CN105925884B - 一种高磁感、低铁损无取向硅钢片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种高磁感、低铁损无取向硅钢片及其制造方法,该无取向硅钢片的化学成分质量百分比为:C≤0.005%,Si:0.1~1.6%,Mn:0.1~0.5%,P≤0.2%,S≤0.004%,Al≤0.003%、N≤0.005%,Nb≤0.004%,V≤0.004%,Ti≤0.003%,其余为Fe和不可避免的杂质,且同时需满足:120≤[Mn]/[S]≤160,[Nb]/93+[V]/51+[Ti]/48+[Al]/27≤[C]/12+[N]/14。本发明在钢液浇铸结束之后,采用温控方式调整铸坯入炉温度,有效实现了高磁感、低铁损的无取向硅钢片的稳定生产,制造费用相对低廉,且不需要进行常化处理或者罩式炉中间退火。
Description
技术领域
本发明涉及无取向硅钢片,具体涉及一种高磁感、低铁损无取向硅钢片及其制造方法,尤其涉及不经过常化处理或者罩式炉中间退火、制造成本相对低廉的高磁感、低铁损无取向硅钢片及其制造方法。
背景技术
近年来,随着用户市场对高效、节能、环保需求的日益加严,要求用于制作电机、压缩机、EI铁芯原料的无取向硅钢片要在保证价格竞争优势的前提下,具有优良的电磁性能,即通常所说的低铁损、高磁感,以满足这些用电产品对高效、节能、环保的迫切需求。
通常,向钢中加入含量较高的Si、Al,可以提高材料电阻率,进而降低材料铁损。例如,日本专利JP2015515539A中Si含量达到2.5~4.0%,Al含量达到0.5~1.5%,这样,随着Si、Al含量增加,材料铁损迅速降低,但材料磁感也迅速降低,还容易出现冷轧断带等异常情况。为了改善冷轧可轧性,中国专利CN104399749A公开了防止≥3.5%Si含量钢的边裂及脆断治理方法,提高硅钢板磁性能的同时使钢板在冷轧过程中无边裂产生,但即使如此,脆断报废率仍有0.15%,且对设备功能精度要求很高。与此同时,为了获得良好的材料磁感,中国专利CN103014503A向钢中加入了0.20~0.45%(Sn+Cu),利用晶界偏聚改善材料的织构形态,获得了良好的磁感,但Sn、Cu属于昂贵金属,会大幅增加制造费用,Cu还容易使带钢表面产生质量缺陷。
日本专利特开平10-25554在Si、Al总量不变的前提下,通过增加Al/(Si+Al)比例以改善材料磁感,但随着Al含量升高、Si含量降低,材料铁损开始出现劣化,材料机械性能也随之降低。
现阶段,采用常化处理或者罩式炉中间退火是改善材料铁损、磁感行之有效的方法,在高效、高牌号无取向硅钢片生产上得以广泛采用,可以有效降低材料铁损、大幅提高材料磁感,其缺点是引进了新的生产设备,大大增加了制造费用,并延长了材料的制造和交货周期,给生产现场技术、质量管理等带来了新的麻烦。
受此影响,技术人员开始研究在化学成分相对固定的情况下,向钢中加入稀土、钙合金等强脱氧、脱硫元素,可以有效去除或者降低非金属夹杂物,通过改善钢质洁净度以提高材料电磁性能;或者采用粗轧道次大压下,并利用粗糙辊轧制和高温卷取,也可以获得具有高磁感的高牌号无取向电工钢;如果具有热轧平整功能,并配合常化退火处理,同样可以获得高磁感无取向硅钢。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高磁感、低铁损无取向硅钢片及其制造方法,该无取向硅钢片具有高磁感、低铁损,其化学成分中不含贵金属,并且制造工艺不需要常化处理或者罩式炉中间退火,制造费用相对较低,生产过程稳定。
为达到上述目的,本发明的技术方案是:
一种高磁感、低铁损无取向硅钢片,其化学成分质量百分比为:C≤0.005%,Si:0.1~1.6%,Mn:0.1~0.5%,P≤0.2%,S≤0.004%,Al≤0.003%、N≤0.005%,Nb≤0.004%,V≤0.004%,Ti≤0.003%,其余为Fe和不可避免的杂质,且上述元素同时需满足如下关系:120≤[Mn]/[S]≤160,[Nb]/93+[V]/51+[Ti]/48+[Al]/27≤[C]/12+[N]/14。
优选的,上述化学成分中120≤[Mn]/[S]≤140。
进一步,所述无取向硅钢片具有如下电磁性能:
Si含量为0.01%≤Si≤0.30%时,对应A牌号钢种,磁感B50≥1.76T、铁损P15/50≤7.00W/kg;
Si含量为0.3%<Si≤0.80%时,对应B牌号钢种,磁感B50≥1.75T、铁损P15/50≤6.00W/kg;
Si含量为0.8%<Si≤1.20%时,对应C牌号钢种,磁感B50≥1.72T、铁损P15/50≤4.00W/kg;
Si含量为1.2%<Si≤1.60%时,对应D牌号钢种,磁感B50≥1.70T、铁损P15/50≤4.00W/kg。
在本发明钢的成分设计中:
C:C强烈阻碍成品晶粒长大,容易与Nb、V、Ti等结合形成细小析出物,从而引起损耗增加和产生磁时效,因此必须严格控制C含量在0.005%以下。
Si:Si能提高基体电阻率,有效降低钢的铁损。Si含量高于1.6%时,会显著降低钢的磁感;而低于0.1%时,又起不到大幅降低铁损的作用。因此,本发明控制Si含量为0.1~1.6%。
Mn:Mn与S结合生成MnS,可以有效减少对磁性的危害,同时改善电工钢表面状态,减少热脆。因此,有必要添加0.1%以上的Mn含量,而高于0.5%以上的Mn含量,容易破坏再结晶织构,又会大幅增加钢的制造成本。因此,本发明控制Mn含量为0.1~0.5%。
P:P含量超过0.2%时,容易导致冷脆现象发生,降低冷轧可制造性。因此,本发明控制P含量在0.2%以下。
S:S含量超过0.004%时,将使MnS等析出物大大增加,强烈阻碍晶粒长大,恶化钢的磁性。因此,本发明控制S含量在0.004%以下。
Al:Al是增加电阻元素,同时用于电工钢的深脱氧,Al含量高于0.003%时,会造成连铸浇注困难,磁感显著降低,因此,本发明控制Al含量在0.003%以下。
N:N含量超过0.005%时,将使N的Nb、V、Ti、Al等析出物大大增加,强烈阻碍晶粒长大,恶化钢的磁性。因此,本发明控制N含量在0.005%以下。
Nb:Nb含量超过0.004%时,将使Nb的C、N夹杂物大大增加,强烈阻碍晶粒长大,恶化钢的磁性。因此,本发明控制Nb含量在0.004%以下。
V:V含量超过0.004%时,将使V的C、N夹杂物大大增加,强烈阻碍晶粒长大,恶化钢的磁性。因此,本发明控制V含量在0.004%以下。
Ti:Ti含量超过0.003%时,将使Ti的C、N夹杂物大大增加,强烈阻碍晶粒长大,恶化钢的磁性。因此,本发明控制Ti含量在0.003%以下。
本发明所述高磁感、低铁损无取向硅钢片的制造方法,其包括如下步骤:
1)冶炼、铸造
按照上述化学成分进行转炉冶炼、RH精炼、连续浇铸成铸坯,连续浇铸工序中,在铸坯表面温度从1100℃降至700℃的降温过程中控制冷却速率为2.5~20℃/min;
2)加热
铸坯进加热炉加热,控制铸坯入炉温度≤600℃;
3)依次经过热轧、酸洗、冷轧、成品退火、涂层后得到成品无取向硅钢片。
优选的,步骤2)中铸坯入炉温度≤300℃。
进一步,本发明制备得到的所述无取向硅钢片具有如下电磁性能:
Si含量为0.01%≤Si≤0.30%时,对应A牌号钢种,磁感B50≥1.76T、铁损P15/50≤7.00W/kg;
Si含量为0.3%<Si≤0.80%时,对应B牌号钢种,磁感B50≥1.75T、铁损P15/50≤6.00W/kg;
Si含量为0.8%<Si≤1.20%时,对应C牌号钢种,磁感B50≥1.72T、铁损P15/50≤4.00W/kg;
Si含量为1.2%<Si≤1.60%时,对应D牌号钢种,磁感B50≥1.70T、铁损P15/50≤4.00W/kg。
本发明的创新之处在于:实现了更为合理的化学成分搭配,进而显著抑制了对成品材料电磁性能有副作用的MnS夹杂以及Nb、V、Ti、Al的C、N化物的析出、长大,具体阐述如下:
在浇铸过程中钢液温度逐渐降低,Mn、S元素偏析造成凝固前沿[Mn][S]浓度积逐渐增大,并达到或超出其平衡浓度,开始析出MnS夹杂。由于MnS夹杂尺寸细小、数量众多,因此,对成品材料的电磁性能影响很大。为了尽可能消除MnS的副作用,现有技术通过加入稀土、钙等强脱氧、脱硫元素,依靠稀土、钙与硫的结合能力远远大于Mn与S的结合能力,从而可以形成大颗粒的稀土、钙硫化物,而不是尺寸细小的MnS夹杂,并依靠钢液浮力上浮去除。但这样会大幅增加炼钢制造成本,大颗粒的稀土、钙夹杂物还容易堵塞水口,造成浇铸中断和产生钢质类缺陷等。
本发明根据S含量动态调整Mn的加入量,图1为[Mn]/[S]与磁感B50之间的关系,由图1可知,随着[Mn]/[S]的增加,磁感B50先是升高,而后快速降低,而在Mn/S位于120~160之间时,磁感B50最优。本发明将[Mn]/[S]控制在120~160之间,以确保在钢液凝固初期尽早的析出MnS夹杂,这样可以为后续MnS夹杂的充分长大提供温度、时间上的条件,而长大至0.5μm或以上的MnS夹杂对成品材料的电磁性能影响明显减弱。与此同时,本发明在铸坯入加热炉之前,对铸坯温度也进行了严格限制,具体是控制铸坯入炉温度≤600℃,优选≤300℃,目的是利用较低的铸坯温度在铸坯加热升温过程中进一步促进MnS生长,由图2可知,随着铸坯入炉温度的升高,磁感B50快速降低,而入炉温度在600℃以上时,磁感B50整体保持在较低水平。因此,从实际生产控制角度而言,铸坯入炉温度保持在600℃以下,或者更低水平为好,优选≤300℃。
本发明中Mn、S元素形成的MnS夹杂,可以借助上述方法调控长大,也就是说可以消除或者减弱其影响。而Nb、V、Ti、Al会和C、N元素结合形成纳米级别的Nb、V、Ti、Al的C、N夹杂物,这种夹杂物尺寸更为细小,且主要在晶界上析出,会严重减弱成品材料的电磁性能。因此,必须尽可能的限制其析出,即应该推迟其析出时间,减少其析出数量。
为此,一方面,本发明在成分设计要求上,需要控制合适的Nb、V、Ti、Al含量范围,并尽可能将其降低,并控制[Nb]/93+[V]/51+[Ti]/48+[Al]/27≤[C]/12+[N]/14;另一方面,精炼生产过程中,可以利用钢液的C、T、O以及OB吹氧、真空度控制等常规手段,实现超低C、N含量控制,由此,Nb、V、Ti、Al元素和C、N元素结合形成C、N化合物的浓度积便会大幅降低,并达到或者低于其析出时的平衡浓度积,Nb、V、Ti、Al元素和C、N元素结合形成C、N化合物数量便会大大减少。
与此同时,为了尽可能的减少Nb、V、Ti、Al元素和C、N元素结合形成C、N化合物生成,需要对铸坯表面温度从1100降至700℃的降温过程中的冷却速率进行控制,要求限定在2.5~20℃/min范围之内,原因是,Nb、V、Al、Ti微量元素在奥氏体和铁素体中的溶解与析出差异很大。接近1100℃,Nb、V、Al、Ti微量元素可全部溶入奥氏体中;800℃左右时Nb、V、Al、Ti的C、N化物几乎全部沉淀析出,在700℃左右时,碳化物析出最快;随着温度的继续降低,碳化物的析出明显减慢。基于此,在该温度区间内,尽可能的提高铸坯冷却速率,以减少该温度范围内的停留时间。由图3可知,当冷却速率为2.5℃/min时,析出物种类主要是S化物析出物,析出物尺寸均较大(≥0.5μm),对成品磁性能影响较小。
从目前的控制效果来看,过大的冷却速率对设备能力要求很高,一般难以达到>20℃/min,并且在冷却速率超出20℃/min后,对铸坯低倍质量有不利影响。由图4可知,冷却速率为25℃/min时,析出物种类主要是N化物析出物,析出物尺寸普遍较小(<0.5μm),因此,对成品磁性能影响较大。而在冷却速率低于2.5℃/min时,铸坯温度冷却速度太慢,不利于控制Nb、V、Al、Ti的C、N化物析出,也即生成了较多的有害夹杂物。
本发明所述化学成分中控制[Mn]/[S]在120~160之间,[Nb]/93+[V]/51+[Ti]/48+[Al]/27≤[C]/12+[N]/14,旨在分别严格控制对磁性有害的S化物、N化物。硅钢制造工艺设计中,连续浇铸过程中,铸坯表面温度在1100~700℃范围内降温过程中,控制冷却速率为2.5~20℃/min;以及控制铸坯加热时入炉温度≤600℃,是基于冶金原理,采用析出物“形成机制”优化,而不是常规的“控制机制”优化。
本发明的有益效果:
本发明优化了化学成分设计,通过调整锰、硫含量,获得合适的Mn/S比例,冶炼结束之后,Nb、V、Ti、Al含量受控且满足设计要求,浇铸工艺中控制铸坯表面温度从1100降至700℃的降温过程的冷却速率,钢液浇铸结束之后,采用温控方式调整铸坯入炉温度,制造得到的无取向硅钢片具有高磁感、低铁损,有效实现了高磁感、低铁损无取向硅钢片的稳定生产。
本发明的制造工艺无需经过常化处理或者罩式炉中间退火处理,具有成本低、操作简便、易于实现、生产难度小等特点,同时,生产制造过程稳定,制造的成品硅钢片电磁性能优良。
附图说明
图1为本发明[Mn]/[S]与磁感B50之间的关系。
图2为本发明铸坯入炉温度与磁感B50之间的关系。
图3为本发明中铸坯表面温度从1100℃降至700℃的降温过程中冷却速率为2.5℃/min时,析出物种类及尺寸结果。
图4为本发明铸坯表面温度从1100℃降至700℃的降温过程中冷却速率为25℃/min时,析出物种类及尺寸结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
表1为本发明实施例硅钢片和对比例硅钢片的成分,表2为本发明实施例、对比例工艺设计及电磁性能。
实施例:
铁水、废钢按照表1中化学成分比例进行搭配,经300吨转炉冶炼之后,经RH精炼进行脱碳、脱氧、合金化;根据钢中S含量动态调整Mn含量,以获得最佳比例的[Mn]/[S],控制C、N、Nb、V、Ti、Al含量满足设计要求;钢液经连铸浇铸后,得到170mm~250mm厚、800mm~1400mm宽的铸坯;浇铸结束之后,铸坯表面温度从1100℃降至700℃的降温过程中的冷却速率控制在2.5~20℃/min;然后,采用温控方式调整铸坯入炉炉温度≤600℃,优选≤300℃;然后,对铸坯依次进行热轧、酸洗、冷轧、退火、涂层后得到最终产品,其工艺参数和电磁性能参见表2。
表1、表2数据说明如下:
表1中,Si含量在0.1~1.6%范围内,按照不同Si含量可以将钢分为四类,分别为Si含量介于0.11~0.30%、Si含量介于0.30~0.80%(不包含0.30%)、Si含量介于0.80~1.20%(不包含0.80%)、Si含量介于1.20~1.60%(不包含1.20%),依次标记为A牌号、B牌号、C牌号、D牌号。不同Si含量系列对应相同牌号钢的电磁性能同属一类。
本发明中,A牌号钢(实施例1-3)的电磁性能均能满足磁感B50≥1.76T、铁损P15/50≤6.50W/kg;B牌号钢(实施例4-6)的电磁性能均能满足磁感B50≥1.75T、铁损P15/50≤5.40W/kg;C牌号钢(实施例7-9)的电磁性能均能满足磁感B50≥1.72T、铁损P15/50≤4.00W/kg;D牌号钢(实施例10-11)的电磁性能均能满足磁感B50≥1.70T、铁损P15/50≤3.80W/kg的控制要求。
对比例1中,[Mn]/[S]低于120控制要求;对比例2中,([C]/12+[N]/14)-([Nb]/93+[V]/51+[Ti]/48+[Al]/27)小于0;对比例3中,[Mn]/[S]以及([C]/12+[N]/14)-([Nb]/93+[V]/51+[Ti]/48+[Al]/27)均不符合控制要求;对比例4中,板坯入炉温度大于600℃;对比例5中,铸坯冷却速率大于20℃/min;对比例6中,[Mn]/[S]以及([C]/12+[N]/14)-([Nb]/93+[V]/51+[Ti]/48+[Al]/27)和铸坯入炉温度均不符合控制要求,对比例7中,铸坯冷却速率小于2.5℃/min,铸坯入炉温度大于600℃。也就是说,只要有1项不满足本发明设计要求,对应钢的电磁性能均不佳。
可见,基于相同牌号而言,本发明无取向硅钢片具有更高的磁感、更低的铁损。
Claims (6)
1.一种高磁感、低铁损无取向硅钢片,其化学成分质量百分比为:C≤0.005%,Si:0.1~1.6%,Mn:0.1~0.5%,P≤0.2%,S≤0.004%,Al≤0.003%、N≤0.005%,Nb≤0.004%,V≤0.004%,Ti≤0.003%,其余为Fe和不可避免的杂质,且上述元素同时需满足如下关系:120≤[Mn]/[S]≤160,[Nb]/93+[V]/51+[Ti]/48+[Al]/27≤[C]/12+[N]/14。
2.根据权利要求1所述的高磁感、低铁损无取向硅钢片,其特征在于,所述化学成分中120≤[Mn]/[S]≤140。
3.根据权利要求1或2所述的高磁感、低铁损无取向硅钢片,其特征在于,所述无取向硅钢片具有如下电磁性能:
Si含量为0.1%≤Si≤0.30%时,磁感B50≥1.76T、铁损P15/50≤7.00W/kg;
Si含量为0.3%<Si≤0.80%时,磁感B50≥1.75T、铁损P15/50≤6.00W/kg;
Si含量为0.8%<Si≤1.20%时,磁感B50≥1.72T、铁损P15/50≤4.00W/kg;
Si含量为1.2%<Si≤1.60%时,磁感B50≥1.70T、铁损P15/50≤4.00W/kg。
4.根据权利要求1-3任一项所述的高磁感、低铁损无取向硅钢片的制造方法,其包括如下步骤:
1)冶炼、铸造
按照权利要求1或2所述化学成分进行冶炼、精炼、连续浇铸成铸坯,连续浇铸工序中,在铸坯表面温度从1100℃降至700℃的降温过程中控制冷却速率为2.5~20℃/min;
2)加热
铸坯进加热炉加热,控制铸坯入炉温度≤600℃;
3)依次经过热轧、酸洗、冷轧、成品退火、涂层后得到成品无取向硅钢片。
5.根据权利要求4所述的高磁感、低铁损无取向硅钢片的制造方法,其特征在于,步骤2)中,所述铸坯入炉温度≤300℃。
6.根据权利要求4或5所述的高磁感、低铁损无取向硅钢片的制造方法,其特征在于,制备得到的所述无取向硅钢片具有如下电磁性能:
Si含量为0.1%≤Si≤0.30%时,磁感B50≥1.76T、铁损P15/50≤7.00W/kg;
Si含量为0.3%<Si≤0.80%时,磁感B50≥1.75T、铁损P15/50≤6.00W/kg;
Si含量为0.8%<Si≤1.20%时,磁感B50≥1.72T、铁损P15/50≤4.00W/kg;
Si含量为1.2%<Si≤1.60%时,磁感B50≥1.70T、铁损P15/50≤4.00W/kg。
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