无取向硅钢的生产工艺及性能

无取向硅钢的生产工艺及性能

王晓龙李新乐张晗吴瑶瑶

内蒙古科技大学包头市014010

摘要：无取向硅钢俗是电力、电子和军事工业不可或缺的含碳极低的硅铁软磁合金，它属于铁磁性物质。本文介绍了无取向硅钢在我国近些年的发展现状并对未来的发展趋势做了展望。介绍了无取向硅钢的生产工艺流程以及无取向硅钢的性能要求，同时分析了影响无取向硅钢的主要因素。

关键词：无取向硅钢；生产工艺；性能

1无取向硅钢简介

硅钢俗称矽钢片或硅钢片，是电力、电子和军事工业不可或缺的含碳极低的硅铁软磁合金，主要用作各种电机、发电机和变压器的铁芯。无取向硅钢是含碳很低的硅铁合金。在形变和退火后的钢板中其晶粒呈无规则取向分布。

2生产工艺

冷轧无取向硅钢制造工艺流程[1]为：冶炼→真空处理→连铸→热轧→常化→冷轧→退火→绝缘涂层

2.1冶炼

在冶炼过程中，随着硅含量提高，钢水温度升高，出钢温度约降低10℃，因为真空处理后加入硅铁量多，钢水温度升高。连铸法浇筑时间长，出钢温度比铸模法约高20℃。

2.2真空处理

沸腾钢水经真空处理，通过碳和氧的化学反应同时进行脱碳和脱氧，使碳降到0.005%以下，氧降到0.005%以下。

2.3连铸

硅钢的连铸采用连铸+电磁搅拌技术，经电磁搅拌后等轴晶占55%~70%，这样能有效的减轻了表面缺陷。

2.4热轧

铸坯装炉前在大于150℃进行表面清理，然后放在保温坑中保温和缓冷。铸坯在加热炉中要缓慢加热，特别是在700~800℃以下更是如此。

2.5常化

大于2%Si钢采用一次冷轧工艺时，热轧板必须常化，主要目的是使热轧板组织更均匀，使再结晶晶粒增多，防止瓦状缺陷。同时使晶粒和析出物粗化，磁性明显提高。

2.6退火

退火是把钢加热到一定温度后保温一段时间再缓慢冷却的工艺操作。冷轧中间退火的目的主要是使受到高度冷加工硬化的金属重新软化。二次冷轧法的中间退火温度一般为830~870℃。随Si+Al量增高，温度增高。最终退火制度为850~860℃。最好采用干燥气氛退火，以防形成内氧化层和内氮化层。

2.8绝缘涂层

绝缘涂层主要采用半有机涂层。无机涂层的层间电阻高，叠片系数也较高，耐热性和焊接性好，而冲片性较差。半有机涂层冲片性好，绝缘性、耐热性和焊接性则较低。

3.性能要求

3.1铁芯损耗低

电工钢铁损低，既可以节省大量电能，又可以延长电机寿命，简化冷却装置。

3.1.2磁感应强度高

磁感磁感应强度是铁芯单位截面积上通过的磁力线数，它代表材料的磁化能力。当电机和变压器的功率不变时，磁感应强度高，铁芯的横截面积可缩小，这使得铁芯体积减小，重量减轻，并节省电工钢板、导线、绝缘材料和结构材料用量，降低电机和变压器的总损耗和制造成本。

3.1.3对磁各向异性的要求

电机是在运转状态下工作，铁芯是用带齿圆形冲片叠成的定子和转子组成，要求电工钢板为磁各向异性，因此用冷轧无取向硅钢制造。

3.1.4磁滞伸缩小

磁化时，材料尺寸沿磁化方向发生变化，是变压器产生噪音的一个重要原因，除特殊场合，一般不作要求。

3.1.5钢板表面光滑、平整和厚度均勾

要求电工钢表面光滑、平整和厚度均勾，准确的尺寸精度，极小的同板厚度差，主要是为了提高铁芯的叠片系数。叠片系数高意味着铁芯体积不变时电工钢板用量增多而有更多的磁通密度通过，有效利用空间增大，空气间隙减少，这使激磁电流减小。

3.2影响因素

3.2.1化学成分

（1）硅：Si加入Fe中，提高电阻率、降低铁损。硅能显著的减少硅钢内的涡流损失从而总铁芯损失减少，硅还可以提高相图中A3线和A4线临界温度，在Fe—Si相图中形成闭合的圈。所以高硅硅钢片多经高温退火来使钢组织均匀，晶粒粗化，夹杂聚集。硅可以减少晶体各方向异性，使磁化容易，磁阻减少。硅还能减轻其它杂质的危害，使碳石墨化，降低对磁性的有害影响。硅和氧有很强的亲和力，有脱氧的作用。硅可以减少碳、氧和氮在钢中的脱溶引起的磁时效现象。在强磁场下Si降低磁感强度，Si还能使钢变脆，难以轧制变形，导热性降低。

（2）碳：成品中残留C，则出现磁时效，另外C增大矫顽力，加大磁滞损失，降低磁感强度。C对磁性能影响随钢中C含量和的C存在形式而变化，如以石墨态存在时，影响不显著，C对Fe—C相图也有显著影响。

（3）锰：锰与硫形成MnS可防止沿晶界形成低溶点的而引起热脆现象，因此要保证一定量的锰来改善热轧塑性，含量应大于0.01%。其次，猛可以扩大γ相区，MnS在γ相中的固溶度乘积比在α相中的低，可促使MnS粗化，有利于晶粒长大[2]。

（4）磷：磷可以提高电阻率、缩小γ相区，促使晶粒长大，降低铁损。在低碳电工钢中，常加入P强化铁素体，提高硬度，改善冲片性能。

（5）氮、硫：N通过生成有害的AlN沉淀，使磁性变坏；S通过在基体中存在MnS微细质点以及在晶界上存在自由S，使磁性变坏。

（6）铝：Al作用与Si相似，对磁性有利，但使钢变脆，Al含量大于0.5%时硅钢明显变脆，但与高硅钢相比仍有较高的塑性。

（7）稀土：铈阻碍了无取向硅钢的再结晶过程。铈的加入使无取向硅钢的最终晶粒尺寸增大，稀土加入钢中改善加工性能，改善瓦特损失[3]。

3.2.2组织对性能的影响

（1）晶粒大小：增大晶粒会使晶粒边界减少，晶界处的缺陷多，内应力大，从而使磁滞损失减小，同时由于电阻的减小，使润流损失增大。为了降低铁损有一个合适的临界晶粒尺寸。另外，在弱磁场下，粗晶粒对磁感和磁导率有利；而在强磁场下，细晶粒对磁感和磁导率更有利。

（2）晶粒取向：对于无取向硅钢，要求为磁各向同性，但由于{100}面有两个<001>易磁化方向，因此希望形成{100}面织构，使平行于钢板表面的任意方向都有较多的<001>晶向。

（3）应力：应力分内应力和外应力两种，这两种应力都会对硅钢的磁性产生影响。钢中间隙原子及夹杂物的存在使晶体产生很大的内应力、快速冷却时产生的热应力都会降低铁芯损失，但对磁感不利。

（4）非金属夹杂物：硅钢中的非金属夹杂物如Al2O3、FeO、FeS等都为非铁磁性，它们的存在能阻止晶粒长大，从而形成内应力，降低磁导率，所以对磁性不利。对硅钢中存在的夹杂物希望能集中成大块球状，以减小对磁性的影响。

3.2.3生产工艺参数

（1）终轧温度：在热轧过程中，终轧温度越接近Ar1，晶粒越大。另外，终轧温度较低的钢的晶粒度最小，这是因为材料在晶界上产生了较大比例的细小等轴晶粒。生产中发现，对热轧终扎温度的控制非常困难，往往带钢头部的温度没有达到目标值。因此，无取向电工钢的终轧温度应进一步提高，尽可能接近Ar1，这对磁性的改善是非常重要的[4]。

（2）板厚：硅钢板材的厚度影响铁损中的涡流损失，板厚增加，会使铁损提高，但板厚增加，磁感也相应升高。钢片越薄，涡流损失越小，但磁滞损失增大[5]。

（4）层流冷却：无取向电工钢要求热扎后冷却速度慢，以使晶粒有充分长大的时间。因此，工艺上应采取后段冷却方式[11]。

结论

（1）冷轧无取向硅钢制造工艺流程为：冶炼→真空处理→连铸→热轧→常化→冷轧→退火→绝缘涂层。

（2）无取向硅钢性能要求铁芯损耗低、磁感应强度高、磁滞伸缩小、良好的磁各向异性等。

（3）影响无取向硅钢的性能因素主要有化学成分、组织、生产工艺参数。

参考文献：

[1]张正贵.无取向硅钢织构与性能的研究[D].东北大学，2008.

[2]MagneticPropertiesofSpray-formedFe-6.5%Si.BolfariniC.Materials.2006

[3]师彩娟，任慧平，金自力等.铈对无取向硅钢再结晶组织及织构的影响[J].稀土，2015，36（02）：78-81.

[4]张文康，毛卫民，王一德等.热轧工艺对无取向硅钢组织结构和磁性能的影响[J].钢铁，2006（04）：77-81.

[5]熊文涛，郭德福，丁美良等.冷轧无取向硅钢横向厚度差控制技术[J].钢铁，2016，51（01）：65-69.