著细化磁畴，有助于高斯晶粒的发展；当Mn含量过高时，会增大奥氏体转变区间，促进奥氏体相变，细化初次再结晶晶粒，使二次再结晶不稳定；过低时起不到抑制作用；

Als：Al元素为抑制剂的主要元素之一，可在渗氮过程中与N元素结合形成AlN等硬质质点，与MnS形成抑制剂，提高抑制能力，过高时易产生粗大的相，过低时抑制效果不足；

Sn：晶界偏聚元素，适当的Sn元素可起到钉轧二次再结晶晶粒作用，起到稳定组织，改善织构的作用，过低时效果不明显，过高会使玻璃层附着性变差，钢材脆性增加；

Mo：可起到钉扎晶界细化晶粒作用，并且可一定程度改善硅钢磁感饱和状态下磁致伸缩量，可一定程度降低噪声；

Cu：当Cu含量较少时，可与S形成精细的CuS，一方面可抑制初次再结晶晶粒的过度生长，使组织均匀，也可在二次再结晶过程中促进高斯晶粒的长大，优化最终产品的磁性能；此外，Cu有效提高硅钢的电阻率，降低铁损，改善磁性；

N：在脱碳后，将渗氮使硅钢中形成抑制剂AlN，抑制剂弥撒分布时，可使冷轧后具有适当的精细组织，有助于确保初次再结晶晶粒尺寸；过高时一方面容易在铸坯表面产生气泡缺陷，一方面会使初次再结晶晶粒变得过于细小，使高斯晶粒的生长受到影响，比例含量不易控制，过低时抑制力不足；

P：可提高二次再结晶温度，促进高斯晶粒聚集长大，一方面可通过增加高斯取向晶粒的数量来降低铁损，提高磁感，也可有效提高硅钢的电阻率，降低铁损；含量高时使钢材脆性显著增加，冷轧容易发生开裂，加工性差；

S：S元素含量过高时可降低二次再结晶的开始温度，使钢的磁性能恶化；较低时可使取向晶粒的数量增加，减小二次再结晶晶粒尺寸，改善硅钢磁性能，并且可与Mn形成MnS抑制剂，一定程度上影响初次再结晶晶粒尺寸；

本发明中提供的的制造方法其工艺特点在于：先进行冶炼制成合金元素C、Si、Mn、Al、Sn、Mo、Cu、N、P、S，余量由铁和其他不可避免的杂质组成的铸锭，热轧温度为1150～1300℃，利于MnS和CuS抑制剂的形成。随后进行卷曲，常化过程的温度控制在900～1100℃，保证再结晶充分，粒子析出均匀。冷轧时将板材厚度控制在0.18mm以下，脱碳、渗氮，确保C含量控制在30ppm～500ppm，促进AlN以及SiN抑制剂的形成，而后涂覆玻璃膜。随后进行高温退火发生二次再结晶，首先使用纯氮气，去除涂覆玻璃膜时带来的水蒸气，并隔离氧气，选取适当比例的N₂：H₂，因为在氮气分压作用下，可确保抑制剂AlN不分解，并且时间控制在16～20h内，以便有利于充分发生二次再结晶。最后温度升至1200℃，去除抑制剂，随后冷却并涂覆绝缘涂层，制成成品。使得整个工艺简单，组织稳定；制得的硅钢片厚度为0.18mm，铁芯损耗P1.7≤0.80W/Kg，磁致伸缩系数λ≤6×10^-6，磁通密度B8≥1.88T，其他性能满足GB2521要求的可用于制造输配电变压器铁芯的材料；在保证变压器容量不变的同时，大大节约用材，节省资源，为目前制造高等级输配电变压器铁芯的最佳候选材料。

【附图说明】

图1为本发明制造方法流程图

【具体实施方式】

实施例1

在500Kg的真空熔炼炉内进行硅钢铸坯冶炼，浇铸成分如表1所示。

表1钢坯的化学成分（wt%），余量为Fe

C	Si	Mn	Al	Sn	Mo	Cu	N	P	S
										0.004	4.3	0.08	0.03	0.08	0.05	0.3	0.005	0.008	0.005

将铸坯加热至1150～1170℃，保温2.5h，热轧至3mm，最终压下量为85%进行卷曲，然后进行常化处理，在900～1100℃下保温1～5min进行退火，在冷轧机上进行板材的最终成型冷轧，压下量为90%，厚度控制在0.18mm。随后进行脱碳、渗氮，脱碳时通入水蒸气，控制最终C含量在450ppm，渗氮时通入NH₃，在800℃下进行并涂覆玻璃膜，最后在1110～1120℃下高温退火，在纯氮气保护下，升到450℃保温3h，去除水蒸气并隔离空气后在氮气：氢气为1：2.5条件下，升温速率为40℃/h下将炉温升至1120～1200℃后，环境换为纯氢气，保温8.5h；通过二次再结晶形成高斯织构的取向硅钢板材，并去除抑制剂及杂质，缓冷降温，涂覆绝缘涂层，去应力退火，制成成品。

用单片测量设备检测磁性能结果如表2所示。

表2薄规格、超低铁损高磁感取向硅钢单片成品磁性能

试样号	热轧温度	常化温度/时间	高温退火温度	P1.7（W/Kg）	B8(T)	磁致伸缩系数λ
							A-1	1150	900，2.5min	1110	0.800	1.884	5×10-6
A-2	1150	1000，3min	1120	0.791	1.887	6×10-6
							A-3	1170	900，2min	1130	0.789	1.889	6×10-6
A-4	1170	1100，2min	1120	0.794	1.901	5×10-6

其他性能满足GB2521要求的可用于制造输配电变压器铁芯的材料。

实施例2

在500Kg的真空熔炼炉内进行硅钢铸坯冶炼，浇铸成分如表3所示。

表3钢坯的化学成分（wt%），余量为Fe

C	Si	Mn	Al	Sn	Mo	Cu	N	P	S
										0.005	5.5	0.12	0.02	0.1	0.06	0.4	0.01	0.02	0.003

将铸坯加热至1160～1180℃，保温3h后先粗轧2道次，再精轧3道次，最终压下量为80%，热轧至3mm，进行卷曲，然后进行常化处理，在900～1000℃下保温1～5min进行退火，在冷轧机上进行板材的最终成型冷轧，厚度控制在0.18mm。随后进行脱碳控制最终C含量在300ppm、渗氮时通入NH₃，在800℃下进行，并涂覆玻璃膜；最后所述高温退火在纯氮气保护下，升到500℃保温3.5h，去除水蒸气并隔离空气；在氮气：氢气为1：1～3条件下，升温速率为35℃/h下将炉温升至1120～1200℃后，环境换为纯氢气，保温9h；通过二次再结晶形成高斯织构的取向硅钢板材，并去除抑制剂及杂质，缓冷降温，涂覆绝缘涂层，去应力退火，制成成品。

用单片测量设备检测磁性能结果如表4所示。

表4薄规格、超低铁损高磁感取向硅钢单片成品磁性能

试样号	热轧温度	常化温度/时间	高温退火温度	P1.7（W/Kg）	B8(T)	磁致伸缩系数λ
							B-1	1160	900，3min	1150	0.788	1.904	6×10-6
B-2	1160	1000，2min	1170	0.793	1.892	4×10-6
							B-3	1180	900，2.5min	1120	0.792	1.905	5×10-6
B-4	1180	1000，4min	1190	0.783	1.901	5×10-6

其他性能满足GB2521要求的可用于制造输配电变压器铁芯的材料。

实施例3

在500Kg的真空熔炼炉内进行硅钢铸坯冶炼，浇铸成分如表5所示。

表5钢坯的化学成分（wt%），余量为Fe

C	Si	Mn	Al	Sn	Mo	Cu	N	P	S
										0.008	6.5	0.32	0.04	0.5	0.05	0.7	0.015	0.03	0.007

将铸坯加热至1200～1240℃，保温2.3h，热轧至3mm，进行卷曲，然后进行常化处理，在950～1050℃下保温1～5min进行退火，在冷轧机上进行板材的最终成型冷轧，厚度控制在0.18mm。随后脱碳时通入水蒸气，控制最终C含量在300ppm，渗氮时通入NH₃，在800℃下进行，并涂覆玻璃膜，最后在纯氮气保护下，升到400℃保温2h，去除水蒸气并隔离空气；在氮气：氢气为1：3条件下，升温速率为40℃/h下将炉温升至1120～1150℃环境换为纯氢气，下保温8h；通过二次再结晶形成高斯织构的取向硅钢板材，并去除抑制剂及杂质，缓冷降温，涂覆绝缘涂层，去应力退火，制成成品。

用单片测量设备检测磁性能结果如表6所示。

表6制备样品性能

试样号	热轧温度	常化温度/时间	高温退火温度	P17（W/Kg）	B8(T)	磁致伸缩系数λ
							C-1	1200	950，3min	1120	0.783	1.914	4×10-6
C-2	1200	1050，2.5min	1150	0.782	1.912	5×10-6
							C-3	1240	950，3min	1120	0.781	1.902	4×10-6
C-4	1240	1050，4min	1150	0.791	1.911	4×10-6

其他性能满足GB2521要求的可用于制造输配电变压器铁芯的材料。

实施例4

在500Kg的真空熔炼炉内进行硅钢铸坯冶炼，浇铸成分如表7所示。

表7钢坯的化学成分（wt%），余量为Fe

C	Si	Mn	Al	Sn	Mo	Cu	N	P	S
										0.05	8.5	0.45	0.06	0.8	0.07	0.9	0.018	0.05	0.002

将铸坯加热至1250～1300℃，保温3h，热轧先粗轧2道次，再精轧3道次至3mm，进行卷曲，然后进行常化处理，在1000～1100℃下保温1～5min进行退火，在冷轧机上进行板材的最终成型冷轧，厚度控制在0.18mm。随后进行脱碳时通入水蒸气，控制最终C含量在250ppm，渗氮时通入NH₃，在800℃下进行，并涂覆玻璃膜脱碳、渗氮，并涂覆玻璃膜，最后在高温退火在纯氮气保护下，升到400～500℃保温2～4h，去除水蒸气并隔离空气；在氮气：氢气为1：3条件下，升温速率为40℃/h下将炉温升至1120～1200℃后，环境换为纯氢气，保温10h；通过二次再结晶形成高斯织构的取向硅钢板材，并去除抑制剂及杂质，缓冷降温，涂覆绝缘涂层，去应力退火，制成成品。

用单片测量设备检测磁性能结果如表8所示。

表8薄规格、超低铁损高磁感取向硅钢单片成品磁性能

试样号	热轧温度	常化温度/时间	高温退火温度	P1.7（W/Kg）	B8(T)	磁致伸缩系数λ
							D-1	1250	1000，4min	1120	0.785	1.911	6×10-6
D-2	1250	1100，3min	1150	0.787	1.913	5×10-6
							D-3	1300	1000，2min	1120	0.792	1.912	4×10-6
D-4	1300	1100，2.5min	1150	0.793	1.904	4×10-6

其他性能满足GB2521要求的可用于制造输配电变压器铁芯的材料。

Claims (10)

1.一种冷轧取向硅钢片，其特征在于所述硅钢片的厚度为0.18mm，铁芯损耗P1.7≤0.80W/Kg，磁致伸缩系数λ≤6×10^-6，磁通密度B8≥1.88T。

2.如权利要求1所述的取向硅钢，其特征在于所述硅钢片的组成成分为：

C：0.003～0.05wt%    Si：4.1～9wt%         Mn：0.05～0.5wt%

Al：0.02～0.06wt%    Sn：0.01～1wt%        Mo：0.05～0.1wt%

Cu：0.2～1wt%        N：0.003～0.02wt%     P：0.002～0.06wt%

S：0.001～0.008wt%，余量由铁和其他不可避免的杂质。

3.一种如权利要求2所述取向硅钢片的制造技术，该方法包括如下步骤：

制备由C、Si、Mn、Al、Sn、Mo、Cu、N、P、S，余量由铁和其他不可避免的杂质组成硅钢锭；

经热轧、卷曲、常化、冷轧、脱碳-渗氮、高温退火、净化、冷却、涂覆绝缘涂层，制得。

4.如权利要求3所述的制造技术，其特征在于，所述热轧过程应将温度控制在1150～1300℃，保温2～3h。

5.如权利要求3所述的制造技术，其特征在于，所述热轧最终压下量为80～90%，板材厚度≤3mm。

6.如权利要求3所述的制造技术，其特征在于，所述常化温度在900～1100℃，保温1～5min。

7.如权利要求3所述的制造技术，其特征在于，所述冷轧压下量为80～90%，厚度≤0.18mm。

8.如权利要求3所述的制造技术，其特征在于，所述脱碳-渗氮中最终C含量为30～500ppm。

9.如权利要求3所述的制造技术，其特征在于，

1)所述高温退火在纯氮气保护下，升到400～500℃保温2～4h，去除水蒸气并隔离空气；

2)在氮气：氢气为1：1～3条件下，将炉温升至1120～1200℃后，环境换为纯氢气，保温8～10h。

10.如权利要求3所述的制造技术，其特征在于，所述高温退火步骤2）中采用的升温速率为31℃/h～43℃/h。

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