CN106755874B - 一种生产低温高磁感取向硅钢的脱碳及渗氮退火方法 - Google Patents

Abstract

一种生产低温高磁感取向硅钢的脱碳及渗氮退火方法：冶炼；连铸成坯后对铸坯加热；经常规热轧、常化退火后冷轧至成品厚度；经常规碱洗后脱碳退火；进行渗氮退火；在线检测钢板的P_13/50值，并按照公式计算其修订值；根据及脱碳渗氮后△N含量判断是否同时满足关系式；常规进行后工序。本发明能通过对脱碳退火和渗氮退火进行调整，使得钢卷材料P_1.3/50值及渗氮量△N同时在所限定的合理范围内，致所生产的厚度不超过0.30mm厚度产品磁性能达到1.92T以上优异磁性能，能为生产制备高端刻痕牌号产品提供优质母材。

Description

一种生产低温高磁感取向硅钢的脱碳及渗氮退火方法

技术领域

本发明涉及一种生产高磁感取向硅钢的方法，具体地属于一种生产低温高磁感取向硅钢的脱碳及渗氮退火方法。

背景技术

取向硅钢由于其轧制方向上具备的优良磁化性能因而在工业上被广泛地应用于变压器铁芯的生产制造。取向硅钢片磁性能越好，制造出的变压器铁芯损耗越低，从而生产一定规格变压器的耗材减少、设备质量和体积也降低。目前，取向硅钢的生产方法主要包括高温板坯加热制备法（板坯加热温度高于1350℃）、中温板坯加热温制备法（板坯加热温度介于1200℃到1350℃之间）和低温板坯加热制备法（板坯加热温度1200℃以下）。通常所制备的产品中磁感B₈₀₀大于1.89T的取向硅钢才被称之为高磁感取向硅钢。由于采用低温板坯加热制备法制备高磁感取向硅钢解决或减少了取向硅钢生产中如氧化铁皮多、烧损大、成材率低、修炉频率高、燃料消耗多、炉子寿命短、产品表面缺陷增多等诸多问题，大幅降低了高磁感取向硅钢的生产制造成本，因此将是今后取向硅钢的主要发展方向。

低温高磁感取向硅钢采用固溶温度较低的AlN为抑制剂为主，能将铸坯加热温度降到1200℃以下的范围。同时为使得热轧板坯加热温度的限制，为防止烧损氧化关键成分Als不能过高。低温高磁感取向硅钢生产过程中减少对先天抑制剂（板坯固溶的AlN、MnS）的依赖，对γ相所占比例要求相对较低，原始碳含量也相应降低，因此脱碳相对更为容易。

脱碳过程中的晶粒长大称之为“初次再结晶”，钢带中本身带有的先天抑制剂则会对初次再结晶晶粒的长大起到一定的阻碍作用。但相比于现有制造方法，低温取向钢先天抑制剂的不足会使这种抑制能力减弱，因此需要在发展二次再结晶之前进行渗氮退火处理在表层形成以（Al，Si）N为主的弥散第二相（通常称之为“后天抑制剂”），同时在高温退火过程中采用氮气含量足够高的保护气氛确保弥散第二相数量稳定，能够在高温退火过程中起到抑制初次晶粒长大、发展二次再结晶异常长大的作用。

低温高磁感取向硅钢在脱碳和渗氮连续退火后形成初次再结晶以及后天抑制剂状态决定了其发展完善二次再结晶的能力，对初次晶粒和后天抑制剂状态的控制越来越受到硅钢研究人员和生产制造厂家的重视，如经检索到的：

日本已公开的平7-118746文献，其指出采用了830-850℃脱碳退火，对初次再结晶晶粒直径应该控制在19-25mm之间，晶粒过大或者过小都会引起性能的不良，并且控制晶粒均匀系数在0.6以下对制备良好性能产品极为重要。

原势二郎发表于日本金属学会志，1995，59（9）：917-924的文献，表明初次再结晶尺寸影响了二次再结晶的开始温度，从而影响了二次再结晶取向度和最终成品磁性能。初次再结晶晶粒越大，渗氮量越高，二次再结晶开始温度也越高。并指出了在其研究条件下控制二次再结晶最佳温度范围在1070-1085℃之间，在此期间形成的二次晶粒位向较准确，成品磁性能良好。

以上文献对生产低温高磁感取向硅钢制备过程中初次晶粒和渗氮量两者的适配原理重要性及控制方法都进行了说明，但是对于这两者之间的控制方法只作了定性的描述，在实际生产过程中缺少及时有效的量化控制手段和实用性。

日本专利平5-078744的文献，公开了一种通过检测脱碳板铁损P_1.3值来调节脱碳退火工艺控制初次晶粒在合适的二次再结晶范围、并且能够生产玻璃膜质量良好的高磁感取向硅钢的方法。该方法采用一种具体的磁测手段进行检测并对初次再结晶晶粒尺寸进行估算，利用脱碳退火温度对初次晶粒大小的影响控制钢带其在合适范围内即可获得磁性优良产品。但是在实际生产过程中，温度是影响取向硅钢脱碳效果的重要因素，通过在线检测值的反馈调整炉温的存在难度，因为炉体环境内温度变化如果过大，从变化到稳定需要一定时间，这对脱碳反应和初次晶粒稳定性都极为不利。同时该文献没有考虑到实际生产过程中原料不同规格和成分的波动，只独立考虑初次晶粒尺寸对二次再结晶后产品磁性的影响，没有将初次晶粒和渗氮对产品磁性影响联系起来。

综上所述，现有技术在利用材料铁损评估初次晶粒与抑制剂相互作用关系时，没有考虑到炼钢过程中所添加的主要抑制剂成分如Als、Mn、N、S等对脱碳退火后的初次晶粒造成影响，以及所添加Cr、P等微量元素以及渗氮处理后在表面形成的氮化物时对渗氮处理退火后材料的铁损造成的影响，导致对取向硅钢生产过程初次晶粒等关键因素估算范围和调整准确度较差。并且对于初次晶粒和渗氮量的调节匹配缺少明确具体的操作方法，使产品磁性能容易出现波动、难以稳定高磁感的水平的不足。

发明内容

本发明在于克服现有技术存在的不足，提供一种在现有较宽成分范围及厚度0.20mm规格以下产品中，根据不同规格和成分原料，利用脱碳渗氮退火后检测到的材料铁损值P_13/50和渗氮量值，得到修订后准确度和可信度更高的值，并通过脱碳退火工艺中温度和时间的变化、以及渗氮气氛中氨气含量来控制值和渗氮量分别达到要求范围，生产出磁性能优异的低温高磁感取向硅钢的脱碳及渗氮退火的控制方法。

实现上述目的的措施：

一种生产低温高磁感取向硅钢的脱碳及渗氮退火方法，其步骤：

1）按照组分及重量百分比含量为：Si：2.95~3.35%、Als：0.0220~0.0320%、Mn：0.08~0.1%、S：0.0040~0.0100%、N：0.0060~0.0090%、Cu小于0.05%，Cr小于0.18%,其余为Fe和不可避免夹杂物进行冶炼；

2）连铸成坯后对铸坯进行加热，加热温度控制在1150~1250℃；

3）经过常规热轧、常化退火后冷轧至不超过0.3mm厚的成品厚度；

4）冷轧板经常规碱洗后进行脱碳退火，脱碳退火在加湿的以任意比例混合的N₂+H₂混合气中进行，脱碳温度为800~845℃；控制脱碳后C≤30ppm；

5）进行渗氮退火，渗氮退火在NH₃+N₂+H₂的混合气下进行，混合气中N₂ ：H₂=1:3，其余为NH₃；渗氮温度控制在500~800℃；

6）在线检测钢板的P_13/50值，并按照以下公式①计算其修订值：

=-113×Si-23.2×[Als]+4.32×Mn+ 4.17×Cu -121×Cr+6.48×S+17.4×N-0.006×△N+1.95×D-3.169 ①

式中： Si、Als 、Mn、 Cu、Cr、S和 N——分别为低温高磁感取向硅钢冶炼后Si、Als、Mn、Cu、Cr、S和N元素的重量百分比含量，并用纯小数带入公式进行计算；

△N——表示为渗氮处理后钢板中N元素相对于冶炼后N元素重量百分比的增量，用纯小数带入公式进行计算；

D——表示为钢带的产品厚度，单位mm；

7）根据修订值及脱碳渗氮后△N含量判断是否同时满足以下关系式：

2.735≤≤3.054 ②

（168-300×D）≤△N ≤200 ③

③式中，D——表示为钢带的产品厚度，单位mm；

△N——表示为渗氮处理后钢板中N元素相对于冶炼后N元素重量百分比的增量；

当值满足②式，同时△N值满足③式时，其脱碳温度、脱碳时间以及渗氮量无需进行调整；

当值超出②式控制范围，而△N值满足③式时，则通过以下公式④调整到控制的范围内：

=14.95-0.01×T -0.735lnt ④

④式中， T——表示为脱碳退火时炉膛的温度，单位℃；

t——表示为脱碳退火均热时间，单位s；

当值满足②式控制范围，而△N值超出③式的控制范围时，则通过调整混合气中的NH₃百分含量进行：每当△N高出目标上限5ppm，则降低混合气氛中NH₃百分含量0.8~1.2%，每当△N低于目标下限5ppm，则增加混合气氛中NH₃百分含量0.8~1.2%，直至△N满足③式要求；

8）常规进行后工序。

本发明中主要工序的作用及机理：

本发明通过不同规格和成分的磁性优良产品的初次晶粒和渗氮量关系，界定了最优P_1.3/50范围要求，并依靠脱碳温度、脱碳时间和渗氮量对P_1.3/50影响关系进行工艺控制，使得P_1.3/50检测值及时达到最佳要求，从而生产出磁性优异的低温高磁感取向硅钢。相比于现有技术，本发明适应成分范围和产品规格广，且可根据实际工艺进行及时、灵活的调控，解决了初次晶粒和渗氮量的控制匹配的技术难题，稳定获得性能优异的各规格厚度产品。

本发明与现有技术相比，本发明能通过对脱碳退火和渗氮退火进行调整，使得钢卷材料P_1.3/50值及渗氮量△N同时在所限定的合理范围内，致所生产的厚度不超过0.30mm规格产品磁性能能达到1.92T以上优异磁性能，能为生产制备高端刻痕牌号产品提供优质母材。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施案例的化学成分列表；

表2为本发明各实施案例的主要工艺参数列表；

表3为本发明各实施案例的拉伸性能和镀层质量列表。

本发明各实施案例均按照以下步骤进行生产：

1）按照组分及重量百分比含量为：Si：2.95~3.35%、Als：0.0220~0.0320%、Mn：0.08~0.1%、S：0.0040~0.0100%、N：0.0060~0.0090%、Cu小于0.05%，Cr小于0.18%,其余为Fe和不可避免夹杂物进行冶炼；

2）连铸成坯后对铸坯进行加热，加热温度控制在1150~1250℃；

3）经过常规热轧、常化退火后冷轧至不超过0.3mm厚的成品厚度；

4）冷轧板经常规碱洗后进行脱碳退火，脱碳退火在加湿的以任意比例混合的N₂+H₂混合气中进行，脱碳温度为800~845℃；控制脱碳后C≤30ppm；

5）进行渗氮退火，渗氮退火在NH₃+N₂+H₂的混合气下进行，混合气中N₂ ：H₂=1:3，其余为NH₃；渗氮温度控制在500~800℃；

6）在线检测钢板的P_13/50值，并按照以下公式①计算其修订值：

=-113×Si-23.2×[Als]+4.32×Mn+ 4.17×Cu -121×Cr+6.48×S+17.4×N-0.006×△N+1.95×D-3.169 ①

式中： Si、Als 、Mn、 Cu、Cr、S和 N——分别为低温高磁感取向硅钢冶炼后Si、Als、Mn、Cu、Cr、S和N元素的重量百分比含量，并用纯小数带入公式进行计算；

△N——表示为渗氮处理后钢板中N元素相对于冶炼后N元素重量百分比的增量，用纯小数带入公式进行计算；

D——表示为钢带的产品厚度，单位mm；

7）根据修订值及脱碳渗氮后△N含量判断是否同时满足以下关系式：

2.735≤≤3.054 ②

（168-300×D）≤△N ≤200 ③

③式中，D——表示为钢带的产品厚度，单位mm；

△N——表示为渗氮处理后钢板中N元素相对于冶炼后N元素重量百分比的增量；

当值满足②式，同时△N值满足③式时，其脱碳温度、脱碳时间以及渗氮量无需进行调整；

当值超出②式控制范围，而△N值满足③式时，则通过以下公式④调整到控制的范围内：

=14.95-0.01×T -0.735lnt ④

④式中， T——表示为脱碳退火时炉膛的温度，单位℃；

t——表示为脱碳退火均热时间，单位s；

当值满足②式控制范围，而△N值超出③式的控制范围时，则通过调整混合气氛中的NH₃百分含量进行：每当△N高出目标上限5ppm，则降低混合气氛中NH₃百分含量0.8~1.2%，每当△N低于目标下限5ppm，则增加混合气氛中NH₃百分含量0.8~1.2%，直至△N满足③式要求；

8）常规进行后工序。

表1 本发明各实施例及对比例的化学成分取值列表（wt.%）

表2 本发明各实施例及对比例工艺参数取值列表

表3为发明各实施例及对比例材料参数、成品的平均磁性列表

从表3中可以看出，采用本发明方法对脱碳退火和渗氮退火进行调整控制使得钢卷材料P_1.3/50值在合理范围内并且渗氮量[△N]也满足要求时，所生产的0.30mm、0.27mm、0.23mm以及0.20mm规格产品磁性能均较常规比例磁感优异，并达到1.92T以上。

实际的工艺调控可以依据现场生产实际选择最优调控方案。

本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。

Claims (1)

1.一种生产低温高磁感取向硅钢的脱碳及渗氮退火方法，其步骤：

1）按照组分及重量百分比含量为：Si：2.95~3.35%、Als：0.0220~0.0320%、Mn：0.08~0.1%、S：0.0040~0.0100%、N：0.0060~0.0090%、Cu小于0.05%，Cr小于0.18%,其余为Fe和不可避免夹杂物进行冶炼；

2）连铸成坯后对铸坯进行加热，加热温度控制在1150~1250℃；

3）经过常规热轧、常化退火后冷轧至不超过0.3mm厚的成品厚度；

4）冷轧板经常规碱洗后进行脱碳退火，脱碳退火在加湿的以任意比例混合的N₂+H₂混合气中进行，脱碳温度为800~845℃；控制脱碳后C≤30ppm；

5）进行渗氮退火，渗氮退火在NH₃+N₂+H₂的混合气下进行，混合气中N₂ ：H₂=1:3，其余为NH₃；渗氮温度控制在500~800℃；

6）在线检测钢板的P_13/50值，并按照以下公式①计算其修订值：

=-113×Si-23.2×[Als]+4.32×Mn+ 4.17×Cu -121×Cr+6.48×S+17.4×N-0.006×△N+1.95×D-3.169 ①

式中： Si、Als 、Mn、 Cu、Cr、S和 N——分别为低温高磁感取向硅钢冶炼后Si、Als、Mn、Cu、Cr、S和N元素的重量百分比含量，并用纯小数带入公式进行计算；

△N——表示为渗氮处理后钢板中N元素相对于冶炼后N元素重量百分比的增量，用纯小数带入公式进行计算；

D——表示为钢带的产品厚度，单位mm；

7）根据修订值及脱碳渗氮后△N含量判断是否同时满足以下关系式：

2.735≤≤3.054 ②

（168-300×D）≤△N ≤200 ③

③式中，D——表示为钢带的产品厚度，单位mm；

△N——表示为渗氮处理后钢板中N元素相对于冶炼后N元素重量百分比的增量；

当值满足②式，同时△N值满足③式时，其脱碳温度、脱碳时间以及渗氮量无需进行调整；

当值超出②式控制范围，而△N值满足③式时，则通过以下公式④调整到控制的范围内：

=14.95-0.01×T -0.735lnt ④

④式中， T——表示为脱碳退火时炉膛的温度，单位℃；

t——表示为脱碳退火均热时间，单位s；

当值满足②式控制范围，而△N值超出③式的控制范围时，则通过调整混合气氛中的NH₃百分含量进行：每当△N高出目标上限5ppm，则降低混合气氛中NH₃百分含量0.8~1.2%，每当△N低于目标下限5ppm，则增加混合气氛中NH₃百分含量0.8~1.2%，直至△N满足③式要求；

8）常规进行后工序。