CN101638766B

CN101638766B - 具有良好底层的取向硅钢生产的硅酸镁喷涂方法及装置

Info

Publication number: CN101638766B
Application number: CN2008100410852A
Authority: CN
Inventors: 胡卓超; 杨勇杰; 李国保; 吴培文
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2008-07-28
Filing date: 2008-07-28
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2028-07-28
Also published as: CN101638766A

Abstract

用于具有良好底层的取向硅钢生产的硅酸镁喷涂方法，将经过轧制及脱碳退火的取向硅钢带钢进入等离子喷涂硅酸镁室内进行等离子喷涂硅酸镁处理，等离子溅涂硅酸镁室内带钢上下错开设置至少四个等离子体发射源(1、2、3、4)，每个等离子体发射源相对在带钢另一侧设置气体喷射冷却装置，等离子体发射源距带钢的距离：100～200m；喷涂时间：200～300秒；等离子Ar气体流量：14～20L/min。本发明硅酸镁底层形成效果更加均匀，附着性良好；生产工序步骤简化，工艺稳定性大大提高。

Description

具有良好底层的取向硅钢生产的硅酸镁喷涂方法及装置

技术领域

本发明涉及取向硅钢生产技术，特别涉及一种用于具有良好底层的取向硅钢生产的硅酸镁喷涂方法及装置。

背景技术

取向硅钢是含硅量在3％左右、其它成分主要是铁的铁硅合金，是电力、电子和军事工业不可缺少的重要软磁合金，主要用作变压器的铁心。由于其生产工艺复杂、制造技术严格被称作当今全球钢铁业的“工艺品”。

取向硅钢与其它钢种的区别主要三个方面：

1)具有高斯织构，即(110)[001]织构，它在轧制方向硅钢板具有最优的磁性能。取向硅钢的高斯织构是在冷轧板二次再结晶过程中形成的，而这个过程以抑制冷轧板初次再结晶为前提。

2)抑制初次再结晶主要通过钢中细小的沉淀相和偏析元素，所以取向硅钢制造工艺的关键点之一就是如何形成尺寸、分布适宜的抑制剂。目前常用的如AlN、MnS等。

3)取向硅钢具有良好的底层(玻璃膜)，底层就是指在取向硅钢成品表面形成的硅酸镁，硅酸镁这种物质主要通过脱碳退火阶段在钢板表面形成的SiO₂与钢板表面涂敷的MgO，在高温退火阶段发生固相反应而形成的。硅酸镁的底层要求均匀致密，从而起到绝缘的效果。

典型的低温高磁感取向硅钢生产方法如下：

用转炉(或电炉)炼钢，进行二次精炼及合金化，连铸成板坯，其主要化学成分为：Si 2.5～4.5％、C 0.06～0.10％、Mn 0.03～0.1％、S0.012～0.050％、Als 0.02～0.05％、N 0.003～0.012％；板坯在加热炉内加热到1100℃以上的温度，并进行60min以上的保温，然后进行轧制，终轧温度达到950℃以上，进行快速喷水冷却到500℃以下，然后卷取。在随后的常化过程中调整组织结构；热轧板常化后，进行酸洗，除去表面氧化铁皮；冷轧将样品轧到成品厚度，进行脱碳退火把[C]脱到30ppm以下以确保成品磁性，同时在钢板表面形成以SiO₂为主的氧化膜，然后通过渗氮以保证高温退火时有足够的(Al，Si)N的抑制剂后涂布以MgO为主要成分的退火隔离剂；高温退火过程中，钢板发生二次再结晶并通过SiO₂和MgO的反应形成Mg₂SiO₄底层后再进行净化以除去钢中的S、N等对磁性有害的元素，获得取向度高、铁损低的高磁感取向硅钢；最后，经过涂布绝缘涂层和拉伸退火，获得商业应用形态的取向硅钢产品。

等粒子喷涂技术一种新型多用途的精密喷涂方法，它具有：①超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂。②喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高。③由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。

等离子喷涂是利用等离子弧进行的，离子弧是压缩电弧，弧柱细，电流密度大，气体电离度高，因此具有温度高、能量集中和弧稳定性好等特点。正极接在喷嘴上，在阴极和喷嘴之间产生等离子弧，工件不带电，工作气体通过阴极和喷嘴之间的电弧而被加热，造成全部或部分电离，然后由喷嘴喷出形成等离子火焰。等离子焰的温度很高，其中心温度可达30000°k，喷嘴出口的温度可达15000～20000°k。焰流速度在喷嘴出口处可达1000～2000m/s，但迅速衰减。粉末由送粉气送入火焰中被熔化，并由焰流加速得到高于150m/s的速度，喷射到基体材料上形成膜。

在等离子喷涂过程中，影响涂层质量的工艺参数很多，主要有：

①等离子气体种类和流量：气体的选择原则是可用性和经济性，一般选择N₂气和Ar气。由于Ar气等离子弧稳定且易于引燃，弧焰较短，适于薄件的喷涂，此外Ar气还有很好的保护作用，因此对于钢板喷涂，通常采用Ar气作为等离子气体。而气体流量大小直接影响等离子焰流的热焓和流速，从而影响喷涂效率，涂层气孔率和结合力等。

②电弧的功率：电弧功率太高，电弧温度升高，更多的气体将转变成为等离子体，这可能使一些喷涂材料气化并引起涂层成分改变，喷涂材料的蒸汽在基体与涂层之间或涂层的叠层之间凝聚引起粘接不良。

而电弧功率太低，则得到部分离子气体和温度较低的等离子火焰，又会引起粒子加热不足，涂层的粘结强度，硬度和沉积效率较低。

③供粉：供粉速度必须与输入功率相适应，过大，会出现生粉(未熔化)，导致喷涂效率降低；过低，粉末氧化严重，并造成基体过热。

④喷涂距离：喷枪到工件的距离影响喷涂粒子和基体撞击时的速度和温度，涂层的特征和喷涂材料对喷涂距离很敏感。

喷涂距离过大，粉粒的温度和速度均将下降，结合力、气孔、喷涂效率都会明显下降；过小，会使基体温升过高，基体和涂层氧化，影响涂层的结合。在机体温升允许的情况下，喷距适当小些为好。

⑤基体温度控制

较理想的喷涂工件是在喷涂前把工件预热到喷涂过程要达到的温度，然后在喷涂过程中对工件采用喷气冷却的措施，使其保持原来的温度。

现有技术与其他公开技术的对比

虽然现有硅酸镁底层形成工艺在取向硅钢的生产中已经获得了广泛应用，但存在以下局限性：

第一、硅酸镁底层对脱碳工艺脱碳段、还原段和渗氮段的温度、露点、气氛等与钢板表面质量相关的工艺参数提出了很高的控制要求。否则都有可能导致本工序发生失效，在温度、露点、气氛严格的要求下，如果设备发生轻微波动，都会导致不能在钢板表面形成均匀致密的SiO₂薄膜，从而影响硅酸镁底层的形成；

第二、为确保良好的硅酸镁底层的形成，对于MgO的颗粒度、水化率、杂质元素等都有严格的要求，而且对于MgO的烘烤温度和时间也是严格控制，如果这些条件不能达到标准要求，都会影响硅酸镁底层的形成；

第三、在高温退火阶段需要有很长时间(约10个小时以上)的低保温退火，以排除MgO中的结晶水，生产效率因此降低；

第四、在高温退火阶段需要对升温速度进行严格的控制，以便为硅酸镁底层的形成提供充足的条件，这样也会导致生产效率的降低；

第五、在高温退火阶段，由于氧化镁涂层较厚且热导率低造成钢卷冷热点温差大，为此必须降低钢卷升温速度，这样也会导致生产效率的降低。

由上可见，目前底层的形成流程较长，与底层的质量相关的控制因素很多且影响显著，如控制指标无法达到要求就会出现各类缺陷，甚至会发生底层露晶的现象。而严重的底层露晶则会引起取向硅钢在使用过程中的发生损毁，造成巨大经济损失。据统计通常取向硅钢底层的缺陷占取向硅钢总缺陷的80％以上。

在现代表面改性技术中，等离子喷涂由于不存在膜脱落及不受经典热力学限制等优点而日益受到人们的重视。

针对取向硅钢生产中应用等离子喷涂成膜技术，人们进行了不同的尝试。

日本专利JP2004027348A介绍了通过连续的将混合了Ti+离子和Ar+离子的等离子体气氛喷射到取向硅钢表面，从而在钢板表面形成足够致密的TiNO玻璃膜底层，该底层具有良好的附着性。

日本专利JP2000096228A介绍了一种用于取向硅钢表面磁溅镀涂层的设备以及溅涂的方法，该专利中通过Si靶作为阴极，同时引入N₂和Ar，利用产生的等离子体在钢板表面形成足够密度Si₃N₄的玻璃膜，并且该底层具有良好的附着性。

日本专利JP2002080959A指出利用磁溅射的方法，可在取向硅钢钢板表面形成SiNx的玻璃膜，从而获得良好的附着性。利用该方法生产出来的取向硅钢磁性能未降级，而玻璃膜的附着性则大大提高，主要原因在于通过等离子气体的轰击，可以成功清除钢板表面本身存在的氧化铝，从而提高磁性能。

显然，等离子喷涂技术可用于生产取向硅钢，而且形成的玻璃膜附着性大大提高，而且对磁性能无不良影响，因此该技术提高了生产性，降低了成本，代表了技术发展的方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于具有良好底层的取向硅钢生产的硅酸镁喷涂方法及装置，硅酸镁底层形成效果更加均匀，附着性良好；生产工序步骤简化，工艺稳定性大大提高。

为达到上述目的，本发明的技术方案是，

用于具有良好底层的取向硅钢生产的硅酸镁喷涂方法，将经过轧制及脱碳退火的取向硅钢带钢进入等离子喷涂硅酸镁室内进行等离子喷涂硅酸镁处理，等离子溅涂硅酸镁室内带钢上下错开设置至少四个等离子体发射源，即1#、2#、3#、4#等离子体发射源，每个等离子体发射源相对在带钢另一侧设置气体喷射冷却装置，等离子体发射源距带钢的距离：100～ 200m；喷涂时间：200～300秒；等离子Ar气体流量：14～20L/min。

进一步，取向硅钢带钢先经过一真空过渡室，再进入等离子喷涂硅酸镁室，最后再经过一真空过渡室。

又，1#、2#等离子体发射源位于带钢一侧，3#、4#等离子体发射源位于带钢另一侧，1#、3#等离子体发射源距带钢的距离：100～150m；2#、4#等离子体发射源距带钢的距离：150～200m。

另外，本发明1#、2#等离子源体发射与3#、4#等离子体发射源交错间隔设置。

1#、2#、3#、4#等离子体发射源喷射的硅酸镁粉颗粒大小不等，并成间隔排列。

小颗粒硅酸镁粉直径为100～200nm，大颗粒硅酸镁粉直径为500～1000nm。

本发明用于具有良好底层的取向硅钢生产的硅酸镁喷涂装置，其包括，等离子溅涂硅酸镁室内沿带钢上下错开设置至少四个等离子体发射源，即1#、2#、3#、4#等离子体发射源，每个等离子体发射源相对在带钢另一侧设置气体喷射冷却装置，1#、2#等离子体发射源位于带钢一侧，3#、4#等离子体发射源位于带钢另一侧，1#、3#等离子体发射源距带钢的距离与2#、4#等离子体发射源距带钢的距离不等。

又，1#、2#等离子源体发射源与3#、4#等离子体发射源交错间隔设置。

上述等离子喷射装置中，等离子气体为Ar，气体流量为14～20L/min。基板上下方向配置的四组等离子体发射源，分别标号为1#、2#、3#和4#，每一个等离子源的电弧的功率为100KW、最大供粉速度为150g/min、它们可上下同步地向等离子室中引入含硅酸镁粉体的等离子体，各等离子体发射源距离钢板的距离为100mm～500mm。在带钢另一侧，采用气体喷射冷却装置，确保带钢温度低于300度，防止带钢发生再结晶。等离子喷射装置与气体喷射冷却装置间隔排布，通过这种布置，可确保钢带在进行第二次喷涂前，通过气体喷射可去除钢板表面未吸附的硅酸镁粉体或灰尘，保证第二次喷涂的结合效果。

1#、3#等离子体发射源中加入的硅酸镁粉体为与正常底层相同结构的硅酸镁颗粒，尺寸为50～100nm，通过调节该离子源与钢板的间距 100～300mm，确保在钢板表面形成厚度为0.5μm～1.5μm的致密的硅酸镁底层。

2#、4#等离子体发射源中加入的粉体为与正常底层相同晶型结构的硅酸镁颗粒，尺寸为100～500nm，通过调节该离子源与钢板的间距100～500mm，确保在钢板上下表面硅酸镁底层上形成厚度为2μm～3μm的较为疏松的硅酸镁底层。通过喷射两种不同硅酸镁的颗粒度和厚度分布，一方面保证底层和钢板间存在良好的附着性(颗粒细小的硅酸镁)；另一方面保证钢板在高温退火时不发生粘结(颗粒较大的硅酸镁)。同时调节板另外一侧的喷射冷却气体的流量，使钢板的温度保持在300℃以下。喷涂后钢板进行喷氮气冷却，出口板温低于70度。整个硅酸镁喷涂过程为60s～300s。

上述过程中，脱碳退火氮气冷却后取向硅钢钢板先经过入口密封辊，再进入等离子喷涂硅酸镁室，最后再经过出口密封辊后成卷，送高温退火工序。

本发明与现有硅酸镁生产技术相比，具有如下有益效果：

1.硅酸镁底层形成效果更加均匀：

因为1#和3#等离子喷涂硅酸镁源中的加热的50～100nm的硅酸镁粉体部分为液态，该离子能够迅速粘附在钢板上下表面上，从而形成一层0.5μm～1.5μm的致密均匀的硅酸镁底层，使成品板厚方向的绝缘性能提高。

2.2#和4#等离子喷涂硅酸镁源中的加热的100～1000nm的硅酸镁粉体部分为液态，该离子能够迅速粘附在钢板上下表面上，从而形成一层2μm～3μm较为疏松的硅酸镁颗粒，该颗粒使钢板在高温退火时不至于发生板间粘连，起到隔离的作用。

3.生产工序步骤简化：

本发明等离子溅涂硅酸镁直接形成玻璃膜底层，因此可以省去如下常规工序步骤：

1)脱碳退火工序还原段

由于脱碳退火工序还原段主要目的是为了调整钢带表面的氧化层(FeO和SiO₂的比例)，而调整氧化层的主要目的是为了最终形成良好的硅酸镁底层。因此如果采用本工艺可省略该工序。

2)MgO涂液的配制

MgO涂液的配比和MgO涂液的搅拌速度和温度都直接影响硅酸镁的底层，如果采用本工艺也可省去该工序。

3)MgO的烘烤干燥

MgO涂液涂敷到钢带表面以后，需要在一定的温度下进行烘烤干燥，让MgO固化在钢带表面，该工序的烘烤温度和时间也都直接影响硅酸镁的底层。本发明也可省去该工序。

4)高温退火低保温阶段

高温退火低保温阶段的主要目的是使MgO涂液干燥后形成的Mg(OH)₂中的化合水排掉，从而有利于底层的形成。为了能够充分排出钢卷中的化合水，本段保温温度一般在600℃以上，保温时间为10个小时以上。本发明可省去该工序，大大提高生产效率。

高温退火第二升温阶段

高温退火第二升温阶段的主要目的是利用一定的升温速度为SiO₂和MgO发生反应提供条件，以形成完善的硅酸镁底层。通常从600℃到900℃就是硅酸镁反应的温度段，目前该段的生产时间为20h。本发明可提高该段升温速度并省去缩短该工序时间。大大提高生产效率。

4.简化前工序对表面质量的控制：

硅酸镁的离子可以通过调节钢板偏压调整轰击力穿透钢板表面的氧化膜等表层组织，直接作用于钢板基体，所以钢板表面质量的不均匀或不稳定不会造成溅涂硅酸镁质量的明显影响。工艺稳定性大大提高。

附图说明

图1为本发明取向硅钢表面等离子喷涂室示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本技术方案作进一步说明。

在以下的实施例中，等离子喷涂硅酸镁设备均附加于脱碳工艺段之后，高温退火工序前。

参见图1，将经过轧制及脱碳退火的取向硅钢带钢6进入等离子喷涂硅酸镁室内进行等离子喷涂硅酸镁处理，等离子溅涂硅酸镁室内带钢6上下错开设置四个等离子体发射源1、2、3、4，每个等离子体发射源相对在带钢另一侧设置气体喷射冷却装置5，等离子体发射源1、2位于带钢一侧，等离子体发射源3、4位于带钢6另一侧，等离子体发射源1、3距带钢的距离：100～150m；等离子体发射源2、4距带钢的距离：150～200m；本发明等离子源体发射1、2与等离子体发射源3、4交错间隔设置；等离子体发射源1、2、3、4喷射的硅酸镁粉颗粒大小不等，并成间隔排列；小颗粒硅酸镁粉直径为100～200nm，大颗粒硅酸镁粉直径为500～1000nm；喷涂时间：200～300秒；等离子发射源中等离子气体为Ar，每一个等离子源的电弧的功率为100KW、供粉速度为150g/min。等离子Ar气体流量：14～20L/min。

1#和3#等离子喷涂硅酸镁源中的加热的50～100nm的硅酸镁粉体部分为液态，该离子能够迅速粘附在带钢6钢板上下表面上，从而形成一层0.5μm～1.5μm的致密均匀的硅酸镁底层7，使成品板厚方向的绝缘性能提高。

2#和4#等离子喷涂硅酸镁源中的加热的100～1000nm的硅酸镁粉体部分为液态，该离子能够迅速粘附在带钢6钢板上下表面硅酸镁底层7上，从而形成一层2μm～3μm较为疏松的硅酸镁颗粒，该颗粒使钢板在高温退火时不至于发生板间粘连，起到隔离的作用。

另外，取向硅钢带钢还可以先经过一真空过渡室，再进入等离子喷涂硅酸镁室，最后再经过一真空过渡室。

实施例1：

对下表成分的取向硅钢进行生产，成分如表1：

表1

Si(％)	C(ppm)	Mn(％)	S(ppm)	Al_s(ppm)	N (ppm)	Ti (ppm)
							3.10	400	0.13	65	310	90	11

将上述成分的板坯加热到1180℃，保持180分钟。然后直接热轧到2.3mm。热轧钢带进行两步退火，首先加热到1130℃，然后在降温过程中用200秒降到900℃。随后对钢板进行急冷。酸洗后对钢带进行5个道次的冷轧轧制，其中第3和第4道次在220℃进行，压下到0.285mm厚度。冷轧钢带在850℃进行200秒脱碳退火，然后在700℃进行200s的渗氮处理。按照下面两种工艺进行处理：

脱碳退火后按以下参数对钢带进行等离子喷涂硅酸镁：等离子气体流量为20L/min，喷涂硅酸镁时间300s，1#、3#等离子体源距钢板距离为100mm，2#、4#等离子体源距钢板距离为200mm。

按照正常工艺涂敷MgO，并干燥烧结。

然后钢带在25％N²+75％H²的气氛中加热到1250℃，然后改用纯H²于此温度中保温20小时。

最终样品的底层的附着性如表2：

表2

No	B₈ (T)	附着性	说明
				1	1.902	B	发明例
2	1.901	C	比较例

可见利用该方法即不会影响磁性能，而且可保证良好的附着性。

实施例2：

将如上成分的钢带在按实施例1中的工艺处理到脱碳后，采用不同的等离子喷涂硅酸镁工艺，其中：

1.气体流量14L/min、1#和3#等离子体源距离100mm、2#和4#等离子体源距离100mm、喷涂时间200S；

2.气体流量16L/min、1#和3#距离100mm、2#和4#距离100mm、喷涂时间200S；

3.气体流量20L/min、1#和3#距离100mm、2#和4#距离100mm、喷涂时间200S；

4.气体流量20L/min、1#和3#距离150mm、2#和4#距离100mm、喷涂时间200S；

5.气体流量20L/min、1#和3#距离150mm、2#和4#距离100mm、喷涂时间300S；

6.气体流量20L/min、1#和3#距离200mm、2#和4#距离200mm、喷涂时间300S；

7.气体流量20L/min、1#和3#距离100mm、2#和4#距离200mm、喷涂时间300S；

然后钢带在25％N₂+75％H₂的气氛中加热到1250℃，然后改用纯H₂于此温度中保温20小时。

获得的对应的硅酸镁厚度、绝缘性和磁性能如表3显示：

表3

工艺组合	涂层厚度 (um)	B₈(T)	附着性	说明
					1	1.62	1.899	C	比较例
2	1.81	1.897	C	比较例
					3	1.99	1.899	A	发明例
4	1.72	1.896	B	比较例
					5	1.82	1.901	B	发明例
6	1.78	1.902	C	发明例
					7	2.24	1.901	B	发明例

从表3可以看出，本发明硅酸镁底层附着性良好。

Claims

1.用于具有良好底层的取向硅钢生产的硅酸镁喷涂方法，将经过轧制及脱碳退火的取向硅钢带钢进入等离子喷涂硅酸镁室内进行等离子喷涂硅酸镁处理，等离子溅涂硅酸镁室内带钢上下错开设置至少四个等离子体发射源，即1#、2#、3#、4#等离子体发射源，1#、2#等离子体发射源位于带钢一侧，3#、4#等离子体发射源位于带钢另一侧，每个等离子体发射源相对在带钢另一侧设置气体喷射冷却装置，等离子体发射源距带钢的距离：100～200m；喷涂时间：200～300秒；等离子Ar气体流量：14～20L/min；1#、3#等离子体发射源的等离子喷涂硅酸镁源中为直径50～100nm的硅酸镁粉体，其中的硅酸镁粉体部分为液态，该等离子体迅速粘附在带钢钢板上下表面上形成一层0.5μm～1.5μm致密均匀的硅酸镁底层，使成品板厚方向的绝缘性能提高；2#、4#等离子体发射源的等离子喷涂硅酸镁源中为直径100～1000nm的硅酸镁粉体，其中的硅酸镁粉体部分为液态，该等离子体迅速粘附在带钢钢板上下表面硅酸镁底层上形成一层2μm～3μm较为疏松的硅酸镁颗粒，该颗粒使钢板在高温退火时不至于发生板间粘连，起到隔离的作用。

2.如权利要求1所述的用于具有良好底层的取向硅钢生产的硅酸镁喷涂方法，其特征在于：取向硅钢带钢先经过一真空过渡室，再进入等离子喷涂硅酸镁室，最后再经过一真空过渡室。

3.如权利要求1所述的用于具有良好底层的取向硅钢生产的硅酸镁喷涂方法，其特征在于：1#、2#等离子体发射源位于带钢一侧，3#、4#等离子体发射源位于带钢另一侧，1#、3#等离子体发射源距带钢的距离：100～150m；2#、4#等离子体发射源距带钢的距离：150～200m。

4.如权利要求1或3所述的用于具有良好底层的取向硅钢生产的硅酸镁喷涂方法，其特征在于：1#、2#等离子源体发射源与3#、4#等离子体发射源交错间隔设置。

5.如权利要求1所述的用于具有良好底层的取向硅钢生产的硅酸镁喷涂装置，其特征是，包括，等离子溅涂硅酸镁室内沿带钢上下错开设置至少四个等离子体发射源，即1#、2#、3#、4#等离子体发射源，每个等离子体发射源相对在带钢另一侧设置气体喷射冷却装置，1#、2#等离子体发射源位于带钢一侧，3#、4#等离子体发射源位于带钢另一侧，1#、3#等离子体发射源距带钢的距离与2#、4#等离子体发射源距带钢的距离不等。

6.如权利要求5所述的用于具有良好底层的取向硅钢生产的硅酸镁喷涂装置，其特征是，1#、2#等离子源体发射源与3#、4#等离子体发射源交错间隔设置。