CN103602886B

CN103602886B - 一种双辊薄带连铸制备1.5mm级Fe-Si合金带的方法

Info

Publication number: CN103602886B
Application number: CN201310652074.9A
Authority: CN
Inventors: 许云波; 张元祥; 王洋; 曹光明; 李成刚; 刘振宇; 方烽; 卢翔; 王国栋
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2033-12-06
Also published as: CN103602886A

Abstract

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种双辊薄带连铸制备1.5mm级Fe-Si合金带的方法。本发明方法是按照化学成分冶炼钢液，控制浇注温度1560~1620℃，将冶炼完成的钢液经中间包浇入侧封板和结晶辊组成的熔池内，所述的结晶辊为铜辊或钢辊，钢液冷却凝固成型，于500℃进行卷取，得到1.4~1.6mm厚的Fe-Si合金铸带，平均晶粒尺寸为80~300μm，大角晶界体积分数至少为70%，组织分布均匀，其{100}织构发达组，还具有{110}织构，其中{100}织构的体积分数为8%~18%。本发明通过调整结晶辊冷却能力和浇注温度，从而控制铸带组织，使铸带中组织均匀，存在较强的{100}组分和部分{110}组分，为后续冷轧退火处理后形成大量有利的立方织构提供基础。

Description

一种双辊薄带连铸制备1.5mm级Fe-Si合金带的方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种双辊薄带连铸制备1.5mm 级Fe-Si合金带的方法。

背景技术

无取向硅钢是Fe-Si合金的一种，作为铁芯用于电机的转子和定子的导磁材料，同时在磁化过程中产生的热量称为铁损，和铜线发热引起的铜损一样，是电机热能消耗的主要原因。高效电机用钢是由低碳低硅无取向电工钢发展而来的一种低铁损高磁感的Fe-Si合金软磁材料，具有低铁损、高磁感的特点。在中小型电机中采用能够有效提高电机转矩，同时降低电机的铁损和铜损。近年来，欧美和我国都推出了新的电机效率标准，旨在提高高效电机的占有量，达到节约能源的目的。为了降低电能消耗，提高电机使用效率，高效电机用无取向硅钢需求量正在迅速增长。

关于高效电机用钢的专利也有不少报道，一般是通过控制热轧工艺、采用冷轧前常化处理等方法实现冷轧前坯料组织晶粒粗大均匀，通过调整(Al+Si)量、钢水纯净化、增加P、Mn、Sn、B和Sb等合金元素来达到优化组织织构、降低铁损和提高磁感的目的。但是，传统工艺中采用 “连铸→热轧→常化→酸洗→冷轧→退火”流程进行低铁损、高磁感无取向电工钢的生产，不仅工艺复杂、流程冗长，而且冶炼和加工成本过高。正如我们所知，影响电工钢磁性能的因素主要包括退火组织中晶粒尺寸和织构特征，特别是晶粒尺寸对铁损的影响效果显著。而现有技术中专利和工业生产上是利用添加Sn、B和P等晶界偏聚元素来促进第二相粒子粗化，并且钢水极纯净化后可以促进退火再结晶晶粒长大，降低涡流损耗来降低铁损。此外，改善织构类型可以使磁感提高，但这也是传统工艺存在的瓶颈问题，传统电工钢连铸坯厚度在200~300mm之间，连铸坯经过大压缩比热轧后，形成大量的α织构（<110>∥ RD）和γ织构（<111>∥ND），强的轧制变形织构影响了退火织构的类型，再结晶退火后对磁性能不利的γ织构占主导地位，所以导致磁感普遍不高，即使改善也不能从根本上改变晶体织构的组成。由此可见，控制冷轧前初始组织状态和织构类型是获得高性能用无取向电工钢的有效途径。

双辊薄带连铸生产高品质电工钢是一种节能、环保的短流程生产技术，钢水在旋转的双辊间直接形成2~5mm厚的薄带，从而可以省去热轧、常化工艺直接进行冷轧。这为冷轧前初始组织和织构控制提供了一种新的手段。事实上，采用这一新工艺可以使无取向Fe-Si合金获得粗大均匀晶粒和较为漫散且包含一定{100}等有利组分的织构特征，大大降低了冷轧前γ织构的强度和所占比例，有利磁性能的全面提高。但需要注意的是，通常在薄带连铸中铸带规格控制在2~5mm左右，最常见的规格是2.5mm，这等同于传统流程的热轧板厚度，对应的主流冷轧产品厚度规格为0.5mm。尽管减薄成品厚度来降低铁损是最有效的途径之一，但是由于无取向Fe-Si合金热轧控制要求终轧温度和均匀性，所以热轧板厚度普遍在2.5mm左右，如果冷轧到0.35mm规格，导致冷轧压下量过大，增加了冷连轧实现塑性加工的难度和成本。另一方面，增大冷轧压下，会导致成品织构中γ组分进一步提高，降低磁感。

那么，铸轧Fe-Si合金能否制备厚度<2.5mm甚至更薄规格铸带，同时又能够满足低铁损高磁感电工钢对冷轧前初始组织和织构的要求呢？答案是肯定的。但是目前现有文献和专利中对于中、低Si和超薄规格高效电机用Fe-Si合金的铸带组织控制尚无报道，可以看出这是一项极具挑战性的前沿技术。正如我们所知，薄带成型是个非常复杂的过程，各个控制参数不同程度地影响铸带质量，例如浇注温度影响熔池内钢水过热度，铸轧速度影响凝固Kiss点的位置和熔池液位高度，铸轧力影响变形程度和表面质量，铸辊冷却能力影响凝固速度，等等。而且，各个影响因素之间是关联的，获得理想组织的条件是某几个铸轧参数联动调整。对于1.5mm薄规格铸带而言，当通入熔池内钢水量降低后，铸辊带走热量过多，引起Kiss点提高，铸轧力增大，铸带组织细化，这与“凝固组织粗大均匀、织构中包含较强的{100}等组分”的初始要求相矛盾，因此需要通过对钢水浇注温度和铸辊冷却能力这两个直接因素实现合理的联动调控，才可能获得组织理想、织构优良的超薄规格（如1.5mm级）Fe-Si合金铸带，这对于开发0.35mm甚至更薄规格的超低铁损、超高磁感无取向电工钢具有极其重要的意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种双辊薄带连铸制备1.5mm 级Fe-Si合金带并的方法，从铸辊的冷却能力方面入手，并控制浇注温度，实现铸轧参数进行一体化联动控制，目的是生产组织粗大、均匀，织构条件良好的1.5mm规格高效电机用Fe-Si合金铸带。

本发明的双辊薄带连铸生产1.5mm 级Fe-Si合金铸带并控制铸带组织的方法按照以下步骤进行：

（1）按照化学成分质量百分数为：C <0.005%、1.2~1.4%Si、0.3~0.5%Mn、0.35~0.45%Al，并限制O≤0.005%、S≤0.005%，N≤0.005%，其余为Fe，在钢包中冶炼钢液；

（2）控制浇注温度1560~1620℃，将冶炼完成的钢液经中间包浇入侧封板和结晶辊组成的熔池内，所述的结晶辊为铜辊或钢辊，钢液冷却凝固成型，于500℃进行卷取，得到1.4~1.6mm厚的Fe-Si合金铸带，平均晶粒尺寸为80~300μm，大角晶界体积分数至少为70%，组织分布均匀，其{100}织构发达组，还具有{110}织构，其中{100}织构的体积分数为8%~18%。

其中，当所述的结晶辊为铜辊时，浇注温度为11580~1620℃。

所述的结晶辊为钢辊时，浇注温度为1580~1620℃。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

本发明的技术方案是通过常规冶炼手段实现成分要求，降低冶炼和合金成本，通过调整结晶辊冷却能力和浇注温度，从而控制铸带组织，使铸带中组织均匀，存在较强的{100}组分和部分{110}组分，为后续冷轧退火处理后形成大量有利的立方织构提供基础。

钢水浇注温度和结晶辊的冷却能力是直接影响凝固组织和织构的主要因素。作为结晶器的铸辊本身的作用是吸收钢水热量，通过水循环将热量传递出去，使得钢液实现亚快速凝固，其材质的传热系数直接决定了其导热能力。在普碳钢和一些结构钢的薄带连铸流程中为了细化晶粒组织，铸辊采用铜质材料，尽量提高其导热能力。而对于~1.5%（Si+Al）的无取向硅钢超薄带的制备，要想获得具有最佳组织和织构的Fe-Si合金铸带，需要从铸辊冷却能力和浇注温度等方面入手对铸轧参数进行一体化联动控制。本发明中控制浇注温度为1560~1620℃，较2.5mm厚度规格铸带提高20℃以上；其中采用冷却能力较强的铜辊（导热系数~350W/mK）作为结晶器，浇注温度应达到1580℃~1620℃；采用冷却能力较小的钢辊（导热系数50~ 160W/mK）作为结晶器，浇注温度应在1560~1580℃范围内，随着冷却能力提高而有所提高。

附图说明

图1是本发明双辊薄带连铸生产1.5mm 级Fe-Si合金带的原理示意图；

其中：1：铸带；2：结晶辊；3：熔池；4：中间包；5：钢包；6：测温计；

图2是实施例1中1.5mm级Fe-Si合金铸带的金相组织图；

图3是实施例1中1.5mm级Fe-Si合金铸带的φ₂=45°ODF（取向分布函数）截面图；

图4是实施例2中1.5mm级Fe-Si合金铸带的金相组织图；

图5是实施例3中1.5mm级Fe-Si合金铸带的金相组织图；

图6是实施例3中1.5mm级Fe-Si合金铸带的φ₂=45°ODF截面图；

图7是实施例4中1.5mm级Fe-Si合金铸带的金相组织图；

图8是实施例5中1.5mm级Fe-Si合金铸带的金相组织图；

图9是实施例5中1.5mm级Fe-Si合金铸带的φ₂=45°ODF截面图；

图10是实施例6中1.5mm级Fe-Si合金铸带的金相组织图。

具体实施方式

本专利申请是在国家自然科学基金项目（U1260204；51174059）资助下完成的。

实施例1

（1）按照化学成分质量百分数为： 0.0031% C、1.28%Si、0.33%Mn、0.36%Al，并限制0.0041%O、0.0049% S， 0.0049% N，其余为Fe，在钢包5中冶炼钢液；

（2）控制浇注温度1580℃，将冶炼完成的钢液经中间包4浇入侧封板和结晶辊2组成的熔池内，所述的结晶辊2为铜辊，钢液冷却凝固成型，于500℃进行卷取，得到1.5mm厚的Fe-Si合金铸带1；

其金相组织图如图2所示，平均晶粒尺寸为87μm，大角晶界体积分数为70%，组织分布均匀，其φ₂=45°ODF（取向分布函数）截面图如图3所示，从图3中可以看出{100}织构发达，还具有{110}织构，其中{100}织构的体积分数为9%。

实施例2

（1）按照化学成分质量百分数为： 0.0031% C、1.27%Si、0.34%Mn、0.35%Al，并限制0.0042%O、0.0053% S， 0.0042% N，其余为Fe，在钢包5中冶炼钢液；

（2）控制浇注温度1620℃，将冶炼完成的钢液经中间包4浇入侧封板和结晶辊2组成的熔池内，所述的结晶辊2为铜辊，钢液冷却凝固成型，于500℃进行卷取，得到1.4mm厚的Fe-Si合金铸带1；

其金相组织图如图4所示，平均晶粒尺寸为120μm，大角晶界体积分数为75%，组织分布均匀，其{100}织构发达，还具有{110}织构，其中{100}织构的体积分数为11%。

实施例3

（1）按照化学成分质量百分数为： 0.0034% C、1.27%Si、0.34%Mn、0.35%Al，并限制0.0040%O、0.0032% S， 0.0039% N，其余为Fe，在钢包5中冶炼钢液；

（2）控制浇注温度1560℃，将冶炼完成的钢液经中间包4浇入侧封板和结晶辊2组成的熔池内，所述的结晶辊2为导热系数160W/mK 钢辊（1#辊），钢液冷却凝固成型，于500℃进行卷取，得到1.6mm厚的Fe-Si合金铸带1；

其金相组织图如图5所示，平均晶粒尺寸为100μm，大角晶界体积分数为78%，组织分布均匀，其φ₂=45°ODF（取向分布函数）截面图如图6所示，从图6中可以看出其{100}织构发达，还具有{110}织构，其中{100}织构的体积分数为12%。

实施例4

（1）按照化学成分质量百分数为： 0.0031% C、1.29%Si、0.35%Mn、0.33%Al，并限制0.0041%O、0.0044% S， 0.0042% N，其余为Fe，在钢包5中冶炼钢液；

（2）控制浇注温度1580℃，将冶炼完成的钢液经中间包4浇入侧封板和结晶辊2组成的熔池内，所述的结晶辊2为导热系数160W/mK 钢辊（1#辊），钢液冷却凝固成型，于500℃进行卷取，得到1.5mm厚的Fe-Si合金铸带1；

其金相组织图如图7所示，平均晶粒尺寸为218μm，大角晶界体积分数为85%，组织分布均匀，其{100}织构发达，还具有{110}织构，其中{100}织构的体积分数为15%。

实施例5

（1）按照化学成分质量百分数为： 0.0032% C、1.26%Si、0.35%Mn、0.33%Al，并限制0.0043%O、0.0040% S， 0.0041% N，其余为Fe，在钢包5中冶炼钢液；

（2）控制浇注温度1560℃，将冶炼完成的钢液经中间包4浇入侧封板和结晶辊2组成的熔池内，所述的结晶辊2为导热系数50W/mK钢辊（2#辊），钢液冷却凝固成型，于500℃进行卷取，得到1.5mm厚的Fe-Si合金铸带1；

其金相组织图如图8所示，平均晶粒尺寸为124μm，大角晶界体积分数为88%，组织分布均匀，其φ₂=45°ODF（取向分布函数）截面图如图9所示，从图9中可以看出其{100}织构发达，还具有{110}织构，其中{100}织构的体积分数为13%。

实施例7

（2）控制浇注温度1580℃，将冶炼完成的钢液经中间包4浇入侧封板和结晶辊2组成的熔池内，所述的结晶辊2为导热系数50W/mK钢辊（2#辊），钢液冷却凝固成型，于500℃进行卷取，得到1.5mm厚的Fe-Si合金铸带1；

其金相组织图如图10所示，平均晶粒尺寸为260μm，大角晶界体积分数为95%，组织分布均匀，其{100}织构发达，还具有{110}织构，其中{100}织构的体积分数为16%。

Claims

1.一种双辊薄带连铸制备1.5mm 级Fe-Si合金带的方法，其特征在于按照以下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的一种双辊薄带连铸制备1.5mm 级Fe-Si合金带的方法，其特征在于当所述的结晶辊为铜辊时，浇注温度为1580~1620℃。

3.根据权利要求1所述的一种双辊薄带连铸制备1.5mm 级Fe-Si合金带的方法，其特征在于当所述的结晶辊为钢辊时，浇注温度为1560~1580℃。