CN112080695A - 一种高硅无取向电工钢及其生产方法 - Google Patents

一种高硅无取向电工钢及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高硅无取向电工钢及其生产方法，所述高硅无取向电工钢的化学成分按重量百分比为：C：≤0.0050％，Si：2.8～3.55％，Al：≤1.25％，Mn：0.20～0.75％，P≤0.05％，S≤0.0050％，N≤0.0040％，其余为Fe及不可避免的杂质；优选地，(Si+Al+Mn)在4.0～5.0％，优选地，[Si/(Al+Mn)]在2.0～4.0。所述方法采用高牌号无取向电工钢的生产模式进行，包括冶炼、连铸、热轧、常化，然后在六辊单机架上进行第一次冷轧，随后在五机架连轧机上进行第二次冷轧，最后进行成品退火、涂层及精整包装。本发明通过两次冷轧的方式，达到改善冷轧边部质量，降低断带率，并极大地提高了冷轧生产效率和成材率的有益效果。

Description

一种高硅无取向电工钢及其生产方法
技术领域：
本发明涉及无取向电工钢，具体涉及一种高硅无取向电工钢及其生产方法。
背景技术：
无取向电工钢广泛用于制作电力、电子工业中的各类电机铁芯、EI变压器铁芯及各种电源铁芯等。高牌号无取向电工钢的硅含量通常在1.5-3.5％范围以内，一般是指50W470以上牌号的无取向电工钢。
高牌号无取向电工钢的生产工艺流程包括铁水预处理、转炉冶炼、真空合金化、连铸、热轧、常化、酸洗、冷轧、退火、涂层、精整和包装等工序。其中，冷轧工序是极其重要的关键环节之一，具有承上启下的作用，实现连续稳定的生产才能保证后工序的顺行。连续冷轧机组经常出现的问题是焊接不好、酸洗不净、冷轧断带、板型不好及表面质量不合等，因此冷连轧一般只能轧制硅含量相对较低的中低牌号无取向电工钢，而硅含量大于2.8％的钢种因为热轧卷在轧制前经过高温常化处理，内部晶粒粗大轧制时容易边裂、甚至断带，一般情况下不在冷连轧机组上轧制，即使经过改造也只能低速轧制，影响生产效率。因此一般都在单机架轧机上轧制，比如六辊CVC轧机和二十辊森吉米尔轧机。从生产效率来看，冷连轧机组远远大于单机架轧机。如何保证高牌号无取向电工钢的冷轧连续顺行而且高效率是我们面临的困境。
中国专利CN110369525A公开一种避免高牌号无取向硅钢冷轧断带的预热方法，在冷轧的轧机前设摩擦加热辊，钢带通过摩擦生热并通过热传导方式预热钢带，在环境温度为-15～20℃的条件下，实现断带率小于5％。该方法预热钢带的效果有限，难以达到高速稳定轧制。
中国专利CN110369496A公开一种高牌号无取向硅钢冷轧预热方法，所述高牌号无取向硅钢的化学成分按重量百分比计为：C≤0.010％，Si：2.0％～3.5％，Als：0～0.8％，Mn：0.10％～0.80％，P≤0.15％，S≤0.015％，N≤0.0050％，其余为Fe和不可避免的残余元素；在开卷机与轧机之间设钢带预热装置，钢带预装装置由保温罩、加热辊及辐射管燃烧装置组成，辐射管燃烧装置设置在加热辊内，加热辊外侧设保温罩；辐射管燃烧装置通过煤气燃烧对加热辊进行加热，再通过加热辊加热钢带。通过热传导方式高效加热钢带，对高牌号无取向硅钢进行预热处理，达到降低冷轧钢带断带率，提高成材率，降低生产成本的目的。由于钢带加热的时间很短，该方法也不能实现高速轧制。
中国专利CN105396879A公开一种高牌号无取向硅钢冷连轧边裂的控制方法。将第一机架负荷分配由系统自动分配时的33～36％降低至25％～30％；将UCMW轧机工作辊窜辊值设置为-40～20mm。可有效降低带钢边部应力，避免高牌号无取向硅钢在冷连轧过程中出现边裂问题，提高了高牌号无取向硅钢冷连轧的生产能力，以及保证了高牌号无取向硅钢的质量。该方法只能改善冷连轧边裂情况，也不能实现高速稳定轧制。
中国专利CN109622619公开一种冷连轧生产高牌号无取向电工钢的方法。在冷轧入口前对带钢进行加热使其温度升至80-100℃，在冷轧入口段再次对带钢的加热使其温度升至100-120℃，其中，冷轧设备采用十八辊六机架冷连轧机组进行冷轧。其生产效率高，而带钢原料在室温下具有脆性且有边裂存在，导致带钢在冷轧时张力较大区域易发生断带，而在将带钢在冷轧前加热升温以减小其脆性，从而减小带钢在冷轧入口段发生断带的几率，而在十八辊六机架冷连轧机组的出口端带钢的出口速度最大能达到800m/min，且其所得产品的厚度可在0.27mm以下。该方法可以实现高速稳定轧制，但设备需改造，前期投入较大。
中国专利CN 108277433公开一种新型冷轧高牌号无取向电工钢及其生产方法。其化学成分及重量百分比：C≤0.003％，Si2.90～3.00％，Mn 0.10～0.15％，P≤0.02％，Als0.91～0.96％，S≤0.003％，N≤0.003％，Ti≤0.003％，其余为Fe及不可避免的杂质。通过钢水连续浇铸成板坯-板坯冷却后进入加热炉加热-热轧-平整-常化酸洗-冷轧-退火-涂层工艺生产得到。所得电工钢成品的磁性能优异，铁损低、磁感高，且磁性能波动小。该方法将2.0～2.5mm热轧板经过1％～2％的平整压下，虽然能够减薄厚度并改善板形质量，但是对改善冷轧断带和高速轧制的作用并不大，因为平整量太小并且在平整以后还要常化。
发明内容：
针对上述方法的不足，本发明提供了一种高硅无取向电工钢及其生产方法，即能够防止冷轧断带，又能够实现连续高速轧制，最终达到提高冷轧生产效率的目的。
(1)采用洁净钢生产模式进行冶炼连铸成坯，其化学成分按重量百分比为：C：≤0.005％，Si：2.80～3.55％，Al：≤1.25％，Mn：0.20～0.75％，P≤0.05％，S≤0.005％，N≤0.004％，其余为Fe及不可避免的杂质；优选地：(Si+Al+Mn)在4.0～5.0％，优选地：Si/(Al+Mn)在2.0～4.0。
(2)进行热轧。控制热轧卷的厚度为2.55±0.25mm，凸度为10～50μm，楔形≤30μm。
(3)进行常化酸洗。控制常化温度为880～1000℃，保温时间为30～50s。
(4)在UCMW六辊单机架上进行第一次冷轧，所述工作辊均为平辊，辊径为250～290mm，所述工作辊表面粗糙度为0.6～1.0μm，入侧单位张力范围为0.32～33kg/mm2，出侧单位张力范围为4.5～46kg/mm2，轧制时采用乳化液喷淋进行工艺润滑和冷却，控制乳化液浓度为2～5％，控制乳化液温度为50～60℃，通过分区冷却的方式控制工作辊的热膨胀调节钢卷板形；优选地，控制压下率为12～20％，控制轧制速度为600-800m/min。
在五机架连轧机上进行第二次冷轧，并按下列方法进行设置和控制。
所述六辊冷连轧机组的工作辊辊径为390～450mm,优选地400～420mm，优选地辊身长度1420mm，其材质采用硬度HRC60-62的D2材质；其中第一机架至第三机架的工作辊的表面粗糙度Ra为0.5～0.9μm，第四机架至第五机架的工作辊的表面粗糙度Ra为0.3～0.5μm。
轧制过程中控制第一机架压下率为28～40％，第二机架压下率为26～39％，第三机架压下率为27～36％，第四机架压下率为18～34％，第五机架压下率为16～27％，优选地，第一机架至第五机架压下率分别为34％、33％、32％、26％、22％。
轧制过程中控制第一至第四机架的乳化液流量为4500±300L/min，第五机架的乳化液流量为4000±200L/min；第一机架至第五机架的出口均配置板温仪对带钢温度进行测量，进而对乳化液流量进行精确控制，以使得第一机架至第四机架出口处带钢温度为180±40℃；第五机架出口带钢温度为120±30℃。
轧制过程中控制带钢边部减薄，第一和第二机架工作辊锥度分别为1/200(锥长为200mm)和1/400(锥长为250mm)，第三至第五机架工作辊均为平辊。第五机架乳化液采用分段冷却方式自动控制工作辊热凸度。且在第五机架的出口段，对连轧后的带钢进行卷取。同时，优选地控制带钢入侧张力为1.5～35kg/mm2和出侧张力为6～49kg/mm2。
轧制过程中控制轧制速度为500～1000m/min。
轧制过程中控制带钢纵向厚度公差为±0.010mm，横向厚度差≤12.0μm，板形值≤8I。
钢带经激光焊接以后进入酸洗槽，控制盐酸浓度为1～2％，温度10～50℃，然后进行连轧并卷取。
(5)进行成品退火并涂层。
(6)进行精整、分卷包装。
下面对本发明对成分和工艺的限定理由进行充分说明。
本发明的技术关键在于：一是对电工钢中的Si、Al、Mn三个主要元素范围进行限定，放宽杂质元素含量，在保证成品性能基础上改善冷轧的可行性；二是控制热轧卷的板型质量，为冷轧工序提供良好的原料；三是放宽常化温度范围，改善磁性能；四是通过一次冷轧增加钢带强度和韧性，降低边裂和断带的发生率，再通过二次冷轧提高生产效率和成材率。
首先对化学成分的组成进行阐述，以下所有元素含量的质量百分比仅以“％”表示。
碳：C是磁时效元素，对磁性有害，越低越好，因此本发明要求C≤0.005％，优选地C≤0.003％。
硅：Si是一种具有提高电阻率和降低铁耗作用的元素。高牌号无取向电工钢通常是用在大型电机上使用，要求铁损低以提高效率。不仅要磁滞损耗低而且涡流损耗也要低。因此需要更高的电阻率避免产生更多的涡流损耗。如果硅含量超过3.55％，在冷轧过程中钢板变得易碎很容易断裂、甚至断带，影响生产节奏。同时，硅含量过高，由于硬度高对成品的冲片加工性也不利。但是如果硅含量小于2.80％，首先是现有技术也可以满足生产要求，然后是磁性能达不到目标要求，特别是不能满足低损耗的要求。另外，因此，本发明要求Si在2.80～3.55％。
锰：Mn易与硫发生反应生成硫化锰，对热轧板坯加热时固溶的硫有减低效果，提高锰含量可以抑制硫引起的热脆性，也会使锰的析出物粗化，并能促进晶粒生长。此外，锰还具有增加电阻、降低铁耗的作用。所以要求钢中Mn≥0.2％。但是，当锰超过0.75％时，添加锰的效果不会增加，而成本也要增加。因此本发明要求Mn在0.20～0.75％。
铝：Al易与氧反应生成三氧化二铝，常常作为炼钢时的脱氧剂，与Si一样，Al是提高电阻率、降低铁损的有效元素。如果铝含量超过1.25％，连铸时容易堵塞水口，对生产不利。过高的铝也会导致硬度上升，造成加工性能恶化。另外，Al通过与氮反应生成AlN，具有抑制附近晶粒生长的作用。有时候希望铝越少越好。因此本发明要求Al≤1.25％。
磷：P易与铁反应生成Fe3P，因此磷容易在钢中残留，另外，磷也是偏析元素，易在晶界偏析，增加钢板的脆性，造成冷轧时边裂和断带。因此本发明要求P≤0.05％或更少。
硫：S容易在钢中形成硫化物夹杂，会恶化磁性，同时硫会增加钢的脆性，不利于冷轧。因此本发明要求S≤0.005％或更少。
氮：N在钢中容易形成AlN、TiN等细小的夹杂物，对降低铁损不利。因此本发明要求N≤0.004％或更少。
本发明之所以要限定Si+Al+Mn总量在4.0～5.0％，主要是考虑钢带的成分对常化板强度的影响，是否具有冷轧的可行性。既要考虑单机架轧制时的边裂情况，又要考虑五机架连轧时不断带；特别是优选地控制Si/(Al+Mn)在2.0-4.0，因为硅含量高则钢带的脆性大，而(Al+Mn)的量也影响到钢板的韧性，总之，这样控制的目的是要使钢板到达韧脆平衡，保证生产方法的顺利实施。
本发明针对高硅含量的无取向电工钢提供一种高硅无取向电工钢的生产方法。对钢中化学成分的限定只是基于提高硅含量降低铁损的同时，考虑成分对冷轧可行性的影响。
下面对本发明方法的制造过程及其工艺参数进行说明。
炼钢过程：按高牌号无取向电工钢的生产方法进行，冶炼成分达到目标要求。
连铸过程：按高牌号无取向电工钢的生产方法进行。
热轧过程：根据该钢种的成分制定热轧工艺，控制热轧卷的厚度为2.55±0.25mm，凸度为10～50μm，楔形≤30μm。这是为后面的冷轧工序提供良好的原料。
常化过程：为改善成品织构提高成品磁性能所必须的工艺过程。钢带在连续退火时，常化温度控制在850～1000℃，保温时间为30～50s。若温度低于850℃，则钢板的晶粒达不到所要求的尺寸，起不到改善织构的效果；若温度超过1000℃，则晶粒长得过大，会造成冷轧边裂或断带等不利情况发生；保温时间过短则得不到改善磁性的效果，而过长会造成晶粒粗大而且不均匀，在冷轧时会产生不可估量的损失、甚至全部报废。
酸洗过程：按高牌号无取向电工钢的生产方法进行。
冷轧过程：高温常化是提高电工钢板磁性能的重要措施之一，但是对冷轧也带来了不利影响。第一，钢带的抗拉强度降低带来了容易断带的风险；第二，钢带因内部晶粒粗大、脆性加大造成边部容易开裂。单机架六辊可逆轧机因辊径小、轧制压力大、操控性好，适合轧制高硅含量的电工钢，但是生产效率低，平均每天产量200～300吨；而五机架连轧机组的生产效率是单机架的8～10倍，可以不剪边轧制，并且成材率也高。但是对来料要求也高，特别是一致性要求高。要求材质一致，宽度和厚度一致，内部组织均匀，对钢板强度和延伸率也应相差不大才行，特别是不应有表面和边部缺陷。否则，造成断带或停机，影响生产顺行。
热轧板常化酸洗后首先在单机架六辊轧机上进行第一次冷轧。该工序的重点就在于对冷轧压下率的控制，如果压下率太小，一是对磁性能改善不大，而是对钢带的机械性能，特别是对钢带的边部韧性提高不利；如果压下率太大，就会因为冷轧加工硬化造成钢板强度提升、对后面继续冷轧产生不利影响。因此，本专利要求控制第一次冷轧的压下率为8～25％，优选地控制压下率为13～20％。其次在五机架冷连轧机组进行第二次冷轧。该工序的重点就在于保证冷轧机组如何高效连续生产，控制各机架的负荷分配是关键。控制第一机架压下率为28～40％，第二机架压下率为26～39％，第三机架压下率为27～36％，第四机架压下率为18～34％，第五机架压下率为16～27％，优选地，第一机架至第五机架压下率分别为34％、33％、32％、26％、22％。
成品退火过程：按高牌号无取向电工钢的生产方法进行。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用单机架冷轧机和五机架连轧机相配合的轧制工艺，相对于常规方法，极大地提高冷轧生产效率和成材率；同时，通过优选的成分设计和热轧、常化工艺，降低了对冷轧原料的严苛要求。
具体实施方式：
下面对本发明实施例予以详细描述：
表1为本发明各实施例及对比例的化学成分取值列表
表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表(一)
表3为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表(二)
表4为本发明各实施例及对比例的实施效果列表
本发明各实施例全部按照以下步骤生产：
(1)采用洁净钢生产模式进行冶炼连铸成坯，其化学成分按重量百分比为：C：≤0.005％，Si：2.80～3.55％，Al：≤1.25％，Mn：0.20～0.75％，P≤0.05％，S≤0.005％，N≤0.004％，其余为Fe及不可避免的杂质；优选地：(Si+Al+Mn)在4.0～5.0％，优选地：Si/(Al+Mn)在2.0～4.0。
(2)进行热轧。控制热轧卷的厚度为2.55±0.25mm，凸度为10～50μm，楔形≤30μm。
(3)进行常化酸洗。控制常化温度为880～1000℃，保温时间为30～50s。
(4)在六辊单机架上进行第一次冷轧，所述工作辊为平辊，辊径为250～290mm，所述工作辊表面粗糙度为0.6～1.0μm，入侧单位张力范围为0.32～33kg/mm2，出侧单位张力范围为4.5～46kg/mm2，轧制时采用乳化液喷淋进行工艺润滑和冷却，控制乳化液浓度为2～5％，控制乳化液温度为50～60℃，通过分区冷却的方式控制工作辊的热膨胀调节钢卷板形；优选地控制压下率为12～20％，控制轧制速度为600-800m/min。
在五机架连轧机上进行第二次冷轧，并按下列方法进行设置和控制。
所述UCMW六辊冷连轧机组的工作辊辊径为390～450mm,优选地400～420mm，优选地辊身长度1420mm，其材质采用硬度HRC60-62的D2材质；其中第一机架至第三机架的工作辊的表面粗糙度Ra为0.5～0.9μm，第四机架至第五机架的工作辊的表面粗糙度Ra为0.3～0.5μm。
轧制过程中控制第一机架压下率为28～40％，第二机架压下率为26～39％，第三机架压下率为27～36％，第四机架压下率为18～34％，第五机架压下率为16～27％，优选地，第一机架至第五机架压下率分别为34％、33％、32％、26％、22％。
轧制过程中控制第一至第四机架的乳化液流量为4500±300L/min，第五机架的乳化液流量为4000±200L/min；第一机架至第五机架的出口均配置板温仪对带钢温度进行测量，进而对乳化液流量进行精确控制，以使得第一机架至第四机架出口处带钢温度为180±40℃；第五机架出口带钢温度为120±30℃。
轧制过程中控制带钢边部减薄，第一和第二机架工作辊锥度分别为1/200(锥长为200mm)和1/400(锥长为250mm)，第三至第五机架工作辊均为平辊。第五机架乳化液采用分段冷却方式自动控制工作辊热凸度。且在第五机架的出口段，对连轧后的带钢进行卷取。同时，优选地控制带钢入侧张力为1.5～35kg/mm2和出侧张力为6～49kg/mm2。
轧制过程中控制轧制速度为500～1000m/min。
轧制过程中控制带钢纵向厚度公差为±0.010mm，横向厚度差≤12.0μm，板形值≤8I。
钢带经激光焊接以后进入酸洗槽，控制盐酸浓度为1～2％，温度10～50℃，然后进行连轧并卷取。
(6)进行成品退火并涂层。
(7)进行精整分卷包装。
下面具体描述各实施例与对比例的成分、工艺及生产效果。
表1本发明各实施例及对比例的化学成分取值列表
Figure BDA0002658833780000091
Figure BDA0002658833780000101
说明：表中带“*”标志的数据均超出本发明技术方案范围，全部作为对比例。
表2本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表(一)
Figure BDA0002658833780000102
Figure BDA0002658833780000111
由表2可知，实施例8、实施例9和对比例16因为硅含量偏高，热轧卷的边部质量均存在不同程度的轻微缺陷，实施例10、实施例11、对比例12和对比例13因为常化温度偏高也存在不同程度的轻微缺陷。第一次冷轧在单机架六辊轧机上进行，根据来料厚度控制轧机的压下率为14-20％。经检查发现，实施例1-11的的轧后边部质量明显好于硅含量相当的对比例。从成材率来看，实施例的成材率高出硅含量相当的对比例1-2％。
表3本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表(二)
Figure BDA0002658833780000112
Figure BDA0002658833780000121
由上可知，第二次冷轧时，控制第一机架压下率为28-40％，第二机架压下率为26-39％，第三机架压下率为27-36％，第四机架压下率为18-34％，第五机架压下率为16-27％。
表4本发明各实施例及对比例的实施效果列表
Figure BDA0002658833780000122
由上可知，实施例和对比例均能通过本发明方法进行冷轧，只是实施例在轧后的边部质量明显好于对比例，这主要是因为对比例的成分超出了发明范围。成材率＝轧后重量/轧前重量×100％，发现实施例的成材率比硅含量相当的对比例的成材率高2-5％。
上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims (6)

1.一种高硅无取向电工钢生产方法，其特征在于：
(1)采用洁净钢生产模式进行冶炼连铸成坯，其化学成分按重量百分比为：C：≤0.005％，Si：2.8～3.55％，Al：≤1.25％，Mn：0.20～0.75％，P≤0.05％，S≤0.005％，N≤0.004％，其余为Fe及不可避免的杂质；同时满足(Si+Al+Mn)在4.0～5.0％，[Si/(Al+Mn)]在2.0～4.0；
(2)进行热轧，控制热轧卷的厚度为2.55±0.25mm，凸度为10～50μm，楔形≤30μm；
(3)进行常化酸洗，控制常化温度为880～1000℃，保温时间为30～50s；
(4)进行冷轧，在UCMW六辊单机架上进行第一次冷轧，所述工作辊均为平辊，辊径为250～290mm，所述工作辊表面粗糙度为0.6～1.0μm，入侧单位张力范围为0.32～33kg/mm2，出侧单位张力范围为4.5～46kg/mm2，轧制时采用乳化液喷淋进行工艺润滑和冷却，控制乳化液浓度为2～5％，控制乳化液温度为50～60℃，通过分区冷却的方式控制工作辊的热膨胀调节钢卷板形；控制压下率为12～20％，控制轧制速度为600-800m/min；在五机架连轧机上进行第二次冷轧，所述六辊冷连轧机组的工作辊辊径为390～450mm；其中第一机架至第三机架的工作辊的表面粗糙度Ra为0.5～0.9μm，第四机架至第五机架的工作辊的表面粗糙度Ra为0.3～0.5μm；轧制过程中控制第一至第四机架的乳化液流量为4500±300L/min，第五机架的乳化液流量为4000±200L/min；第一机架至第五机架的出口均配置板温仪对带钢温度进行测量，对乳化液流量进行精确控制，第一机架至第四机架出口处带钢温度为180±40℃；第五机架出口带钢温度为120±30℃；
轧制过程中控制带钢边部减薄，第一机架工作辊锥度为1/200，锥长为200mm；第二机架工作辊锥度为1/400，锥长为250mm，第三至第五机架工作辊均为平辊；第五机架乳化液采用分段冷却方式自动控制工作辊热凸度；且在第五机架的出口段，对连轧后的带钢进行卷取；控制带钢入侧张力为1.5～35kg/mm2和出侧张力为6～49kg/mm2；
轧制过程中，控制轧制速度为500～1000m/min；控制带钢纵向厚度公差为±0.010mm，横向厚度差≤12.0μm，板形值≤8I；
钢带经激光焊接后进入酸洗槽，控制盐酸浓度为1～2％，温度10～50℃，然后进行连轧并卷取；
(5)进行成品退火并涂层；
(6)进行精整分卷包装。
2.根据权利要求1所述的一种高硅无取向电工钢的生产方法，其特征在于：六辊冷连轧机组工作辊辊径为400～420mm，辊身长度为1420mm，工作辊材质采用硬度HRC60-62的D2材质。
3.根据权利要求1所述的一种高硅无取向电工钢的生产方法，其特征在于：在六辊单机架上进行第一次冷轧，控制压下率为12～20％。
4.根据权利要求1所述的一种高硅无取向电工钢的生产方法，其特征在于：在五机架连轧机上进行第二次冷轧，第一机架压下率为28～40％，第二机架压下率为26～39％，第三机架压下率为27～36％，第四机架压下率为18～34％，第五机架压下率为16～27％。
5.根据权利要求1所述的一种高硅无取向电工钢的生产方法，其特征在于：第一机架至第五机架压下率分别为34％、33％、32％、26％、22％。
6.一种高硅无取向电工钢，使用如权利要求1-5任一方法生产，其特征在于所述高硅无取向电工钢的化学成分按重量百分比为：C：≤0.005％，Si：2.8～3.55％，Al：≤1.25％，Mn：0.20～0.75％，P≤0.05％，S≤0.005％，N≤0.004％，其余为Fe及不可避免的杂质；同时满足(Si+Al+Mn)在4.0～5.0％，[Si/(Al+Mn)在2.0～4.0。
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