CN114686645A - 一种通过rh精炼工艺细化取向硅钢晶粒组织的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电工钢生产技术领域，尤其涉及一种通过RH精炼工艺细化取向硅钢晶粒组织的方法，该方法在取向硅钢钢液的RH精炼过程中将硅钢液中的溶解氧含量调节到≤20ppm，硫含量调节到≤50ppm后，加入特定组成的核壳结构的纳米颗粒，通过纳米颗粒中的钇元素先后与硅钢液中的氧、硫元素反应生成夹杂物，利用夹杂物降低后续冶炼过程中硅钢液的过冷度，阻止硅钢液二次再结晶的生长，最终达到细化晶粒的效果，最终制得的取向硅钢中的晶粒组织比普通工艺制得的取向硅钢的晶粒组织降低30%以上，在磁性能和力学性能上也取得了长足的进步。

Description

一种通过RH精炼工艺细化取向硅钢晶粒组织的方法

技术领域

本发明属于电工钢生产技术领域，尤其涉及一种通过RH精炼工艺细化取向硅钢晶粒组织的方法。

背景技术

取向硅钢尤其是体积小，质量轻的高磁感取向硅钢是制造大型变压器、发电机和电动机铁芯不可或缺的材料，近年来随着中国发电量的大幅增长和制造业的兴起，市场对取向硅钢的需求量和性能要求不断提高。

取向硅钢的性能主要分为两种方式，即磁性能和力学性能。取向硅钢的磁性能和力学性能的优劣是体现取向硅钢质量以及加工性能的重要因素，取向硅钢中晶粒组织大小决定着晶粒晶界的运动和磁畴的移动，进而决定着取向硅钢的磁性能和力学性能：晶粒组织越大则取向硅钢的铁损和涡流损耗越高；取向硅钢中的凝固组织粗大，在同样的塑性变形量下，变形分散在较少的晶粒中进行，导致变形不均匀，同时使得分散在每隔晶粒内的位错密度增大，即使塑性变形时较小的形变量也会产生应力集中的问题，增大开裂几率，因此，取向硅钢的晶粒细化一直是冶金工作者的研究重点。

发明内容

针对现有技术中取向硅钢因晶粒尺寸大导致的铁损高、磁感应强度弱、力学和加工性能差的技术问题，本发明提供了一种通过RH精炼工艺细化取向硅钢晶粒组织的方法，能有效降低取向硅钢中的晶粒组织，提高硬度和屈服强度，降低反常损耗和涡流损耗，提高取向硅钢的磁性能和力学性能。

为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：

一方面，本发明实施例提供了一种通过RH精炼工艺细化取向硅钢晶粒组织的方法，在硅钢液RH精炼过程中加入纳米颗粒，该方法具体包括以下步骤：

S1：转炉冶炼后的硅钢液转移至RH精炼炉中，连续抽真空并调节硅钢液中的溶解氧含量≤20ppm，硫含量≤50ppm；

S2：在压力≤100Pa的环境下，向硅钢液中加入纳米颗粒并使其分布均匀后完成RH精炼；

其中纳米颗粒为核壳结构，由外向内依次为硅外壳、钙中间层和钇核。

相对于现有技术，本发明提供的通过RH精炼工艺细化取向硅钢晶粒组织的方法，在硅钢液RH精炼过程中调节硅钢液中的S含量和溶解氧含量后加入特定元素组成、特定结构的纳米颗粒，较低的S含量和溶解氧含量能保证纳米颗粒中的钇核先与硅钢液中的氧元素发生反应，然后再与硅钢液中的硫元素发生反应，生成高熔点的氧硫钇复合夹杂物，这种复合夹杂物存在于硅钢液中，可以在硅钢液的冷却过程中提前析出，进而降低硅钢液的过冷度，促进非均匀形核的形成，阻止硅钢液二次再结晶的生长，最终达到细化晶粒组织的效果；核壳结构纳米颗粒中的硅外壳和钙中间层不仅能对硅钢液的组成进行调整，还能对钇核起到保护作用，避免钇核在加入硅钢液的过程中被烧损或二次氧化，提高钇的利用率。同一硅钢液采用本方法制得的取向硅钢与传统方法制得的取向硅钢中的晶粒组织大小可降低30%以上。

优选地，纳米颗粒通过载气沿RH精炼炉的下降管加入硅钢液内部，载气压力为0.5~0.8Mpa；每吨硅钢液中加入纳米颗粒的速度为0.03~0.20kg/min，加入时间为8~15min；在此条件下，RH精炼炉下降管伸入钢液液面下100~200mm，下降管与钢液液面的角度为50°~70°。

优选的纳米颗粒加入方式，能使纳米颗粒在硅钢液中迅速分布均匀，从而最大限度地发挥出纳米颗粒细化硅钢中晶粒组织的性能。

优选地，载气为稀有气体中的至少一种，进一步优选的载气为氩气。

优选地，纳米颗粒中硅元素、钙元素和钇元素的质量比为2~5：2~5：1~2。优选地，纳米颗粒的粒径为500~1000nm。

优选质量比的硅元素、钙元素和钇元素制得的纳米颗粒对钇元素的包裹性更加突出，纳米颗粒结构更加稳定，还能控制纳米颗粒的熔化时间，保证纳米颗粒进入钢液的过程中稳定不发生变化，又能使纳米颗粒进入钢液后迅速暴露在钢液中，迅速与氧元素和硫元素发生反应。

优选地，S1中分别用脱硫剂和脱氧剂调节硅钢液中的硫含量和溶解氧含量，其中优选的脱氧剂为碳酸钙、石灰或铝酸钙，脱硫剂为铝、硅、钙或钡，加入脱氧剂和脱硫剂后继续真空处理10~20min。

优选地，该方法还包括将完成RH精炼的硅钢液经连铸、热轧、常化、退火工艺后制得取向硅钢薄板坯的过程。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

取向硅钢是大型变压器、发电机和电动机铁芯生产过程中不可或缺的材料，随着中国发电量的大幅增长和制造业兴起，社会对取向硅钢的需求量以及取向硅钢的性能要求不断提高。取向硅钢的性能分为磁性能和力学性能两部分，其中铁损、磁感应强度等磁性能是决定取向硅钢工作性能重要指标，而力学性能则是决定取向硅钢加工性能的重要指标。

取向硅钢中的晶粒组织大小决定着晶粒晶界和磁畴的移动，对取向硅钢的磁性能和力学性能都有着重要的影响：晶粒组织越大，取向硅钢的铁损和涡流损耗越高；取向硅钢中的晶粒组织越粗大，在同样的塑性变形量下变形分散的晶粒数量也就越少，晶粒之间的位错密度增大，从而产生应力集中的问题，增大开裂几率。可见，取向硅钢的晶粒细化对于磁性能和力学性能的改善都有着重要意义。

稀土元素钇在硅钢中能生成较高熔点的结合物，随着温度的降低，这些结合物会提前析出，并且能够降低过冷度，促进非均匀形核的形成，对晶粒组织的细化有一定的促进作用，但是稀土钇的化学性质活泼，很容易在加入钢液前就烧损，从而无法达到理论上细化晶粒的效果，目前尚未找到一种有效的细化晶粒的方法。针对这一技术问题，发明人结合取向硅钢的RH精炼工艺，研究得到了一种能将稀土钇加入取向硅钢，进而有效细化取向硅钢晶粒组织的方法。

该方法具体包括以下步骤：

S1：转炉冶炼后的硅钢液转移至RH精炼炉中，连续抽真空并调节硅钢液中的溶解氧含量≤20ppm，硫含量≤50ppm；

S2：在压力≤100Pa的环境下，向硅钢液中加入纳米颗粒并使其分布均匀后完成RH精炼；

其中纳米颗粒为核壳结构，由外向内依次为硅外壳、钙中间层和钇核。

钇元素对硅钢液中氧元素和硫元素的亲和力都较强，并且对氧的亲和度大于硫元素，为了确保钇元素与硅钢液中氧元素和钇元素共同发生反应，生成熔点较高的氧硫钇复合夹杂物，发明人对硅钢液中的氧含量和硫含量进行了探究，最终结果为：硅钢液中的溶解氧含量应≤20ppm，硫含量应≤50ppm，此时最适于纳米颗粒的加入。

核壳结构的纳米颗粒中的硅外壳和钙中间层，不仅能对硅钢液的组成进行调整，还能对钇核起到保护作用，避免钇核在加入硅钢液的过程中被烧损或二次氧化，提高钇的利用率。实验表明，采用本方法制得的取向硅钢与传统方法制得的取向硅钢中的晶粒组织大小可以降低30%以上。

为了使纳米颗粒的结构更加稳定，实现对纳米颗粒熔化时间的调控，保证纳米颗粒结构在进入硅钢液的过程中稳定不发生变化并使纳米颗粒进入硅钢液且在分散均匀后才与氧元素和硫元素发生反应，纳米颗粒的中的硅元素、钙元素和钇元素的质量比为2~5:2~5:1~2，纳米颗粒的粒径为500~1000nm。

纳米颗粒的制备方法属于本领域的常规工艺，本发明不进行限定，具体地，以下实施例1、2和对比例3、4中所用的纳米颗粒的制备工艺路线如下：

在氩气气氛保护下通过沉淀法和高压热分解法分别制备出硅、钙和钇的纳米颗粒，然后取配方量的硅、钙和钇的纳米颗粒，采用微乳液催化法制备出核壳结构的纳米颗粒。

为了保证纳米颗粒加入硅钢液后在硅钢液中分布均匀，纳米颗粒通过载气沿RH精炼炉下降管加入钢液内部，其中载气压力为0.5~0.8Mpa。

为了进一步保证纳米颗粒在钢液中的分散效果，每吨硅钢液中加入纳米颗粒的速度为0.03~0.20kg/min，加入时间为8~15min。在此条件下，RH精炼炉的下降管伸入钢液液面下100~200mm，下降管与钢液液面的角度为50°~70°。

下面分为多个实施例对本发明进行进一步的说明。

实施例1

本实施例提供一种通过RH精炼工艺细化取向硅钢晶粒组织的方法，该方法具体包括以下步骤：

S1：转炉冶炼后的硅钢液进入RH精炼炉后，检测硅钢液温度为1620℃，钢中各成分的百分含量为：[Si]：0.1%；[S]：0.012%；[H]：0.0004%，[O]：0.0226%，其余为铁，将钢液条件数据信息上传至控制系统；利用控制系统得到的钢液成分和温度数据，计算需要的提升气流量为2000NL/min，连续抽真空，将钢中的氢含量降低至1.5ppm；从真空室料仓中加入硅铁合金、碳酸钙、石灰和铝金属后进行精炼，将钢液中的溶解氧含量控制在18ppm，硫含量控制在47ppm；

S2：保持RH精炼炉真空室压力≤67Pa，通过位于RH精炼炉下降管的纳米粉剂喷嘴喷入纳米颗粒，其中纳米颗粒中硅元素、钙元素和钇元素的质量比为3：3：1，下降管与钢液液面的角度为55℃并伸入液面下100mm，载气为Ar，压力0.7Mpa，每吨硅钢液中加入纳米颗粒的流量为0.18kg/min，喷吹时间10min，之后完成RH精炼；

S3：RH精炼后的钢液经连铸，热轧、常化、退火工序后，得到细化晶粒组织后的取向硅钢薄板坯。

实施例2

本实施例提供一种通过RH精炼工艺细化取向硅钢晶粒组织的方法，该方法具体包括以下步骤：

S1：转炉冶炼后的硅钢液进入RH精炼炉后，检测硅钢液温度为1620℃，钢液中各成分的百分含量为：[Si]：0.16%；[S]：0.010%；[H]：0.0006%，[O]：0.0258%，其余为铁，将钢液条件数据信息上传至控制系统；利用控制系统得到的钢液成分和温度数据，计算需要的提升气流量为2000NL/min，连续抽真空，将钢中的氢含量降低至1.5ppm；从真空室料仓中加入硅铁合金、石灰、铝酸钙和钡金属后进行精炼，将钢液中的溶解氧含量控制在18ppm，硫含量控制在47ppm；

S2：保持RH精炼炉真空室压力≤67Pa，通过位于RH精炼炉下降管的纳米粉剂喷嘴喷入纳米颗粒，其中纳米颗粒中硅元素、钙元素和钇元素的质量比为4：4：1，下降管与钢液液面的角度为55℃并伸入液面下200mm，载气为Ar，压力0.7Mpa，每吨硅钢液中加入纳米颗粒的流量为0.11kg/min，喷吹时间9min，之后完成RH精炼；

S3：RH精炼后的钢液经连铸，热轧、常化、退火工序后，得到细化晶粒组织后的取向硅钢薄板坯。

对比例1

本对比例提供一种通过RH精炼工艺细化取向硅钢晶粒组织的方法，该方法具体包括以下步骤：

S1：转炉冶炼后的硅钢液进入RH精炼炉后，检测硅钢液温度为1620℃，钢中各成分的百分含量为：[Si]：0.1%；[S]：0.012%；[H]：0.0004%，[O]：0.0226%，其余为铁，将钢液条件数据信息上传至控制系统；利用控制系统得到的钢液成分和温度数据，计算需要的提升气流量为2000NL/min，连续抽真空，将钢中的氢含量降低至1.5ppm；从真空室料仓中加入硅铁合金、碳酸钙、石灰和铝金属后进行真空精炼，将钢液中的溶解氧含量控制在18ppm，硫含量控制在47ppm；

S2：保持RH精炼炉真空室压力≤67Pa，通过位于RH精炼炉下降管的纳米粉剂喷嘴喷入钇纳米颗粒、钙纳米颗粒和硅纳米颗粒的混合物，其中钇纳米颗粒、钙纳米颗粒和硅纳米颗粒的质量比为3:3:1，下降管与钢液液面的角度为55℃并伸入液面下100mm，载气为Ar，压力0.7Mpa，每吨硅钢液中加入纳米颗粒的流量为0.18kg/min，喷吹时间10min，之后完成RH精炼；

S3：RH精炼后的钢液经连铸，热轧、常化、退火工序后，得到细化晶粒组织后的取向硅钢薄板坯。

对比例2

本对比例提供一种通过RH精炼工艺细化取向硅钢晶粒组织的方法，该方法具体包括以下步骤：

S1：转炉冶炼后的硅钢液进入RH精炼炉后，检测硅钢液温度为1620℃，钢中各成分的百分含量为：[Si]：0.16%；[S]：0.010%；[H]：0.0006%，[O]：0.0258%，其余为铁，将钢液条件数据信息上传至控制系统；利用控制系统得到的钢液成分和温度数据，计算需要的提升气流量为2000NL/min，连续抽真空，将钢中的氢含量降低至1.5ppm；从真空室料仓中加入硅铁合金、碳酸钙、石灰和铝金属后进行精炼，将钢液中的溶解氧含量控制在18ppm，硫含量控制在47ppm；

S2：保持RH精炼炉真空室压力≤67Pa，通过位于RH精炼炉下降管的纳米粉剂喷嘴喷入钇纳米颗粒、钙纳米颗粒和硅纳米颗粒的混合物，其中钇纳米颗粒、钙纳米颗粒和硅纳米颗粒的质量比为4:4:1，下降管与钢液液面的角度为55℃并伸入液面下200mm，喷吹方向与钢液液面的角度为55℃，载气为Ar，压力0.7Mpa，每吨硅钢液中加入纳米颗粒的流量为0.11kg/min，喷吹时间9min，之后完成RH精炼；

S3：RH精炼后的钢液经连铸，热轧、常化、退火工序后，得到细化晶粒组织后的取向硅钢薄板坯。

对比例3

本对比例提供一种通过RH精炼工艺细化取向硅钢晶粒组织的方法，该方法具体包括以下步骤：

S1：转炉冶炼后的钢液进入RH精炼炉后，检测钢液温度为1620℃，钢中各成分的百分含量为：[Si]：0.1%；[S]：0.012%；[H]：0.0004%，[O]：0.0226%，其余为铁，将钢液条件数据信息上传至控制系统；利用控制系统得到的钢液成分和温度数据，计算需要的提升气流量为2000NL/min，连续抽真空进行精炼；

S2：保持RH精炼炉真空室压力≤67Pa，通过位于RH精炼炉下降管的纳米粉剂喷嘴喷入纳米颗粒，其中纳米颗粒中硅元素、钙元素和钇元素的质量比为3：3：1，下降管与钢液液面的角度为55℃并伸入液面下100mm，载气为Ar，压力0.7Mpa，每吨硅钢液中加入纳米颗粒的流量为0.18kg/min，喷吹时间10min，之后完成RH精炼；

S3：RH精炼后的钢液经连铸，热轧、常化、退火工序后，得到细化晶粒组织后的取向硅钢薄板坯。

对比例4

本对比例提供一种通过RH精炼工艺细化取向硅钢晶粒组织的方法，该方法具体包括以下步骤：

S1：转炉冶炼后的钢液进入RH精炼炉后，检测钢液温度为1620℃，钢中各成分的百分含量为：[Si]：0.16%；[S]：0.010%；[H]：0.0006%，[O]：0.0258%，其余为铁，将钢液条件数据信息上传至控制系统；利用控制系统得到的钢液成分和温度数据，计算需要的提升气流量为2000NL/min，连续抽真空进行精炼；

S2：保持RH精炼炉真空室压力≤67Pa，通过位于RH精炼炉下降管的纳米粉剂喷嘴喷入纳米颗粒，其中纳米颗粒中硅元素、钙元素和钇元素的质量比为4：4：1，下降管与钢液液面的角度为55℃并伸入液面下200mm，载气为Ar，压力0.7Mpa，每吨硅钢液中加入纳米颗粒的流量为0.11kg/min，喷吹时间9min，之后完成RH精炼；

S3：RH精炼后的钢液经连铸，热轧、常化、退火工序后，得到细化晶粒组织后的取向硅钢薄板坯。

对比例5

本对比例提供一种通过RH精炼工艺细化取向硅钢晶粒组织的方法，该方法具体包括以下步骤：

S1：转炉冶炼后的钢液进入RH精炼炉后，检测钢液温度为1620℃，钢中各成分的百分含量为：[Si]：0.16%；[S]：0.010%；[H]：0.0006%，[O]：0.0258%，其余为铁，将钢液条件数据信息上传至控制系统；利用控制系统得到的钢液成分和温度数据，计算需要的提升气流量为2000NL/min，连续抽真空，将钢中的氢含量降低至1.5ppm；深真空处理12min后，从真空室料仓中加入低碳锰铁，硅铁合金对钢水进行合金化，进行真空精炼7min，吊包前对钢水进行8min软吹并静置5min，完成RH精炼；

S3：RH精炼后的钢液经连铸，热轧、常化、退火工序后，得到细化晶粒组织后的取向硅钢薄板坯。

检测例

（1）通过金相显微镜观察实施例1、2和对比例1~5所制得的板坯中晶粒，并通过image pl软件处理金相显微图片，得出平均尺寸；

(2)对实施例1、2和对比例1~5所制得的板坯进行强度硬度以及磁性能测试；

最终测试结果见表1。

表1

	平均晶粒尺寸（μm）	硬度（HV）	屈服强度（Mpa）	铁损（W/kg）	磁感应强度（T）
						实施例1	97.7	234	351	0.63	1.91
实施例2	85.3	257	326	0.72	1.85
						对比例1	138.5	202	213	0.98	1.76
对比例2	125.5	216	244	0.88	1.79
						对比例3	132.4	189	206	0.90	1.62
对比例4	131.6	193	216	0.93	1.58
						对比例5	159.3	172	188	1.02	1.43

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种通过RH精炼工艺细化取向硅钢晶粒组织的方法，其特征在于，在硅钢液RH精炼过程中加入纳米颗粒，具体包括以下步骤：

S1：转炉冶炼后的硅钢液转移至RH精炼炉中，连续抽真空并调节硅钢液中的溶解氧含量≤20ppm，硫含量≤50ppm；

S2：在压力≤100Pa的环境下，向硅钢液中加入纳米颗粒并使其分布均匀后，完成RH精炼；

其中所述纳米颗粒为核壳结构，由外向内依次为硅外壳、钙中间层和钇核。

2.如权利要求1所述的通过RH精炼工艺细化取向硅钢晶粒组织的方法，其特征在于，所述纳米颗粒中硅元素、钙元素和钇元素的质量比为2~5：2~5：1~2。

3.如权利要求1所述的通过RH精炼工艺细化取向硅钢晶粒组织的方法，其特征在于，所述纳米颗粒的粒径为500~1000nm。

4.如权利要求1所述的通过RH精炼工艺细化取向硅钢晶粒组织的方法，其特征在于，所述纳米颗粒通过载气沿RH精炼炉下降管加入硅钢液内部，载气压力为0.5~0.8Mpa。

5.如权利要求4所述的通过RH精炼工艺细化取向硅钢晶粒组织的方法，其特征在于，每吨硅钢液中加入所述纳米颗粒的速度为0.03~0.20kg/min，所述纳米颗粒的加入时间为8~15min。

6.如权利要求5所述的通过RH精炼工艺细化取向硅钢晶粒组织的方法，其特征在于，所述RH精炼炉下降管伸入钢液液面下100~200mm，下降管与钢液液面的角度为50°~70°。

7.如权利要求4所述的通过RH精炼工艺细化取向硅钢晶粒组织的方法，其特征在于，所述载气为稀有气体中的一种。

8.如权利要求1所述的通过RH精炼工艺细化取向硅钢晶粒组织的方法，其特征在于，S1中分别用脱硫剂和脱氧剂调节所述硅钢液中的硫含量和溶解氧含量。

9.如权利要求8所述的通过RH精炼工艺细化取向硅钢晶粒组织的方法，其特征在于，所述脱硫剂为碳酸钙、石灰或铝酸钙，所述脱氧剂为铝、硅、钙或钡，加入所述脱氧剂和脱硫剂后继续真空处理10~20min。

10.如权利要求1所述的通过RH精炼工艺细化取向硅钢晶粒组织的方法，其特征在于，所述方法还包括将完成RH精炼的硅钢液经连铸、热轧、常化、退火工序后制得取向硅钢薄板坯。