用于直驱型风力发电机的无取向硅钢的制备方法与流程

本发明涉及无取向硅钢生产技术领域，尤其涉及一种用于直驱型风力发电机的无取向硅钢的制备方法。

背景技术

目前，直驱型风力发电机一般采用永磁同步电机结构，以便获得更高的发电效率。但是目前用于直驱型风力发电机中无取向硅钢存在低频性能不佳的问题，不能满足直驱型风力发电机的要求。一般低频性能的评价参数为p1.5/10≤0.60w/kg，b5000≥1.730t。

如申请公布号为cn106487117a的中国发明专利申请文件，其公开了一种风力发电机定子用硅钢片，所述硅钢片本体(1)由多个相同中心角的扇形硅钢片单元(2)焊接而成，所述硅钢片单元(2)的内边缘向内凹设有多个线槽(3)，所述硅钢片本体(1)的宽度为130～160mm，厚度为0.3mm，硅钢片的化学成分是：c0.04～0.05wt％，si3.20～3.80wt％，mn0.06～0.07wt％，p0.010～0.017wt％，s0.004～0.005wt％，sn0.08～0.128wt％，cu0.10～0.15wt％，al0.05～0.06wt％，其余为fe。该发明风力发电机定子用硅钢片及其轧制方法节省材料，铁损值较低，但没有性能指标，特别是没有低频性能，也没有强调耐蚀能力。

又如申请公布号为cn106435395a的中国专利申请文件，其公开了一种风力发电机定子用硅钢片，所述硅钢片本体(1)由多个相同中心角的扇形硅钢片单元(2)焊接而成，所述硅钢片单元(2)的内边缘向内凹设有多个线槽(3)，所述硅钢片本体(1)的材料为：c0.06-0.08％、si2.6-3.2％、mn0.15-0.25％、als0.02-0.03％、co0.2-0.25％、cr0.15-0.25％、sn0.05-0.1％、v0.03-0.05％、hf0.015-0.025％、ta0.008-0.012％、b0.002-0.003％、n0.004-0.005％、sc0.02-0.03％、gd0.015-0.025％、yb0.01-0.02％、p≤0.05％、s≤0.0025％，其余为fe。该发明添加co、sc、gd、yb等贵金属，不利于降低成本，且没有其它性能指标要求。

又如授权公布号为cn105886932b的中国发明专利，其公开了一种高功率因数电机用无取向硅钢，其组分及wt％为：c：≤0.0020％，si：1.70～1.90％，mn：0.10～0.20％，p：≤0.05％，s：≤0.0030％，al：0.25～0.35％，cr：0.05～0.50％，n：≤0.0020％；生产步骤：采用纯净钢模式冶炼并成坯；对铸坯加热；热轧；卷取；常化；酸洗；冷轧；在n2+h2气氛下成品退火；按常规进行冷却、涂层及精整。该发明厚度为0.50mm，铁损p1.5/50≤3.3w/kg，b5000≥1.74t。该专利重在获得较高的功率因数，没有低频性能，也没有防锈性能。

又如授权公布号为cn104294185b的中国发明专利，其公开了一种高效电机用无取向电工钢，其化学组分及重量百分比为：c：≤0.0030％，si：1.9～2.1％，mn：0.28～0.32％，al：0.10～0.60％，p：0.01～0.06％，s≤0.0050％，cu：0.10～0.30％，sb：0.02～0.05％，n≤0.0030％；生产工艺：冶炼；开坯；反复锻打成方坯；加热；热轧；常化；酸洗；冷轧；热处理。该发明厚度为0.50mm，铁损p1.5/50≤3.3w/kg，b5000≥1.73t。该发明旨在高效电机上应用，没有强调低频性能，也没有强调获得低频性能的生产方法。

再如授权公布号为cn103436796b的中国发明专利，其公开了一种变频压缩机用无取向电工钢，其化学组分及重量百分比为：c：0.001～0.015％，si：2.0～2.5％，al：0.15～0.55％，mn：0.15～0.55％，cr：0.01～0.039％，sn≤0.12％，p≤0.08％，s≤0.015％，n≤0.008％；生产工艺：采用洁净钢工艺冶炼并连铸成坯；将连铸成坯加热；粗轧；精轧；卷取；常化；酸洗；冷轧；脱碳；均热；按常规进行冷却、涂层及精整。该发明在保证磁性能，即p1.5/50≤2.65w/kg，b50≥1.68t的前提下，兼顾了较好的机械性能，即伸长率与屈强比之比在0.37～0.43，同时满足了制造变频压缩机铁芯的高速冲片和磁性能要求。该发明考虑了变频及其性能，但对低频工作条件下的性能没有具体指标，也没有考虑耐蚀性。

综上所述，目前同时具有较好低频性能和耐蚀性能的无取向硅钢的制备方法均未见报道，对于海上直驱型风力发电机除了要求硅钢材料具有较高的低频性能外，同时还要求较好的耐蚀性，因为海上海水的盐分含量高易腐蚀发电机中的硅钢材料，因此，亟需一种低频性能和耐蚀性良好的无取向硅钢来满足海上直驱型风力发电机的要求。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种用于直驱型风力发电机中具有较好低频性能和耐蚀性能的无取向硅钢的制备方法。

为实现上述目的，本发明所设计的用于直驱型风力发电机的无取向硅钢的制备方法包括冶炼和连铸成坯、热轧、常化、酸洗冷轧、碱洗连续退火工序，其特征在于：所述冶炼工序中，无取向硅钢的钢水含有的化学成分及其重量百分比为，c：≤0.0030％，si：1.85～2.24％，mn：0.15～0.22％，p≤0.030％，s≤0.0030％，al：0.25～0.38％，n≤0.0025％，cr≤0.12％和/或cu≤0.12％，sn≤0.11％和/或sb≤0.055％，其余为fe及不可避免的杂质；同时要满足：si+al+mn+cr+cu+sn+sb为2.5～3.0％；sn+sb为0.05～0.16％，s+n≤0.0055％，并且(sn+sb)/(s+n)为10～30。

与现有技术相比，本发明首先对无取向硅钢的钢水各成分以及各成分的范围进行调整，钢水的化学成分控制主要是指钢中碳、硅、锰、磷、硫等主要合金元素和铬、铜、锡和锑等调质元素的控制。以下对本发明中无取向硅钢的钢水各成分以及各成分的范围进行详细说明。

c，炼钢中将c的含量控制≤0.0030％，可免去在后续的退火工序中脱碳，避免成品发生磁时效。

si，可增加电阻但又会降低饱和磁密(bs)。当si<1.85％时，铁损会增高，但si>2.24％，则磁密会降低。为兼顾成品磁性能，si的含量应控制在1.85～2.24％范围内。

mn，可控制s的有害作用，有利于取得粗大的mns。当mn<0.15％时，对改善轧制性能不利，但mn>0.22％，该有利作用不明显，且增加成本，因此，mn的含量应控制在0.15～0.22％。

p，是残余元素，所以含量控制在≤0.030％。

al，能够增加电阻及促进晶粒长大。一般的加入量为0.25～0.50％但这个加入量会形成对磁性不利的aln及内氧化层，经大量的试验研究，当al≤0.03％时，会显著减少形成aln和内氧化层量从而提高磁性亦有利于降低成本。因此控制al≤0.03％。

cr和cu，添加其中的一种或两种，cr和cu在本发明中的作用是提高防锈性能，总量分别控制在≤0.12％。

sn和sb，添加其中的一种或多种，sn、sb均为易在晶界偏聚元素，有利于抑制在晶界形成对磁性不利的(111)面织构。低于0.05％达不到改善织构的效果，而高于0.16％则成本升高，同时影响表面质量，所以控制(sn+sb)总含量在0.05～0.16％。

s和n，均为对磁性不利的元素，应尽量减少，因而控制(s+n)≤0.0055％。

为了充分发挥sn和sb增加有利织构的作用，需要进一步降低s和n的含量，因此将(sn+sb)/(s+n)控制在10～30，若比值大于30，需增加成本并产生不利影响，而比值小于10则达不到所要效果。

作为优选方案，所述冶炼工序按纯净钢模式冶炼，具体过程为，向钢水中加入低硫石灰、低硫废钢辅料控制钢水的硫含量，所述低硫石灰占钢水重量百分比为0.6％～1.0％，所述低硫废钢占钢水重量百分比为11％～20％；添加稀土或钙处理进一步净化钢质，促进钢液中夹杂物改性并上浮成渣，所述稀土占铁水重量百分比为0.08～0.13％，然后控制氧化物夹杂物mno+al203+si02总量中mno的重量百分含量<15％，sio2含量>75％。

夹杂物去除的目的是净化钢水，进而提高硅钢的磁性能。夹杂物在钢水中的上浮分三个阶段进行，从脱氧夹杂物的形成到传输到钢渣界面，最后在粘性力、界面张力的作用下进入熔渣，从而达到去除的目的。本发明首先向钢水中加入低硫石灰、低硫废钢辅料控制钢水的硫含量，添加稀土元素或钙处理进一步净化钢质，促进钢液中夹杂物改性并上浮成渣，最后通过控制氧化物夹杂物mno+al203+si02总量中mno和sio2的含量可以增大成品晶粒的尺寸进而降低铁损。因为mno熔点低，氧化物复合夹杂中mno含量高，在较高温度热轧时处于熔化或半熔化状态，并沿轧向伸长，退火时会阻碍晶粒长大。如果只单独控制mno的含量会导致钢中的mns分布状态不稳定，细小mns数量最多，因此需要进一步控制sio2的含量，因为mns多以sio2为核心析出而形成粗大mns，铸坯加热时不易固溶，以后析出的细小mns数量少，成品晶粒粗大，铁损进一步降低。

作为优选方案，所述热轧工序的工艺参数为，控制在炉时间为3～4h，出炉温度为1140～1180℃；经大压下反复8道次粗轧后进行7道次精轧，控制终轧温度为840～880℃，卷取温度不低于720℃，热轧钢卷厚度为2.0～2.5mm。

与现有技术相比，本发明对热轧工序进行优化来进一步提升无取向硅钢的磁性能。热轧工序中若在炉时间<3h，钢坯温度不均匀，影响轧制的稳定性，而在炉时间>4h，会增加mns、cus、aln等第二相夹杂物的数量，对磁性能不利，因此控制在炉时间为3～4h。出炉温度<1140℃，会增加轧制力，导致板型不合格，而出炉温度>1180℃，则耗能增加，因此要求出炉温度为1140～1180℃。若终轧温度<840℃，对磁性能不利，而终轧温度>880℃，则要更高的出炉温度，增加能耗，因此要求终轧温度为840～880℃。若卷取温度高，能使热轧卷内部晶粒组织在随后的降温过程中发生回复与再结晶长大，对改善磁性能有利，因此卷取温度要求不低于720℃。

作为优选方案，所述常化工序的工艺参数为，控制升温速度为24～30℃/s，常化均热温度915℃～980℃，保温时间40～55s和冷却速度为17～23℃/s。

常化处理是提高磁性能的常见手段之一，若升温速度<24℃/s，会浪费更多的产能；而升温速度>30℃/s，则增加设备成本，因此控制升温速度为24～30℃/s。若常化均热温度<915℃和保温时间<40s，都不利于获得更好的磁性能；而常化均热温度>980℃和保温时间>55s，都要改造现有设备和增加备品备件的消耗，因此常化均热温度915℃～980℃，保温时间40～55s。若冷却速度<24℃/s，会浪费更多的产能；而冷却速度>30℃/s，则增加设备成本，因此控制冷却速度为17～23℃/s。

作为优选方案，所述酸洗冷轧工序中，冷轧板厚度为0.50±0.010mm。

冷轧是实现高厚度精度的关键步骤，本发明控制冷轧板厚度为0.50±0.010mm，一方面是用户对成品高精度的要求，另一方面是为了避免产生磁性能的波动。

作为优选方案，所述成品连续退火工序中，控制成品退火的升温速度为18～22℃/s，均热温度910～955℃，均热时间60～75s和冷却速度为12～18℃/s，气氛为纯n2；然后空冷并涂布t4涂层，涂布量为0.5～1.5g/m²。

成品连续退火是实现磁性能和力学性能匹配的关键步骤，若升温速度<18℃/s，会减少均热保温时间；而升温速度>22℃/s，则对设备要求高，不利于稳定运转，因此控制成品退火的升温速度为18～22℃/s。若均热温度<910℃和保温时间<60s，都不利于获得最佳的晶粒组织；而均热温度>955℃和保温时间>75s，都需要增加备品备件的消耗，因此，控制均热温度910～955℃，均热时间60～75s。若冷却速度<12℃/s，会造成更多的产能浪费；而冷却速度>18℃/s，则增加设备成本，因此，冷却速度为12～18℃/s。若涂布量<0.5g/m²，对表面绝缘不利；而涂布量>1.5g/m²。则影响钢板的焊接性和冲片性，因此，控制涂布量为0.5～1.5g/m²。

本发明的优点在于：与现有技术相比，本发明在冶炼工序中对无取向硅钢的钢水各成分以及各成分的范围进行调整，降低无取向硅钢的铁损、提高磁性能以及提高耐蚀性能，即改善无取向硅钢的低频性能和耐蚀性能。通过夹杂物去除工序，提高钢水的纯净度，获得c、s、n、0都小于20ppm的纯净钢水，进一步提高无取向硅钢的磁性能。本发明通过改进生产工艺来进一步减小夹杂物对无取向硅钢的磁性能和力学性能降低的影响。

附图说明

图1为实施例5的盐雾效果图；

图2为对比例3的盐雾效果图。

具体实施方式

为更好地理解本发明，以下将结合具体实例对发明进行详细的说明。

为解决现有无取向硅钢存在低频磁性能不能满足直驱型风力发电机的要求的问题，本发明提供一种无取向硅钢的制备方法，本发明通过对钢水中化学成分范围和钢材的洁净度以及各工序工艺的调控来实现无取向硅钢的低频性能和耐蚀性能的提高。具体地说，通过添加sn、sb、cr和cu对化学成分进行优化；通过严格控制氧化物类夹杂提高钢材的洁净度；通过冶炼、热轧、常化以及冷轧和成品连续退火工序参数的调整实现成品性能调控；以下将通过具体的实施例来对本发明用于直驱型风力发电机的无取向硅钢的制备方法的优选方式进行详细地说明。

实施例1～12

实施例1～12中的无取向硅钢按如下步骤制造而成：

1)冶炼和连铸成坯：无取向硅钢的钢水含有的化学成分及其重量百分比为，c：≤0.0030％，si：1.85～2.24％，mn：0.15～0.22％，p≤0.030％，s≤0.0030％，al：0.25～0.38％，n≤0.0025％，cr≤0.12％和/或cu≤0.12％，sn≤0.11％和/或sb≤0.055％，其余为fe及不可避免的杂质；同时要满足：si+al+mn+cr+cu+sn+sb为2.5～3.0％；sn+sb为0.05～0.16％，s+n≤0.0055％，并且(sn+sb)/(s+n)为10～30。冶炼工序按纯净钢模式冶炼，具体过程为，向钢水中加入低硫石灰、低硫废钢辅料控制钢水的硫含量，所述低硫石灰占钢水重量百分比为0.6％～1.0％，所述低硫废钢占钢水重量百分比为11％～20％；添加稀土或钙对钢水进行钢质净化处理，促进钢液中夹杂物改性并上浮成渣，所述稀土占铁水重量百分比为0.08～0.13％，然后控制氧化物夹杂物mno+al203+si02总量中mno的重量百分含量<15％，sio2含量>75％。

2)热轧：控制在炉时间为3～4h，出炉温度为1140～1180℃。经大压下反复8道次粗轧后进行7道次精轧，控制终轧温度为840～880℃，卷取温度不低于720℃，热轧钢卷厚度为2.0～2.5mm。

3)常化：控制升温速度为24～30℃/s，常化均热温度915℃～980℃，保温时间40～55s和冷却速度为17～23℃/s。

4)酸洗冷轧：常化板经酸洗后进行4道次冷轧，控制冷轧板厚度为0.50±0.010mm。

5)碱洗连续退火：冷轧板经碱洗后进行连续退火。因化学成分中的c含量低于30ppm，无需再进行脱碳退火。控制成品退火的升温速度为18～22℃/s，均热温度910～955℃，均热时间60～75s和冷却速度为12～18℃/s，气氛为纯n2，然后空冷并涂布t4涂层，涂布量为0.5～1.5g/m²。

对比例ⅰ～ⅴ的制备方法与本发明的制备工序流程基本相同，区别在于无取向硅钢的钢水的化学成分不同，工序中工艺参数不同以及对比例ⅰ～ⅴ未进行夹杂物去除工序。在此不再赘述对比例ⅰ～ⅴ的具体步骤。

实施例1～12以及对比例ⅰ～ⅴ中无取向硅钢的钢水化学成分及其重量百分比见表1；

实施例1～12以及对比例ⅰ～ⅴ中无取向硅钢制备方法冶炼工序中工艺参数表见表2；

实施例1～12以及对比例ⅰ～ⅴ中无取向硅钢制备方法主要工艺参数列表3，表4；

实施例1～12以及对比例ⅰ～ⅴ得到的无取向硅钢性能检测和效果评价见表5；

表1

表1中总合金为si+al+mn+cr+cu+sn+sb的重量百分含量，ⅰ～ⅴ为对比例，对比例ⅰ：s+n超出范围；对比例ⅱ：sn+sb低于0.05％；对比例ⅲ：sn+sb高于0.16％；对比例ⅳ：总合金少于2.5％；对比例ⅴ：总合金高于3.0％。

表2

表4中，(mno+al203+si02)总量中mno含量的百分比是从连铸坯中取样采用化学电解方法分析得出。

表3

表4

表5

表5中，盐务实验依据：gb/t10125-2012试验条件：盐雾箱试验室温度：35℃；压力桶温度：47℃；nacl浓度：5.5％；ph值：6.0。

结合表5以及图1～2可以看出，实施例1～12不仅防锈性能好而且低频性能优良，可满足低频性能(p1.5/10≤0.60w/kg，b5000≥1.730t)和防锈性能要求(锈蚀比例小于70％)，而对比例ⅰ～ⅴ均不能达到目标要求。对比例ⅰ：防锈性能不达标(锈蚀比例为72％>70％，低频性能未达标(p1.5/10＝0.65>0.60w/kg，b5000＝1.711<1.730t)；对比例ⅱ：防锈性能未达标(锈蚀比例为75％>70％)和低频性能未达标(p1.5/10＝0.51<0.60w/kg，b5000＝1.725<1.730t)；对比例ⅲ：防锈性能未达标(锈蚀比81％>70％)和低频性能未达标(p1.5/10＝0.61>0.60w/kg，b5000＝1.733>1.730t)；对比例ⅳ：防锈性能未达标(锈蚀比72％>70％)和低频性能未达标(p1.5/10＝0.62>0.60w/kg，b5000＝1.742>1.730t)；对比例ⅴ：防锈性未达标(锈蚀比例为75％>70％)，低频性能未达标(p1.5/10＝0.38<0.60w/kg，b5000＝1.712<1.730t)。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。