一种生产高牌号无取向硅钢的方法与流程

本发明属于薄带连铸，涉及一种生产高牌号无取向硅钢的方法。

背景技术：

1、高牌号无取向硅钢要求较高的si、al含量，以提高材料电阻率、降低涡流损耗。薄带铸轧工艺可将钢水直接铸成1.5~3.0mm厚的薄带坯，再经单道次热轧至0.8~1.5mm厚度的薄规格热卷，是一种典型的短流程近终形制造工艺。与传统板坯连铸热连轧相比，该工艺具有流程短、能耗低、成本低等显著优势。

2、然而，将薄带铸轧工艺应用于高牌号无取向硅钢时，将面临冷轧断带的问题。在一些目前的薄带铸轧工艺生产无取向硅钢的方案中，通过将合金总量控制为较低（si+al＜2.5%）来保证基本的冷轧加工性，并通过较高的卷取温度使热轧带钢软化。然而，在生产si≥2.0%的高牌号产品时，如采用上述方案，晶粒在卷取后仍会异常长大至300μm以上，冷轧断带问题无法解决。此外，生产过程中的频繁断带不仅严重降低生产效率，还可能损坏轧辊，成为产线稳定顺行和产品质量控制的重大威胁。

3、因此，希望开发出一种能够解决上述问题的技术方案。

技术实现思路

1、本发明旨在解决基于薄带铸轧工艺生产高牌号无取向硅钢轧制生产稳定性问题，即解决高合金成分体系下的冷轧断带问题。

2、为解决上述问题，本发明的发明人对材料本征性质和薄带铸轧生产工艺进行深入分析，认为冷轧断带问题由材料本征脆性和工艺特性共同导致。具体而言，本发明的发明人提出冷轧断带问题的如下三个核心因素。

3、（1）高合金化导致本征脆性：si、al等合金元素的加入会显著提高无取向硅钢的韧脆转变温度，降低带钢的室温韧性。其本征原因在于：si原子半径（约0.117nm）小于fe（约0.124nm），al原子半径（约0.143nm）大于fe，当它们以置换固溶方式大量溶入铁素体基体时，会引起严重的晶格畸变。这种畸变使位错运动的派-纳力急剧升高，导致位错可动性大幅下降。同时，高含量si会显著提高铁素体的层错能，使得交滑移虽易启动，却导致滑移带被局限在极窄的区域内，塑性变形高度局域化，难以通过多系滑移协调宏观应变。上述两种效应共同作用下，铁素体基体在受力时难以发生均匀塑性流变，往往在宏观屈服之前，便在晶界、第二相颗粒界面等局部应力集中处达到解理断裂的临界正应力，从而发生低能量的穿晶解理断裂。宏观上表现为韧脆转变温度（dbtt）显著升高，室温下材料由韧性断裂转变为脆性断裂，延伸率急剧下降，且对缺口和裂纹极为敏感。

4、（2）工艺特性导致组织粗大：高牌号无取向硅钢由于硅、铝合金含量高，在薄带铸轧和后续热轧过程中始终处于铁素体单相区，无奥氏体相变发生，全程为铁素体单相的变形与再结晶过程。如进行单道次热轧，则变形量较小，所提供的形变储能有限，导致再结晶驱动力不足，难以通过充分再结晶实现晶粒细化。因此，高牌号无取向硅钢如经过单道次热轧，铁素体晶粒组织异常粗大，平均晶粒尺寸可达200μm以上。

5、（3）冷轧过程中断带风险剧增：高合金含量带来的本征脆性，与热轧后粗大的铁素体晶粒组织相叠加，使带钢在冷轧时可开动的滑移系少、晶粒间应变协调性差。在轧制张力和变形应力的作用下，粗大的铁素体晶粒使变形应力更易于在晶界处集中，进而在晶界处萌生裂纹并沿解理面迅速扩展，最终导致冷轧过程中的脆性断带。

6、进一步地，为解决前述冷轧断带问题，本发明的发明人提出一种生产高牌号无取向硅钢的方法，其针对上述核心因素，对材料组分以及生产过程中的各个步骤进行联合设计，形成全流程协同控制方法，实现了高牌号无取向硅钢的稳定高效冷轧。

7、具体而言，本发明采取如下技术方案。

8、根据本发明的第一方面，提供了一种生产高牌号无取向硅钢的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

9、1）钢水冶炼

10、冶炼钢水，钢水化学成分以质量百分比计包括：

11、si：2.0~3.5%，al：0.3~1.5%，mn：0.3~0.8%，ni：0.7~2.5%，其他为fe及不可避免的夹杂，

12、其中钢水中的ni含量根据si含量和al含量的加和总含量进行控制，且ni含量与si含量和al含量的加和总含量正相关；

13、2）薄带铸轧

14、利用双辊连铸工艺进行连铸得到铸带，其中连铸过热度控制在30~60℃，铸带的铸态晶粒的尺寸控制在200~250μm，

15、再将铸带进行双机架热轧得到热轧带，其中热轧的入口温度控制为600~650℃，总压下量控制为40~50%，热轧带的热轧晶粒尺寸控制在100~200μm；

16、3）时效卷取

17、对热轧带进行卷取得到热轧卷，控制卷取温度为480~550℃，再将卷取后的热轧卷加热至550~650℃，而后保温20~30小时；

18、4）冷轧前处理

19、将热轧卷开卷、切边，再利用电解去除带钢切边的毛刺和微型裂口，处理时间控制为10~20秒；

20、5）自适应冷轧

21、对处理后的带钢进行自适应冷轧，其中自适应冷轧的首道次的压下量与热轧带的平均晶粒尺寸呈正相关：

22、当热轧晶粒尺寸在100~150μm时，控制自适应冷轧的首道次压下率为30~35%；

23、当热轧晶粒尺寸在150~200μm时，控制自适应冷轧的首道次压下率为35~40%。

24、根据本发明的生产高牌号无取向硅钢的方法，优选地，在步骤1）中，ni含量与si含量和al含量遵循以下关系式：[ni(wt%)] = 0.4×([si+al(wt%)] - 2.0) + 0.3。

25、根据本发明的生产高牌号无取向硅钢的方法，优选地，在步骤2）中，利用双辊连铸工艺进行连铸得到的铸带中，铸态晶粒的尺寸控制在220~250μm。

26、根据本发明的生产高牌号无取向硅钢的方法，优选地，在步骤2）中，利用双辊连铸工艺进行连铸得到的铸带中，铸态晶粒的尺寸控制在220~230μm。

27、根据本发明的生产高牌号无取向硅钢的方法，优选地，在步骤2）中，铸态晶粒的尺寸通过在线测量获得。

28、根据本发明的生产高牌号无取向硅钢的方法，优选地，在步骤2）中，热轧带的热轧晶粒尺寸通过在线测量获得。

29、根据本发明的生产高牌号无取向硅钢的方法，优选地，在步骤3）中，卷取温度控制为500~530℃。

30、根据本发明的生产高牌号无取向硅钢的方法，优选地，在步骤4）中，电解处理时间控制为15~20秒。

31、根据本发明的生产高牌号无取向硅钢的方法，优选地，在步骤5）中，在热轧平均晶粒尺寸是100~150μm的情况下，首道次压下量控制为33~35%；在热轧平均晶粒尺寸是150~200μm的情况下，首道次压下量控制为35~38%。

32、根据本发明的第二方面，提供了一种高牌号无取向硅钢，所述高牌号无取向硅钢采用前述方法生产。

33、有益技术效果

34、本发明的技术方案解决了高合金成分体系下，薄带铸轧工艺中的冷加工脆性断裂问题。

35、具体而言，与现有技术相比，本发明能够在以下方面提供有益技术效果。

36、（1）协同提升材料本征韧性与磁性能：一些目前的方案中，为了提高磁性能，仅考虑增加si、al含量以提升电阻率，却忽略了高si、al对铁素体本征脆性的加剧效应，因此材料对裂纹的容忍度极低。根据本发明的技术方案，通过复合添加ni元素，在保证高si+al含量以满足磁性能要求的同时从基体本质上提高带钢的韧性，降低韧脆转变温度，实现了高合金化下的精确韧化与磁性能的平衡。

37、其中，本发明方案中ni元素的添加不仅起到韧化基体的作用，同时对磁性能具有显著的协同提升效果，具体阐述如下。

38、（1.1）优化再结晶织构，提高磁感应强度。ni作为铁磁性元素，在铁素体基体中不会像si、al那样显著降低饱和磁通密度。研究表明，在双辊薄带连铸3.2%si无取向硅钢中添加1.0wt%ni后，试验钢形成更强的立方织构({100}〈001〉)和goss织构({110}〈001〉)，同时γ织构({111}〈112〉)显著减弱。立方织构和goss织构均为无取向硅钢的有利织构，其〈001〉方向为易磁化方向，有利于提高磁感应强度；而γ织构为不利织构，其减弱有助于降低铁损。织构优化是ni改善磁性能的核心微观机制。

39、（1.2）提高电阻率，降低涡流损耗。ni元素固溶于铁素体基体后可提高合金的电阻率，从而有效降低涡流损耗，这是ni使铁损下降的直接物理机制。在无取向硅钢中，ni与al的复合添加同样可通过提高电阻率来降低铁损。

40、（1.3）实验数据的量化验证。在相同轧制和退火工艺条件下，添加1.0wt%ni的试验钢磁感应强度b50比不添加ni时提高0.01t，铁损p15/50至少降低0.5w/kg，铁损p10/400至少降低1.0w/kg。上述数据充分证明了ni元素在改善无取向硅钢磁性能方面的有效性。

41、此外，ni作为铁磁性元素，其添加不会像si、al等非磁性元素那样大幅降低饱和磁通密度，从而在提高电阻率（降低铁损）的同时保持较高的磁感应强度。这一特性使得ni成为高牌号无取向硅钢中兼顾磁性能与加工性能的理想合金元素。

42、（2）细晶化工艺路径消除粗大晶粒：一些目前的方案中，为了改善成品磁性能，采用较高的热轧出口温度（≥700℃）和卷取温度（600~680℃），然而，该设置使得最终获得极其粗大的热轧态组织，容易引发冷轧脆断。根据本发明的技术方案中，通过精确控制连铸过热度与热轧温度制度，结合双机架热轧和优化的压下量，以及相应的时效卷取控制，构成的一整套相互关联的工艺组合，旨在实现“细化晶粒+形成形变带+诱导第二相充分析出并粗化”的多重冶金效果。

43、（3）匹配的冷轧前准备与轧制技术：一些目前的方案中，采用多道次、小压下（首道次≤25%）的冷轧规程，对于粗晶材料而言，小的变形量无法在首道次冷轧过程中让带钢厚度及宽度方向发生不均匀的塑性变形，从而加剧了沿晶界的应力集中。根据本发明的技术方案，一方面，引入电解去毛刺技术作为冷轧前的边部精整工序，可从根本上钝化裂纹和去除毛刺，消除了高硅钢冷轧断带的主要裂纹源；另一方面，采用与晶粒尺寸动态匹配的首道次大压下技术，使热轧带钢在厚度方向和横向发生相对均匀塑性变形，形成变形组织，提高带钢抵抗裂纹能力，实现轧制增韧的效果，实现高牌号无取向硅钢的稳定高效冷轧。