CN101985679A

CN101985679A - 一种高硅钢板的短流程生产工艺

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Publication number: CN101985679A
Application number: CN 201010541511
Authority: CN
Inventors: 韩静涛; 刘靖; 解国良
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2010-11-11
Filing date: 2010-11-11
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2030-11-11
Also published as: CN101985679B

Abstract

本发明公开了一种高硅钢板的短流程生产工艺，属于金属材料制备领域。对于硅含量在3.5％-7％的高硅钢，以离心铸造的复合管坯为原料，采用热塑性变形与冷轧相结合的办法，生产厚度0.1～1mm的硅钢板。这种方法只需要在普通的热轧、冷轧设备上即可以实现，不需要进行现有设备的大规模改造。其主要过程为：以三层金属离心浇铸复合的管坯为原材料，规格通常为Φ500～700，厚度为40～60mm，三层金属均为硅钢，内外层硅含量3％以下，中间一层的硅含量5％～10％；沿轴向将其剖分成多个截面为扇形的部分；对切割后的复合坯料沿轴向进行较大变形量的热轧，热轧温度在1200±50℃～750℃之间，中间一层由于硅含量高而塑性差，在轧制中碎化，并且由于变形量大和热扩散作用，使复合坯料中硅元素最终分布均匀；最后再由冷轧工艺提高板材表面质量和尺寸精度。这种方法正是利用了硅含量很高时钢的塑性差的特点，通过常规的热轧工艺生产高硅钢板，其工艺流程段，设备、操作简单，在推广时无需进行较多的专业设备改造或购置，应用前景十分广阔。

Description

一种高硅钢板的短流程生产工艺

技术领域

本发明属于金属材料制备领域，涉及了一种高硅钢板的短流程制备工艺。

背景技术

硅钢片又称矽钢片，是一种含碳极低的硅铁软磁合金，一般含硅量0.5-4.5％。主要用来制作各种变压器、电动机和发电机的铁芯，是电力、电子和军事工业中不可或缺的重要软磁性合金材料。

高硅钢一般是指硅含量超过3.5％的硅钢。随着硅含量的增加，硅钢片的电阻率和磁导率增加，矫顽力和磁晶各向异性性能降低，涡流损失减小，从而在较高频率下表现出优良的磁性。Schulze等于1928年发现Fe-6.5％Si合金的磁致伸缩常数(λs)接近于零。Ruder等人发现，与Fe-3.5％Si合金相比，Fe-6.5％Si合金的磁晶各向异性常数(KI)和磁致伸缩常数(λs)更低，电阻率ρ更高，所以铁损P更低。因此，与普通硅钢相比，高硅钢具有更优异的磁性能，可以得到更低的铁损，对节约能源，降低噪音有着很重要的作用。

对于Fe-Si合金，随着Si含量的增加，尤其当Si含量超过5％以后，合金变得既硬又脆，使加工性能急剧恶化。但由于高硅钢材料优异的磁学性能和广泛的应用前景，又吸引着人们进行大量的研究和开发工作。传统的高硅钢制备方法主要是热轧-冷轧或者热轧-温轧-冷轧方法(三轧法)制备高硅钢薄带，主要原理是在激烈调整原子有序排列的温度区间以大于总轧制量75％的中间温轧可以破坏有序排列和改善塑性，但用这种方法获得6.5％Si高硅钢所实施的附加处理使工艺过程相当复杂。日本钢管公司于1988年开发出了利用轧制技术对6.5％Si无取向高硅钢片进行工业规模生产，但其后续报道很少。

近年来，由于快速凝固技术的发展，利用快速凝固方法制备高硅钢合金薄板成为了可能。基于这一思路的方法有：急冷制带法和喷射成型法。前者主要是通过急冷工艺生产出厚度为0.03～0.1mm的6.5％Si高硅钢薄带，其晶粒非常细小，但是这种方式生产的薄带长度和宽度有限，而且板形控制困难。喷射成形工艺是涉及粉末冶金、液态金属雾化、快速冷却和非平衡凝固等多领域的新型材料制备技术，是具有通用性和产品多样性的柔性制造系统，其产品的厚度不受限制，形状也容易控制，但是其工艺过程相对复杂，难度较大。

迄今为止制备Fe-Si基合金最为突出和成功的工艺是CVD工艺，原理是利用传统的取向和无取向硅钢片的表面和硅化物之间的高温化学反应使Si富集在硅钢片上。这种方法既能制取高硅钢也能制取“梯度”钢，并且能够获得晶粒度可以控制的各向异性和各向同性的材料。日本钢管公司已经成功利用此方法生产了不同厚度的Fe-6.5％Si合金钢板。但是，这种方法的生产周期较长，成本较高，原料中的SiCl4容易造成环境污染。

综上所述，目前制备高硅钢板的思路主要是通过急冷凝固的方法或者高温下化学反应的方法，其生产难度相对于普通碳钢的生产而言都比较大。尽管高硅钢片的脆性问题依旧存在，但其制备工艺还是得到了长足的发展，高硅钢片尤其是6.5％Si钢的应用范围也在逐步扩大。

发明内容

本发明公开了一种高硅钢板的短流程生产工艺，对于硅含量在3.5％-7％的高硅钢，以离心铸造的复合管坯为原料，采用热塑性变形与冷轧相结合的办法，生产厚度0.1～1mm的硅钢板。这种方法只需要在普通的热轧、冷轧设备上即可以实现，不需要进行现有设备的大规模改造。其主要过程为：以三层不同硅含量的硅钢复合管坯为原材料，其中中间一层的硅含量高于内外层；沿轴向将其剖分成多个截面为扇形的部分；然后对切割后的复合坯料沿轴向进行较大变形量的热轧，中间一层由于硅含量高而塑性差，在轧制中碎化，并且由于变形量大和热扩散作用，使复合坯料中硅元素最终分布均匀；最后再由冷轧工艺提高板材表面质量和尺寸精度。

其具体的工艺流程为：

其具体包括下列步骤：

1、原材料选择。本方法选用的坯料为离心浇铸方法生产的三层复合金属管坯，三层金属为硅含量不同的硅钢。其中内外层硅含量相同，均为3％以下，中间一层硅含量则为5％～10％。管坯各层的厚度以及各层中硅含量的关系可以根据下式进行估算：

\{\begin{matrix} {R_{3}}^{2} - {R_{2}}^{2} = {R_{1}}^{2} - {R_{i}}^{2} \\ 2 ({R_{3}}^{2} - {R_{2}}^{2}) C^{'} + ({R_{2}}^{2} - {R_{1}}^{2}) C_{m} = ({R_{3}}^{2} - {R_{i}}^{2}) C \end{matrix} - - - (1)

R1、R2、R3为复合管坯料各层界面处对应的半径(具体见附图1)。C’为内层和外层中的硅含量，而Cm则是中间一层的硅含量，C则是整体的平均硅含量(均是质量分数)。为提高成材率，一般选择的复合管规格为Φ500～700，厚度为40～60mm。确定规格后，可以根据式(1)通过各层的硅含量最终确定管坯尺寸(详见实例)。

2、将离心复合管坯沿纵轴方向切割成两个部分或者多个部分，切割后坯料的宽度决定了轧制后复合板能达到的最大宽度。

轧制宽展较小时，切割时的圆心角α与复合板宽度B可以用下式进行估计(参见附图2)：

α = 114.6 \cdot \frac{B}{(R_{3} + R_{i})} - - - (2)

其中，R₃为最外层的管坯半径，Ri则是管坯内壁的半径。

考虑到最后要进行切边，可以对估算结果进行圆整，以留出相应的裕量。

3、将切割后的坯料放入加热炉进行加热，加热温度为1200±50℃之间，保温时间为0.5～3h，期间用氩气进行保护。

4、在轧机上对截面为扇形的坯料进行多个道次的热轧，使中间一层充分碎化，并最终使硅含量均匀分布。轧制温度在1200℃～750℃之间，其中：

①第一道次主要是将扇形的坯料横向矫直，压下量不宜过大，控制在30％以下；

②第二道次开始应当加大变形量，采用50％～80％甚至更大的压下量，温度应当保持在900℃以上，使铸态组织充分破碎。同时，由于内外两层硅含量很低，而中间一层硅含量较高，内外层容易变形，而中间一层的塑性较差，在轧制过程中组织会碎化与内外层混合。同时，在高温下，硅原子也会向两侧扩散。因此，变形量很大时，硅在钢板中的分布将趋于均匀化。

③最后2个道次压下量应当减小，维持在30％以下，直至板厚达到要求的尺寸。通过热轧变形，可以生产厚度为2-2.5mm的热轧复合板。

④切边。按照宽度要求，将复合板两侧的不均匀部分切除。

5、厚度为2-2.5mm的热轧复合板，继续进行温轧。温轧温度为450℃-650℃，道次变形量为20-40％，采用温轧工艺，即可得到厚度为0.1-1.0mm的高硅钢复合板。

6、热处理：将温轧后的高硅钢复合板加热至1150±50℃，保温1-4h，使其成分均匀化，加热过程中应采用氩气保护，防止氧化。

本发明的优点在于：

通常认为，硅含量5％以上时，硅钢的脆性会严重增加，导致无法进行塑性变形。本发明中，正是利用了这一特点，实现了高硅钢板的生产。本发明采用内外层硅含量很低，中间层硅含量却很高的三层复合金属管为坯料，对切割后的坯料进行热轧时，中间一层就极容易发生碎化、破裂，但是内外层塑性较好，整个板的外形能够保持。这样中间一层就可以逐渐地与内外层混合，并且通过硅的扩散最终实现板材内硅含量的均匀化。而且，由于内外层和中间层之间原本是通过浇铸进行结合的，在轧制过程中不容易分层，而且便于硅在层与层之间的扩散。

与其它方法不同的是，热轧时保证变形量和变形温度即可，无需向以往的热轧-温轧-冷轧工艺一样，对每一步的工艺参数进行及其严格的控制。另外，本发明通过普通的塑性变形工艺方法，实现了特殊材料的制备，避免了快速凝固和高温化学反应等复杂的过程控制。因此，本发明在推广时无需进行较多的专业设备改造或购置，应用前景十分广阔。

附图说明

图1为复合管坯的示意图，以双层金属管为例。

图2为高硅钢板的成形原理示意图。

图3为本发明技术的工艺流程图。

具体实施方式

对于硅含量3.5％-10％，厚度0.1-10mm之间的硅钢板，可以通过复合管坯剖分后轧制的方法进行制备，其具体的操作实例如下：

实施例1

以硅含量(C)6.5％的硅钢板为例。

1)选择复合管坯。可以选择规格为Φ620，厚度为40mm的管坯，这样，其外径R₃＝310mm，内径Ri＝270mm。内层金属中的硅含量为(Cm)8％，外层金属中的硅含量为(C’)2％，根据式(1)即可以估计出复合管坯的全部尺寸：R1＝275.3mm，R2＝305.3mm。

2)剖分管坯。按照式(2)进行估计，如果将管坯平均剖分成3部分，即α＝120°，则板材厚度B约为600mm(忽略宽展)。

3)将剖分好的部分在加热路中进行加热，温度为1200℃，保温时间1～2h。

4)热轧。第一道次压下量为20％～30％，目的是将剖分的复合管坯部分进行横向平整，第二个道次开始采取50-60％的大压下率，将坯料厚度轧制2mm。

5)将厚度为2mm的板坯进行温轧，温轧时的温度为650℃，通过3道次温轧，使坯料厚度减薄为1mm。

6)将厚度为2mm的板坯进行温轧，温轧时的温度为650℃，通过5道次温轧，使坯料厚度减薄为0.5mm。

7)将厚度为2mm的板坯进行温轧，温轧温度降低至500±50℃，通过3道次轧制，是坯料厚度减薄为1mm。

8)将厚度为1mm的硅钢板加热至1150±50℃，保温4h，使其成分均匀化，得到产品。

实施例2

以硅含量(C)3.5％的硅钢板为例。

1)选择复合管坯。可以选择规格为Φ620，厚度为40mm的管坯，这样，其外径R₃＝310mm，内径Ri＝270mm。内层金属中的硅含量为(Cm)5％，外层金属中的硅含量为(C’)1％，根据式(1)即可以估计出复合管坯的全部尺寸：R1＝275.3mm，R2＝305.3mm。

2)剖分管坯。按照式(2)进行估计，如果将管坯平均剖分成9部分，即α＝40°，则板材厚度B约为202mm(忽略宽展)。

3)将剖分好的部分在加热路中进行加热，温度为1150℃，保温时间0.5～1h。

4)热轧。第一道次压下量为20％～30％，目的是将剖分的复合管坯部分进行横向平整，第二个道次开始采取50-80％的大压下率，将坯料厚度轧制2mm。

7)将厚度为2mm的板坯进行温轧，温轧温度降低至500±50℃，通过5道次轧制，是坯料厚度减薄为0.5mm。

8)将厚度为0.5mm的硅钢板加热至1150±50℃，保温2h，使其成分均匀化，得到产品。

实施例3

以硅含量(C)7％的硅钢板为例。

1)选择复合管坯。可以选择规格为Φ620，厚度为40mm的管坯，这样，其外径R₃＝310mm，内径Ri＝260mm。内层金属中的硅含量为(Cm)10％，外层金属中的硅含量为(C’)2.5％，根据式(1)即可以估计出复合管坯的全部尺寸：R1＝270.7mm，R2＝300.7mm。

3)将剖分好的部分在加热路中进行加热，温度为1250℃，保温时间3h。

7)将厚度为2mm的板坯进行温轧，温轧温度降低至500±50℃，通过8道次轧制，使坯料厚度减薄为0.1mm。

8)对于厚度为0.1mm的硅钢板，加热至1150±50℃，保温1h，使其成分均匀化，得到产品。

Claims

1.一种高硅钢板的短流程生产工艺，用于制备硅含量为3.5％-7％(质量百分数)，厚度为0.1～1mm的高硅钢板，其生产工艺为：

1.1原材料的选择：本方法选用的坯料为离心浇铸方法生产的三层复合金属管坯，三层金属为硅含量不同的硅钢，其中内外层硅含量相同，均为3％以下，中间一层硅含量为5％～10％；

1.2将离心复合管坯沿纵轴方向切割成两个部分或者多个部分，切割时的圆心角α与复合板宽度B可以用下式进行估计：

α = 114.6 \cdot \frac{B}{(R_{3} + R_{i})};

其中，R3为最外层的管坯半径，Ri则是管坯内壁的半径；

1.3将切割后的坯料放入加热炉进行加热，加热温度为1200±50℃之间，保温时间为0.5～3h，期间用氩气进行保护；

1.4在轧机上对截面为扇形的坯料进行热轧变形，使中间一层充分碎化；

1.5选择厚度为2-2.5mm的热轧复合板，继续进行温轧，温轧温度为450℃-650℃，道次变形量为20-40％，即可得到厚度为0.1-1.0mm的高硅钢板；

1.6热处理：将轧制后的高硅钢板加热至1150±50℃，保温1-4h，使其成分均匀化，加热过程中应采用氩气保护，防止氧化。

2.根据权利要求1所述的一种高硅钢板的短流程生产工艺，其特征在于：所述步骤1.4中，轧制温度在1200℃～750℃之间，其中：

①第一道次主压下量在30％以下；

②第二道次采用50％～80％甚至更大的压下量，温度应当保持在900℃以上，使铸态组织充分破碎；

③最后2个道次压下量应当减小，维持在30％以下，直至板厚达到要求的尺寸，通过热轧变形，可以生产厚度2～10mm左右的复合板。