CN103667874A - 取向硅钢在高温退火期间缩短在炉时间的生产方法 - Google Patents

Abstract

取向硅钢在高温退火期间缩短在炉时间的生产方法，包括如下步骤：(1)冶炼；(2)热轧；(3)常化加酸洗；(4)冷轧；(5)脱碳退火；(6)高温退火；(7)拉伸平整退火。本发明通过一次(或两次)冷轧，大压下率有利于形成高斯织构与成核，于高温退火的前期渗氮，形成足够数量的(Al、Si)N夹杂，利用其强的抑制作用，有利于二次再结晶的发展、稳定与完善；本发明在高温退火的低保温阶段设置两个台阶，有利于钢卷内部温度的均匀化；本发明通过上述两项措施有效地缩短了整个高温退火的时间周期，而使取向硅钢的磁性与表面硅酸镁底层质量稳定并有所提高。从而提高了生产效率，降低了生产成本。

Description

取向硅钢在高温退火期间缩短在炉时间的生产方法

技术领域

本发明涉及取向硅钢的生产方法，特别涉及到取向硅钢在高温退火期间缩短在炉时间的生产方法。

背景技术

1、传统上一般冷轧取向硅钢的生产方法如下：

(1)、用转炉(或电炉)炼钢，进行真空处理、成分精炼及合金化，连铸成板坯，其基本化学成分为：Si(2.5～5.0)、C(0.01～0.11)、Mn(0.02～0.10)、S(0.01～0.05)、Als(0.01～0.05)、N(0.003～0.015)，有的成分体系还含有Mo、Sb、Cr、B、Bi等元素中的一种或多种，其余为铁及不可避免的杂质元素，有时产品也可能含Cu；

(2)、板坯热轧前在专用加热炉内加热到1400℃左右的温度，并进行30分钟以上的保温，使有利夹杂物充分固溶，以便在随后的热轧过程中在硅钢基体内析出细小、弥散的第二相质点——即抑制剂；

(3)、热轧板常化(或不常化)后，进行酸洗，除去钢带表面的氧化铁皮；

(4)、用包含中间退火的两次冷轧法轧到成品厚度(在传统方法中一般取向硅钢多是用两次冷轧才能轧到成品厚度，所以两次冷轧之间需要有中间退火，只有另一种高磁感取向硅钢可以用一次轧制法)；

(5)、进行脱碳退火和涂布以氧化镁为主要成分的退火隔离剂，并把钢板中的碳脱到不影响成品磁性的水平(一般应在30ppm以下)；

(6)、在高温退火的过程中由于是整个钢卷装入罩式炉中退火，所以为了保证钢卷内各处的温度均匀，需要慢的升温速度及长的保温时间。高温退火过程中依次发生：MgSiO₄底层的生成反应(涂布的氧化镁与钢板表面的二氧化硅反应生成)，二次再结晶的发生、发育与成长，净化钢质(此阶段是在高温退火工艺部分的最后阶段，把硅钢中除了铁和硅以外的元素尽可能的清除干净，包括在前面取向硅钢生产过程中作为有利夹杂予以保护并在二次再结晶发生之前作为抑制剂组成部分的N、S等成分)的物理化学反应，获得取向度高、铁损低的冷轧取向硅钢；取向硅钢的高温退火有两个特点：一是时间周期很长——从钢卷装炉到出炉达5天左右，而且其低温保温阶段只有一个温度台阶；二是温度很高——可达到1200℃左右，所以高温退火不仅生产效率比较低而且还是最耗能的工序。

(7)、在钢带表面涂布绝缘涂层并进行拉伸平整退火，得到商业应用形态的取向硅钢产品。

2、传统一般冷轧取向硅钢的生产方法的显著特点有：

(1)、抑制剂从炼钢开始就形成，在随后各工序中要对其进行调整、控制，由于在各工序依次进行中抑制剂有所损失，必须以适当的方式加以弥补，以便到关键时刻发挥作用，作用完成后要从钢中除去；

(2)、热轧前的板坯高温加热，加热温度高达1400℃左右，为一般加热炉的极限水平，热连轧线的降温控制也是现有热轧技术的极限；

(3)、生产工艺技术的关键是控制各工序每个阶段钢板的组织、织构，以及抑制剂的形态、数量和行为；

(4)、由于板坯加热温度高，加热炉需要频繁修补，利用效率低，同时钢坯烧损大、能耗高，热轧卷边裂大，致使冷轧工序生产困难，成材率低，综合成本高；

(5)、高温退火的时间长、温度高，在其低保温阶段只有一个保温台阶，限制了其产量的提高和质量的提升，并且在取向钢的高温退火期间能源消耗很高。

3、相关的改进与专利技术

为了解决这些问题，在长期的生产实践中和研究工作中人们摸索和开发出了一些成功的办法，现简述如下：

(1)、日本专利特开平5-112827中介绍的方法，其化学成分为：[C]0.025～0.075％，Si2.90～4.50％，S≤0.012％，Als0.010～0.060％，N≤0.010％，Mn0.08～0.45％，P0.015～0.045％，其余为Fe及不可避免的夹杂物，板坯1200℃以下加热后进行热轧，用一才次冷轧或带中间退火的两次以上的方法轧制到最终成品厚度，脱碳退火后钢带在行进过程中进行连续渗氮，涂氧化镁隔离剂后进行高温退火，生产磁性和底层质量俱佳的取向硅钢。连续渗氮方法：保护气氛为氢和氮的混合气体，其中NH₃含量为1000ppm以上，氧势为PH2O/PH2≤0.04渗氮温度为500～900℃。

(2)、韩国POSCO公司，其低温取向硅钢化学成分为：[C]0.020～0.045％，Si2.90～3.30％，S≤0.006％，Als0.005～0.019％，N0.003～0.008％，Mn0.05～0.30％，Cu0.30～0.70％，Ni0.30～0.70％，Cr0.30～0.70％，其余为Fe及不可避免的杂质，此外，钢中含B0.001～0.012％。脱碳与渗氮同时进行，在湿气氛中渗氮。该方法的基础是以BN为主抑制剂。

(3)、中国宝钢申请的专利如ZL200410099080.7及CN101768697A所述方法在于脱碳前渗氮或脱碳与高温退火两工序同时都需要渗氮。

通过对国内外基于渗氮工艺的低温板坯加热生产取向硅钢的专利、文献等的查询与分析，可以发现：由于低温板坯加热的方式造成硅钢带内原有抑制剂到了高温度退火1000℃左右时显得不够，必须在后工序(必须是在高温退火1020℃前)通过渗氮加以补充，也就是增加了(Al、Si)N新抑制剂。但是渗氮的过程又不能对硅酸镁底层的生成反应有影响，渗氮的过程要简单易行以能保证渗氮的稳定与均匀，而这一切都是保证冷轧取向硅钢具有良好的磁性与表面硅酸镁底层的基本条件，本发明较好地解决了这些问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用一次(或两次)冷轧法生产一般冷轧取向硅钢的方法，通过开展热轧板常化退火工艺，利用成品厚度钢卷在罩式炉进行高温度退火时在较低温度时设置两个保温阶段，有利于钢卷内温度的均匀化，同时钢带在高温退火时最终磁性性能形成前的特定时间段渗氮，以形成足够的(Al、Si)N有利夹杂，利用其对一次再结晶晶粒的抑制作用，促使二次再结晶晶粒的长大、发育与完善，有利于获得优良的成品磁性与良好的硅酸镁底层。克服了其它专利中使用氨气渗氮对硅酸镁底层的不良影响，同时克服了在脱碳退火和高温退火这两工序都需要渗氮带来在操作上与在渗氮量上的难以控制，这样既缩短了高温退火周期又确保了高温退火功能的完成。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

取向硅钢在高温退火期间缩短在炉时间、提高效率的生产方法，包括如下步骤：

(1)、冶炼

用转炉(或电炉)炼钢，对钢水进行真空处理、成分精炼及合金化处理，然后连铸成板坯，其基本化学成分为：Si(2.5～5.0)、C(0.01～0.11)、Mn(0.02～0.10)、S(0.01～々0.05)、Als(0.01～0.05)、N(0.003～0.015)，有的成分体系还含有Mo、Sb、Cr、等元素中的一种或多种，其余为铁及不可避免的杂质元素，本产品一般不含Cu；

(2)、热轧

板坯热轧前在硅钢专用加热炉内加热到1200℃左右的温度，并进行30分钟以上的保温，使有利夹杂物充分固溶，以便在随后的热轧过程中在硅钢基体内析出细小、弥散的第二相质点——即抑制剂；

采用低温板坯加热，取向硅钢板坯的加热温度在1200℃左右，其优点是热轧卷无边裂，生产性好，加热炉使用寿命长，硅钢成材率高；其缺点是有利夹杂固溶不够充分，抑制剂的量在后工序通过渗N得到有效补充；

(3)、常化加酸洗

热轧板常化退火并进行酸洗，除去钢带表面的氧化铁皮；常化退火温度：1050～1185℃(1～20s)+850～980℃(30～180s)，冷却速度：60℃/s～10℃/s；酸洗条件：在5％左右的盐酸溶液中酸洗；

(4)、冷轧

用一次(或两次)冷轧法直接从热轧板厚度轧到成品厚度，冷轧压下率≥82％。大压下率使钢带内部组织中的位错密度显著增加，产生的大量位错以及高斯织构，有利于高斯晶核的形核，只要在高温退火工序二次再结晶发生时有足够的有利夹杂存在，这些高斯晶核就可发育成完善的二次再结晶；

(5)、脱碳退火

对轧到成品厚度的硅钢带进行脱碳退火和涂布以氧化镁为主要成分的退火隔离剂，脱碳温度控制范围：750～890℃，保护气氛为氢、氮混合气体，H2含量占15～80％，保护气氛露点25～75℃；脱碳时间：90～350秒，并把钢板中的碳脱到不影响成品磁性的水平(一般应在30ppm以下)；脱钢带表面总氧[0]：170/t≤[0]≤315/t(t为钢带实际厚度mm)；

(6)、高温退火

在高温退火工序采用两个台阶(第一个在＜600℃，第二个在＜700℃)的低温保温和只有一个台阶的高温保温(净化钢质)，在第二个台阶的低温保温阶段和升温到1020℃之前的过程中炉内采用纯N₂气作保护气体，对钢带进行渗氮，通人纯氮的露点要求≤-60℃，炉内气氛的露点要求≤30℃；强化以上条件是为了提高高温退火的效果，使得取向钢在高温退火阶段的几个能够形成良好性能与表面质量的反应得以完整而快速地进行，达到实现缩短整个高温退火周期。

高温退火过程中依次发生：MgSiO₄底层的生成反应(涂布的氧化镁与钢板表面的二氧化硅反应生成)，二次再结晶的发生、发育与成长，净化钢质(此阶段是在高温退火工艺部分的最后阶段，把硅钢中除了铁和硅以外的元素尽可能的清除干净，包括在前面取向硅钢生产过程中作为有利夹杂予以保护并在二次再结晶发生之前作为抑制剂组成部分的N、S等成分)的物理化学反应，获得取向度高、铁损低的冷轧取向硅钢；

(7)、拉伸平整退火

按常规的拉伸平整退火工艺进行。

本发明方法的显著优点：

(1)、冷轧取向硅钢在在上述基本成分的基础上，钢中还可添加B0.01～0.10％和/或Bi≤0.2％，以质量百分比计算。

(2)、采用低温板坯加热，取向硅钢板坯的加热温度在1200℃左右，其优点是热轧卷无边裂，生产性好，加热炉使用寿命长，硅钢成材率高；其缺点是有利夹杂固溶不够充分，抑制剂的量需要在后工序通过渗N补充；

(3)、用一次(或两次)冷轧法直接从热轧板厚度轧到成品厚度，大压下率使钢带内部组织中的位错密度显著增加，产生的大量位错以及有利于高斯织构的形成，有利于高斯晶核的形核，在高温退火工序二次再结晶发生时有了足够的有利夹杂存在，这就可发育成完善的(110)[001]二次再结晶组织；

(4)、这里渗氮的特点是直接用纯氮渗，不是用氨来渗氮(避免了用氨渗氮的许多不利影响)，在高温退火阶段在不增加总退火周期的前提下增加一个低温保温台阶，即第二个低保温阶段和1020℃之前的升温阶段组成通纯氮渗氮，在渗氮的同时仍然起到了高温退火时相应阶段该起的作用；这里的渗氮也不是像有的专利介绍的那样用氢、氮混合气体来渗氮，而是用纯氮，也不是在脱碳退火和高温退火同时渗氮，只在高温退火前期进行。渗氮的时机、渗氮量等都只为了一个目的——强化抑制剂在二次再结晶阶段发挥充分的作用，所以提前在前面的工序渗氮所起作用不大。在二次再结晶体完成以后，抑制剂的历史使命也就完成，此时它在取向硅钢中的作用已经从原来的有利夹杂转变为有害夹杂了。因为在取向硅钢成品中，除了铁和硅以外，其他元素在存在都或多或少地对磁化过程有阻碍作用，所以对材料的磁性不利。而在炼钢的时候在取向硅钢中要有一定量的碳、锰、硫、铝等元素，这是为了中间工序控制的需要——其目的只有一个：发展并完善二次再结晶——这是冷轧取向硅钢所特有的，也是取向硅钢的磁性之所以好的原因。

(5)、在高温退火工序采用两个台阶(第一个在＜600℃，第二个在＜700℃)的低温保温和一个台阶的高温保温(净化钢质)这样十分有利于钢卷内各处钢带的实际温度均匀化，在第二个台阶的低温保温阶段和升温到1020℃之前的过程中炉内采用纯N₂气作保护气体，对钢带进行渗氮，通人纯氮的露点要求≤-60℃，炉内气氛的露点要求≤30℃；整体高温度退火时间可在原来的基础上缩短6～9小时，高温退火工序的生产能力可提高10％左右；

(6)、此时渗氮的目的是增加抑制剂的量，使钢带内有足够数量的有利夹杂以保护即将或正在进行的二次再结晶顺利完成并发育完善，抑制剂在炼钢时就已形成，在热轧及随后各工序中改变形态并有所损失，需要适当补充，此时刻渗氮起的作用就是先完备抑制剂(Al、Si)N等，以便于完善二次再结晶；

具体实施方式

实施例一：

1、用500公斤真空炉按照表1的最终成分炼钢，并且热轧条件如表2：

表1、实验钢炼钢成分(％)

成分	C	Si	Mn	P	S	Als	N	Sn	备注
										A	0.059	3.25	0.15	0.022	0.015	0.026	0.049	0.018
B	0.048	3.02	0.16	0.019	0.011	0.018	0.005	0.022

表2、实验钢热轧条件(℃)

项目	加热温度	终轧温度	卷取温度	厚度(mm)	备注
						C	1190	900	510	2.20
D	1295	950	535	2.20	作比较

1、常化条件为：1120℃×5s+900℃×60s+50℃/s的冷却；

2、钢带冷轧到0.30mm，脱碳和涂布MgO隔离剂后进行高温退火和拉伸平整退火(含涂绝缘层)，测量磁性，实验结果如表3：

表3、实验结果

项目	B8(T)	P17/50(w/kg)	备注
				AC	1.88	1.13	发明例
AD	1.81	1.38	比较例
				BC	1.87	1.16	发明例
BD	1.79	1.52	比较例

实施例二：

用上述表1中间的A成分和表2中的C热轧条件钢进行高温退火阶段前期的渗氮实验，经过常化退火、冷轧、脱碳退火，在高温退火阶段低保温时第二个台阶的保温时间(此处对缩短高温退火周期有直接贡献并能确保性能良好)、气氛的露点对磁性的影响如表4所示。

表4、气氛、时间和露点与磁性的关系

长期以来一般取向硅钢的生产方法都是采用板坯高温加热的方式，板坯加热温度高达1400℃左右，使有利夹杂充分固溶，并在热轧过程中获得有利夹杂的弥散分布与合理尺寸，在高温退火时抑制一次再结晶晶粒，获得良好的二次再结晶组织。该生产方法的缺点是：(1)、必须有专用的高温加热炉，由于高温加热，板坯表面熔渣严重，加热炉容易被损坏，维护费用高、作业率低；

(2)、为了使板坯加热均匀，必须长时间加热，能耗高；

(3)、高温退火的温度高、时间周期长、工序生产性差，造成钢带卷边使成材率低，能耗高、生产成本高。

本发明的方法有效地解决了上述问题，而且与日本、韩国等国的方法及与国内宝钢等的方法相比，本发明通过大压下量的一次(或两次)冷轧提高钢带基体内的位错密度，有利于高斯织构的形成，并在高温退火阶段通过纯氮来渗氮，使钢带内形成增加的(Al、Si)N，加上钢带内的MnS等，使有足够数量的有利夹杂有效抑制一次再结晶组织，对获得稳定、完善的二次再结晶组织非常有利，这样就有效提高了高温退火的功能。同时本方法只在高温退火的前期充分渗氮，不采用多工序的、特殊的渗氮处理，不需要渗氮装置，对良好硅酸镁底层的形成、对取向硅钢成品磁性的提高极为有利。整体高温度退火时间可在原来的基础上缩短6～9小时，高温退火工序的生产能力可提高10％左右；缩短高温退火周期的技术生产取向硅钢代表了取向硅钢的发展方向，，本发明方法的实施设备均为生产取向硅钢的常规设备，实施技术简单易行。因而具有良好的推广应用前景。

Claims (6)

1.取向硅钢在高温退火期间缩短在炉时间的生产方法， 

包括如下步骤： 

(1)、冶炼 

用转炉(或电炉)炼钢，对钢水进行真空处理、成分精炼及合金化处理，然后连铸成板坯，其基本化学成分为：Si(2.5～5.0)、C(0.01～0.11)、Mn(0.02～0.10)、S(0.01～0.05)、Als(0.01～0.05)、N(0.003～0.015)，有的成分体系还含有Mo、Sb、Cr、等元素中的一种或多种，其余为铁及不可避免的杂质元素，本产品可含少量Cu； 

(2)、热轧 

板坯热轧前在硅钢专用加热炉内加热到1200℃左右的温度，并进行50分钟以上的保温，使有利夹杂物充分固溶，以便在随后的热轧过程中在硅钢基体内析出细小、弥散的第二相质点——即抑制剂； 

采用低温板坯加热，取向硅钢板坯的加热温度在1200℃左右，其优点是热轧卷无边裂，生产性好，加热炉使用寿命长，硅钢成材率高；其缺点是有利夹杂固溶不够充分，抑制剂的量在后工序通过渗N得到有效补充； 

(3)、常化加酸洗 

热轧板常化退火并进行酸洗，除去钢带表面的氧化铁皮；常化退火温度：1050～1185℃(1～20s)+850～980℃(30～180s)，冷却速度：60℃/s～10℃/s；酸洗条件：在5％左右的盐酸溶液中酸洗； 

(4)、冷轧 

用一次冷轧法(或两次)直接从热轧板厚度轧到成品厚度，冷轧压下率≥82％。大压下率使钢带内部组织中的位错密度显著增加，产生的大量位错以及高斯织构，有利于高斯晶核的形核，只要在高温退火工序二次再结晶发生时有足够的有利夹杂存在，这些高斯晶核就可发育成完善的二次再结晶； 

(5)、脱碳退火 

对轧到成品厚度的硅钢带进行脱碳退火和涂布以氧化镁为主要成分的退火隔离剂，脱碳温度控制范围：750～890℃，保护气氛为氢、氮混合气 体，H2含量占15～80％，保护气氛露点25～75℃；脱碳时间：90～350秒，并把钢板中的碳脱到不影响成品磁性的水平(一般应在30ppm以下)；脱钢带表面总氧[0]：160/t≤[0]≤325/t(t为钢带实际厚度mm)； 

(6)、高温退火 

在高温退火工序采用两个台阶(第一个在＜600℃，第二个在＜700℃)的低温保温和只有一个台阶的高温(＞1160℃)保温(净化钢质)，在第二个台阶的低温保温阶段和升温到1020℃之前的过程中炉内采用纯N₂气作保护气体，对钢带进行渗氮，通人纯氮的露点要求≤-60℃，炉内气氛的露点要求≤30℃；由此来提高高温退火的效果，使得取向钢在高温退火阶段的几个能够形成良好性能与表面质量的反应得以完整而快速地进行，从而实现缩短整个高温退火周期； 

高温退火过程中依次发生：MgSiO₄底层的生成反应(涂布的氧化镁与钢板表面的二氧化硅反应生成)，二次再结晶的发生、发育与成长，净化钢质(此阶段是在高温退火工艺部分的最后阶段，把硅钢中除了铁和硅以外的元素尽可能的清除干净，包括在前面取向硅钢生产过程中作为有利夹杂予以保护并在二次再结晶发生之前作为抑制剂组成部分的N、S等成分)的物理化学反应，获得取向度高、铁损低的冷轧取向硅钢； 

(7)、拉伸平整退火 

按常规的拉伸平整退火工艺进行。 

2.如权利要求1所述的取向硅钢在高温退火期间缩短在炉时间的生产方法，其特征是：冷轧取向硅钢在在上述基本成分的基础上，钢中还可添加B0.01～0.10％和/或Bi≤0.2％，以质量百分比计算。 

3.如权利要求1所述的取向硅钢在高温退火期间缩短在炉时间、提高效率的生产方法，其特征是：采用低温板坯加热，取向硅钢板坯的加热温度在1200℃左右，其优点是热轧卷无边裂，生产性好，加热炉使用寿命长，硅钢成材率高；其缺点是有利夹杂固溶不够充分，抑制剂的量在后工序通过渗N得到有效补充。 

4.如权利要求1所述的取向硅钢在高温退火期间缩短在炉时间的生产方法，其特征是：用一次(或两次)冷轧法直接从热轧板厚度轧到成品厚度，其≥82％的大压下率使钢带内部组织中的位错密度显著增加，产生的大量位错以及有利于高斯织构的形成，有利于高斯晶核的形核，在高温退火工序二次再结晶发生时有了足够的有利夹杂存在，这就可发育成完善的(110)[001]二次再结晶组织。 

5.如权利要求1所述的取向硅钢在高温退火期间缩短在炉时间的生产方法，其主要特征是：在高温退火的前阶段时包含有渗氮，这里渗氮的特点是直接用纯氮渗，不是用氨来渗氮(避免了用氨渗氮的许多不利影响)，在高温退火阶段在缩短总退火周期的情况下增加一个低温保温台阶，即总共有两个低保温阶段；第二个低保温阶段和1020℃之前的升温阶段组成通纯氮渗氮，在渗氮的同时仍然起到了高温退火时相应阶段该起的作用；这里的渗氮也不是像有的企业那样用氢、氮混合气体来渗氮，而是用纯氮，渗氮的时机、渗氮量等都只为了一个目的——强化抑制剂在二次再结晶阶段发挥充分的作用。在二次再结晶体完成以后，抑制剂的历史使命也就完成，此时它在取向硅钢中的作用已经从原来的有利夹杂转变为有害夹杂了。因为在取向硅钢成品中，除了铁和硅以外，其他元素在存在都或多或少地对磁化过程有阻碍作用，所以对材料的磁性不利。而在炼钢的时候在取向硅钢中要有一定量的碳、锰、硫、铝等元素，这是为了中间工序控制的需要——其目的只有一个：发展并完善二次再结晶——这是冷轧取向硅钢所特有的，也是取向硅钢的磁性之所以怎么好的原因。 

6.如权利要求1所述的取向硅钢在高温退火期间缩短在炉时间的生产方法，其特征是：在高温退火工序低温保温阶段采用两个台阶(第一个在＜600℃，第二个在＜700℃)的低温保温，这样可以提高钢卷在炉中的温度均匀性，为缩短退火周期创造条件。