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冷轧无取向电工钢
冷轧取向电工钢
1定义:
冷轧取向硅钢是指含2.9%~3.5%Si,钢板晶体组织有必定规律和方向的冷轧电工钢。
一般指拥有高斯织构的单取向硅钢片,即(110)晶面平行于轧制面、[001]晶向平行于轧制方向的硅钢。
还有一种冷轧双取向(立方织构{100}<001>)硅钢。
两种硅钢晶粒与轧制方向的示建议图1:
(a)高斯织构(b)立方织构
冷轧取向硅钢按磁性分为一般取向硅钢片(GO)和高磁感取向硅钢片(Hi
—B)。
一般取向硅钢片(GO)和高磁感取向硅钢片(Hi—B)性能见表1,工艺比较见表2。
表1
类型
B8(T)
[001]均匀[001]
偏离角<
二次晶粒直径
晶粒取向度
偏离角
10°的比率
GO
1.82~
~7°
75%
3~5mm
85%~90%
Hi-B
1.92~
~3°
100%
10~20mm(二次冷轧
≥95%
法时3~5mm)
表2
主要工艺
GO
Hi—B
A方案
B方案
C方案
克制剂
MnS(MnSe)
AlN+MnS
MnSe+Sb
N+B+S
铸坯加热温度℃
1350~1370
1380~1400
1350
~1370
1250
常化温度℃
不常化或
1100~1150
900
~950
900~1025
900~950
第一次冷轧压下率%
70
85~87
60
~70
85~87
中间退火温度℃
850~950
/
850
~950
/
第二次冷轧压下率%
50~55
/
60
~70
/
脱碳退火温度℃
/
800~850
湿H2+N2
/
高温退火温度℃
1180~1200
1180~1200
(820~900)×
1180~1200
50h+(1180~1200)
取向硅钢以追求其轧制方向上拥有高取向度为出发点,力争获取拥有
{110}<001>高斯织构的晶粒均匀的产品,以知足其使用时在长度方向上拥有高磁
性能的需要。
关于厚度大于的一般取向硅钢(GO),当前比较流行的生产方法是采纳克制剂的二次再结晶法生产。
即以MnS(或MnSe)为克制剂和二次中等压下率冷轧法。
Hi-B钢按采纳的克制剂和制造工艺不一样可分为三种方案:
(A)日本新日铁发展的以AIN为主以MnS为辅的克制剂和一次大压下率冷轧
法,其磁性高且稳固,部分产品经激光照耀细化磁畴。
是最通用的Hi-B产品制造工艺。
(B)日本川崎发展的以MnSe(或MnS)+Sb为克制剂和二次中等压下率冷轧,最
终退火经二次再结晶和高温净化二段式退火工艺。
其磁性略低于(A)方案且较不
稳固。
高牌号中常加入少许钼。
(C)美国GE和ALC企业发展的以N十B+S晶界偏聚元素为克制剂和一次大压下率冷轧法。
因为固溶硫含量较高,锰含量较低,Mn/S≤2.1,热轧板边裂严重,其磁性也较低且不稳固,现已极少采纳。
2用途:
冷轧取向硅钢又称冷轧变压器钢,用于制造各种变压器的铁芯。
3轧制工艺流程:
冷轧无取向硅钢通用的轧制工艺流程如图2所示。
生产拥有高斯织构的硅钢,重点在于利用二次再结晶。
为了实现二次再结晶,往常需要在合金中增添正常晶粒长大克制剂,如MnS等。
晶粒长大克制剂一定能以参杂的形式弥散地散布在合金基体内,在二次再结晶发生时,可以有效地阻挡基体晶拉的正常长大,同时,又要求在最后的高温退火中可方便地除去掉,免得恶化产品的磁性能。
在二次再结晶中、二次晶粒长大的取向核主要依赖适合的冷轧工艺和再结晶退火来产生。
因为相变会损坏晶粒取向,所以在热办理过程中保持单相至关重要。
当前,工业上生产拥有高斯织构硅钢的典型工艺可概括以下:
初始成分——约3.2%Si,≤0.03%C,0.06~0.10%Mn,0.03%S。
钢坯加热到
1400℃进行热轧成厚度为1.1~的薄板。
常常化及酸洗除掉除氧化皮后,经过两次冷轧将薄板轧到0.25~的最后厚度。
在两次冷轧之间,需将钢板在800~1000℃复原氛围中进行中间退火。
两次冷轧的总压下率为85%左右。
随后,钢板在800℃左右进行湿氢脱碳退火,以便把碳含量降低到0.003%的水平。
最后,钢板需在1100~1200℃干氢中再进行一次高温退火。
在以上工艺中,钢板在800℃退火时期,渺小的MnS颗粒是必需的晶粒长大克制剂,而在最后的高温退火时,
此中的S经过和氢反响生成硫化氢从基休中逸出,剩下的Mn将溶解在铁的晶格中。
用这样的工艺生产的硅钢片晶粒粗大,直径为1~5mm,并且90%以上的晶粒拥有(110){001}取向。
所以,沿其轧向拥有优秀的磁性能。
比如,在磁场为时,磁感觉强度可达1.82T。
邻近成分的非取向硅钢,在相同磁场下的磁感觉强度只有1.45T。
冷轧
脱碳退火和
热轧常化和酸洗
涂MgO
一次冷轧中间退火二次冷轧
高温退火平坦拉伸退火和涂绝缘膜
图2
4轧制工艺
热轧工艺
1)铸坯
3%Si钢导热率低,铸坯急冷或急热都可能产生裂纹,甚至断坯。
铸坯冷到
600℃从前以<20℃/h速度慢冷可防备裂纹。
铸坯切断至进入加热炉的时间要保证<10h,不然因为表层与中心区的温差
而惹起克制剂固溶状态和组织状态不一样,使成品P17增高。
为防备此后高温加热时柱状晶过于粗化,铸坯冷到650~750℃保温5~10h
或以10℃/h速度慢冷使碳化物散布均匀,铸坯加热温度可降到1350℃以下,热
轧板晶粒均匀。
铸坯冷到A1相变点邻近或A1~950℃范围保温>30min,可在铸坯中形成小
晶粒和使第二相溶解度发生变化,也可使加热温度降低约100℃。
2)加热
加热温度:
GO钢——l350~1370℃Hi-B钢——1380~1400℃
铸坯最幸亏铸坯表面冷到的>1000℃,中部>1200℃时装炉。
如不可以做到,铸坯装炉时的表面温度应>250℃,当硅含量提升到3.25%~3.45%时最好>300℃,防止加热后出现晶界裂纹。
以MnS或MnSe为克制剂的铸坯一定经高温加热,使铸坯中>1μm的粗大MnS固溶(主要存在于铸坯板厚方向的等轴晶中心区内),热轧过程中再以≤50nm的
渺小弥散状MnS析出。
按取向硅钢的成分,在均衡状态下MnS固溶温度约为1320℃(AlN固溶温度约为1280℃),所以GO铸坯加热温度规定为l350~1370℃。
MnS+A1N万案的Hi-B钢因为锰和碳含量高于GO,所以规定为1380~1400℃。
此时晶粒粗化到10~70mm。
为防备柱状晶失常长大,铸坯加热到约1250℃后,以>150℃/h速度快加
热,使很多晶粒同时开始快速长大到相互相碰,保证柱状晶尺寸小于30mm,以
后不出现线晶。
实考证明,铸坯厚度方向中心区温度为1360℃时,晶粒100%长大,产品出
现线晶;铸坯厚度方向中心区温度为1345℃时,72%晶粒长大,产品无线晶。
所以,控制中心区温度为1310~1340℃保温15~70min。
按一般加热方式,铸坯下表面温度比上表面低,下表层(110){001}组分强度
减弱,二次再结晶不完美,磁性不均匀,假如加热到1250℃以上,控制上下表面温差<70℃,最好<40℃,则热轧板上下表层(110){001}组分强度邻近,二次再结晶完美。
3)粗轧
铸坯出炉后先除鳞,经4~6道粗轧和用立辊调整板宽。
每道压下率均匀分派,第一道最好>30%来损坏柱状晶。
薄板坯厚度为30~40mm。
切头后进行精轧。
渺小MnS是在精轧阶段析出,所以一定控制好粗轧后和进入精轧的薄板坯温
度、时间和厚度。
一般采纳大压下率高速轧制以保证薄板坯温度高。
对G0钢来
说,进入精轧的温度控制在1160±20℃。
对AlN+MnS方案Hi-B钢控制在≥1190℃,目的是在尽量少析出AlN。
4)精轧
开轧温度:
GO钢1160℃±20℃;Hi-B钢≥1190℃。
终轧温度:
GO钢950℃±10℃;Hi-B钢1000℃~1060℃。
卷取温度:
550℃。
精轧一般采纳六机架四辊连轧机轧6道,每道压下率递减,轧制速度尽量快
并增大冷却水量和提升冷却速度。
MnS从约1200℃开始析出,在1100~1150℃
的γ相数目最多的温度下析出速度最快,<950℃基本停止析出。
在1200℃到
950℃轧制时间控制企50~180s,在精轧过程中产生的大批位错成为MnS析出核
心,促进MnS以渺小弥散状更快和更均匀析出。
精轧后立刻喷水冷却到约550℃卷取。
这可使碳化物弥散散布在晶粒内(针
状Fe3C),有益于此后获取渺小均匀首次晶粒。
轧后急冷也防备析出AlN。
常化
GO钢热轧板一般不常常化办理。
以A1N为克制剂时热轧板或最后冷轧前必
须在氮气下高温常化。
常化的作用:
为析出大批渺小AlN。
同时使热轧板组织更均匀和再结晶晶粒
数目更多。
详细来说有:
a)常化前后织构无显然变化,经过同位再结晶使再结晶比率增加;
b)升平和保温时热轧板中Fe3C、珠光体、Si3N4和渺小AlN固溶,淬在100℃水中后在晶粒内析出很多10~20nm渺小ε—碳化物、Fe3C、Fe16N2和A1N。
金相组织为铁素体、珠光体和硬的贝氏体;
c)冷轧时渺小析出物(主要为ε—碳化物)、固溶碳和氮以及贝氏体都可钉扎位错,使位错密度显然增高和更快地加工硬化,再结晶生核地点增加,首次再结晶晶粒渺小均匀;
d)脱碳退火后沿晶界邻近形成更多的{111}<112>晶粒,过渡带的{110}<001>晶粒数目减少,也就是Σ9重合位向晶粒增加,同时AlN克制能力增强,{110}<001>,二次晶粒简单长大;
e)高温常化后采纳二次冷轧法(第二次经大压下率冷轧)时,中间退火后原热轧板中粗大的{211}<011>~{100}<011>晶粒减少,{110}和{111}晶粒增加,晶粒渺小
均匀。
因为常化后粗大晶粒中含更多的固溶碳和ε—碳化物,冷轧时位错密度
更高,更简单再结晶。
再经大压下率冷轧和脱碳退火后{111}晶粒更多和{110}
晶粒减少。
一般常化制度:
1050~1150℃(最好1100~1120℃)×4~5min。
常化后严格控制开始急冷温度和冷却速度,因为10~50nmAlN就是在冷却过程中经过γ→α相变而析出。
一般在空冷到约900℃后喷水冷却。
常化温度、时间、开始快冷温度和冷却速度与钢中Als和氮含量相关。
如Als含量高,应慢冷;Als含量低,采纳快冷。
常化温度过高或时间过长,热轧板中渺小MnS齐集粗化、使磁性降低。
酸洗
常化办理后进行喷丸办理和在80~90℃的2%~4%HCl中酸洗1~2min,并将热轧带每边剪掉20~30mm准备冷轧。
冷轧
热轧板常化和酸洗后应赶快冷轧,假如停放时间长,钢中固溶碳和氮析出形成不稳固第二相,使冷轧时碳和氮钉扎位错作用减弱,退火后再析出的AlN尺寸增大,磁性降低。
1)以AlN为主要克制剂的大压下率冷轧法
a)预热:
冷轧前硅钢带一般预热到50~80℃。
b)道次压下率:
3%Si钢变形抗力大,一般在20辊轧机冷轧,经5~7道冷轧
到0.30~厚,均匀每道压下率为25%~33%。
适合的压下率为82%~
90%,最好为85%~88%。
c)冷轧时效:
为进—步降低铁损,此刻生产上宽泛采纳冷轧时效工艺。
前几道使用粗面工作辊,每道经约30%大压下率冷轧,封闭润滑系统和快速轧制。
依赖轧制时的变形热将冷轧钢带温度提升到200~250℃。
冷轧时效的作用是使硅钢中固溶碳和氮数目增加,就是使钢中存在的不稳固碳化物和氮化物在
时效办理时固溶。
冷轧时固溶碳和氮齐集在位错处,阻挡位错运动,位错群成直线摆列,改变了正常滑移系统,促进形成更多的过渡带,冷轧后使再结
晶织构发生变化。
同时因为固溶氮(约10ppm)更均匀散布在基体中,以退后
火时新形成一批渺小AlN增强克制力。
2)以MnS为主要克制剂的二次冷轧法
a)预热:
冷轧前钢卷温度控制在50~80℃。
b)第一次冷轧:
经3—4道冷轧,总压下率为60%~70%。
c)中间退火:
中间退火制度为850~950℃×2.5~4.0min。
温度过低,首次再结晶不完美。
温度过高,首次晶粒粗大、使冷轧和脱碳退火后首次晶粒不均
匀,不利于二次再结晶发展。
GO钢和MnSe十Sb方案Hi—B钢在二次冷轧之间在连续炉内进行中间退火。
目的是经过再结晶除去第一次冷轧产生的加工硬化,便于第二次冷轧并保证适合
的压下率;进行部分脱碳,将碳控制在适合范围;使渺小MnS数目增加。
中间退火前冷轧带在70~80℃的2.5%~3.0%NaOH水溶液中去油、洗刷和烘干。
中间退火时快升温到再结晶温度以上,使再结晶前答复和多边化过程耗费的储能减少、首次晶粒渺小均匀和改良磁性,同时可缩短炉长和提升产量。
钢带
入炉,先经过煤气明火焰高温加热段,炉温控制在1200~1250℃。
再经辐射管加热段,使钢带快速升到规定温度。
采纳的煤气一定是经过脱硫办理的富煤气(<0.05%S),这可减少钢带表面氧化和不阻挡脱碳。
退火氛围为d.p.=20~30℃的20%H2+N2。
控制PH2O/PH2可控制脱碳程度和氧化程度。
一般要求中间退火时部分脱碳,使钢中保存120~400ppm碳,目标为250ppm碳。
退火后需快冷。
快冷可采纳喷气或喷水冷却法。
950℃中间退火后从770℃
在30s内快冷到100℃和150~250℃×2~60s时效办理,或以<20s时间快冷到330℃,并在300~150℃之间冷却8~30s,在晶粒内析出10~50nm渺小弥散碳化物(以{100}为习面的ε-碳化物)。
d)第二次冷轧:
冷轧道次为2~3道,总压下率为50%~55%。
e)冷轧时效:
采纳MnS方案的GO钢和MnSe十Sb方案Hi—B钢在第二次冷轧过程中经约250℃时效办理,也可使磁性提升。
脱碳退火
冷轧到成品厚度的钢带在连续炉内进行脱碳退火。
脱碳退火的目的是:
达成首次再结晶,使基体中有足足数目的(110){001}首次晶粒(二次晶核)以及有益于它们长大的首次再结晶织构和组织;将钢中碳脱
到0.003%以下,保证此后高温退火时处于单—的α-相;发展完美的二次再结晶组织和去除钢中硫和氮,并除去产品的磁时效;钢带表面形成致密均匀的SiO2
薄膜(2~3μm厚)。
脱碳退火工艺:
退火前冷轧钢带用碱洗去掉油污并烘干,碱洗工艺和对连续炉的要求与中间退火相同。
快速升温到835~850℃×3~4min,保护氛围为湿的20%H2+80%N2,d.p.=+35~45℃(水温60~65℃),PH2O/PH2=0.35~0.45,冷却段通干的20%H2+80%N2、d.p.<-20℃,PH2O/PH2=0.03,再喷氮气快冷。
涂MgO隔绝剂
涂MgO目的:
防备钢带成卷高温退火时粘接;高温退火升到约1000℃时Mg0与钢带表面Si02氧化膜起化学反响(2Mg0+Si02→Mg2SiO4),形成硅酸镁玻璃膜基层;高温净化退火时促进脱硫和脱氮反响。
MgO涂层往常与连续炉脱碳退火在同一条作业线长进行。
钢带脱碳退火和冷却到室温后经过涂层机组,辊涂或喷涂Mg0悬浮液并烘干。
高温退火
高温退火的目的:
升温到850~1050℃经过二次再结晶形成单调的
(110)[001]织构;升温到1000~1100℃经过MgO与表面氧化膜中Si02起化学反响,形成Mg2SiO4(硅酸镁或铁橄榄石)玻璃膜基层;在1200±20℃温度下保温进行净化退火,去除钢中硫和氮,同时使二次晶粒兼并分别的节余首次晶粒,二次晶粒组织更完好,晶界更平直。
二次再结晶基本达成后,克制剂的有益作用已结束并分解。
分解出的硫和氮自己对磁性和曲折性有害,一定在高温退火时去掉。
通用的高温退火制度:
涂好MgO的钢卷往常放在电加热罩式炉的底板上并加内罩进行高温退火。
第一通入含O2<10ppm的氮气赶走空气,以约50℃/h速度升到350~450℃时MgO中Mg(OH)2分解放出化合水。
升到550~650℃时换成含O2<10ppm的75%H2+25%N2气并保温1~1.5h去除化合水。
测定氛围露点d.p.,控制d.p.<0℃,不然表面氧化膜中FeO和Fe2SiO4含量增加,对此后形成的玻璃膜质量不好。
而后以15~20℃/h速度升到850~950℃(以MnS为主的GO和Hi-B钢)或950~1050℃(以AlN为主的Hi-B钢)时发生二次再结晶。
升到约1000℃以
上形成玻璃膜基层。
此时d.p.控制在<-7℃,最好事<-7℃(G0钢)或-10~+30℃
(AlN为主的Hi-B钢)。
升到约1150℃时开始换为d.p.=-60℃和O2<10ppm的纯干氢,并在约1200℃保温约20h进行净化退火,排出的氢气d.p.≤-10℃,最好事≤-20℃。
断电后再换为75%H2+25%N2气冷到约700℃,再换为氮气冷到<
300℃出炉。
在冷到约700℃时去掉外罩加快冷却。
罩式炉一般用石英砂双密封。
最好用结砂密封,因为它的热稳固性好,在高温下不会被氢气复原。
按MnSe+Sb或MnS+Sb方案生产Hi-B钢时大多采纳二段式高温退火工艺,即
800~920℃×约50h+1200℃×20h。
前段称为二次再结晶退火,后段称为净化退
火。
平坦拉伸退火和涂绝缘膜
成卷高温退火后因为热应力作用使钢带变形,需进行平坦拉伸退火。
平坦拉伸退火主要目的:
经过水洗刷和70℃的5%H2SO4轻酸洗,去除表面
残留的MgO和其余污物.使表面活性化;烘干后涂绝缘涂料和在<500℃烘干;
在连续炉中氮氛围下加适合张力经约800℃平坦拉伸退火和将绝缘涂层烧结好。
平坦拉伸退火工艺:
一般在约800℃经0.25%~0.75%伸长率的拉伸退火可
使钢带干整。
伸长率过大,二次晶粒变形,取向度和磁性变坏。
钢带平坦张力在
约3~7MPa。
绝缘涂层:
高温退火后形成的玻璃膜(硅酸镁)基层拥有必定的绝缘性、而蚀性和在钢中产生拉应力。
可知足卷铁芯配电变压器的需要,不用再涂绝缘膜。
美
2
国销售这类产品,并将玻璃膜称为C—2涂层。
其层间电阻>4Ω·cm/片。
对叠片铁芯的中大型变压器来说,C—2涂层的绝缘电阻还不够大,最后一定涂绝缘膜。
涂绝缘膜与平坦拉伸退火在同一条作业线达成。
5新品种的进展
5.1含铜GO钢和含铜及锡的AlN+MnS方案Hi-B钢
最近几年来,提升硅含量和减薄产品厚度是进一步降低G0和Hi-B钢铁损的重要
举措,但硅含量提升到上限和钢带减薄到0.20~厚都使二次再结晶发展
更为困难。
新日铁为了增强克制能力、使二次再结晶完美,在0.18~的
G0钢中加0.15%~0.20%Cu,生产了Z8、Z7、Z6和Z54种新牌号。
在0.18~
0.30mm厚AlN+MnS方案Hi-B钢中加入0.06%~0.15%Cu和0.06%~0.14%Sn,
生产了Z7H、Z6H、Z5H以及厚度新产品。
含钼的MhSe(或MnS)+Sb方案Hi-B钢
川崎钢企业采纳MhSe(或MnS)+Sb方案生产Hi-B钢(RG-H牌号),锑加入量
为0.02%~0.05%。
锑沿品界偏聚,增强了克制力,使第二次冷轧压下率提升
到60%~70%,有防备表层克制剂过早分解固溶的作用。
热轧板厚度为
2.5~
。
脱碳退火后首次晶粒渺小,(110){001}组分增强,二次再结晶温度降低,
850℃×20h二次再结晶退火后B8提升。
硒的扩散系数比硫小,在热轧过程中,
MnSe比MnS需要更长时间冷却才能以渺小弥散状质点析出。
但MnSe比MnS质点
更渺小,并且更稳固。
MnSe+Sb方案的Hi-B产品磁性比AlN+MnS方案的Hi-B产品磁性更低,也更
不稳固。
特别是硅含量提升到3.1%以上和成品厚度减薄到
以下时,磁性
更不稳固,热轧板易出现裂纹,产品表面缺点增加。
为解决这些问题,在MnSe+Sb方案中加入0.013%~0.018%Mo。
加钢的作用是:
a)提升MnSe或MnS的克制能力,热轧板表层(110)[001]组分强度比GO钢提升3倍,二次晶核数目增加,二
次晶粒尺寸减小,位向更正确。
并且加钼不影响脱碳成效;2)铸坯高温加热时,钼在表面富集可防备晶界氧化,或在表面邻近形成渺小Mo2S3阻挡FeS的形成,
防备晶界裂纹(硫或晒在α-Fe中固溶度低,在表面偏聚使热加工性能变坏),这对3.2%~3.5%Si钢更重要;3)钼在表面富集可克制氧化,减少Fe2SiO4和FeS形成量,形成的玻璃膜质量好。
含铬、钛、铌、锌、锗和镍的取向硅钢
1)铬的作用:
铬与锡和锑的作用相像。
可细化二次晶粒,但使玻璃膜质量降低。
提升AlN+MnS方案中Als量可降低热轧温度和在常化后进行快冷(淬入60℃水
中),二次晶粒小,但二次再结晶不易完美。
假如Als量提升到0.028%~0.031%,并加%~0.11%Cr和0.08%~0.10%Cu,二次再结晶完美,厚板的
P17≤,B8≈l.92T,达到Z6H水平。
厚板(加0.004%Sn)的P17=
,玻璃膜质量改良。
2)钛、铌的作用:
在MnS方案中加0.005%~00.188%Ti和0.002%~0.012%Nb,形成TiN和NbN增强克制力。
热轧板经950~1000℃×2~3min常化和一次冷轧到0.3mm厚时,二次再结晶完美,B8≈l.89T,P17=1.18~1.25W/kg。
在
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