CN105132808B

CN105132808B - 一种复合元素处理的高效电机用无取向硅钢的制备方法

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Publication number: CN105132808B
Application number: CN201510665025.8A
Authority: CN
Inventors: 万勇; 陈伟庆; 李�杰; 范鼎东
Original assignee: Anhui University of Technology AHUT
Current assignee: Anhui University of Technology AHUT
Priority date: 2015-10-14
Filing date: 2015-10-14
Publication date: 2017-05-03
Anticipated expiration: 2035-10-14
Also published as: CN105132808A

Abstract

本发明公开了一种复合元素处理的高效电机用无取向硅钢的制备方法，属于电工钢技术领域。本发明采用复合添加一定量的Ca、La和B的无取向电工钢铸坯为原料，依次进行冶炼、锻造、热轧、常化、酸洗、一次冷轧、中间退火、二次冷轧和成品退火，并将成品退火温度和时间分别控制为900‑940℃和3‑5min，最终得到具有低铁损和高磁感的高效电机用无取向硅钢产品。该产品最终磁性能为：钢板厚度0.5mm时，P15/50＝3.6～3.9W/kg，B5000＝1.76～1.80T。该成品钢带不仅能广泛用于大、中型电机制造，也可广泛用于变频空调冰箱压缩机的制造。

Description

一种复合元素处理的高效电机用无取向硅钢的制备方法

技术领域

本发明属于电工钢技术领域，具体涉及一种高效电机用无取向硅钢的制备方法。

背景技术

高效电机是适应于近年来对微小型电机、镇流器、电子变压器等高效率、小型化的要求而发展起来的，已广泛应用于制冷压缩机等领域中。相比普通电机，高效电机因其工作效率更高，耗电量更低。由于电机的耗电量大(占工业总用电量2/3左右，占总用电量的50％左右)且国家对环保和节能的要求越来越高，因此应用和发展高效电机对于降低电能消耗和节省能源具有重要意义。

高效电机用无取向硅钢作为制造电机铁芯的重要材料，为实现其高效化，要求成品的铁损要低，磁感要高。进一步开发具有低铁损和高磁感的高效电机用无取向硅钢不仅有利于提高电机的高效性，还能解决或缓解传统中低牌号无取向电工钢存在的铁损和磁感相互矛盾的问题，因此也成为了近年来无取向硅钢开发的热点。

目前，国内外主要从成分控制和制造工艺角度来提高高效电机用无取向硅钢的电磁性能。从成分控制上主要有以下几个特点：(1)低硅，低铝；(2)高锰；(3)高磷；(4)添加锡、锑等晶界偏析元素；(5)极低的碳、硫、氮和氧；(6)添加适量的稀土。从制造工艺上主要具有以下几个特点：(1)板坯低温加热；(2)热轧板常化或预退火处理。

中国专利申请号为CN102345001A的专利文献，其公开了一种稀土处理(Ce)的低牌号无取向电工钢制备方法，其特征是采用Si、O、N含量较低且Ce含量为0.004～0.02％的低碳薄板坯的短流程连铸坯为热轧原料，进行热连轧、5机架冷连轧，退火，最终得到磁性优良的无取向硅钢。C.K.Hou等人(C.K.Hou,C.C.Liao.Effect of cerium content on themagnetic properties of non-oriented electrical steel.ISIJ International,2008,48(4):531～539.)研究了Ce对无取向硅钢电磁性能的影响，结果发现在相同处理条件下，w(Ce)0.003％的钢在最终退火后具有最强的{110}<001>织构以及最优的电磁性能。

日本专利特开昭63-7322，通过向钢中添加含Ca物料，以控制簇状夹杂物形态，同时可以抑制MnS、AlN等夹杂生成。郭艳永等人(郭艳永，柳向春，蔡开科，刘良田，骆忠汉，柳志敏.BOF-RH-CC工艺生产无取向硅钢过程中夹杂物行为的研究.钢铁,2005,40(4):24～27.)研究了用和不用钙处理的无取向硅钢在生产流程各个阶段的夹杂物的数量、尺寸分布以及夹杂物的类型演变情况，结果表明，采用钙处理后，钢中Al₂O₃-MnS类型夹杂物的比例大幅下降，钙元素以CaS和铝酸钙的形式存在于钢中，出现了单独的CaS，也存在CaS、铝酸钙与Al₂O₃-MnS等形成的各种复合夹杂物，小于0.4μm的微细夹杂物的数量明显减少，钙处理对MnS变性效果明显，有效降低了成品的铁损。日本专利特开2004-169141提到在1.8％≤(Si+2Al)≤5％高牌号无取向硅钢炼钢过程添加REM、Mg和Ca的一种或两种以上，不仅可以粗化硫化物，还能以稀土硫化物、Mg和Ca作为氮化物的析出核心，从而抑制Ti，Zr等(C，N)化物的弥散析出，有效促进了晶粒长大和铁损降低。

Lyudkovsky G等人(G.Lyudkovsky.P.K.Rastogi.Effects of boron andzirconium on microstructure and magnetic properties of batch annealed Al-killed low carbon steels.IEEE Transactions on Magnetics,1985,21(5):1912～1914.)研究了B和Zr对低碳铝脱氧钢的组织和电磁性能的影响，结果表明硼和氮、氧有很强的亲和力，硼在γ相中与氮优先形成BN，不仅抑制了A1N的析出，还阻碍了{111}取向晶粒的形核和长大，提高了成品的磁性提高。夏兆所(夏兆所.含硼冷轧无取向硅钢的研制.上海金属,2003,25(4):21～24.)进行了含硼冷轧无取向硅钢的研制，结果表明，在无取向硅钢中加入硼，可使热轧过程中发生γ-α相变，增加热轧卷再结晶比例，消除成品瓦楞状缺陷。

综上所述，稀土、Ca和B既能降低无取向硅钢的铁损，又能提高其磁感应强度。由此可见，采用稀土、Ca和B复合处理不仅可解决传统中低牌号无取向电工钢存在的铁损和磁感相互矛盾的问题，还完全符合高效电机用无取向硅钢开发的宗旨。

晶粒尺寸是影响无取向硅钢磁性能的主要因素之一。晶粒尺寸增大虽然有利于降低铁损，但是也会导致磁感应强度降低。为了进一步提高复合元素处理的高效电机用无取向硅钢的综合磁性能，控制合适的晶粒尺寸尤为关键，而影响成品晶粒尺寸的主要工艺是退火工艺。

发明内容

本发明的目的是提供一种同时具有低铁损和高磁感的复合元素处理的高效电机用无取向硅钢及制备方法。通过炼钢过程La、Ca和B元素的添加，实现有害析出物AlN和MnS的合理控制，以此降低晶界钉扎力，促进退火过程再结晶晶粒的长大；配合优化的退火工艺，获得最佳的晶粒尺寸范围，实现低铁损、高磁感的高效电机用无取向硅钢的生产。

为了实现以上技术目的，本发明是通过以下技术方案予以实现的。

本发明提供了一种复合元素处理的高效电机用无取向硅钢的化学成分(按重量百分比计)为：C≤0.005％，Si：0.8％～1.7％，Mn：0.3％～0.6％，Al：0.2％～0.4％，P≤0.015％，S≤0.004％，N≤0.004％，T[O]≤0.003％，La：0.003％～0.015％，Ca：0.0015％～0.0025％，B：0.001％～0.004％，其余为Fe和不可避免的杂质。其制备方法为依次进行冶炼、锻造、热轧、常化、酸洗、一次冷轧、中间退火、二次冷轧和成品退火，通过采用优化的退火工艺，最终得到具有低铁损和高磁感的高效电机用无取向硅钢产品，最终磁性能为：钢板厚度0.5mm时，P_15/50＝3.6～3.9W/kg，B₅₀₀₀＝1.76～1.80T。

硅和铝虽然能通过增加钢的电阻率、降低涡流损失来降低铁损，但会造成磁感和磁导率恶化。因此尽可能的低硅和低铝含量是开发高效无取向硅钢的基础。根据这一特点，本发明中硅钢的Si含量设计为0.8％～1.7％，Al含量设计为0.2％～0.4％，以使其具有较低的铁损，又具有较高磁感。Mn可以增加铁的电阻率，还可促进冷轧无取向硅钢中有利织构组分{100}的增加，从而降低铁损，提高磁感，故本发明的硅钢中Mn含量设计为0.3％～0.6％。为了抑制轧制和退火过程MnS、AlN的弥散析出，使夹杂物数量减少和尺寸变大，消除应力退火后晶粒充分长大，铁损降低，本发明的硅钢中加入少量的La、Ca和B，以此形成尺寸更大的稀土硫化物、CaS和BN，其含量分别设计为0.003％～0.015％、0.0015％～0.0025％和0.001％～0.004％。此外，尽量降低钢中碳、硫、磷、氮、氧的含量，以提高硅钢的电磁性能，本发明中的硅钢要求其C≤0.005％，P≤0.015％，S≤0.004％，N≤0.004％，T[O]≤0.003％。优化冷轧板退火工艺的主要目的是获得合适的成品晶粒尺寸，使成品的磁感应强度和铁损同时得到最大改善，本发明共设计4种退火温度和4种退火时间的优化实验，以进一步提高硅钢的综合磁性能。

该复合元素处理的高效电机用无取向硅钢的制造方法包括如下步骤：

(1)冶炼:按上述成分采用真空感应炉进行冶炼，并铸成6.5kg钢锭；

(2)锻造:铸锭加热温度为1150℃，保温时间为1h，锻后尺寸为80mm×70mm×L的钢坯；

(3)热轧:钢坯开轧温度为1180℃，开轧初始厚度为70mm，轧制道次为7道次，终轧温度为870±20℃，终轧厚度为2.5mm；

(4)常化:钢带常化温度为920℃，保温时间为4min，常化气氛为空气；

(5)酸洗:钢带采用质量分数为18％的稀盐酸酸洗，酸洗液温度为90℃，酸洗时间为6min，酸洗后在清水池中浸泡，清除表面酸液和污垢，再用6％Na₂CO₃碱性水溶液中和，吹干并涂上机油；

(6)一次冷轧:室温轧制，轧制道次为5道次，轧后厚度为0.65mm；

(7)中间退火:中间退火温度为920℃，保温时间为3min，退火气氛为30％H₂+70％N₂混合气体；

(8)二次冷轧:轧前钢板预热，预热温度为140℃，轧制道次为3道次，轧后厚度为0.5mm；

(9)成品退火:退火温度为860-1000℃，保温时间为1-7min，退火气氛为30％H₂+70％N₂混合气体。作为一种优化，退火温度为900～940℃，退火时间为3～5min。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的一种复合元素处理的高效电机用无取向硅钢的制造方法，制得的成品钢带铁损低、磁感应强度高且磁性能稳定，磁性能为：钢板厚度0.5mm时，P_15/50＝3.6～3.9W/kg，B₅₀₀₀＝1.76～1.80T。

2、与现行的普通冷轧无取向硅钢类似成分相比铁损低0.1～0.4W/kg，磁感则比对应高0.3T以上。与中国专利CN104294185和CN101831589相比，本发明中不涉及Sb、Sn和Cu的添加，但充分发挥了La、Ca和B对硅钢夹杂物、组织和磁性的复合作用。与其专利中的磁性能相比，本发明类似钢种的铁损比其低0.1～0.3W/kg，磁感比其高0.2～0.5T。

3、本发明制备过程中合理控制了退火工艺，有效控制了高效电机用无取向硅钢的晶粒尺寸和综合磁性能，该成品钢带不仅能广泛用于大、中型电机制造，也可广泛用于变频空调冰箱压缩机的制造。

附图说明

图1为本专利实施例6中成品退火板中的夹杂物形貌。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明的一种复合元素处理的高效电机用无取向硅钢的化学成分(按重量百分比计)为：C≤0.005％，Si：0.8％～1.7％，Mn：0.3％～0.6％，Al：0.2％～0.4％，P≤0.015％，S≤0.004％，N≤0.004％，T[O]≤0.003％，La：0.003％～0.015％，Ca：0.0015％～0.0025％，B：0.001％～0.004％，其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明实施例和对比例按照以下工艺步骤和技术参数进行制备：(1)按上述成分采用真空感应炉冶炼并铸成6.5kg钢锭；(2)铸锭在1150℃的马弗炉中加热并保温1h，再锻造成为80mm×70mm×L的钢坯；(3)钢坯经1180℃均热后，进行7道次热轧，即由70mm→46mm→33mm→22mm→14mm→9mm→4mm→2.5mm，终轧温度为870±20℃；(4)热轧板在920℃的马弗炉中进行常化处理，保温4min后取出空冷；(5)经过常化处理的热轧板采用质量分数为18％的稀盐酸酸洗，酸洗温度和时间分别为90℃和6min，酸洗后清除表面酸液和污垢，再用6％Na₂CO₃碱性水溶液中和，吹干并涂上机油；(6)酸洗后的常化板在室温下进行5道次的一次冷轧，即由2.5mm→1.9mm→1.4mm→1.0mm→0.75mm→0.65mm；(7)一次冷轧板进行中间退火处理，中间退火温度为920℃，保温时间为3min，退火气氛为30％H₂+70％N₂混合气体；(8)经过中间退火的冷轧板在马弗炉中预热到140℃后进行3道次的二次冷轧，即由0.65mm→0.59mm→0.54mm→0.5mm；(9)二次冷轧板进行成品退火处理，退火温度为920℃，保温时间为3min，退火气氛为30％H₂+70％N₂混合气体。所得实施例的磁性能为：P_15/50＝3.63～3.91W/kg，B₅₀₀₀＝1.759～1.802T；对比例的磁性能为：P_15/50＝3.94～4.25W/kg，B₅₀₀₀＝1.739～1.747T。

在7组实施例中选取磁性最优的3组(实施例4、实施例5、实施例6)进行退火工艺的优化试验。共设计16种退火工艺参数，退火温度设计4种，分别为860℃、900℃、940℃、1000℃；退火时间设计4种，分别为1min、3min、5min、7min。3组实施例获得最优综合磁性能的最佳退火工艺为：退火温度900～940℃，退火时间3～5min，对应的磁性能为：P_15/50＝3.58～3.88W/kg，B₅₀₀₀＝1.767～1.802T。

表1、本发明各实施例及对比例的化学成分列表

表2、本发明各实施例及对比例的晶粒尺寸和电磁性能检测情况列表

表3、不同退火参数下本发明典型实施例的晶粒尺寸和电磁性能检测情况列表

Claims

1.一种复合元素处理的高效电机用无取向硅钢的制备方法，其特征在于，所述无取向硅钢的化学成分按重量百分比为：C≤0.005％，Si：0.8％～1.7％，Mn：0.3％～0.6％，Al：0.2％～0.4％，P≤0.015％，S≤0.004％，N≤0.004％，T[O]≤0.003％，La：0.0065％～0.0127％，B：0.0017％～0.0032％，Ca：0.0015％～0.0025％，其余为Fe和不可避免的杂质；其制备方法包括以下步骤：

(3)热轧:钢坯开轧温度为1180℃，开轧初始厚度为70mm，轧制道次为7道次，即由70mm→46mm→33mm→22mm→14mm→9mm→4mm→2.5mm，终轧温度为870±20℃，终轧厚度为2.5mm；

(6)一次冷轧:室温轧制，轧制道次为5道次，即由2.5mm→1.9mm→1.4mm→1.0mm→0.75mm→0.65mm，轧后厚度为0.65mm；

(8)二次冷轧:轧前钢板预热，预热温度为140℃，轧制道次为3道次，即由0.65mm→0.59mm→0.54mm→0.5mm，轧后厚度为0.5mm；

(9)成品退火:退火温度为860～1000℃，保温时间为1～7min，退火气氛为30％H₂+70％N₂混合气体，制得的成品钢带同时具有低铁损和高磁感应强度的高效特性，磁性能为：钢板厚度0.5mm时，P_15/50＝3.6～3.9W/kg，B₅₀₀₀＝1.76～1.80T。

2.如权利要求1所述的一种复合元素处理的高效电机用无取向硅钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(9)中：退火温度为900～940℃，退火时间为3～5min。