CN100400680C - 用于生产晶粒定向电工钢的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于生产电工钢带的工艺方法，其中，从熔融的钢直接铸造出带材，并且所述钢包含用于产生所以抑制晶粒生长的硫化物和/或氮化物析出的合金元素，在1250和1000℃之间的温度下对所述带材进行带有铸造操作的在线热轧，并且其中，在热轧之后，如果采用硫化物、则在小于780℃的温度下对带材进行卷取，如果采用氮化物、或者采用氮化物和硫化物、则在小于600℃的温度下对带材进行卷取。因此，最终产品具有优异且稳定的磁特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于生产晶粒定向电工钢的工艺方法，并且，更具体地说，涉及一种对从熔融的Fe-3％Si类型的钢直接连铸成的带材进行热轧的工艺方法。
背景技术
晶粒定向电工钢的生产以所谓二次再结晶的冶金学现象为基础，其中，一次再结晶带材在冷变形之后经历退火，在退火过程中通过缓慢加热将带材升温至大约1200℃。在该加热过程中，在900和1100℃之间的温度下，晶粒具有接近{110}<001>的取向(Goss晶粒)一这种晶粒少量存在于一次再结晶带材中，并消耗/牺牲其它晶体而反常生长，成为微观结构中仅存的晶粒，其宏观尺寸为(5-20mm)。
作为二次再结晶的基础的机理相当复杂。专家认同，二次再结晶是由于在下述三个因素中的微妙平衡而造成的，即：一次晶粒的平均直径(控制结晶生长的状态)，在脱碳状态下带材的组织(在Goss晶体的生长中可以提供一定的优势)，以及均匀分布的精细第二相的存在(用于降低所有晶体的生长倾向，使Goss晶粒以少量存在于一次再结晶带材中，以获得尺寸上的优势)。因此，在第二相溶解到基体中因此可以允许晶粒自由生长的900-1100℃的较高温度下，略大于其它晶粒的Goss晶粒可以消耗其它晶粒而迅速生长。
在用于晶粒定向的Fe-3％Si生产的传统技术中(Takahashi，Harase：Mat.Sci.Forum Voll.204-206(1996)pp143-154；Fortunati，Cical é，Abbruzzese：Proc.3rdInt.Conf.On Grain Growth，TMS Publ.1998，p.409)，通过需要下述顺序步骤的工艺获得产品的所需微观结构和组织：板坯铸造、热轧、冷轧、再结晶退火。第二相的所需分布是通过在高温(＞1350℃)下对板材加热以便将它们溶解而获得的，并且在热轧步骤中和热轧带材的随后退火过程中，它们以精细的形式再次析出。
通常用作晶粒生长抑制剂的第二相大致分两种：(i)锰、铜的硫化物和/或硒化物或它们的混合物，以及(ii)单独或与上述硫化物和/或硒化物相结合的氮化铝。
在晶粒定向电工钢的生产工艺现状中，一些专利(EP0540405，EP0390160)描述了通过二次再结晶从直接铸造带材(带材铸造)开始而不从热轧带开始的生产晶粒定向电工钢的生产工艺。从简化生产周期的角度讲，这种类型的技术明显产生生产成本中重要的经济效益。然而，由于二次再结晶机理非常复杂，要获得良好磁特性的产品，对于从钢材铸造开始到最终退火的工艺参数需要进行非常严格的控制。
EP0540405公开的内容是，要在二次再结晶之后具有良好的产品质量，必须在带材的固化表皮中产生具有{110}<001>取向的晶粒，该取向是通过使固化表皮与在400℃以下的铸辊接触而迅速冷却获得的。
EP0390160公开的内容是，为了在二次再结晶之后获得具有良好质量的产品，必须控制带材的冷却，在第一阶段中以小于10℃/s的冷却速度冷却至1300℃，并且随后以大于10℃/s的冷却速度在1300和900℃之间进行冷却。通过缓慢冷却至1300℃，有利于带材的无规则组织，因此增强了所需{110}<001>晶粒的形成，同时在1300和900℃之间快速冷却促进了精细的第二相的形成，这可以在二次再结晶中作为抑制剂。
本发明人等广泛地研究利用带材铸造生产电工钢的技术，并且发现一种与上述专利不同的用于生产质量非常高的晶粒定向Fe-Si的技术。本发明是一种新的工艺方法，易于在工业化规模下进行控制，并且能够获得良好的质量稳定的产品。
发明内容
在按本发明的用于生产晶粒定向电工钢的工艺方法中，以1.5-5mm厚的带材的形式直接铸造熔融的钢，所述熔融的钢包含2.5-3.5％的Si、1000ppm以下的C，和用于获得作为晶粒生长抑制剂的硫化物和/或硒化物和/或氮化物第二相精细析出的元素，其余为铁和其它对产品的最终质量不重要的元素，所述硫化物和/或硒化物从含有Cu和/或Mn的物质中选出，所述氮化物从含有Al的物质中选出，在硫化物和/或硒化物的情况下，所述用于第二相析出的元素包括S和/或Se以及Cu和/或Mn，和/或在氮化物的情况下，所述用于第二相析出的元素包括N和Al，所述钢顺序经历以下工艺步骤：
·以带材的形式进行直接铸造，从而在表面除鳞之后铸钢中的总氧含量小于30ppm；
·对从铸造设备中出来的带材进行连续热轧，同时使其冷却，轧制起始温度在1000和1250℃之间，减薄率在15和50％之间；
·在小于作为所选择的抑制剂的函数的给定最大温度下对热轧带材进行卷取；
·对热轧带材进行可能的退火，和可能在带有中间退火的两个阶段中对所述带材进行冷轧，在最后阶段的减薄率在50和93％之间，脱碳退火、可能的渗氮，用基于MgO的退火隔离剂涂敷脱碳带材，并且进行用于二次再结晶的退火；
·进行绝缘涂敷，和可能的张力涂覆。
本发明人简化以完善一种工艺，其中，对由液态钢直接铸造而成的带材进行连续热轧，所述液态钢包含用以产生作为晶粒生长抑制剂的硫化物和/或氮化物析出的合金元素，热轧是在铸造之后将带材冷却至1250和1000℃之间的温度进行，并且如果硫化物作为晶粒生长抑制剂则在低于780℃的温度下、如果采用氮化物则在600℃下、并且如果结合采用硫化物和氮化物则在600℃下对所述热轧带进行卷取；这样，在下述说明中更详细地描述的后续热-机械处理组合之后，可以生产具有优异和恒定磁特性的最终产品，所述后续热-机械处理均与在传统工艺中采用的方式类似。
从下述说明中将更容易地导出本发明进一步的目的。
本发明的发明人等发现，于1250和1000℃之间的温度下，在紧接铸造之后和带材冷却过程中的在线热轧，是获得具有稳定良好质量的产品的关键。
这一良好结果被认为有两个原因。在第二相析出尚未开始的温度下开始热轧，因此增强了带材中的位错密度，大大提高了用于第二相析出的成核部位的数目，因此促进更为精细的析出。另外，热轧与大约25％的厚度减薄一起导致Goss晶粒的较大百分比，如专家们已知的那样，这有利于更好地获得良好定向的二次再结晶。
而且，已经证实氧化物在钢中的存在对最终产品的磁特性也产生影响，因为它们可以作为析出核。更具体地说，已经发现，在钢中作为氧化物存在的氧含量高于30ppm会削弱最终产品的质量，因为它在热轧阶段之前就导致所有第二相的析出；没有高密度位错的第二相将以粗糙的形式析出，因此导致不能用作晶粒生长抑制剂。
其它实验证据表明，在在线热轧之后的带材卷取温度在获得最终产品的良好磁特性方面起主要作用；特别是，根据所采用的抑制剂，存在一个最大卷取温度，超过该温度将不能获得带可接受的特性的产品。该结果可以这样解释，被卷取的带材不能有效散热并且在很长时间内保持在与卷取温度接近的温度下。这又助长了粗糙相的析出(所谓的奥斯瓦德成熟(oswald reipening))，该粗糙相的析出降低了第二相作为抑制剂的能力。
仔细研究不同种类抑制剂的效果，得出以下的结论：如果将硫化物和/或硒化物用作抑制剂，则所述最大卷取温度为780℃，而如果采用氮化物，则所述最大卷取温度为600℃。
在同时采用氮化物和硫化物和/或硒化物的情况下，在不高于600℃的卷取温度下可以获得非常好的磁特性。
并且还证实，如果采用氮化物作为抑制剂，采用高于600℃的卷取温度，则可以通过在二次再结晶之前对带材进行渗氮而获得良好的效果。
本发明人等的研究表明，从连续铸带开始获得良好的电工钢需要认真致力于操作条件的选择，此外还必须考虑存在于钢材成分中的微合金元素。
因此，根据本发明的工艺方法是一种用于生产晶粒定向电工钢的工艺方法，其生产方式为，直接连铸出1.5至5mm厚的钢带，所述钢带包含2.5至3.5wt％的Si，1000ppm以下的C和用于产生硫化物和/或硒化物、或者氮化物或同时包括硫化物和/或硒化物和氮化物的析出的元素。在硫化物和/或硒化物的情况下，所述钢必须包括从Mn和Cu中选择出的至少一种元素、以及从S和Se中选择出的至少一种元素。在氮化物的情况下，所述钢必须包含Al和N、并且可选择地包含从Nb、V、Ti、Cr、Zr、Ce中选择出的至少一种元素。在同时选择氮化物和硫化物和/或硒化物的情况下，上述两组元素必须同时存在。
其余为铁和不改变产品的最终特性的元素。例如通过两个平行、被冷却和反向旋转的辊子将所述钢铸造成带材，从而在去除表面氧化物之后，在该铸造带材上测量出的总氧含量小于30ppm。
在铸造之后，以在1100和1250℃之间的轧制开始温度对该带材进行在线热轧，减薄率在15和50％之间，并且在根据所采用的抑制剂种类的最大温度(T max)下卷曲。如果采用硫化物和/或硒化物，则所述T max为780℃，如果采用氮化物则T max为600℃，如果上述两种抑制剂都采用，则Tmax是600℃。在最后两种情况下，T max可以在600和780℃之间-如果在开始二次再结晶之前在脱碳退火的最后部分中通过给炉内气氛中添加氨而对带材施加一个渗氮的步骤时。
然后，所述带材经受多种在生产晶粒定向电工钢中经常采用且专家们已知的热-机械处理，例如：退火、在一个或多个步骤中的冷轧、脱碳退火、二次再结晶退火等。不过，该专门的顺序、退火温度和减薄率则如稍后说明的那样用于与上述工艺部分协同作用。
例如，可以对热轧带材进行退火，以在50和93％之间的第二阶段的减薄率进行多阶段冷轧，脱碳，用基于的MgO退火隔离剂进行涂敷并且退火，以获得所述二次再结晶。该二次再结晶带材可以被绝缘涂层涂覆，并且也可以进行张力(tensioning)涂覆。
优选地，根据本发明的第一个方案，在下述元素中选择用于析出第二相的元素：
S+(16/39)Se：50-300ppm
Mn：400-2000ppm
Cu：＜3000ppm。
该带材在线热轧之后在低于780℃的温度下被卷取；然后可以退火并淬火，然后酸洗并且冷轧至0.15和0.5mm之间的厚度。
优选地，根据本发明的另一个方案，从下述元素中选择用于析出第二相的元素：
N：60-100ppm
Al：200-400ppm。
更优选地，从下述元素中选择出用于析出第二相的元素：
S+(16/39)Se：50-250ppm
Mn：400-2000ppm
Cu＜3000ppm
N：60-100ppm
Al：200-400ppm。
对于所述元素，可以优选地添加从Nb、V、Ti、Cr、Zr、Ce组成的组中选择出的至少一种元素。
在热轧之后，在小于600℃的温度下对该带材进行卷取，在800和1150℃之间的温度下进行退火并淬火。然后可以在带有中间退火的两个阶段中，将带材冷轧至0.15和0.5mm之间的厚度，其减薄率在最后一个阶段中为60和90％之间。
如果应当在小于600℃的温度下被卷取的带材实际上被在600和780℃之间的温度下卷取，则必须根据下述程序进行处理：可能在800和1150℃之间的温度下进行退火的带材可以在带中间退火的两个阶段中被冷轧至0.15和0.5mm之间的厚度，其减薄率在60和90％之间。
然后对该带材进行脱碳，并且在该处理的最终部分的过程中通过向炉内气氛中添加氨进行渗氮。
根据本发明的工艺的主要优点是其在工业化方面的特有的稳定性和可控制性，可以稳定地生产质量非常高的晶粒定向硅钢带。
具体实施方式
下述例子仅用于说明的目的，对本发明不起限定作用。
例1
在具有一对反向旋转辊的带材铸造设备中对具有表1成分的钢进行连续铸造。
表1
| C[ppm] | Si[％] | Als[ppm] | N[ppm] | Mn[ppm] | S[ppm] | Cu[ppm] |
| 480 | 3.15 | 190 | 80 | 800 | 250 | 1400 |
在表面除鳞之后，带材的氧含量为20ppm。
在铸造过程中，带材厚度的变化如下：2.0mm、2.3mm、2.8mm、3.2mm、3.6mm、4.0mm。
在1190℃下将超过2.0mm厚的带坯材在线热轧到2.0mm的厚度。在任何情况下，在550℃对带材进行卷取。
该带材然后被分成多个部分，每个部分有一个单个的减薄率。
然后，在一个退火酸洗生产线上对所述带材进行退火，其周期为在1130℃下首次停留5s，并且在900℃下二次停留40s，从750℃开始淬火并酸洗。
然后，在单级阶段中将该带材冷轧至0.30mm，在850℃下于湿的氢气+氮气中进行脱碳，用基于MgO的退火隔离剂进行涂敷，并且通过以15℃/h的速度在25％N2+75％H2中进行装箱退火加热至1200℃，在该温度下于纯净的氢气中停留20h。在表2中给出该带材的磁特性。
表2
| 铸带的厚度 | ％热轧减薄率 | B800(mT) |
| 2 | 0 | 1600 |
| 2.3 | 13 | 1750 |
| 2.8 | 29 | 1930 |
| 3.2 | 38 | 1950 |
| 3.6 | 44 | 1945 |
| 4 | 50 | 1950 |
例2
在一对反向旋转辊带材铸造设备中，将成分如表3所示的多种钢铸造至4.0mm的厚度。在冷却过程中，在1200℃下将该带材在线热轧至2.0mm的厚度并且在770℃下进行卷取。
表3
| n° | C[ppm] | Si[％] | Al[ppm] | Nb[ppm] | V[ppm] | N[ppm] | Mn[ppm] | S[ppm] | Cu[ppm] | O[ppm](<sup>＊</sup>) |
| A | 300 | 3.15 | 250 | 50 | 20 | 90 | 740 | 235 | 1400 | 10 |
| B | 350 | 3.15 | 180 | 10 | 300 | 70 | 700 | 245 | 1800 | 12 |
| C | 500 | 3.15 | 120 | 800 | 20 | 85 | 750 | 235 | 2300 | 15 |
| D | 450 | 3.15 | 10 | 25 | 20 | 80 | 760 | 240 | 1800 | 10 |
| E | 480 | 3.15 | 12 | 21 | 10 | 80 | 780 | 230 | 1800 | 20 |
| F | 500 | 3.16 | 220 | 70 | 10 | 15 | 50 | 50 | 85 | 15 |
(＊)在带材上测量的氧
在钢材被铸造了一半之后，卷取温度下降至550℃。然后，象前面的例1那样对在两个卷取温度下获得的带材进行处理。在表4中表示出的获得的磁特性。
表4
| 钢的类型 | 卷取T[℃] | B800[mT] |
| A | 770 | 1830 |
| B | 770 | 1825 |
| C | 770 | 1830 |
| D | 770 | 1835 |
| E | 770 | 1835 |
| F | 770 | 1550 |
| A | 550 | 1930 |
| B | 550 | 1950 |
| C | 550 | 1955 |
| D | 550 | 1870 |
| E | 550 | 1850 |
| F | 550 | 1850 |
例3
通过向脱碳炉的最后部分的气氛中添加氨，对在例2的较高温度下卷取的带材进行渗氮，在带材中获得大约200ppm的总氮含量。
所获得的磁特性表示在表5中。
表5
| 钢的类型 | 轧制T[℃] | B800[mT] |
| A | 770 | 1952 |
| B | 770 | 1948 |
| C | 770 | 1955 |
| D | 770 | 1835 |
| E | 770 | 1835 |
| F | 770 | 1865 |
例4
对具有表6所示成分的钢进行铸造
表6
| C[ppm] | Si[％] | Als[ppm] | Nb[ppm] | Va[ppm] | N[ppm] | Mn[ppm] | S[ppm] | Cu[ppm] |
| 300 | 3.15 | 250 | 50 | 20 | 90 | 740 | 235 | 1400 |
在铸造操作过程中，在铸造结束时带材的氧含量从15ppm上升至40ppm。然后，在1180℃下将所获得的带材从初始的3.0m在线热轧至最终的2.0mm的厚度。
然后将该带材如前述例1所示制成最终产品。表7表示在产品中测量出的作为氧含量的函数的磁特性。
表7
| O[ppm] | B800[mT] |
| 10 | 1950 |
| 15 | 1930 |
| 25 | 1935 |
| 30 | 1850 |
| 40 | 1650 |
例5
在一个反向旋转辊带材铸造设备中，将成分如表8所示的多种钢连续铸造成3.1mm的厚度。然后，从1200℃的温度开始将该带材在线热轧至2.0mm的厚度，然后在590℃时进行卷取。
表8
| n° | C[ppm] | Si[％] | Als[ppm] | Nb[ppm] | Va[ppm] | N[ppm] | Mn[ppm] | S[ppm] | Cu[ppm] |
| A | 300 | 3.15 | 280 | 10 | 20 | 90 | 740 | 230 | 1000 |
| B | 350 | 3.15 | 260 | 10 | 15 | 80 | 700 | 240 | 2100 |
| C | 500 | 3.15 | 120 | 1100 | 20 | 85 | 750 | 235 | 2200 |
| D | 450 | 3.15 | 110 | 20 | 600 | 80 | 760 | 240 | 1800 |
| E | 480 | 3.15 | 30 | 25 | 15 | 20 | 780 | 230 | 1800 |
当钢材大约被铸造了一般时，停止操作然后以2.0mm的带材厚度重新开始铸造，并且不轧制就进行卷取。铸带的氧含量在表面除鳞之后为20ppm。
然后，在退火酸洗生产线中对带材进行退火，其周期为，在1130℃下首次停留5s，并且在900℃下二次停留40s，从750℃开始淬火并酸洗。
然后将带材单级冷轧至0.30mm的厚度，在850℃下于湿润的氢气+氮气下进行脱碳，用基于MgO的退火隔离剂进行涂敷，并且通过以15℃/h的速度在25％N2+75％H2中进行装箱退火加热至1200℃，在该温度下于纯净的氢气中停留20h。
在该处理之后，对带材进行热平整并进行绝缘涂覆(tensioningcoating)。所获得的磁特性表示在表9中。
表9
| 钢的类型 | 在线热轧 | B800[mT] |
| A | 是 | 1930 |
| B | 是 | 1930 |
| C | 是 | 1950 |
| D | 是 | 1955 |
| E | 是 | 1840 |
| A | 否 | 1730 |
| B | 否 | 1650 |
| C | 否 | 1640 |
| D | 否 | 1730 |
| E | 否 | 1720 |
例6
在具有一对反向旋转辊的铸造设备中，将具有表10所示成分的两种钢铸造成厚度2.8mm的带材，并且在后续冷却过程中，以1180℃的起始温度热轧至2.0mm的最终厚度，然后在580℃时进行卷取。
表10
| n° | C[ppm] | Si[％] | Als[ppm] | N[ppm] | Mn[ppm] | S[ppm] | Cu[ppm] |
| A | 500 | 3.15 | 280 | 80 | 740 | 230 | 1000 |
| B | 500 | 3.15 | 30 | 20 | 700 | 240 | 2100 |
表面除鳞之后测量出的带材氧含量分别为22和18ppm。
从带材中获得大量试样，并且进行试验处理。
然后，在1000℃下对带材进行50s的退火处理酸洗并冷轧至下述厚度：1.8mm、1.4mm、1.0mm、0.8mm、0.6mm。
然后对冷轧带材和上述试样进行退火，其周期包括在1130℃下首次停留5s，并且在900℃下二次停留40s，从750℃开始进行淬火，并酸洗。
然后将带材冷轧至0.30mm，在850℃下在湿润的氢气+氮气气氛下进行脱碳，用基于MgO的退火隔离剂进行涂敷，并且以15℃/s的加热速度在25％N2+75％H2的气氛中从25至1200℃进行装箱退火，在1200℃下于纯净的氢气中保持20h。然后，对该带材进行热平整并进行张力涂覆(tensioningcoating)。所获得的磁特性表示在表11中。
表11
Claims (13)
1.用于生产晶粒定向电工钢的工艺方法，以1.5-5mm厚的带材的形式直接铸造熔融的钢，所述熔融的钢包含2.5-3.5％的Si、1000ppm以下的C，和用于获得作为晶粒生长抑制剂的硫化物和/或硒化物和/或氮化物第二相精细析出的元素，其余为铁和其它对产品的最终质量不重要的元素，所述硫化物和/或硒化物从含有Cu和/或Mn的物质中选出，所述氮化物从含有Al的物质中选出，在硫化物和/或硒化物的情况下，所述用于第二相析出的元素包括S和/或Se以及Cu和/或Mn，和/或在氮化物的情况下，所述用于第二相析出的元素包括N和Al，所述钢顺序经历以下工艺步骤：
·以带材的形式进行直接铸造，从而在表面除鳞之后铸钢中的总氧含量小于30ppm；
·对从铸造设备中出来的带材进行连续热轧，同时使其冷却，轧制起始温度在1000和1250℃之间，减薄率在15和50％之间；
·在小于作为所选择的抑制剂的函数的给定最大温度下对热轧带材进行卷取；
·对热轧带材进行可能的退火，和对所述带材进行冷轧，在最后阶段的减薄率在50和93％之间，脱碳退火、可能的渗氮，用基于MgO的退火隔离剂涂敷脱碳带材，并且进行用于二次再结晶的退火；
·进行绝缘涂敷，和可能的张力涂覆。
2.如权利要求1所述的工艺方法，其中，采用一对冷却的反向旋转辊装置对所述钢进行铸造。
3.如权利要求1所述的工艺方法，其中，用于第二相析出的元素从S+(16/39)Se：50-300ppm；Mn400-2000ppm；Cu＜3000ppm中选出；并且其中在线热轧之后的带材在低于780℃的温度下进行卷取。
4.如权利要求3所述的工艺方法，其中，随后对所述带材进行退火、淬火、酸洗和冷轧至0.15和0.5mm之间的厚度。
5.如权利要求1所述的工艺方法，其中，选择出的用于第二相的析出的元素为N 60-100ppm和Al 200-400ppm，并且在小于600℃的温度下对在线热轧之后的带材进行卷取。
6.如权利要求5所述的工艺方法，其中，随后在800和1150℃的温度下对带材进行退火，并且淬火。
7.如权利要求6所述的工艺方法，其中，将淬火带材冷轧至0.15和0.5mm之间的厚度，最后轧制中的减薄率在60和93％之间。
8.如权利要求1所述的工艺方法，其中，添加用于第二相析出的元素从S+(16/39)Se：50-250ppm；Mn400-2000ppm；Cu＜3000ppm；N：60-100ppm；Al：200-400ppm中选出；并且在热轧之后在小于600℃的温度下对带材进行卷取。
9.如权利要求8所述的工艺方法，其中，在800和1150℃之间的温度下对带材进行开卷和退火，然后进行淬火。
10.如权利要求9所述的工艺方法，其中，在淬火之后，将所述带材冷轧至0.15和0.5mm之间的厚度，在最后的轧制中的减薄率在60和93％之间。
11.如权利要求1所述的工艺方法，其中，从Nb、V、Ti、Cr、Zr和Ce中选出的至少一种元素被添加到钢的成分中。
12.如权利要求11所述的工艺方法，其中，在热轧之后，所述带材经受下述处理：在600和780℃之间的温度下进行卷取，在800和1150℃之间的温度下进行退火，冷轧至0.15和0.5mm之间的厚度，在最后的轧制中的减薄率在60和93％之间，脱碳退火，并且在脱碳退火的最后部分中通过向炉内气氛中添加氨进行渗氮。
13.如权利要求1、4、7、10和12中任一项所述的工艺方法，其中，所述冷轧在带有中间退火的两阶段轧制中进行。
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