无取向硅钢中非金属夹杂物控制关键技术

随着我国电力电机行业的迅猛发展，对资源和能源的高效利用提出了更高的

挑战。无取向硅钢是广泛的用于电机和发电机铁心的软磁材料。铁心材料的优异

能够直接影响电机和发电机的效率和能耗。影响无取向电工钢磁性能的主要因素

有杂质元素的含量、夹杂物的种类尺寸含量、织构类型、晶粒尺寸、表面状态等

因素。由于受限于目前所掌握的炼钢方法的不足，尚不能完全将钢中的 C、O、S、

N 等元素去除。这些夹杂物和析出物在脱氧过程、钢液凝固过程以及轧制热处理

过程形成和转变。这些残留在钢中的元素最终大部分以碳化物、氧化物、硫化物、

氮化物以及他们之间的复合夹杂物形式存在。一方面，这些夹杂物和析出物会在

无取向硅钢磁化过程中阻碍磁畴壁的移动，影响磁性能；另一方面，在再结晶退

火过程中，这些夹杂物和析出物还会促进不利取向织构形核和阻碍晶粒长大，从

而恶化无取向硅钢磁的组织，恶化磁性能。因此如何控制这些夹杂物的种类、分

布、尺寸等因素对于减小这些夹杂物和析出物对无取向电工钢的磁性能的影响就

显得尤为重要。

（1）不同化学成分体系无取向硅钢的关键夹杂物和析出物预测。无取向硅钢作

为一种功能材料，其最关键的性能指标是磁性能，包括铁损和磁感应强度。化学

成分体系是影响其磁性能的最关键因素。由于不同牌号，不同生产工艺生产出的

无取向硅钢，其中的夹杂物和析出物的种类、形态、尺寸和数量相差很大。而不

同种类的夹杂物和析出物的控制方法又不相同。本项目中通过大量分析不同性能

和不同成分体系的无取向硅钢样品、采用透射电镜、场发射扫描电镜、ASPEX 自

动扫描电镜对无取向硅钢成品中的微米、亚微米和纳米级夹杂物和析出物进行定

量分析。并通过商业热力学计算软件 FactSage 对不同成分体系下夹杂物和析出

物种类进行预测分析。从而能够预测不同成分体系的无取向硅钢中应该控制的关

键夹杂物和析出物种类。

（2）无取向硅钢中钙处理控制硫化物技术。钙处理是钢铁工业中最常用的改性

夹杂物的手段之一。但是通常来说，向钢中加钙是为了将固态的 Al 2 O 3 改性为液

态的钙铝酸盐，以避免水口结瘤现象的发生。但是同时钙和硫具有很强的结合能

力，可以与硫元素反应生成 CaS，这样可以避免在无取向硅钢中生成细小的

(Mn,Cu)S，影响磁性能。由于钙加入钢中首先会和钢中的 Al 2 O 3 反应，过量的钙

才会和硫反应。钢中的氧含量的多少影响着向改性硫化物所需要的钙含量。我们

通过热力学分析和实验发现，在降温过程，钙铝酸盐还会和钢中的溶解铝和溶解

硫反应，生成 Al 2 O 3 +CaS。通过理论分析，确定了能够完全将硫控制的最少加钙

量。图 2 所示为不同的 Ca/S 对铁损的影响，通过合适的加钙量，可以有效减少

细小(Mn,Cu)S 的数量，从而改善磁性能。但是值得指出的是也要尽可能在钢液

下去除生成的钙铝酸盐，因为大尺寸的夹杂物会在再结晶过程诱导{111}织构生

成，从而对磁性能不利。

（3）无取向硅钢中铈处理控制硫化物技术。稀土元素和氧、硫也具有的很强的

结合能力。因此也可以用来改性钢中的非金属夹杂物。但是，稀土也面临着与钙

改性夹杂物同样的问题，既可以和钢中的硫反应，还可以和氧元素反应。而目前

对于稀土改性夹杂物的研究都停留在定性的解释上。本研究通过实验室实验，详

细的研究了不同铈含量和氧含量对铈改性夹杂物和控制无取向硅钢中细小硫化

物的影响。最终建立了稀土改性夹杂物成分预测模型，此模型的预测结果与实验

结果一致。根据此模型结果，可以得出图 3所示不同 T.Ce/T.S.对固硫率的影响。

当 T.Ce/T.S.>2.9 时，可以有效控制细小的硫化物。