一种立方双取向硅钢及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，尤其涉及一种立方双取向硅钢及其制备方法和应用。

背景技术

电工钢是电力、电子和军事工业中不可缺少的重要软磁合金。电工钢按性能特点和用途可分为两大类，一类是无取向电工钢，主要用于制作各种电动机及一些小变压器；另一类是取向硅钢，主要用于制作各种电力变压器、配电变压器及大型发电机定子。无取向硅钢的晶粒取向随机，其各个方向上具有均匀的磁性性能，主要用于旋转磁场；取向硅钢是晶粒的易磁化方向<100>平行于轧向，具有很强的{110}<001>织构，只在轧向呈现高磁感、低铁损的优异磁特性。但是，取向硅钢横向的磁感较低、铁损较高，并不是适用于定向磁场最理想的软磁材料。而双取向硅钢上有两个互相垂直的易磁化<100>方向。可以满足变压器类铁心服役于磁路呈互相垂直封闭回路的特定需求。电工钢板互相垂直的两个方向上都具有优异的磁性能。长期以来对其开发研究并探索进行工业化生产一直是人们努力的目标。

Assumus等人利用表面能的方法制备出立方织构双取向硅钢，以(100)面极低的表面能优势为驱动力，钢带越薄，立方织构发展愈完善，该制备立方织构双取向硅钢方法受限于薄带的钢带表面状态，使得其制造工艺复杂，成材率低和成本高，且最终成品磁性能并不高。原势二郎等人利用十字交叉法制备出立方双取向硅钢，先沿热轧方向40％压下率冷轧，再以40％压下率沿横向冷轧，但是加工技术路线过于复杂，不适合工业化生产。富田俊郎等人采用常规轧制和两次退火的方法制备出强旋转立方织构{100}<011>的硅钢板，同样也能够达到双取向硅钢的效果，但是要对热轧钢板作大幅度去除表层的减薄加工和后续脱锰处理，使生产过程复杂化，对于化学成分以及退火条件要求较高，实际生产存在较大的难度。

双辊薄带铸轧工艺作为新兴的绿色环保生产工艺技术，能显著降低能耗、建设投资少、占地面积小和生产效率高等诸多优点。由于该工艺在很短时间内就完成钢液到固态薄带的过程，实现了从液体金属到固态薄板的制备，不需要传统的热轧工艺来减薄铸坯厚度。可以省略常规的加热和热轧工艺，既缩短了流程，也能极大的保留薄带中的立方织构，有利于后续退火立方织构的发展。显著降低生产成本、降低能耗。目前国内、国际该工艺产品以低碳钢为主要产品。双辊薄带铸轧工艺不仅具有工艺优势，同时由于快速凝固和冷却的特点，为开发新的钢铁材料组织和性能带来新的可能性。双辊薄带铸轧在硅钢方面的应用有着美好的前景，然而目前公开的双辊薄带铸轧制备双取向电工钢板方法中，普遍经过常规的长流程炼钢工艺，板坯的压下量大，工艺复杂，成品质量难以控制，并不具备双辊薄带铸轧短流程带来的优势。

发明内容

本发明提供了一种立方双取向硅钢及其制备方法和应用，以期可以缩短工艺流程，提升生产效率、降低能耗，并通过成分优化，利用立方织构铁素体逐渐吞噬其他织构奥氏体的原理制备出性能优良的立方双取向硅钢成品。

为了解决上述技术问题，本发明目的之一提供了一种立方双取向硅钢的制备方法，包括以下步骤：

S1、冶炼成分合格的钢水，钢水包括以下质量百分比组分：C：0.040％-0.080％，Si：2.0％-3.5％，Mn：0.50％-1.15％，S：0.003％-0.005％，P：0.040％-0.080％，Al：0.020％-0.040％，N：0.015％-0.028％，其余为铁及不可避免的夹杂物，且满足15[C]+[Mn]＞0.45[Si]；

S2、将钢水通过中间包浇入双辊薄带连铸机双辊之间，铸压为硅钢薄带，厚度为1.2-2.5mm，随后控制硅钢薄带温度900-1000℃时进行雾水冷却，经拉辊传送至剪切机进行头尾切除，随后进行卷取，卷取温度为550-700℃，获得钢带；

S3：钢带经酸洗去除氧化层，然后冷轧至目标厚度，获得冷轧板；

S4：将冷轧板涂覆混合氧化物涂料，混合氧化物涂料包括MgO、TiO

S5：对真空退火板进行脱碳退火，脱碳温度为780-880℃，脱碳时间为0.5-1.5h，获得立方双取向硅钢成品。

本发明充分利用双辊薄带铸轧工艺快速凝固这一技术特点，借助较快的冷却速度，可直接将钢水凝固成型为薄带，不经过传统的连铸、板坯加热、热轧、常化等过程，只需经过一道冷轧工序，极大的保留了立方织构。铸坯厚度越薄对双辊薄带连铸机的要求越高，越不容易实现，而对薄带厚度越厚则在冷轧阶段需要的下压力和压下量越大，这就会更容易造成断带发生，而且压下量过大，就会更大的造成铸带织构的极大改变，因此选定了1.2-2.5mm的合理范围。水雾冷却温度选用900℃-1000℃的原因是，过高的温度水雾冷却会需要更高的铸带温度，而且会造成薄带内应力过大，实际温度也不会过低，是短流程生产，配合紧凑的生产工艺，到达水雾冷却的距离不会使铸带降低太多。利用在真空退火温度均热时冷轧板进入双相区，此时立方铁素体晶粒由于较低的表能得以保留，非立方铁素体则转变为奥氏体，随着真空退火进行，表面C、Mn等元素的脱除，由于立方晶粒的表面能低，表面稳定的立方铁素体晶粒开始长大，直至两侧晶粒互相接触，但真空退火的脱碳并不完全，为避免残余的碳会在产品使用过程中形成析出相增加铁损，造成硅钢磁时效现象，后续专门的脱碳退火处理，钢板表层脱碳、脱锰，表层立方铁素体晶粒逐渐长大，直到两侧铁素体晶粒互相接触，形成强立方织构双取向硅钢；与其他双取向硅钢生产相比，不仅仅由于工序缩短和能耗降低而带来生产的成本大幅下降，更有助于立方织构发展，改善产品磁性能。

此外，C是一种奥氏体稳定元素，在钢水中加入一定量的C元素使真空退火时保证钢中含有一定量的奥氏体，而随着脱碳这些非立方织构的奥氏体会逐步被立方织构的铁素体晶粒吞噬，最终形成双取向硅钢，本申请避免C含量过高使脱碳困难。

Si能提高电阻率，大幅度降低铁损，同时促进钢中碳的石墨化，减少钢板间的粘结及时效现象，本申请通过限定Si的含量以及15[C]+[Mn]＞0.45[Si]，可以避免Si含量增加使退火过程奥氏体含量变少而不利于立方织构的发展，同时避免随着Si含量增加降低双取向硅钢饱和磁感应强度，降低冷加工的难度和提高冷轧钢板的成材率。

Al能提高电工钢的电阻率、降低磁滞损耗，但是过高的Al含量会导致钢板表面加工质量的降低，而且还会和N形成AlN析出相钉扎晶界，影响到晶粒回复、再结晶、晶粒长大等过程，使钢板在真空退火升温阶段晶粒不过分长大，过高的N则会使钢板N元素在真空退火难以脱除干净，本申请避免过高的Al和N含量影响成品磁性能。

Mn是一种奥氏体稳定元素，在钢水中加入一定量Mn元素的使真空退火时保证钢中含有一定量的奥氏体，还能提高电工钢的电阻率，降低磁滞损耗。

P在铁素体中有明显的溶解度，通过固溶强化提高钢板硬度，有利于改善钢板的冲片性能，固溶的P能提高铁素体的电阻率，有利于降低涡流损耗；但是P有明显的在位错和晶界偏聚的倾向，本申请避免P元素含量过高而影响晶粒长大和钢板磁滞损耗升高，提升钢板的磁感。

因为C和Mn是奥氏体化元素，Si和Al是铁素体化元素，Al含量较少，对相图影响可以忽略，C元素对相图的影响要比Mn大许多，需要考虑。其他Si和Mn含量都较高，需要考虑。在1000℃-1150℃需要进入奥氏体与铁素体两相区，则需要控制C和Mn的含量要高于Si的某一值，经计算和测定后制定满足15[C]+[Mn]＞0.45[Si]公式要求方可。

作为优选方案，在S3中，所述混合氧化物涂料包括质量百分比为52％-73％的MgO、25％-45％的TiO

通过采用上述方案，对于成品硅钢来说，N、C、S等都属于杂质元素，但是这些元素又是生产不可避免的，MgO的作用可以吸附钢中N、S等杂质元素，使真空退火后N、S元素脱除干净，Ti0

作为优选方案，在S1中，所述钢水还包括质量百分比为0.01％-0.10％的Sb、0.01％-0.05％的Bi和0.01％-0.15％的Sn中的一种或者多种。

作为优选方案，所述在S2中，中间包预热温度1200-1300℃，控制过热度30-60℃，从中间包下方至铸轧区域为气氛密闭区域，通过惰性气体保护，硅钢薄带从双辊薄带连铸机导出的温度为1300-1400℃，控制拉速在60-110m/min，所述的雾水冷却的冷却速度为10-100℃/s。

作为优选方案，在S3中，目标厚度为0.15-0.35mm，采用大辊径工作辊和小于25％的道次压下率进行冷轧，总压下量不低于70％。

作为优选方案，在S3中，在60-80℃的3-6wt％HCl中酸洗0.5-2min去除氧化层。

作为优选方案，在S4中，真空退火的升温速率为6-12℃/min，随后炉冷至300℃取出并空冷至室温，真空度为10

作为优选方案，在S5中，脱碳退火的升温速率为20-50℃/s，气氛为湿的70wt％-80wt％H

为了解决上述技术问题，本发明目的之二提供了一种立方双取向硅钢的制备方法获得的立方双取向硅钢。

为了解决上述技术问题，本发明目的之三提供了一种立方双取向硅钢在旋转电工机械定子设备、变压器类电器制品或航空航天所用电磁材料领域中的应用。

相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：

1、本发明充分利用双辊薄带铸轧工艺快速凝固特点，使薄带坯凝固组织均质、细小，该工艺可直接将钢水快速凝固成型，可以省略常规的板坯加热、热轧和常化工艺，缩短了流程，显著降低生产成本、降低能耗，也能极大的保留薄带中的立方织构，从而使真空退火阶段有足够的立方取向铁素体晶粒长大，有利于提高磁性能。

2、本申请采用双辊薄带铸轧生产出表面强{100}立方取向晶粒的热轧带，经冷轧后在真空环境中进行两相区快速加热退火处理，在表面能作用下钢板表面具有{100}表面的立方取向晶粒保持铁素体状态，而非{100}表面的晶粒则转变成奥氏体。在随后的退火脱碳过程中，表面强{100}的立方取向铁素体晶粒因为表面能高吞噬表面能低的奥氏体晶粒而长大，进一步发挥强{100}的立方取向晶粒在铁素体区择优长大的优势，最终形成双取向硅钢。此时，非{100}表面晶粒不具备这种表面效应，因而其晶粒尺寸会小于表面晶粒，为表面晶粒向内部长大提供了驱动力。

3、本申请设定退火温度为1000-1150℃，退火过程中奥氏体含量变化如图2，随着温度升高奥氏体含量先升高后降低，双相区温度区间为580-1400℃，在真空退火初期，钢板首先完成初次再结晶，表面由于脱碳率先形成粗大立方织构铁素体晶粒，进入恒温区后要求钢板进入双相区，随着铁素体相区变厚和晶粒粗化，钢板两侧的的铁素体晶粒会不断地向内生长并互相接触。

附图说明

图1：为本发明一种立方双取向硅钢制备方法的流程示意图(注：1、钢包；2、中间包；3、水口；4、铸辊；5、夹送辊；6、雾水冷却；7、拉辊；8、高速飞剪；9、转向辊；10、卷取机)；

图2：为热力学软件计算出的3wt％Fe、0.07wt％Si、0.08wt％C的合金性质图(注：图中曲线表示双取向硅钢中铁素体BCC和奥氏体FCC体积分数与温度的关系)。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

一种立方双取向硅钢，其钢水包括以下质量组分：C：0.04％，Si：2.0％，Mn：0.5％，S：0.0045％，P：0.078％，Al：0.037％，N：0.028％，Sn：0.05％，其余为铁及不可避免的夹杂物，其制备方法为：

S1：冶炼成分合格的钢水，将钢水通过中间包浇入双辊薄带连铸机双辊之间，其中中间包预热温度1270℃，控制过热度45℃，所生产双取向硅钢薄带厚度为1.7mm，薄带坯从双辊连铸机导出的温度为1325℃，控制拉速在72m/min，随后空冷至950℃，其中从中间包下方至铸轧区域全程惰性气体保护，随后对薄带进行雾水冷却，经拉辊传送至剪切机进行头尾切除，随后进行卷取，卷取温度为630℃，获得钢带；

S2：钢带在70℃的4％HCl中酸洗3min去除氧化层，然后将酸洗后的钢带采用大辊径工作辊冷轧和小于25％的道次压下率冷轧至0.15mm，总压下量为：91.2％，获得冷轧板；

S3：将冷轧板涂覆含2％SiO

S4：对真空退火板进行脱碳退火，脱碳温度为830℃，脱碳时间为0.5h，气氛为湿的80wt％H

实施例二

一种立方双取向硅钢，其钢水包括以下质量组分：C：0.053％，Si：2.5％，Mn：0.75％，S：0.0041％，P：0.065％，Al：0.031％，N：0.024％，Bi：0.03％，其余为铁及不可避免的夹杂物，其制备方法为：

S1：冶炼成分合格的钢水，将钢水通过中间包浇入双辊薄带连铸机双辊之间，其中中间包预热温度1255℃，控制过热度41℃，所生产双取向硅钢薄带厚度为2.0mm，薄带坯从双辊连铸机导出的温度为1319℃，控制拉速在78m/min，随后空冷至950℃，其中从中间包下方至铸轧区域全程惰性气体保护，随后对薄带进行雾水冷却，经拉辊传送至剪切机进行头尾切除，随后进行卷取，卷取温度为635℃，获得钢带；

S2：钢带在70℃的4％HCl中酸洗2min去除氧化层，然后将酸洗后的钢带采用大辊径工作辊冷轧和小于25％的道次压下率冷轧至0.23mm，总压下量为：88.5％，获得冷轧板；

S3：将冷轧板涂覆含2％SiO

S4：对真空退火板进行脱碳退火，脱碳温度为855℃，脱碳时间为0.8h，气氛为湿的80wt％H

实施例三

一种立方双取向硅钢，其钢水包括以下质量组分：C：0.065％，Si：3.0％，Mn：1.02％，S：0.0035％，P：0.054％，Al：0.025％，N：0.021％，Sn：0.04％，Bi：0.02％，其余为铁及不可避免的夹杂物，其制备方法为：

S1：冶炼成分合格的钢水，将钢水通过中间包浇入双辊薄带连铸机双辊之间，其中中间包预热温度1250℃，控制过热度35℃，所生产双取向硅钢薄带厚度为2.3mm，薄带坯从双辊连铸机导出的温度为1311℃，控制拉速在82m/min，随后空冷至950℃，其中从中间包下方至铸轧区域全程惰性气体保护，随后对薄带进行雾水冷却，经拉辊传送至剪切机进行头尾切除，随后进行卷取，卷取温度为600℃，获得钢带；

S2：钢带在70℃的4％HCl中酸洗2min去除氧化层，然后将酸洗后的钢带采用大辊径工作辊冷轧和小于25％的道次压下率冷轧至0.27mm，总压下量为：88.3％，获得冷轧板；

S3：将冷轧板涂覆含3％SiO

S4：对真空退火板进行脱碳退火，脱碳温度为845℃，脱碳时间为1.2h，气氛为湿的80wt％H

实施例四

一种立方双取向硅钢，其钢水包括以下质量组分：C：0.08％，Si：3.5％，Mn：1.12％，S：0.0031％，P：0.045％，Al：0.022％，N：0.015％，Sb：0.05％，其余为铁及不可避免的夹杂物，其制备方法为：

S1：冶炼成分合格的钢水，将钢水通过中间包浇入双辊薄带连铸机双辊之间，其中中间包预热温度1230℃，控制过热度30℃，所生产双取向硅钢薄带厚度为2.5mm，薄带坯从双辊连铸机导出的温度为1300℃，控制拉速在85m/min，随后空冷至950℃，其中从中间包下方至铸轧区域全程惰性气体保护，随后对薄带进行雾水冷却，经拉辊传送至剪切机进行头尾切除，随后进行卷取，卷取温度为570℃，获得钢带；

S2：钢带在70℃的4％HCl中酸洗2min去除氧化层，然后将酸洗后的钢带采用大辊径工作辊冷轧和小于25％的道次压下率冷轧至0.35mm，总压下量为：86％，获得冷轧板；

S3：将冷轧板涂覆含3％SiO

S4：对真空退火板进行脱碳退火，脱碳温度为860℃，脱碳时间为1.5h，气氛为湿的80wt％H

对比例一

一种立方双取向硅钢，其制备方法中各步骤及各步骤使用的试剂、工艺参数均与实施例一相同，不同的地方在于，钢水包括以下质量组分：C：0.04％，Si：2.0％，Mn：0.3％，S：0.0045％，P：0.02％，Al：0.037％，N：0.028％，Sn：0.05％，其余为铁及不可避免的夹杂物。

对比例二

一种立方双取向硅钢，其制备方法中各步骤及各步骤使用的试剂、工艺参数均与实施例一相同，不同的地方在于，钢水包括以下质量组分：C：0.04％，Si：3％，Mn：0.5％，S：0.0045％，P：0.078％，Al：0.037％，N：0.028％，Sn：0.05％，其余为铁及不可避免的夹杂物

对比例三

一种立方双取向硅钢，其制备方法中各步骤及各步骤使用的试剂、工艺参数均与实施例一相同，不同的地方在于，在S3中，混合涂料包括MgO氧化物。

对比例四

一种立方双取向硅钢，其制备方法中各步骤及各步骤使用的试剂、工艺参数均与实施例一相同，不同的地方在于，在S1中，卷取的温度为450±15℃。

性能检测试验

1、磁性能：采用硅钢标准样品300mm*30mm的硅钢片，采用MATS-3000M/k50型硅钢材料测量装置分别测试横向和纵向磁性能，如下表1所示。

表1-本申请实施例和对比例中立方双取向硅钢的磁性能

结合表1中实施例1和对比例1的磁性能检测结果可知，本发明中对P元素和Mn的含量进行特定限定，Mn既能扩大奥氏体区，又能提高硅钢磁性能，本发明需要冷轧钢板在真空退火阶段进入奥氏体相区，需要加入足量的奥氏体化元素Mn，使表层(100)面晶粒在真空退火阶段长大，而P可提高比电阻，固溶的P能提高铁素体的电阻率，有利于降低涡流损耗，于磁感而言，则在弱中磁场下磷含量高的钢磁感会提高；硅钢成品要通过叠片工艺封装，P在铁素体中有明显的溶解度，通过固溶强化提高钢板硬度，有利于改善钢板的冲片性能；但是过量的P有明显的在位错和晶界偏聚的倾向，会阻止晶粒长大，导致钢板磁滞损耗升高，还会影响钢板织构的演变过程，影响钢板的磁感。

结合表1中实施例1和对比例3的磁性能检测结果可知，在S3中混合涂料采用三种氧化物复合，复合比例以MgO为主，TiO2和SiO2为辅，MgO会在真空退火形成玻璃膜，吸附钢中杂质元素N、S等元素，TiO2和SiO2会与C反应达到脱碳的作用，进而在真空退火过程中，形成奥氏体向铁素体的转变，提高硅钢的磁性能。

结合表1中实施例1和对比例4的磁性能检测结果可知，本申请铸成钢卷的卷取温度要求在550-700℃之间的原因是因为钢卷铸轧成型时会存在应力集中，导致冷轧断带，而且在此温度会形成析出相弥散析出，不让薄带在真空退火阶段初次再结晶时，晶粒过分长大，起到抑制晶界迁移，阻止晶粒长大的作用。

2、利用Thermo-Calc分析软件中热力学数据库TCFE4给定既定成分得出性质图，本发明钢种冷轧板在真空退火阶段仅有两相，分别是铁素体和奥氏体，图2是3％Si、0.07％C、0.8％Mn画出的铁素体或奥氏体体积分数随温度的关系，例如在1150℃时，硅钢进入单相区，即全奥氏体相，本发明需要在两相区退火，因此设定在1000-1150℃。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。