CN1228817A - 用薄钢坯生产具有高的磁性能的晶粒取向电工钢带的工艺 - Google Patents

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Abstract

在生产高导磁率的电工钢时,控制薄钢坯的连续铸造条件得以获得有益的凝固组织和析出物。这本身又得以不再苛求控制晶粒尺寸的工艺,得以将氮加到冷轧钢板中,以便立即形成氮化铝。

Description

用薄钢坯生产具有高的磁性能的晶粒取向电工钢带的工艺
发明领域
本发明涉及用薄钢坯生产具有高的磁性能的晶粒取向电工钢板的工艺，尤其是涉及这样的工艺：按此工艺，控制了铸造条件，从而在此钢坯中得这样一种微观组织特点(高的等轴晶与柱状晶之比，特定的等轴晶的尺寸，较小的析出物尺寸及其特定的分布)，从而简化该生产工艺，但仍能获得优越的磁性能。
背景技术
晶粒取向电工钢通常被分为两个主要类别，其基本区别在于在800As/m磁场作用下的相应的磁感值，即被称为B800的值不同，常规的晶粒取向钢产品的B800约小于1890mT，而高导磁率钢产品的B800大于1900mT。进一步的细分是根据在给定的磁感和频率下的，以W/kg表达的铁损值进行的。这种常规的晶粒取向钢板首先产生于30年代，而且仍有重要的应用范围；高导磁率的晶粒取向钢出现于60年代后半叶，而且也有很多用途，主要是这样一些可用其高的导磁率和较低的铁损的优点弥补与常规产品相关的高成本的领域。
在高导磁率的电工钢中，利用充分析出的第二相(尤其是AlN)取得较高的特性，这些第二相降低了晶界的迁移率，从而使具有平行于轧制方向的棱边及平行于钢板表面的对角线面(Goss组织)的晶粒(体心立方结构的)有选择地生长，由此减少了相对于轧制方向的取向混乱。
但，在钢水凝固期间，可获得这类较佳效果的AlN以粗大的形式析出，因而对所追求的效果是无益的，因而必须使其溶解，再以合适的形式重新析出，所述的合适形式必须在冷轧至最终尺寸之后，在最终退火阶段期间保持到获得具有所需的尺寸及取向的结晶组织的时刻，直至复杂而昂贵的转变过程结束。立即可以想到的是，主要与获得良好产率及均匀的质量的困难相关的生产问题主要归因于在整个钢的转变过程中为保持具有所需形式及分布的AlN所必需的全部必要预防措施。
在这方面，开发过一些技术，比如，叙述于US.4,225,366及EP339,474的技术，按此技术，借助于钢带渗氮，尤其是在冷轧后渗氮产生适于控制晶粒生长过程的AlN。
按此技术，利用低的钢坯加热温度(低于1280℃，更好是低于1250℃)在热轧前使在钢的缓慢凝固过程中析出的粗大的AlN保持在这种状态；在钢带脱碳后，引入其中的氮立即反应，从而形成Si和Mn/Si的氮化物，它们具有相对低的溶解温度，因而在最后的箱式退火期间溶解；这样获得的游离氮在钢带中扩散并与Al反应，结果以细的和均匀的形式，作为Al/Si的氮化物的混合物沿钢带厚度重新析出。这一技术要求将钢在700-850℃下保持至少4小时。
在上述专利中提到，由于缺乏适宜的抑制剂，所以为避免晶粒不可控制地生长，渗氮温度必须接近脱碳温度(约850℃)，而且无论如何也不得大于900℃。实际上，最佳的渗氮温度大致为750℃，为避免晶粒不可控制地生长，850℃是该温度上限。
这种工艺似乎有一些优点，如，相对低的热轧前的钢坯加热温度，相对低的脱碳和渗氮温度，以及需将该钢带在箱式退火炉中于700-850℃下至少保持4小时的时间(为得到控制晶粒所需的混合的Al/Si氮化物)实际上并未增加总的生产成本，因为在任何情况下，箱式退火炉的加热都需要相似的时间。
但，上面所述看上去似乎是优点，实际不然：(ⅰ)低的钢坯加热温度保持了不能控制晶粒生长过程的AlN析出物的粗大形态，因而，全部的后续加热，尤其是脱碳和渗氮过程必须在相当低的，小心控制的温度下进行，以便精确地避免了晶粒不可控制的生长；(ⅱ)在这样低的温度下的处理时间因而必须延长；(ⅲ)不可能在最终退火时，比如，用连续炉替代不连续的箱式退火炉以产生可能的改进，从而缩短加热时间。
对发明的描述
本发明旨在适时地用薄钢坯连铸工艺消除已知生产工艺中的这些缺点，以获得具有特定凝固及显微组织特征的薄的硅钢坯，这些特征得以获得一种不存在某些限制性步骤的转变工艺。特别是，实施此连铸工艺，以在钢坯中得到规定的等轴晶与柱状晶之比，等轴晶的特定尺寸及细的析出物。本发明涉及高磁性能硅钢带的生产工艺，按该工艺连铸含(％重量)2.5-5Si、0.002-0.075C、0.05-0.4Mn、S(或S+0.504Se)＜0.015、0.010-0.045Al、0.003-0.0130N，最多为0.2Sn、0.040-0.3Cu，余为Fe及次要杂质的钢，将其高温退火、热轧及以单步骤或带中间退火的多步骤冷轧，将这样得到的冷轧带退火，以进行初次退火和脱碳，涂退火隔离剂及进行箱式退火以便进行最终的二次再结晶处理，所述工艺的特征在于以下组合：
(ⅰ)将铸造时过热20-40℃的钢连铸成厚20-80mm，更好是50-60mm的薄坯，铸速为3-5m/分，冷却速度要使钢在30-100秒内完全凝固，铸模的振荡振幅为1-10mm，振荡频率为每分钟200-400周。
(ⅱ)使这样获得的钢坯在1150-1300℃的温度下均热。
(ⅲ)以1000-1200℃的开轧温度和850-1050℃的终轧温度热轧此坯。
(ⅳ)在900-1170℃下将此热轧带钢连续退火30-300秒，并将其冷却至不低于850℃的温度，将其在所述温度下保温30-300秒，而后可在沸水中将其冷却。
(ⅴ)以一个步骤或带有中间退火的多个步骤冷轧此带钢，最后一步骤以至少80％的压缩比进行，在最后步骤期间，至少2个道次的轧制温度保持为至少200℃。
(ⅵ)在湿的pH20/pH2为0.3-0.7的N2/H2气氛中，在850-1050℃的温度下，以100-350秒的总时间使该冷轧带钢连续退火。
(ⅶ)对此带钢涂退火隔离剂，将带钢卷取，并对此带卷在具有以下成分的气氛中，在加热期间作箱式退火：在与至少30％(体积)的氮混合的氢中加热至900℃，在与至少40％(体积)的氮混合的氢中加热至1100-1200℃，然后在纯氢中使该带卷在此温度下保温。
该钢的成份与常规钢的区别可在于希望有20-100ppm的低碳含量。
该钢还可有400-3000ppm，更好是700-2000ppm的铜含量。
具有最多为2000ppm，而较好是1000-1700ppm的锡含量也是可以的。
在连铸期间，通过选择铸造参数以得到35-75％，更好是＞50％的等轴晶与柱状晶之比，0.7-2.5mm的等轴晶尺寸；由于在此薄坯的连铸期间的快速冷却，第二相(析出物)尺寸明显小于在传统连铸时所获得的第二相尺寸。
若在脱碳退火时将温度保持在950℃以下，则控制后续的箱式退火气氛中的N2含量，以使带钢渗氮，从而直接产生这种尺寸、数量和分布的Al和Si的氮化物：它使晶粒在后续的二次再结晶期间的生长得以有效地抑制。在此情况下将被引入的最大氮量为＜50ppm。
在脱碳退火后，可利用另一过程使氮的吸收最高达50ppm，以形成分布于钢带整个厚度中的，细的AlN析出物，即将钢带在900-1050℃，优选1000℃下在氮气氛中保持。
在此情况下，必须存有量为0.5-100g/m3的水蒸汽。
若该钢中有锡，则应采用渗氮势较高的气氛(如，含NH3)，因为锡抑制氮的吸收。
本工艺的上述步骤可作如下解释。选择铸造条件，以获得数目大于用传统连铸(坯厚约为200-250mm)可获得的等轴晶粒数目的等轴晶粒(一般多约25％)，以及特别适于获得高质量的最终产品的晶粒尺寸及细的析出物分布。尤其是，析出物细小的尺寸及后面的在最高为1300℃的温度下的薄钢坯退火，可在已经热轧过的带钢中得到适于对晶粒尺寸作某种控制的AlN析出物，因此避免了对最高处理温度作严格控制，由于所述的较高温度，可采用较短的处理时间。
出于同样目的，可以考虑使用低碳含量，尤其是低于形成γ相所需的碳含量，以限制氮化铝的溶解，因为α相比γ相难溶解。
从钢坯形成以来，所述数量甚小的细AlN析出物的存在使得对热处理不再苛求，从而也使脱碳温度得以提高而又无晶粒生长失控的风险；这种提高了的温度对于氮在整个钢带中的更好地扩散，以及在此步骤中直接形成其它的AlN是至关重要的。此外，在这种条件下，只需有限制的扩散到钢带中的氮量。
至于渗氮步骤，其条件的选择似不特别重要：渗氮可在脱碳过程中进行，在此情况下，将处理温度保持于约1000℃以直接获得AlN是有利的。反之，若将脱碳温度保持较低，则在箱式退火时发生最大的氮吸收。
实施例
本发明的工艺将按下列实施例以非限制性的举例的方式被说明。
实施例1
生产下列的钢，其成分列于表1。
表Ⅰ
  种类  Si  C  Mn  Cu     S     Als     N     Sn
％  ppm  ％ ％    ppm     ppm    ppm     ppm
    A  3.15  500   0.10  0.10     70     270     80     150
    B  3.22  450   0.12  0.12     80     290     83     150
    C  3.05  480   0.12  0.12     70     250     75    1100
    D  3.20  100   0.14  0.13     70     270     81     130
    E  3.15  20   0.12  0.12     80     300     40    1600
    F  3.20  450   0.10  0.10     280     270     82     120
    G  3.30  550   0.15  0.15     100     80     70     130
将上述各种钢，以4.3m/分的铸速，65秒的凝固时间，28℃的过热温度，利用以260周/分的频率，3mm振幅振荡的铸模铸成厚60mm的钢坯。
将此钢坯于1180℃均热10分钟。然后按2.05-2.15mm的不同厚度热轧；再将此带钢于1100℃连续退火30秒，冷至930℃，在此温度下保温90秒，再于沸水中冷却。
以单一步骤，用第三和第四轧制道次时的230℃的轧制温度将此带钢冷轧至0.29mm。每种成份的，称为NS的，部分冷轧带钢按如下周期经受了初次再结晶和脱碳：于860℃在pH2O/pH2为0.65的H2-N2(75∶25)的气氛中，180秒，再于890℃，在pH2O/pH2为0.02的H2-N2(75∶25)的气氛中，30秒。
对于称为ND的其余钢带，为使AlN立即形成，较高的处理温度为980℃，同时还将NH3引入此炉中。表2展示了根据引入炉中的NH3量而渗入带钢中的氮量。
表2
类型   ND1,NH35％   ND2,NH310％   ND3,NH315％
    A     70     130     220
    B     90     150     270
    C     30     60     100
    D     50     90     130
    E     20     50     90
    F     40     90     110
    G     100     190     340
这种经过处理的带钢被涂以常规的，以MgO为基的退火隔离剂，然后按下述周期进行箱式退火：快速加热至700℃，将此温度保持5小时，在H2-N2(60∶40)的气氛中加热至1200℃，于H2中将此温度保持20小时。
在常规的最终处理之后，测得如下磁性能：
表3
类别     B800(mT)     P17(w/kg)
  NS  ND1  ND2  ND3   NS  ND1  ND2  ND3
    A  1930  1920  1890  1850   0.95  0.98  1.09  1.19
    B  1920  1910  1880  1840   0.97  0.98  1.10  1.28
    C  1930  1930  1890  1880   0.88  0.90  1.02  1.07
    D  1920  1910  1890  1890   0.89  0.97  1.07  1.12
    E  1930  1930  1910  1890   0.85  0.88  0.95  1.05
    F  1570  1563  1659  1730   2.53  2.47  1.98  1.79
    G  1620  1710  1820  1940   1.29  1.72  1.42  1.35
实施例2
以不同的铸造程序将表4中所示的，成份类似的钢进行铸造。
表4
类型 Si％     Cppm     Mn％     Cu％    S ppm     Alsppm    N ppm    Sn ppm
 A1  3.20     350     0.10     0.09     90     290     80     0.10
 B1  3.20     380     0.10     0.10     80     300     83     0.11
 C1  3.22     330     0.11     0.10     90     290     75     0.10
按240mm的厚度连铸钢A1，从而得到25％的等轴晶与柱状晶之比(REX)。
按50mm的厚度连铸钢B1，其REX为50％。
按60mm的厚度连铸钢C1，其REX为30％。
加热这些钢坯至1250℃，按2.1mm的厚度将其热轧，按实施例1使此带钢退火，再冷轧0.29mm。
将此冷轧带钢分成3组，每组按以下周期处理：
周期1：在PH2O/PH2为0.55的H2-N2(75∶25)的气氛中，在850℃加热120秒，于pH2O/pH2为0.02的H2-N2(75∶25)的气氛中升温至880℃并保温20秒。
周期2：在pH2O/pH2为0.55的H2-N2(75∶25)的气氛中，在860℃加热120秒，于含3％NH3且pH2O/pH2为0.02的H2-N2(75∶25)的气氛中升温至890℃并保温20秒。
周期3：在pH2O/pH2为0.55的H2-N2(75∶25)的气氛中在860℃加热120秒，于含3％NH3，及pH2O/pH2为0.02的H2-N2气氛中升温至1000℃并保温20秒。
全部带钢按实施例1作箱式退火。
所测得的磁性能列于表5。
表5
    周期1     周期2     周期3
 A1  B1  C1  A1  B1  C1     A1  B1  C1
 B800,mT  1620  1940  1920  1890  1940  1930     * 1950  1930
 P17,w/kg  2.17  0.89  0.95  1.08  0.85  0.89     * 0.85  0.95
*这些磁性能达不到令人满意的二次再结晶。
实施例3
按实施例1将具有如下成份的钢铸成薄坯：Si3.01％,C450ppm,Mn0.09％,Cu0.10％,S100ppm,Als310ppm,N70ppm,Sn1200ppm,余为Fe及次要的杂质，然后按实施例2将其转变成冷轧带钢。然后此带钢经受下列不同的连续退火周期：于温度T1，在pH2O/pH2为0.58的H2-N2(74∶25)的气氛中退火180秒；于温度T2，在含不同的NH3含量而pH20/pH2为0.03的H2-N2(74∶25)的气氛中退火30秒。
每次试验采用了不同的T1和T2值以及不同的NH3浓度，并且测量了氮的被吸收量，按实施例1制成此带钢，然后测磁性能。
表6展示了以T1=850℃,T2=900℃时得到的，作为被吸收氮(ppm)的函数的B800值(mT)。
表6
 N  0  10  25  45  55  100  125  130  150  160  200
B800  1935  1930  1936  1930  1920  1920  1910  1910  1880  1890  1885
表7展示了作为T1温度函数的，所得到的B800值，T2为950℃。
表7
 T1℃  830  850  870  890  910  930  950
 B800  1910  1920  1935  1930  1940  1945  1850
表8展示了作为渗氮温度T2的函数所得的B800值，T1为850℃
T2℃     800     850     900     950     1000     1050     1100
B800     1870     1880     1910     1920     1935     1925     1905

Claims (12)

1．生产高特性硅钢带的工艺，按该工艺将含(％重量)2.5-5Si,0.002-0.075C,0.05-0.4Mn,＜0.015S(或S+0.503Se),0.010-0.045Al,0.003-0.0130N，不超过0.2Sn，余量为Fe及次要的杂质的钢连铸、高温退火、热轧，以单一步骤或以带有中间退火的多个步骤冷轧，将这样得到的冷轧带钢退火以进行初次退火及脱碳，涂以退火隔离剂再作箱式退火以进行最终的二次再结晶处理，所述工艺的特征在于以下协同关系的组合：
(ⅰ)以3-5m/分的铸速、将铸造时过热20-40℃的钢，以在30-100秒内完全凝固的冷却速度，1-10mm的铸模振幅及每分钟200-400周的振荡频率连铸成厚20-800mm的薄钢坯；
(ⅱ)在1150-1300℃的温度下使这样得到的钢坯均热；
(ⅲ)以1000-1200℃的开轧温度和850-1050℃的终轧温度热轧此经过均热的钢坯；
(ⅳ)在900-1170℃的温度下使该热轧带钢连续退火30-300秒，将其冷至不小于850℃的温度，将此温度保持30-300秒，然后可在沸水中将其冷却；
(ⅴ)以单一步骤或带有中间退火的多个步骤冷轧此带钢，最后的冷轧步骤以至少80％的压缩比进行；
(ⅵ)在850-1050℃的温度，在湿的，pH2O/pH2为0.3-0.7的N2/H2气氛中使此冷轧带钢作总时间为100-350秒的连续退火；
(ⅶ)用退火隔离剂涂此带钢，将其卷取再于具有以下成分的气氛中在加热期间使此带卷箱式退火：加热到900℃，混有至少30％(体积)氮的氢，加热到1100-1200℃，混有至少40％(体积)氮的氢，然后在此温度下将此带卷保持于纯氢之中。
2．权利要求1的工艺，其中钢坯厚度为50-60mm。
3．权利要求1或2的工艺，其中钢的碳含量为20-100ppm。
4．前述权利要求中任一项的工艺，其中钢的铜含量为400-3000ppm。
5．权利要求4的工艺，其中铜含量为700-2000ppm。
6．前述任一项权利要求的工艺，其中钢的锡含量最多为2000ppm。
7．权利要求6的工艺，其中锡含量为1000-1700ppm。
8．前述任一项权利要求的工艺，其中在连铸期间，铸造参数的选择要使得等轴晶与柱状晶之比为35-75％，而等轴晶尺寸为0.7-2.5mm。
9．权利要求8的工艺，其中等轴晶与柱状晶之比大于50％。
10．前述任一项权利要求的工艺，其中在冷轧带钢连续退火之后，以900-1050℃的温度，在水蒸汽含量为0.5-100g/m3的气氛中进行渗氮处理。
11．权利要求1-9中任一项的工艺，其中在脱碳退火期间，将温度保持在950℃以下，而后续箱式退火气氛中的氮含量的选择要使得扩散入此带钢中的氮不超过50ppm。
12．前述任一项权利要求的工艺，其中在最后的冷轧步骤期间，至少2个轧制道次的带钢温度被保持为至少200℃的值。
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