專利名稱：高硅無取向冷軋薄板及其制造方法
技術領域：
本發明涉及冷軋無取向硅鋼薄板的制造方法，特別涉及一種含硅量4-7%的高硅無取向冷軋薄板及其制造方法。
背景技術：
硅鋼是一種重要的軟磁材料，約占磁性材料總量的90-95%，又被稱作是電工鋼， 是發展電力和電訊工業的基礎材料之一，被用來制造電機、變壓器和鎮流器鐵芯以及各種電器元件，是電力、電子和軍事工業中不可缺少的重要軟磁合金。硅鋼又分為取向硅鋼和無取向硅鋼；無取向硅鋼可分為冷軋無取向硅鋼和熱軋無取向硅鋼。目前熱軋無取向硅鋼很少，主要是冷軋無取向硅鋼。近年來高頻設備在增加，但隨著高頻化的發展，出現了鐵損增加及磁致伸縮而帶來的噪音問題。眾所周知，硅鋼片中的硅含量對其產品的特性(如磁感應強度和鐵損)影響很大。研究表明隨著硅含量的增加，硅鋼片的電阻率增大，渦流損失減小，從而在較高頻率下表現出優良的磁性。當Si約6. 5wt%時，電阻率為82 μ Ω cm，飽和磁致伸縮系數幾乎為零，最大導磁率達到最高，鐵損達到最低，而且磁晶各向異性常數約為3wt% Si硅鋼的一半。所以，含Si約6.合金具有良好的軟磁性能。但是，隨著Si含量的增加， 尤其當超過5%以后，由于B2或D03 O^e3Si)有序相的出現，合金變得既硬又脆，為典型的晶間斷裂，使機械加工性能急劇惡化，工業化生產很困難。目前典型的高硅鋼的生產方法主要有1.傳統工藝，開發了三軋法。將鋼水澆鑄成鑄坯，經過熱軋、溫軋、冷軋生產高硅鋼。該方法的主要缺點是工藝流程長，因為鑄坯較厚，熱軋減薄過程很容易出現裂紋，生產穩定性差。2.快速凝固。通過合金的快速凝固工藝解決高硅合金體系的加工脆性問題。典型的工藝是通過單輥激冷法，急冷制帶法生產出0. 03-0. Imm的帶鋼。或者通過雙輥激冷生產出100 400um厚的薄帶。該方法的主要問題是生產率低，無法形成工業化生產規模。而且生產出的薄帶由于是鑄態組織，帶厚均勻性差。3.滲硅法-CVD工藝。主要是利用傳統的取向和無取向硅鋼片的表面和硅化物之間的高溫化學反應，使Si富集在硅鋼片上，得到高硅的產品。這是迄今為止制造高硅最成熟的工藝。該工藝流程復雜，需要特殊的設備，在傳統的生產線上無法進行。中國專利CN200610125M1. 2涉及一種低碳高硅硅鋼薄板的制備方法，采用濺射沉積法將不同靶材在基材兩面交替或同時沉積；中國專利CN200610114114. 4公開了一種采用連續磁控濺射物理氣相沉積制備狗_6. 5wt% Si薄板方法，該方法在低硅鋼帶表面進行硅薄膜沉積，制備得到鍍膜鋼帶并進行高溫擴散處理；中國專利CN200610001793. 4公開了一種采用包埋滲硅工藝制備高硅電工鋼的方法，通過控制化學熱處理的工藝參數，從而獲得具有低損耗、低磁滯伸縮系數、低矯頑力的含硅量為6. 5%左右的高硅電工鋼；中國專利CN200610009613. 7公開了一種超薄、大尺寸、高硅硅鋼片電子束物理氣相沉積制備方法，采用電子束轟擊高硅鋼原料+蒸汽沉積工藝制備高硅鋼片。中國專利CN200310115098. 7公開了一種采用傳統軋制工藝制備金屬間化合物基軟磁材料-含硼、鈦、鋯、釩的I^e3Si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，采用鑄錠退火、控制鍛造、熱軋、熱軋板退火、溫軋溫度及時間等措施，成功制備出厚度為0. 10 0. 30mm的含!ie3Si基合金薄板；中國專利CN200710099130. 5公開了一種采用高硅鋼中添加B元素進行熱軋、快速冷卻和溫軋工藝相結合的制備方法；中國專利 CN200410004404. 4公開一種制備i^el4Si2系基有序合金薄板的技術，通過逐步增塑法成功地降低合金的脆韌轉變溫度，提高合金薄板的拉伸塑性。中國專利CN200480017919.6涉及一種非取向電工鋼的方法，該方法采用熱軋工藝制備的電工鋼體積電阻率至少20μ Ω-cm、 峰值奧氏體體積分數Yll50°C至少5wt%。日本專利 JP2001098325 介紹了含有 0. 1 7% Si，0. 1 1. 5% Μη,Ο. 1 2. 5% Al的硅鋼的軋制工藝。上述專利的主要特征都是先澆鑄成鑄錠，再進行熱軋溫軋等工藝。利用短流程的低成本及快速凝固優勢生產電工鋼是世界各國冶金工作者追求的目標。薄帶連鑄連軋技術，其生產工藝的主要特點就是鋼水通過一對內部具有循環冷卻作用的鑄軋輥，經過快速凝固后直接澆鑄出1 5mm厚的鑄帶，鑄帶經過一道次在線熱軋后卷取直接生產出熱軋卷。在生產成本上具有優勢，同時也有利于節約能源和保護環境。日本專利JP05279739A、JP05255753A公開了一種用薄帶連鑄生產無取向硅鋼的方法。其成分范圍是硅0. 1 8%，工藝流程是經過雙輥澆鑄0. 3 4mm的鑄帶經過溫度大于1050°C熱軋，熱軋的壓下率小于60%。該工藝主要的特點是通過600 1000°C采用急冷的方法，達到控制晶粒度和性能的目的。該專利雖然給出了硅的范圍很大，在其實施例中硅的最高含量只有3. 15%。當硅含量大于4%時，硅鋼尤其當超過5%以后，由于B2或 D03 (Fe3Si)有序相的出現，合金變得既硬又脆，為典型的晶間斷裂，使機械加工性能急劇惡化，與硅含量小于4%在材料特性上有本質的區別，而本專利并沒有將硅大于4%的特殊性體現出來。日本專利JP05279740A，JP06128642公開了一種薄帶連鑄生產高硅無取向硅鋼的方法。其主要的成分為 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等其中至少一個元素。其主要的工藝是通過薄帶生產的帶厚0. 56 0. 62mm的鑄帶，然后不經過熱軋直接冷軋，冷軋的壓下率為 5% 40%。再經過1050°C，30s時間的熱處理，達到生產高硅無取向硅鋼的目的。該專利主要的技術特征是澆鑄出來的帶厚小于1mm，帶厚薄，凝固速度快，通過凝固細晶達到目的。本發明生產的帶厚大于1mm，通過合金化和后續的工藝達到制備冷軋薄帶的目的。
發明內容
針對上述傳統的連鑄-熱軋生產方式和薄板坯連鑄連軋方式存在的不足，本發明的目的在于提供一種高硅無取向冷軋薄板及其制造方法，采用薄帶連鑄工藝直接生產出 1 5mm的鑄帶，通過對凝固、冷卻過程的控制獲得具有一定晶粒尺寸和織構的帶鋼，經過后續的熱軋、冷軋等工序，生產出高性能的高硅冷軋薄板。為達到上述目的，本發明的技術解決方案如下。
高硅無取向冷軋薄板，其成分重量百分比為C ( 0.01 %, Si :4. 5 7%， Mn 彡 2%，Al 彡 0. 5%，P 彡 0. 1%，S 彡 0. 01%，N 彡 0. 01%，0 彡 0. 02%，B 彡 0. 08%，余
Fe和不可避免雜質。進一步，還包含Ti，Zr，V，Sb、Cu、Cr和Ni中的一種或多種，單個元素的含量不超過0.5%，總量不超過1%，以重量百分比計。在本發明高硅無取向冷軋薄板的成分中碳0. 01%以下。碳是強烈地阻礙晶粒長大的元素，引起鐵損增加和磁時效。超過 0. 01%將給脫碳帶來嚴重負擔。硅4.5 7%。硅是硅鋼片中的重要合金元素，對硅鋼的電磁性能有明顯的影響。當Si約6. 5wt%時，電阻率為82 μ Ω cm，飽和磁致伸縮系數幾乎為零，最大導磁率達到最高，鐵損達到最低，而且磁晶各向異性常數約為3wt% Si硅鋼的一半。所以，含Si約 6. 5wt%的!^e-Si合金具有良好的軟磁性能。但是，隨著Si含量的增加，尤其當超過5%以后，由于B2或D03(!^3Si)有序相的出現，合金變得既硬又脆，為典型的晶間斷裂，使機械加工性能急劇惡化，加工性很差，使后續軋制變得很困難。錳小于2%。錳主要改善電工鋼的表面狀態，錳的作用與硫含量有密切關系，錳與硫形成MnS，可防止沿晶界形成低熔點的FeS所引起的熱脆現象。錳含量高于2%將使鋼板加工性裂化。鋁小于0.5%。鋁是增加電阻元素，是電工鋼最重要的合金元素。鋁在鐵中的作用與硅相似，縮小奧氏體區和促使晶粒長大，會提高體積電阻率，降低鐵損，提高硬度。磷小于0. 2%。在鋼中添加一定的磷可以改善鋼板的加工性，但超過0. 2%時，反而使鋼板冷加工性裂化。硫0. 01 %以下。超過0. 01 %將使MnS等S化物析出量大大增加，強烈阻礙晶粒長大，鐵損劣化。氧0. 02%以下。氧形成Si02、Al2O3和MnO等氧化物夾雜，超過0.02%將使氧化夾雜量大大增加，強烈阻礙晶粒長大，同時使夾雜引起的的退磁場增加，鐵損和磁感劣化。氮0. 01%以下。氮為有害元素，使矯頑力升高，導磁率降低。超過0.01%將使ALN 等氮化物析出量大大增加，強烈阻礙晶粒長大，鐵損劣化。硼小于0.08%。硼在體心立方結構金屬間化合物中的分布對其變形能力有顯著的影響。硼改善塑性的實質是降低了該化合物的反向疇界能，同時，Fe3Si基合金的鑄態組織通過添加合適的B得到了明顯的細化。從而使!^e3Si基合金的不可軋制極限溫度降低， 有助實現冷軋。其他元素成分中還包含Ti，Zr，V，Sb、Cu、Cr和Ni中的一種或多種，單個元素的含量不超過0.5%，總量不超過1%。可以改善成品板的織構。但含量增加后，使磁性降低。本發明的如權利要求1所述的高硅無取向冷軋薄板的制造方法，其包括如下步驟1)按權利要求1或2的充分冶煉；2)薄帶連鑄，鋼水通過一對內部具有循環冷卻作用的結晶輥，經過快速凝固后直接澆鑄出1 5mm厚的鑄帶；3) 二次冷卻，鑄帶從結晶輥澆鑄出來后，經過密閉室，在密閉室內安裝二次冷卻裝置，冷卻速度大于30°C /s，優選大于50°C /s ；二次冷卻采用氣體冷卻，冷卻氣體為氬氣、氮氣、或氦氣中的一種或幾種混和氣體；4)熱軋，本發明可以經過熱軋和不經過熱軋兩種工藝，熱軋壓下率不大于15%， 優選小于15%，熱軋溫度1050 1200°C ；5)三次冷卻，冷卻速度不大于15°C /s ；6)卷取，卷取溫度大于780°C ；7)退火，鋼卷從卷取機卸卷后放至到保溫爐中，退火溫度大于780°C ；8)酸洗，9)溫軋，根據產品的厚度，主要的目的是進行減薄，可以一道次冷軋或者帶中間退火的多道次溫軋，軋制溫度范圍350 600°C ；10)冷軋，當材料的達到一定的塑性后，根據產品最終厚度要求，進行多道次冷軋；11)成品退火，對鑄造并軋制的鋼帶進一步進行最終退火處理，退火的溫度高于 850°C，但低于1080°C，退火溫度優選高于950°C ；退火在可控氣氛，例如氫氣或者氫氣氮氣混合氣體中進行。進一步，步驟7)卷取后鋼卷不進行退火，鋼卷直接冷卻，冷卻速率小于0. Ol0C /s, 再送酸洗。在本發明的制造方法中澆鑄，鋼水通過一對內部具有循環冷卻作用的結晶輥，經過快速凝固后直接澆鑄出1 5mm厚的鑄帶。該步驟一方面要將鋼水在結晶輥內快速凝固成一定厚度規格的鑄帶。二次冷卻，鑄帶從結晶輥澆鑄出來后，經過密閉室，在密閉室內安裝二次冷卻裝置，以控制鑄帶的冷卻速度，使其冷卻速度大于30°C /s。這是因為鑄帶在高溫晶粒長大很快，必須控制晶粒長大的速度。本發明的二次冷卻由氣噴嘴和支架等組成，其壓力、流量和位置可以調節和控制。冷卻氣體可以是氬氣、氮氣、氦氣等惰性氣體，或者是幾種混和氣體。 通過控制支架距離鑄帶的距離，以及氣體類型、比例、流量、壓力等實現對鑄帶冷卻速度的控制。優選冷卻速度大于50°C/s。熱軋，本發明可以經過熱軋和不經過熱軋兩種工藝。熱軋的壓下率不大于15%。 熱軋溫度1050 1200°C。如果熱軋壓下率大于15%，則熱軋工藝會使硅鋼發生再結晶，使鑄態中有利織構被破壞，同時由于邊部和中心溫度不均勻，熱軋后的再結晶組織會不均勻， 這導致產品的性能不穩定。不大于15%的熱軋目的是平整作用，改善鑄帶的板形和厚度差， 并不是為了減薄鑄帶或者改善內部質量。優選壓下率小于15%。三次冷卻，冷卻速度不大于15°C /S。隨著硅含量的增加，鋼種脆性相增加，很容易形成表面裂紋，尤其在快速冷卻的條件下，為了提高表面質量，減少裂紋發生，采取緩慢冷卻。本發明采用空冷方式進行。卷取，卷取溫度大于780°C。當卷取溫度低時，容易產生裂紋。在卷取的過程中，高的卷取溫度可以達到進一步減緩冷卻速率的作用。退火，鋼卷從卷取機卸卷后放至到保溫爐中，溫度大于780°C。軋后熱處理的主要目的是使材料得到軟化，提高合金的性能，以利于后續進一步降溫軋制。這是因為當熱軋壓下比率小時，晶粒沒有發生動態再結晶，退火時，材料發生靜態再結晶，控制合適的退火溫度和退火時間，就可以得到細小的晶粒組織。退火后，材料在冷變形條件下加工，具有一定的塑性。酸洗，是最普通的除磷方法。一種或者多種無機酸的水溶液對金屬表面進行化學
清洗處理。溫軋，其主要的目的是提高材料的塑形，達到減薄的作用。根據產品的厚度要求以及鋼種的成分，可以一道次冷軋或者帶中間退火的多道次溫軋，軋制溫度范圍350 600 "C。冷軋，當材料的達到一定的塑性后，根據產品最終厚度要求，進行多道次冷軋。成品退火，對鑄造并軋制的鋼帶進一步進行最終退火處理，在退火處理中，獲得所要求的磁性能。退火的溫度高于850°C，但低于1080°C ；優選方案高于950°C ；退火在可控氣氛，例如氫氣或者氫氣氮氣混合氣體中進行。需要說明的是，對于高硅鋼生產的難點是由于高硅中形成了 Fe3Si的脆性相，使得后續無法軋制和加工。本發明的關鍵點就是通過成分設計和相應的制造工藝，提高材料的塑形。加入B 就是為了細化薄帶連鑄的鑄態組織；同時制造工藝中控制二次冷卻的冷卻速度大于50°C / s，其目的也是細化奧氏體晶粒，晶粒細化不僅可以提高材料的強度，還可以有效地提高材料的塑形。三次冷卻的區域是i^3Si有序無序轉變溫度范圍，通過控制冷卻速度不大于 15°C /s，減少脆性相的析出，減少表面裂紋的產生。為了提高無取向硅鋼的中有利織構的比例，控制熱軋壓下率不大于15%，保留鑄帶組織中織構。另外，本發明成分中還通過添加 Ti、Zr、V、Sb、Cu、Cr 和 Ni，進一步改善了織構。本發明的有益效果(1)由于硅含量高，尤其當超過5%以后，由于B2或D03(!^3Si)有序相的出現，合金變得既硬又脆，為典型的晶間斷裂，熱軋難度很大，會導致開裂。與傳統的工藝相比，本發明直接用薄帶連鑄能夠澆鑄薄規格帶鋼，減少了熱軋工序，避免了熱軋開裂。減少了設備損耗，降低了設備維護檢修成本。同時，薄帶連鑄直接澆鑄的的鑄帶中鑄態組織中的柱狀晶是有利織構面特點，提高了性能。(2)本發明通過薄帶連鑄快速凝固的特點，放寬了無取向硅鋼冶煉的成分范圍，降低了冶煉成本。(3)本發明工藝流程短、能耗低、效率高、生產成本低、制造方法簡單、節能降耗明
Mo
圖1為本發明涉及的薄帶連鑄連軋機組工藝流程示意圖；圖2為本發明無取向硅鋼冷軋薄板制造的工藝流程示意圖。
具體實施例方式下面用實施例對本發明作進一步闡述。本實施例中無取向硅鋼冷軋薄板的制造流程為經過轉爐或者電爐冶煉、經過精煉工序后，冶煉出溫度和成分滿足要求的鋼水，經過雙輥薄帶連鑄，二次冷卻、熱軋(不超過15% )、三次冷卻、卷取、退火、溫軋、冷軋、最終成品退火，獲得滿足用戶需求的高磁感低鐵損的冷軋無取向高硅鋼薄板。如圖1所示，經過轉爐或者電爐冶煉、經過精煉工序后，冶煉出溫度和成分滿足要求的鋼水。達到本發明實施例的鋼水冶煉成分見表1，有A、B、C、D四個成分，單位為重量百分比。鋼水從鋼包1經過長水口 2、中間包3和浸入式水口 4澆入到由兩個相向旋轉的水冷結晶輥5、5’和側封板6形成的熔池7內，經過水冷結晶輥5、5’的冷卻形成1 5mm鑄帶8，鑄帶經過在密閉室14內的二次冷卻裝置15控制其冷卻速度，通過擺動導板9、夾送輥 10將鑄帶8送至熱軋機11，再經三次冷卻裝置12，直至卷取機13。密閉室14內的氣體是惰性氣體的保護性氣氛。二次冷卻由氣噴嘴和支架等組成，其壓力、流量和位置可以調節和控制。冷卻氣體可以是氬氣、氮氣、氦氣等惰性氣體，或者是幾種氣體的混和氣體。三次冷卻為空冷。將鋼卷從卷取機取下后，直接運輸至保溫爐中，退火，然后經過一道次或者多道次溫軋、最終成品退火等工藝，獲得滿足用戶需求的高磁感低鐵損的冷軋無取向高硅鋼薄板。主要的工藝流程見圖2。在該流程中，可以不經過熱軋直接冷軋；也可以小于15% 熱軋。溫軋可以一次溫軋，也可以采取多道次溫軋。主要的工藝參數見表2。實施例1采用電爐或者轉爐熔煉鋼水，經過精煉工序后，得到滿足表1中的A成分要求，余為狗的鋼水，澆鑄成鑄帶。Al生產的工藝流程選擇圖2流程中無熱軋；A2的生產工藝流程選擇圖2流程中有熱軋流程。主要的工藝參數和產品的性能見表2中的Al和A2。實施例2采用電爐或者轉爐熔煉鋼水，經過精煉工序后，得到滿足表1中的B成分要求，余為狗的鋼水，澆鑄成鑄帶。Bl生產的工藝流程選擇圖2流程中無熱軋流程；B2選擇圖2中選擇有熱軋流程，主要的工藝參數和產品的性能見表2中的Bl和B2。實施例3采用電爐或者轉爐熔煉鋼水，經過精煉工序后，將滿足表1中的C成分要求，余為 Fe的鋼水，澆鑄成鑄帶。Cl生產的工藝流程選擇圖2流程中無熱軋流程；C2選擇圖3中有熱軋流程，主要的工藝參數和產品的性能見表2中的Cl和C2。實施例4采用電爐或者轉爐熔煉鋼水，經過精煉工序后，將滿足表1中的D成分要求，余為 Fe的鋼水，澆鑄成鑄帶。Dl生產的工藝流程選擇圖2流程中無熱軋流程；D2選擇圖2中有熱軋流程，主要的工藝參數和產品的性能見表2中的Dl和D2。
權利要求
1.高硅無取向冷軋薄板，其成分重量百分比為C<0.01%，Si:4.5 7%，Mn<2%， Al 彡 0. 5%，P 彡 0. 1%，S 彡 0. 01%，N 彡 0. 01%，0 彡 0. 02%，B 彡 0. 08%，余 Fe 和不可避免雜質。
2.如權利要求1所述的高硅無取向冷軋薄板，其特征是，還包含11，&，￥，513、01、(>和 Ni中的一種或多種，單個元素的含量不超過0.5%，總量不超過1%，以重量百分比計。
3.如權利要求1所述的高硅無取向冷軋薄板的制造方法，其包括如下步驟1)按權利要求1或2的充分冶煉；2)薄帶連鑄，鋼水通過一對內部具有循環冷卻作用的結晶輥，經過快速凝固后直接澆鑄出1 5mm厚的鑄帶；3)二次冷卻，鑄帶從結晶輥澆鑄出來后，經過密閉室，在密閉室內安裝二次冷卻裝置， 冷卻速度大于30°C /s，二次冷卻采用氣體冷卻，冷卻氣體為氬氣、氮氣、或氦氣中的一種或幾種混和氣體；4)熱軋，本發明可以經過熱軋和不經過熱軋兩種工藝，熱軋壓下率不大于15%，熱軋溫度 1050 1200°C ；5)三次冷卻，冷卻速度不大于15°C/s ；6)卷取，卷取溫度大于780°C；7)退火，鋼卷從卷取機卸卷后放至到保溫爐中，退火溫度大于780°C；8)酸洗，9)溫軋，根據產品的厚度，主要的目的是進行減薄，以一道次冷軋或者帶中間退火的多道次溫軋，軋制溫度范圍350 600°C ；10)冷軋，根據產品最終厚度要求，進行多道次冷軋；11)成品退火，對鑄造并軋制的鋼帶進一步進行最終退火處理，退火的溫度高于 850°C，但低于1080°C ；退火在可控氣氛，例如氫氣或者氫氣氮氣混合氣體中進行。
4.如權利要求3所述的高硅無取向冷軋薄板的制造方法，其特征是，步驟7)卷取后鋼卷不進行退火，鋼卷直接冷卻，冷卻速率小于0. Ol0C /s，再送酸洗。
5.如權利要求3所述的高硅無取向冷軋薄板的制造方法，其特征是，二次冷卻冷卻速度優選大于50°C /s。
6.如權利要求3所述的高硅無取向冷軋薄板的制造方法，其特征是，熱軋壓下率優選小于15%。
7.如權利要求3所述的高硅無取向冷軋薄板的制造方法，其特征是，成品退火退火的溫度優選高于950°C。
全文摘要
高硅無取向冷軋薄板，其成分重量百分比為C≤0.01％，Si4.5～7％，Mn≤2％，Al≤0.5％，P≤0.1％，S≤0.01％，N≤0.01％，O≤0.02％，B≤0.08％，余Fe和不可避免雜質。本發明采用薄帶連鑄工藝直接生產出1～5mm的鑄帶，通過對凝固、冷卻過程以及在線熱軋的控制獲得具有一定晶粒尺寸和織構的帶鋼，經過后續的退火、溫軋、冷軋、成品退火等工序，生產出高性能無取向高硅冷軋薄板。
文檔編號C22C38/58GK102199721SQ201010132628
公開日2011年9月28日 申請日期2010年3月25日 優先權日2010年3月25日
發明者于艷, 方園, 王成全 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司