CN102199721A - 高硅无取向冷轧薄板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

高硅无取向冷轧薄板，其成分重量百分比为：C≤0.01％，Si：4.5～7％，Mn≤2％，Al≤0.5％，P≤0.1％，S≤0.01％，N≤0.01％，O≤0.02％，B≤0.08％，余Fe和不可避免杂质。本发明采用薄带连铸工艺直接生产出1～5mm的铸带，通过对凝固、冷却过程以及在线热轧的控制获得具有一定晶粒尺寸和织构的带钢，经过后续的退火、温轧、冷轧、成品退火等工序，生产出高性能无取向高硅冷轧薄板。

Description

高硅无取向冷轧薄板及其制造方法

技术领域

本发明涉及冷轧无取向硅钢薄板的制造方法，特别涉及一种含硅量4-7％的高硅无取向冷轧薄板及其制造方法。

背景技术

硅钢是一种重要的软磁材料，约占磁性材料总量的90-95％，又被称作是电工钢，是发展电力和电讯工业的基础材料之一，被用来制造电机、变压器和镇流器铁芯以及各种电器元件，是电力、电子和军事工业中不可缺少的重要软磁合金。硅钢又分为取向硅钢和无取向硅钢；无取向硅钢可分为冷轧无取向硅钢和热轧无取向硅钢。目前热轧无取向硅钢很少，主要是冷轧无取向硅钢。

近年来高频设备在增加，但随着高频化的发展，出现了铁损增加及磁致伸缩而带来的噪音问题。众所周知，硅钢片中的硅含量对其产品的特性(如：磁感应强度和铁损)影响很大。研究表明：随着硅含量的增加，硅钢片的电阻率增大，涡流损失减小，从而在较高频率下表现出优良的磁性。当Si约6.5wt％时，电阻率为82μΩcm，饱和磁致伸缩系数几乎为零，最大导磁率达到最高，铁损达到最低，而且磁晶各向异性常数约为3wt％Si硅钢的一半。所以，含Si约6.5wt％的Fe-Si合金具有良好的软磁性能。但是，随着Si含量的增加，尤其当超过5％以后，由于B2或DO3(Fe₃Si)有序相的出现，合金变得既硬又脆，为典型的晶间断裂，使机械加工性能急剧恶化，工业化生产很困难。

目前典型的高硅钢的生产方法主要有：

1.传统工艺，开发了三轧法。将钢水浇铸成铸坯，经过热轧、温轧、冷轧生产高硅钢。该方法的主要缺点是工艺流程长，因为铸坯较厚，热轧减薄过程很容易出现裂纹，生产稳定性差。

2.快速凝固。通过合金的快速凝固工艺解决高硅合金体系的加工脆性问题。典型的工艺是通过单辊激冷法，急冷制带法生产出0.03-0.1mm的带钢。或者通过双辊激冷生产出100～400um厚的薄带。该方法的主要问题是生产率低，无法形成工业化生产规模。而且生产出的薄带由于是铸态组织，带厚均匀性差。

3.渗硅法-CVD工艺。主要是利用传统的取向和无取向硅钢片的表面和硅化物之间的高温化学反应，使Si富集在硅钢片上，得到高硅的产品。这是迄今为止制造高硅最成熟的工艺。该工艺流程复杂，需要特殊的设备，在传统的生产线上无法进行。

中国专利CN200610125541.2涉及一种低碳高硅硅钢薄板的制备方法，采用溅射沉积法将不同靶材在基材两面交替或同时沉积；中国专利CN200610114114.4公开了一种采用连续磁控溅射物理气相沉积制备Fe-6.5wt％Si薄板方法，该方法在低硅钢带表面进行硅薄膜沉积，制备得到镀膜钢带并进行高温扩散处理；中国专利CN200610001793.4公开了一种采用包埋渗硅工艺制备高硅电工钢的方法，通过控制化学热处理的工艺参数，从而获得具有低损耗、低磁滞伸缩系数、低矫顽力的含硅量为6.5％左右的高硅电工钢；中国专利CN200610009613.7公开了一种超薄、大尺寸、高硅硅钢片电子束物理气相沉积制备方法，采用电子束轰击高硅钢原料+蒸汽沉积工艺制备高硅钢片。

中国专利CN200310115098.7公开了一种采用传统轧制工艺制备金属间化合物基软磁材料-含硼、钛、锆、钒的Fe₃Si基合金超薄板的方法，合金中加入了一定量的B、Ti、Zr等元素，采用铸锭退火、控制锻造、热轧、热轧板退火、温轧温度及时间等措施，成功制备出厚度为0.10～0.30mm的含Fe3Si基合金薄板；中国专利CN200710099130.5公开了一种采用高硅钢中添加B元素进行热轧、快速冷却和温轧工艺相结合的制备方法；中国专利CN200410004404.4公开一种制备Fe14Si2系基有序合金薄板的技术，通过逐步增塑法成功地降低合金的脆韧转变温度，提高合金薄板的拉伸塑性。中国专利CN200480017919.6涉及一种非取向电工钢的方法，该方法采用热轧工艺制备的电工钢体积电阻率至少20μΩ-cm、峰值奥氏体体积分数γ1150℃至少5wt％。

日本专利JP2001098325介绍了含有0.1～7％Si，0.1～1.5％Mn，0.1～2.5％Al的硅钢的轧制工艺。

上述专利的主要特征都是先浇铸成铸锭，再进行热轧温轧等工艺。

利用短流程的低成本及快速凝固优势生产电工钢是世界各国冶金工作者追求的目标。薄带连铸连轧技术，其生产工艺的主要特点就是钢水通过一对内部具有循环冷却作用的铸轧辊，经过快速凝固后直接浇铸出1～5mm厚的铸带，铸带经过一道次在线热轧后卷取直接生产出热轧卷。在生产成本上具有优势，同时也有利于节约能源和保护环境。

日本专利JP05279739A、JP05255753A公开了一种用薄带连铸生产无取向硅钢的方法。其成分范围是硅0.1～8％，工艺流程是经过双辊浇铸0.3～4mm的铸带经过温度大于1050℃热轧，热轧的压下率小于60％。该工艺主要的特点是通过600～1000℃采用急冷的方法，达到控制晶粒度和性能的目的。该专利虽然给出了硅的范围很大，在其实施例中硅的最高含量只有3.15％。当硅含量大于4％时，硅钢尤其当超过5％以后，由于B2或DO3(Fe3Si)有序相的出现，合金变得既硬又脆，为典型的晶间断裂，使机械加工性能急剧恶化，与硅含量小于4％在材料特性上有本质的区别，而本专利并没有将硅大于4％的特殊性体现出来。

日本专利JP05279740A，JP06128642公开了一种薄带连铸生产高硅无取向硅钢的方法。其主要的成分为Si：4～8％，Al≤2％，C≤0.05％，Mn≤2％，S≤0.01％，N≤0.01％，其它元素包括Mn，P，B，Ni，Cr，Sb，Sn，Cu等其中至少一个元素。其主要的工艺是通过薄带生产的带厚0.56～0.62mm的铸带，然后不经过热轧直接冷轧，冷轧的压下率为5％～40％。再经过1050℃，30s时间的热处理，达到生产高硅无取向硅钢的目的。该专利主要的技术特征是浇铸出来的带厚小于1mm，带厚薄，凝固速度快，通过凝固细晶达到目的。

本发明生产的带厚大于1mm，通过合金化和后续的工艺达到制备冷轧薄带的目的。

发明内容

针对上述传统的连铸-热轧生产方式和薄板坯连铸连轧方式存在的不足，本发明的目的在于提供一种高硅无取向冷轧薄板及其制造方法，采用薄带连铸工艺直接生产出1～5mm的铸带，通过对凝固、冷却过程的控制获得具有一定晶粒尺寸和织构的带钢，经过后续的热轧、冷轧等工序，生产出高性能的高硅冷轧薄板。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下。

高硅无取向冷轧薄板，其成分重量百分比为：C≤0.01％，Si：4.5～7％，Mn≤2％，Al≤0.5％，P≤0.1％，S≤0.01％，N≤0.01％，O≤0.02％，B≤0.08％，余Fe和不可避免杂质。

进一步，还包含Ti，Zr，V，Sb、Cu、Cr和Ni中的一种或多种，单个元素的含量不超过0.5％，总量不超过1％，以重量百分比计。

在本发明高硅无取向冷轧薄板的成分中：

碳：0.01％以下。碳是强烈地阻碍晶粒长大的元素，引起铁损增加和磁时效。超过0.01％将给脱碳带来严重负担。

硅：4.5～7％。硅是硅钢片中的重要合金元素，对硅钢的电磁性能有明显的影响。当Si约6.5wt％时，电阻率为82μΩcm，饱和磁致伸缩系数几乎为零，最大导磁率达到最高，铁损达到最低，而且磁晶各向异性常数约为3wt％Si硅钢的一半。所以，含Si约6.5wt％的Fe-Si合金具有良好的软磁性能。但是，随着Si含量的增加，尤其当超过5％以后，由于B2或DO3(Fe3Si)有序相的出现，合金变得既硬又脆，为典型的晶间断裂，使机械加工性能急剧恶化，加工性很差，使后续轧制变得很困难。

锰：小于2％。锰主要改善电工钢的表面状态，锰的作用与硫含量有密切关系，锰与硫形成MnS，可防止沿晶界形成低熔点的FeS所引起的热脆现象。锰含量高于2％将使钢板加工性裂化。

铝：小于0.5％。铝是增加电阻元素，是电工钢最重要的合金元素。铝在铁中的作用与硅相似，缩小奥氏体区和促使晶粒长大，会提高体积电阻率，降低铁损，提高硬度。

磷：小于0.2％。在钢中添加一定的磷可以改善钢板的加工性，但超过0.2％时，反而使钢板冷加工性裂化。

硫：0.01％以下。超过0.01％将使MnS等S化物析出量大大增加，强烈阻碍晶粒长大，铁损劣化。

氧：0.02％以下。氧形成SiO₂、Al₂O₃和MnO等氧化物夹杂，超过0.02％将使氧化夹杂量大大增加，强烈阻碍晶粒长大，同时使夹杂引起的的退磁场增加，铁损和磁感劣化。

氮：0.01％以下。氮为有害元素，使矫顽力升高，导磁率降低。超过0.01％将使ALN等氮化物析出量大大增加，强烈阻碍晶粒长大，铁损劣化。

硼：小于0.08％。硼在体心立方结构金属间化合物中的分布对其变形能力有显著的影响。硼改善塑性的实质是降低了该化合物的反向畴界能，同时，Fe₃Si基合金的铸态组织通过添加合适的B得到了明显的细化。从而使Fe₃Si基合金的不可轧制极限温度降低，有助实现冷轧。

其他元素：成分中还包含Ti，Zr，V，Sb、Cu、Cr和Ni中的一种或多种，单个元素的含量不超过0.5％，总量不超过1％。可以改善成品板的织构。但含量增加后，使磁性降低。

本发明的如权利要求1所述的高硅无取向冷轧薄板的制造方法，其包括如下步骤：

1)按权利要求1或2的充分冶炼；

2)薄带连铸，钢水通过一对内部具有循环冷却作用的结晶辊，经过快速凝固后直接浇铸出1～5mm厚的铸带；

3)二次冷却，铸带从结晶辊浇铸出来后，经过密闭室，在密闭室内安装二次冷却装置，冷却速度大于30℃/s，优选大于50℃/s；二次冷却采用气体冷却，冷却气体为氩气、氮气、或氦气中的一种或几种混和气体；

4)热轧，本发明可以经过热轧和不经过热轧两种工艺，热轧压下率不大于15％，优选小于15％，热轧温度1050～1200℃；

5)三次冷却，冷却速度不大于15℃/s；

6)卷取，卷取温度大于780℃；

7)退火，钢卷从卷取机卸卷后放至到保温炉中，退火温度大于780℃；

8)酸洗，

9)温轧，根据产品的厚度，主要的目的是进行减薄，可以一道次冷轧或者带中间退火的多道次温轧，轧制温度范围350～600℃；

10)冷轧，当材料的达到一定的塑性后，根据产品最终厚度要求，进行多道次冷轧；

11)成品退火，对铸造并轧制的钢带进一步进行最终退火处理，退火的温度高于850℃，但低于1080℃，退火温度优选高于950℃；退火在可控气氛，例如氢气或者氢气氮气混合气体中进行。

进一步，步骤7)卷取后钢卷不进行退火，钢卷直接冷却，冷却速率小于0.01℃/s，再送酸洗。

在本发明的制造方法中：

浇铸，钢水通过一对内部具有循环冷却作用的结晶辊，经过快速凝固后直接浇铸出1～5mm厚的铸带。该步骤一方面要将钢水在结晶辊内快速凝固成一定厚度规格的铸带。

二次冷却，铸带从结晶辊浇铸出来后，经过密闭室，在密闭室内安装二次冷却装置，以控制铸带的冷却速度，使其冷却速度大于30℃/s。这是因为铸带在高温晶粒长大很快，必须控制晶粒长大的速度。本发明的二次冷却由气喷嘴和支架等组成，其压力、流量和位置可以调节和控制。冷却气体可以是氩气、氮气、氦气等惰性气体，或者是几种混和气体。通过控制支架距离铸带的距离，以及气体类型、比例、流量、压力等实现对铸带冷却速度的控制。优选冷却速度大于50℃/s。

热轧，本发明可以经过热轧和不经过热轧两种工艺。热轧的压下率不大于15％。热轧温度1050～1200℃。如果热轧压下率大于15％，则热轧工艺会使硅钢发生再结晶，使铸态中有利织构被破坏，同时由于边部和中心温度不均匀，热轧后的再结晶组织会不均匀，这导致产品的性能不稳定。不大于15％的热轧目的是平整作用，改善铸带的板形和厚度差，并不是为了减薄铸带或者改善内部质量。优选压下率小于15％。

三次冷却，冷却速度不大于15℃/s。随着硅含量的增加，钢种脆性相增加，很容易形成表面裂纹，尤其在快速冷却的条件下，为了提高表面质量，减少裂纹发生，采取缓慢冷却。本发明采用空冷方式进行。

卷取，卷取温度大于780℃。当卷取温度低时，容易产生裂纹。在卷取的过程中，高的卷取温度可以达到进一步减缓冷却速率的作用。

退火，钢卷从卷取机卸卷后放至到保温炉中，温度大于780℃。轧后热处理的主要目的是使材料得到软化，提高合金的性能，以利于后续进一步降温轧制。这是因为当热轧压下比率小时，晶粒没有发生动态再结晶，退火时，材料发生静态再结晶，控制合适的退火温度和退火时间，就可以得到细小的晶粒组织。退火后，材料在冷变形条件下加工，具有一定的塑性。

酸洗，是最普通的除磷方法。一种或者多种无机酸的水溶液对金属表面进行化学清洗处理。

温轧，其主要的目的是提高材料的塑形，达到减薄的作用。根据产品的厚度要求以及钢种的成分，可以一道次冷轧或者带中间退火的多道次温轧，轧制温度范围350～600℃。

冷轧，当材料的达到一定的塑性后，根据产品最终厚度要求，进行多道次冷轧。

成品退火，对铸造并轧制的钢带进一步进行最终退火处理，在退火处理中，获得所要求的磁性能。退火的温度高于850℃，但低于1080℃；优选方案高于950℃；退火在可控气氛，例如氢气或者氢气氮气混合气体中进行。

需要说明的是，对于高硅钢生产的难点是由于高硅中形成了Fe3Si的脆性相，使得后续无法轧制和加工。

本发明的关键点就是通过成分设计和相应的制造工艺，提高材料的塑形。加入B就是为了细化薄带连铸的铸态组织；同时制造工艺中控制二次冷却的冷却速度大于50℃/s，其目的也是细化奥氏体晶粒，晶粒细化不仅可以提高材料的强度，还可以有效地提高材料的塑形。三次冷却的区域是Fe3Si有序无序转变温度范围，通过控制冷却速度不大于15℃/s，减少脆性相的析出，减少表面裂纹的产生。为了提高无取向硅钢的中有利织构的比例，控制热轧压下率不大于15％，保留铸带组织中织构。另外，本发明成分中还通过添加Ti、Zr、V、Sb、Cu、Cr和Ni，进一步改善了织构。

本发明的有益效果

(1)由于硅含量高，尤其当超过5％以后，由于B2或DO3(Fe3Si)有序相的出现，合金变得既硬又脆，为典型的晶间断裂，热轧难度很大，会导致开裂。

与传统的工艺相比，本发明直接用薄带连铸能够浇铸薄规格带钢，减少了热轧工序，避免了热轧开裂。减少了设备损耗，降低了设备维护检修成本。同时，薄带连铸直接浇铸的的铸带中铸态组织中的柱状晶是有利织构面特点，提高了性能。

(2)本发明通过薄带连铸快速凝固的特点，放宽了无取向硅钢冶炼的成分范围，降低了冶炼成本。

(3)本发明工艺流程短、能耗低、效率高、生产成本低、制造方法简单、节能降耗明显。

附图说明

图1为本发明涉及的薄带连铸连轧机组工艺流程示意图；

图2为本发明无取向硅钢冷轧薄板制造的工艺流程示意图。

具体实施方式

下面用实施例对本发明作进一步阐述。

本实施例中无取向硅钢冷轧薄板的制造流程为：经过转炉或者电炉冶炼、经过精炼工序后，冶炼出温度和成分满足要求的钢水，经过双辊薄带连铸，二次冷却、热轧(不超过15％)、三次冷却、卷取、退火、温轧、冷轧、最终成品退火，获得满足用户需求的高磁感低铁损的冷轧无取向高硅钢薄板。

如图1所示，经过转炉或者电炉冶炼、经过精炼工序后，冶炼出温度和成分满足要求的钢水。达到本发明实施例的钢水冶炼成分见表1，有A、B、C、D四个成分，单位为重量百分比。

钢水从钢包1经过长水口2、中间包3和浸入式水口4浇入到由两个相向旋转的水冷结晶辊5、5’和侧封板6形成的熔池7内，经过水冷结晶辊5、5’的冷却形成1～5mm铸带8，铸带经过在密闭室14内的二次冷却装置15控制其冷却速度，通过摆动导板9、夹送辊10将铸带8送至热轧机11，再经三次冷却装置12，直至卷取机13。密闭室14内的气体是惰性气体的保护性气氛。二次冷却由气喷嘴和支架等组成，其压力、流量和位置可以调节和控制。冷却气体可以是氩气、氮气、氦气等惰性气体，或者是几种气体的混和气体。三次冷却为空冷。将钢卷从卷取机取下后，直接运输至保温炉中，退火，然后经过一道次或者多道次温轧、最终成品退火等工艺，获得满足用户需求的高磁感低铁损的冷轧无取向高硅钢薄板。

主要的工艺流程见图2。在该流程中，可以不经过热轧直接冷轧；也可以小于15％热轧。温轧可以一次温轧，也可以采取多道次温轧。主要的工艺参数见表2。

实施例1

采用电炉或者转炉熔炼钢水，经过精炼工序后，得到满足表1中的A成分要求，余为Fe的钢水，浇铸成铸带。A1生产的工艺流程选择图2流程中无热轧；A2的生产工艺流程选择图2流程中有热轧流程。主要的工艺参数和产品的性能见表2中的A1和A2。

实施例2

采用电炉或者转炉熔炼钢水，经过精炼工序后，得到满足表1中的B成分要求，余为Fe的钢水，浇铸成铸带。B1生产的工艺流程选择图2流程中无热轧流程；B2选择图2中选择有热轧流程，主要的工艺参数和产品的性能见表2中的B1和B2。

实施例3

采用电炉或者转炉熔炼钢水，经过精炼工序后，将满足表1中的C成分要求，余为Fe的钢水，浇铸成铸带。C1生产的工艺流程选择图2流程中无热轧流程；C2选择图3中有热轧流程，主要的工艺参数和产品的性能见表2中的C1和C2。

实施例4

采用电炉或者转炉熔炼钢水，经过精炼工序后，将满足表1中的D成分要求，余为Fe的钢水，浇铸成铸带。D1生产的工艺流程选择图2流程中无热轧流程；D2选择图2中有热轧流程，主要的工艺参数和产品的性能见表2中的D1和D2。

Claims (7)

1.高硅无取向冷轧薄板，其成分重量百分比为：C≤0.01％，Si：4.5～7％，Mn≤2％，Al≤0.5％，P≤0.1％，S≤0.01％，N≤0.01％，O≤0.02％，B≤0.08％，余Fe和不可避免杂质。

2.如权利要求1所述的高硅无取向冷轧薄板，其特征是，还包含Ti，Zr，V，Sb、Cu、Cr和Ni中的一种或多种，单个元素的含量不超过0.5％，总量不超过1％，以重量百分比计。

3.如权利要求1所述的高硅无取向冷轧薄板的制造方法，其包括如下步骤：

1)按权利要求1或2的充分冶炼；

2)薄带连铸，钢水通过一对内部具有循环冷却作用的结晶辊，经过快速凝固后直接浇铸出1～5mm厚的铸带；

3)二次冷却，铸带从结晶辊浇铸出来后，经过密闭室，在密闭室内安装二次冷却装置，冷却速度大于30℃/s，二次冷却采用气体冷却，冷却气体为氩气、氮气、或氦气中的一种或几种混和气体；

4)热轧，本发明可以经过热轧和不经过热轧两种工艺，热轧压下率不大于15％，热轧温度1050～1200℃；

5)三次冷却，冷却速度不大于15℃/s；

6)卷取，卷取温度大于780℃；

7)退火，钢卷从卷取机卸卷后放至到保温炉中，退火温度大于780℃；

8)酸洗，

9)温轧，根据产品的厚度，主要的目的是进行减薄，以一道次冷轧或者带中间退火的多道次温轧，轧制温度范围350～600℃；

10)冷轧，根据产品最终厚度要求，进行多道次冷轧；

11)成品退火，对铸造并轧制的钢带进一步进行最终退火处理，退火的温度高于850℃，但低于1080℃；退火在可控气氛，例如氢气或者氢气氮气混合气体中进行。

4.如权利要求3所述的高硅无取向冷轧薄板的制造方法，其特征是，步骤7)卷取后钢卷不进行退火，钢卷直接冷却，冷却速率小于0.01℃/s，再送酸洗。

5.如权利要求3所述的高硅无取向冷轧薄板的制造方法，其特征是，二次冷却冷却速度优选大于50℃/s。

6.如权利要求3所述的高硅无取向冷轧薄板的制造方法，其特征是，热轧压下率优选小于15％。

7.如权利要求3所述的高硅无取向冷轧薄板的制造方法，其特征是，成品退火退火的温度优选高于950℃。

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