CN104164618B

CN104164618B - 快速冷却控制双辊薄带连铸低硅无取向硅钢磁性能的方法

Info

Publication number: CN104164618B
Application number: CN201410422508.0A
Authority: CN
Inventors: 许云波; 张元祥; 王洋; 卢翔; 方烽; 焦海涛; 曹光明; 李成刚; 刘振宇; 王国栋
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2014-08-25
Filing date: 2014-08-25
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2034-08-25
Also published as: CN104164618A

Abstract

本发明属于冶金技术领域，为了解决在中低硅钢的薄带连铸过程，铸带凝固后冷却过程中发生“δ→γ→α”相变影响硅钢质量的问题，本发明提供一种快速冷却控制双辊薄带连铸低硅无取向硅钢磁性能的方法。该方法为，将低硅无取向硅钢钢液浇入旋转的钢辊中并快速凝固并成型，得到厚度为2.5±0.3mm的铸带；铸带进入冷却段后进行喷水冷却，然后卷取；对卷取的铸带酸洗后进行冷轧，得到厚度0.5mm的带钢，对带钢进行退火，并在冲片后退火消除残余应力。本发明工艺控制简单，可以获得晶粒尺寸合适和有利织构较强的薄带坯，经后续冷轧及热处理工艺，可以获得具有良好磁性能的高效电机用无取向硅钢。

Description

快速冷却控制双辊薄带连铸低硅无取向硅钢磁性能的方法

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二次冷却阶段快速冷却控制低硅无取向硅钢组织和磁性能的方法。

背景技术

无取向硅钢是一种含碳很低的Si-Fe合金，在形变和退火后的钢板中其晶粒呈无规则取向分布，产品通常为冷轧板材或带材，其公称厚度为0.5mm和0.65mm，主要用于制造电动机和发电机。硅钢片的性能不仅直接关系到电能的损耗，而且决定了电机、变压器等产品的性能、体积、重量和成本，为了降低电能消耗，提高电机使用效率，达到节约能源的目的，降低成品铁损值和提高磁感应强度是无取向硅钢制造行业一直追求的目标。正如我们所知，影响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。而常规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，而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。

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。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，钢水在双辊薄带连铸机上旋转的具有冷却作用的双辊间直接形成2～5mm厚的薄带，冷速可达10²～10⁴℃/s，从而可以省去热轧、常化工艺直接进行冷轧。

双辊铸轧可以大大降低建设投资和生产成本，并且因其亚快速凝固和近终成形的特点，在组织和织构的控制上具有独特的优势，例如铸带组织尺寸均匀粗大，织构总体漫散，{100}、{110}等有利占有一定比例，不利的{111}比例很弱。但是，研究发现，在中低硅钢的薄带连铸过程，铸带凝固后冷却过程中发生“δ→γ→α”相变。因此有必要对出铸辊的铸带进行冷却控制，避开“δ→γ→α”相变，减少由于相变产生的细小晶粒，同时保留在强温度梯度下得到的发达的{100}组分，促进铸带组织的粗大化和均匀化，使冷轧前组织得以优化，从而可以获得晶粒尺寸合适和有利织构较强的薄带坯，为后续冷轧及热处理工艺提供理想组织状态，以获得具有良好磁性能的高效电机钢。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种快速冷却控制双辊薄带连铸低硅无取向硅钢磁性能的方法。该方法对双辊薄带连铸生产的低硅无取向硅钢铸带坯通过在二次冷却阶段快速冷却对铸带组织和织构进行控制和改善，旨在得到组织粗大、均匀，织构条件良好的低硅无取向硅钢铸带，从而通过后续热处理工艺获得优异的磁性能。本专利在国家自然科学基金项目(U1260204；51174059)资助下完成。

一种快速冷却控制双辊薄带连铸低硅无取向硅钢磁性能的方法，包括如下步骤：

(1)低硅无取向硅钢的化学成分按照质量百分比：C：<0.005％，Si：0.4％～1.4％，Mn：0.2％～0.4％，Al：0.2％～0.4％，O：≤0.005％，S：≤0.005％，N：≤0.005％，其余为Fe和不可控杂质；将低硅无取向硅钢冶炼成钢液，控制钢液浇注温度为1560～1600℃，将钢液经中间包浇入双辊薄带连铸机的熔池内，熔池由旋转的钢辊和侧封板组成，钢水与钢辊的结晶辊面接触后快速凝固并成形，得到厚度为2.5±0.3mm的铸带；

(2)铸带进入冷却段后，即铸带从结晶辊导出到进入卷取机之间的阶段，进行快速冷却，开冷温度≥1200℃，冷却速度50～100℃/s，终冷温度≤940℃，然后空冷至500～700℃后卷取；卷取后的铸带组织晶粒呈较为规则的多边形状，晶界平直，铸带平均晶粒尺寸为在100～350μm，抑制相变产生的细小晶粒分数，组织均匀，保留铸带组织中{100}取向晶粒20～40％，{111}取向的晶粒有所减少降至8％及以下；

(3)对卷取的铸带酸洗后进行冷轧，得到厚度0.5mm的带钢，对带钢进行退火处理，保护气氛为体积分数为30％H₂+70％N₂，退火条件为(840～850)℃×240s，在带钢冲片后再采用750℃×2h退火消除残余应力。

经检测，低硅无取向硅钢成品磁性能为：铁损值P_15/50为4.0～6.3W/kg，磁感B₅₀为1.79～1.84T。

与现有技术相比，本发明的特点和意义在于：

低硅无取向电工钢在进行双辊薄带连铸后铸带在冷却过程中发生“δ→γ→α”相变，而空冷连续冷却过程中相变进行不充分，因此极易造成铸带组织不均。对铸带进行了快速冷却，可抑制相变的进行，对于中低硅成分硅钢，可有效地避免了“δ→γ→α”相变的过程，减少空冷过程中形成的细小铁素体晶粒，使得铸带平均晶粒尺寸增大，组织均匀度提高，并且凝固过程中形成的{100}取向晶粒在一定程度上得到了保留，冷轧前组织得以优化。快速冷却成品与空冷成品在成分、厚度和表面状态等方面没有明显区别，而在晶粒平均尺寸方面，快速冷却成品略大于空冷成品。晶粒尺寸的增大使得磁滞损耗降低，而磁滞损耗占中低牌号无取硅钢总损耗的75％-80％，是无取向硅钢的主要损耗，因此造成了中牌号无取向硅钢铁损的降低。对比成品的宏观织构，快速冷却成品有利织构即Goss织构和立方织构加强且不利织构即γ织构减弱，织构的明显改善使得快速冷却成品的磁感水平与空冷成品相比明显提高。鉴于上述原因，在双辊薄带连铸过程中利用二次冷却工艺柔性控制铸带坯组织状态，对于短流程低铁损高磁感无取向硅钢的制造具有重要影响，这也是本发明的特点和意义。

通过本方法生产的无取向硅钢成品的磁性能为铁损值P_15/50为4.0～6.3W/kg，磁感B₅₀为1.79～1.84T，磁性能达到了50W600水平，在保证低铁损的前提下，将磁感提高到了1.80T的高水平，达到了高效电机用无取向硅钢的要求。

本发明采用双辊薄带连铸的方法，较常规工艺省略热轧、常化等工艺，是一种节能、环保的短流程生产技术。

附图说明

图1是本发明的原理示意图：(a)双辊薄带连铸工艺流程图；

其中：1、中间包；2、熔池；3、钢辊；4、冷却系统；

(b)Fe-Si相图；

图2是实施例1中带钢金相显微组织对比图；

其中：(a)空冷组织；(b)快速冷却组织；

图3是实施例1中带钢纵截面织构对比图；

其中：(a)空冷组织；(b)快速冷却组织；

图4是实施例2中带钢金相显微组织图；

图5是实施例3中带钢金相显微组织图。

具体实施方式

实施例1

(1)低硅无取向硅钢化学成分按照质量百分比为：C：0.0032％，Si：1.41％，Mn：0.35％，Al：0.21％，O：0.0043％，S：0.005％，N：0.0045％，其余为Fe及不可控制杂质；将无取向硅钢冶炼成钢液，钢液浇注温度为1560～1563℃，将钢液经中间包浇入双辊薄带连铸机的熔池内，熔池由旋转的钢辊和侧封板组成，钢水与钢辊的结晶辊面接触后快速凝固并成形，得到厚度为2.5±0.2mm的铸带；

(2)铸带进入冷却段后，对铸带进行喷水冷却，控制开冷温度1240～1250℃，终冷温度900～910℃，冷却速率为50～60℃/s，然后于500～510℃卷取铸带；得到组织粗大均匀的铸带；

由图2(a)和图3(a)可以看到，经快速冷却的铸带晶粒尺寸范围为60～540μm，平均晶粒尺寸为350μm，晶粒的尺寸范围较大，但＜100μm的相变晶粒被抑制，所占的面积分数较小，组织均匀度提高；空冷铸带中的相变发生较多，分割了原始铸带组织的粗大晶粒，造成铸带组织平均晶粒尺寸降低，不均匀性增大；而且经快速冷却的铸带组织中{100}取向晶粒所占的比例较高，{110}、{111}取向的晶粒较少；

分别采用水冷和空冷进行冷却的铸带，其晶粒组织及取向分布统计如表1：

表1实例1中冷却后的铸带组织统计

(3)对卷取的铸带酸洗后进行冷轧，得到厚度0.5mm的带钢，对带钢进行连续退火，保护气氛为体积分数为30％H₂+70％N₂，退火条件为850℃×240s；将带钢冲片，冲裁成尺寸为30mm*100mm后，采用750℃×2h退火消除残余应力，经空冷的带钢其典型组织和织构如图2(b)和图3(b)所示。

对冲片后硅钢的磁性能采用单片测量，横纵各测30片试样取平均值，其P_15/50为4.0W/kg，磁感B₅₀为1.79T。

实施例2

(1)低硅无取向硅钢按照化学成分质量百分比：C：0.0034％，Si：0.80％，Mn：0.22％，Al：0.40％，O：0.0043％，S：0.005％，N：0.0045％，其余为Fe和不可控杂质；将无取向硅钢冶炼成钢液，钢液浇注温度为1578～1582℃，将钢液经中间包浇入双辊薄带连铸机的熔池内，熔池由旋转的钢辊和侧封板组成，钢水与钢辊的结晶辊面接触后快速凝固并成形，得到厚度为2.5±0.3mm的铸带；

(2)铸带进入冷却段后，对铸带进行喷水冷却，控制开冷温度1200～1205℃，终冷温度915～920℃，冷却速率为70～100℃/s，然后于600～605℃模拟卷取；

晶粒组织及取向分布统计如表2：

表2实例2中冷却后铸带组织统计

(3)对卷取的铸带酸洗后进行冷轧，得到厚度0.5mm的带钢，对带钢进行连续退火，保护气氛为体积分数为30％H₂+70％N₂，退火条件为850℃×240s；将带钢冲片，冲裁成尺寸为30mm*100mm后，采用750℃×2h退火消除残余应力，典型铸带组织见图4。

对冲片后硅钢的磁性能采用单片测量，横纵各测30片试样取平均值，其P_15/50为4.96W/kg，磁感B₅₀为1.81T。

实施例3

(1)低硅无取向硅钢按照化学成分质量百分比：C：0.0028％，Si：0.42％，Mn：0.39％，Al：0.34％，O：0.0043％，S：0.005％，N：0.0045％，其余为Fe和不可控杂质；将无取向硅钢冶炼成钢液，控制浇注温度约为1600℃，将钢液经中间包浇入双辊薄带连铸机的熔池内，熔池由旋转的钢辊和侧封板组成，钢水与钢辊的结晶辊面接触后快速凝固并成形，得到厚度为2.5±0.3mm的铸带；

(2)铸带进入冷却段后，对铸带进行喷水冷却，控制开冷温度1200～1205℃，终冷温度940～945℃，水冷速率约为80～100℃/s，然后于690～700℃卷取；

晶粒组织及取向分布统计如表3：

表3实例3中铸带组织统计

(3)对卷取的铸带酸洗后进行冷轧，得到厚度0.5mm的带钢，对带钢进行连续退火，保护气氛为体积分数为30％H₂+70％N₂，退火条件为840℃×240s；将带钢冲片，冲裁成尺寸为30mm*100mm后，采用750℃×2h退火消除残余应力，其典型组织如图5。

对冲片后硅钢的磁性能采用单片测量，横纵各测30片试样取平均值，其P_15/50为6.28W/kg，磁感B₅₀为1.84T。

Claims

1.一种快速冷却控制双辊薄带连铸低硅无取向硅钢磁性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将低硅无取向硅钢冶炼成钢液，将钢液经中间包浇入双辊薄带连铸机的熔池内，熔池由旋转的钢辊和侧封板组成，钢水与钢辊的结晶辊面接触后快速凝固并成形，得到厚度为2.5±0.3mm的铸带；

所述的低硅无取向硅钢的化学成分按照质量百分比：C：＜0.005％，Si：0.4％～1.4％，Mn：0.2％～0.4％，Al：0.2％～0.4％，O：≤0.005％，S：≤0.005％，N：≤0.005％，其余为Fe和不可控杂质；

(2)铸带进入冷却段后，进行快速冷却，开冷温度≥1200℃，冷却速度为50～100℃/s，终冷至温度≤940℃，然后空冷至500～700℃，卷取铸带；

(3)对卷取的铸带酸洗后进行冷轧，得到厚度0.5mm的带钢；

(4)对带钢进行退火处理，再将带钢冲片后经消除残余应力处理，得到低硅无取向硅钢成品；

所述步骤(1)中，钢液浇注温度为1560～1600℃；

步骤(4)中所述的退火条件为：在保护气氛为体积分数30％H₂+70％N₂下，对带钢采用(840～850)℃×240s退火处理；

步骤(4)中所述的消除残余应力处理的方法为：采用750℃×2h退火处理。

2.根据权利要求1所述的一种快速冷却控制双辊薄带连铸低硅无取向硅钢磁性能的方法，其特征在于，所述低硅无取向硅钢产品的磁性能：铁损值P_15/50为4.0～6.3W/kg，磁感B₅₀为1.79～1.84T。