CN103805918B - 一种高磁感取向硅钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

一种高磁感取向硅钢及其生产方法，其化学成分重量百分比为：C？0.035~0.120%，Si？2.5~4.5%，Mn？0.05~0.20%，S？0.005~0.050%，Als？0.015~0.035%，N？0.003~0.010%，Sn？0.03~0.30%，Cu？0.01~0.50%，V≤0.0100%，Ti≤0.0100%，Sb、Bi、Ni和Mo中一种以上，Sb+Bi+Nb+Mo：0.0025~0.0250%；（Sb/121.8+Bi/209.0+Nb/92.9+Mo/95.9）/（Ti/47.9+V/50.9）＝0.1~15；其余为Fe和其它不可避免的杂质。本发明在不新增设备的前提下，通过对钢种成分的设计，使铸坯中析出的夹杂物形态发生改变，尺寸粗大的夹杂物数量减少，相比传统高磁感取向硅钢的制造，可以降低铸坯加热温度100~150℃，且最终成品磁性能稳定，其典型磁感B8≥1.90T。

Description

一种高磁感取向硅钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及取向硅钢及其生产方法，尤其涉及一种高磁感取向硅钢及其生产方法。

背景技术

传统高磁感取向硅钢的基本化学成分为Si2.0～4.5%，C0.03～0.10%，Mn0.03～0.2%，S0.005～0.050%，Als（酸溶铝）0.02～0.05%，N0.003～0.012%，有的成分体系还含有Cu、Mo、Sb、B、Bi等元素中的一种或多种。

传统高磁感取向硅钢的生产方法为：首先用转炉（或电炉）炼钢，经二次精炼及合金化，连铸成铸坯；接着铸坯在专用高温加热炉内加热到约1400℃，并保温45min以上，使有利夹杂物充分固溶；然后进行热轧，层流冷却后卷取，在热轧板常化过程中硅钢基体内析出细小弥散的第二相质点，获得有效抑制剂；再将热轧板冷轧到成品厚度后脱碳退火，把钢板中的[C]脱到不影响成品磁性能的程度（一般应在30ppm以下），并涂布以MgO为主要成分的退火隔离剂；再次进行高温退火，在高温退火过程中，钢板发生二次再结晶、形成硅酸镁底层并完成净化处理（除去钢中的S、N等对磁性能有害的元素），获得取向度高、铁损低的高磁感取向硅钢；最后经过涂布绝缘涂层和拉伸退火，得到商业应用形态的取向硅钢产品。

传统生产方法以MnS+AlN为抑制剂。抑制剂来源于铸坯中固有的夹杂物，这些夹杂物在炼钢浇铸过程中形成，且尺寸普遍粗大。为了获得稳定的磁性能，必须使铸坯中粗大MnS等抑制剂充分固溶，加热温度最高需达到1400℃，这是传统加热炉的极限水平。此外，由于加热温度高，铸坯烧损大、加热炉需频繁修补，利用率低。同时，能耗高，热轧卷的边裂大，致使冷轧工序生产困难，成材率低，成本也高。

为了降低铸坯加热温度，必须在抑制剂中排除MnS或弱化MnS的作用，而以AlN、Cu₂S等取而代之。这是因为，AlN和Cu₂S等固溶温度比MnS低，更适合实现低温加热。但当铸坯加热温度降低至一定温度后，会导致抑制剂的不充分固溶，难以稳定获得高磁感取向硅钢。

目前典型的降低铸坯加热温度的工艺路径可概括为：

（1）AlN+后期渗氮工艺：在炼钢时添加微量铝元素，主要用于生产高磁感取向硅钢。其成分要求S的质量分数<0.007%，在脱碳退火后进行渗氮处理。该工艺主要特点为，在脱碳退火后钢带需经750℃×30sec的渗氮处理。高温退火升温过程中形成（A1,Si）N质点，在二次再结晶发生前阻碍初次晶粒长大。脱碳退火后初次晶粒的合适尺寸为18～30μm。该工艺可以将铸坯加热温度降低至1200℃以下，是目前取向硅钢工业生产中铸坯加热所采用的最低温度。但该工艺对炼钢成分、初次晶粒尺寸及渗氮均一性等过程参数要求高，稳定控制磁性能的难度大。此外，脱碳后渗氮也增加了底层的控制难度。

（2）加Cu先天抑制剂工艺：以Cu₂S作为主要抑制剂，Cu₂S经1250～1300℃加热实现完全固溶。热轧过程中析出的细小弥散Cu₂S质点起到抑制剂作用，而热轧板中残存的粗大MnS颗粒不起抑制作用。但无法稳定生产高磁感取向硅钢。

综上可以看出，目前成熟的高磁感取向硅钢生产工艺主要有两类：高温工艺（以MnS+AlN为抑制剂）和低温工艺（AlN+渗氮处理）。其中，高温工艺的最大不足是铸坯加热温度过高，生产成本高；低温工艺的最大不足在于铸坯中夹杂物形态（AlN、MnS或Cu_xS）很难控制，导致后续退火工艺窗口窄，稳定控制磁性能与底层质量的难度大。

中国专利公开号CN1138107A公开了一种“高磁通密度低铁损晶粒取向的电磁钢板及其制造方法”，其含有Si：2.5～4.0wt%，Al：0.005～0.06wt%，并且该钢板的各个晶粒之中，按面积率计，至少95%由直径为5～50mm的粗大的二次再结晶晶粒组成，其(001)轴相对于该钢板的轧制方向在5°以内，而(001)轴相对于板面垂直方向在5°以内；在这种粗大的二次再结晶晶粒中或者晶界中,存在直径为0.05～2mm的细小晶粒，其(001)轴与粗大的二次晶粒的(001)轴的相对角度在2～30°。

日本专利公开号JP8232020A公开了一种“方向性电磁钢片的制造方法”，其涉及一种生产廉价优异磁性的硅钢片的制造，其步骤包括特定轧制速度的冷连轧和退火，调节至特定ppm的总氮含量，然后完成退火。该钢片的重量百分配比为C：0.001～0.09%，硅：2～4.5%，酸溶铝：0.01～0.08%，N：0.00010.004%，独立或总数S和（或）硒：0.008～0.06%，铜：0.01～1%，锰：0.01～0.5%，少量的Bi、P、Sn、Pb、B、V、铌等，余量为Fe和其他不可避免的杂质。冷轧硅钢的冷连轧率为75～95%，退火温度为800～1000℃，退火时间为1300秒，总氮含量为50～1000ppm。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高磁感取向硅钢及其生产方法，在不新增设备的前提下，通过对钢种成分的设计，使铸坯中析出的夹杂物形态发生改变，尺寸粗大的夹杂物数量减少，相比传统高磁感取向硅钢的制造，可以降低铸坯加热温度100~150℃，且最终成品磁性能稳定，其典型磁感B₈≥1.90T。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

本发明添加微量元素Sb、Bi、Nb、Mo，并控制V、Ti的总量，使铸坯中析出的夹杂物形态发生改变，尺寸粗大的夹杂物数量减少，细小、弥散夹杂物数量增加，以此降低铸坯加热温度，从而获得磁性能稳定性好的高磁感取向硅钢。

具体地，本发明的一种高磁感取向硅钢，其成分重量百分比为：C：0.035~0.120%，Si：2.5~4.5%，Mn：0.05~0.20%，S：0.005~0.050%，Als：0.015~0.035%，N：0.003~0.010%，Sn：0.03~0.30%，Cu：0.01~0.50%，V≤0.0100%，Ti≤0.0100%，微量元素Sb、Bi、Ni和Mo中一种以上，Sb+Bi+Nb+Mo：0.0025~0.0250%；同时满足下列公式：（Sb/121.8+Bi/209.0+Nb/92.9+Mo/95.9）/（Ti/47.9+V/50.9）＝0.1~15；其余为Fe和其它不可避免的杂质。

对于传统取向硅钢而言，抑制剂来源于板坯中已有的夹杂物，这些夹杂物在炼钢浇铸过程中形成。铸坯必须在高温下加热使这些夹杂物充分固溶，固溶的夹杂物在热轧轧制过程中弥散析出，随后通过常化退火调整夹杂物形态，使其细小弥散分布。析出的细小夹杂物作为二次再结晶所需要的有效抑制剂，也对初次再结晶的晶粒尺寸及其均一性有着重要影响，因此对最终成品的磁性能有重要影响。

通常，钢水在冷却成铸坯的过程中，会产生尺寸粗大的夹杂物，经分析粗大夹杂物为MnS+AlN复合夹杂物，参见图1，其给出一典型的粗大夹杂物的形态及组成可以说明上述观点。根据能谱分析法结果，位置1处主要为Mn、S、Ti元素，位置2、3、4、5、6、7、8、9、10只含有Al、N元素。

相比细小弥散的夹杂物，粗大的夹杂物固溶温度高。为了使最终成品的磁感B8≥1.88T，这些粗大夹杂物必须在板坯加热过程中充分固溶，因此针对传统取向硅钢，所需要的板坯加热温度高。

传统取向硅钢铸坯如果没有经过充分加热，粗大夹杂物难以充分固溶，没有固溶的夹杂物经热轧及常化退火后仍会保持粗大的形态。由于粗大夹杂物抑制力弱，一方面导致初次晶粒尺寸不均匀，另一方面二次再结晶时的抑制能力弱，这都会使得二次再结晶不完善，因此最终成品磁性能差。

本发明在炼钢过程中加入微量的Sb、Bi、Nb或Mo，并控制Ti、V的含量，使铸坯中析出的夹杂物形态发生改变，尺寸粗大的夹杂物数量减少，细小、弥散的夹杂物数量增加。

这是因为，微量元素可优先形成微量元素的碳、氮化合物，减少了TiN、TiC或VN的数量，使得铸坯中以TiN、TiC或VN为核心的MnS+AlN复合夹杂物数量大为减少。TiN、TiC或VN可以作为MnS的形核核心，优先析出MnS，继而AlN以MnS为核形成MnS+AlN复合夹杂物，这种复合夹杂物尺寸粗大，约为0.5~3.0μm，而细小弥散析出的AlN夹杂物尺寸小于400nm。如图1所示，其给出一典型的粗大夹杂物的形态及组成可以说明上述观点。

需要进一步说明的是，关于微量元素间的比例控制也是非常重要的。当Sb、Bi、Nb、Mo含量不足或V、Ti含量高时，无添加效果，当Sb、Bi、Nb、Mo含量过高时，碳氮化物析出量多，而细小AlN析出量少，也会使磁性能变坏。微量元素含量过高，还会使冷轧加工性能变差。

本发明在炼钢过程中加入微量的锑（Sb）、铋（Bi）、铌（Nb）或钼（Mo），并控制Ti、V的含量，可以使铸坯中尺寸粗大的夹杂物数量减少，细小、弥散的夹杂物数量增加。由于细小夹杂物更易固溶，因此可以降低铸坯的固溶温度。

还需要指出的是，微量元素形成的碳、氮化合物可作为辅助抑制剂，有利于磁性能的稳定，参见图2。

本发明的高磁感取向硅钢的生产方法，其包括如下步骤：

1)冶炼和浇铸

采用转炉或电炉炼钢，钢水经二次精炼和连铸后获得铸坯，钢水的过热度5~25℃，浇铸速度0.5~2.0m/min；

2)铸坯加热

加热温度1200~1330℃，加热时间150~600min；

3)热轧，常规热轧；

4)常化退火

对热轧卷进行常化退火，常化退火后进行冷却，冷却速度10~100℃/sec；

5)冷轧

冷轧到成品板厚度，冷轧压下率≥85%；

6)脱碳退火

升温速度、脱碳气氛及脱碳露点按常规设定，脱碳温度800~900℃，时间80~160sec；

7)MgO涂层及高温退火

对上述脱碳退火的钢板进行MgO涂层和在罩式炉或环形炉中进行常规高温退火；

8)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。

进一步，步骤5）冷轧过程中还包含中间退火。

另外，所述的步骤6）脱碳退火后进行渗氮处理，渗入氮含量50~260ppm。

另外，若进行渗氮处理，所述的铸坯的加热温度可以为1050~1150℃。

在本发明制造方法中：

本发明采用转炉或电炉炼钢，钢水经二次精炼和连铸后，获得铸坯。为了控制铸坯内夹杂物形态并保证稳定浇注操作，要求浇注时中间包内钢水的过热度5~25℃，同时控制铸坯的浇注速度介于0.5~2.0m/min。

添加Sb、Bi、Nb、Mo后，铸坯加热温度可以适当降低。为了保证铸坯中的夹杂物能够充分固溶，铸坯加热温度介于1200～1330℃。加热时间可以控制在150~600min内。

由于本发明的核心是细化铸坯中的夹杂物尺寸，因此发明点同样适用于渗氮法低温工艺取向硅钢的铸坯生产。后工序进行渗氮处理，则铸坯的加热温度可以进一步降低至1150℃以下。

本发明的有益效果：

本发明通过在炼钢过程中添加微量元素并控制相应杂质元素的含量，使铸坯中析出的夹杂物形态发生改变，尺寸粗大的夹杂物数量减少，细小弥散的夹杂物数量增加。相比传统的高磁感取向硅钢，可以降低铸坯加热温度100~150℃，且最终成品磁性能稳定，其典型磁感B₈≥1.90T。

附图说明

图1为铸坯中粗大夹杂物的形态及组成（×30000倍）。

图2为磁性能与微量元素间的关系。

图3为本发明的实施例1的铸坯中粗大夹杂物的照片（×300倍）。

图4为比较例12未添加微量元素的铸坯中粗大夹杂物的照片（×300倍）。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明。

表1所示为本发明高磁感取向硅钢实施例的成分。表2显示了本发明实施例和比较例的铸坯中粗大夹杂物数量。表3为本发明高磁感取向硅钢实施例的生产方法及成品磁感B₈。

实施例1

（1）按照如表1所示的成分配比进行冶炼，按过热度为5~15℃，浇铸速度为1.3m/min进行浇铸，获得铸坯；

（2）将铸坯按表3所述的铸坯加热制度加热；

（3）热轧至2.3mm的热轧板；

（4）常化退火；

（5）冷轧到成品厚度0.30mm；

（6）脱碳退火，脱碳温度为810~880℃，脱碳时间为80~160s，将钢板中的[C]含量降到30ppm以下；

（7）在钢板上涂覆MgO涂层后在气氛为100%H₂、温度为1200℃的条件下进行20小时的高温退火；

（8）开卷后涂敷绝缘涂层以及热拉伸平整退火后得到高磁感取向硅钢。

表1单位：重量百分比

备注：序号1-11为实施例，序号12-17为比较例。

表2显示了实施例1-11和比较例12-17的铸坯中粗大夹杂物数量。采用非水电解提取-电镜观察法分析铸坯中的夹杂物数量。观察10个2500倍的视场，得到每一视场内的粗大夹杂物数量后求平均值。

表2

序号	铸坯中粗大夹杂物数量	备注
			1	1	对应图3
2	2
			3	4
4	1
			5	3
6	4
			7	3
8	2
			9	1
10	2
			11	5
12	24	对应图4
			13	19
14	17
			15	16
16	13
			17	21

图3给出表1中实施例1对应的铸坯中粗大夹杂物的照片（×300倍）。图4给出表1中比较例12对应的铸坯中粗大夹杂物的照片（×300倍）。

表3

由表2、表3可见，采用本发明所述技术方案，铸坯中的粗大夹杂物数量明显减少，铸坯中夹杂物的充分固溶温度降低约100~150℃。在降低铸坯加热温度的条件下，也能获得磁性能稳定的高磁感取向硅钢。当成分符合本发明要求时，如果进行渗氮处理，即使铸坯加热温度降低至≤1125℃时，也可以获得高磁感取向硅钢产品。

Claims (5)

1.一种高磁感取向硅钢，其成分重量百分比为：

C：0.035~0.120%，

Si：2.5~4.5%，

Mn：0.05~0.20%，

S：0.005~0.050%，

Als：0.015~0.035%，

N：0.003~0.010%，

Sn：0.03~0.30%，

Cu：0.01~0.50%，

V：≤0.0100%，

Ti：≤0.0100%，

微量元素Sb、Bi、Ni和Mo中一种以上，Sb+Bi+Nb+Mo：

0.0025~0.0250%；同时满足下列公式：

（Sb/121.8+Bi/209.0+Nb/92.9+Mo/95.9）/（Ti/47.9+V/50.9）＝0.1~15；

其余为Fe和其它不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的高磁感取向硅钢的生产方法，其包括如下步骤：

1)冶炼、浇铸

采用转炉或电炉炼钢，钢水经二次精炼和连铸后获得铸坯，钢水的过热度5~25℃，浇铸速度0.5~2.0m/min；

2)铸坯加热

加热温度1200~1330℃，加热时间150~600min；

3)热轧，常规热轧；

4)常化退火

对热轧卷进行常化退火，常化退火后进行冷却，冷却速度10~100℃/sec；

5)冷轧

冷轧到成品板厚度，冷轧压下率≥85%；

6)脱碳退火

升温速度、脱碳气氛及脱碳露点按常规设定，脱碳温度800~900℃，时间80~160sec；

7)MgO涂层及高温退火

对上述脱碳退火的钢板进行MgO涂层和在罩式炉或环形炉中进行常规高温退火；

8)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。

3.如权利要求2所述的高磁感取向硅钢的生产方法，其特征在于，步骤5）冷轧过程中还包含中间退火。

4.如权利要求2所述的高磁感取向硅钢的生产方法，其特征在于，所述的步骤6）脱碳退火后进行渗氮处理，渗入氮含量50~260ppm。

5.如权利要求4所述的高磁感取向硅钢的生产方法，其特征在于，所述的铸坯的加热温度1050~1150℃。