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国外取向电工钢生产技术发展动向(下)

二 无取向电工钢
 
冷轧无取向电工钢主要用于各种电机的铁芯材料,具有良好的磁性能和加工性能。随着人们对节能和环保的越来越重视,电机作为电力消耗的主要器件正在向高效化、小型化的方向发展。变频器(PWM)的出现更是使电机的工作方式发生了巨大的变化,变频控制使得电机工作频率由原来固定的50Hz或60Hz变为10-1kHz的范围,电机最大转速从原来的几千转/分钟提高到几万转/分钟,据报道美国的Calnetix公司已经开发出转速高达20万转/分钟的高速电机。
 
近年来无取向电工钢的研发工作都围绕高效电机用钢方面,目的就是为了节能和环保,典型用途为空调压缩机和电动汽车驱动电机。在这些用途方面,欧美主要采用异步感应电机而日本多采用埋有NdFeB永磁体转子的无刷式直流电机(IPM)。
 
1 提高高效电机用钢磁性的措施
 
(1)提高钢的纯净度,降低S、N、O、C等杂质元素含量
 
日本的研究人员采用电解铁(10ppmC;5ppmN;50ppmO;1ppmS、P、Mn)生产出0.35m厚的无取向电工钢P15达到了1.7w/kg,而目前35H210为2w/kg。
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2)加入有利元素改善织构
 
工钢成品织构是影响钢带磁性能非常重要的因素,各个厂家在对通过工艺提高电工钢磁性能外开始更多的关注于织构的控制技术。对于织构的控制除了对工艺的调整控制外,添加一些有利于改善织构的元素也非常有效。
 
主要措施有:新日铁添加1%Mn的低碳低硅电工钢在适宜的工艺条件下能显著改善改善成品织构,降低{111}组分,提高{100}组分;Sb和Sn是一种典型的晶界偏聚元素,Sb和Sn的晶界偏聚能有效的阻止热轧板原始晶界上{111}取向晶粒的再结晶形核,但过量Sb和Sn的添加会对阻碍正常晶粒长大。目前新日铁和川崎都有采用这种方法的产品;俄罗斯新利佩茨克厂在Si<0.07wt%钢中添加0.2-0.3wt%P来使成品晶粒粗大同时提高{100}面组分,日本的住友金属在(Si+2Als-Mn≥2%)电工钢中添加O.06-0.16wt%P通过P的晶界偏聚来降低{111}组分的比例。
 
(3)热轧板常化工艺
 
使热轧板组织均匀化,成品钢带晶粒尺寸分布均匀,磁性提高。
 
(4)Si<1.5wt%电工钢采用半工艺产品的方法。
 
美国采用罩式炉退火加平整的工艺生产的0.47mm后的电工钢P15<3w/kg,常规牌号0.5mm厚电工钢P15为2.78-2.96w/kg。
 
(5)产品厚度减薄
 
由通用的0.5mm和0.35mm减薄到0.30-0.25mm进一步降低涡流损耗。
 
以变频空调为例,中国目前变频空调是普通空调价格的1.5倍,其中变频压缩机和变频电控系统更是普通空调的2倍以上,巨大的价格差距制约了变频家电的普及。不过随着国产变频控制系统的日渐成熟以及人们对节能降耗和环保的越来越重视,变频家电和电动汽车会越来越普及,因此高效电机用冷轧无取向电工钢的用量会越来越大。
 
2 无取向电工钢薄带的开发
 
无取向电工钢薄带是高效电机用电工钢非常特殊的一类,主要用于一些工作频率较高的电机中,由于电机工作频率的提高使得铁损中的涡流损耗大幅提高,减薄钢带厚度是最为有效的手段,国外各大电工钢生产厂家大都开发了相应的新牌号产品。
 
新日铁开发了低高频铁损系列有4个牌号:15HTH1000、20HTH1200、20HTH1500和20HTH1800。其高频铁损P1.0/400比通用的35H250和50H310低1/2-1/3。以20HTH1200为例,P1.0/400=11W/kg,B50=1.63T,屈服强度=420MPa。主要工艺要点是尽可能提高Si含量的同时降低C、S、N、Ti等不利元素的含量。热轧板经过高温常化后一次冷轧到0.2mm,高温连续炉退火,最终冷轧压下率控制在85-93%。0.15mm的产品采用二次冷轧法生产,热轧板也要经过高温常化。
 
川崎开发RMHF系列,共3个牌号:20RMHF1200、20RMHF1500和25RMHF1500。其硬度Hv≤200,冲片性好,与通用的0.35mm厚无取向电工钢高牌号35RM210相比,B50提高0.01-0.02T。以20RMHF1200为例,P1.0/400=11W/kg(0.15mm厚板P1.0/400=9.6W/kg,0.1mm厚板P1.0/400=8.5W/kg),比35RM210降低30%。
 
日本钢管也有0.2mm和0.3mm的产品,主要工艺要点为:采用低S含量的高纯净钢,添加对织构有利的元素,热轧板采用预退火工艺。0.3mm厚磁性能为P1.0/400=14.3W/kg,B10=1.43T。0.2mm产品磁性能为P1.0/400=11.6W/kg,B10=1.42T。
 
3 高强度无取向电工钢的开发
 
由于电机转速的提高,电机对铁芯材料的强度要求也越来越高。国外各个电工钢生产厂家都进行了研发并有了相应牌号的产品。
 
新日铁高强度系列有3个牌号:15HST780Y、20HST570Y和20HST780Y,主要用做电机转子材料。其屈服强度比通用的35H250高1.5-2.0倍,同时保持磁性能不降低。以15HST780Y为例,铁损比35H250低1/2,而屈服强度(841MPa)则高一倍。其主要手段是在钢中填加P、Mn、Ni等元素通过固溶强化来提高钢带强度。
 
川崎在0.35mm厚的3%Si电工钢中添加1-3%Cu、1-3%Ni,添加Ni通过固溶强化来提高钢带强度,最终退火后在400-650时效处理后,析出<20nm的ε-Cu通过析出强化来提高钢带强度。
 
住友金属在2-3%Si电工钢中添加0.05-0.2Nb,<780%最终退火,来阻碍最终退火过程中再结晶晶粒的形成,使成品再结晶晶粒比例<25%,以形变和回复组织为主,来提高钢带强度。
 
三 电工钢生产工艺进展
 
1 薄板坯连铸连轧生产电工钢
 
薄板坯连铸连轧是近年来得到快速发展的钢铁工业新技术,具有生产周期短、能耗低、生产效率高等特点。电工钢生产工艺复杂,能源消耗严重,如果能大量采用CSP工艺生产电工钢将对钢铁企业节能降耗有很大帮助。部分厂家已经开始采用CSP工艺生产电工钢,其中德国Thyssen-Krupp公司在2002年用CSP法生产约40万t无取向电工钢。
 
从技术观点来看采用CSP工艺生产无取向电工钢有以下优点:
 
(1)薄铸坯晶粒小且均匀,微观偏析减少。由于连铸后立即进入加热炉均热和热轧,纵横向温度更均匀,热轧板卷板板型好,尺寸更精确,制成的电工钢成品钢卷纵横向磁性也更均匀,厚度偏差小。
 
(2)铸坯中柱状晶径向为{100}<uvw>,由于省掉了初轧工序和热轧压下率小,柱状晶未完全破坏,无取向电工钢中有利的{100}面织构组分增多B50值比通用工艺生产的产品高,P15相当或更低。
 
(3)由于薄铸坯晶粒小,制成的>1.7%Si(无相变)的无取向电工钢成品表面无瓦垄状缺陷,连铸时有可能不需要进行电磁搅拌。
 
(4)采用CSP工艺可热轧成厚度为O.8-1.5mm的热轧带卷(通用工艺无法做到),以后经一次冷轧法就可生产0.15-0.2mm厚无取向电工钢(按通用工艺生产必须经二次冷轧法)因此制造成本降低。
 
马钢采甩CSP生产工艺已成功生产出中低牌号无取向电工钢。
 
至今只有原意大利Terni公司曾经利用CSP工艺正式生产过取向电工钢。该工艺可将50-60mm厚的铸坯直接进行热轧,缩短工艺流程;由于铸坯加热温度降低至1150-1250,同时也具有低温板坯加热方式的优点。采用CSP工艺生产取向电工钢,快速凝固和较低的偏析程度有助于MnS和AlN的尺寸减小以及均匀分布,避免了传统高温加热带来的热裂纹等缺陷。固溶温度的降低,也使热轧时析出的MnS和常化时析出的AlN更加细小,抑制能力更强;而后期高温渗氮工艺进一步增强了对初次再结晶晶粒长大的抑制作用。CSP工艺省掉了粗轧工序,因此成品带卷的磁性能更加均匀,热轧板型和塑性良好。由于热轧板厚度更薄(1.5-2.Omm),采用一次冷轧法即可生产0.23mm和更薄的产器。同时由于铸坯晶粒小,成品不易出现线状细晶,因此可以提高成材率,降低生产成本。
 
2 双辊薄带铸轧工艺生产电工钢
 
目前现行的电工钢生产工艺中都不可避免的存在热轧工序,而薄带铸轧工艺在生产过程中融“铸”和“轧”为一体,具有工艺流程短、投资少、能耗低、环境负荷低等优点。
 
双辊薄带铸轧工艺是比薄板坯连铸更为高效的板带材生产技术,可以由钢液直接浇铸出1-5mm厚度的带坯进行冷轧,完全省去热轧工序,大大缩短工艺流程,提高生产效率,是未来取向电工钢生产发展的趋势之一。采用双辊薄带连铸技术生产取向电工钢,抑制剂必须在由结晶辊出口到卷曲机这短短1min之内的时间析出,需要通过热轧板常化来稳定和调整。经过多年的研究,现已经取得一定进展,如调整化学成分并在线热机械处理,以获得更高的韧性和冷加工性;以及通过控制冷却速率和在线形变来获得有效抑制剂,并通过高温渗氮处理增强抑制作用。然而利用双辊薄带连铸生产取向电工钢实现商业化仍有一段距离。除了满足磁性能要求,产品的其他性能如外形、厚度公差、表面缺陷,组织均匀性等也要达到或超越传统产品水平,因此还需要进一步研究探索。
 
目前采用双辊薄带铸轧工艺生产电工钢正处于实验阶段,如果能够工业化将进一步降低电工钢生产过程中的能源消耗。宝钢、东北大学以及中国钢研科技集团等单位正在进行这方面的科研工作。
 
 全文结束

TNC编辑部整理

链接:国外取向电工钢生产技术发展动向(上)

关键词:取向电工钢生产技术

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