CSP生产取向电工钢现状及发展趋势

来源:热处理工艺学作者:袁凤松

  目前,按照抑制剂的不同形成方式,取向电工钢的工业生产技术可分为两种。一种是“固有抑制剂法”,即冶炼时加入抑制剂的形成元素,通过板坯高温加热(>1300℃)使凝固时析出的粗大析出物(如MnS,AlN,MnSe等)完全固溶,再使其在随后的热轧或常化时以细小弥散状重新析出,起到抑制剂的作用。另一种是“获得抑制剂法”,即冶炼时调整钢中铝和氮含量,将板坯在低温下再加热(1100-1200℃),不要求抑制剂完全固溶,并在高温退火前采用渗氮处理来获得新的细小弥散状氮化物抑制剂来加强抑制能力。

  由于薄板坯连铸连轧流程生产取向电工钢与传统流程相比具有众多优势,许多国家都竞相开展了这方面的研究。国外最具代表性的是意大利AST公司和德国Thyssen公司,都开展过取向电工钢的生产,并已在此研究领域申请了相关专利;钢铁研究总院连铸中心进行了大量的研究工作,同时将技术成功应用到武钢CSP流程生产线,已成功进行了取向硅钢的试生产。

  意大利AST公司采用CSP流程生产CGO和Hi-B钢时,采用“固有抑制剂法”结合“获得抑制剂法”,薄板坯加热温度1150-1300℃。热轧板经两段式常化、一次冷轧、脱碳退火后进行约900℃高温气态渗氮,生产的普通取向硅钢和高磁感取向硅钢磁性分别达到新日铁Z8和Z6H的典型值。德国Thyssen也采用相同的抑制剂设计思路与工艺流程,薄板坯加热温度为1150℃,热轧时控制各道次压下率与终轧温度,成品磁感值B8不经渗氮处理可达1.89T,经渗氮处理后增至1.93T。AST钢铁公司生产取向硅钢过程采用电炉流程,生产效率较低。该生产线已于2005年10月停止生产硅钢。TSCR工艺已经由原有的电炉流程转向转炉流程,转炉流程的TSCR工艺在生产效率和成本上具有明显的优势。AST钢铁公司已实现TSCR生产线生产取向硅钢。

  钢铁研究总院国家连铸中心在实验室模拟薄板坯连铸连轧流程,薄板坯加热温度1150-1180℃,采用“固有抑制剂法”成功试制了CGO和Hi-B钢,成品磁性能分别达到27Q140、30Q130与30QG130的水平。此外,采用“固有抑制剂法”结合固态渗氮方式的“获得抑制剂法”,也成功试制了Hi-B钢,成品磁性能达到30QG120的水平。通过“十一五”国家科技支撑项目“薄板坯连铸连轧生产取向电工钢新技术研究”,武钢与该连铸中心进行合作研发,采用CSP流程成功进行了普通取向硅钢的试生产,成品磁性能达到30Q130和27Q140的水平。

  2、生产取向电工钢的技术分析

  2.1、组织和抑制剂特点

  以钢铁研究总院国家连铸中心在实验室模拟示范线上模拟薄板坯连铸连轧流程试制得到的冷轧取向电工钢(CGO)为例,介绍薄板坯连铸连轧流程生产取向电工钢的组织和抑制剂特点,其试制工艺如原创图1所示。

  2.1.1、组织演变规律

  观察实验室模拟TSCR流程试制的取向硅钢的热轧样品组织可见,从表面至1/5、1/4厚度的表面脱碳层主要包含再结晶的铁素体晶粒,晶粒呈不规则的多边形状,尺寸约为5-40μm,平均尺寸约为15.6μm。位于中心区域的过渡层和中心层包含形变晶粒、亚晶粒和部分再结晶晶粒。过渡层和中心层中存在细小珠光体,网状碳化物之间为伸长的较粗大的铁素体区。一次冷轧样品组织如原创图2(a)所示,晶粒外形发生变化,随着变形量的增加,热轧板中的等轴晶沿轧制方向伸长。中间退火后组织如原创图2(b)所示,轧制变形的组织经过回复和再结晶,形成的晶粒较为规则,逐渐接近等轴晶。晶粒尺寸约为10-105μm,尺寸呈现明显的不均匀性。二次冷轧样品组织如原创图2(c)所示,由于变形量很大,部分晶界变得模糊不清,晶粒难以分辨而呈纤维状条纹。脱碳退火后冷轧样品组织如原创图2(d)所示,脱碳退火后发生了回复和再结晶,初次晶粒更加细小均匀,平均晶粒尺寸约为15.5μm。成品中二次晶粒的尺寸平均为4-5cm,平均约为4.6cm,说明实验室模拟TSCR流程生产的取向硅钢二次再结晶发展完善。

  2.1.2、抑制剂特点

  抑制剂是在脱碳退火和高温退火过程中起到有利的作用,因此抑制剂的强度由脱碳退火后其在钢中的分布决定。取向硅钢二次冷轧回复退火后的样品进行初次再结晶试验,观察抑制剂Cu2S在回复退火后初次再结晶样品中的分布情况,如图3所示。其中的A点为典型的Cu2S粒子,经多视场统计,初次再结晶样品中Cu2S粒子的尺寸约为20-40nm,平均直径约为25nm,分布密度约为2.13×1014个/cm3,体积分数为0.167%。钢中形成的AlN如图3中B和C点所示。AlN的辅助抑制作用使初次晶粒的长大得到更好的抑制,有利于二次再结晶的发展。

  原创图3示出抑制剂在回复退火后初次再结晶样品中的分布情况

  2.2、技术优势

  薄板坯连铸连轧流程与传统流程生产取向电工钢的工序及热履历的差异如下表所示。与传统板坯流程相比,技术优势表现如下。

  原创图表中示出薄板坯连铸连轧流程与传统板坯流程生产取向电工钢的工序比较。

  1)铸坯加热温度低、时间短。与传统板坯流程相比,薄板坯流程的铸坯厚度(<100mm)远小于传统连铸坯厚度(200-300mm)。薄板坯表面温度>950℃入均热炉,在1100-1200℃温度下经短时间(<1h)加热后即可确保铸坯心部至表层温度的均匀。薄板坯低温短时的加热可避免或减弱传统板坯流程高温加热(1300-1400℃)所带来的问题。如高温加热易导致铸坯晶粒粗大,在加热或轧制过程中出现热裂纹,同时热轧板边裂明显造成切边量大,使得产品的质量、产量和成材率降低等等。

  2)热轧带卷厚度可<1.2mm,采用一次冷轧法,即可生产≤0.23mm厚度的超薄取向硅钢产品。同时薄板坯热轧过程无需粗轧,铸坯可直接轧制成2.0-2.5mm厚度的热轧带卷。此外,在控制热轧板型方面,TSCR工艺的带钢厚度和热凸度控制精度较传统工艺高1倍以上。这对于大压下率一次冷轧法生产高磁感取向电工钢也会十分有利。与传统板坯流程相比,TSCR流程生产取向硅钢流程大大缩短,生产效率将得到极大提高,生产成本也会大大降低。

  3)铸态组织细小均匀,有利于组织的控制。由于薄板坯(厚约50mm)在结晶器内的凝固速度与高温时(1400℃以上)的冷却速率分布比传统厚板坯(厚约210mm)约高1个数量级,其原始的铸态组织与厚板坯相比更加细小均匀。等轴晶尺寸一般小于1.5mm,因此可以省略电磁搅拌工序。铸坯经短时低温加热,组织也不易粗化。同时铸坯晶粒小,因此,更易得到有利的初次晶粒尺寸,并可以提高成材率,降低生产成本。

  4)第二相析出物细小,有利于抑制剂的控制。由于薄板坯凝固速度快,其质地更加均匀,宏观偏析和中心疏松较小,各向异性不明显,使薄板坯的元素偏析较厚坯的偏析要轻微许多(薄板坯在铸坯中部的偏析程度只有厚坯的20%),有助于AlN、MnS等析出物尺寸的减小以及分布均匀。有研究结果表明,采用CSP流程生产取向硅钢的铸坯中第二相析出物细小弥散,其平均尺寸不大于60nm。同时,由于薄板坯均热温度较低且时间短,有利于控制析出物的粗化与长大,保持大量的析出物仍能细小弥散地分布于薄板坯中。

  5)获得的抑制剂种类更为有利,抑制剂的抑制能力可能更高。采用低温板坯加热工艺(1150-1300℃)生产Hi-B钢时,由于抑制剂不能充分固溶,为了增强抑制剂的抑制能力,一般在高温退火前采用约750℃低温渗氮处理,而薄板坯流程采用约900℃高温渗氮处理。高温渗氮处理不仅可以提高氮渗入和扩散进入钢片的速率,以直接形成部分所需的AlN抑制剂,而非低温渗氮处理后以(Al,Si)N为主的最终抑制剂。因此抑制剂的抑制作用效果与低温板坯流程相比可能更强,成品的磁性能更优良。

  2.3、技术难点

  为了实现薄板坯连铸连轧流程生产取向电工钢,必须解决的主要技术难点是保证抑制剂的析出数量、分布与尺寸来满足抑制剂的要求,即保证在高温退火升温过程中有足够数量细小弥散的抑制剂抑制初次晶粒的长大。

  由于薄板坯连铸连轧流程中加热炉温度仅1150-1200℃,采用传统抑制剂方案及其控制已不适用于薄板坯连铸连轧流程。因此,采用“TSCR+固有抑制剂法”生产取向电工钢的核心在于适应薄板坯流程抑制剂方案的制定,必须结合TSCR流程与取向硅钢组织、织构特点,进行抑制剂的热力学、动力学分析,保证低温加热条件下抑制剂的抑制效果。采用“TSCR+获得抑制剂法”生产取向电工钢研究的核心不仅包括渗氮处理前固有抑制剂方案的制定,更为重要的是气态渗氮工艺的制定。包括脱碳退火与气态渗氮工序的组合顺序,渗氮温度的高低等,使得氮能在短时间内快速渗入钢带,得到所需合适的渗氮量与氮化物析出相的种类、尺寸及分布,并在高温退火升温阶段转化得到合适的种类、数量、尺寸及分布的有效氮化物抑制剂(AlN或(Si,Al)N)来满足抑制剂的要求。同时,在脱碳退火、气态渗氮与高温退火工序中满足合适的初次再结晶尺寸与晶粒均匀性、合适的渗氮量与有效氮化物抑制剂的体积分数以及合适的二次再结晶尺寸。这三者的统一可保证成品磁性能的优良与稳定。

  3、发展趋势

  采用渗氮处理来获得钢中所需的抑制剂,由于不要求钢中固有抑制剂完全固溶,不仅可以大大降低板坯的均热温度,还能克服冶炼时钢中铝、氮含量的波动,以稳定生产磁性能优异的Hi-B钢。因此,采用薄板坯连铸连轧流程生产取向电工钢的主要发展趋势为采用“获得抑制剂法”,即渗氮处理以稳定生产Hi-B钢。同时采用高温渗氮也成为渗氮处理的发展趋势,它不仅可以提高氮渗入和扩散进入钢片的速率,从而使氮更好地扩散至钢带内部,影响渗氮过程中氮化物析出的种类与分布。并使最终钢中抑制剂的存在形式不同,而且在渗氮处理的过程中便可能直接形成部分所需的AlN抑制剂。但采用高温渗氮需保证初次再结晶晶粒的尺寸处于合适范围,即高温渗氮过程中晶粒不易长大。

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