主要成分和工艺对极低铁损高磁感无取向电工钢磁性的影响

2003年10月
October 2003
钢　铁　研　究
Research on Iron &S teel
第5期(总第134期)
N o.5　(Sum134)
・电磁材料・
主要成分和工艺对极低铁损高磁感
无取向电工钢磁性的影响
谢晓心　张新仁(武汉钢铁集团公司)
摘　要　研究了主要成分和工艺对极低铁损高磁感无取向电工钢磁性的影响。

结
果表明,在研究条件下S i 和Al 均为基本合金化元素,但Al 降低铁损的幅度较大,恶化磁感作用小,热轧板常化能降低铁损,缓冷可明显改善磁感,采用一次冷轧法可获得较好的综合磁性,适当提高退火温度可使不同状态的热轧板成品性能基本趋于同一水平。

关键词　高磁感　无取向　电工钢　成分　工艺　磁性
EFFECT OF COMPOSITION AN D TECHN OLOG Y OF N ON -ORIENTE D E LECTRIC STEE L WITH U LTRA -LOW CORE LOSS AN D HIGH MAGNETIC IN DUCTION ON ITS MAGNETIC PR OPERTIES
X ie X iaoxin Zhang X inren (Wuhan Iron and S teel C orp.)
Synopsis This paper describes the effect of com position and technology of non -oriented electric steel with ultra -low coreloss and high induction on its magnetic properties.The research results can be summarized as follows :S i and Al are both basic alloying elements under given condi 2tions ,but Al is stronger in lowering coreloss and weaker in deteriorating induction than S i.,the coreloss can be lowered by normalizing of hot -rolled strip and the induction can be im proved by slow cooling of hot -rolled strip ,better com prehensive magnetic properties can be gained by single cold -rolling ,properly incerasing the tem pering tem perature can lead the hot -rolled product under different conditions to have uniform properties.
K eyw ords high induction non -oriented electric steel com position technology magnetic properties
联系人:谢晓心,工程师,武汉市(430080)武钢技术中心高新所
1　前　言
大中型电机较多注重运行安全而要求有极好的散热效果,传统的观点多是选用极低铁损的高牌号无取向硅钢作铁芯材料,又因其与中小电机比较具有较高的效率,故对铁芯材料磁感没有更多要求。

但是,大中型电机能耗大,且大多处于连续、长周期运行状态之中,其工作效率的稍许提高即可大量节约资源、降低能耗,可产生明显的经济效益社会效益。

而极低铁损高磁感无取向电工钢则是用于提高大中型电机效率理想的铁芯材料。

通常,高牌号无取向硅钢,因铁损值极低,要求合金度高,且常化温度、成品退火温度高,退火气氛控制严格,工艺复杂且难以获得高磁感。

为满足制作大、中型高效率电机的需要,近年来,我们进行了系列研究,实验室研制出了P 1.5Π50≤3.50W Πkg (范围2.30～3.50W Πkg ),B 5000≥1.70T 以上系列极低铁损高磁感无取向电工钢,
并成功地在大生产上试制出了DG X 3产品。

本文论述了系列极低铁损高磁感无取向电工钢磁性水平和主要成分及工艺对磁性的影响。

2　试验工艺及参数
(1)冶炼。

试料冶炼在50kg 真空感应炉上进
行,锭重10kg Π锭,每炉浇铸5个钢锭,微调出3～
5种成分,试料成分范围w (C )为0.0030%～0.0046%、w (Si )为1.535%～2.58%、w (S )为0.005%～0.008%、w (N )为0.0022%～
・
25・
0.0029%、w(Al)为0.006%～0.70%、其他合金成分Mn、P、Sn、Cr、Ni等均为固定水平。

(2)开坯。

均热温度1080℃,钢锭烧透。

锻造开坯料规格为:75mm×25mm×长度。

(3)热轧。

均热温度1050～1100℃,坯料烧透。

轧制规格:原设计75mm×2.20mm×长度,因操作原因,热轧料实际厚度1.85mm,较目标2.20mm偏薄。

另取部分试料进行了轧后缓冷处理,缓冷料炉温设定为700℃,轧后入炉缓冷时钢板表面温度在530～730℃范围,待全部轧完后缓冷炉停电,试料随炉冷却。

(4)后工序。

以冷轧制度不同分两次进行,第一次进行大压下+临界压下、两次中等压下和一次法3种冷轧制度试验;第二次进行一次冷轧法试验,成品厚度均为0.50mm,两次试验中还进行了不同热轧板状态及成品板退火工艺研究。

其中,冷轧在四辊<90Π<240×250(mm)轧机上进行,常化及成品退火在梯度炉上进行。

热轧板常化试验温度范围为900～960℃,热轧板缓冷料入700℃炉内断电随炉冷却,成品板退火试验温度范围为900～980℃,加热温度、缓冷温度和加热、均热、缓冷时间及保护气氛均设为固定值。

(5)检测分析。

全部试样均按G B3655—92标准进行磁性检测,其中第一次试验是将成品艾卜斯坦试片再分剪成100m m×30m m试样,4片为一组试样;第二次试验为双片艾卜斯坦试片。

为配合研究,部分试样还进行了金相、X2衍射、化学、力学等分析。

3　试验结果及分析
3.1　磁性水平
以钢锭为单位统计其平均值(即将各种试验工艺的磁性进行综合平均)、并按P
1.5Π50
(纵横向
修正值)=P
1.5Π50
(平均值)+0.3WΠkg,B5000(纵
横向修正值)=B
5000
(平均值)-0.02T进行修
正,结果表明,第一次后工序试验P
1.5Π50
的整体平均水平已达到50W310～50W270水平,最佳磁性
已达50W250,全部试样磁感修正值B
5000平均值在1.685T以上,最佳值达1.764T以上。

第二次后工序试验P
1.5Π50
的整体平均亦达50W310～50W270水平,最佳磁性也达50W250水
平,磁感修正值B
5000平均值在1.724T以上,有一半炉数的最佳值达1.773T以上,最佳值达1.821T。

至于第一次后工序试验、尤其是w(Si)低的试料磁性水平较第二次试验稍差,分析其原因认为,是对成品样艾卜斯坦试片再进行了一次分剪
(即由300mm×30mm分剪成3片100mm×30 mm),残余加工应力增加所至。

3.2　成分与磁性的关系
分析磁性与成分关系可以看出:在本研究特征钢中,当其他合金及夹杂元素含量相接近时, Si、Al含量不同与磁性有明显的对应关系,并表现出不同的特点。

3.2.1　Si对磁性的影响
由第一次后工序试验结果可以看出:当Al等其他元素含量一定时,若w(Si)由1.90%左右提高到2.30%左右,则P
1.5Π50
由2.751WΠkg降到2.582WΠkg,铁损降低了0.169WΠkg,B5000由1.735T降到1.720T,磁感降低了0.015T;由第二次后工序试验结果可以看出:当Al等其他元素含量一定时,w(Si)由1.77%提高到2.50%,其平
均P
1.5Π50
则由2.515WΠkg降为2.387WΠkg,P
1.5Π50
仅降低0.128WΠkg,平均B
5000则由1.804T降为1.768T,B5000却降低了0.036T。

由此可以认为,Si仍然是影响磁性的主要因素,即继续提高w(Si),可以继续降低铁损,同时亦降低磁感,但增Si降低铁损的幅度已远不如其在普通无取向硅钢中尤其中等硅含量时强烈,而降低磁感的幅度却明显增大。

w(Si)对磁性的影响关系见图1。

3.2.2　Al对磁性的影响
由第二次后工序试验可知:当w(Si)为1.80%,而其他元素含量一定时,w(Al)由无Al(0.006%)提
到0.35%时,其平均P
1.5Π50
由2.963WΠkg降低到2.721WΠkg,P1.5Π50降低了0.242WΠkg,B5000由1.812 T降为1.806T,则降低了0.006T,而当w(Al)再提高
到0.70%时,P
1.5Π50
为2.465WΠkg,B
5000
为1.728T, P1.5Π50则进一步降低了0.256WΠkg,B5000降低了0.024 T。

由第一次后工序试验可知:在w(Si)为1.90%左
右、且其他元素含量相同时,w(Al
s
)提高0.35%,平
均P
1.5Π50
则降低了0.421WΠkg,平均B5000仅降低0.014 T;而当w(Si)为2.30%左右时,w(Al s)提高0.35 %,平均P1.5Π50则降低了0.396WΠkg、平均B5000反而提高了0.009T。

分析认为,本研究特征钢复合含有P、Sn等正偏析元素增加了钢抗内氧化能力,致使Al 不易被氧化,可以充分发挥Al提高基体电阻率等有利作用,并可促进再结晶和再结晶织构完善,有利提高磁性。

可以认为,Al亦是影响磁性的主要元素之
・
3
5
・
一,但其降低铁损幅度比S i 大,恶化磁感的幅度比S i 小,并随着w (Si )的提高有利作用愈明显,添加或提高w (Al )对改善磁性尤其是极低铁损高牌号无取向电工钢磁性十分有利,有S i 不能替代的作用。

Al 对磁性的影响见图2。

含Al 钢与不含Al 钢成品金相组织对比见图3。

图1
　w (Si )
对磁性的影响
图2　w (Al )对磁性的影响
图3　成品金相组织　×100
・
45・
3.3　热轧板状态对磁性的影响
综合分析表明:热轧板状态是影响磁性显著因素之一,但不同的热轧状态与后工序工艺参数配合又呈现不同特点。

3.3.1　常化、不常化、缓冷比较
比较热轧板为常化、不常化、缓冷3种状态与成品磁性的关系如图4～5所示。

图4　热轧板状态退火温度与铁损的关系
由图可以看出:热轧板经常化处理后整体铁损值低,而热轧板经缓冷处理后整体磁感值高,热轧板不经任何处理综合磁性最差。

与不经处理比较,例如:当w (Si )= 1.77%、w (Al )=0.61%时,试料常化后铁损降低0.018W Πkg ,缓冷磁感
B 5000提高0.018T ,而热轧板不同的状态及最佳性
能与成品退火温度又存在比较明显的对应关系,同时,在退火温度高达一定值后,3种热轧板状态性能几乎均接近同一值。

分析认为,热轧板经常化可使夹杂物的析出聚集,为冷轧提供均匀形变
组织,而热轧板经缓冷处理除可使夹杂物继续析出聚集外,还可提高成品板再结晶有利织构组分。

常化与不常化板成品反极图见图6。

图5　热轧板状态退火温度与磁感的关系
3.3.2　常化温度与磁性的关系
由常化温度对磁性的影响研究结果表明:在本研究常化温度范围内,随着常化温度的升高,磁感有改善的趋势,分析认为可能与常化温度提高能提高再结晶有利织构有关;随着常化温度的升高,铁损则有不同的变化,在较低温度范围内常化退火时铁损降低,分析是再结晶组织已得到完善,而在较高温度常化退火时,随着常化温度的提高铁损增加,可能是再结晶完成后有部分低熔点夹杂重新固溶析出恶化铁损有关。

热轧板常化温度对铁损和磁感的影响如图7所示,综合分析可看出:本研究常化试验温度范围内磁感和铁损波动的绝对值均很小,常化温度在920℃左右即可得较好的铁损和磁感配合。

图6　成品反极图
・
55・
图7　常化温度对磁性的影响
3.4　冷轧制度与磁性的关系
传统高牌号无取向硅钢为确保低铁损,通常
是采用临界压下,最近开发的极柢铁损高牌号无取向硅钢有采用两次中等压下新工艺。

不同冷轧制度对全部试料铁损和磁感平均值的影响如图8所示。

结果表明,与临界压下法、两次中等压下法比较,采用一次冷轧法既可获得低铁损值,得高磁感值,有利于综合磁性水平改善。

可以认为,对本研究成分的特征钢来说,两次中等压下冷轧法虽然也能获得较好综合磁性,但增加冷轧和中间退火两道工序,因而也是不可取的。

采用一次冷轧法更有利于磁性的改善是否还与本次热轧板料偏薄(为1.80～1.90mm 、通常热轧板厚为2.0～2.3mm )能获得更合适的形变量和形变能有关尚有待进一步研究。

3.5　退火温度与磁性的关系
退火温度对磁性的影响从(1)热轧板状态—成品退火温度—磁性3者之间的关系;(2)冷轧制度—成品退火温度—磁性3者之间的关系两方面进行了研究。

不常化料不同热轧状态、冷轧制度、成品退火温度与磁性的关系如图9所示,由图可以看出:热轧板不经常化处理,且采用两次中等压下法时,在较低的温度范围内即可获取低铁损值;采用一次冷轧法时铁损值则是随着退火温度的升高而降低,最佳温度在940℃左右;采用临界压下法时,在整个试验温度范围内铁损值都最高,但基本稳定在同一水平。

磁感值与退火温度的变化均无明显关系,但一次法磁感值明显高,两次中等压下也有较高的磁感值,临界压下法磁感明显低。

综合评价可知,不常化时一次法可获得理想的铁损和磁感配合,但退火温度应控制在合适高的范围。

常化料不同热轧状态、冷轧制度、成品退火温度与磁性的关系如图10所示,由图可以看出:热轧板实施常化处理时,随着成品退火温度的升高3种冷轧制度的试样铁损均有改善,尤其是一次法和两次中等压下法,但其最佳温度在940℃左右,而磁感仍无明显变化,只是临界压下磁感仍为最低水平。

分析认为,在w (Si )相对较低时,例如试料w (Si )为1.80%～1.90%左右,获得平均最高磁感和最低铁损的退火温度是940℃左右,推知860℃和900℃退火没有完全再结晶,而940℃退火已达到形变再结晶和再结晶组织完善的程度,但再提高到980℃的高温已没有必要,还有可能引起部分成分偏
析区发生α→γ相变、破坏再结晶组织。

研究热轧板
常化、不常化和退火温度与磁性之间的关系如图11～12所示,可以看出:对于w (Si )较高的试料,例如w (Si )较高达2.45%左右时,形变应力较大,形变储能较高,较低的900℃左右即可完成再结晶,随着退火温度的升高,通常无相变发生,晶粒通过进一步粗化使铁损得到进一步改善,获得最低铁损的温度也上移到960℃左右,但不常化料磁感在950℃左右获得最大磁感,常化料磁感则没有明显变化。

可以认为,本研究特征成分S i 、P 等均是铁素体强化元素,可使冷轧态钢板的形变储能亦较高,950℃左右范围内即可完成充分再结晶,继续提高退火温度没有意义,其合适的再结晶退火温度虽然较高,但仍明显低于目前极低铁损的普通高牌号无取向硅钢(通常为
1000～1050℃
)。

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75・
图11　
热轧板状态退火温度与铁损的关系
图12　热轧板状态退火温度与磁感的关系
4　结　论
对于本研究成分、工艺特征的极低铁损高磁感无取向电工钢:
(1)Si 仍是获得极低铁损的最基本元素,但Si 在中、高含量范围之间时,其降低铁损的作用没有在普通硅钢中强烈,而恶化磁感的作用十分明显;
(2)Al 在w (Si )为中、高含量范围之间时,其降低铁损的效果比Si 明显,而降低磁感的幅度比Si 小,是获得极低铁损高磁感无取向电工钢的重
要元素;
(3)热轧状态对磁性有明显影响,其中热轧板经常化可获得更低铁损,但适当提高退火温度时,常化、不常化、缓冷3种状态热轧板成品最佳铁损可接近同一水平,常化是提高磁感的重要途径,缓冷提高磁感效果尤为明显,不常化板整体性能最差;
(4)冷轧制度对磁性有一定影响,其中一次冷轧法可获得较好的综合磁性,尤其是可获得高磁感,临界压下和两次中等压下法不适合生产极低铁损高磁感无取向电工钢;
(5)成品再结晶退火温度对磁性有不同的影响,在w (Si )较低时,一般是随着温度的提高能降低铁损,对热轧后缓冷料作用尤为明显,同时也降低磁感;而当w (Si )较高时,退火温度无论是对铁损和磁感的作用均不十分明显,但当退火温度高达960℃左右时,可使3种状态热轧板的成品磁性基本趋于一致。

(收稿日期:2003-01-06)
宝钢1550冷轧电工钢全年可增产1.28万t
经过半年的努力,由宝钢工程技术公司宝钢设计院承担设计的宝钢股份1550冷轧两条电工钢机组提速改造已初见成效,目前,该两条电工钢机组的实际生产运行速度已分别达到154m Πmin 和104m Πmin ,预计全年可增产电工钢1.28万t 。

为满足不断增长的市场需求,打通1550冷轧电工钢机组提速生产过程中的“瓶颈”,去年年底,宝钢设计院组织了精兵强将,深入现场,与冷轧厂技术人员一起,进行了机组的提速试验。

他们对提速过程中的设备和工艺能力参数进行了记录、收集和分析,提出了提速改造的设计方案。

经过为期6个月的设计、施工、调试,取得了预定效果。

目前,宝钢设计院正在组织实施下一步方案,通过冷轧硅钢退火工艺及涂层工艺的优化,结合涂层液输送泵、烘烤炉排烟系统及纠偏系统的改造,力争实现年增产目标。

(摘自中国冶金信息网)
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