CN103725995A

CN103725995A - 一种取向高硅电工钢的制备方法

Info

Publication number: CN103725995A
Application number: CN201310734401.5A
Authority: CN
Inventors: 沙玉辉; 左良; 柳金龙; 姚勇创; 张芳
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2033-12-27
Also published as: CN103725995B; WO2015096430A1

Abstract

一种取向高硅电工钢的制备方法，属于冶金技术领域，按以下步骤进行：（1）按设定成分冶炼并浇铸铸坯，其成分按重量百分比含C0.05~0.30%，Si4.0~7.0%，Mn0.01~1.0%，Als0~0.20%，Sn0~0.50%，Sb0~0.50%，Cu0~0.50%，Mo0~0.10%，Ni0~0.50%；（2）将板坯均热处理，然后进行热轧，压下率50~99%，获得热轧钢板；（3）采用含有中间退火的两次或两次以上轧制法，将热轧钢板加工到0.10~0.50mm，获得薄钢板；（4）将薄钢板进行脱碳退火和二次再结晶退火。本发明不使用AlN、MnS、Cu₂S等各种第二相颗粒作为抑制剂，即可实现完善的二次再结晶，从而获得取向高硅电工钢板，降低了板坯加热温度，简化了生产流程。

Description

一种取向高硅电工钢的制备方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种取向高硅电工钢的制备方法。

背景技术

电工钢是电力电子设备的主要铁芯材料，随硅含量增大，电工钢的磁导率增加、电导率和磁致伸缩系数下降，所以硅含量重量百分比为4.0~7.0%的高硅电工钢相对普通电工钢（Si＜3.5%）具有低铁损和低噪音优势；但受制于高硅电工钢的本征硬脆性，目前只有日本的JFE钢铁公司采用化学气相沉积法实现了批量生产（日本公开号为JP63227717A、JP63069915A的专利）。近年来，围绕无取向高硅电工钢，中国东北大学和北京科技大学采用轧制方法，研究了无取向高硅电工钢板带的制备技术，并且在无取向高硅电工钢超薄带和磁性能优化方面取得进展（公开号为CN102172824B，CN101049669A和CN102126110B，CN102151695B，CN101886215A的专利）；上海大学采用扩散沉积的方法，可实现连续制备硅含量不低于6.5%的高硅电工钢（公开号为CN103014613的专利）。

电工钢具有磁各向异性，故具有强η（<001>//RD，RD是轧向）织构的取向电工钢沿轧向具有明显高于无取向电工钢的磁性能；硅重量百分含量小于3.5%的取向电工钢通常分为两类：普通取向电工钢（CGO）和高磁感取向电工钢（Hi-B）。取向电工钢的制造工艺和设备复杂，成分控制严格，杂质含量要求极低，制造工序长和影响磁性能因素多，因此其产品质量常被认为是衡量一个国家特殊钢制造技术水平的重要标志；取向电工钢在制造过程中，一般需要使用被称作抑制剂的第二相颗粒，其作用是在最终的高温退火过程中促进二次再结晶发生；普通取向电工钢生产技术由Goss在1934年发明，以MnS作为抑制剂，采用二次中等压下率冷轧。高磁感取向电工钢的主要制造方法有三种：（1）以新日铁为代表，采用AlN第二相颗粒为主、MnS第二相颗粒为辅的抑制剂以及一次大压下率冷轧法，是目前最通用的高磁感取向电工钢生产方法；（2）以JFE为代表，采用Sb、Mo、MnSe第二相颗粒或MnS第二相颗粒为抑制剂以及二次冷轧法；（3）美国钢铁公司采用B、MnSe第二相颗粒或MnS第二相颗粒为抑制剂以及一次冷轧法。

取向高硅电工钢（硅的重量百分含量为4.0~7.0%）的制造技术只有日本的钢铁生产企业报道过，国内尚不具备；在日本专利平4-80321中，采用AlN第二相颗粒为主抑制剂的方案，将酸溶铝控制在0.012~0.048%范围内，获得了取向高硅电工钢；但高硅电工钢脆性大，为了保证连续成形和高成材率，从冶炼开始到最终的成品退火，每道工艺流程都需要考虑成形性的需求，如果再考虑抑制剂的控制要求，生产过程中的工艺参数窗口范围将极其狭窄，不利于大工业生产的连续稳定进行。例如，根据普通硅含量取向硅钢的生产工艺，采用MnS、AlN第二相颗粒的抑制剂方案，板坯需要在1300℃以上加热使初生MnS固溶到基体中；而高硅钢中的高硅含量导致熔点降低，经1300℃以上高温加热的高硅电工钢板坯在热轧时容易开裂，成材率大幅下降。即使对于采用板坯低温加热技术的取向硅钢生产流程，板坯仍需进行1200℃左右的长时间加热。此外，无论是MnS、AlN或是其它基于第二相颗粒作为抑制剂的取向高硅钢方案，都要面对抑制剂行为的精细控制与成形过程精细控制的冲突问题，都增加了钢板中对磁性不利的S、N等抑制剂形成元素，这些元素必须经高温净化退火工序去除，而高温净化退火通常在1200℃下的纯氢气中长时间进行，能耗大、效率低。综上所述，针对磁性能优异、加工性差、生产复杂的取向高硅电工钢，开发不利用第二相颗粒作为抑制剂的制造取向高硅电工钢是目前急需解决的问题。

发明内容

针对现有取向高硅电工钢在制备技术上存在的上述问题，本发明提供一种取向高硅电工钢的制备方法，不使用AlN、MnS、Cu₂S等各种第二相颗粒作为抑制剂，通过严格控制轧制和退火工艺参数，即可实现完善的二次再结晶，从而获得高磁感取向高硅电工钢板。

本发明的取向高硅电工钢的制备方法按以下步骤进行：

1、按设定成分冶炼并在1400~1600℃浇铸成铸坯，其成分按重量百分比含C 0.05~0.30%，Si 4.0~7.0%，Mn 0.01~1.0%，Als 0~0.20%，Sn 0~0.50%，Sb 0~0.50%，Cu 0~0.50%，Mo 0~0.10%，Ni 0~0.50%，N≤0.01%，S≤0.02%，P≤0.10%，余量为Fe；

2、将铸坯加热至1000~1200℃均热处理，时间为5~600min；然后进行热轧，开轧温度900~1180℃，终轧温度750~1000℃，热轧压下率50~99%，获得热轧钢板；

3、将热轧钢板酸洗去除表面氧化层，然后采用含有中间退火的两次或两次以上轧制法，将热轧钢板加工到0.10~0.50mm，获得薄钢板；当进行两次轧制法时，第一次为温冷轧，轧制温度为室温~700℃，压下率为40~95%，第二次为冷轧，轧制温度为室温~400℃，压下率为50~92%；当进行两次以上轧制法时，除最后一次轧制外，其余次轧制为温冷轧，轧制温度为室温~700℃，压下率为40~95%，最后一次为冷轧，轧制温度为室温~400℃，压下率为50~92%；

4、将薄钢板进行脱碳退火和二次再结晶退火；脱碳退火的温度为750~900℃，时间为0.5~60min；脱碳退火后将薄钢板送入加热炉中，在惰性气氛、还原气氛或惰性还原混合气氛条件下，以5~70℃/h的速度加热至1000~1200℃，完成二次再结晶退火，获得取向高硅电工钢。

上述的热轧钢板在酸洗去除表面氧化层前进行或不进行常化处理，进行常化处理时的温度为800~1200℃，时间为1~600min，然后冷却至室温~100℃。

上述的中间退火是指在相邻两次轧制之间进行中间退火，退火温度700~1100℃，时间0.5~600min。

上述的惰性气氛是指氮气气氛或氩气气氛。

上述的还原气氛是指氢气气氛。

上述的惰性还原混合气氛是指惰性气体与氢气的混合气氛，混合比例为任意比例。

本发明的方法中成分限定的原理是：

1、C可以细化高硅电工钢初次再结晶晶粒尺寸，促进二次再结晶的发生；同时，C是对磁性能有害的元素，在最终退火前，必须采用脱碳退火工艺去除，超过0.3%，脱碳十分困难，因此原料中C含量控制在0.05~0.3%之间；

2、Si是提高电阻率进而降低涡流损耗乃至总铁损的有效元素，故以接近普通电工钢最高硅含量的4.0%作为下限；另一方面，如果硅含量超过7.0%，矫顽力提高、饱和磁感应强度和最大磁导率降低，同时加工性显著恶化；

3、Mn是提高热轧性能的必要元素，但含量超过1.0%，影响冷加工性；

4、Als是炼钢过程中不可避免的杂质，Als大于0.2%会降低高硅电工钢的冷加工性；

5、N和S是高硅电工钢中对磁性有害的元素，因此控制N≤0.01%，S≤0.02%。

此外，钢板的组成中还可含有以下成分中的一种或多种：P、Sn、Sb、Cu、Mo、Ni；以上元素的适量添加，可以细化初次再结晶晶粒尺寸，促进二次再结晶进行。

本发明的薄钢板退火主要由脱碳退火和二次再结晶退火组成，可以包含或不包含高温净化退火工序，获得取向高硅电工钢，是指整个制备过程中不使用AlN、MnS、Cu₂S等各种第二相颗粒作为抑制剂；本发明的方法的主要优点是：（1）避免了铸坯高温加热带来的加热炉效率低、铸坯氧化严重、成材率低、能源消耗大的问题；（2）避免了因AlN、MnS第二相颗粒等抑制剂的加入，增大取向高硅电工钢的强度、降低塑韧性，从而带来需额外解决的加工成形问题。

本发明是以无取向高硅电工钢板的轧制制造流程与装备为基础开发的生产工艺；采用本发明方法通过严格控制化学成分、热轧、温冷轧和退火制度，在无取向高硅电工钢板的生产线上增加脱碳退火和二次再结晶高温退火设备，即可实现取向高硅电工钢板的高效率低成本制造，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为取向高硅电工钢二次再结晶比例与C含量的关系图；

图2为本发明实施例2中的取向高硅电工钢二次再结晶后期取向成像图；图中的水平方向为轧制方向，垂直方向为产品的宽度方向；a为η取向晶粒，b为随机取向晶粒。

具体实施方式

本发明实施例中分析磁感采用的设备为Iwatsu sy-8232 B-H分析仪。

本发明实施例中二次再结晶后期取向成像分析采用的设备为配备有电子背散射衍射（EBSD）分析装置的JF7001扫描电子显微镜。

本发明实施例中的在惰性气氛、还原气氛、惰性还原混合气氛条件下加热，是将组合坯料先置于具有惰性气体、还原气体或惰性还原混合气体的加热炉中进行加热保温，加热保温时加热炉密闭或者保持气体流通均可，采用的氮气、氩气和氢气的体积纯度≥98%。

本发明实施例中的室温根据季节不同，实际温度在0~30℃。

实施例1

按设定成分冶炼并在1400~1600℃浇铸成铸坯，其成分按重量百分比含C 0.05%，Si 4.0%，Mn 1.0%，Als 0.20%，N 0.01%，S 0.02%，P 0.10%，余量为Fe；

将铸坯加热至1000℃均热处理，保温时间5min；然后进行热轧，开轧温度为900℃，终轧温度750℃，热轧压下率为50%，获得热轧钢板；

将热轧钢板酸洗去除表面氧化层，然后采用含有中间退火的两次轧制法，第一次轧制温度为室温，压下率为95%，第二次轧制温度为室温，压下率为50%；将热轧钢板加工到0.10mm，获得薄钢板；在第一次和第二次轧制之间进行中间退火，退火温度700℃，时间600min；

将薄钢板进行脱碳退火和二次再结晶退火；脱碳退火的温度为750℃，时间为60min；然后送入加热炉中，在氮气气氛条件下，以70℃/h的速度加热至1000℃，完成二次再结晶退火，获得取向高硅电工钢；

取向高硅电工钢的磁感B₈为1.75T。

实施例2

按设定成分冶炼并在1400~1600℃浇铸成铸坯，其成分按重量百分比含C 0.06%，Si 6.55%，Mn 0.01%，Als 0.006%，N 0.008%，S 0.06%，P 0.008%，余量为Fe；

将铸坯加热至1200℃均热处理，保温时间600min；然后进行热轧，开轧温度为1180℃，终轧温度1000℃，热轧压下率为90%，获得热轧钢板；

将热轧钢板酸洗去除表面氧化层，然后采用含有中间退火的三次轧制法，前两次轧制温度分别为400℃和200℃，压下率分别为40%和95%，第三次轧制的温度在150℃，压下率为50%，将热轧钢板加工到0.10mm，获得薄钢板；在相邻两次轧制之间进行中间退火，退火温度1100℃，时间0.5min；

将薄钢板进行脱碳退火和二次再结晶退火；脱碳退火的温度为900℃，时间为0.5min；然后送入加热炉中，在氢气气氛条件下，以5℃/h的速度加热至1200℃，完成二次再结晶退火，获得取向高硅电工钢；

取向高硅电工钢的磁感B₈为1.55T。

实施例3

按设定成分冶炼并在1400~1600℃浇铸成铸坯，其成分按重量百分比含C 0.30%，Si 7.0%，Mn 0.05%，Als 0.05%，N 0.001%，S 0.006%，P 0.006%，余量为Fe；

将铸坯加热至1100℃均热处理，保温时间300min；然后进行热轧，开轧温度为1000℃，终轧温度800℃，热轧压下率为95%，获得热轧钢板；

将热轧钢板酸洗去除表面氧化层，然后采用含有中间退火的两次轧制法，第一次轧制温度在300℃，压下率为40%，第二次轧制的温度在300℃，压下率为92%；将热轧钢板加工到0.20mm，获得薄钢板；在第一次和第二次轧制之间进行中间退火，退火温度900℃，时间4min；

将薄钢板进行脱碳退火和二次再结晶退火；脱碳退火的温度为800℃，时间为3min；然后送入加热炉中，在氩气气氛条件下，以60℃/h的速度加热至1100℃，完成二次再结晶退火，获得取向高硅电工钢；

取向高硅电工钢的磁感B₈为1.45T。

实施例4

按设定成分冶炼并在1400~1600℃浇铸成铸坯，其成分按重量百分比含C 0.30%，Si 6.45%，Mn 0.05%，Als 0.06%，Ni 0.5%，N 0.01%，S 0.02%，P 0.008%，余量为Fe；

将铸坯加热至1000℃均热处理，保温时间60min；然后进行热轧，开轧温度为980℃，终轧温度850℃，热轧压下率为95%，获得热轧钢板；

将热轧钢板酸洗去除表面氧化层，然后采用含有中间退火的三次轧制法，前两次的轧制的温度在500℃，压下率分别为40%和80%，第三次轧制的温度在300℃，压下率为60%，将热轧钢板加工到0.20mm，获得薄钢板；在相邻两次轧制之间进行中间退火，退火温度900℃，时间5min；

将薄钢板进行脱碳退火和二次再结晶退火；脱碳退火的温度为850℃，时间为5min；然后送入加热炉中，在氮气和氢气比例为2:8的混合气氛条件下，以50℃/h的速度加热至1000℃，完成二次再结晶退火，获得取向高硅电工钢；

取向高硅电工钢的磁感B₈为1.58T。

实施例5

按设定成分冶炼并在1400~1600℃浇铸成铸坯，其成分按重量百分比含C 0.05%，Si 6.52%，Mn 0.02%，Als 0.03%，Mo 0.1%，N 0.002%，S 0.005%，P 0.008%，余量为Fe；

将铸坯加热至1200℃均热处理，保温时间5min；然后进行热轧，开轧温度为1180℃，终轧温度850℃，热轧压下率为99%，获得热轧钢板；

将热轧钢板酸洗去除表面氧化层，然后采用含有中间退火的两次轧制法，第一次轧制温度在700℃，压下率为50%，第二次轧制的温度在400℃，压下率为50%，将热轧钢板加工到0.50mm，获得薄钢板；在第一次和第二次轧制之间进行中间退火，退火温度1000℃，时间2min；

将薄钢板进行脱碳退火和二次再结晶退火；脱碳退火的温度为900℃，时间为0.5min；然后送入加热炉中，在氮气和氢气比例为7:3的混合气氛条件下，以40℃/h的速度加热至1200℃，完成二次再结晶退火，获得取向高硅电工钢；

取向高硅电工钢的磁感B₈为1.58T。

实施例6

按设定成分冶炼并在1400~1600℃浇铸成铸坯，其成分按重量百分比含C 0.15%，Si 6.50%，Mn 0.12%，Als 0.002%，Sn 0.01%，N 0.004%，S 0.006%，P 0.007%，余量为Fe；

将铸坯加热至1100℃均热处理，保温时间200min；然后进行热轧，开轧温度为1050℃，终轧温度880℃，热轧压下率为90%，获得热轧钢板；

将热轧钢板酸洗去除表面氧化层，然后采用含有中间退火的三次轧制法，前两次轧制的温度在400℃，压下率分别为40%和50%，第三次轧制的温度在200℃，压下率为92%，将热轧钢板加工到0.10mm，获得薄钢板；在相邻两次轧制之间进行中间退火，退火温度700℃，时间3min；

将薄钢板进行脱碳退火和二次再结晶退火；脱碳退火的温度为750℃，时间为5min；然后送入加热炉中，在氩气和氢气比例为1:1的混合气氛条件下，以30℃/h的速度加热至1100℃，完成二次再结晶退火，获得取向高硅电工钢；

取向高硅电工钢的磁感B₈为1.58T。

实施例7

按设定成分冶炼并在1400~1600℃浇铸成铸坯，其成分按重量百分比含C 0.23%，Si 6.47%，Mn 0.02%，Als 0.005%，Sn 0.50%，Sb 0.005%，Cu 0.01%，N 0.002%，S 0.004%，P 0.009%，余量为Fe；

将铸坯加热至1000℃均热处理，保温时间500min；然后进行热轧，开轧温度为970℃，终轧温度800℃，热轧压下率为95%，获得热轧钢板；

将热轧钢板进行常化处理，温度为800℃，时间为600min，然后冷却至室温，再酸洗去除表面氧化层；

采用含有中间退火的两次轧制法，第一次的轧制温度在400℃，压下率为70%，第二次轧制的温度在400℃，压下率为80%，将去除氧化层的热轧钢板加工到0.20mm，获得薄钢板；在第一次和第二次轧制之间进行中间退火，退火温度800℃，时间3min；

将薄钢板进行脱碳退火和二次再结晶退火；脱碳退火的温度为800℃，时间为5min；然后送入加热炉中，在氢气气氛条件下，以5℃/h的速度加热至1000℃，完成二次再结晶退火，获得取向高硅电工钢；

取向高硅电工钢的磁感B₈为1.52T。

实施例8

按设定成分冶炼并在1400~1600℃浇铸成铸坯，其成分按重量百分比含C 0.21%，Si 6.41%，Mn 0.21%，Als 0.003%，Sb 0.50%，N 0.009%，S 0.002%，P 0.006%，余量为Fe；板

将铸坯加热至1200℃均热处理，保温时间100min；然后进行热轧，开轧温度为1150℃，终轧温度900℃，热轧压下率为90%，获得热轧钢板；

将热轧钢板进行常化处理，温度为1200℃，时间为1min，然后冷却至100℃，再酸洗去除表面氧化层；

采用含有中间退火的三次轧制法，前两次的轧制的温度在500℃，压下率分别为50%和40%，第三次轧制的温度在200℃，压下率为70%，将去除氧化层的热轧钢板加工到0.30mm，获得薄钢板；在相邻两次轧制之间进行中间退火，退火温度900℃，时间10min；

将薄钢板进行脱碳退火和二次再结晶退火；脱碳退火的温度为850℃，时间为3min；然后送入加热炉中，在氢气气氛条件下，以10℃/h的速度加热至1200℃，完成二次再结晶退火，获得取向高硅电工钢；

取向高硅电工钢的磁感B₈为1.55T。

实施例9

按设定成分冶炼并在1400~1600℃浇铸成铸坯，其成分按重量百分比含C 0.06%，Si 6.54%，Mn 0.33%，Als 0.01%， Sn 0.14%，Sb 0.01%，Cu 0.50%，N 0.0021%，S 0.003%，P 0.008%，余量为Fe；

将铸坯加热至1100℃均热处理，保温时间30min；然后进行热轧，开轧温度为1050℃，终轧温度840℃，热轧压下率为95%，获得热轧钢板；

将热轧钢板酸洗去除表面氧化层，然后采用含有中间退火的两次轧制法，第一次轧制的温度在600℃，压下率为95%，第二次轧制的温度在室温，压下率为50%，将热轧钢板加工到0.10mm，获得薄钢板；在第一次和第二次轧制之间进行中间退火，退火温度1000℃，时间1min；

将薄钢板进行脱碳退火和二次再结晶退火；脱碳退火的温度为750℃，时间为60min；然后送入加热炉中，在氢气气氛条件下，以5℃/h的速度加热至1100℃，完成二次再结晶退火，获得取向高硅电工钢；

取向高硅电工钢的磁感B₈为1.55T。

实施例10

按设定成分冶炼并在1400~1600℃浇铸成铸坯，其成分按重量百分比含C 0.06%，Si 6.57%，Mn 0.11%，Cu 0.06%，N 0.003%，S 0.005%，P 0.004%，余量为Fe；

将铸坯加热至1200℃均热处理，保温时间600min；然后进行热轧，开轧温度为1150℃，终轧温度920℃，热轧压下率为90%，获得热轧钢板；

将热轧钢板酸洗去除表面氧化层，然后采用含有中间退火的四次轧制法，前三次轧制的温度分别为700℃、500℃和300℃，压下率分别为40%、60%和80%，第四次轧制的温度在室温，压下率为50%，将热轧钢板加工到0.10mm，获得薄钢板；在相邻两次轧制之间进行中间退火，退火温度1100℃，时间0.5min；

将薄钢板进行脱碳退火和二次再结晶退火；脱碳退火的温度为900℃，时间为0.5min；然后送入加热炉中，在惰性氢气气氛条件下，以70℃/h的速度加热至1000℃，完成二次再结晶退火，获得取向高硅电工钢；

取向高硅电工钢的磁感B₈为1.55T。

Claims

1.一种取向高硅电工钢的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：

（1）按设定成分冶炼并在1400~1600℃浇铸成铸坯，其成分按重量百分比含C 0.05~0.30%，Si 4.0~7.0%，Mn 0.01~1.0%，Als 0~0.20%，Sn 0~0.50%，Sb 0~0.50%，Cu 0~0.50%，Mo 0~0.10%，Ni 0~0.50%，N≤0.01%，S≤0.02%，P≤0.10%，余量为Fe；

（2）将铸坯加热至1000~1200℃均热处理，时间为5~600min；然后进行热轧，开轧温度900~1180℃，终轧温度750~1000℃，热轧压下率50~99%，获得热轧钢板；

（3）将热轧钢板酸洗去除表面氧化层，然后采用含有中间退火的两次或两次以上轧制法，将热轧钢板加工到0.10~0.50mm，获得薄钢板；当进行两次轧制法时，第一次为温冷轧，轧制温度为室温~700℃，压下率为40~95%，第二次为冷轧，轧制温度为室温~400℃，压下率为50~92%；当进行两次以上轧制法时，除最后一次轧制外，其余次轧制为温冷轧，轧制温度为室温~700℃，压下率为40~95%，最后一次为冷轧，轧制温度为室温~400℃，压下率为50~92%；

（4）将薄钢板进行脱碳退火和二次再结晶退火；脱碳退火的温度为750~900℃，时间为0.5~60min；脱碳退火后将薄钢板送入加热炉中，在惰性气氛、还原气氛或惰性还原混合气氛条件下，以5~70℃/h的速度加热至1000~1200℃，完成二次再结晶退火，获得取向高硅电工钢。

2.根据权利要求1所述的一种取向高硅电工钢的制备方法，其特征在于所述的步骤（3）中的含有中间退火是指在相邻两次轧制之间进行中间退火，退火温度700~1100℃，时间0.5~600min。

3.根据权利要求1所述一种的取向高硅电工钢的制备方法，其特征在于所述的惰性气氛是指氮气气氛或氩气气氛；所述的还原气氛是指氢气气氛；所述的惰性还原混合气氛是指惰性气体与氢气的混合气氛，混合比例为任意比例。

4.根据权利要求1所述一种的取向高硅电工钢的制备方法，其特征在于热轧钢板在酸洗去除表面氧化层前进行或不进行常化处理，进行常化处理时的温度为800~1200℃，时间为1~600min，然后冷却至室温~100℃。