CN115747650A - 一种低温高磁感取向硅钢及提高其磁性能稳定性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及低温高磁感取向硅钢，尤其涉及一种低温高磁感取向硅钢及提高其磁性能稳定性的方法。由如下重量百分含量的化学成分组成：0.026％≤C≤0.075％、2.40％≤Si≤3.750％、0.0015％≤Mn≤0.070％、0.001％≤S≤0.012％、0.001％≤P≤0.030％、0.014％≤Als≤0.034％、0.002％≤N≤0.010％、0.001％≤Cr≤0.200％，余量为Fe和不可避免的杂质。采用渗氮法来增加后天抑制剂的抑制能力，铸坯加热温度可以低于1250℃，大大节约能源；依据成分中的Al、N含量和常化工艺可以形成的有效Al、N含量，来调整渗氮工艺中NH₃的比例，保证渗氮后形成充足的氮化物抑制剂；本发明综合考虑成分、常化工艺和渗氮工艺，来保证氮化物抑制剂含量的均匀性，提高低温高磁感取向硅钢成品磁性能的稳定性。

Description

一种低温高磁感取向硅钢及提高其磁性能稳定性的方法

技术领域

本发明涉及低温高磁感取向硅钢，尤其涉及一种低温高磁感取向硅钢及提高其磁性能稳定性的方法。

背景技术

取向硅钢分为普通取向硅钢和高磁感取向硅钢，是一种具有{110}<001>织构(即Goss织构)的Fe-3％Si软磁材料。取向硅钢通过高温退火升温阶段发生二次再结晶形成单一{110}<001>取向织构，因此具备高磁感、低铁损等优良的磁性能，被广泛应用于制作变压器铁芯材料。

按照抑制剂的形成过程，取向硅钢生产技术可分为先天抑制剂固有法和后天抑制剂获得法。后天抑制剂法是在炼钢时调整铝氮含量，在低温下加热板坯，不要求抑制剂完全固溶，并在高温退火前后通过渗氮处理获得新的细小弥散的氮化物抑制剂，从而获得抑制能力。

渗氮处理期间形成的粒子数量和平均尺寸取决于钢中的酸溶铝Als和N含量，酸溶铝指的是钢中总铝量减掉Al₂O₃夹杂物中的铝后所剩余的部分，包括AlN中的铝和Fe-Si合金中溶解的铝。取向硅钢中的Als含量一般控制在0.015-0.035％之间，N含量一般控制在0.003～0.013％之间。渗氮后形成的非晶态Si₃N₄析出物，存在大量的悬空键不稳定，在700～750℃高温退火升温阶段转化为具有六方晶体结构(Al，Si)N，(Al，Si)N颗粒在高温退火阶段抑制初次再结晶晶粒长大，使具有Goss位向的晶粒发生二次再结晶异常长大，是低温取向硅钢的主要抑制剂。

低温取向硅钢对化学成分的要求极其严格，规定的成分范围很窄，成分略有波动对产品性能就有很大影响。冶炼成分的实际过程中，成分波动是不可避免的，尤其Als和N含量对成品磁性能的影响更加明显；当Als和N含量都在成分范围内，但是Als和N含量都是成分上限或都是成分下限时，采用相同的渗氮工艺，成品磁性能差别就会比较大。

CN201910348330.2公开了“一种薄规格低温高磁感取向硅钢带生产方法”，工艺步骤包括：取向硅钢连铸坯板坯加热、热轧、常化、冷轧、脱碳处理、渗氮、常规涂布隔离剂、高温退火、平整拉伸退火、涂绝缘层。本方法根据原料成分和热轧终轧温度的变化程度来调整脱碳退火的均热温度和渗氮工艺，从而减少成分和热轧温度波动对性能造成波动影响，另一方面，通过这一方法实现脱碳退火后一次晶粒尺寸和AlN抑制剂的匹配，通过渗氮温度的调整，提高厚度方向渗氮的均匀性和氮化物的热稳定性，实现对抑制剂的保护，从而实现薄规格取向硅钢性能的优化，同时由于抑制剂稳定性提高，高温退火时，整卷宽度和长度方向二次再结晶更加均匀，性能也随之更加均匀。但是，仍然无法解决低温取向硅钢冶炼成分时Als、N含量波动造成的成品磁性能不稳定的问题。

CN201110108269.8公开了“具有优异磁性能和良好底层的高磁感取向硅钢生产方法”，其包括如下步骤：(1)冶炼及浇铸，采用转炉或电炉炼钢，钢水经二次精炼和连铸后，获得板坯；(2)热轧；(3)常化，两段式常化，随后进行冷却；(4)冷轧，使用一次冷轧法将常化板轧制到成品板厚度；(5)脱碳退火，渗氮退火；(6)MgO涂层及高温退火；(7)绝缘涂层，在高温退火板表面涂敷绝缘涂层，并经热拉伸平整退火得到磁性优良的高磁感取向硅钢。本发明解决渗氮后板内氮稳定性问题，这样即可以在高温退火过程中使二次再结晶完善，最终获得磁性能优异(B₈≥1.90T，P_17/50≤1.00w/kg)，无露晶和霜降缺陷的良好底层高磁感取向硅钢。但是，仍然无法解决低温取向硅钢冶炼成分时Als、N含量波动造成的成品磁性能不稳定的问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种低温高磁感取向硅钢及提高其磁性能稳定性的方法，针对低温取向硅钢冶炼成分时Als、N含量波动造成的成品磁性能不稳定的问题，提高成品取向硅钢磁性能的稳定性。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种低温高磁感取向硅钢，由如下重量百分含量的化学成分组成：

0.026％≤C≤0.075％、2.40％≤Si≤3.750％、0.0015％≤Mn≤0.017％、0.001％≤S≤0.012％、0.001％≤P≤0.030％、0.014％≤Als≤0.034％、0.002％≤N≤0.010％、0.001％≤Cr≤0.200％，余量为Fe和不可避免的杂质。

一种提高低温高磁感取向硅钢磁性能稳定性的方法，具体包括：

1)冶炼、连铸及热轧

A、采用转炉冶炼，RH精炼，全程吹氩，转炉炉后终点控制：C重量百分含量≤0.066％；P重量百分含量≤0.014％；S重量百分含量≤0.026％；Mn重量百分含量≤0.036％；

B、浇注过程中保持恒速，铸坯的拉速控制在0.30～0.90m/min；连铸过程中投入电磁搅拌，连铸后铸坯热送，板坯厚为150～250mm；

C、铸坯的加热温度为1200～1250℃，加热时间为120～140min，粗轧坯厚度为48±4mm，热轧板目标厚度为1.80～2.60mm；

2)常化、冷轧

常化工艺的目的，就是让取向硅钢的AlN抑制剂在常化加热温度下充分固溶，然后在常化工艺的冷却阶段细小、弥散析出，起到抑制剂的作用。常化温度下固溶的AlN抑制剂的含量，与成分中的Al、N含量和常化加热温度有关；

A、常化加热温度为980～1150℃，计算常化加热温度下可以固溶的AlN抑制剂的含量，保温时间2～4min，之后开始空冷，空冷到900±10℃开始淬入水中冷却；

B、轧制5道次以上，冷轧板厚度0.27±0.1mm；

3)脱碳、渗氮以及涂隔离剂

A、脱碳退火

脱碳退火温为800～870℃，时间3～4min，保护气氛为湿的70～80％H₂+N₂，水温60～65℃。

B、渗氮

低温取向硅钢中的后天AlN抑制剂更多的是在冷轧板脱碳后通过向钢板中渗入氮的方式形成的，NH₃在一定温度下会分解成活性氮原子[N]和活性氢原子[H]，[N]原子渗入钢板，与基板中的Als结合形成AlN抑制剂，从而有助于在高温退火过程中抑制正常晶粒的长大，并确保高斯晶粒二次再结晶完善；

渗氮退火处理和脱碳退火在同一连续炉生产线上进行，渗氮退火板最终的N含量控制在150ppm～250ppm之间，渗氮温度750～800℃，渗氮时间为30s，渗氮气氛为干的75％H2+25％N2加5～13％的NH3；NH3比例依据成分中Al、N含量，常化加热温度下固溶AlN含量来调整；

成分中Al、N含量高，采用较高的常化温度可以使固溶的AlN增多，渗氮时采用较小的NH3流量，就可以满足后天AlN抑制剂的需要量；成分中Al、N含量低时，采用与此成分匹配的常化温度，常化冷却后可以析出的AlN抑制剂还是较少，此时需要在渗氮工艺中采用大的NH₃比例来增加后天抑制剂含量；

C、涂隔离剂

渗氮退火后涂敷隔离剂，隔离剂烘干温度为640～660℃；

4)高温退火及检测磁性能

A、进行高温退火，首先通入80％N₂+20％H₂的气体，升温至650～750℃，保温3～10小时排出结晶水；之后，以20℃/h的速度升温至900～1000℃；以20℃/h的速度升温至980～1050℃；升温至1200℃后在纯H₂气氛中保温3～10小时；

B、高温退火卷热拉伸平整退火后涂敷绝缘涂层，检测成品磁性能。

作为本发明的进一步改进，所述2)A空冷到900±10℃开始淬入100℃水中冷却。

作为本发明的进一步改进，所述2)B采用森吉米尔单机架二十辊可逆轧机轧制5道次，冷轧板厚度0.27mm。

作为本发明的进一步改进，所述3)所述隔离剂为MgO。

作为本发明的进一步改进，所述3)C渗氮退火后用辊涂法涂敷隔离剂。

作为本发明的进一步改进，所述4)A采用环形炉进行高温退火。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明使微合金化元素自身的作用充分发挥。

C作为扩大奥氏体相区的元素之一，其含量一般控制在0.026～0.075％。取向硅钢中必须有合适的C含量来保证热轧过程中钢中存在一定的奥氏体相，避免单相铁素体热轧导致的粗大组织；此外，热轧板高温常化过程中也需要一定的奥氏体相，保证在奥氏体相中固溶度高的A1N能够充分固溶，并在随后的冷却过程中细小弥散的析出。

Si是减小奥氏体相区的元素，其含量一般控制在2.40～3.75％。加入适量的Si能够提高取向硅钢的电阻率、降低铁损。但钢中Si含量过高时会使材料加工困难，并使得到的析出物尺寸较大，无法保证充分的二次再结晶。

2、本发明微合金化元素与热轧、常化及渗氮工艺配合。

为了保证MnS能够在取向硅钢热轧过程中细小弥散析出，铸坯需要被加热到1350℃甚至更高的温度从而保证铸坯中粗大的MnS粒子能够充分固溶。由于A1N具有比MnS更低的固溶析出温度，因此主要使用A1N替代MnS，并增加渗氮工艺增强氮化物抑制剂来生产中低温的取向硅钢。Mn含量范围选择0.0015～0.017％、S含量范围选择0.001～0.012％。

3、本发明渗氮退火处理和脱碳退火在同一连续炉生产线上进行，采用渗氮法来增加后天抑制剂的抑制能力，铸坯加热温度可以低于1250℃，大大节约能源。

4、依据成分中Al、N含量，常化温度下析出的AlN含量来调整渗氮气氛中的NH₃比例，来保证AlN抑制剂含量适当。若抑制剂含量不足，不能发生二次再结晶；若渗入N含量增高，抑制力加强，二次再结晶开始温度提高，二次再结晶不完全，磁感降低。

5、取向硅钢中抑制剂的类型、尺寸与体积分数对控制再结晶退火过程中形成位向准确的Goss织构非常重要，不同的取向硅钢生产工艺采用了不同类型的抑制剂体系且获得方式也有所不同。低温高磁钢取向硅钢的抑制剂有两部分组成，一部分是在常化工艺中弥散析出的AlN先天抑制剂；一部分是通过渗氮工艺获得的后天抑制剂。取向硅钢成分中Al、N含量波动时，若采用相同的常化和渗氮工艺，氮化物抑制剂的含量就会波动，磁性能时好时坏，很不稳定。

本发明从Al、N含量决定的先天抑制剂和渗氮量决定的后天抑制剂两个角度，提供一种常化工艺和渗氮工艺中NH₃比例的控制方法来加强氮化物抑制的均匀性和抑制剂能力，从而提高成品取向硅钢磁性能的稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例1常化板金相组织图。

具体实施方式

本发明公开了提供一种低温高磁感取向硅钢及提高其磁性能稳定性的方法。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

一种低温高磁感取向硅钢，由如下重量百分含量的化学成分组成：

0.026％≤C≤0.075％、2.40％≤Si≤3.750％、0.0015％≤Mn≤0.017％、0.001％≤S≤0.012％、0.001％≤P≤0.030％、0.014％≤Als≤0.034％、0.002％≤N≤0.010％、0.001％≤Cr≤0.200％，余量为Fe和不可避免的杂质。

一种提高低温高磁感取向硅钢磁性能稳定性的方法，具体包括：

一、冶炼、连铸及热轧

(1)采用转炉冶炼，RH精炼，全程吹氩，转炉炉后终点控制：C重量百分比含量≤0.066％；P重量百分比含量≤0.014％；S重量百分比含量≤0.026％；Mn重量百分比含量≤0.036％。

(2)浇注过程中保持恒速，铸坯的拉速控制在0.30～0.90m/min；连铸过程中投入电磁搅拌，连铸后铸坯热送，板坯厚为150～250mm。

(3)铸坯的加热温度为1200～1250℃，加热时间为120～140min，粗轧坯厚度为48±4mm，热轧板目标厚度1.80～2.60mm。

三、常化、冷轧

(1)选择奥氏体相含量多的温度980～1150℃作为常化加热温度，计算常化加热温度下可以固溶的AlN抑制剂的含量，保温时间2～4min，之后开始空冷，空冷到900±10℃开始淬入100℃水中快冷。

(2)采用森吉米尔单机架二十辊可逆轧机轧制5道次，冷轧板厚度0.27mm。

四、脱碳、渗氮和涂MgO隔离剂

(1)脱碳退火

脱碳退火温度800～870℃，时间3～4min，保护气氛为湿的75％H₂+25％N₂，水温60～65℃。

(2)渗氮

渗氮退火处理和脱碳退火在同一连续炉生产线上进行，依据成分中Al、N含量，常化温度下析出的AlN含量来调整渗氮气氛中的NH₃比例，控制实际渗入的氮量，保证渗氮退火板最终的N含量范围在150ppm～250ppm之间。N含量范围稳定，才能保证最终成品磁性能稳定。渗氮温度750～800℃，渗氮时间为30s，渗氮气氛为干的75％H₂+25％N₂加5～13％的NH₃，氨气比例依据成分中Al、N含量，常化加热温度下固溶AlN含量来调整。

(3)涂MgO隔离剂

渗氮退火后用辊涂法涂敷MgO隔离剂，MgO烘干温度为640～660℃。

五、高温退火及检测磁性能

(1)采用环形炉进行高温退火，首先通入80％N₂+20％H₂的气体，快速升温的到650～750℃，保温3～10小时排出结晶水；之后，以20℃/h的速度缓慢升温到900～1000℃发生二次再结晶；升温到980～1050℃形成硅酸镁底层；升温至1200℃后在纯H₂气氛中保温3～10小时，以净化基体内的S和N。

(2)高温退火卷热拉伸平整退火后涂敷绝缘涂层，检测成品磁性能。

【实施例】

一、成分

设计低温高磁感取向硅钢的成分，元素质量百分数如下：0.052％C、3.24％Si、0.017％Mn、0.006％S、0.015％P、0.014％≤Als≤0.034％、0.002％≤N≤0.010％、0.011％Cr其余为Fe和杂质。主要考虑Al、N成分波动，假设其余元素不变。

本发明实施例钢、对比例钢的成分(Wt％)见表1。

表1实施例钢、对比例钢的具体化学成分

二、冶炼、连铸及热轧

(1)采用转炉冶炼，RH精炼，全程吹氩，转炉炉后终点控制：C为0.050％；P为0.010％；S为0.018％；Mn为0.016％。

(2)浇注过程中保持恒速，连铸过程中投入电磁搅拌，连铸后铸坯热送，板坯厚为200mm。

(3)粗轧坯厚度为50mm，热轧板目标厚度2.30mm。

三、常化、冷轧

(1)为不同Al、N含量的成分，选择980～1150℃为常化加热温度，保温2.5min之后开始空冷，空冷到900℃开始淬入100℃水中快冷。相同成分时实施例和对比例计算得到的常化加热温度下可以固溶的AlN抑制剂的含量如表2所示。

表2常化温度及该温度下固溶的AlN抑制剂

(2)采用森吉米尔单机架二十辊可逆轧机轧制5道次，冷轧板厚度0.27mm。

四、脱碳、渗氮和涂MgO隔离剂

(1)脱碳退火

脱碳退火温度840℃，时间3.5min，保护气氛为湿的75％H₂+25％N₂，水温65℃。

(2)渗氮

渗氮退火处理和脱碳退火在同一连续炉生产线上进行，渗氮温度780℃，渗氮时间为30s，渗氮气氛为干的75％H₂+25％N₂加NH3。依据成分中Al、N含量，常化温度下析出AlN含量来调整渗氮气氛中的NH₃比例，控制实际渗入的氮量，保证渗氮退火板最终的N含量范围175ppm～185ppm之间。实施例与对比例的渗氮工艺中氨气比例如表3所示。

表3实施例与对比例的NH₃比例

(3)涂MgO隔离剂

渗氮退火后用辊涂法涂敷MgO隔离剂，MgO烘干温度为650℃。

五、高温退火及检测磁性能

(1)采用环形炉进行高温退火，首先通入80％N₂+20％H₂的气体，快速升温的到700℃，保温6小时，排出结晶水；之后，以20℃/h的速度缓慢升温到950℃发生二次再结晶；升温到1020℃形成硅酸镁底层；升温至1200℃后在纯H₂气氛中保温6小时，以净化基体内的S和N。

(2)高温退火卷热拉伸平整退火后涂敷绝缘涂层，检测成品磁性能。实施例与对比例成品磁性能如表4所示。

表4实施例与对比例磁性能

从表4的磁性能对比结果可以知道，采用本发明的方法来控制渗氮工艺的NH₃比例，27规格高磁感取向硅钢成品磁性能可以控制在100牌号和110牌号水平之间，而当成分不同采用相同的NH₃比例时，成品磁性能在120～150牌号之间波动。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低温高磁感取向硅钢，其特征在于，由如下重量百分含量的化学成分组成：

0.026％≤C≤0.075％、2.40％≤Si≤3.750％、0.0015％≤Mn≤0.070％、0.001％≤S≤0.012％、0.001％≤P≤0.030％、0.014％≤Als≤0.034％、0.002％≤N≤0.010％、0.001％≤Cr≤0.200％，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.一种提高权利要求1所述低温高磁感取向硅钢磁性能稳定性的方法，其特征在于，具体包括：

1)冶炼、连铸及热轧

A、采用转炉冶炼，RH精炼，全程吹氩，转炉炉后终点控制：C重量百分含量≤0.066％；P重量百分含量≤0.014％；S重量百分含量≤0.026％；Mn重量百分含量≤0.036％；

B、浇注过程中保持恒速，铸坯的拉速控制在0.30～0.90m/min；连铸过程中投入电磁搅拌，连铸后铸坯热送，板坯厚为150～250mm；

C、铸坯的加热温度为1200～1250℃，加热时间为120～140min，粗轧坯厚度为48±4mm，热轧板目标厚度为1.80～2.60mm；

2)常化、冷轧

常化工艺的目的，就是让取向硅钢的AlN抑制剂在常化加热温度下充分固溶，然后在常化工艺的冷却阶段细小、弥散析出，起到抑制剂的作用；常化温度下固溶的AlN抑制剂的含量，与成分中的Al、N含量和常化加热温度有关；

A、常化加热温度为980～1150℃，计算常化加热温度下可以固溶的AlN抑制剂的含量，保温时间2～4min，之后开始空冷，空冷到900±10℃开始淬入水中冷却；

B、轧制5道次以上，冷轧板厚度0.27±0.1mm；

3)脱碳、渗氮以及涂隔离剂

A、脱碳退火

脱碳退火温为800～870℃，时间3～4min，保护气氛为湿的70～80％H₂+N₂，水温60～65℃；

B、渗氮

渗氮退火处理和脱碳退火在同一连续炉生产线上进行，渗氮退火板最终的N含量控制在150ppm～250ppm之间，渗氮温度750～800℃，渗氮时间为30s，渗氮气氛为干的75％H₂+25％N₂加5～13％的NH₃；NH₃比例依据成分中Al、N含量，常化加热温度下固溶AlN含量来调整；

成分中Al、N含量高，采用较高的常化温度可以使固溶的AlN增多，渗氮时采用较小的NH₃流量，就可以满足后天AlN抑制剂的需要量；成分中Al、N含量低时，采用与此成分匹配的常化温度，常化冷却后可以析出的AlN抑制剂还是较少，此时需要在渗氮工艺中采用大的NH₃比例来增加后天抑制剂含量；

C、涂隔离剂

渗氮退火后涂敷隔离剂，隔离剂烘干温度为640～660℃；

4)高温退火

A、进行高温退火，首先通入80％N₂+20％H₂的气体，升温至650～750℃，保温3～10小时排出结晶水；之后，以20℃/h的速度升温至900～1000℃；以20℃/h的速度升温至980～1050℃；升温至1200℃后在纯H₂气氛中保温3～10小时；

B、高温退火卷热拉伸平整退火后涂敷绝缘涂层。

3.根据权利要求2所述的一种提高低温高磁感取向硅钢磁性能稳定性的方法，其特征在于，所述2)A空冷到900±10℃开始淬入100℃水中冷却。

4.根据权利要求2所述的一种提高低温高磁感取向硅钢磁性能稳定性的方法，其特征在于，所述2)B采用森吉米尔单机架二十辊可逆轧机轧制5道次，冷轧板厚度0.27mm。

5.根据权利要求2所述的一种提高低温高磁感取向硅钢磁性能稳定性的方法，其特征在于，所述3)所述隔离剂为MgO。

6.根据权利要求5所述的一种提高低温高磁感取向硅钢磁性能稳定性的方法，其特征在于，所述3)C渗氮退火后用辊涂法涂敷隔离剂。

7.根据权利要求5所述的一种提高低温高磁感取向硅钢磁性能稳定性的方法，其特征在于，所述4)A采用环形炉进行高温退火。

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