低温铸坯加热制备高磁感取向硅钢的技术分析

低温铸坯加热制备高磁感取向硅钢的技术分析

章端婷，吴晗

国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏苏州 215000

高磁感取向硅钢是冷轧取向硅钢的一种，应用于各种电动机、发电机和变压器铁芯，由于其具有低铁损、高磁感强度的特点，成为了国内外取向硅钢生产单位的研究重点。本文主要以对高磁感取向硅钢专利申请为支撑，综述了传统流程实现低温板坯加热技术的方法，探讨了高磁感取向硅钢生产的发展趋势。

1、高磁感取向硅钢制备技术总体情况

国内外对高磁感取向硅钢技术的研究主要分为高温加热法和低温加热法两个分支，高温加热是指热轧工艺中钢板加热的温度在1300℃以上，而低温加热为1300℃以下，通常为1100℃~1250℃；其中高温加热法为传统的HiB钢制备方法，低温加热法为在其基础上进行的演变，为了达到低温加热的目的，又主要包括了从抑制剂和加工方法两个方向进行改进，抑制剂主要包括固有抑制剂和获得抑制剂，固有抑制剂是指采用AlN、MnS、Cu₂S等作为抑制剂；获得抑制剂的工艺思路为二次再结晶所必需的抑制剂全部在硅钢生产的后工序加入，即在二次再结晶之前进行渗氮处理，使之与钢中原有的元素结合，形成有抑制剂功能的析出物，以确保产生完善的二次再结晶。

高温铸坯加热具有成材率降低；炉底积渣严重、产量低；温度过高，燃料消耗增大；增加了维检费用，而且降低炉子作业率；制造成本高；产品表面缺陷多；磁性能不稳定等缺点^[１]。且不利于取向硅钢与其它钢种共用热轧生产线，因而如何降低铸坯加热温度的温度成了国内外各企业研究院所研究和专利技术的重点。本文将对低温加热法制备高磁感取向硅钢的技术进行介绍。

２ 固有抑制剂技术

为实现低温铸坯加热，必须在抑制剂中排除MnS或弱化MnS的作用，而以其他具有较低固溶温度的抑制剂取而代之，比如Cu₂S、AlN。

浦项钢铁（EP0709470A1）研究了采用AlN为主要抑制剂，以含Cu化合物作为辅助抑制剂，板坯的热轧加热温度为1250~1320℃；JFE尝试了采用CuSe和加入B作为抑制剂，钢中的B与N形成BN，起到抑制作用（JPS521261A）；后续研究中又开发了采用AlN+Sb+MnSe作为固有抑制剂，加入Sb这种抑制元素，将热轧板加热的温度降到了1150~1250℃（JP2000256810）。国内也研究了各类不同的低温抑制剂，且在采用不同的固有抑制剂时，调整了成分的设计和热轧卷曲工艺的参数，比如2007年宝钢申请的专利CN200710093977，采用通过降低Mn和S的含量，使钢中不产生MnS，并通过降低Al和N的含量，达到钢中仅产生少量AlN的目的，加入足量的Sn和Cu，并利用其作为抑制剂，抑制一次再结晶，提高成品磁性，使得加热温度降低为1200~1250℃；2008年宝钢申请的专利CN200810035079，通过对板坯成分含量的设计，硫含量提高到S：0.015％～0.025％、锰硫比10≤Mn/S≤20、以及铜锰比Cu/Mn≥2，从成分上控制Cu₂S和MnS的化合物比例，使得热轧过程中有利于向Cu2S的析出形式发展。并且，在热轧过程中严格控制开轧和终轧温度，使热轧过程中大多数硫仅以Cu₂S抑制剂的形式，尽可能避免MnS+Cu₂S的复合析出，从而避免了抑制剂的粗大和不均匀化；2015年武汉钢铁申请的专利CN201510823247、CN201510845174分别通过降低Als与N的固溶度积来降低热轧加热温度、通过提高AlN的量，增加Sn；进一步弱化了S的作用，防止了S含量高带来的不利影响。

3 获得抑制剂技术

如果在硅钢生产的后工序加入抑制剂，原始板坯中因没有高熔点的抑制剂元素，则更容易在1150~1200℃的较低温度加热，由此替代了传统工艺中在1300℃以上加热的工艺路线。这种板坯低温加热工艺的思路是二次再结晶所必需的抑制剂全部在硅钢生产的后工序加入，即在二次再结晶之前进行渗氮处理，使之与钢中原有的元素结合，形成有抑制剂功能的析出物，以确保产生完善的二次再结晶。按此方案可使板坯加热温度降到1150~1200℃。相比固有抑制剂法，获得抑制剂法更能够获得效地发展稳定二次再结晶。

1971年，新日铁首先通过渗氮获得AlN的方法成功将后工序加入抑制剂法用于取向硅钢（CA972663A），并且在此方法的基础上开展了多项研究，比如采用NH₃的气氛进行渗氮退火（EP0378131A）；采用以(Al，Si)N作为主要抑制剂，抑制剂主要在生产工序后阶段、高温退火二次再结晶前通过短时间的氮化退火获得，控制Al和N的含量，使得加热温度在1100℃~1250℃时，磁感强度B8均可以达到1.9以上（JPS6240315A）；采用镁的氮化物、铬的氮化物作为涂覆剂，在二次再结晶退火之前加热退火，控制PH₂O/PH₂的含量在0.25-0.7之间，能够使得钢中的N含量提高（JPH02274813A）；浦项综合制铁株式会社将渗氮步骤和脱碳退火同步进行，防止了脱碳退火后表面形成的SiO

₂为主的致密氧化膜阻碍后续渗氮的进行；而国内国网智能研究院也进行了脱碳退火和渗氮同步进行的研究（CN201410260665），对成分进行了进一步的优化；还与北京科技大学联合申请了将渗氮步骤结合到高温退火步骤中的申请（CN201510312474），进入21世纪以来，渗氮退火的研究主要集中在渗氮量的控制、渗氮气氛的选择等方面。

4 无抑制剂技术

传统的使用抑制剂的晶粒取向电工钢板的制造方法存在生产成本高的问题，铁损降低也很有限。因此松下电器产业株式会社（JPS6455339A）、日本钢管株式会社（JPH0776732A）还研究了不使用抑制剂的晶粒取向电工钢板的制造方法，以表面能作为驱动力，使具有{110}面的晶粒优先长大，得到高磁感薄板取向硅钢；日本JFE（川崎制铁）（JP2000129356A）以高能量晶界理论为基础开发了新的无抑制剂法低温板坯加热技术，其主要理论依据是，高能晶界中存在更多缺陷，能够促进晶界扩散与移动，因此晶界移动速率由高能晶界结构决定，通过钢的纯净化使晶界移动速率的内在差异得以体现，减少高能量晶界的移动阻力从而促进二次再结晶的进行；将最终成品退火前的带有氧化被膜的钢板中的Al含量减少到100ppm以下，B、V、Nb、Se、S和N量分别减少到50ppm以下，同时在最终成品退火中将850-950℃温度范围中的氮量控制在6-80ppm范围，可以得到厚度在0.3mm以上的具有良好磁性能的制品。该方法仍处于初步研究阶段。

5 结论

从高磁感取向硅钢问世以来，日本率先取得了进展，并普遍应用与工业化生产，经过几十年的发展，已经趋于成熟，因而2000年以后专利申请数量反而下降。反观国内，高磁感取向硅钢的研究起步较晚，但是21世纪以来，宝钢、武钢等各大钢铁厂也纷纷进行了自主研发，取得了一定的进展，并且实现了工业化。

低温铸坯加热的工艺方法已经成为了目前主流的高磁感取向硅钢生产方法；其中，在脱碳退火后采用渗氮处理的“获得抑制剂法”的又成为了确保低温加热的主要方式。随着研究不断深入，将会有更多能够实现低温加热的工艺控制，随着对于节能减排的要求不断提高，将为未来取向硅钢生产的发展提供推动力。

参考文献：

[1] 李军等.取向硅钢低温铸坯加热技术的研发进展.钢铁.2007-10.72-75