一种高磁感取向硅钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种钢材及其制造方法，尤其涉及一种取向硅钢及其制造方法。

背景技术

众所周知，取向硅钢是一种以锋锐的{110}<001>位向，即高斯位向的晶粒为特征的软磁材料，其生产流程长，生产工艺复杂且严格；取向硅钢常用于制造变压器铁心，是制造变压器铁心的重要功能材料。

在现有技术中，按磁性能及高斯晶粒取向度的不同，取向硅钢又可分为普通取向硅钢(简称CGO)和高磁感取向硅钢(简称Hi-B)；相较于CGO钢，Hi-B钢具有更低的铁损、更高的磁感应以及更小的磁致伸缩。

目前，现有技术中的高磁钢取向硅钢一般采用两种技术路线：一种路线是“固有抑制剂法”，即通过铸坯高温(1350～1400℃)加热，将抑制剂形成元素固溶，随后在热轧、常化等工序以细小、弥散的方式析出，以获得足够的抑制剂和抑制能力；另一种路线是“获得抑制剂法”，即通过调整抑制剂元素含量，采用铸坯低温加热(1100～1250℃)方式，在热轧、常化工序析出部分抑制剂，然后在高温退火前通过渗氮工艺获得新的抑制剂，以满足高温退火过程中二次再结晶所需的抑制能力。

与“固有抑制剂法”相比，“获得抑制剂法”具有铸坯加热温度低、铸坯表面质量好、设备能耗低以及成品磁性能稳定等优点。因此，采用低温铸坯加热的“获得抑制剂法”也是当前国内外取向硅钢生产厂家研究的热点。

此外，为了更进一步保证取向硅钢稳定生产，降低生产能耗，在生产取向硅钢过程中，热卷箱技术逐步得到了越来越多生产厂商的关注，已有众多研究人员针对制备取向硅钢过程中所采用的热卷箱工艺进行了相关研究。

例如：公开号为CN102471819A，公开日为2012年5月23日，名称为“方向性电磁钢板的制造方法”的中国专利文献，公开了一种采用热卷箱工艺的取向硅钢生产方法，其控制钢坯在1100～1150℃均热后进行热轧，在热轧粗轧后将取向硅钢中间坯在800～1000℃卷取，控制保温300S以上，然后在1000℃以下进行精轧；精轧后经脱碳退火、渗氮，渗氮量为220ppm，然后进行高温退火得到成品。采用该技术方案，研究发现，通过卷取保温，能有效控制抑制剂的析出形态，使得钢种B以BN复合析出在MnS或MnSe上，保证初次再结晶晶粒细小均匀，保证了磁性能的稳定性。该方法通过增加热卷箱工艺，控制抑制剂的析出及初次再结晶的大小，从而保证了产品的稳定生产。

又例如：公开号为CN104726763A，公开日为2015年6月24日，名称为“一种电工钢的热轧方法”的中国专利文献，公开了一种电工钢的热轧方法，其采用轧机前后均增加具有加热功能的热卷箱，且控制铸坯厚度在30～300mm，控制板坯加热温度为950～1180℃，控制粗轧结束温度900～1000℃，控制中间坯厚度10～45mm，控制精轧结束温度在850～1000℃。该发明旨在利用热轧阶段各道次之间的热卷箱保温，降低板坯加热温度，控制抑制剂的固溶析出，并且减轻了热卷头尾温度不均的问题，在降低铸坯加热温度的同时保证了产品性能稳定。

再例如：公开号为CN101210297A，公开日为2008年7月2日，名称为“一种取向硅钢的制造方法”的中国专利文献，公开了一种热轧后采用热卷箱的取向硅钢的生产方法，其控制带钢进入精轧机的温度为1100～1250℃，精轧出口温度大于800℃，轧后采用层流冷却。采用该方法热轧能控制连铸时抑制剂的析出状态，并通过高温、短时、快速的热轧加热工艺，保证产品性能均匀。

从上述专利文献可以看出，热卷箱工艺有益于取向硅钢热轧组织均匀性及抑制剂析出控制，并能促进取向硅钢磁性能的稳定性；以上专利也利用热卷箱技术来追求取向硅钢稳定生产，但并没有促使磁性能有显著的提高。而仅仅从保证磁性能稳定性来看，对于生产水平较高的取向硅钢生产企业来说，完全可以通过炼钢成分精确控制以及后工序工艺合理调配来保证取向硅钢磁性能均匀稳定，其无需采用热卷箱技术。

此外，以上现有技术中的专利文献公开的生产工艺不仅没有对取向硅钢的磁性能有显著的提高，也并没有表现出显著的节能降耗特征，如上述公开号为CN104726763A的专利文献采用在轧机前后均安装加热功能的热卷箱，这样做虽然降低了部分铸坯加热温度，但同时又增加了多个工序和加热过程，提高了能耗和成本。因此，如何在降低能耗的前提下，还能保证取向硅钢的稳定生产和磁性能进一步提升，将是取向硅钢研发的重要方向之一。

基于以上原因，本发明期待开发一种新的高磁感取向硅钢及其制造方法，其在充分发挥热卷箱工艺对于取向硅钢热轧板组织均匀性及抑制剂析出的积极效果的同时，能够进一步提高取向硅钢磁性能，并具有节能降耗等特点。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种高磁感取向硅钢，该高磁感取向硅钢在具有较低铁损的同时，还具有十分优异的磁性能，其磁感≥1.94T，其铁损≤0.73W/kg。

为了实现上述目的，本发明提供了一种高磁感取向硅钢，其含有Fe及不可避免的杂质元素，其还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：

C：0.02～0.08％，Si：2.0～4.5％，Mn：0.02～0.30％，S≤0.0050％，Als：0.01～0.04％，N：0.002～0.01％，Nb：0.0050～0.0600％；以及P：0.01～0.1％，Sn：0.01～0.30％，Cu：0.01～0.50％的至少其中一种。

进一步地，在本发明所述的高磁感取向硅钢中，其各化学元素质量百分含量为：

C：0.02～0.08％，Si：2.0～4.5％，Mn：0.02～0.30％，S≤0.0050％，Als：0.01～0.04％，N：0.002～0.01％，Nb：0.0050～0.0600％；以及P：0.01～0.1％，Sn：0.01～0.30％，Cu：0.01～0.50％的至少其中一种；余量为Fe和其他不可避免的杂质。

本发明所述的高磁感取向硅钢中，各化学元素的设计原理具体如下所述：

C：在本发明所述的高磁感取向硅钢中，添加适量的C元素能够确保在热轧、常化过程获得适当比例的γ相，有利于抑制剂的析出。当钢中C元素含量低于0.02％时，γ相比例较低，不利于抑制剂析出；而当钢中C元素含量高于0.08％时，则又会增加脱碳成本。基于此，在本发明所述的高磁感取向硅钢中，将C元素的质量百分含量控制在0.02～0.08％之间。

Si：在本发明所述的高磁感取向硅钢中，Si是降低铁损的主要元素，为确保成品钢材的质量，钢中Si元素含量不宜过低，当钢中Si元素含量低于2.0％时，难以降低钢材的铁损；相应地，钢中Si元素含量同样不宜过高，当钢中Si元素含量高于4.5％，则会导致冷轧困难，降低成材率。基于此，在本发明所述的高磁感取向硅钢中，将Si元素的质量百分含量控制在2.0～4.5％之间。

Mn：在本发明所述的高磁感取向硅钢中，添加适量的Mn元素可以有效改善取向硅钢的组织和轧制性。为了确保高磁感取向硅钢的性能，必须严格控制钢中Mn元素的质量百分含量，因此，在本发明所述的高磁感取向硅钢中，将Mn元素的质量百分含量控制在0.02～0.30％之间。

S：在本发明所述的高磁感取向硅钢中，S元素能形成MnS、Cu

Als：在本发明所述的高磁感取向硅钢中，Als元素作为一项重要元素，其是形成主要抑制剂AlN的重要元素。需要注意的是，当钢中Als元素含量过高时，会导致抑制剂AlN粗大；当钢中Als元素含量过低时，会引起抑制力不足。因此，需要严格控制钢中Als元素的含量，在本发明所述的高磁感取向硅钢中，将Als元素的质量百分含量控制在0.01～0.04％之间。

N：在本发明所述的高磁感取向硅钢中，添加适量的N元素可以起到抑制晶粒长大的作用，钢中添加的N元素能够配合Als元素在渗氮前形成AlN，从而有效抑制初次再结晶晶粒的长大的。当钢中N元素含量低于0.002％时，则不能有效抑制初次再结晶晶粒的长大；当钢中N元素含量高于0.01％时，则会大大增加炼钢难度。基于此，在本发明所述的高磁感取向硅钢中，将N元素的质量百分含量控制在0.002～0.01％之间。

Nb：在本发明所述的高磁感取向硅钢中，Nb元素能够形成辅助抑制剂Nb(C,N)，起到辅助抑制剂的作用；此外，由于Nb(C,N)固溶温度相对较低，其还可以起到降低铸坯加热温度的作用。当钢中Nb元素含量过低时，则形成的抑制剂Nb(C,N)的抑制作用不明显；当钢中Nb元素含量过高时，则会由于抑制力太强，阻碍二次再结晶的发生。基于此，在本发明所述的高磁感取向硅钢中，将Nb元素质量百分含量控制在0.0050～0.0600％之间。

进一步地，在本发明所述的高磁感取向硅钢中，其还含有下述各化学元素的至少其中一种：P：0.01～0.1％，Sn：0.01～0.30％，Cu：0.01～0.50％。

在本发明所述的高磁感取向硅钢中，P、Sn均为晶界偏析元素，钢中添加适量的P、Sn元素均可以起到辅助抑制剂的作用。当钢中P、Sn元素含量过高时，就会对脱碳及渗氮产生不利影响；当钢中P、Sn元素含量过低时，则所起到的辅助抑制作用并不明显。因此，在本发明所述的高磁感取向硅钢中，可以将P元素的质量百分含量控制在0.01～0.1％之间，将Sn元素的质量百分含量控制在0.01～0.30％之间。

相应地，在本发明中，钢中添加适量的Cu元素不仅可以形成Cu

进一步地，在本发明所述的高磁感取向硅钢中，其热轧板或常化板的次表层中高斯织构({110}<001>)的强度＞4.5；其有利于高斯织构发展的有利织构({111}<112>)的强度＞1.5。

本发明所述的高磁感取向硅钢的厚度为0.15～0.40mm。

进一步地，在本发明所述的高磁感取向硅钢中，其磁感≥1.94T，其铁损≤0.73W/kg。

相应地，本发明的另一目的在于提供上述高磁感取向硅钢的制造方法，该制造方法生产效率较高且节能降耗，其可以进一步地提高取向硅钢的磁性能，采用该制造方法制得的取向硅钢具有较高的磁性能，其磁感≥1.94T，其铁损≤0.73W/kg。

为了实现上述目的，本发明提出了上述的高磁感取向硅钢的制造方法，其包括步骤：

(1)制得板坯；

(2)板坯加热；

(3)热轧，其包括：粗轧、在热卷箱内卷取保温，以及精轧；其中粗轧结束温度高于970℃；卷取温度为800～1050℃，卷取时间为30～200s；精轧开始温度低于1050℃；

(4)冷轧；

(5)脱碳退火；

(6)渗氮；

(7)涂覆退火隔离剂；

(8)高温退火；

(9)涂覆绝缘涂层和激光刻痕。

本发明提出了一种新的高磁感取向硅钢的制造方法，该制造方法在采用低温铸坯加热的“获得抑制剂法”的基础上，通过充分发挥热卷箱工艺对于取向硅钢热轧板组织均匀性及抑制剂析出的积极效果，同时结合控制热轧板的有利织构强度分布，以进一步提高取向硅钢磁性能，同时降低生产过程能耗，使得整个生产流程具有高效、节能的特点。

需要说明的是，在本发明中，步骤(3)的热轧过程包括粗轧、卷取保温(热卷箱)和精轧三个步骤，尤其是粗轧后要进行卷取。其中，粗轧结束温度必须高于970℃，以保证卷取温度在800～1050℃之间，且卷取时间为30～200S；并控制后续精轧开始温度低于1050℃。

经发明人大量的实验研究以及文献分析发现，热轧卷粗轧后在合适的温度区间进行卷取并保温，能够保证热轧卷头尾温差小，抑制剂弥散析出以及热轧板组织晶粒再结晶更加充分等优点，且卷取后保温完全由粗轧卷本身各层互相加热，无需再额外加热。如果卷取温度高于1050℃，或者卷取时间大于200S，则中间坯晶粒组织和已经析出的抑制剂就会粗化，从而对后续组织及织构的发展产生不利影响。

相应地，在本发明所述的步骤(7)中，需要对渗氮处理后的板材涂覆退火隔离剂，所应用的退火隔离剂可以选用为MgO。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(1)中，板坯厚度为180～250mm。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，板坯加热温度为900～1150℃。

在本发明所述的技术方案中，由于采取的是“获得抑制剂法”，铸坯中抑制剂元素含量相对较低，因此在步骤(2)的板坯加热过程中，可以将板坯加热温度控制在900～1150℃之间。在本发明中，如果板坯加热温度高于1150℃，则不仅会增加能耗，还会加大加热炉热负荷；如果板坯加热温度低于900℃，则抑制剂元素不能有效固溶。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(3)中，粗轧结束后中间坯厚度为35～50mm。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(4)中，控制冷轧压下率＞80％。

在本发明上述技术方案中，在步骤(4)的冷轧过程中，可以控制冷轧压下率＞80％，以冷轧至成品板厚。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(5)中，脱碳退火温度为800～900℃。

在本发明上述技术方案中，在步骤(5)的脱碳退火过程中，可以优选地控制脱碳退火温度为800～900℃。其中，当脱碳退火温度高于900℃时，则会导致初次再结晶晶粒过于粗大，影响二次再结晶；而当脱碳退火温度低于800℃时，则会使得脱碳效果不明显。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(6)中，渗氮量为50～280ppm。

在本发明上述的技术方案中，由于采取的是“获得抑制剂法”工艺路线，因此，在高温退火前必须进行渗氮处理，以形成满足抑制初次再结晶晶粒长大的抑制剂。在步骤(6)中，当渗氮量低于50pm时，则抑制剂形成数量不足；当渗氮量高于280ppm时，则对高温退火过程中硅酸镁底层的形成有不良影响。由此，在本发明所述步骤(6)的渗氮过程中，可以优选地将渗氮量严格控制在50～280ppm之间。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(8)中，高温退火温度为1100～1250℃，退火时间大于25h。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，所述步骤(3)和(4)之间还具有常化步骤：常化退火温度＜1000℃，常化退火时间为20～200s。

在本发明所述的技术方案中，由于热轧板热轧时增加了中间卷取工艺，热轧板组织再结晶组织更加充分、部分抑制剂也弥散析出。因此，步骤(3)和(4)之间的常化步骤的常化退火温度不能过高。

发明人经大量实验发现，如果按常规热轧板退火工艺(1100～1200℃)退火，不仅会导致常化板晶粒组织过大，而且会导致抑制剂粗化，最终导致磁性能劣化。

此外，发明人针对不同热轧、常化工艺下织构演化研究表明，经过800～1050℃卷取的热轧板，在后续不常化或者常化退火温度＜1000℃的条件下，热轧板或常化板次表层(1/8层)高斯织构({110}<001>)以及高斯织构周围的有利织构({111}<112>)强度高，其中，{110}<001>织构强度＞4.5，{111}<112>织构强度＞1.5。

相应地，如果热轧板不经过卷取保温或者经过卷取保温后常化退火温度高于1000℃，则高斯织构以及有利于高斯织构长大的有利织构强度明显偏低。

相较于现有技术，本发明所述的高磁感取向硅钢及其制造方法具有如下所述的优点以及有益效果：

本发明所述的高磁感取向硅钢的制造方法在采用低温铸坯加热的“获得抑制剂法”的基础上，通过充分发挥热卷箱工艺对于取向硅钢热轧板组织均匀性及抑制剂析出的积极效果，同时结合最佳的常化工艺搭配，配合控制热轧板或常化板的有利织构强度分布，进一步提高取向硅钢的磁性能，同时降低生产过程能耗，使得整个生产流程具有高效、节能的特点。

本发明采用了合理的化学元素成分设计，并配合优化的制造工艺，可以在节能降耗、稳定生产以及提高生产效率的基础上，获得具有较高磁性能的高磁感取向硅钢；本发明所述的高磁感取向硅钢的磁感≥1.94T，铁损≤0.73W/kg，其性能优异，可以有效用于制造变压器铁心，具有良好的推广前景和应用价值。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例对本发明所述的高磁感取向硅钢及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

实施例1-11和对比例1-8

本发明所述实施例1-11的高磁感取向硅钢均采用以下步骤制得：

(1)按照表1所示的化学成分进行冶炼，并铸造制得板坯，控制板坯厚度为180～250mm。

(2)板坯加热：控制板坯加热温度为900～1150℃。

(3)热轧，其包括：粗轧、在热卷箱内卷取保温，以及精轧；其中粗轧结束温度高于970℃；粗轧结束后中间坯厚度为35～50mm；卷取温度为800～1050℃，卷取时间为30～200s；精轧开始温度低于1050℃。

(4)冷轧：控制冷轧压下率＞80％。

(5)脱碳退火：控制脱碳退火温度为800～900℃。

(6)渗氮：控制渗氮量为50～280ppm。

(7)涂覆退火隔离剂。

(8)高温退火：控制高温退火温度为1100～1250℃，退火时间大于25h。

(9)涂覆绝缘涂层和激光刻痕：在完成高温退火的样板上涂覆绝缘涂层，并进行激光刻痕，得到磁性能优异的高磁感取向硅钢。

需要说明的是，在一些实施方式中，在上述步骤(3)和(4)之间还可以进一步地具有常化步骤：并控制常化退火温度＜1000℃，控制常化退火时间为20～200s。

本发明所述实施例1-11的高磁感取向硅钢的化学元素成分和相关工艺设计均满足符合本发明设计规范要求；而对比例1-8虽然也采用上述步骤(1)-步骤(9)的流程进行制造，但在具体的工艺和参数上仍然存在不满足本发明设计要求的参数。实施例1-11和对比例1-8的具体化学元素成分参阅下述表1。

表1列出了实施例1-11的高磁感取向硅钢和对比例1-8的对比取向硅钢的各化学元素的质量百分配比。

表1.(wt％，余量为Fe和其他不可避免的杂质)

表2-1和表2-2列出了实施例1-11的高磁感取向硅钢和对比例1-8的对比取向硅钢在上述工艺步骤中的具体工艺参数。

表2-1.

表2-2.

/>

需要说明的是，在本发明所述的实施例1-11和对比例1-8中，实施例10和对比例2并不采用常化工艺，其余实施例和对比例均采用常化工艺。

在上述步骤(3)中，可以针对热轧后的各实施例和对比例板坯进行观察和分析，观察发现经过800-1050℃卷取的热轧板，在后续不常化或者常化退火温度＜1000℃的条件下，热轧板或常化板次表层(1/8层)高斯织构({110}<001>)以及有利于高斯织构发展的有利织构({111}<112>)的强度较高，其中，{110}<001>织构强度＞4.5，织构强度＞1.5。相关观察结果列于下述表3之中。

表3.

/>

如上述表3所示，实施例1-11的常化板次表层中高斯织构({110}<001>)的强度在4.6-5.5之间；实施例1-11的常化板次表层中有利于高斯织构发展的有利织构({111}<112>)的强度在1.8-2.5之间。

相较于实施例1-11，未满足本发明设计要求的对比例1-8的常化板次表层中高斯织构({110}<001>)和有利于高斯织构发展的有利织构({111}<112>)的强度明显较差。

将得到的实施例1-11的高磁感取向硅钢和对比例1-8的对比取向硅钢分别取样，并进行观察和检测，以获得各实施例和对比例的取向硅钢的铁损和磁感，并将所得的铁损和磁感列于下述表4之中。

相关磁性能测试方法如下所述：

磁性能测试：依照国标GB/T 13789-2008(单片电工钢片带磁性能测量方法)以检测获得实施例1-11的高磁感取向硅钢和对比例1-8的对比取向硅钢的磁感和铁损。

表4列出了实施例1-11的高磁感取向硅钢和对比例1-8的对比取向硅钢的磁感和铁损。

表4.

/>

由表4可知，在实施例1-11中，在本发明权利要求的板坯成分范围内，使用符合本发明设计控制要求的热轧工艺、常化工艺及渗氮量时，能够得到磁性能十分优异的低铁损高磁感取向硅钢板。

如表4所示，在本发明中，实施例1-11的高磁感取向硅钢的磁感在1.942-1.969T之间，铁损在0.688-0.730W/kg之间。

相应的，结合参阅表1、表2-1、表2-2、表3和表4可以看出，在对比例1-8中，由于对比例1-8在化学元素成分设计时或在热轧、常化及渗氮工艺设计时均存在不符合本发明设计控制要求的参数，因此对比例1-8的成品磁性能较差，其主要原因是精轧后未采取卷取保温、或卷取保温参数超出本权利要求范围，再或者采取卷取保温后常化温度不符合本发明控制要求。

发明人对部分实施例1-11和对比例1-8的常化板次表层(1/8层)中高斯织构({110}<001>)及有利高斯织构发展有利织构({111}<112>)进行分析后发现，不同的热轧及常化工艺组合，对常化板次表层中的高斯织构即有利织构有决定性的影响，尤其是采用卷取保温+低温常化后，常化板次表层中的高斯织构及有利织构强度显著提高，这也是决定成品磁性能优异的主要原因。

此外，在本发明中，本发明的常化退火温度＜1000℃，其可以大幅降低常化温度(目前常规常化退火温度高于1100℃)甚至不常化，能够显著降低生产能耗，缩短生产流程，彰显绿色、节能、高效的特点。

需要说明的是，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。

还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。