专利名称：一种取向硅钢及其生产方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种取向硅钢及其生产方法，其特点是通过钢板渗氮(Nitriding)获得二次再结晶所需的抑制剂，最终高温退火时形成完善的Goss组织，并形成表面玻璃质薄膜，得到与传统取向硅钢形态相同的取向硅钢成品。
背景技术：
传统上取向硅钢(Grain oriented silicon steel)的生产方法如下用转炉(或电炉)炼钢，进行二次精炼及合金化，连铸成板坯，其基本化学成分为Si(2.5～4.5％)、[C](0.01～0.10％)、Mn(0.03～0.1％)、S(0.012～0.050％)、Als(0.01～0.05％)、N(30～120ppm)，有的成分体系还含有Cu、Mo、Sb、Cr、B、Bi等元素中的一种或多种，其余为铁及不可避免的杂质元素；板坯在专用高温加热炉内加热到1400℃左右的温度，并进行30分钟以上的保温，使夹杂物充分固溶，以便在随后的热轧过程中在硅钢基体内析出细小、弥散的第二相质点，即抑制剂；热轧板常化(或不常化)后，进行酸洗，除去表面氧化铁皮；用一次冷轧或包括中间退火的两次以上冷轧方法轧到成品厚度，进行脱碳退火和涂布以MgO为主要成分的退火隔离剂，把钢板中的[C]脱到不影响成品磁性的程度(一般应在30ppm以下)；高温退火过程中，钢板发生二次再结晶、Mg2SiO4底层形成及净化(除去钢中的S、N等对磁性有害的元素)等物理化学变化，获得取向度高、铁损低的取向硅钢；最后，经过涂布绝缘涂层和拉伸退火，得到商业应用形态的取向硅钢产品。
传统取向硅钢的显著特点有(1)抑制剂从炼钢开始就形成，在其后的各工序，抑制剂都发挥作用，必须对它进行控制与调整；(2)板坯高温加热，加热温度高达1420℃，为传统加热炉的极限水平，轧线温降的控制也是现有热轧技术的极限；
(3)生产工艺技术的关键是控制各阶段钢板的组织、织构，以及抑制剂的行为；(4)由于高温加热，烧损大、加热炉需频繁修补，利用率低，同时，能耗高；热轧卷的边裂大，致使冷轧工序生产困难，成材率低，成本高。
高温取向硅钢生产技术经过半个多世纪的发展，已经非常成熟，为电力电子工业的发展做出了贡献，生产出了顶级的取向硅钢产品，但由于其生产工艺复杂、技术含量高、企业间的技术封锁严重及产品的专用性和总需求量较小等原因，掌握该项技术的钢铁制造商较少；另一方面，由于高温加热的特点，出现了一系列问题，如必须有专用高温加热炉、生产性差、成本高等。为了解决这些问题，在长期的生产实践和研究工作中，人们摸索和开发出了一些成功的办法，现简述如下(1)电磁感应加热方法新日铁和川崎都有电磁感应加热技术，从本质上来看，该方法仍然属于高温板坯加热方法，所不同的是在板坯的高温加热阶段，在电磁感应加热炉内，通入N2、H2两种保护气体，精确控制气氛，减少钢坯的高温氧化，同时，由于加热速度快，降低高温在炉时间。该方法较好地解决了边裂问题，可以将边裂减少到15mm以下，改善了取向硅钢的生产性，但不能完全消除边裂。
(2)中温取向硅钢生产方法俄罗斯的VIZ等厂采用中温取向硅钢生产技术，板坯加热温度1250～1300℃，化学成分中含较高的Cu，以AlN和Cu为抑制剂。该方法的抑制剂与高温法类似，也是一种先天性的抑制剂。可以完全避免高温加热带来的边裂问题，但缺点是只能生产一般取向硅钢，不能生产高磁感取向硅钢。
(3)日本的低温板坯加热方法板坯在1250℃以下加热，热轧板无边裂，生产性好。抑制剂通过脱碳退火后的渗氮而获得，是一种后天的获得型抑制剂，既可以生产一般取向硅钢产品，又可以生产高磁感取向硅钢产品。
(4)CSP生产取向硅钢方法该方法也解决了取向硅钢的热轧边裂问题，提高了生产性，降低了生产成本。抑制剂也可以是后天获得型，通过渗氮获得。
显然，低温板坯加热技术彻底解决了高温板坯加热技术的固有缺陷，提高了生产性，降低了成本，代表了技术发展的方向。
低温取向硅钢技术如日本专利[平3-211232]所公开的方法，其化学成分1为[C]0.025％～0.075％，Si 2.5％～4.5％，S≤0.015％，Als 0.010～0.050％，N≤0.0010～0.0120％，Mn 0.05～0.45％，Sn 0.01～0.10％其余为Fe及不可避免的夹杂物。板坯在1200℃以下加热后进行热轧，用1次冷轧或有中间退火两次以上的冷轧方法轧制到最终产品厚度，冷轧压下率在80％以上，接着进行脱碳退火和高温退火，在脱碳退火和高温退火的二次再结晶开始阶段渗氮。
日本专利特开平5-112827，化学成分[C]0.025％～0.075％，Si2.5％～4.5％，S≤0.012％，Als 0.010～0.060％，N≤0.010％，Mn 0.08～0.45％，P 0.015～0.045％，其余为Fe及不可避免的夹杂物。板坯1200℃以下加热后，进行热轧。用1次冷轧或有中间退火两次以上的冷轧方法轧制到最终产品厚度，脱碳退火后钢板在行进过程中进行连续渗氮，涂隔离剂后进行高温退火，生产磁性和底层质量俱佳的取向硅钢。
连续渗氮方法保护气氛为H2和N2的混合气体，其中NH3含量为1000ppm以上，氧势为PH2O/PH2≤0.04，渗氮温度为500～900℃；高温退火时，在600～850℃的温度范围内保持弱氧化性气氛。
还有如阿奇亚斯佩丝阿里特尔尼公司的低温技术，中国专利CN-1228817A，化学成分Si 2.5～5％，C 0.002～0.075％，Mn 0.05～0.4％，S(或S+0.503Se)＜0.015％，酸可溶Al 0.010～0.045％，N 0.003～0.013％，Sn≤0.2％，其余为Fe及不可避免的杂质。上述成分的钢浇铸成薄板坯，在1150～1300℃的温度加热，热轧后，进行常化退火及压下率大于80％的最终冷轧，最终高温退火时，控制退火气氛，使钢的吸氮量小于50ppm。这种方法主要适合于薄板坯连铸生产取向硅钢；但其没有采用渗氮工艺。
中国专利CN-1231703A，化学成分体系属于低碳且含铜的成分体系，生产方法也基本一致，不同的是在脱碳退火后对钢板进行渗氮，渗氮温度为900～1050℃，渗氮量低于50ppm。适合于薄板坯生产取向硅钢。
中国专利CN-1242057A，化学成分Si 2.5～4.5％；C 150～750ppm，最好250～500ppm；Mn 300～4000ppm，最好500～2000ppm；S＜120ppm，最好50～70ppm；酸可溶Al 100～400ppm，最好200～350ppm；N 30～130ppm，最好60～100ppm；Ti＜50ppm，最好小于30ppm；其余为Fe及不可避免的杂质。板坯加热温度1200～1320℃，渗氮温度850～1050℃。其余工艺与上面两个基本相同。
再有浦项制铁Posco的低温技术，其低温取向硅钢化学成分为C0.02～0.045％，Si 2.9～3.30％，Mn 0.05～0.3％，酸可溶Al 0.005～0.019％，N0.003～0.008％，S＜0.006％，Cu 0.30～0.70％，Ni 0.30～0.70％，Cr 0.30～0.70％，其余为Fe及不可避免的杂质。此外，钢中含B 0.001～0.012％；脱碳与渗氮同时进行，在湿气氛中渗氮。该方法的基础是以BN为主抑制剂。
通过对国内外基于渗氮工艺的低温板坯加热生产取向硅钢技术分析，可以发现日本的技术集中在脱碳退火后到二次再结晶过程中，对钢板渗氮，渗氮温度低，抑制剂在高温退火的前期形成；欧洲的技术为脱碳退火后进行渗氮，或者脱碳退火与渗氮同时进行，渗氮温度高；浦项制铁Posco的技术适用于其低碳低Al高Cu、Ni、Cr合金成分体系，渗氮与脱碳同时进行。
用日本的渗氮工艺生产取向硅钢时，由于钢板内没有抑制剂，不能抑制一次再结晶晶粒的长大，一次再结晶晶粒尺寸主要由温度和时间进行控制，因而脱碳退火及渗氮工艺的控制要求高，工艺窗口窄；另一方面，由于渗氮在脱碳退火后进行，钢板表面已经形成一层以SiO2为主要成分的氧化层，渗氮的均匀性和渗氮行为易受表面氧化层的影响。阿奇亚斯佩丝阿里特尔尼公司技术特点在于高温渗氮，为了实现该工艺，热轧板中必须有弥散析出的第二相质点，板坯的加热温度较高，如1250℃左右，因而要控制热轧板中的有利夹杂。另外，其渗氮在脱碳后或者与脱碳退火同时进行，渗氮也会受到钢板表面氧化层的影响。Posco也是采取脱碳、渗氮同时进行的工艺方式，钢板表面氧化层对渗氮的影响不可避免；此外，钢中的Al含量低，以BN为主抑制剂，B的不稳定性将导致抑制能力的不稳定，磁性的稳定性会受到很大影响。
几种低温板坯加热技术取向硅钢的化学成分体系比较如表1所示。
表1 化学成分体系比较单位wt.％
如前所述，高温板坯加热方法生产取向硅钢具有能耗高、加热炉使用效率低、热轧板边裂大、生产性不好、成本低等固有缺点，低温板坯加热技术生产取向硅钢可以较好地解决这些问题，因而具有强大的开发动力。目前专利文献中公开的低温板坯加热技术生产取向硅钢，几乎都是建立在渗氮工艺的基础上的，渗氮工艺技术是实现低温板坯加热的关键。既有的渗氮方法中，钢板中的渗氮量及均匀性受到表面氧化层的影响，从而对磁性产生影响。
采用板坯高温加热的方式生产取向硅钢，板坯加热温度高达1400℃，使有利夹杂充分固溶，并在加热后进行高温轧制，获得有利的夹杂物分布与尺寸，在高温退火时，抑制初次再结晶晶粒，获得良好的二次再结晶组织。该生产方法的缺点在于(1)必须专用的高温加热炉；(2)由于高温加热，板坯表面熔渣严重，导致加热炉必须频繁修补，维护费用高，炉子的作业率低下；(3)板坯的厚度一般为200～250mm，为了加热均匀，必须长时间加热，能耗高；(4)板坯内的柱状晶发达，晶界氧化，导致边裂严重，后工序生产性差，成材率低，生产成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种取向硅钢及其生产方法，在脱碳退火前对钢板进行渗氮处理，钢板表面没有氧化层，克服了其它类似方法的缺陷；另一方面，在脱碳退火中，钢板中的氮进一步扩散，并形成(Al、Si)N有利夹杂，利用其对一次再结晶晶粒的抑制作用，可以有效地控制钢板的一次再结晶组织，对获得稳定、完善的二次再结晶成品组织非常有利。使得本发明的方法与其它方法相比有很大的优越性。
为达到上述目的，本发明的技术方案是，一种取向硅钢，其组分(重量百分比)为C 0.035～0.060％Si2.5～3.5％Mn0.08～1.8％S 0.005～0.010％Als 0.015～0.035％N 0.0050～0.0090％Sn0.01～0.15％P 0.010～0.030％Cu0.05～0.12％其余为Fe及不可避免的夹杂物。
本发明的取向硅钢的生产方法，包括如下步骤，a.冶炼，用转炉或电炉炼钢，上述成分的钢水经二次精炼和连铸后，获得铸坯；b.热轧，铸坯加热到1100～1200℃，开轧温度小于1200℃，终轧温度850℃以上，卷取温度650℃以下；c.常化处理，热轧板进行1050～1180℃(1～20秒)和850～950℃(30～200秒)的常化退火，并进行快速冷却，冷却速度大于25℃/s；d.冷轧，用一次或带中间退火的二次以上冷轧方法轧到成品板厚度，其最终压下率必须超过80％；
e.渗氮、脱碳，对轧到成品厚度的钢板进行渗氮处理和脱碳退火，涂布以MgO为主要成分的高温退火隔离剂；f.高温退火及热平整退火，按常规的高温退火及热平整工艺进行。
其中，所述的渗氮工艺包括，加热段露点-20℃以下；渗氮温度750～900℃；渗氮时间5～50秒；渗氮介质NH3，要求使用干NH3，露点在-20℃以下；保护气氛H2与N2混合气体，H2含量20～75％，气氛露点-20℃以下，NH3浓度0.1～15％；渗氮量50～200ppm，渗氮的目的在于形成有利夹杂，按本发明的渗氮方法，在渗氮完成后，钢板脱碳过程中，渗入钢板表面的氮将扩散，并形成以(Al、Si)N为主的有利夹杂，对一次晶粒的长大起抑制作用，便于进行晶粒组织的调整。
本发明的复合功能退火炉，其炉体包括加热段、渗氮段、脱碳段和还原段，其特征是，所述的加热段、渗氮段、脱碳段和还原段之间设置三个气氛隔离装置，方便各炉段的气氛控制，使之不会相互影响。
其中，所述的气氛隔离装置为隔板结构。
所述的加热段为辐射管加热或电磁感应加热，快速将钢带加热到渗氮温度。
所述的渗氮段、脱碳段和还原段采用电加热方式。
脱碳段既起对钢板脱碳的作用，还起N扩散作用，形成(Al、Si)N抑制剂。
A)冶炼一般认为用渗氮法生产取向硅钢需将S控制在0.007％以下。但本发明发现，当S＜0.005％时，反而会影响二次再结晶及磁性能，这可能是AlN与(Mn，Cu)S之间存在一定的位相关系(2110)AlN//(110)(Mn，Cu)s有关，S含量过高或过低都会影响AlN的析出形态。为此，本发明中将S含量控制在0.005％～0.010％之间。
加Cu可以析出微量细小弥散(Cu，Mn)xS或CuxS粒子，抑制力增强，提高成品磁性。加Cu还可以提高热轧板及脱碳退火后的(110)<001>位向晶粒，减少(100)<001>位向晶粒，促进二次再结晶。但Cu含量在0.12％以上时会使析出物在常化时迅速粗化，从而影响AlN的析出形态和分布。因此，本发明中将Cu含量控制在0.05％～0.12％之间。
本发明由于采用传统的连铸过程，因此与专利CN-1228817A、US6273964B1、US6296719B1等揭示的采用薄板坯连铸连轧的取向钢生产工艺有较大区别。
B)热轧铸坯在加热炉内加热到1100～1200℃，小于1200℃开轧，850℃以上的温度终轧，轧成1.5～3.5mm厚度的热轧板，卷取温度650℃以下。
板坯的加热温度主要由以下两个因素所决定，其一是为了确保热加工的稳定性，一般要求加热温度高一些，这构成了温度下限；其二是为了防止磁性能的劣化，要求加热温度低一些，这就构成了温度上限。传统的取向钢生产工艺中，为在热轧或热轧板的退火过程中形成细小、均匀的MnS、AlN等抑制剂，必须先将铸坯加热到1350～1400℃使铸坯中粗大的MnS、AlN析出物固溶，因此是一种板坯高温加热技术。
为克服高温加热技术带来的氧化、边裂等严重问题，现有采用渗氮形成获得性抑制剂等取向硅钢板坯低温加热技术(Low temperature slabreheating)，主要有如下几类一是在高温退火隔离剂中添加渗氮化学成分，然后在高温退火阶段使钢带渗氮形成(Al，Si)N等抑制剂，如特许公报平1-230721、平1-283324等；另一类是利用高温退火升温阶段的渗氮气氛进行渗氮。这两类均因渗氮不均匀等原因而没能获得磁性稳定的产品。在此基础上，出现的又一种技术是在中间退火、脱碳退火以后、或在脱碳退火的同时在气氛中通入活性较强的氨，如日本特许公报平2-182866、平2-228425、平2-294428、平3-2324、WO9902742等所揭示的技术。专利US6273964B1和US6296719B1揭示了采用薄板坯连铸连轧的取向钢生产工艺，由于铸坯的冷却速度很快，能显著减小铸坯内析出物的平均尺寸，因此在随后的加热炉中，只要对薄板坯实行较低温度(1150℃～1300℃)和较短时间(10～20分钟)的加热即能使抑制剂固溶，故也能实现板坯低温加热；如辅之以脱碳工序的渗氮，可获得高磁感产品。
C)常化热轧板进行1050～1180℃(1～20秒)+(850～950℃×30～200秒)的常化退火，并进行快速冷却，冷却速度大于25℃/s。
D)冷轧用一次或带中间退火的二次以上冷轧法轧到成品板厚度，但最终压下率必须超过80％。
E)渗氮、脱碳对轧到成品厚度的钢板进行渗氮处理和脱碳退火(Decarburizationannealing)，涂布以MgO为主要成分的高温退火隔离剂。作为本发明关键技术的渗氮技术说明如下US6296719B1所描述的渗氮过程在脱碳退火之后，渗氮温度为900～1050℃，通常在1000℃以上。通过渗氮，钢带能增加50ppm的氮含量，从而形成细小的氮化铝析出相，此过程必须含0.5～100g/m3的水蒸汽。而本专利的渗氮过程在脱碳之前，且气氛中的水含量远低于0.5g/m3。
日本特许公报平2-294428、WO9902742所揭示的渗氮方法都与脱碳同时进行，主要在钢带表层的晶界中形成(Al，Si)N等抑制剂，因此使初次再结晶的表层晶粒得到有效抑制而很细小，但内部晶粒却很粗大，结果使二次再结晶变得不稳定；而且由于必须同时控制脱碳和渗氮过程，增加了困难和复杂性，因此这种方法也难以获得磁性稳定的产品。本发明由于在脱碳之前进行渗氮处理，因而脱碳和渗氮过程可以单独、有效地得到控制，确保了脱碳量、渗氮量的稳定控制，从而获得了稳定的磁性。
日本特许公报平2-182866揭示的是在脱碳退火之后的渗氮方法，但该方法由于钢板内没有抑制剂，不能抑制一次再结晶晶粒的长大，一次再结晶晶粒尺寸主要由温度和时间进行控制，因而脱碳退火及渗氮工艺的控制要求高，工艺窗口窄；另一方面，由于渗氮在脱碳退火后进行，钢板表面已经形成一层以SiO2为主要成分的氧化层，渗氮的均匀性和渗氮行为易受表面氧化层的影响。而本发明由于先于脱碳进行渗氮处理，因此可避免上述渗氮法生产取向硅钢工艺的固有缺点，获得了良好的磁性能。
本发明的有益效果(1)渗氮效率高，钢板渗氮没有表面氧化膜的影响；(2)渗氮温度较高，实验结果钢板在800～900℃范围内渗氮最好；(3)渗氮后脱碳退火，渗入钢板中的氮扩散，形成抑制剂；(4)完全解决了高温取向硅钢生产方法的固有矛盾，能耗低、生产成本低，此外，由于不需要专用的高温板坯加热炉，生产的灵活性大大提高，不构成热轧机的产能限制，潜在效益大。
具体实施例方式
实施例1用500kg真空炉炼钢，化学成分和热轧条件如表2和表3所示。常化条件1150℃×5s+930℃×70s+50℃/s的冷却，带钢冷轧到0.30mm，850℃渗氮，渗氮约110ppm，脱碳及涂布MgO隔离剂后进行高温退火和平整退火，涂绝缘层，测磁。实验结果如表4所示。
表2实验钢化学成分 单位％
表3 实验钢热轧条件 单位℃
表4 实验结果
实施例2用表2中A成分和表3中A热轧条件钢进行渗氮条件实验，在850℃×10s下，露点对渗氮量的影响如表5所示，渗氮量与磁性的关系如表6所示。
表5 露点与渗氮量的关系
表6 渗氮量与磁性的关系
本发明的其他实施例见表7表7 单位wt％
注比较例为CN 1242057A中的数据本发明的方法有效地解决了现有技术存在的问题，而且与日本、Posco及阿奇亚斯佩丝阿里特尔尼公司的类似方法相比，本发明的方法，在脱碳退火前对钢板进行渗氮处理，钢板表面没有氧化层，克服了其它类似方法的缺陷；另一方面，在脱碳退火中，钢板中的氮扩散，并形成(Al、Si)N有利夹杂，利用其对一次再结晶晶粒的抑制作用，可以有效地控制钢板的一次再结晶组织，对获得稳定、完善的二次再结晶成品组织非常有利。使得本发明的方法与其它方法相比有很大的优越性。
低温板坯加热技术生产取向硅钢代表了取向硅钢发展的前沿技术，本发明方法的实施除了渗氮脱碳炉需特殊设计外，其余设备均为生产取向硅钢的常规设备，而且可以将常规脱碳退火炉改造成渗氮脱碳炉，实现技术简单易行，因而具有良好的推广应用前景。
权利要求
1.一种取向硅钢，其组分(重量百分比)为C0.035～0.060％Si 2.5～3.5％Mn 0.08～1.8％S0.005～0.010％Als 0.015～0.035％N0.0050～0.0090％Sn 0.01～0.15％P0.010～0.030％Cu 0.05～0.12％其余为Fe及不可避免的夹杂物。
2.一种取向硅钢的生产方法，包括如下步骤，a.冶炼，用转炉或电炉炼钢，钢水经二次精炼和连铸后，获得铸坯；b.热轧，铸坯加热到1100～1200℃，开轧温度小于1200℃，终轧温度850℃以上，卷取温度650℃以下；c.常化处理，热轧板进行1050～1180℃(1～20秒)和850～950℃(30～200秒)的常化退火，并进行快速冷却，冷却速度大于25℃/s；d.冷轧，用一次或带中间退火的二次以上冷轧方法轧到成品板厚度，其最终压下率必须超过80％；e.渗氮、脱碳，对轧到成品厚度的钢板进行渗氮处理和脱碳退火，涂布以MgO为主要成分的高温退火隔离剂；f.高温退火及热平整退火，按常规的高温退火及热平整工艺进行。
3.如权利要求2所述的取向硅钢的生产方法，其特征是，所述的渗氮工艺包括，加热段露点-20℃以下；渗氮温度750～900℃；渗氮时间5～50秒；渗氮介质NH3，要求使用干NH3，露点在-20℃以下；保护气氛H2与N2混合气体，H2含量20～75％，气氛露点-20℃以下，NH3浓度0.1～15％；渗氮量50～200ppm。
4.如权利要求2所述的取向硅钢的生产方法，其特征是，先对钢板渗氮再进行脱碳。
5.一种复合功能退火炉，其炉体包括加热段、渗氮段、脱碳段和还原段，其特征是，所述的加热段、渗氮段、脱碳段和还原段之间设置三个气氛隔离装置。
6.如权利要求5所述的复合功能退火炉，其特征是，所述的气氛隔离装置为隔板结构。
7.如权利要求5所述的复合功能退火炉，其特征是，所述的加热段为辐射管加热或电磁感应加热。
8.如权利要求5所述的复合功能退火炉，其特征是，所述的渗氮段、脱碳段和还原段采用电加热方式。
全文摘要
一种取向硅钢及其生产方法和装置，其组分(重量百分比)为C0.035～0.060％、Si 2.5～3.5％、Mn 0.08～1.8％、S 0.005～0.010％、Als0.015～0.035％、N 0.0050～0.0090％、Sn 0.01～0.15％、P 0.010～0.030％、Cu0.05～0.12％、余Fe。其生产方法包括a.冶炼；b.热轧，铸坯加热到1100～1200℃，开轧温度小于1200℃，终轧温度850℃以上，卷取温度650℃以下；c.常化，热轧板进行1050～1180℃(1～20秒)和850～950℃(30～200秒)的常化退火，并快速冷却；d.冷轧，用一次或带中间退火的二次以上冷轧方法轧到成品板厚度；e.渗氮、脱碳，涂布以MgO为主要成分的高温退火隔离剂；高温退火及热平整退火。
文档编号B21B1/00GK1796587SQ200410099080
公开日2006年7月5日 申请日期2004年12月27日 优先权日2004年12月27日
发明者张丕军, 刘献东, 陈晓, 孙焕德, 李国保 申请人:宝山钢铁股份有限公司