一种低温加热工艺优化的高磁感取向电工钢板及生产方法

摘要

本发明提供了一种工艺优化的高磁感取向电工钢板及生产方法，硅钢按重量%计含有C：0.025～0.050、Si：2.75～3.35、Als：0.010～0.030、N：≤0.011、S：0.006～0.012、Mn：0.15～0.3、Sn：0.001～0.060、Cr0.008～0.030、Cu：0.35～0.65，P：＜0.008其余为Fe及不可避免的杂质组成；通过本发明的热轧、冷轧和退火工艺进行生产，获得的优秀数据，已经可以大规模的稳定工业化生产。本取向硅钢产品的平均磁感强度B8在1.90T以上，已经达到高磁感取向硅钢的标准（GB/T2521-2008）。

说明书

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，特别是涉及到取向硅钢的生产技术领域。 

背景技术

在生产取向电工钢板的过程中，最终产品退火工序中产生二次再结晶，保持{110}<001>高斯织构发达，为得以良好磁性，易磁化轴<001>必须与轧向保持高度一致。高磁感取向电工钢板生产技术中有代表性的例如特公昭40-15644、特公昭51-13469记载的方法，作为抑制剂，前者用MnS及AlN，后者用MnS、MnSe、Sb等，因而直到目前的技术中起抑制剂功能的析出物，适当控制其形态、大小及弥散状态不可少。就MnS而言，为使其固溶，热轧前板坯需加热到1400℃。这一温度比普钢的板坯加热温度高出200℃以上。这么高的板坯加热温度存在以下不利方面：

1）需要取向电工钢专用的高温板坯加热炉。

2）加热炉的单位能耗高。

3）熔融氧化铁皮量增大，对操作方面的不良影响很大。

为避免这些问题，采用普钢板坯低温加热，但此时作为抑制剂有效的MnS量减少，必然造成二次再结晶不稳定。这样实现低温板坯加热，就需加入MnS以外的析出物等来强化抑制剂，以充分抑制成品退火时的正常晶粒长大。低温板坯加热的方法历来是以降低生产成本为目的，但存在的问题是较难获得优良和稳定的磁性，难以进行大规模的工业化生产。

Sn通过在晶界发生偏聚起到了重要的抑制初次晶粒正常长大的作用，从而弥补了由于硅含量的提高造成的抑制剂强度下降之不足。在高磁感取向硅钢中加入微量Cu导致形成的硫化物质点为(Mn,Cu)S和(Cu,Mn) _1.8S，而非传统的MnS。后者较前者更加细小。随着硫化物质点尺寸的减小，质点中Cu的含量不断提高。因此，加Cu相当于增加了原高磁感取向硅钢中的Mn含量，并且降低了硫化物质点的析出温度。

以往人们一直认为铜元素小于0.7 %的铜溶于α-Fe中，会促使碳石墨化，对磁性无大影响；硅钢含0.5 %Cu时，防锈能力可提高15倍，故硅钢中有时故意加入铜。硅钢中含铜大于0.7 %时，在热轧过程中会形成大量(Cu，Mn)_1.8S和(Mn，Cu)S质点，使硅钢矫顽力和磁滞损失增加并使钢变脆。一般硅钢铜含量控制为0.15 %～0.3 %。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种生产低温加热、适合于规模工业化生产、含铜量高的高磁感取向电工钢坯。本发明的另一个发明的目的就是提供一种低温加热的含铜量高、高磁感取向电工硅钢及生产方法。

本发明是这样实现的：一种用于生产取向电工钢的板坯，按重量%计含有C：0.025～0.050、Si：2.75～3.35、Als：0.010～0.030、N：≤0.011、S：0.006～0.012、Mn：0.15～0.3、Sn：0.001～0.060、Cr0.008～0.030、Cu：0.35～0.65，P：＜0.008其余为Fe及不可避免的杂质组成； 

上述的铜和Sn优选为Cu：0.50～0.65，Sn：0.008～0.06；

优选方案为C：0.028～0.045、Si：2.90～3.28、Als：0.0170～0.0210、N：0.0080～0.0095、S：0.005～0.009、Mn：0.18～0.25、Sn：0.030～0.050、Cr0.008～0.025、Cu：0.50～0.65、P：≤0.006。

另一优选方案为C：0.031～0.034、Si：3.09～3.18、Als：0.0170～0.0190、N：0.0080～0.0092、S：0.006～0.007、Mn：0.21、Sn：0.0466～0.050、Cr0.011～0.020、Cu：0.51～0.52、P：≦0.006。

上述板坯中Als，N含量控制在下式范围：

           0.0005＜Als(%)-27/14N(%)＜ 0.003   (1)

     Als(%)为钢中酸溶铝量，27/14N(%)意思为与N结合的铝量，因为AlN是Al和N以1:1的比例结合，27和14分别为Al和N的原子量，N和Als需要有以上的一种制约关系，才能保证磁性。

上述Sn/Cu（wt%）比例控制在 0.016 ＜Sn/Cu＜0.15以及Mn/S（wt%）比例控制在 20 ＜Mn/S＜50时，获得磁性最佳硅钢。

 一种将上述的板坯加工成磁性优良的取向电工钢方法，包括步骤：

①加热：将板坯经1100～1280℃，均热40～60min以上；

②热轧：A粗轧：轧成中间薄板坯36～50mm；

B精轧：制成2.1～2.5mm厚度热轧板； 

③酸洗

④冷轧：以一次冷轧至0.23～0.285mm，经过800～900℃×300s脱碳退火；

⑤渗氮： 通过750℃×30sNH₃、N₂、H₂气氛下进行渗N处理；

⑥氧化镁涂层：涂布MgO为主成分的退火隔离剂。

其中冷轧按二次冷轧以第一次冷轧至0.5～0.7mm，经过800～900℃×300s中间两段式脱碳退火，随后以第二次冷轧至0.23～0.285mm。

氧化镁涂层在N₂25%+ H₂75%的保护气中以15℃/h速度升温至1200℃，更换成100% H₂的保护气中1200℃下保温24h完成最终成品退火。

本发明加一种处理方法是加热前将板坯在加热炉快速加热至1100℃出炉，除鳞后，经粗轧机以压下率8～15%轧为195～210mm厚度，然后下线，用吊具将板坯吊至保温区用保温罩或保温坑，进行垛冷，至常温或250℃左右空冷，可长期保存用于以后组织冷坯生产；入炉后在预热段缓慢加热至650℃以上，然后进入加热区全速加热。

以上面任一种方法加工的磁性优良的取向电工钢。

本发明将使稳定最终成品磁性用于大规模工业化生产，主要采取三项措施即产生低温固溶辅助抑制剂并控制析出量、通过带有中间脱碳退火的2次冷轧法细化一次再结晶晶粒和加入晶界偏聚元素，加强抑制剂控制晶粒长大的能力。因为本发明通过选择AlN为主要抑制剂，所以要规范Als和N量来获得稳定的性能。

本发明者详细研究了低温板坯加热材生产过程中磁性变动的原因及消除对策。研究认为低温板坯中抑制剂和晶界偏聚元素在加热过程中的有效固溶和高温退火过程中二次再结晶的完善程度及二次再结晶晶粒大小对磁性有直接影响。本发明解决的对策是：①控制炼钢成分中Als和N量，满足0.0005＜Als(%)-27/14N(%)＜ 0.003（1）式中的最优配比同时在退火中氮化处理②加入Cu元素作为辅助抑制剂，1）可以补充AlN抑制能力；2）主要是添加了Cu以后，辅助抑制剂Cu₂S的固溶温度较低，从而大幅度降低了板坯加热温度。③加入Sn，并控制其含量，促进二次再结晶完善。

本发明者是以板坯中AlN固溶析出作为着眼点。发明的前提是在1280℃以下，对规定的Al、N、Si的成分范围，不保证α相中的AlN完全固溶。另外板坯的加热方式多种多样，早期生产多采用推钢式加热炉，因推钢式加热炉固定水冷梁会造成钢坯接触位置有黑印，局部温度偏低，造成AlN析出量和固溶N量的差异，会造成磁性变差，为减少上述不利影响，现在的生产绝大多数采用步进式加热炉。从热轧到脱碳退火工序，要使板坯加热时固溶的N，使其大部分作为AlN细小析出，其程度取决于板坯加热时的固溶N量。本发明者认为减少AlN量的波动，有效办法是稳定Al量和减少N量，不过一方面要务必确保二次再结晶时作为抑制剂的AlN量。另一方面要在炼钢阶段通过必要手段进行增N处理和提高命中率。使Als和N的比率在满足（1）式之外，并尽量处在中间最优位置。此种钢在以AlN为主要抑制剂的生产情况下，本发明者认为加入一定量的Cu，会起到辅助抑制能力和细化热轧板晶粒的能力，事实证明，在添加0.35%～0.65% Cu的2.3mm热轧板的晶粒平均尺寸比含微量Cu的晶粒要小，有一定的细化晶粒的作用。再者，Cu₂S有充当辅助抑制剂的能力，已经过众多实验证明，而且Cu₂S在1100～1280℃就可以固溶，这样会使加热温度大幅度降低。所以本发明者选用Cu₂S作为辅助性第二相细小弥散分布抑制剂。

C不足0.025%时，二次再结晶不稳定，不能使B₈达到1.80T以上，但是C量太高，脱碳退火时间增长，成本增加，所以控制在0.025～0.050%之间。Si量超过4.5%，冷轧断带和开裂状况明显增大，不足2.5%时，材料的电阻率下降，不能满足变压器铁芯所需要的低铁损材料，所以理想含量在3.0%以上。

为了保证作为抑制剂的AlN析出量足够，Als量必须在0.010%以上，但是超过0.030%以上，热轧板中的AlN量不适宜，二次再结晶变得不稳定，所以控制在0.010～0.030%之间。作为稳定析出AlN抑制剂的N元素是促进二次再结晶完善的关键因素，所以N量要按要求，严格控制命中率。

S作为辅助抑制剂Cu₂S的构成元素，可能钢种也会存在微量MnS,要严格控制其含量，绝不能高于上限，S量过高，二次再结晶会出现线晶，同时净化钢质时间变长，成本增加。Mn范围在0.05～0.5%，最好控制Mn/S（wt%）比例控制在 20 ＜Mn/S＜50时,磁性最佳。低于下限，热轧板板形不良，易出现边浪，太高则有害于磁性。

Sn作为晶界偏聚型元素加入，可抑制脱碳退火时晶粒长大，可在板坯加热存在几十度温差的情况下也能完全固溶并分布均匀，使最终成品的磁性变动变小。同时，本申请人还发现，当Sn/Cu（wt%）比例控制在 0.016 ＜Sn/Cu＜0.15时，生产的硅钢磁性最佳。

作为抑制剂构成元素如含有微量Sb、Cr、Ni、B、Ti、Nb等有益元素，尤其是B、Nb等氮化的构成元素，由于可改善板坯内的温度差引起的AlN析出部位不均带来的问题，如果有条件，可以积极添加。

板坯加热温度，为了保证抑制剂固溶充分而又要降低能耗，减少熔融氧化铁皮产生量，限定在1280℃以下，最好在1260℃以下。加热后按板坯常规方式热轧，但粗轧出口温度要控制在1100℃以上，热轧终了温度要控制在900～1050℃。

热轧最后3道次累计压下率控制在40%以上，以降低磁性的离散度。为减少磁性波动并具有很高磁性，最终道次热轧后，通常先空冷2s～10s，再水冷冷至400～600℃温度卷取。留有空冷时间是为了促进热轧后再结晶，以稳定磁性.随后热轧板不进行退火，酸洗后，以总压下率80～90%进行冷轧，需要特别说明的是，1次冷轧后进行中间两段式脱碳退火，前段通过830℃×250s脱碳，后段在氧化度小于脱碳气氛的保护气体中830℃×50s只退火、不脱碳，可以降低加工硬化并使一次再结晶晶粒细小，然后再进行2次冷轧，轧成最终板厚0.285mm。

随后在涂覆以MgO为主的隔离剂之前，进行一次750℃×30s的渗N处理，保证抑制剂中N量，最后经成品高温75%H₂+25%N₂气氛下再次渗N退火，最终纯氢净化钢质后，磁性较高，而且稳定。

具体实施方式

生产取向硅钢的整个工艺为：炼钢→连铸→加热炉→热轧→酸洗（常化）→一次冷轧→中间(脱碳)退火→二次冷轧→脱碳或回复退火（MgO涂层）→高温退火→拉伸平整退火（绝缘涂层）→成品（剪切）包装。

其中生产230mm钢坯的工艺为：铁水预处理→复吹转炉吹炼→RH精炼微调→连铸机。在此工艺基础上生产出本发明钢坯所需成份；其中铜和其加入成份也是在此工艺中以纯铜块加入的。

实施例1

按重量%计通过加入0.50的Cu，制成含C：0.035，Si：3.15，Mn：0.018，S：0.0075，P：0.007，N：0.010，Als：0.018，Sn：0.006，等为主成分的230mm钢坯，并经过1100～1280℃加热，均热40min以上，出炉热轧，先经过粗轧5道次至中间薄板坯38mm，再通过6道次精轧，最终制成2.3mm厚度热轧板，空冷3s后水冷，冷却至570℃以下卷取。不经过退火后直接经过酸洗，通过87%以上总压下率，835℃×300s左右中间两段式脱碳退火，脱碳退火后，2次冷轧至最终板厚0.285mm。并通过750℃×25sNH₃、N₂、H₂气氛下进行渗N处理，使钢板中最终N含量稳定在100ppm左右。经过最终涂覆隔离剂进行高温75%H₂+25%N₂气氛下，成品退火后。测定B₈，见（表1）同一板坯成分经过加热条件a.1240℃b.1245℃c.1250℃d.1255℃e.1260℃f.1265℃左右不超过1270℃，在炉总时间                                                270min240min210min加热，最终产品性能波动较小且比较稳定，证明本成分系低温热轧效果显著，而且有可以进一步降低热轧温度的基础。

 

表1

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实例2：以重量wt%C：0.038、Si：3.12、Mn：0.21、S：0.005、N：0.008、Als：0.0180、Cr：0.013为基本成分，Cu量添加0.188wt%、0.358wt%、0.415wt%、0.520wt%，其余为Fe及不可避免组成制成的230mm板坯，板坯经a. 1255℃ b.1265℃的温度60min均热后，开始直接热轧，经过5道次粗轧到38mm厚，6道次轧成2.3mm厚的热轧板。之后，热轧终了后空冷2s后用水冷却到550℃进行卷取。热轧板经酸洗以压下率约72%第一次冷轧至0.635mm，经过830℃×300s中间两段式脱碳退火，随后以压下率约为55%第二次冷轧至0.285mm，然后通过750℃×30sNH₃、N₂、H₂气氛下进行渗N处理。涂布MgO为主成分的退火隔离剂，在N₂25%+ H₂75%的保护气中以15℃/h速度升温至1200℃，更换成100% H₂的保护气中1200℃下保温24h完成最终成品退火。实验条件及磁性结果示于表2，比较例No1～6，因板坯加热条件磁性B₈的差大，而本发明No7～8的差值小。

 

表2

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实例3：以wt%C：0.036、Si：3.25、Mn：0.18、S：0.007、N：0.008、Als：0.0189、Cu：0.55、Cr：0.018为基本成分，Sn量添加0.01、0.02、0.05，其余为Fe及不可避免组成制成的230mm板坯，板坯经a. 1255℃ b.1265℃的温度60min均热后，开始直接热轧，经过5道次粗轧到38mm厚，6道次轧成2.3mm厚的热轧板。之后，热轧终了后空冷2s后用水冷却到550℃进行卷取。热轧板经酸洗以压下率约72%第一次冷轧至0.635mm，经过830×300s中间两段式脱碳退火，随后以压下率约为55%第二次冷轧至0.285mm，然后通过750℃×30sNH₃、N₂、H₂气氛下进行渗N处理。涂布MgO为主成分的退火隔离剂，在N₂25%+ H₂75%的保护气中以15℃/h速度升温至1200℃，更换成100% H₂的保护气中1200℃下保温24h完成最终成品退火。实验条件及磁性结果示于表3，比较例No1～4，因板坯加热条件磁性B₈的差大，而本发明No5～6的差值小。

 

表3

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实例4：以wt%C：0.036、Si：3.25、Mn：0.18、S：0.007、N：0.008、Als：0.0189、Cr：0.018为基本成分，Sn、Cu量添加Sn：0.01、Cu：0.20、Sn：0.03、Cu：0.35、 Sn：0.048、Cu：0.50、Sn：0.052、Cu：0.60、Sn：0.060、Cu：0.65，其余为Fe及不可避免组成制成的230mm板坯，板坯经a. 1255℃ b.1265℃的温度60min均热后，开始直接热轧，经过5道次粗轧到38mm厚，6道次轧成2.3mm厚的热轧板。之后，热轧终了后空冷2s后用水冷却到550℃进行卷取。热轧板经酸洗以压下率约72%第一次冷轧至0.635mm，经过830×300s中间两段式脱碳退火，随后以压下率约为55%第二次冷轧至0.285mm，然后通过750℃×30sNH₃、N₂、H₂气氛下进行渗N处理。涂布MgO为主成分的退火隔离剂，在N₂25%+ H₂75%的保护气中以15℃/h速度升温至1200℃，更换成100% H₂的保护气中1200℃下保温24h完成最终成品退火。实验条件及磁性结果示于表3，比较例No1～4，因板坯加热条件磁性B₈的差大，而本发明No5～6的差值小。

表4

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实例5：以wt%C：0.035、Si：3.12、Mn：0.21、S：0.006、N：0.009、Als：0.0187、Cu：0.55、Sn：0.056、Cr：0.015为基本成分，其余为Fe及不可避免组成制成的230mm板坯，板坯经a. 1255℃ b.1265℃的温度60min均热后，开始直接热轧，经过5道次粗轧到38mm厚，6道次轧成2.3mm厚的热轧板。之后，热轧终了后空冷2s后用水冷却到550℃进行卷取。热轧板经酸洗按常规方式生产，以压下率约87%一次冷轧至0.285mm，经过800～900℃×300s脱碳退火，然后通过750℃×25sNH₃、N₂、H₂气氛下进行渗N处理。按二次冷轧以压下率约72%第一次冷轧至0.635mm，经过830℃×300s中间两段式脱碳退火，随后以压下率约为55%第二次冷轧至0.285mm，然后通过750℃×25sNH₃、N₂、H₂气氛下进行N化处理。涂布MgO为主成分的退火隔离剂，在N₂25%+ H₂75%的保护气中以15℃/h速度升温至1200℃，更换成100% H₂的保护气中1200℃下保温24h完成最终成品退火。实验条件及磁性结果示于表5，比较例No1～4，因板坯加热条件磁性B8的差大，而本发明No3～4的磁性明显要高小。

 

表5

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实例6：以wt%C0.032、Si：3.08、Mn：0.19、S：0.006、N：0.0078、Als：0.0186、Cu：0.501、Cr：0.014、Sn：0.060为基本成分（a），其余为Fe及不可避免组成制成的230mm板坯，板坯加热炉快速加热至1100℃出炉，除鳞后，经粗轧机以压下率8～10%轧为200～210mm厚度，然后下线，用吊具将板坯吊至保温区用保温罩或保温坑，进行垛冷，至常温或250℃左右空冷，此板坯在保存过程中表面无裂纹，板坯内部无内裂，可长期保存用于以后组织冷坯生产。入炉后在预热段缓慢加热至650℃以上，进入1加热区全速加热，后期生产按本发明的2次冷轧，中间脱碳退火法生产的此种钢和经过连铸直接入炉，并热轧的此种钢的性能如下表6，经过对比，磁性无差异，本生产方法可以在电工钢生产过程中得以合理应用。

表6

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实例7：

以具体实际生产案例举证：

优选方案为：

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以上述元素为主要成分，其余为Fe和其它小于0.003wt%的夹杂元素的热轧板卷，通过本发明的热轧、冷轧和退火工艺进行生产，获得的优秀数据，已经可以大规模的稳定工业化生产；本优选方案取向硅钢产品的平均磁感强度B₈在1.90T以上，已经达到高磁感取向硅钢的标准（GB/T2521-2008）。