CN113832322A - 高磁感取向硅钢高效脱碳退火工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高磁感取向硅钢高效脱碳退火工艺，主要工艺流程为：炼钢连铸→热轧→酸洗常化→冷轧→脱碳和初次再结晶退火→渗氮处理(低温Hi‑B)→涂覆氧化镁隔离剂→高温退火→拉伸平整退火→涂覆绝缘涂层→精整，低温HiB不同于高温Hi‑B的工艺流程主要是在脱碳退火后增加了渗氮段。本发明在保证产品实物质量不低于现有水平(国内领先水平)的前提下，使Hi‑B钢退火效率达到世界领先，制造成本大幅降低。

Description

高磁感取向硅钢高效脱碳退火工艺
技术领域
本发明属于高磁感取向硅钢加工与制造领域，具体地涉及连续脱碳和初次再结晶退火，尤其涉及一种高磁感取向硅钢高效脱碳退火工艺。
背景技术
取向硅钢制造工艺主要包括：炼钢→连铸→热轧→酸洗常化→冷轧→脱碳退火(必要时渗氮)→涂覆氧化镁隔离剂→高温退火→拉伸平整退火→涂覆绝缘涂层，由于其制造工艺复杂、技术难度高，被誉为钢铁工业的“工艺品”。1961年，新日铁在普通取向硅钢的基础上发明了以MnS和ALN为抑制剂的具有极高取向度的取向硅钢产品，叫做高磁感取向硅钢，批量稳定生产后，命名为Hi-B，由于其铸坯热轧加热温度高达1300℃以上，行业内称之为高温Hi-B。近年来，后研发出了降低铸坯加热温度工艺，通过初次再结晶退火后渗氮获得ALN抑制剂将铸坯热轧加热温度降低到1200℃以下，行业内称此工艺的产品为低温Hi-B。
为了热轧时保证足够的奥氏体比例来保证抑制剂固溶效果，钢中碳含量必须达到一定的数量，高温Hi-B中的碳含量一般在650ppm以上，而低温Hi-B一般在400ppm以上。由于Hi-B冷轧必须保证足够的压下率，其冷轧均采用一次法完成，冷轧后马上进行脱碳和初次再结晶退火。脱碳退火后钢板中的碳含量必须降低到40ppm以下，企业一般控制在30ppm以下，以防止成品钢卷出现磁时效而恶化磁性能。这一要求决定了脱碳退火炉的退火时间，根据Hi-B的发明者新日铁的专利技术，高温Hi-B脱碳退火时间应在3分钟以上，低温Hi-B在110秒以上，脱碳时间与厚度的平方成正比，根据厚度规格的差异，脱碳时间有±10秒的差异(±10秒指的是0.30mm厚度及以下规格产品，如果达到0.35mm厚度及以上，脱碳时间更长)。
随着HiB制造技术的蓬勃发展，国内外制造企业尤其是国内市场竞争已逐步从单纯的质量竞争转化为质量与制造成本的竞争。脱碳工艺的需要大大限制了连续退火机组的生产效率的发挥，相比无取向硅钢来说，取向硅钢尤其是Hi-B的机组运行效率较低，制造成本较高。
与取向硅钢脱碳退火工序相关的专利较多，但绝大多仅仅将脱碳退火作为工艺流程的一个环节进行介绍，比如，中国专利申请号CN201110273632.1，介绍了工艺流程中包含“一次脱碳退火”，氮专利技术旨在解决传统冷轧取向硅钢的板坯加热温度高、加热炉寿命短、能源浪费、取向硅钢因C及其它化学元素含量要求范围窄及转炉冶炼牌号命中率低等技术问题；再比如中国专利申请号CN201110008663.4，模糊的给出了脱碳工序所需的时间为60～360s的宽泛范围，并未说明具体的脱碳时间，其专利技术的要点在于全工序的工艺设计,重点是降低板坯低温加热温度,控制渗氮脱碳工艺形成适量有效的(Al,Si)N抑制剂,获得优异的磁性能和低温渗氮,降低能耗和生产成本；再比如中国专利申请号CN201310704349.9，也仅仅是将脱碳退火作为其中一个工序进行流程介绍，其技术核心在于通过改善加热方法改善磁性均匀性等等。
关于脱碳退火工序工艺或退火效率的专利较少，与本专利技术最相近的是中国专利申请号CN201920749858.6，介绍了一种高磁感取向硅钢用钢带加工脱碳装置，通过氢气添加机构可以在钢带本体高温脱碳作业时向脱碳腔内输送氢气,继而有效降低钢带氧化层中二氧化硅含量,提高脱碳效果，缩短脱碳时间。该技术侧重于脱碳装置的发明，并没有涉及炉内分压比的分布以及本专利涵盖的渗氮、高温退火等其他技术内容，且对其具体的脱碳时间也没有进行准确的描述。还有少数专利涉及到脱碳退火环节，比如中国专利申请号CN201811019863.8公开了的技术内容为，在脱碳退火工序中通过采用快速加热技术、根据升温速率计算脱碳退火时间、界定渗氮处理后初次晶粒平均尺寸和尺寸波动系数的范围,控制低温高磁感取向硅钢初次结晶的尺寸大小和提高了均一程度,进而提高产品的磁性能；中国专利申请号CN201910563069.8，公开了一种制备低温高磁感取向硅钢的工艺方法,该工艺方法不同于传统的冷轧板脱碳退火后渗氮技术,而在冷轧板脱碳退火初期开始初次再结晶的温度范围内进行渗氮；再比如，中国专利申请号CN201610504806.3，公开了一种取向硅钢脱碳退火试验系统，以及一种取向硅钢脱碳退火试验方法；中国专利申请号CN201611016468.5，也直接与脱碳退火工艺相关，但其要点是通过对脱碳退火和渗氮退火进行调整,使得钢卷材料P1.3/50值及渗氮量△N同时在所限定的合理范围内等等。
发明内容
基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种高效率的连续脱碳和初次再结晶退火工艺，在保证产品实物质量不低于现有水平(国内领先水平)的前提下，使Hi-B钢退火效率达到世界领先，制造成本大幅降低。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种高磁感取向硅钢高效脱碳退火工艺，包含如下步骤：
高温HiB冶炼包含如下步骤：炼钢连铸→热轧→酸洗常化→冷轧→脱碳和初次再结晶退火→涂覆氧化镁隔离剂→高温退火→拉伸平整退火→涂覆绝缘涂层→精整；
低温HiB冶炼包含如下步骤：生产方法的主要工艺流程为：炼钢连铸→热轧→酸洗常化→冷轧→脱碳和初次再结晶退火→渗氮处理→涂覆氧化镁隔离剂→高温退火→拉伸平整退火→涂覆绝缘涂层→精整。
作为上述技术方案的优选，本发明提供的高磁感取向硅钢高效脱碳退火工艺进一步包括下列技术特征的部分或全部：
作为上述技术方案的改进，所述高温HiB冶炼成分为：C:0.040-0.090％、Si:3.01-3.35％、Als:0.020-0.035％、Mn:0.035-0.095％、N:0.0040-0.01％、S:0.008-0.015％，其余为Fe及不可避免的杂质；低温HiB冶炼成分为：C:0.020-0.070％、Si:3.01-3.35％、Als:0.020-0.035％、Mn:0.0-0.083％、Cu:0.010-0.050％、N:0.0020-0.0070％、S:0.004-0.007％，其余为Fe及不可避免的杂质。
作为上述技术方案的改进，所述脱碳和初次再结晶退火过程在连续脱碳退火炉内中，PH2O/PH2分压比模型为：PH2/PH2O＝exp(0.607143×H2％)+0.0140091×DP 1/2-1.25208；其中，H2％代表氢气含量，Dp代表露点。
作为上述技术方案的改进，所述退火过程中，生产0.30mm厚度规格高温Hi-B脱碳和初次再结晶退火时间为140秒以下；实现生产0.30mm厚度规格低温Hi-B脱碳和初次再结晶退火时间为100秒以下；0.27mm厚度规格低温Hi-B为90秒以下；0.23mm厚度规格低温Hi-B为85秒以下。
作为上述技术方案的改进，所述低温HiB冶炼过程中，渗氮处理温度不低于850℃，渗氮前氧化层厚度为2-7μm，渗氮气氛为分压比PH2O/PH2控制在0.1～0.3之间的湿气份，渗氮喷管数量为1～8对，氨气用量为3-10m3/h，将低温Hi-B渗氮时间为10秒以下，渗氮后带钢中N含量控制在150～250ppm范围。
作为上述技术方案的改进，所述初次再结晶晶粒增大2-6μm(从15-25μ增加到22-30μ)，退火温度为800℃～845℃
作为上述技术方案的改进，所述低温HiB冶炼过程中，渗氮处理过程中，渗氮后炉段氢分为0～30％，高温退火升温段氢分为0～50％
作为上述技术方案的改进，所述涂覆绝缘涂层过程中，涂辊V型刻槽深度为0.0.2～0.08mm，氧化镁浆液中MgO与水的混合比例为质量比1：7～13。
一种高磁感取向硅钢，所述高磁感取向硅钢是由上述任一方法制备而成。
作为上述技术方案的优选，本发明提供的高磁感取向硅钢进一步包括下列技术特征的部分或全部：
作为上述技术方案的改进，所述高磁感取向硅钢的磁感B8≥1.88T，铁损P17≤1.05w/kg。
本发明解决了以下技术难题：
1)实现高温Hi-B脱碳和初次再结晶退火时间低于150秒，低温Hi-B低于100秒；
2)使用高效退火工艺生产的产品底层质量和磁性能优于现有工艺。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：本发明通过脱碳和初次再结晶退火效率的提升，降低了工序成本20％以上，属于节能型绿色制造技术。
1)在不增加任何设备投入和原辅材料用量的前提下，提高了机组工艺速度，缩短了脱碳和初次再结晶退火时间，同时炉温还略有下降，大幅度降低了制造成本；
2)通过技术措施提升了渗氮效率，减少了氨气使用量；
3)减少了连续退火渗氮后炉段的氢气用量，减少了高温退火升温阶段氢气用量；
4)机组速度的提升带来产量的增加，整体制造成本进一步被摊薄。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1是本发明连续脱碳退火机组工艺改进示意图。
具体实施方式
下面详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。
实施例
高温HiB冶炼成分为：C:0.040-0.090％、Si:3.01-3.35％、Als:0.020-0.035％、Mn:0.035-0.095％、N:0.0040-0.01％、S:0.008-0.015％，其余为Fe及不可避免的杂质；低温HiB冶炼成分为：C:0.020-0.070％、Si:3.01-3.35％、Als:0.020-0.035％、Mn:0.0-0.083％、Cu:0.010-0.050％、N:0.0020-0.0070％、S:0.004-0.007％，其余为Fe及不可避免的杂质；
HiB生产方法的主要工艺流程为：炼钢连铸→热轧→酸洗常化→冷轧→脱碳和初次再结晶退火→渗氮处理(低温Hi-B)→涂覆氧化镁隔离剂→高温退火→拉伸平整退火→涂覆绝缘涂层→精整，低温HiB不同于高温Hi-B的工艺流程主要是在脱碳退火后增加了渗氮段。
实现脱碳和初次再结晶退火效率提升的主要方法如下：
(1)保持低温HiB和高温Hi-B前工序炼钢连铸→热轧→酸洗常化→冷轧工艺不变，保持拉伸平整退火→涂覆绝缘涂层→精整工艺不变。
(2)在连续脱碳退火炉内采用最新研究的PH2O/PH2分压比模型：PH2/PH2O＝exp(0.607143×H2％)+0.0140091×DP 1/2-1.25208(其中，H2％代表氢气含量，Dp代表露点)，实现生产0.30mm厚度规格高温Hi-B脱碳和初次再结晶退火时间从170秒以上降低到140秒以下；实现生产0.30mm厚度规格低温Hi-B脱碳和初次再结晶退火时间从110秒以上降低到100秒以下；0.27mm厚度规格低温Hi-B从100秒以上降低到90秒以下；0.23mm厚度规格低温Hi-B从100秒以上降低到85秒以下；
(3)低温HiB渗氮温度不低于850℃前提下，渗氮前氧化层厚度从1～5μm增厚到2-7μm，渗氮气氛从干气变为分压比PH2O/PH2控制在0.1～0.3之间的湿气份，渗氮喷管数量从10～20对减少到1～8对，氨气用量从20-50m3/h降低到3-10m3/h，将低温Hi-B渗氮时间从50秒以上缩短到10秒以下，渗氮后带钢中N含量控制在150～250ppm范围；
(4)低温HiB和高温Hi-B脱碳速度提高后，初次再结晶晶粒增大2-6μm，通过将退火温度从820℃～850℃降低到800℃～845℃，保证初次晶粒大小满足工艺要求；
(5)低温Hi-B氧化层厚度增厚，导致低温Hi-B渗氮后氮渗入基体深度变小，将渗氮后炉段氢分从30～75％降低到0～30％，将高温退火升温段氢分从60～80％调整到0～50％，使ALN抑制能力更强，从而达到提高磁性的目的；
(6)缩短退火时间导致机组运行速度提高，将涂辊V型刻槽深度从0.07mm～1.00mm减小到0.0.2～0.08mm，氧化镁浆液中MgO与水的混合比例从1：5～10调整到1：7～13，保证MgO涂敷质量，从而保证成品的底层质量。
CA7、CA8、CA22机组生产低温HiB，化学成分为：C:0.035-0.070％、Si:3.03-3.35％、Als:0.023-0.03％、Mn:0.044-0.083％、Cu:0.015-0.050％、N:0.0050-0.0090％、S:0.003-0.007％，其余为Fe及不可避免的杂质；
CA15机组生产高温HiB，化学成分为：C:0.052-0.083％、Si:3.11-3.32％、Als:0.020-0.028％、Mn:0.035-0.085％、N:0.0050-0.01％、S:0.004-0.015％，其余为Fe及不可避免的杂质。
CA7机组原工艺：
1)生产品种：0.23mm规格低温HiB；
2)炉内原分压比分布：加热炉：0.35；脱碳炉1段：0.33；脱碳炉8段：0.31；脱碳炉13段(最后一段)：0.26；
3)渗氮段露点：-27°；
4)渗氮段氨气使用量：23m3；氨气喷管数量：10对；
5)渗氮段氢气含量：45％；
6)机组速度：70米/分钟；
7)脱碳时间：103.7秒；渗氮时间50秒；
8)氧化镁与水的质量配比:1:8；
9)脱碳段炉温：845℃；
10)涂辊刻槽深度：0.075mm
CA7试验工艺：
1)生产品种：0.23mm规格低温HiB；
2)炉内分压比分布：加热炉：0.18；脱碳炉1段：0.30；脱碳炉8段：0.32；脱碳炉13段(最后一段)：0.16；
3)渗氮段露点：40°；
4)渗氮段氨气使用量：5m3；氨气喷管数量：1对；
5)渗氮段氢气含量：0％；
6)机组速度：90米/分钟；
7)脱碳时间：80.7秒；渗氮时间8秒；
8)氧化镁与水的质量配比:1:10；
9)脱碳段炉温：835℃；
10)涂辊刻槽深度：0.035mm
CA8机组原工艺：
1)生产品种：0.30mm规格低温HiB；
2)炉内原分压比分布：加热炉：0.38；脱碳炉1段：0.35；脱碳炉8段：0.33；脱碳炉13段(最后一段)：0.29；
3)渗氮段露点：-27°；
4)渗氮段氨气使用量：25m3；氨气喷管数量：10对；
5)渗氮段氢气含量：45％；
6)机组速度：70米/分钟；
7)脱碳时间：103.7秒；渗氮时间50秒；
8)氧化镁与水的质量配比:1:8；
9)脱碳段炉温：848℃；
10)涂辊刻槽深度：0.075mm
CA8试验工艺：
1)生产品种：0.30mm规格低温HiB；
2)炉内分压比分布：加热炉：0.21；脱碳炉1段：0.32；脱碳炉8段：0.34；脱碳炉13段(最后一段)：0.16；
3)渗氮段露点：40°；
4)渗氮段氨气使用量：7m3；氨气喷管数量：2对；
5)渗氮段氢气含量：0％；
6)机组速度：90米/分钟；
7)脱碳时间：80.7秒；渗氮时间8秒；
8)氧化镁与水的质量配比:1:10；
9)脱碳段炉温：837℃；
10)涂辊刻槽深度：0.035mm
CA15机组原工艺：
1)生产品种：0.30mm规格高温HiB；
2)炉内原分压比分布：加热炉：0.40；脱碳炉1段：0.37；脱碳炉8段：0.35；脱碳炉15段(最后一段)：0.35；
3)机组速度：55米/分钟；
7)脱碳时间：172.4秒；
8)氧化镁与水的质量配比:1:8；
9)脱碳段炉温：835℃；
10)涂辊刻槽深度：0.075mm
CA15试验工艺：
1)生产品种：0.30mm规格高温HiB；
2)炉内分压比分布：加热炉：0.29；脱碳炉1段：0.38；脱碳炉8段：0.39；脱碳炉13段(最后一段)：0.39；
3)机组速度：70米/分钟；
7)脱碳时间：135.4秒；
8)氧化镁与水的质量配比:1:8；
9)脱碳段炉温：835℃；
10)涂辊刻槽深度：0.060mm
CA22机组原工艺：
1)生产品种：0.27mm规格低温HiB；
2)炉内原分压比分布：加热炉：0.36；脱碳炉1段：0.34；脱碳炉8段：0.32；脱碳炉13段(最后一段)：0.25；
3)渗氮段露点：-27°；
4)渗氮段氨气使用量：24m3；氨气喷管数量：12对；
5)渗氮段氢气含量：50％；
6)机组速度：80米/分钟；
7)脱碳时间：103.5秒；渗氮时间50秒；
8)氧化镁与水的质量配比:1:8；
9)脱碳段炉温：846℃；
10)涂辊刻槽深度：0.075mm
CA22试验工艺：
1)生产品种：0.27mm规格低温HiB；
2)炉内分压比分布：加热炉：0.20；脱碳炉1段：0.31；脱碳炉8段：0.33；脱碳炉13段(最后一段)：0.17；
3)渗氮段露点：37°；
4)渗氮段氨气使用量：6m3；氨气喷管数量：3对；
5)渗氮段氢气含量：0％；
6)机组速度：97米/分钟；
7)脱碳时间：85.4秒；渗氮时间10秒；
8)氧化镁与水的质量配比:1:10；
9)脱碳段炉温：840℃；
10)涂辊刻槽深度：0.045mm
下面为本发明技术实施例的具体试验数据：
1)生产效率的提升：通过采用本发明技术，武钢硅钢部各连续脱碳退火工序的机组退火时间可达到世界最短：
表1：使用本发明技术在武钢硅钢部现场试验实绩
Figure BDA0003278997700000101
备注：1)机组速度提升日本专利技术时间数据为与日方专家交流时获得
2)使用本发明生产的取向硅钢成品实物质量与原工艺对比：
表2：使用本发明技术生产的成品磁性与原工艺对比
Figure BDA0003278997700000111
表3：使用本发明技术生产的成品底层质量及表面降级率与原工艺对比
Figure BDA0003278997700000112
从以上统计数据可以看出，采用本发明技术后产生了如下效果：
1)磁性水平较原工艺有较大提升，主要体现在铁损P17/50降低幅度大，尤其是0.23mm规格和0.27mm规格，磁性提升最为明显；
2)采用本发明生产的成品底层质量明显优于原工艺，表面质量改判率大幅下降，且底层附着性上升明显；
3)采用本发明后，脱碳退火效率提升20％以上，产量增加(机组速度上升)也达到20％以上，能耗没有增加，氢气和氨气使用量减少。。
本发明所列举的各原料，以及本发明各原料的上下限、区间取值，以及工艺参数(如温度、时间等)的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高磁感取向硅钢高效脱碳退火工艺，其特征在于，包含如下步骤：
高温HiB冶炼包含如下步骤：炼钢连铸→热轧→酸洗常化→冷轧→脱碳和初次再结晶退火→涂覆氧化镁隔离剂→高温退火→拉伸平整退火→涂覆绝缘涂层→精整；
低温HiB冶炼包含如下步骤：生产方法的主要工艺流程为：炼钢连铸→热轧→酸洗常化→冷轧→脱碳和初次再结晶退火→渗氮处理→涂覆氧化镁隔离剂→高温退火→拉伸平整退火→涂覆绝缘涂层→精整。
2.如权利要求1所述的高磁感取向硅钢高效脱碳退火工艺，其特征在于：所述高温HiB冶炼成分为：C:0.040-0.090％、Si:3.01-3.35％、Als:0.020-0.035％、Mn:0.035-0.095％、N:0.0040-0.01％、S:0.008-0.015％，其余为Fe及不可避免的杂质；低温HiB冶炼成分为：C:0.020-0.070％、Si:3.01-3.35％、Als:0.020-0.035％、Mn:0.0-0.083％、Cu:0.010-0.050％、N:0.0020-0.0070％、S:0.004-0.007％，其余为Fe及不可避免的杂质。
3.如权利要求1所述的高磁感取向硅钢高效脱碳退火工艺，其特征在于：所述脱碳和初次再结晶退火过程在连续脱碳退火炉内中，PH2O/PH2分压比模型为：PH2/PH2O＝exp(0.607143×H2％)+0.0140091×DP 1/2-1.25208；其中，H2％代表氢气含量，Dp代表露点。
4.如权利要求3所述的高磁感取向硅钢高效脱碳退火工艺，其特征在于：所述退火过程中，生产0.30mm厚度规格高温Hi-B脱碳和初次再结晶退火时间为140秒以下；实现生产0.30mm厚度规格低温Hi-B脱碳和初次再结晶退火时间为100秒以下；0.27mm厚度规格低温Hi-B为90秒以下；0.23mm厚度规格低温Hi-B为85秒以下。
5.如权利要求1所述的高磁感取向硅钢高效脱碳退火工艺，其特征在于：所述低温HiB冶炼过程中，渗氮处理温度不低于850℃，渗氮前氧化层厚度为2-7μm，渗氮气氛为分压比PH2O/PH2控制在0.1～0.3之间的湿气份，渗氮喷管数量为1～8对，氨气用量为3-10m3/h，将低温Hi-B渗氮时间为10秒以下，渗氮后带钢中N含量控制在150～250ppm范围。
6.如权利要求1所述的高磁感取向硅钢高效脱碳退火工艺，其特征在于：所述初次再结晶晶粒为22-30μ，退火温度为800℃～845℃。
7.如权利要求1所述的高磁感取向硅钢高效脱碳退火工艺，其特征在于：所述低温HiB冶炼过程中，渗氮处理过程中，渗氮后炉段氢分为0～30％，高温退火升温段氢分为0～50％。
8.如权利要求1所述的高磁感取向硅钢高效脱碳退火工艺，其特征在于：所述涂覆绝缘涂层过程中，涂辊V型刻槽深度为0.0.2～0.08mm，氧化镁浆液中MgO与水的混合比例为质量比1：7～13。
9.一种高磁感取向硅钢，其特征在于：所述高磁感取向硅钢是由权利要求1-8任一方法制备而成。
10.如权利要求9所述的高磁感取向硅钢，其特征在于：所述高磁感取向硅钢的磁感B8≥1.88T，铁损P17≤1.05w/kg。
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