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】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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 有利于提尚电机的尚效性，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。
[0004] 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)热乳板常化或预退火处理。
[0005] 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、0、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乳原料，进行热连乳、5机架冷连乳，退火，最 终得到磁性优良的无取向娃钢。C.K.Hou等人（C.K.Hou，C.C. Liao. Effect of cerium content on the magnetic properties of non-oriented electrical steel. ISIJ International, 2008, 48(4) : 531~539.)研究了 Ce对无取向娃钢电磁性能的影响，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。
[0006] 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.B0F-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Al 203-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Al 203-MnS等形成的各种复合夹杂物，小于0. 4 y m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% 彡（Si+2A1)彡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。
[0007] Lyudkovsky G 等人（G. Lyudkovsky. P. K. Rastogi. Effects of boron and zirconium on microstructure and magnetic properties of batch annealed Al-killed low carbon steels. IEEE Transactions on Magnetics, 1985, 21 (5) : 1912 ~1914.)石开究 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Y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.含硼冷乳无取向硅钢的研制.上海金 属，2003, 25(4) : 21~24.)进行了含硼冷乳无取向硅钢的研制，结果表明，在无取向硅钢中 加入硼，可使热乳过程中发生T-a相变，增加热乳卷再结晶比例，消除成品瓦楞状缺陷。
[0008] 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。
[0009] 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】
[0010] 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A1N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、尚磁感的尚效电机用无取向娃钢的生广。
[0011] 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。
[0012] 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 彡 0? 005%，Si :0? 8%~1. 7%，Mn :0? 3%~0? 6%，A1 :0? 2%~0? 4%， P 彡 0? 015%，S 彡 0? 004%，N 彡 0? 004%，T[0]彡 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、热乳、常化、酸洗、一次冷乳、中间退火、二次冷乳和成品退火，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 〇? 5mm 时，P15/5Q= 3. 6 ~3. 9W/kg，B 5_= 1. 76 ~1. 80T〇
[0013] 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%，A1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，还可促进冷乳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%~ 〇. 6%。为了抑制乳制和退火过程MnS、A1N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彡0? 005 %，P彡0? 015 %，S彡0? 004 %，N彡0? 004 %， T[0] < 0.003%。优化冷乳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，以进一步提尚娃钢的综合磁性能。
[0014] 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：
[0015] (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；
[0016] (2)锻造：铸锭加热温度为1150°C，保温时间为lh，锻后尺寸为80mmX70mmXL的 钢坯；
[0017] ⑶热乳：钢还开乳温度为1180°C，开乳初始厚度为70mm，乳制道次为7道次，终 乳温度为870 ± 20 °C，终乳厚度为2. 5mm;
[0018] (4)常化：钢带常化温度为920°C，保温