晶粒取向硅鋼板的制造方法、晶粒取向電工鋼板及其應(yīng)用
【專利說(shuō)明】晶粒取向硅鋼板的制造方法、晶粒取向電工鋼板及其應(yīng)用
[0001] 本發(fā)明涉及一種磁性能Fe-Si晶粒取向電工鋼的制造方法。這種材料被用于例如 變壓器的制造。
[0002] 向Fe-Si晶粒取向鋼賦予磁性能是磁感應(yīng)最經(jīng)濟(jì)的來(lái)源。從化學(xué)組成的角度來(lái) 看，將硅加入鐵是增加電阻率很常見的方式，從而改善磁性能，并同時(shí)減少總功率損耗。目 前共存兩類用于電氣設(shè)備的鋼的構(gòu)造：晶粒取向鋼和非取向晶粒鋼。
[0003] 當(dāng)晶面{110}在理想情況下平行于軋制平面，且晶向〈001〉在理想情況下平行于 軋制方向時(shí)，所謂的高斯織構(gòu){110}〈001〉為晶粒取向鋼提供顯著的磁特性。后者的軋制 方向?qū)?yīng)于易磁化方向。
[0004] 構(gòu)成Fe-Si晶粒取向鋼的基體并具有接近理想的{110}〈001〉晶體學(xué)取向的鐵素 體晶粒通常被稱為尚斯晶粒。
[0005] 當(dāng)涉及磁性能時(shí)，下面的性能用來(lái)評(píng)估電工鋼的效率：
[0006] ?磁感應(yīng)強(qiáng)度，由特斯拉表示，作為在施加了 800A/m磁場(chǎng)下測(cè)量的參比值，其在本 文中被稱為J800。這個(gè)值表示晶粒接近高斯織構(gòu)的程度，越高越好。
[0007] ?鐵芯功率損耗，由W/kg表示，在以特斯拉（T)表示的特定磁感應(yīng)強(qiáng)度和以赫茲表 示的工作頻率下測(cè)量?？偟膿p耗越小越好。
[0008] 許多冶金參數(shù)可能影響上述性能，最常見的是：材料的織構(gòu)、鐵素體晶粒尺寸、析 出物的尺寸和分布、材料的厚度、隔離覆層和最終的表面熱處理。由此，為達(dá)到目標(biāo)要求，從 鑄造到最終表面熱處理的熱-機(jī)械加工工藝是至關(guān)重要的。
[0009] 一方面，關(guān)于高磁通密度板，EP2077164公開了一種具有B10彡1. 90T的晶粒取向 硅級(jí)鋼的生產(chǎn)方法，使用：C :0. 010到0. 075%，Si :2. 95至4%，酸溶鋁：0. 010至0. 040%， N :0. 0010至0. 0150%，且S和Se的一者或二者在0. 005至0. 1 %之間，余量為Fe和不可 避免的雜質(zhì)。鑄造后制成的型鋼具有20至70毫米范圍之間的厚度?？梢栽谏鲜龌瘜W(xué)組分 中加入以下元素之一 ：Sb :0? 005%至 0? 2%，Nb :0? 005%至 0? 2%，Mo :0? 003%至 0? 1%， Cu:0. 02%至0. 2%，Sn:0. 02%至0. 3%。在熱軋前容許的最低溫度為1200°C。這種加工 路線相當(dāng)耗能，因?yàn)榧词箤?duì)棒材立即實(shí)施熱軋，在鑄造后保持棒材高于1200°C甚至1250 °C 會(huì)需要更多能量。
[0010] 另一方面，US2009/0301157涉及一種方法和系統(tǒng)，用于生產(chǎn)為進(jìn)一步加工成晶粒 取向鋼板的熱軋帶硅合金鋼。鑄造的板坯具有120_的最大厚度。該發(fā)明需要至少1200°C 的鑄造產(chǎn)品進(jìn)入熱軋線的入口溫度，優(yōu)選超過(guò)1250°C。該發(fā)明涉及針對(duì)多功能的方法和系 統(tǒng)，因而沒有公開化學(xué)組成。如前所述板坯重新加熱是重要步驟，在此為兩部分：采用第一 預(yù)加熱步驟和接下來(lái)的強(qiáng)化加熱步驟。由于鑄造產(chǎn)品在強(qiáng)化加熱步驟要被再次加熱，可參 考該文獻(xiàn)圖6所展示系統(tǒng)圖，這樣的加工路線相當(dāng)耗能。
[0011] 本發(fā)明目的在于提供熱軋F(tuán)e-Si鋼板的制造方法，包括以下連續(xù)步驟：
[0012] -熔融包含以下的鋼組成，以重量百分比計(jì)：
[0013] 2. 8彡Si彡4，
[0014] 0.20彡Cu彡0.6，
[0015] 0.05 彡Mn彡 0.4，
[0016] 0. 001 彡 A1 彡 0. 04，
[0017] 0? 025彡C彡0? 05，
[0018] 0? 005彡N彡0? 02，
[0019] 0. 005彡Sn彡0. 03，
[0020] S < 0. 015,
[0021] 且任選地，累計(jì)量低于0. 02的Ti、Nb、V或B，
[0022] 同時(shí)彳兩足以下關(guān)系：
[0023] Mn/Sn彡40，
[0024] 2. 0 ^ C/N ^ 5. 0,
[0025] A1/N 彡 1. 20，
[0026] 且余量為Fe和其他不可避免的雜質(zhì)；
[0027]-連鑄所述板以獲得厚度不超過(guò)80毫米的板坯，以使得，在凝固之后，所述板坯的 表面不會(huì)冷卻至低于850°C超過(guò)5分鐘，
[0028]-將所述板坯重新加熱升至1080°C至1250°C之間的溫度，保持至少20分鐘；
[0029] _接下來(lái)，熱軋所述板還，最初厚度減薄發(fā)生時(shí)所述板坯的溫度高于1060°C，且最 終厚度減薄發(fā)生在高于950°C的終軋溫度，以獲得熱軋帶，
[0030]-在少于10秒鐘內(nèi)將所述帶冷卻至500°C至600°C的溫度范圍內(nèi)，然后，
[0031]-卷取所述熱軋帶，然后
[0032] -清潔其表面，
[0033]-在未事先將所述熱軋帶退火的情況下，以至少60%的冷軋率對(duì)所述熱軋帶實(shí)施 第一冷軋步驟，然后
[0034]-在780°C至920°C之間的溫度下實(shí)施初次再結(jié)晶退火步驟，在由氫氣、氮?dú)夂?水蒸汽的混合物構(gòu)成的氣氛下，所述鋼在下保持的最短時(shí)間t :為2分鐘，然后冷卻至室 溫，從而在冷卻后獲得低于0. 004%的鋼碳含量和低于16微米的初次平均晶粒尺寸，
[0035]_以至少50%的冷軋率進(jìn)行第二冷軋步驟以獲得冷軋鋼板的最終厚度，
[0036]-在所述冷乳鋼板的表面沉積一層絕緣隔離物（isolating separator)，
[0037] -在包含氫氣和氮?dú)獾臍夥罩惺菇?jīng)隔離的冷軋鋼板經(jīng)歷二次退火，在600°C至 1150°C之間鋼加熱速率VI為低于15°C /小時(shí)，板的溫度維持的最低溫度1~2為1150°C并且 保持的最短時(shí)間〖2為600分鐘，退火總時(shí)間超過(guò)120小時(shí)從而將硫和氮中每一者的含量降 低至小于0. 001%，并獲得小于15毫米的二次平均晶粒尺寸，
[0038]-實(shí)施緩慢冷卻至室溫。
[0039] 優(yōu)選地，所述銅的含量在0? 4%至0? 6%之間。
[0040] 優(yōu)選地，硫的含量低于0.010%。
[0041] 在優(yōu)選的實(shí)施方式中，鋼中碳的含量在0. 025%至0. 032%之間。
[0042] 優(yōu)選地，所述板坯以4.0米/分鐘的最小速度鑄造。
[0043] 在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述板坯的重新加熱在1080 °C至1200°C之間的溫度范圍 中進(jìn)行，且所述終軋溫度為至少980°C。
[0044] 優(yōu)選地，在熱軋步驟后形成析出相結(jié)構(gòu)，快速的冷卻和卷取導(dǎo)致低于60%的 Alas (酸溶錯(cuò)）析出，所述析出結(jié)構(gòu)完全不含尺寸在5nm至150nm之間的A1N析出相。
[0045] 優(yōu)選地，晶粒取向鋼板涂覆有基于膠態(tài)二氧化硅乳液的絕緣張力覆層。
[0046] 優(yōu)選地，在初次退火后，鋼的含碳量低于0. 0025%。
[0047] 在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，在初次退火后，初次平均晶粒尺寸小于10微米。
[0048] 在另一優(yōu)選實(shí)施方案中，在二次退火之后，二次平均晶粒尺寸小于10毫米。
[0049] 在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，通過(guò)本發(fā)明的方法獲得的晶粒取向鋼板，在800A/m下呈 現(xiàn)高于1. 870特斯拉的感應(yīng)強(qiáng)度值，且在1. 7特斯拉（T)的特定磁感應(yīng)強(qiáng)度下呈現(xiàn)出低于 1. 3W/kg的鐵芯功率損耗。
[0050] 由根據(jù)本發(fā)明的晶粒取向鋼板制成的部件可用于獲得電力變壓器。
[0051] 為了達(dá)到所需的性能，根據(jù)本發(fā)明的鋼包括下列元素。
[0052] 首先，其包含2. 8和4%之間的硅以獲得高斯織構(gòu)并提高鋼的電阻率。如果含量低 于2. 8%，晶粒取向鋼的高磁性能和低的鐵芯功率損耗將無(wú)法達(dá)到。另一方面，如果硅的添 加超過(guò)4%，則在冷軋過(guò)程中的開裂敏感性達(dá)到無(wú)法接受的水平。
[0053] 硫含量為嚴(yán)格低于0.015% (150ppm)以避免在靠近鑄坯中心線出現(xiàn)偏析。這些 偏析損害制造出的熱軋顯微組織和析出物分布的均勻性。為了把硫濃度在整個(gè)板坯厚度內(nèi) 均勻化，將必須提高板坯的再加熱溫度，并將板坯在高溫保持更長(zhǎng)時(shí)間，影響生產(chǎn)率并使生 產(chǎn)成本增加。此外，如果硫含量高于150ppm，在高溫退火（HTA)過(guò)程中的凈化階段會(huì)變得 太長(zhǎng)，在該階段中有害元素，例如S、N等通過(guò)與含有大于75%的氫氣的干燥氣氛相互作用 而移除，過(guò)長(zhǎng)的凈化階段會(huì)影響品質(zhì)、生產(chǎn)率并使成本增加。事實(shí)上，該長(zhǎng)的凈化階段成本 高昂，且其會(huì)降低玻璃膜的品質(zhì)。為了減少所有這些缺陷的顯現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)選地，硫含量低 于lOOppm。事實(shí)上，在保溫過(guò)程中，氣氛中的氫氣濃度應(yīng)高于75%以通過(guò)除去溶解在鋼中 的氮和硫而確保必要的金屬純化。其通過(guò)與氫氣氣氛的相互作用而發(fā)生，達(dá)到鋼中總氮和 總硫濃度優(yōu)選低于lOOppm的水平。
[0054] 鋼中還含有0.20%至0.6%之間的銅來(lái)提高鋼的J800的值。在退火過(guò)程中，銅的 析出物產(chǎn)生可作為用于A1N進(jìn)一步析出的晶核的納米析出物。如果銅含量低于0.20%，Cu 析出物的量太低，導(dǎo)致J800的值在目標(biāo)值以下。然而，已知銅會(huì)降低金屬的飽和極化強(qiáng)度， 結(jié)果是銅含量超過(guò)〇. 6%使得1. 870T的J800目標(biāo)變得無(wú)法實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選地，銅含量為0. 4% 至0. 6%之間。
[0055] 錳濃度應(yīng)當(dāng)高于0. 05%以避免在熱軋階段的開裂。此外加入Mn來(lái)控制再結(jié)晶。 Mn的濃度超過(guò)0. 4%增加不必要的合金化成本并減少飽和磁化強(qiáng)度，導(dǎo)致J800的值在目標(biāo) 值以下。錳以0.05%至0.4%之間的含量加入鋼中。該元素與硫析出生成MnS析出物，該 析出物也可作為用于AIN進(jìn)一步析出的晶核。因此錳的最低含量為0. 05%。
[0056] 錫（Sn)是晶界偏析元素，其可被添加來(lái)控制初次和二次再結(jié)晶結(jié)構(gòu)