CN116288136B - 一种取向硅钢的渗氮装置及渗氮方法 - Google Patents

一种取向硅钢的渗氮装置及渗氮方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种取向硅钢的渗氮装置及渗氮方法，属于取向硅钢渗氮技术领域，以解决带钢宽度方向渗氮量不均的问题，渗氮装置包括多组渗氮机构，多组渗氮机构沿取向硅钢的长度方向依次间隔设置，渗氮机构包括两个分别位于取向硅钢上方和下方的渗氮单元，渗氮单元包括喷射管，喷射管的两端封闭形成盲端，喷射管设有用于连通渗氮气源的进气口以及多个沿取向硅钢宽度方向依次分布的用于向取向硅钢喷吹渗氮气体的喷气孔，位于喷射管两端的喷气孔的孔径小于位于喷射管中部的喷气孔的孔径。本发明提供的渗氮装置提高了带钢宽度方向渗氮量的均匀性，取向硅钢的磁性更均匀。

Description

一种取向硅钢的渗氮装置及渗氮方法
技术领域
本发明属于取向硅钢渗氮技术领域，具体涉及一种取向硅钢的渗氮装置及渗氮方法。
背景技术
高磁感取向硅钢是电力建设重要的软磁材料，广泛应用于输变电行业变压器产品，用于变压器铁心的制造，是电力行业发展不可或缺的原材料之一。以AlN为主要抑制剂的低温高磁感取向硅钢，主要通过后期渗氮的方式获得抑制剂，渗氮气氛一般采用NH3+H2+N2，在高温下将NH3分解的活性[N]原子渗入钢板，与钢中的Al、Si等元素形成AlN或(AlSi)xNy抑制剂，在高温退火过程中这些抑制剂起到抑制晶粒长大的作用，最终在合适的温度下抑制剂熟化或分解，高斯晶粒异常长大，形成完善的二次再结晶组织，所以渗氮均匀性对于取向硅钢磁性能的控制至关重要。
现有技术中，渗氮气氛通常通过布置在带钢上下两侧的单根通气管上的喷气孔喷射到带钢表面进行渗氮处理，通气管一端通入气体，位于工作侧，另一端封闭形成盲端，位于传动侧，通气管上设有沿长度方向均匀间隔分布的喷气孔，且喷气孔的孔径一致。在该种渗氮气氛通入方式下，会存在带钢宽度方向渗氮量的最大值与最小值的差值可达30ppm，渗氮量不均匀，从而导致成品取向硅钢在宽度方向性能出现偏差。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种取向硅钢的渗氮装置及渗氮方法，提高取向硅钢宽度方向渗氮均匀性。
本发明采用的技术方案为：提供了一种取向硅钢的渗氮装置，包括多组沿取向硅钢的长度方向依次间隔设置的渗氮机构，所述渗氮机构包括两个分别位于所述取向硅钢上方和下方的渗氮单元，所述渗氮单元包括：
喷射管，两端封闭，所述喷射管设有用于连通渗氮气源的进气口以及多个沿所述取向硅钢宽度方向依次分布的用于向所述取向硅钢喷吹渗氮气体的喷气孔，位于所述喷射管两端的喷气孔的孔径小于位于所述喷射管中部的喷气孔的孔径。
在一些实施例中，位于所述喷射管两端的喷气孔的孔径是位于所述喷射管中部的喷气孔的孔径的四分之一至五分之四；位于所述喷射管中部的喷气孔的孔径为10～20mm。
在一些实施例中，位于所述喷射管两端的相邻两个喷气孔的间距小于位于所述喷射管中部的相邻两个喷气孔的间距。
在一些实施例中，位于所述喷射管两端的相邻两个喷气孔的间距是位于所述喷射管中部的相邻两个喷气孔的间距的三分之一至二分之一；位于所述喷射管中部的相邻两个喷气孔的间距为100～300mm。
在一些实施例中，所述进气口设有多个，多个所述进气口沿所述取向硅钢的宽度方向依次间隔分布；
所述渗氮单元还包括用于连通渗氮气源的稳压管，所述稳压管设有与所述进气口数量相同的排气口，所述进气口通过连通管与对应的所述排气口连通，所述稳压管的内径是所述喷射管的内径的1～1.5倍，所述连通管的内径是所述喷射管的内径的0.2～0.8倍；所述喷射管的内径为120～200mm。
在一些实施例中，所述喷气孔的轴向与所述取向硅钢的去料方向的夹角为30°～60°。
第二方面，本发明提供了一种取向硅钢的渗氮方法，采用前述的渗氮装置进行，所述渗氮方法包括：
向渗氮机构的每个喷射管的进气口内通入渗氮气体，渗氮气体从渗氮管的喷气孔喷吹以冲击至取向硅钢的上表面和下表面进行渗氮处理。
在一些实施例中，所述取向硅钢中的碳的百万分浓度≤30ppm。
在一些实施例中，所述渗氮在退火炉内进行，所述渗氮装置位于所述退火炉内，所述退火炉内的温度为750-950℃，所述退火炉的出口侧压力与入口侧压力差为5～10Pa。
在一些实施例中，所述渗氮气体中NH3的压力范围为10-40KPa，每个渗氮单元中的两个喷射管的喷吹渗氮气体的总流量为10～40m3/h。
本发明的有益效果至少包括：
本发明所提供的一种渗氮装置包括多组渗氮机构，多组渗氮机构沿取向硅钢的长度方向依次间隔设置，渗氮机构包括两个分别位于取向硅钢上方和下方的渗氮单元，渗氮单元包括喷射管，喷射管的两端封闭形成盲端，喷射管设有用于连通渗氮气源的进气口以及多个沿取向硅钢宽度方向依次分布的用于向取向硅钢喷吹渗氮气体的喷气孔，位于喷射管两端的喷气孔的孔径小于位于喷射管中部的喷气孔的孔径。本申请中喷射管两端封闭均形成盲端，位于喷射管两端的喷气孔的孔径小于喷射管中部的喷气孔的孔径，这样可以提高位于带钢宽度方向中部的含氮气体的流量，提高带钢宽度方向的喷气量的均匀性，提高带钢宽度方向渗氮量的均匀性，取向硅钢的磁性更均匀。
附图说明
图1示出了实施例一的渗氮装置的结构示意图；
图2为图1的渗氮装置中的喷射管的结构示意图。
附图标记说明：
100-取向硅钢；2000-渗氮机构，200-渗氮单元，210-喷射管，211-喷气孔，220-稳压管，230-连通管。
具体实施方式
为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。
第一方面，本发明实施例提供了一种取向硅钢的渗氮装置，用于对厚度为0.1-0.5mm，宽度为800～1500mm取向硅钢渗氮，且该渗氮装置可以保证带钢宽度方向均匀渗氮，从而保证成品取向硅钢在宽度方向具有更均匀的磁性。
请结合图1以及图2，本申请实施例提供的渗氮装置包括多组渗氮机构2000，多组渗氮机构2000沿取向硅钢100的长度方向依次间隔设置，以提高渗氮效率，渗氮机构2000包括两个分别位于取向硅钢100上方和下方的渗氮单元200，以对取向硅钢100的上表面和下表面同时渗氮，渗氮单元200包括喷射管210，喷射管210的两端封闭形成盲端，喷射管210设有用于连通渗氮气源的进气口以及多个沿取向硅钢100宽度方向依次分布的用于向取向硅钢100喷吹渗氮气体的喷气孔211，位于喷射管210两端的喷气孔211的孔径小于位于喷射管210中部的喷气孔211的孔径，使得喷至带钢宽度方向两侧的含氮气体量高于带钢宽度中部的含氮气体。
相关技术中，喷射管210沿带钢也就是取向硅钢的宽度方向延伸，喷射管210的一端封闭形成盲端，喷射管210的另一端连通含氮气源，喷射管210沿长度方向均匀布置多个喷气孔211，含氮气源通过均匀布置的多个喷气孔211喷至带钢的表面，由于喷射管210的一端是盲端，含氮气体在该位置会压力变大，因此靠近盲端的喷气孔211喷出的含氮气体流量较大，喷射管210的另一端连通含氮气源，因此靠近喷射管210的另一端的喷气孔211喷出的含氮气体流量也较大，从喷射管210的中部的喷气孔211喷出的含氮气体压力减弱，因此从中部的喷气孔211喷出的含氮气体流量较弱，这样就形成了带钢宽度方向的中部含氮气体少，带钢宽度方向的两侧含氮气体多的流场，体现在取向硅钢100性能就是带钢宽度方向两侧的磁性高，带钢宽度方形的中部的磁性低的规律。本申请中喷射管210两端封闭均形成盲端，位于喷射管210两端的喷气孔211的孔径小于喷射管210中部的喷气孔211的孔径，这样可以提高位于带钢宽度方向中部的含氮气体的流量，提高带钢宽度方向的喷气量的均匀性，提高带钢宽度方向渗氮量的均匀性，取向硅钢100的磁性更均匀。
为了进一步地提高渗氮均匀性，在一些实施例中，位于喷射管210两端的喷气孔211的孔径是位于喷射管210中部的喷气孔211的孔径的四分之一至五分之四；在某些实施例中，位于喷射管210中部的喷气孔211的孔径为10～20mm，例如，位于喷射管210中部的喷气孔211的孔径为12mm，位于喷射管210两端的喷气孔211的孔径为3～9mm；位于喷射管210中部的喷气孔211的孔径为15mm，位于喷射管210两端的喷气孔211的孔径为3.75～12mm。
为了更好的保证渗氮均匀性，在一些实施例中，请结合图2，位于喷射管210两端的相邻两个喷气孔211的间距小于位于喷射管210中部的相邻两个喷气孔211的间距，孔距的分布配合孔径，保证了渗氮气氛在带钢宽度方向的均匀性。在某些实施例中，位于喷射管210中部的相邻两个喷气孔211的间距为100～300mm，例如，中部的相邻两个喷气孔211间距为120mm时，位于喷射管210两端的相邻两个喷气孔211的间距为40～60mm，中部的相邻两个喷气孔211间距为150mm时，位于喷射管210两端的相邻两个喷气孔211的间距为50～75mm。在一些实施例中，喷气孔211的数量可以为8～15个，喷气孔211的数量可根据取向硅钢100的宽度来调整，本申请不作具体限制。
在一些实施例中，请结合图1，进气口设有多个，多个进气口沿取向硅钢100的宽度方向依次间隔分布，例如，进气口设有两个或者三个，进气口位于进气管沿长度方向的中部，在某些实施例中，结合图1，进气口设有三个。
请继续结合图1，渗氮单元200还包括用于连通渗氮气源的稳压管220，稳压管220与喷射管210平行，稳压管220一端封闭形成盲端，稳压管220的另一端与渗氮气源连通，稳压管220设有与进气口数量相同的排气口，进气口通过连通管230与对应的排气口连通，稳压管220的内径不小于喷射管210的内径，以为喷射管210提供压力稳定的气源，并且稳压管220还可以进一步的实现渗氮气氛中的三种不同气体的均匀混合；在某些实施例中，稳压管220的内径是喷射管210的内径的1～1.5倍，例如1.2倍，1.3倍；在一些实施例中，连通管230的内径小于喷射管210的内径，以提高连通管230内的含氮气源的压力，稳定喷气孔211喷出的气体压力，同时还以较小的内径对喷射管210定向匹配，确保进入喷射管210内的渗氮气氛混合均匀；在某些实施例中，连通管230的内径是喷射管210的内径的0.2～0.8倍，例如0.3倍，0.5倍或者0.7倍；在某些实施例中，喷射管210的内径可以为120～200mm，例如，在喷射管210的内径为150mm时，连通管230的内径为30～120mm，在喷射管210的内径为180mm时，连通管230的内径为36～144mm。
在一些实施例中，喷气孔211的轴向与取向硅钢100的去料方向的夹角为30°～60°，喷气孔211与取向硅钢100的来料方向的机架为120～150°，便于含氮气源与带钢的上表面和下表面充分接触。在某些实施例中，喷气孔211的轴向与取向硅钢100的运行方向的夹角可以为30°、40°、45°或者50°等；取向硅钢100的运行速率可以不超过130m/min，例如100m/min、105m/min、115m/min等。
第二方面，本申请实施例还提供了一种取向硅钢100的渗氮方法，该渗氮方法利用第一方面的渗氮装置进行，该渗氮方法配合渗氮装置，提高了取向硅钢100宽度方向的渗氮均匀性，取向硅钢100成品在宽度方向磁性更加均匀。
本申请实施例提供的渗氮方法包括如下步骤：向渗氮机构2000的每个喷射管210的进气口内通入渗氮气体，渗氮气体从渗氮管的喷气孔211喷吹以冲击至取向硅钢100的上表面和下表面进行渗氮处理。
在一些实施例中，喷射管210的中心轴线与带钢的竖向距离为100～200mm，喷射管210的中心轴线与带钢的竖向距离过大，渗氮气氛即含氮气体难以到达带钢的表面；喷射管210的中心轴线与带钢的竖向距离过小，将会导致喷射到带钢表面的含氮气体分布不均匀，进而导致带钢渗氮量的不均匀，同时喷射管210的中心轴线与带钢的竖向距离过小也会阻碍退火炉内穿带。
在一些实施例中，取向硅钢100中的碳的百万分浓度≤30ppm，取向硅钢100中的碳含量控制可通过脱碳退火来实现，也就是取向硅钢100先脱碳退火再渗氮处理。脱碳退火过程中，温控为800～850℃，例如830℃，840℃等。
在一些实施例中，渗氮在退火炉内进行，渗氮装置位于退火炉内，退火炉内的温度为750-950℃，带钢从退火炉的入口侧进入，退火炉的出口侧出，退火炉的出口侧压力与入口侧压力差为5～10Pa，退火炉的出口侧的压力大，退火炉的入口侧的压力小，促进含氮气氛从出口侧向入口侧移动，同时配合喷气孔211与带钢去料方向的夹角，提高带钢的渗氮均匀性。如果退火炉的出口侧压力与入口侧压力差过大，在一定程度行将会造成喷射出来的含氮气体难以破坏带钢表面的气流边界层，从而无法到达带钢表面，进而导致渗氮量降低；如果退火炉的出口侧压力与入口侧压力差过小，将会弱化炉压含氮气体均匀性的改善效果，影响渗氮均匀性。
在一些实施例中，渗氮气体中NH3的压力范围为10-40kPa，每个渗氮单元200中的两个喷射管210的喷吹渗氮气体的总流量为10～40m3/h，控制渗氮气体中NH3的压力范围以及流量范围，与渗氮装置中喷气孔211的分布以及孔径配合，提高渗氮均匀性，如果渗氮气体中NH3的压力过小，将会在一定程度上导致渗氮气体中NH3不易与其他气体例如H2和N2混合，导致渗氮量过低，降低取向硅钢成品磁性能。如果渗氮气体中NH3的压力过大，将会在一定程度上导致渗氮气体中NH3与其他气体例如H2和N2混合不均匀，在一定程度上恶化渗氮不均匀性，并且在一定程度行可能会导致局部渗氮量过高，造成取向硅钢成品表面质量异常。如果渗氮气体的总流量过小，将会在一定程度上导致取向硅钢渗氮量过低，造成取向硅钢成品磁性能异常。如果渗氮气体的总流量过大，将会在一定程度上导致渗氮量过高，极易导致取向硅钢成品表面质量异常。
下面将结合具体的实施例对本申请的渗氮方法作进一步的详细说明。
实施例1至实施例5
实施例1至实施例5提供了一种渗氮方法，取向硅钢100的成分为C：0.08％；Si：3.01％；Mn：0.15％；P:0.0020％；S：0.015％；Als:0.025％；N：0.0070％；Sn：0.03％；其余为Fe和不可避免杂质元素；前述成分的取向硅钢在退火炉内退火，退火炉内具有依次设置的脱碳段和渗氮段，渗氮段布置有前述的渗氮装置，渗氮机构2000的数量如表1所示，喷射管210的内径为200mm，喷射管210开设9个喷气孔211，喷气孔211的轴向与带钢运行方向的夹角为45°，喷气孔211的孔径从操作侧至传动侧依次为10mm、10mm、10mm、20mm、20mm、20mm、15mm、15mm和15mm，喷射孔的间距从操作侧至传动侧依次为100mm、100mm、200mm、200mm、200mm、200mm、100mm和100mm，连通管230的数量为3，连通管230的内径为5mm。喷射管210与带钢的竖向间距为150mm。
取向硅钢100先在820℃的温度下脱碳退火，然后进入渗氮段渗氮处理，渗氮保护气氛为75％H2+25％N2，渗氮温度、渗氮气源中NH3的压力、渗氮段中出口侧的压力以及入口侧的压力如表1所示，每个渗氮单元200中的两个喷射管210的喷气流量以及带钢的运行速率如表1所示。
对比例1至对比例3
对比例1至对比例3提供了一种渗氮方法，取向硅钢100的成分与实施例1至实施例5相同，对比例1至对比例3与实施例的区别是：渗氮机构2000不同，渗氮机构2000包括分别设置于带钢上方和下方的两个喷射管，喷射管的一端封闭形成盲端，喷射管的另一端与渗氮气源连通，喷射管设有9个沿轴向均匀间隔分布的喷气孔，喷气孔的孔径都是15mm，相邻喷气孔的间距都是150mm。渗氮过程的工艺控制如表1所示。
表1
表2
将采用实施例1至实施例5以及对比例1至对比例3提供的渗氮方法渗氮后的取向硅钢取样，并检测沿宽度方向中心位置以及靠近边部15mm位置的氮含量；并将实施例1至实施例5以及对比例1至对比例3渗氮后的取向硅钢经过高温退火以及热拉伸平整退火后取样检测沿宽度方向中心位置以及靠近边部15mm位置的磁感，氮含量以及磁感强度如表2所示。
由表2中的数据可知，采用本申请实施例1至实施例5的渗氮装置和渗氮方法，渗氮结束后取向硅钢的氮含量在宽度方向的波动范围为7～12ppm，波动范围小，渗氮均匀性好；热拉伸平整后的取向硅钢的的磁感强度波动范围为0～0.01T，磁感均匀性好。
采用对比例1至对比例3的渗氮装置和渗氮方法，渗氮结束后取向硅钢的氮含量在宽度方向的波动范围为26～33ppm，波动范围大，渗氮均匀性差；热拉伸平整后的取向硅钢的的磁感强度波动范围为0.02～0.03T，磁感能波动大。
本发明设计孔径较大的稳压管220，进一步的实现渗氮气体中三种不同气体的均匀化混合，并经过较小的连通管230进行定向匹配，确保进入到喷射管210内的渗氮气氛混合均匀；通过喷气孔211孔径的差异化设计，减小喷射管210两端的喷气孔211的孔径，使得喷射管210两端的气体通入量降低，进而及平衡带钢宽度方向的渗氮量；通过不同的喷气孔211间距设计，控制喷射管210两端的喷气孔211间距减小，结合两端小孔径的喷气孔211设计，匹配控制该区域的渗氮气体喷射量，进而控制带钢边部的渗氮量，保证带钢宽度方向的渗氮均匀性。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种取向硅钢的渗氮装置，其特征在于，包括多组沿取向硅钢的长度方向依次间隔设置的渗氮机构，所述渗氮机构包括两个分别位于所述取向硅钢上方和下方的渗氮单元，所述渗氮单元包括：
喷射管，两端封闭，所述喷射管设有用于连通渗氮气源的进气口以及多个沿所述取向硅钢宽度方向依次分布的用于向所述取向硅钢喷吹渗氮气体的喷气孔，位于所述喷射管两端的喷气孔的孔径小于位于所述喷射管中部的喷气孔的孔径；位于所述喷射管两端的相邻两个喷气孔的间距小于位于所述喷射管中部的相邻两个喷气孔的间距；所述进气口设有多个，多个所述进气口沿所述取向硅钢的宽度方向依次间隔分布；
所述渗氮单元还包括用于连通渗氮气源的稳压管，所述稳压管设有与所述进气口数量相同的排气口，所述进气口通过连通管与对应的所述排气口连通，所述稳压管的内径是所述喷射管的内径的1~1.5倍，所述连通管的内径是所述喷射管的内径的0.2~0.8倍。
2.根据权利要求1所述的一种取向硅钢的渗氮装置，其特征在于，位于所述喷射管两端的喷气孔的孔径是位于所述喷射管中部的喷气孔的孔径的四分之一至五分之四；位于所述喷射管中部的喷气孔的孔径为10~20mm。
3.根据权利要求1所述的一种取向硅钢的渗氮装置，其特征在于，位于所述喷射管两端的相邻两个喷气孔的间距是位于所述喷射管中部的相邻两个喷气孔的间距的三分之一至二分之一；位于所述喷射管中部的相邻两个喷气孔的间距为100~300mm。
4.根据权利要求1所述的一种取向硅钢的渗氮装置，其特征在于，所述喷射管的内径为120~200mm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的取向硅钢的渗氮装置，其特征在于，所述喷气孔的轴向与所述取向硅钢的去料方向的夹角为30°~60°。
6.一种取向硅钢的渗氮方法，采用权利要求1-5中任一项所述的渗氮装置进行，其特征在于，所述渗氮方法包括：
向渗氮机构的每个喷射管的进气口内通入渗氮气体，渗氮气体从渗氮管的喷气孔喷吹以冲击至取向硅钢的上表面和下表面进行渗氮处理。
7.根据权利要求6所述的取向硅钢的渗氮方法，其特征在于，所述取向硅钢中的碳的百万分浓度≤30ppm。
8.根据权利要求6所述的取向硅钢的渗氮方法，其特征在于，所述渗氮在退火炉内进行，所述渗氮装置位于所述退火炉内，所述退火炉内的温度为750-950℃，所述退火炉的出口侧压力与入口侧压力差为5~10Pa。
9.根据权利要求6所述的取向硅钢的渗氮方法，其特征在于，所述渗氮气体中NH3的压力范围为10-40kPa，每个渗氮单元中的两个喷射管的喷吹渗氮气体的总流量为10~40m³/h。
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