CN101603148B - 一种生产经济的低温加热取向电工钢的方法 - Google Patents

Abstract

一种生产经济的低温加热取向电工钢的方法，属于取向电工钢技术领域。铸坯在1200-1300℃加热后热轧，热轧板经酸洗后进行带中间退火的二次冷轧，轧到成品厚度，中间退火制度为在800-900℃保温3-6min，炉内气氛为湿的H₂和N₂的混合气体，其中H₂含量体积百分比为1-30％。中间退火阶段部分脱碳，省略二次冷轧后的脱碳退火或者回复退火工艺，而在高温退火升温阶段实现完全脱碳。优点在于，采取了简化了低温取向电工钢的制备工艺，降低了生产成本。

Description

一种生产经济的低温加热取向电工钢的方法

技术领域

本发明属于取向电工钢技术领域，特别提供了一种生产经济的低温加热取向电工钢的方法。

背景技术

晶粒取向电工钢主要用作变压器及其他电器的铁芯材料，要求磁通密度(在800A/m的磁场中的磁通密度，用B₈₀₀表示)高和铁损(1.7T最大磁通密度下的50Hz的交流铁损，用P₁₇表示)低。晶粒取向电工钢板的优良的磁性能源于其在最终高温退火过程中通过二次再结晶形成的Goss织构。

传统的取向电工钢的生产方法是在专用的高温加热炉中把板坯加热到1350-1400℃，使抑制剂形成元素Al，Mn，S，N等完全固溶，以便在随后的热轧或常化过程中析出形成细小弥散的第二相质点，即抑制剂。但这一生产方法有能耗大，生产效率低，对设备要求高，热轧板边裂严重等诸多缺点。

为了克服上述的高温加热法的缺点，生产中通过不断研究和探索，形成了多种低温加热取向电工钢生产技术，其中一个重要的发展方向是用新的固溶温度较低的抑制剂，如Cu₂S，AlN等，代替传统的以MnS为主的抑制剂，从而可以在较低的板坯加热温度下使抑制剂形成元素部分或完全固溶。

德国蒂森采用Cu₂S+AlN为主要抑制剂，把板坯加热温度降低到了1260-1280℃，热轧后经980-1080℃常化处理，一次冷轧到最终厚度并进行冷轧时效，800-900℃初次再结晶退火，涂MgO隔离剂并进行最终高温退火。

日本川崎公司在中国申请的专利CN1061100C中介绍了一种低温取向电工钢的生产工艺，以AlN和MnSe为主要抑制剂，热轧后采用夹有1100℃中间退火的二次冷轧法将板坯轧到最终厚度，总压下率为80-95％，对冷轧板进行800-850℃的脱碳退火，涂布MgO隔离剂，经最终退火后形成取向电工钢成品。

武汉钢铁公司的专利CN1414119A中也介绍了一种低温取向电工钢的制造工艺，以Mn，Cu的硫化物为主要抑制剂，在1280℃以上温度条件下加热热轧，采取两次冷轧法，第一次冷轧后先预热到490-550℃，保温35-80s，然后加热到860℃进行中间脱碳退火，再进行第二次冷轧，经脱碳退火，高温退火成取向电工钢成品。

以上是几种在大生产中已经得到较好运用的低温取向电工钢生产技术，能够采用1200-1300℃的较低的板坯加热温度稳定生产出性能良好的取向电工钢产品。俄罗斯上依谢特和新利佩茨克厂在此基础上进一步改进了工艺，提出了在中间退火过程中完成全脱碳，从而省略冷轧后的脱碳退火工艺，简化了生产流程，进一步降低能耗。其中新利佩茨克厂的取向电工钢典型成分为：0.030-0.045％C，2.8-3.3％Si，0.013-0.025％Als，0.15-0.30％Mn，0.4-0.6％Cu，0.006-0.010％N，S≤0.01％，P≤0.015％，其余为Fe及不可避免的夹杂物。热轧加热温度为1250-1300℃，热轧成2.5mm，酸洗，第一次冷轧成0.70mm或者0.75mm，随后与湿的H₂和N₂的混合气体850℃中间退火5min，二次冷轧到0.35mm或0.30mm，不退火或者550-590℃低温退火，涂氧化镁涂层最后高温退火。上依谢特厂的取向电工钢典型成分为：0.030-0.040％C，2.9-3.2％Si，0.003-0.010％Als，0.018-0.28％Mn，0.50-0.53％Cu，0.007-0.008％N，0.017-0.020％S，P≤0.030％，其余为Fe及不可避免的夹杂物。热轧加热温度为1260-1280℃，热轧成2.7mm，酸洗，第一次冷轧成0.65mm，随后与湿的H₂和N₂的混合气体850℃中间退火7min，二次冷轧到0.35mm或0.30mm，涂氧化镁涂层最后高温退火。

低温取向电工钢的基本制备工艺如下：加热含有二次再结晶所必须抑制剂，如AlN，Cu₂S，MnS，MnSe等的钢坯，进行热轧后，通过一次或者含有中间退火的二次冷轧到成品厚度，接着进行脱碳退火，在钢板表面涂覆MgO隔离剂并进行高温退火。俄罗斯上依谢特和新利佩茨克厂在此基础上改进了工艺，提出了在中间退火过程中完成全脱碳，从而省略冷轧后的脱碳退火工艺，简化了生产流程。

发明内容

本发明目的在于提供一种生产经济的低温加热取向电工钢的方法，在上述工艺的基础上将工艺流程进一步简化，省去冷轧后的脱碳退火或者回复退火工艺，在中间退火阶段部分脱碳，在高温退火的升温阶段完成完全脱碳，进一步降低能耗，节约成本。

本发明的目的是在俄罗斯新工艺基础上进一步简化流程，同样是省略高温退火前的脱碳退火工艺，但同时缩短中间退火时间，使钢板仅部分脱碳，而是在高温退火阶段完成钢板的全脱碳。

然而，采用以上工艺存在着中间脱碳时间过长，生产效率低的不足。以下是完成中间全脱碳退火的试验。

首先研究中间退火工艺与脱碳量的关系。试验钢化学成分为0.037％C，3.05％Si，0.008％Als，0.08％Mn，0.70％Cu，0.007％N，0.017％S，其余为Fe及不可避免的夹杂物。采用50Kg真空感应炉进行冶炼，将铸锭加热至1100℃保温1小时后锻成35mm厚、120mm宽，锻坯热轧前加热至1280℃，保温30分钟，热轧至2.3mm，酸洗并冷轧至0.75mm，在湿的H₂和N₂的混合气体中840℃中间退火，其中H₂含量体积百分比为5％。中间退火均温时间与钢板中碳含量关系如表1所示。

表1中间退火均温时间与钢板中碳含量关系表

中间退火均温时间(min)	钢板中碳含量(％)
		原始含量	0.037
3	0.020
		5	0.005
7	0.002

由结果可见，实现中间退火过程中钢板完全脱碳，需要至少5min以上的较长的保温时间，同时当钢板的中间厚度增加后，脱碳变得更加困难，因此中间退火全脱碳工艺适用的中间厚度是有限的，限制了二次冷轧压下率的调整范围。所以这种中间退火全脱碳的新的取向电工钢生产工艺虽然省略了高温退火前的脱碳退火环节，但是大大增加了中间退火工艺过程的难度。

对比发现，无论是传统的中间退火部分脱碳加脱碳退火的工艺还是中间退火全脱碳的工艺，目的都是在高温退火前均要将钢中的碳脱到0.003％以下，以保证高温退火时处于α相区而发展为单一的(110)<001>织构的完善的二次再结晶组织，即认为高温退火不具脱碳功能。然而，在试验过程中发现，高温退火不但具有脱碳功能，而且脱碳能力还很强，以下试验可证明。

试验钢化学成分见表2，50Kg真空感应炉进行冶炼，将铸锭加热至1100℃保温1小时后锻成35mm厚、120mm宽，煅坯热轧前加热至1280℃，保温30分钟，热轧至2.3mm，酸洗并冷轧至0.75mm，在湿的H₂和N₂的混合气体中840℃均温3min，其中H₂含量体积百分比为5％。然后冷轧至成品厚度为0.285mm，剪切成30mm×300mm，涂敷MgO并烘干，最后是高温退火，在400-800℃阶段以5-20℃/h的速度升温，气氛为75％H₂和25％N₂，气体流量为1350ml/min，并与1200℃纯干H₂中保温6-8小时。各工艺阶段钢板碳含量和最终磁性能如图1和表3。

表2实验钢化学成分    单位：wt％

实施例	C	Si	Als	Mn	Cu	S	N
								I	0.040	2.98	0.008	0.075	0.72	0.015	0.0068
II	0.038	3.01	0.012	0.078	0.68	0.020	0.0072
								III	0.036	3.05	0.013	0.083	0.65	0.018	0.0069

表3各工艺阶段钢板碳含量和最终磁性能

样品编号	原始碳含量(％)	中间退火后碳含量(％)	成品碳含量(％)	P17(W/Kg)	B800(T)
						A	0.040	0.022	0.003	1.22	1.865
B	0.038	0.019	0.002	1.25	1.855
						C	0.036	0.018	0.002	1.19	1.870

从以上结果可看出，起始碳含量不同，在经过中间退火过程后碳含量仅降低到180-220ppm范围，然而在高温退火升温阶段所有试样的碳含量均有明显的降低，脱碳最快的温度区间为450～650℃，之后脱碳趋缓；无论原始碳高低，到800℃左右，钢中碳均可脱到0.005％以下，而到高温退火结束后成品中碳含量均降低到0.003％，说明高温退火具有强的脱碳功能。良好的磁性能也说明三个样品都发生了完全的二次再结晶，高温退火升温阶段的脱碳过程并未影响二次再结晶的发生。

分析原因，可发现为防止高温退火过程中钢带之间发生粘结，高温退火前均要在表面涂敷氧化镁隔离剂，虽然经过烘干，但由于烘干温度较低，只去除了隔离剂中的物理水。在高温退火升温阶段当温度达400℃以上时氧化镁涂层就会发生分解产生水份，如公式1，使炉内为氧化性气氛，从而引起试样发生脱碳反应，如公式2。

Mg(OH)₂→MgO+H₂O                        (1)

H₂O+C＝CO+H₂                            (2)

$J=-D\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dZ}}---\left(3\right)$

根据Fick第一扩散定律，如公式3，式中J为扩散通量，D为扩散系数，在α铁中，D＝0.02exp(-20100/RT)，R＝1.987cal·(mol·K)^-1，T为热力学温度，dC/dZ为扩散速率。由理论计算0.285mm厚度试样，在各个温度下保温，把钢板中碳从0.020％减少到0.003％所需时间如表4。

表4理论计算的脱碳时间

温度/℃	D(mm2·s-1)	脱碳时间(h)
			400	6.07×10-7	128
450	1.71×10-6	45.3
			500	4.23×10-6	18.3
550	9.36×10-6	8.28
			600	1.85×10-5	4.19
650	3.54×10-5	2.19
			700	6.21×10-5	1.25
750	1.03×10-4	0.75
			800	1.63×10-4	0.47
850	2.48×10-4	0.31
			900	3.64×10-4	0.21

取向电工钢的高温退火升温过程的特点之一是慢升温以减少二次晶核数量、增强取向度，故升温时间较长，一般低温段驻留时间有15小时以上。根据计算，在此温度范围内、如此长时间完全可使试样中的碳由0.02％脱至0.003％，试验的结果也刚好证明了这一点。

基于以上试验，得出本发明主要内容如下：

本发明所述铸坯成分为：0.03-0.06％C，2.5-6.5％Si，0.005-0.03％Als，0.001-0.4％Mn，0.01-1.0％Cu，0.003-0.010％N，0.01-0.03％S，P≤0.01％，，其余为Fe及不可避免的夹杂物，均为质量百分比。

本发明中的取向电工钢更优选的成分为：0.03-0.05％C，2.5-3.5％Si，0.005-0.02％Als，0.05-0.25％Mn，0.01-1.0％Cu，0.005-0.008％N，0.01-0.025％S，P≤0.01％，其余为Fe及不可避免的夹杂物。本发明中以Cu₂S和AlN为主要抑制剂，因其固溶温度比MnS低，所以可以采用1200-1300℃的较低的板坯加热温度即可使铸坯中的抑制剂形成元素全部或者部分固溶，并在热轧的过程中析出形成细小均匀的抑制剂。

本发明中铸坯在1200-1300℃加热后热轧，热轧板经酸洗后进行带中间退火的二次冷轧，轧到成品厚度，最终总压下率为80-90％；涂MgO隔离剂并高温退火得到最终成品。冷轧完成后不需经过脱碳退火或回复退火工艺，高温退火400-800℃阶段以5-20℃/h的速度升温，实现完全脱碳。

各工艺流程的技术参数如下：

1)热轧，铸坯在1200-1300℃加热，开轧温度为1000-1200℃，终轧温度为900-1000℃，卷取温度为400-600℃，轧成1.5-3.0mm厚的热轧板；

2)冷轧，用二次冷轧法轧制到成品厚度，其最终总压下率为80-90％；

3)中间退火，第一次冷轧后钢板在800-900℃保温3-5min，炉内气氛为湿的H₂和N₂的混合气体，其中H₂含量体积百分比为1-30％；

更加优化的工艺是钢板在800-850℃保温3-5min，炉内气氛为湿的H₂和N₂的混合气体，其中H₂含量体积百分比为1-15％。

4)隔离剂也可以MgO为主要成分并添加2-5wt％TiO₂的隔离剂，进行高温退火，在400-800℃阶段以5-20℃/h的速度升温。

本发明的优点在于，采取在中间退火阶段部分脱碳，同时省略冷轧后的脱碳退火或者回复退火工艺，而在高温退火升温阶段实现完全脱碳，优点在于进一步简化了低温加热法取向电工钢的制备工艺，缩短了流程，生产能耗进一步降低，生产效率提高，潜在的效益大。

附图说明

图1为本发明高温退火过程中钢中C的变化。

具体实施方式

实施例1：采用50Kg真空感应炉进行冶炼，化学成分如表5，将铸锭加热至1100℃保温1小时后锻成35mm厚、120mm宽，锻坯热轧前加热至1280℃，保温30分钟，热轧至2.3mm，酸洗并冷轧至0.75mm，在湿的H₂和N₂的混合气体中840℃中间退火3min，其中H₂含量体积百分比为5％。然后冷轧至成品厚度为0.285mm，剪切成30mm×300mm，涂敷MgO并烘干，最后是高温退火，在400-800℃阶段以5-20℃/h的速度升温，气氛为75％H₂和25％N₂，气体流量为1350ml/min，并与1200℃纯干H₂中保温6-8小时。

比较例为中间退火在湿的H₂和N₂的混合气体下840℃保温6min，其中H₂含量体积百分比为5％。其余工艺与实施例中相同。

两种工艺产品过程碳含量和磁性能如表6。可见本发明中最终成品碳含量与中间退火全脱碳工艺相近，且都获得了良好的磁性能。

表5实验钢化学成分    单位：wt％

实施例	C	Si	Als	Mn	Cu	S	N
								I	0.042	3.04	0.008	0.079	0.69	0.017	0.0065
II	0.039	3.02	0.010	0.080	0.71	0.018	0.0070
								III	0.037	3.03	0.011	0.081	0.69	0.016	0.0068
IV	0.035	3.02	0.009	0.082	0.70	0.019	0.0071

表6试样中各工艺阶段的碳含量和磁性能

实施例2：实施例中的I号试料，制备工艺同实施例1。比较例为中间退火在湿的H₂和N₂的混合气体下840℃保温6min，其中H₂含量体积百分比为5％。第二次冷轧后在体积百分比为30％H2+70％N2气氛下580℃回复退火。其余工艺与实施例1中相同。磁测量结果如表7所示。由结果可见本发明工艺的成品磁性能与中间退火加冷轧后回复退火工艺相比基本接近。

表7实验钢磁性能结果

实施例2：实施例中的II号试料，制备工艺同实施例1。比较例为中间退火在H₂和N₂的混合气体下920℃保温3min，其中H₂含量体积百分比为30％，第二次冷轧后835℃脱碳退火3min。其余工艺与实施例1中相同。磁测量结果如表8所示。

表8实验钢磁性能结果

Claims (3)

1.一种生产经济的低温加热取向电工钢的方法，其特征在于，钢中含有：0.03-0.06％C，2.5-6.5％Si，0.005-0.03％Als，0.001-0.4％Mn，0.01-1.0％Cu，0.003-0.010％N，0.01-0.03％S，P≤0.01％，其余为Fe及不可避免的夹杂物，均为质量百分比；

以Cu₂S和AlN为抑制剂，铸坯在1200-1300℃加热后热轧，热轧板经酸洗后进行带中间退火的二次冷轧，轧到成品厚度，涂MgO隔离剂并高温退火得到最终成品，最终总压下率为80-90％；高温退火400-800℃阶段以5-20℃/h的速度升温，实现完全脱碳；

所述的热轧的开轧温度为1000-1200℃，终轧温度为900-1000℃，卷取温度为400-600℃，轧成1.5-3.0mm厚的热轧板；

所述的中间退火，第一次冷轧后钢板在800-850℃保温3-5min，炉内气氛为湿的H₂和N₂的混合气体，其中H₂含量体积百分比为1-15％。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的隔离剂MgO添加2-5wt％TiO₂。

3.权利要求1所述的方法，其特征在于，钢中含有：0.03-0.05％C，2.5-3.5％Si，0.005-0.02％Als，0.05-0.25％Mn，0.01-1.0％Cu，0.005-0.008％N，0.01-0.025％S，P≤0.01％，其余为Fe及不可避免的夹杂物。 

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