CN115449741A

CN115449741A - 一种基于薄板坯连铸连轧生产高磁感取向硅钢及方法

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Publication number: CN115449741A
Application number: CN202211141237.2A
Authority: CN
Inventors: 孙亮; 郭小龙; 李国保; 章华兵; 赵胜利; 刘义滔
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2022-09-20
Filing date: 2022-09-20
Publication date: 2022-12-09
Anticipated expiration: 2042-09-20
Also published as: CN115449741B

Abstract

一种基于薄板坯连铸连轧生产高磁感取向硅钢，其组分及wt%为：C：0.03～0.06%，Si：3.0～4.5%，Mn：0.08～0.15%，S；0.005～0.015%，P≤0.030%，Als：0.02～0.05%，N：0.005～0.010%，Sn:0.03～0.06%；生产方法：经冶炼后浇铸；铸坯经切断后直接送入隧道炉保温；常规热轧并卷取后常化；经一次性冷轧并卷取后进行初次再结晶退火；经涂布退火隔离剂后按进行二次再结晶退火；常规进行后续工序。本发明既不添加Cu等，也无需增加电磁感应设备，且板坯加热温度和常化温度低，在炉时间大幅降低，在保证磁感强度B₈₀₀不低于1.9T下，可使铁损不高于0.99W/Kg，生产工艺简单且能与常规工艺共用生产线。

Description

一种基于薄板坯连铸连轧生产高磁感取向硅钢及方法

技术领域

本发明涉及一种取向硅钢及生产方法，具体属于基于薄板坯生产且能降低铁损的取向硅钢及方法。

背景技术

取向硅钢含硅量3％左右，存在较强的GOSS择优取向，使得其轧向具有优良的电磁性能，被广泛应用于制作变压器铁芯。传统制造流程一般包含以下工序：具有一定成分的钢水冶炼、精炼及合金化后，经连铸成板坯，板坯在专用的加热炉内再加热到一定温度后热轧成一定厚度的热轧卷，热轧卷经常化酸洗后进行冷轧，得到一定厚度的冷轧卷，冷轧卷再经脱碳退火或脱碳渗氮退火，完成初次再结晶，随后进行高温退火完成二次再结晶、形成硅酸镁底层以及净化氮、硫等对磁性有害元素后，获得磁性优异的成品，涂布绝缘涂层后经拉伸平整退火得到商用产品。

根据板坯再加热温度，取向硅钢制造方法大致可以分为高温板坯加热和低温板坯加热两种。高温板坯加热法一般以细小弥散的AlN+MnS或AlN+MnSe为抑制剂，有时辅助添加Sn、Sb、B、Bi等晶界抑制元素来进一步增加抑制力，抑制初次晶粒长大，从而得到位向准确的单一GOSS织构二次再结晶组织。为了使铸态组织中粗大的MnS颗粒完全固溶，其板坯的再加热温度一般为1380-1400℃并保温数个小时。高温长时间保温使板坯中粗大的MnS完全固溶并在随后的热轧过程中重新析出成为细小弥散的有效抑制剂，而细小弥散的AlN则在随后的常化过程中通过γ-α相变析出.先将热轧板加热到1150℃左右,此时钢板中γ相比例最多,保温一定时间后快速冷却到900℃左右,γ相比例降低,原本固溶在γ相中的AlN析出成为细小弥散的AlN。

高温板坯加热由于长时间高温加热，其板坯烧损大，加热炉负荷重寿命低，铸坯晶粒容易粗化，容易产生边裂，成材率低，因而人们开发出了所谓的低温板坯加热技术，其主要工艺思想是用固溶温度低的化合物代替MnS，以在二次再结晶之前获得尺寸和数量合适的抑制剂。典型的低温板坯加热技术以后工序气体渗氮工艺最为成熟。冷轧板脱碳后随即在一定温度下，于氨气、氮气和氢气混合气氛中进行连续渗氮，控制气氛中的PH₂O/PH₂比例及渗入钢板中的氮含量，促使钢板中形成以(Al、Si)N为主的新的细小质点发挥抑制剂的作用。由于不需要MnS完全固溶，该方法可以将板坯再加热温度降低到1150-1200℃(取向硅钢低温铸坯加热技术的研发进展[J].钢铁,2007,42(10):72-75.)。

上述方法所采用的连铸主要是传统的连铸工艺，其铸坯厚度一般为200-250mm，浇铸速度较低，铸机内板坯冷却速度慢，夹杂物尺寸相对较大(薄板坯连铸连轧流程生产高磁感取向硅钢的研究现状与技术分析[J].材料导报A,2013,27(4):110-114.)。铸坯切割成定尺长度后经辊道运输到热轧加热炉区域，或进入保温坑保温后进入加热炉，或直接进入加热炉。过程中铸坯温降大，表面和芯部温差大，组织不均匀，对热轧板形精度控制不利，未充分利用板坯自有热量，能源利用率相对较低。且为使板坯温度均匀,往往需要数小时加热,生产效率相对较低。

典型的基于薄板坯连铸连轧的取向硅钢生产方法包括无抑制剂方案,Cu₂S抑制剂方案,以及两段式板坯加热方案.

如经检索：

中国专利公开号为CN110291214A的文献,属于无抑制剂方案，其板坯厚度25-100mm，主要成分为C：0.002％～0.100％、Si：2.00％～8.00％、Mn：0.005％～1.000％、sol.Al：小于0.0100％、N：小于0.0060％、S：小于0.0100％和Se：小于0.0100％；板坯加热工艺温度为1000℃～1300℃且时间为60秒～600秒，并且需要严格控制常化或中间退火升温过程中从400℃达到900℃为止的时间为100秒以下。该文献采用无抑制剂成分体系，一次再结晶退火时的晶粒容易长大，导致二次再结晶开始温度增加，成品晶粒组织难以控制,因此,该方法需要严格控制退火工艺,同时添加Cu,Cr,Ni等晶界偏析元素控制晶粒组织,增加工艺难度和成本。

日本专利申请号为JP2017520343A的文献，属于典型的两段式板坯加热方案.其主要成为:Si:2.5-4.0％,C:0.03-0.1,Mn:0.16-0.3,Cu:0.1-0.3,Als:0.02-0.04,Sn:0.05-0.15,S<0.01,N<0.01,板坯厚度50-120mm,板坯先在隧道炉加热到1050℃以上,随后再用感应加热设备加热到1350℃以上.其本质上仍然属于高温板坯加热,电磁感应炉的引入无疑增加了工艺的复杂性和制造成本。

中国专利公开号为CN1743127A的文献，属于典型的Cu2S抑制剂方案,其主要成分如下：C：0.02-0.15％，Si：2-6.5％，Mn：0-0.1％，S：0.01-0.1％，Cu：0.1-0.5％，Als:0.02-0.04％,铸坯温度1000-1200℃，热轧板常化温度950-1150℃.通过其成分推测该专利采用的抑制剂体系为MnS和Cu₂S，通过热轧、常化工艺使抑制剂析出。Cu作为合金化元素大量加入钢水会大量增加成本。

发明内容

本发明在于克服现有技术存在的不足，提供一种既不添加Cu等贵金属，也无需增加额外的电磁感应设备，且板坯加热温度和常化温度低，在炉时间大幅降低，在保证磁感强度B₈₀₀不低于1.9T下，可使铁损不高于0.99W/Kg，生产工艺简单且能与常规工艺共用生产线的基于薄板坯连铸连轧生产高磁感取向硅钢及方法。

实现上述目的的措施：

一种基于薄板坯连铸连轧生产高磁感取向硅钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.03～0.06％，Si：3.0～4.5％，Mn：0.08～0.15％，S；0.005～0.015％，P≤0.030％，Als：0.02～0.05％，N：0.005～0.010％，Sn:0.03～0.06％，余为Fe及不可避免的杂质。

优选地：Als的重量百分比含量为0.024～0.046％。

一种基于薄板坯连铸连轧生产高磁感取向硅钢的方法，其步骤：

1)经冶炼后浇铸成坯，其间，控制拉坯速度在3.0～5.0m/min，铸坯厚度在60～90mm；

2)铸坯经切断后直接送入隧道炉进行保温，并控制铸坯入隧道炉前的表面温度在750～950℃，在炉时间控制在10～40min，出炉温度在950～1100℃；

3)常规热轧并卷取后进行一段式常化，控制常化温度在800～1050℃，常化时间在60～180s；

4)经一次性冷轧制至产品厚度并卷取后进行初次再结晶退火，并在初次再结晶退火期间同时进行脱碳和渗氮，脱碳温度控制在750～820℃,脱碳时间在60～150s；渗氮温度控制在755～825℃,渗氮时间控制在不超过30s，渗氮量在140～180ppm；并控制初次再结晶退火后钢带晶粒等效直径在15～20μm；

5)经涂布以MgO为主的退火隔离剂后按常规进行二次再结晶退火；

6)常规进行后续工序。

优选地：所述铸坯入隧道炉之前的表面温度不低于850℃，在炉时间控制在15～33min。

优选地：铸坯在隧道炉内时间在14～33min。

本发明中各组分及主要工艺的作用及机理

C作为一种能显著扩大两相区的元素,本专利限定为0.03-0.06％,能保证热轧过程中有合适珠光体条带组织,该组织作为Goss晶核起源,对成品磁性有较强影响.低于0.03％,热轧板中珠光体条带组织较少,Goss晶核起源较少,成品磁性恶化.超过0.06％,导致常化后析出过多马氏体,对冷轧不利.

Si能显著改善电阻率,提高磁性能,添加量不足3.0％,难以获得较低的铁损,添加量超过4.5％,热轧卷边裂较多,冷轧困难.

Mn能显著改善热加工性能,也能扩大两相区,同时析出MnS质点作为AlN的析出核心,对磁性有利.超过0.15％对成品组织不利,低于0.08％没有效果.

S与Mn形成Mns,本专利限定为0.005-0.015％.超过0.015％,导致铸坯组织发生偏析,对成品磁性不利,低于0.005％没有效果.

P作为杂质元素难以避免,从成本角度出发,限定为0.03％以下,超过0.03％对磁性能不利.

Als作为本发明的主要抑制剂形成元素,限定在0.02～0.05％,优选地Als的重量百分比含量为0.024～0.046％，低于0.02％,形成的抑制剂数量不足,难以抑制初次晶粒长大,导致成品磁性能恶化.超过0.05％,在最后二次再结晶退火过程中大量剩余Als进入底层,导致成品表面质量不良。

N与Als形成抑制剂,保证在初次再结晶退火之前有足够的抑制力,因此限定在0.005-0.01％.超过0.01％容易在铸坯中形成泡疤缺陷,低于0.005％没有效果.

Sn作为晶界偏析元素,作为辅助抑制剂,有助于提高0.23mm及以下规格产品的性能稳定性,超过0.06％对底层有不良影响,低于0.03％对稳定磁性能的作用较小。

本发明之所以控制浇铸速度为3-5m/min，其在于，拉速低于3m/min，铸坯冷却速度较慢，且铸坯入炉温度过低，对织构和析出相控制不利；受生产节奏和成本影响，拉速不宜超过5m/min；

本发明之所以控制铸坯入隧道炉前的表面温度在750～950℃，在炉时间控制在10～40min，出炉温度在950～1100℃，优选地铸坯入隧道炉之前的表面温度不低于850℃，在炉时间控制在15～33min，其目的是控制铸坯在连铸二冷段的冷却速度，使铸坯表面温度在较短时间降低到750-950℃,能有效保持钢水中MnS和AlN的固溶和析出状态,阻止铸坯中抑制剂从二冷段末到进入隧道炉之前继续长大和析出.此时板坯芯部仍然处于较高的温度,隧道炉仅起到保温和补热的作用,使板坯表面和芯部温度均匀化,同时控制在1100℃以下,在炉时间控制在10-40min,避免二冷段快速冷却析出的细小析出相重新固溶.在炉时间小于10min时生产节奏紧张,难以组织实际生产。

本发明之所以控制常化温度在800～1050℃，常化时间在60～180s，是由于与厚板坯相比,薄板坯芯部温度高,热轧压下率较小,热轧板芯部存在较多回复组织,因而需要通过热轧板常化使其组织均匀化,同时对其织构进行调控,减小热轧板中的立方织构,促进形变组织回复再结晶,较高的温度和较长的退火时间会使热轧板表层形成较深的脱碳层,且显著增加回复组织晶粒度,对磁性均匀性不利,因此,本专利将常化工艺限定为800-1050℃×60-180s.

本发明之所以在初次再结晶退火期间同时进行脱碳和渗氮，脱碳温度控制在750～820℃,脱碳时间在60～150s；渗氮温度控制在755～825℃,渗氮时间控制在不超过30s，渗氮量在140～180ppm，并控制初次再结晶退火后钢带晶粒等效直径在15～20μm，是由于通过加热和常化对组织和析出相的调控,合适的析出相和织构得以在冷轧板中继承和保留,钢带中具有相当强度的初生抑制剂,因此后续的初次再结晶退火不需要常规的较高温度,渗氮量也可以控制在较低的水平.为了保证有合适的二次再结晶开始温度,初次再结晶晶粒尺寸也不需要向传统低温高磁感取向硅钢一样控制较大的水平。基于上述原因,脱碳退火温度控制在750-820℃×60-150s,温度过高,时间过长会导致初次再结晶晶粒过大,二次再结晶开始温度过高,导致磁性不稳定.温度过低时间过短,受C元素扩散影响,脱碳困难.渗氮温度在脱碳温度的基础上提高5℃,且时间控制在30s以内,其目的是提高渗氮温度,降低渗氮量,同时避免钢带中形成Si3N4,该析出相不稳定,二次再结晶退火过程中易分解,对磁性不利.渗氮量超过180ppm时,钢带中抑制力过强,成品容易出现细晶,磁性恶化.

本发明充分利用薄板坯连铸连轧的工艺优势,采用较高的拉速使板坯保持在较高的温度进入隧道炉保温,尽可能保留钢水中原始析出相的固溶析出状态.由于拉速较高,铸坯出连铸机后进入隧道炉的时间也能得到有效控制,能进一步防止铸坯降温,阻止抑制剂进一步析出.此外,隧道炉内短时间低温加热防止已析出抑制剂长大,适当提高Als的含量,后续常化过程中即使采用较低的退火温度,也能在初次再结晶时保留相当强度的抑制力,有利于控制初次再结晶的组织.随后,通过渗氮,控制钢板中氮含量在相对较低的水平,促使钢板中形成尺寸和数量合适的(Al,Si)N复合析出相,进一步提高抑制力,从而获得较好的磁性能。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例的化学成分列表；

表2为本发明各实施例的主要工艺参数列表；

表3为本发明各实施例性能检测情况列表。

本发明各实施例按照以下步骤生产

6)常规进行后续工序。

表1本发明各实施例及对比例的化学成分列表(wt％)

表2本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表

表3本发明各实施例及对比例初次晶粒大小及磁性性能检测结果列表

从表3可以看出，采用本发明实施例磁性稳定，磁感较高，对比例磁性波动大，部分对比例未发生二次再结晶，磁性较差。

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

1.一种基于薄板坯连铸连轧生产高磁感取向硅钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.03～0.06%，Si：3.0～4.5%，Mn：0.08～0.15%，S；0.005～0.015%，P≤0.030%，Als：0.02～0.05%，N：0.005～0.010%，Sn:0.03～0.06%，余为Fe及不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的一种基于薄板坯连铸连轧生产高磁感取向硅钢，其特征在于：Als的重量百分比含量为0.024～0.046%。

3.如权利要求1所述的一种基于薄板坯连铸连轧生产高磁感取向硅钢的方法，其步骤：

1）经冶炼后浇铸成坯，其间，控制拉坯速度在3.0～5.0m/min，铸坯厚度在60～90mm；

2）铸坯经切断后直接送入隧道炉进行保温，并控制铸坯入隧道炉前的表面温度在750～950℃，在炉时间控制在10～40min，出炉温度在950～1100℃；

3）常规热轧并卷取后进行一段式常化，控制常化温度在800～1050℃，常化时间在60～180s；

4）经一次性冷轧制至产品厚度并卷取后进行初次再结晶退火，并在初次再结晶退火期间同时进行脱碳和渗氮，脱碳温度控制在750～820℃,脱碳时间在60～150s；渗氮温度控制在755～825℃, 渗氮时间控制在不超过30s，渗氮量在140～180ppm；并控制初次再结晶退火后钢带晶粒等效直径在15～20μm；

5）经涂布以MgO为主的退火隔离剂后按常规进行二次再结晶退火；

6）常规进行后续工序。

4.如权利要求3所述的一种基于薄板坯连铸连轧生产高磁感取向硅钢的方法，其特征在于：所述铸坯入隧道炉之前的表面温度不低于850℃，在炉时间控制在15～33min。

5.如权利要求3所述的一种基于薄板坯连铸连轧生产高磁感取向硅钢的方法，其特征在于：铸坯在隧道炉内时间在14～33min。