CN116555532B - 一种薄规格硅钢材料的高精度退火方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄规格硅钢材料的高精度退火方法，当硅钢板材为冷轧硅钢板材时，炉体内炉辊与硅钢板材之间的相对摩擦系数处于如下范围内： 当硅钢板材为热轧硅钢板材时，炉体内炉辊与硅钢板材之间的相对摩擦系数处于如下范围内：上述公式中，V_max为炉辊驱动最大速度；a_max为炉辊驱动最大加速度。其解决了薄规格试样在传输过程中易出现的打滑、跑偏、卡顿等现象，实现了薄规格试样退火位置精确控制和精准传送，达到了高精度退火的控制要求。

Description

一种薄规格硅钢材料的高精度退火方法

技术领域

本发明涉及热处理技术领域，具体涉及退火温度曲线复杂、保护气氛多样且需要高精度控制的薄规格硅钢材料的高精度退火方法。

背景技术

先进硅钢是发电机组、新能源汽车驱动和工业电机、输配电网变压器等铁心的基础软磁材料，其磁感、铁损等关键电磁性能是影响这些电力全生命周期核心装备工作效率的决定性要素之一。先进硅钢材料根据其特性及用途的差异，可分为取向硅钢和无取向硅钢两大类。无取向硅钢材料的磁特性在各个方向上基本相当，适用于各类发电机组、电动机等旋转磁场的能量转换场景；取向硅钢电磁性能轧向最优，适用于变压器等固定磁路的电压转换场景。单以变压器为例，我国变压器损耗约占输配电总损耗的40％，取向硅钢所制铁心损耗占比近一半。据测算，如果采用065及以上的极低铁损取向硅钢产品制造现行国家标准一级能效变压器，全面替代我国配电网高耗能变压器，年节电量可达三峡电站发电总量，年减排在1亿吨以上。

先进硅钢材料因其研发和制造难度巨大，被誉为“钢铁中的艺术品”；其中，取向硅钢更因流程长、工艺窗口极其狭窄，被誉为“钢铁皇冠上的明珠”。进入二十一世纪以来，世界各国不断提高电力全生命周期关键装备的能效标准，这些关键装备的铁心用硅钢材料呈现了薄规格化、极低铁损化的发展趋势。近十年来，各类高效变压器用取向硅钢材料的规格厚度不断减薄，目前0.20mm规格已逐步成为国家一级能效标准变压器铁心用钢的主体规格；同时，新能源汽车驱动电机用无取向硅钢材料也呈现由0.30mm规格向0.20mm规格方向发展的态势。

然而，随着规格厚度的减薄，0.23mm及以下厚度的薄规格先进硅钢材料的研发难度呈几何级数增长，主要原因有两个方面：其一，比表面积的急增，基体材料性能更易受到退火气氛和温度波动的影响，取向硅钢材料更难以实现良好、稳定的二次再结晶，而无取向硅钢面织构和晶粒组织控制难度加大；其二，比表面积急增，取向硅钢氧化层、底层和无取向硅钢过渡层的稳定控制变得极为困难。上述因素的叠加，导致薄规格先进硅钢材料的工艺窗口成倍缩小，例如：板温控制范围由5℃缩小到3℃以内，炉内高露点控制要求由1℃减小到0.5℃。因此，开发薄规格先进硅钢材料的高精度退火的实现方法是当务之急。

高精度退火实现技术的关键点主要包括炉段均温区内温度、气氛以及试样位置的精确控制。对于薄规格硅钢试样而言，其核心瓶颈问题是试样位置精确控制。这是因为实验室无张力冷轧及后续退火，薄规格冷轧硅钢板在试验炉中的通过性劣化，易出现打滑、跑偏、卡顿等现象，无法达到高精度退火的要求。目前，用于硅钢退火的多段式实验炉根据试验传输方式的差别，可分为推杆式、网带式和辊底式等几种。前两者均存在保护气氛易串气，控制精度差等问题，只能分段实现取向硅钢脱碳渗氮退火或无取向硅钢最终退火，现场退火试验模拟效果不佳，近年来已逐步淘汰。CN201501905的专利中提出了一种辊底式多段退火炉，以辊道驱动试样并实现位置的准确控制，通过加热、隔离和冷却段的合理配置，可以实现硅钢板的常化、脱碳渗氮等多种气氛和多种功能的较高精度退火。然而，该试验炉基于0.30mm～3mm厚度规格热轧和冷轧硅钢板的退火需求，对于0.23mm厚度规格及以下的薄规格硅钢冷轧板材通过性不佳，易出现打滑、跑偏、卡顿等现象，无法实现薄规格规格冷轧板的高精度控制。大量试验证明，对于0.23mm厚度规格及以下的薄规格硅钢试样而言，在辊底式退火炉中实现高精度退火的核心瓶颈问题是试样传送和位置的精确、稳定控制。

经文献和专利检索，目前并未发现针对该技术瓶颈的解决办法或与之相关的报道。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的问题，本发明提供一种薄规格硅钢材料的高精度退火方法，其解决了薄规格试样在传输过程中易出现的打滑、跑偏、卡顿等现象，实现了薄规格试样退火位置精确控制和精准传送，不仅可以达到高性能硅钢板材的研发和制造对温度、露点、时间等关键工艺参数的高精度控制要求，而且能够满足退火温度曲线复杂、保护气氛多样的汽车、建筑、机械等产业所需的各类先进金属材料的制造工艺需求。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种薄规格硅钢材料的高精度退火方法，对炉体内炉辊与硅钢板材之间的相对摩擦系数进行调控；

当硅钢板材为冷轧硅钢板材时，炉体内炉辊与硅钢板材之间的相对摩擦系数μ_冷轧板处于如下范围内：

当硅钢板材为热轧硅钢板材时，炉体内炉辊与硅钢板材之间的相对摩擦系数μ_热轧板处于如下范围内：

上述公式中，为驱动特性参数，Vmax为炉辊驱动最大速度；amax为炉辊驱动最大加速度。

采用上述技术方案：

由于，炉体内部通过炉辊表面与试样表面的摩擦，实现对试样的传送，两者之间的相对摩擦系数是影响试样在传送过程中是否出现的打滑、跑偏、卡顿等现象的关键因素。

本申请中通过实验系统研究了炉辊材质与冷轧、热轧硅钢板材之间的摩擦系数、最大传输速度、最大炉辊加速度和位置控制精度的相关性。经实验研究发现，必须通过对炉辊材质加工和打磨工艺的调整，将炉辊与硅钢板材之间的相对摩擦系数控制一定公式范围内，才能实现长期稳定的硅钢板材精确定位和高精度退火。

具体地，炉辊与薄规格冷轧板材之间的相对摩擦系数确保能够可靠、稳定、高精度的传送薄规格冷轧板材，避免发生打滑、卡顿等影响退火曲线精度的现象。

硅钢热轧板材的厚度在2mm及以上，同时热轧板材表面存在氧化铁皮，表面粗糙度较大，较大的摩擦系数会增大炉辊转动惯量，使炉辊轴承磨损增加，导致长期运行稳定性劣化，因此，必须将炉辊与硅钢热轧板材的相对摩擦系数控制在的范围以内。

通过上述控制，将试样传输定位精度控制在5mm以内，实现温度、气氛和试样退火过程关键指标的精确控制。

进一步地，炉体内底部设有多个辊道单元并单独进行驱动，为避免各炉辊间速度差对薄规格硅钢板材试样位置的影响，实现硅钢板材退火温度、时间和气氛的精确控制，炉体内均温区的长度≥2倍的单个辊道单元长度≥4倍的硅钢板材最大长度。

进一步地，为防止打滑、卡顿等现象，炉体内相邻的炉辊中心线间距是硅钢板材试样运行方向长度的3倍以上，确保4根以上的炉辊接触，在确保足够接触的同时，避免薄规格硅钢板材导致的带头卡辊现象。

进一步地，炉辊水平度和平行度是影响硅钢板材传输稳定性和位置控制精度的另一关键要素。为适应薄规格硅钢板材高精度退火控制要求，必须对炉体内炉辊的加工和安装精度进一步提升，具体地，炉体内炉辊的水平度≤0.01mm/m；炉辊的平行度≤0.01mm。

进一步地，所述冷轧硅钢板材的厚度≤0.23mm。

进一步地，所述热轧硅钢板材的厚度≥2mm。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明中通过炉辊与硅钢板材试样之间的相对摩擦系数与传动特性的相关性的研究发现，对炉辊材质加工和打磨工艺进行调整，将炉辊与硅钢板材之间的相对摩擦系数控制一定公式范围内，将试样传输定位精度控制在5mm以内，能够实现薄规格冷轧硅钢板材和热轧厚硅钢板材的精准、稳定传送，并实现温度、气氛和试样退火过程关键指标的精确控制；

再通过对炉辊间距与硅钢板材试样尺寸进行调控，进一步降低薄规格硅钢板材传输中跑偏等风险；通过对辊道单元、炉体内均温区与硅钢板材试样长度进行调控，可以实现退火处理过程中温度、时间和露点等关键工艺参数的精确控制；通过对炉辊水平度和平行度进行控制，进一步保证了试样传输稳定性和位置控制精度，减小各类硅钢板材试样跑偏等影响高精度退火的风险；

本发明中，不仅可以有效提高薄规格硅钢板材在辊底式退火炉内运行的稳定性和控制精度，是新一代高性能硅钢研发的关键；而且，可以适用于渗氮、渗碳等需要气氛、温度等高精度控制的退火场景，对于汽车、建筑、机械等产业所需的高强度钢铁、镁铝等各类先进金属材料的开发具有重要支撑作用。

附图说明

下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明中炉辊相对摩擦系数与驱动特性参数的关系图。

具体实施方式

本发明公开了一种薄规格硅钢材料的高精度退火方法，通过对炉辊材质与冷轧、热轧硅钢板材之间摩擦系数、传输速度、加速度、位置控制精度以及炉辊几何尺寸设计的相关性实验研究，解决了薄规格试样传输易出现的打滑、卡顿等问题，实现了薄规格硅钢冷轧板材退火位置的精确控制，达到了高精度退火的控制要求。

1.对炉体内炉辊与硅钢板材之间的相对摩擦系数进行调控

炉体内部通过炉辊表面与试样表面的摩擦，实现对试样的传送，两者之间的相对摩擦系数是影响试样在传送过程中是否出现的打滑、跑偏、卡顿等现象的关键因素。

本申请中通过实验系统研究了炉辊材质与冷轧、热轧硅钢板材之间的摩擦系数、最大传输速度、最大炉辊加速度和位置控制精度的相关性。经实验研究发现，必须通过对炉辊材质加工和打磨工艺的调整，将炉辊与硅钢板材之间的相对摩擦系数控制一定公式范围内，才能实现长期稳定的硅钢板材精确定位和高精度退火，获得了如图1所示的实现硅钢钢材高精度位置控制的炉辊与试样之间相对摩擦系数范围。

具体地，当硅钢板材为薄规格的冷轧硅钢板材时，冷轧硅钢板材的厚度≤0.23mm，炉体内炉辊与硅钢板材之间的相对摩擦系数μ_冷轧板处于如下范围内：

当硅钢板材为热轧硅钢板材时，热轧硅钢板材的厚度≥2mm，炉体内炉辊与硅钢板材之间的相对摩擦系数μ_热轧板处于如下范围内：

上述公式中，为驱动特性参数，Vmax为炉辊驱动最大速度；amax为炉辊驱动最大加速度。

上述公式(1)、(2)及图1中的相对摩擦系数为硅钢板材与炉辊间的静态摩擦系数，其采用中国专利发明申请公布号CN106979925的方法测得，具体测试如下：通过倾斜角的变化，检测滑动模块与硅钢板材表面滑动起始的倾斜角，测定相对摩擦系数；其中，滑动模块采用与炉辊相同材质和相同表面粗糙度，下衬板为固定的硅钢板材。

如上述公式(1)、(2)及图1中所示，炉辊与薄规格冷轧板材之间的相对摩擦系数必须大于图1中的下限，确保能够可靠、稳定、高精度的传送薄规格冷轧板材，避免发生打滑、卡顿等影响退火曲线精度的现象。

由于硅钢热轧板材的厚度在2mm及以上，同时热轧板材表面存在氧化铁皮，表面粗糙度较大，较大的摩擦系数会增大炉辊转动惯量，使炉辊轴承磨损增加，导致长期运行稳定性劣化，因此，必须将炉辊与硅钢热轧板材的相对摩擦系数控制在图1中的上限以内的范围。

通过上述控制，将试样传输定位精度控制在5mm以内，实现温度、气氛和试样退火过程关键指标的精确控制。炉辊相对摩擦系数的控制主要通过陶瓷粉体粒径、粘结剂、成型模具表面粗糙度等或烧结工艺或表面打磨工艺来实现。

2.对辊道单元、炉体内均温区与硅钢板材试样长度进行调控

由于辊底式退火炉内部由多个辊道单元并单独进行驱动，为避免各炉辊间速度差对薄规格硅钢板材试样位置的影响，实现硅钢板材退火温度、时间和气氛的精确控制，炉体内均温区的长度≥2倍的单个辊道单元长度≥4倍的硅钢板材最大长度。

3.对炉辊间距与硅钢板材试样尺寸进行调控

为防止打滑、卡顿等现象，炉体内相邻的炉辊中心线间距是硅钢板材试样运行方向长度的3倍以上，确保4根以上的炉辊接触，在确保足够接触的同时，避免薄规格硅钢板材导致的带头卡辊现象。

4.对炉辊水平度和平行度进行调控

炉辊水平度和平行度是影响硅钢板材传输稳定性和位置控制精度的另一关键要素。为适应薄规格硅钢板材高精度退火控制要求，必须对炉体内炉辊的加工和安装精度进一步提升，具体地，炉体内炉辊的水平度≤0.01mm/m；炉辊的平行度≤0.01mm。

实施例1

试样采用实验室真空炉炼钢，成分为C：0.055％，Si：3.2％，Mn：0.12％，S：0.10％，Al：0.027％，N：0.0082％，Sn：0.082％，Cu：0.16％，Cr：0.2％，其余为Fe及不可避免的夹杂物，以质量百分比计。热轧、常化退火、氧化镁涂层和高温退火均采用常规工艺，冷轧压下率在85％以上。

在四段式辊底式退火炉内开展0.20mm规格取向硅钢板材的脱碳渗氮退火试验，试样长度是炉辊间距的4.5倍，均温区长度：单个辊道单元长度：试样最大长度之比为5：2：1，炉辊水平度≤0.01mm/m，炉辊平行度≤0.01mm。

退火气氛共四种：1)脱碳气氛为AX气(N₂：H₂＝1：3)，露点62℃；2)还原气氛为AX气，露点35℃；3)渗氮气氛为AX气和氨气，露点≤-20℃；4)冷却气氛为含4％H₂的氮氢混合气氛。

退火温度工艺为：815℃×150s(脱碳)+815℃×40s(还原)+780℃×30s(渗氮)。

采用不同的炉辊与硅钢板材试样之间的相对摩擦系数，重复开展不同最大运行速度和加速度下的上述退火试验，所得试验故障率、位置控制精度数据如下表1所示。炉内退火过程试样位置通过观察孔标定位置检测，出口位置手动检测。

表1不同的相对摩擦系数下试验故障率、位置控制精度情况表

表2表1稳定试验对应脱碳渗氮退火过程结果与高温退火后试样的磁性能

由上述表1可见，控制炉辊与硅钢板材试样之间的相对摩擦系数在特定范围内，可以显著提高试样定位精度≤5mm并减小试验故障率。

由上述表2可见，剔除故障板后，高定位精度退火才能保证渗氮量和表面氧含量控制精度，从而实现高精度退火。从薄规格取向硅钢板材试样的最终平均磁性能B8来看，高精度定位可以提高200Gauss以上；同时高定位精度退火使试验样板B8在1.92T和1.90T以上合格率显著增加。

综上，控制炉辊与硅钢板材试样之间的相对摩擦系数在特定范围内可以提高试样定位精度，高定位精度是实现薄规格规格高精度退火的关键要素和必要条件。

实施例2

试样采用常规无取向硅钢热轧板材，厚度为2.6mm。采用不同的炉辊与硅钢板材试样之间的摩擦系数，在10套辊底模块组成的平台上进行15万次及以上试样传输稳定性试验，驱动采用常规辊底炉伺服电机。试样长度是炉辊间距的4倍，单个辊道单元长度：试样最大长度之比为3：1，炉辊水平度≤0.01mm/m，炉辊平行度≤0.01mm。

运行稳定性与相对摩擦系数间的关系如下表3所示，空气中未升温疲劳试验结果表明，通过对炉辊表面粗糙度的控制，合理调整炉辊与厚规格热轧板间的静态摩擦系数，可以在一定的驱动特性范围内，延长炉辊及电机使用寿命，有利于长期、稳定的实现高精度退火。

表3不同的相对摩擦系数和驱动特性下出现故障前的稳定运行次数

实施例3

试样采用0.20mm规格常规无取向硅钢冷轧板材，试样长度是炉辊间距的4.5倍。在由加热段和冷却段组成的两段炉体平台进行无取向硅钢退火试验。炉辊与硅钢板材之间的相对摩擦系数为0.30，驱动特性为0.2。炉辊水平度≤0.01mm/m，炉辊平行度≤0.01mm。均温区由3组单独控测温温单元组成，并且可调整均温区长度。调整试样和炉辊辊道单元长度，对角线和中心点焊接热电偶进行5点测温。退火温度设定955℃。

试验结果如下表4所示。如表中所示，将试样长度、炉辊辊道单元长度与均温区长度进行合理设计分配，可以有效提升控温精度，从而实现高精度退火。

表4炉辊辊道单元、均温区与试样长度变化对板温精度的影响

实施例4

试样采用0.20mm规格常规无取向硅钢冷轧板材，调整试样长度和炉辊间距之比，并调整炉辊的水平度和平行度，在10套辊底模块组成的平台上进行20次试样传输稳定性试验。炉辊相对摩擦系数为0.30，驱动特性为0.2。试验结果如下表5所示。如表中测试结果所示，确保试样长度在炉辊间距的4倍及以上，同时保证炉辊的水平度和平行度，可以实现试样定位的高精度控制并降低打滑、跑偏、卡辊等风险，从而实现高精度退火。

表5试样长度和炉辊间距之比、炉辊水平度和平行度变化的影响

综上，本发明中通过炉辊与硅钢板材试样之间的相对摩擦系数与传动特性的相关性的研究发现，对炉辊材质加工和打磨工艺进行调整，将炉辊与硅钢板材之间的相对摩擦系数控制一定公式范围内，将试样传输定位精度控制在5mm以内，能够实现薄规格冷轧硅钢板材和热轧厚硅钢板材的精准、稳定传送，并实现温度、气氛和试样退火过程关键指标的精确控制；再通过对炉辊间距与硅钢板材试样尺寸进行调控，进一步降低薄规格硅钢板材传输中跑偏等风险；通过对辊道单元、炉体内均温区与硅钢板材试样长度进行调控，可以实现退火处理过程中温度、时间和露点等关键工艺参数的精确控制；通过对炉辊水平度和平行度进行控制，进一步保证了试样传输稳定性和位置控制精度，减小各类硅钢板材试样跑偏等影响高精度退火的风险。本发明中，不仅可以有效提高薄规格硅钢板材在辊底式退火炉内运行的稳定性和控制精度，是新一代高性能硅钢研发的关键；而且，可以适用于渗氮、渗碳等需要气氛、温度等高精度控制的退火场景，对于汽车、建筑、机械等产业所需的高强度钢铁、镁铝等各类先进金属材料的开发具有重要支撑作用。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (6)

1.一种薄规格硅钢材料的高精度退火方法，其特征在于，对炉体内炉辊与硅钢板材之间的相对摩擦系数进行调控；

当硅钢板材为冷轧硅钢板材时，炉体内炉辊与硅钢板材之间的相对摩擦系数μ_冷轧板处于如下范围内：

当硅钢板材为热轧硅钢板材时，炉体内炉辊与硅钢板材之间的相对摩擦系数μ_热轧板处于如下范围内：

上述公式中，为驱动特性参数，V_max为炉辊驱动最大速度；a_max为炉辊驱动最大加速度。

2.根据权利要求1所述的薄规格硅钢材料的高精度退火方法，其特征在于，炉体内底部设有多个辊道单元并单独进行驱动，炉体内均温区的长度≥2倍的单个辊道单元长度≥4倍的硅钢板材最大长度。

3.根据权利要求1所述的薄规格硅钢材料的高精度退火方法，其特征在于，炉体内相邻的炉辊中心线间距是硅钢板材试样运行方向长度的3倍以上。

4.根据权利要求1所述的薄规格硅钢材料的高精度退火方法，其特征在于，炉体内炉辊的水平度≤0.01mm/m；炉辊的平行度≤0.01mm。

5.根据权利要求1所述的薄规格硅钢材料的高精度退火方法，其特征在于，所述冷轧硅钢板材的厚度≤0.23mm。

6.根据权利要求1所述的薄规格硅钢材料的高精度退火方法，其特征在于，所述热轧硅钢板材的厚度≥2mm。