CN101775548B

CN101775548B - 低渗氮量高磁感取向硅钢带的生产方法

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Publication number: CN101775548B
Application number: CN2009102734600A
Authority: CN
Inventors: 王若平; 毛炯辉; 方泽民; 曹阳; 张先贵; 骆忠汉; 黎世德; 刘良田; 钟光明; 鲁军; 曾武; 张文辉; 许光; 蔡延礴; 许慧英; 黄斌
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Priority date: 2009-12-31
Filing date: 2009-12-31
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2029-12-31
Also published as: CN101775548A

Abstract

本发明公开了一种低渗氮量高磁感取向硅钢带的生产方法。它包括控制连铸坯中的化学成分、将其加热到1100～1200℃热轧成厚度为2.0～2.5mm的热轧钢带、两段常化退火、一次冷轧成厚度为0.23～0.30mm的冷轧钢带、连续脱碳处理、连续渗氮处理、二次再结晶退火处理和常规冷却等工序。其中：连续渗氮处理工序中，控制冷轧钢带中的N按重量百分数计为0.0095～0.0150；二次再结晶退火处理工序中，当加热升温至750～1100℃时控制N₂的体积量为N₂-H₂气氛总体积量的75～90％，最终制得低渗氮量高磁感取向硅钢带。该方法对板坯的热处理温度适中、制造成本低、所得产品质量好，可以满足变压器铁芯用高品质取向硅钢的需要。

Description

低渗氮量高磁感取向硅钢带的生产方法

技术领域

本发明涉及取向硅钢制造技术，具体地指一种主要用于变压器铁芯的低渗氮量高磁感取向硅钢带的生产方法。

背景技术

变压器铁芯主要由取向硅钢叠片组成，叠片沿着取向硅钢带的轧制方向切取，并组成一个环形回路。变压器本身的工作形式是初级线圈电流在铁芯中感应形成磁通量，磁通量在次级线圈中产生电流，从而实现电-磁-电的转换功能。在磁性参数中，磁通密度用B表示，单位为T；在给定频率和磁通密度条件下的铁损用P表示，单位为W/Kg。取向硅钢片通常被分为两类：即一般取向硅钢片(CGO)和高磁感取向硅钢片(HGO)，其基本差别为磁感强度或磁通密度的大小，它是在磁场为800A/m条件下的测量值，标明符号B₈₀₀。一般取向硅钢片(CGO)的B₈₀₀参数通常不超过1.880T，高磁感取向硅钢片(HGO)的B₈₀₀参数则超过1.890T。

众所周知，晶粒取向硅钢片的生产过程包含大量高温下的热处理环节，在一些晶粒能够开始长大的时候，如果它长大的方式不合适，将得不到所需的最终结果。最终产品的晶粒取向是通过二次再结晶退火获得的，最终晶粒的数量和取向依赖于一定范围内的相关参数。二次再结晶的质量由钢中的抑制剂控制，如硫化锰、硒化锰、氮化铝等，当它们在钢中弥散分布时能抑制一次晶粒的长大，从而发生二次再结晶，这些抑制剂的溶解温度越高，其控制晶粒长大的能力越好，最终产品的质量就越好。

一般取向硅钢片主要用硫化锰作为抑制剂，但高磁感取向硅钢片基本上用氮化铝或氮化铝+硫化锰做抑制剂。在现有技术中，采用板坯低温加热热轧技术生产高磁感取向硅钢主要是通过控制钢带的渗氮量以及控制高温退火过程中的气氛来获得的。在以往的专利申请文献中，已经提出了一些涉及脱碳退火后渗氮的生产方法，主要有：1、在氧化镁隔离剂中添加氮化物，通过氮化物在一定温度下分解产生活性氮的渗氮方法；2、在脱碳退火后(也可同时)利用氨气产生活性氮的气体渗氮方法。在气体渗氮方法中，又可分为高温渗氮(温度900～1050℃)和低温渗氮(温度650～800℃)两种。以下介绍部分欧洲和美国专利文献中所提供的典型渗氮方法的特征及其不足：

EP0219611B1通过使用(Si，Al)N有利夹杂作为抑制剂产生二次再结晶。此方法的主要特征是在生产过程中将钢带进行氮化处理，以调整钢中氮的含量。其加氮方式为在氧化镁中加入氮化锰进行渗氮，但这种渗氮方法使钢带中的氮分布不均匀。

US4979996提出了一种气体渗氮方法，二次再结晶退火开始前完成钢中渗氮，钢中含氮量至少在180ppm以上。该方法该方法渗氮量较高，不利于节约生产成本，同时渗氮量高时取向硅钢底层易产生点状漏金缺陷。

EP0922119B1涉及用薄板坯连铸生产高磁感取向硅钢带的方法，该方法避免了苛刻的工艺要求，其铸坯厚度控制在50～60mm，冷轧钢带连续退火渗氮处理温度控制在900～1050℃，渗氮气氛中水蒸汽含量控制在0.5～100g/m³，可获得具有特殊凝固组织和微观结构的硅钢薄板。但该方法渗氮处理温度太高，不利于节约生产成本，同时该方法主要用于薄板坯连铸生产。

EP0950118B1提出了一种连铸坯生产取向钢的方法，其连铸坯加热温度为1250～1300℃，脱碳后连续渗氮退火，渗氮退火温度为900～1050℃，炉内采用氮氢气体为基的含NH₃气氛，NH₃含量为每公斤钢带1～35标准升，水蒸气含量为0.5～100g/m³。但该方法只能获得磁性能品质较低的一般取向硅钢片(CGO)，不能够得到高磁感的取向硅钢产品。

EP0950120B1通过在1100～1320℃、最好是在1270～1310℃之间的温度对连铸坯进行均热处理，采用高于950℃的渗氮工艺。同样，该方法采用的热轧板坯加热温度高，渗氮处理温度也高，不利于节约生产成本。

另外，现有技术中对钢带进行连续渗氮退火处理时，在N₂-H₂气氛中H₂的比例通常要求大于50％，高温渗氮退火时N₂-H₂气氛主要由25％的N₂+75％的H₂构成，H₂的成本明显高于N₂的成本，导致整个生产工艺的成本也相应增高。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种板坯热处理温度较低、工艺过程易于控制、生产成本低的低渗氮量高磁感取向硅钢带的生产方法，以满足生产高品质取向硅钢的需要。

为实现上述目的，本发明针对渗氮工艺深入研究，提出了在气体渗氮过程中采用较低的渗氮量并配合二次再结晶退火过程中采用较高的氮气比例从而获得优质取向硅钢的解决方案。所设计的低渗氮量高磁感取向硅钢带的生产方法，包括如下步骤：

1)在钢水连铸工序中控制所制得的连铸坯的化学成分按重量百分数计为：C：0.030～0.060、Si：2.50～3.50、Al_sol(酸溶铝)：0.020～0.045、N：0.005～0.009、Cu：0.050～0.100、Sn：0.050～0.150、Mn：0.070～0.150、S：0.003～0.010、Cr：0.020～0.200、P：0.010～0.020、Ti：0.002～0.003，其余为Fe及不可避免的夹杂；

2)将所制得的连铸坯加热到1100～1200℃进行热轧，轧制成厚度为2.0～2.5mm的热轧钢带，热轧钢带的卷取温度控制在550～700℃；

3)采用两段退火常化工序对所获得的热轧钢带进行处理，第一段退火常化工序的加热温度为1000～1120℃，保温时间为1～3min；第二段退火常化工序的加热温度为900～950℃，保温时间为1～3min；

4)将经过两段退火常化工序处理的热轧钢带冷却至60℃以下或室温，酸洗后采用一次冷轧法将其轧制成厚度为0.23～0.30mm的冷轧钢带；

5)在湿的N₂-H₂气氛中对所获得的冷轧钢带进行连续脱碳退火处理，退火温度为800～900℃，退火时间为50～150s；

6)当连续脱碳退火处理完毕后，在N₂-H₂-NH₃气氛中对冷轧钢带进行连续渗氮退火处理，渗氮温度为780～920℃，渗氮时间为10～60s，控制冷轧钢带中的N按重量百分数计为0.0095～0.0150；

7)在经过连续渗氮退火处理的冷轧钢带表面涂敷隔离剂，然后将其置于干燥炉中以去除水份；

8)再在N₂-H₂气氛中对经过干燥处理的冷轧钢带进行二次再结晶退火处理，当加热升温至750～1100℃时，保持N₂的体积量为N₂-H₂气氛总体积量的75～90％；继续加热升温至1180～1200℃，并在此温度下保温10～20h；最后按常规工艺冷却，即可生产出所需的低渗氮量高磁感取向硅钢带。

优选地，当在上述步骤6)中控制渗氮温度为780～820℃时，对应地在上述步骤8)中先将冷轧钢带快速升温至650℃，然后以50℃/h的速度加热至750℃，在此温度下保温5～10h，再以15℃/h的速度加热至1180～1200℃，其中在750～1100℃时保持N₂的体积量为N₂-H₂气氛总体积量的85～90％。

优选地，当在上述步骤6)中控制渗氮温度为880～920℃时；对应地在上述步骤8)中先将冷轧钢带快速升温至750℃，然后以15℃/h的速度加热至1180～1200℃，其中在750～1100℃时保持N₂的体积量为N₂-H₂气氛总体积量的75～80％。

进一步地，在上述步骤4)中，采用40～100℃的冷却水将经过两段退火常化工序处理的热轧钢带冷却至60℃以下或室温，酸洗后采用150～250℃的时效轧制方式，将其一次轧制成厚度为0.23～0.30mm的冷轧钢带。

更进一步地，在上述步骤6)中，在N₂-H₂-NH₃气氛中NH₃的体积量是N₂-H₂-NH₃气氛总体积量的1～15％，H₂的体积量是N₂-H₂-NH₃气氛总体积量的0～25％。

本发明的技术方案基于对取向硅钢二次再结晶的研究，板坯低温加热热轧高磁感取向硅钢通常需要进行渗氮处理，虽然二次再结晶前的氮含量对二次再结晶有着重要影响，但二次再结晶发生时的温度约在1000～1050℃左右，在此温度下的抑制剂数量和大小决定着二次再结晶质量的好坏，而抑制剂数量的多少和大小又与氮含量有关。

钢带渗氮处理是一个复杂的工艺过程，渗氮工艺不当会造成钢带中抑制剂的粗化，从而影响二次再结晶。如果在渗氮过程中利用较短的时间渗入较少的氮量，不但可以缩短渗氮时间和节约成本，同时对钢带氧化膜的影响也较小，这样有利于玻璃膜的良好形成。

二次再结晶退火时，钢带表面氮原子的扩散是双向的，既向钢带内部扩散也向钢带外部扩散，其向钢带内部扩散的能力取决于炉内氮势。当钢带表面氮势低于炉内氮势时，炉内气氛中的氮原子会向钢带内部扩散从而达到钢带发生二次再结晶所需的氮含量。

基于上述研究，归纳本发明的优点在于：所设计的生产方法选择不大于1200℃的板坯加热温度，采用固有抑制剂与获得抑制剂相结合的方式，提出了在气体渗氮过程中采用较低的渗氮量并配合二次再结晶退火过程中采用较高的氮气比例的解决方案，来优化控制二次再结晶的条件。由于渗氮量的降低，使得渗氮时间大幅缩短，从而提高了生产效率。同时，在渗氮工序中氢气的比例可不受限制或者极少，在二次再结晶退火工序中氢气的含量也较低，从而大幅降低了生产成本。

具体实施方式

以下结合实施例和对比例对本发明的低渗氮量高磁感取向硅钢带的生产方法作进一步的详细描述：

实施例和对比例1：

将210mm厚的连铸坯轧制成低渗氮量高磁感取向硅钢带的生产方法，包括如下步骤：

1)在钢水连铸工序中浇铸210mm厚的连铸坯，控制其化学成分按重量百分数计为：C：0.050、Si：3.25、Al_sol：0.032、N：0.0055、Cu：0.055、Sn：0.085、Mn：0.120、S：0.010、Cr：0.080、P：0.015、Ti：0.002，其余为Fe及不可避免的夹杂。

2)将所制得的连铸坯加热到1170℃进行热轧，轧制成厚度为2.3mm的热轧钢带，热轧钢带的卷取温度控制在550℃。

3)采用两段退火常化工序对所获得的热轧钢带进行处理，第一段退火常化工序的加热温度为1120℃，保温时间为2min；第二段退火常化工序的加热温度为900℃，保温时间为2.5min。

4)采用40～100℃的冷却水，将经过两段退火常化工序处理的热轧钢带冷却至60℃以下，经过酸洗后，再采用150～250℃的时效轧制方式，将其一次轧制成厚度为0.27mm的冷轧钢带。

5)在湿的N₂-H₂气氛中对所获得的冷轧钢带进行连续脱碳退火处理，退火温度为830℃，退火时间为90s。

6)连续脱碳退火处理完毕后，在N₂-H₂-NH₃气氛中对冷轧钢带进行连续渗氮退火处理，NH₃的体积量是N₂-H₂-NH₃气氛总体积量的1～15％，H₂的体积量是N₂-H₂-NH₃气氛总体积量的0～25％。渗氮温度780℃，渗氮时间为25s，控制冷轧钢带中的N按重量百分数计为0.0082～0.0180。

7)连续渗氮退火处理完毕后，在冷轧钢带表面涂敷以氧化镁为主的隔离剂，然后将其置于干燥炉中，使冷轧钢带表面温度达到180℃，以去除水份。

8)将经过干燥处理的冷轧钢带移入高温退火炉中，在N₂-H₂气氛中进行二次再结晶退火处理，退火方式为先将冷轧钢带快速升温至650℃，然后以50℃/h的速度加热至750℃，在此温度下保温5～10h，然后以15℃/h的速度加热至1180～1200℃，其中在750～1100℃时保持N₂的体积量为N₂-H₂气氛总体积量的25～90％。当温度达到1180～1200℃后，在此温度下保温10～20h。最后按常规工艺冷却。按上述工艺所得的结果如表1所示：

表1

A注：性能数据未施加张应力涂层

由表1可以看出，当二次再结晶退火前钢中的氮含量低于95ppm(即N按重量百分数计低于0.0095)时，二次再结晶退火过程中在750～1100℃时，N₂-H₂气氛中N₂的体积量即使达到N₂-H₂气氛总体积量的90％，钢带磁性能也较差(对比例：试样编号1#，2#，3#)，主要原因是钢带在达到二次再结晶退火温度时抑制剂数量不足，难以发生正常的二次再结晶。当二次再结晶退火前钢中的氮含量为95～150ppm(即N按重量百分数计为0.0095～0.0150)时，二次再结晶退火过程中在750～1100℃时，控制N₂-H₂气氛中N₂的体积量为N₂-H₂气氛总体积量的85～90％，钢带磁性能可达到高品质取向硅钢的性能要求(本发明：试样编号4#～9#、11#)，此时钢带在渗氮处理过程中所获得的渗氮量所形成的抑制剂正好阻止钢带在升温过程中一次再结晶晶粒的长大，在达到二次再结晶退火温度时N₂-H₂气氛中的氮原子又向钢带中渗入补充了抑制剂数量，使得钢带发生正常的二次再结晶长大。当钢带中氮含量为142ppm(即N按重量百分数计为0.0142)时，二次再结晶退火过程中在750～1100℃时，将N₂-H₂气氛中N₂的体积量调节为N₂-H₂气氛总体积量的50％，由于二次再结晶时钢带中没有补充足够的氮，使得钢带磁性没有达到理想水平(对比例：试样编号10#)。当钢带在渗氮处理过程中所获得的渗氮量较高时，在二次再结晶退火过程中在750～1100℃时，将N₂-H₂气氛中N₂的体积量调节为N₂-H₂气氛总体积量的25％，所得钢带磁性能明显降低(对比例：试样编号12#～14#)。

A实施例和对比例2：

将230mm厚的连铸坯轧制成低渗氮量高磁感取向硅钢带的生产方法，包括如下步骤：

1)在钢水连铸工序中浇铸230mm厚的连铸坯，控制其化学成分按重量百分数计为：C：0.059、Si：3.12、Al_sol：0.0293、N：0.0070、Cu：0.050、Sn：0.10、Mn：0.07、S：0.004、Cr：0.13、P：0.010、Ti：0.002，其余为Fe及不可避免的夹杂。

2)将所制得的连铸坯加热到1150℃进行热轧，轧制成厚度为2.2mm的热轧钢带，热轧钢带的卷取温度控制在550℃。

3)采用两段退火常化工序对所获得的热轧钢带进行处理，第一段退火常化工序的加热温度为1100℃，保温时间为2min；第二段退火常化工序的加热温度为950℃，保温时间为2.5min。

5)在湿的N₂-H₂气氛中对所获得的冷轧钢带进行连续脱碳退火处理，退火温度为835℃，退火时间为120s。

6)连续脱碳退火处理完毕后，在N₂-H₂-NH₃气氛中对冷轧钢带进行连续渗氮退火处理，NH₃的体积量是N₂-H₂-NH₃气氛总体积量的1～15％，H₂的体积量是N₂-H₂-NH₃气氛总体积量的0～25％。渗氮温度920℃，渗氮时间为15s，控制冷轧钢带中的N按重量百分数计为0.0108～0.0182。

8)将经过干燥处理的冷轧钢带移入高温退火炉中，在N₂-H₂气氛中进行二次再结晶退火处理，退火方式为先将冷轧钢带快速升温至750℃，然后以15℃/h的速度加热至1180～1200℃，其中在750～1100℃时保持N₂的体积量为N₂-H₂气氛总体积量的25～80％。当温度达到1180～1200℃后，在此温度下保温10～20h。最后按常规工艺冷却即可。按上述工艺所得的结果如表2所示：

表2

注：性能数据未施加张应力涂层

从表2可以看出，当二次再结晶退火前钢中的氮含量在108～138ppm(即N按重量百分数计为0.0108～0.0138)时，二次再结晶退火过程中在750～1100℃时，控制N₂-H₂气氛中N₂的体积量为N₂-H₂气氛总体积量的75～80％，钢带磁性能可达到高品质取向硅钢的性能要求(本发明：试样编号1#～7#)，同时，渗氮气氛中氢气的含量可在0～25％变化，对带钢的磁性能没有任何影响，既减少了氢气的用量、节约了成本，又拓宽了渗氮气氛的应用范围。当二次再结晶退火前钢中的氮含量在145～182ppm(即N按重量百分数计为0.0145～0.0182)时，二次再结晶退火过程中在750～1100℃时，调节N₂-H₂气氛中N₂的体积量为N₂-H₂气氛总体积量的25～50％，所得带钢的二次再结晶状况不佳，磁性能下降(对比例：试样编号8#～11#)。

Claims

1.一种低渗氮量高磁感取向硅钢带的生产方法，包括如下步骤：

1)在钢水连铸工序中控制所制得的连铸坯的化学成分按重量百分数计为：C：0.030～0.060、Si：2.50～3.50、Al_sol：0.020～0.045、N：0.005～0.009、Cu：0.050～0.100、Sn：0.050～0.150、Mn：0.070～0.150、S：0.003～0.010、Cr：0.020～0.200、P：0.010～0.020、Ti：0.002～0.003，其余为Fe及不可避免的夹杂；

4)将经过两段退火常化工序处理的热轧钢带冷却至60℃以下，酸洗后采用一次冷轧法将其轧制成厚度为0.23～0.30mm的冷轧钢带；

2.根据权利要求1所述的低渗氮量高磁感取向硅钢带的生产方法，其特征在于：所说的步骤6)中，渗氮温度为780～820℃；所说的步骤8)中，先将冷轧钢带快速升温至650℃，然后以50℃/h的速度加热至750℃，在此温度下保温5～10h，再以15℃/h的速度加热至1180～1200℃，其中在750～1100℃时保持N₂的体积量为N₂-H₂气氛总体积量的85～90％。

3.根据权利要求1所述的低渗氮量高磁感取向硅钢带的生产方法，其特征在于：所说的步骤6)中，渗氮温度为880～920℃；所说的步骤8)中，先将冷轧钢带快速升温至750℃，然后以15℃/h的速度加热至1180～1200℃，其中在750～1100℃时保持N₂的体积量为N₂-H₂气氛总体积量的75～80％。

4.根据权利要求1或2或3所述的低渗氮量高磁感取向硅钢带的生产方法，其特征在于：所说的步骤4)中，采用40～100℃的冷却水将经过两段退火常化工序处理的热轧钢带冷却至60℃以下，酸洗后采用150～250℃的时效轧制方式，将其一次轧制成厚度为0.23～0.30mm的冷轧钢带。

5.根据权利要求1或2或3所述的低渗氮量高磁感取向硅钢带的生产方法，其特征在于：所说的步骤6)中，在N₂-H₂-NH₃气氛中，NH₃的体积量是N₂-H₂-NH₃气氛总体积量的1～15％，H₂的体积量是N₂-H₂-NH₃气氛总体积量的0～25％。

6.根据权利要求4所述的低渗氮量高磁感取向硅钢带的生产方法，其特征在于：所说的步骤6)中，在N₂-H₂-NH₃气氛中NH₃的体积量是N₂-H₂-NH₃气氛总体积量的1～15％，H₂的体积量是N₂-H₂-NH₃气氛总体积量的0～25％。