化学成分对低牌号冷轧无取向电工钢铁损影响

      电工钢（硅钢）是重要的金属功能材料，主要用于制造电动机、发电机、变压器铁芯和各种电讯器材，按重量计占磁性材料用量的90%~95%。

      中、低牌号冷轧无取向电工钢片可用于中小型电机、家用电器压缩机、变压器、稳流器等。影响冷轧无取向电工钢电磁性能的主要因素有：晶粒尺寸、化学成分、内应力、钢板厚度和钢板表面状态等。其中，晶粒尺寸对无取向电工钢电磁性能的影响是十分明显的，而化学成分含量对最终晶粒的大小具有重要影响，本文研究了无取向电工钢的主要化学成分对铁损和晶粒大小的影响。

      1、试验研究

      用50kg真空感应炉熔炼试验研究用钢，试验用钢的成分按照钢厂实际生产的低牌号冷轧无取向电工钢成分设计，熔炼钢水经浇铸并将铸坯锻打成宽×厚=100mm×25mm的板坯。

      板坯经高温箱式电阻炉加热到1150℃ ，均热2h，后由350四辊/二辊热轧试验机轧制成2mm 带材，终轧控制温度为800℃，最后经保温缓冷至室温。

      带材经350四辊轧机冷轧至厚度0.5mm 带材，经保护气氛退火后，在带材上取样，测定其铁损值P1.5/50。试验各元素百分含量和铁损值大小见表1。

表1：试验低牌号冷轧无取向电工钢试样的成分含量及铁损 

      2、化学成分对铁损的影响

      2.1 C含量

      在本研究的成分范围内，当1.21%≤Si≤1.65%、0.25%≤Mn≤0.33%、0.013%≤P≤0.018%、0.013%≤S≤0.017%、Al含量在0.006%左右时，低牌号无取向电工钢中碳含量变化对铁损的影响如图1所示。

图1：钢中碳含量对低牌号冷轧无取向电工钢铁损的影响

      由图1可知，随碳含量的增加，无取向电工钢的铁损增大。在其余成分含量大体相当的情况下，碳含量为0.015%的1号试样铁损为7.13W/kg；碳含量为0.04%的9号试样铁损达到9.38W/kg；碳含量低的1号试样比碳含量高的9号试样的铁损要小2.25W/kg。

      碳对铁-硅相图有显著影响，碳能扩大γ相区，碳含量高会使无取向电工钢的相变温度降低，不利于产品的晶粒充分长大，最终导致产品铁损升高。所以，为实现高质量的无取向电工钢应保证钢中较低的碳含量，但是考虑到实际生产中保证很低的碳含量，会使转炉出钢钢液过氧化，金属收得率降低，同事也会对脱氧不利，因此应保证0.02%≤C≤0.04%。

      2.2 Si含量

      当C含量为0.04%、0.26%≤Mn≤0.33%、0.014%≤P≤0.018%、0.012%≤S≤0.017%、0.005≤%Al≤0.008%时，硅含量的变化对低牌号无取向电工钢铁损的影响如图2（a）所示。

图2：钢中硅（a）、磷（b）、硫（c）、锰（d）含量对低牌号冷轧无取向电工钢铁损的影响

      由图2（a）得出，在无取向电工钢中随硅含量的增加，铁损降低。要得到晶粒粗大、均匀的冷轧无取向电工钢产品，硅含量应适量增加，但如果硅含量过高，会对后续的轧制过程产生不利影响。

      研究发现硅含量为1.23%的9号试样铁损为9.38W/kg；硅含量为2.30%的12号试样铁损为6.51W/kg；硅含量为2.30%的12号试样铁损为6.51W/kg；9号试样比12号试样的铁损值高出2.87W/kg；而且9号试样的晶粒细小，12号试样的晶粒较粗大。

      硅是无取向电工钢中最主要的合金元素，对无取向电工钢的组织和电磁性能具有决定性影响。硅是缩小γ相区元素，硅含量的增加可以提高α相向γ相转变的相变温度，有利于产品晶粒粗大化，有利于减少晶界面，从而降低产品的铁损，提高产品质量和牌号。

      2.3 P含量

      当0.02%≤C≤0.04%、1.21%≤Si≤2.28%、0.25≤Mn≤0.33%、0.013%≤S≤0.017%、0.005%≤Mn≤0.008%时，磷含量的变化与铁损的关系如图2（b）所示。由图2(b)可知，磷含量增加，冷轧无取向电工钢铁损值有所升高，要得到低铁损冷无取向电工钢，磷含量应严格控制。当磷含量为0.010%时，铁损为7.25W/kg；当磷含量为0.018%时，铁损最高达到了9.38W/kg。

      在冷轧无取向电工钢中，磷对晶粒大小的影响具有双重性。一方面，磷能缩小γ相区，促使晶粒长大，对电磁性能有利；另一方面，磷会沿晶界偏聚阻碍晶界移动和晶粒长大，导致热轧后和冷轧再结晶后晶粒尺寸变小，最终使产品铁损升高。

      在实际生产中，要通过合理的成分设计和工艺控制，尽量降低磷的不利影响，增加磷的有利作用。

      2.4 S含量

      当0.02%≤C≤0.04%、1.95%≤Si≤2.28%、0.26%≤Mn≤0.30%、0.014%≤P≤0.016%、0.004%≤Al≤0.007%时，S含量变化对铁损的影响如图2（C）所示。

      由图2（C）可知，随钢中硫含量升高，铁损显著增加。当硫含量为0.008%时，铁损仅为5.90W/kg，硫含量为0.014%时，铁损仅为7.89W/kg；为得到高质量、低铁损的无取向电工钢产品，钢中硫必须降低。研究还发现硫含量为0.010%的4号试样的晶粒呈细长状，硫含量比4号试样低20×10^-6的3号试样的晶粒则显得粗大。

      硫对晶粒长大的影响主要体现在以下两个方面：（1）硫在晶界偏聚阻碍了产品在退火过程中晶粒的长大；（2）硫与锰形成细小的MnS夹杂，强烈阻碍晶粒的长大。当硫含量高时，形成的MnS细小夹杂对产品电磁性能的提高也是极为不利的。

      试验结果表明，硫含量为0.008%的3号试样的铁损值仅为5.90W/kg，显示出了优越的电磁性能；而硫含量为0.010%的4号试样的铁损值升高了1.29W/kg，可见无取向电工钢中的硫含量对产品晶粒大小的电磁性能的影响是明显的，为了得到较粗大的晶粒和低的铁损值，应尽可能降低产品中的硫含量。

      2.5 Mn含量

      锰含量的变化对低牌号无取向电工钢铁损的影响图2（d）所示，随低牌号无取向电工钢中锰含量的升高，铁损增加。

      试验中发现，C含量为0.04%、1.21%≤Si≤2.00、0.005%≤Al≤0.007%、P和S的波动分别在（20~40）×10^-6范围内的情况下，锰含量为0.26%时，铁损为5.46W/kg；当锰含量达到0.33%时，铁损达到8.39W/kg。

      锰是扩大γ相区元素，会降低硅钢的相变温度，不利于晶粒的长大和铁损的降低。

      2.6 Al含量

      在无取向电工钢中，铝对磁性能起到重要作用。铝总体上能提高电阻率和促使晶粒粗化，降低铁损。当硅钢中其余元素含量大致相同时，本试验中却发现，随钢中铝含量增加，铁损值反而升高，试验结果如表2所示。当铝含量为0.002%时，铁损值为8.33W/kg；当铝含量为0.021%时，铁损值为8.92W/kg；当铝含量达到0.210%，铁损值则到达到了9.4W/kg。出现这种结果，与冶炼过程中生成的细小AIN颗粒有密切关系。

表2：钢中铝含量对低牌号冷轧无取向电工钢铁损的影响

      据有关文献介绍，采用模拟CSP工艺生产的无取向电工钢存在铝的危险区问题。当Al<0.005%时，铝含量越低，阻碍晶粒长大的细小铝越少，铁损会明显降低；当Al>0.15%时形成粗大AIN，成品晶粒明显长大，同样降低铁损。但是当铝含量在0.005%~0.150%危险区范围内时，最易形成细小AIN，阻碍晶粒长大，铁损明显增高、磁性能恶化。在本试验中铝含量的设定与此危险区有很大的关系，试验过程中随着Al含量的提高生成了大量的细小AIN颗粒，阻碍了晶粒的长大。

      3、结论

      （1）要保证低牌号无取向电工钢的铁损小于7.00W/kg，钢种碳含量越低越好，应控制钢中C≤0.04%、P≤0.011%、S≤0.012%、Mn≤0.29%、Si≥2.0%。

      （2）冶炼无取向电工钢存在铝的危险区问题，为减少细小AIN的生成，低牌号无取向电工钢中铝含量应小于0.007%。

      （3）随着晶粒尺寸的增大，无取向电工钢的铁损降低，即晶粒尺寸越大，铁损越低。

      TNC编辑部整理