取向硅钢冷轧工艺的进展
取向硅钢冷轧工艺的进展
朱文英 孙焕德
摘要：通过分析一些相关专利，介绍日本在取向硅钢冷轧工艺方面所做的研究工作，尤其是新日铁和川崎制铁两大公司，在生产优质硅钢产品的同时，不断研究和开发的新技术和新工艺。
关键词：取向硅钢 冷轧 磁感 铁损 专利
1、前言
取向硅钢的制造工艺复杂、工序长，影响性能的因素多，因此常把取向硅钢的质量看作是衡量一个国家特殊钢制造技术水平的重要标志。目前，日本的冷轧硅钢无论在产品质量，还是新技术、新产品开发等方面，都处于世界领先地位，尤其新日铁公司和川崎制铁公司是生产硅钢的两大基地。近年来，两公司先后开发生产出具有高磁感取向硅钢产品（新日铁公司的Hi-B钢和川崎制铁公司的RGH系列产品）及磁畴细化型取向硅钢产品，推动了世界取向硅钢的发展。
本文通过分析与冷轧相关的一些专利技术，介绍近年来取向硅钢冷轧工艺的进展。
2、传统冷轧工艺的改进
2.1 以AIN为主要抑制剂的大压下率冷轧法
新日铁公司开始的以AIN为主、MnS为辅助抑制剂的一次大压下率冷轧法是最通用的Hi-B钢制造工艺，其产品磁性高且稳定。
近年来，通过提高钢板Si含量，减薄产品厚度，细化磁畴等方法来获得低铁损产品。但Si含量提高，钢板减薄，使得最终高温退火中的二次再结晶方向控制变得困难，不易获得板厚0.25mm惟下的高磁感产品。为此，新日铁公司开发了热轧板预冷轧的方法，即在工作辊辊径/热轧板板厚≥60的冷轧机上对热轧板进行1次或2次以上总压下率为20%-50%的预冷轧。低于20%，因线状细晶产生磁性不良，超过50%，结构不好，磁感显著下降。热轧板预冷轧后，在1000℃左右均热2min再快冷，随后以压下率为81%-95%冷轧至0.25mm以下，再进行脱碳退火、高温退火、最终涂层等一系列工序，得到的产品B8可达1.93T以上。
2.2 以MnS(MnSe)为主要抑制剂的二次冷轧法
以MnS(MnSe)为主要抑制剂的硅钢卷一般用20辊轧机冷轧，第一次冷轧下率为60%-55%的第二次冷轧，轧2-3道。第二次冷轧压下率>60%时，由于抑制力不足，使初次晶粒长大，磁性降低。而采用MnS+Cu,MnSe+Sb和MnSe+Sb+Mo方案，由于加强了抑制剂能力，第二次冷轧压下率提高到60%-70%，可使磁性进一步提高，采用MnS方案的GO钢和MnSe+Sb方案的Hi-B钢在第二次冷轧过程中经约250℃时效处理，可提高磁性。
为进一步降低铁损，提高磁感，川崎制铁公司提出第二次冷轧分成前段和后段，第二次冷轧的总压下率为R（%），前段轧制以连续方式在100℃以下进行，使得（222）强度变高，错位量少，轧制温度低，可防止微细析出的碳化物变粗大，连续方式促使均匀变形，提高磁感，轧制的板厚为0.3R-0.8R。后段轧制在可逆方式下至少轧制1道次且在175-300℃进行，必要时前后段之间实施热处理。后段轧制中变形量大，不断生成变形带，使二次再结晶晶核增加，细化二次结晶粒，降低铁损。
为降低产品磁性的离散度，川崎制铁公司提出在冷轧道次间或冷轧最终道次后在线测定钢板的铁损，根据测定结果反馈或前馈调整冷轧条件。可调整的轧制参数有：与动态时效、静态时效有关的轧制温度、轧制速度和压下率分配，向轧辊和钢板喷射冷轧液的量及温度，道次间时效温度及时间等。根据冷轧板铁损值在线调整轧制条件后，可以控制1次再结晶板的织构，进而控制最终退火后成品板的磁通密度，大大改善成品板的磁性离散度。
2.3 以MnSe+BN为主要抑制剂的冷轧法
按通常的AIN+MnS方案和MnSe+Sb方案生产高磁感取向硅钢板时，为提高晶粒取向度，必然引起结晶粒粗大，铁损变坏及不稳定，而结晶粒细化又使晶粒取向度降低，引起磁感下降。为此，川崎制铁公司提出以MnSe+BN为主要抑制剂可生产高磁感极低铁损的取向硅钢板。如MnSe+BN+Sb方案中含(0.0008-0.0085)wt%B，(0.003-0.010)wt%N作为抑制成分，在特定条件下热轧卷取后，以压下率为80%-95%的1次冷轧法轧到取终板厚，也可进行第1次压下率为15%-60%，中间退火后第2次压下率为80%-95%的2次冷轧法至最终板厚。最终冷轧后在90-350℃进行温轧或在100-300℃进行10-60min的道次间时效处理。经磁畴细化后的0.22mm板的B8≥1.954T，P17≤0.867W/kg。
此外，在MnSe+BN方案中添加0.01%-0.02%V和或/0.01%-0.02%Nb，冷轧条件同MnSe+BN+Sb方案，得到的0.35mm板的B8≥1.92T，P17≤1.15W/kg，0.23mm板经磁畴细化后B8≥1.94T，P17≤0.73W/kg。
3、减少钢板断裂和板端开裂的冷轧工艺
硅钢板在整个宽度方向对板厚精度有严格要求，通常硅钢板轧制时，在板端部发生板厚急剧减少的边降，所以必须对这部分进行修整，降低了利用率。钢板产生边降的主要原因是由轧辊变形产生的向板端部宽度方向的金属（塑性）流动。而在带锥度的工作辊下进行轧制，可减小板端部和轧辊端部的接触压力，抑制向钢板宽度方向的金属流动，而在带锥度的工作辊下进行轧制，可减小板端部和轧辊端部的接触压力，抑制向钢板宽度方向的金属流动，从而可减轻边降。但是和一般钢板相比，硅钢板具有硬而脆的特点，这种特性依赖于钢中的Si和Al含量，随着这些元素的增多而变硬变脆，于是在上述这种带锥度的工作辊上轧制硅钢板时，锥度角度过大，锥度和板端部的重心长度过大，易发生钢板断裂和板端开裂。
NKK公司通过研究证实：在上下工作辊鼓肚的各部位，两辊间呈点对联称形成直线状锥度，使轧辊纵向移动，用这种轧机冷轧硅钢板的方法中，根据待轧钢板的(Si+Al)量，调整锥度角度及锥度与板端部的重心长度，可适当防止钢板断裂和板端开裂。当K=1000θ+2WRδ/100满足一定范围时（θ：锥度角度；WRδ：锥度和板端部的重心长度），即(Si+Al)≤1.0%时，0.6≤K≤3.0；1.0%<(Si+Al)≤2.2%时；0.6≤K≤2.6；2.2%<(Si+Al)≤3.3%时，0.6≤K≤2.0；3.3%<(Si+Al)时，0.6≤K≤1.0的范围内，可实现良好轧制。K值变小时，使用单侧锥形辊的板厚板形控制效果小。K值低于0.6，板厚极限（板断面板形区域及长度方向板厚区域）很难控制在2%以内，所以K值的下限最好为0.6。
通常含Si1.5%以上的硅钢板在森吉米尔等小径多辊可逆轧机上轧制时，由于扎制速度比较慢，容易检测出钢板裂。一旦发生边裂，则在轧制道次间停下轧机，切掉边裂部分，但是在连轧机上，即使能检测出边裂，由于是高速轧制，在机架间不能对钢板进行修正，而且由边裂引起的钢板断裂将成为重大事故，这不仅降低了轧制效率，而且因边裂产生的轧后边切量增大，大大降低了收得率。
作为防止边裂和钢板断裂的方法，有人曾提出采用激光束照射加热切边后的边部表面，除去边部脆化区和微小裂纹，但是激光束照射时，完全屏蔽空气是很困难的，屏蔽条件不完全时，照射面氧化，反而使材料变脆。另外，在连续生产线上采用激光照射设备，随着生产线速度的变动，必须调整激光强度，这不仅不能保持一定温度下加热，而且在板厚方向产生温差，特别是边部表层的冷却速度变大，钢板边部变脆。
还有人指出使森吉米尔轧机的工作辊鼓肚部粗一些，局部加大边缘的压下率，形成卷边形状，使作用于边缘的张力减少，从而防止边裂。但是在连续轧制中，如果第1机架采用一端较粗的工作辊，则在第1机架形成的边降传递到最后机架的钢板边部，使产品边降量变大，降低了合格率。同样，减少弯辊张力的方法，使板宽方向的整体形状变坏，产生不能轧制等问题。
为此，川崎制铁公司提出：采用冷连轧机轧制含Si量1.5%以上的硅钢板，在轧制前的切边工序中，对切边后的钢板边缘沿板宽方向进行磨削量为0.5mm以上的边缘磨削处理。在随后的连轧中各机架入口侧钢板边部温度控制在80℃以上来防止硅钢板的冷轧边裂。由于含Si1.5%以上硅钢板常温下易脆，所以各机架入口侧钢板边部温度须80℃以上。通过加热装置可保证第1机架入口侧钢板边部温度达到80℃以上，为使第2机架入口侧钢板边部温度达80℃以上，必须增大第1机架的压下率，由加工发热来保证其温度，第1机架压下率为40%以上，第2机架入口侧钢板温度即可达到所需值，此时的轧制条件为：轧制速度50m/min，工作辊直径300mm，母板厚3.0mm，板宽1000mm，入口侧母板温度为80℃。该轧制速度在实际轧制中是处于最低速度。如果能保证第2机架入口侧钢板温度为80℃以上，那么第3、第4机架的变形速度理所当然地变大，所以很容易保证这些机架的入口侧钢板温度为80℃以上。
川崎制铁公司还提出：采用冷连轧机轧制含Si1.5%以上的硅钢板，使冷连轧机第1机架工作辊一端稍粗些，上下工作辊轴向相互逆向配置，且工作辊可轴向移动，第2机架以后的工作辊一端稍细些，上下工作辊轴向相互逆向配置，且工作辊可轴向移动，第2机架以后的各机架入口侧钢板边部温度控制在80℃以上，也可防止冷轧边裂。
4、提高钢卷长度方向磁稳定性的冷轧工艺
以AIN为主要抑制剂生产取向硅钢板时，当钢板减薄时，成为二次再结晶晶核的（110）[001]方位晶粒在板厚方向呈不均匀分布，主要集中在板厚的表层附近，最终退火时易受到气氛的影响，使得二次再结晶不稳定，从而降低了磁性。为此，人们提出在冷轧过程中进行时效处理或进行150-300℃的温轧来稳定产品的磁性，但是仍产生钢板头、尾磁性良好，中部磁性不良的问题。通过对带卷各部分的钢成分进行分析，结果发现带卷长度方向N成分发生了变化，即中央部增N3-15μg/g。川崎制铁公司通过研究提出：含Al取向硅钢板的冷轧工序中，冷轧前对带卷进行加热处理，或在冷轧过程中进行轧制道次间的时效处理和带卷保温处理，或在冷轧后进行带卷取保温处理，以此来抑制钢板表面的局部氧化，防止带卷中部磁性变坏，从而获得整个带卷长度方向磁性优良的产品。抑制钢板表面局部氧化的方法有：①热处理保护气中氧浓度控制在10%以下；②冷轧各机架间及轧制结束后到卷取间至少进行1次除去粘附于钢板表面液体的处理；③冷轧轧制油、轧辊冷却油及带钢冷却油中至少有1种处理液中添加氧化抑制剂。实验结果发现：0.20mm厚板头、中、尾部的B8偏差为0.003T，P17偏差为0.019W/kg；0.35mm厚板头、中、尾部的B8偏差为0.005T，P17偏差为0.018W/kg。
最近，新日铁公司提出：以AIN为主要抑制剂的取向硅钢板生产中，热精轧在一定条件下进行，最终冷轧压下率超过75%得到的钢板在高磁场下的磁感强度B100可高达2.10T，且产品长主方向磁性稳定。
5、结语
从日本各钢铁公司申请的专利来看，新日铁公司和川崎制铁公司在取向硅钢领域的专利最多，足以看出两大钢铁公司对这一高附加值产品的重视，虽然有些专利技术一时还不能用于实际生产，但他们还是投入相当的人力、物力一直致力于硅钢新产品、新技术的开发，从而确立了在硅钢领域举足轻重的地位。
从以上相关专利的分析，我们可以获知以下信息：
（1）AIN方案经总压下率为20%-50%的预冷轧，可获得厚度0.25mm以下的高磁感取向硅钢。
（2）在冷轧道次间或冷轧最后道次，在线检测钢板的铁损并反馈或前馈调整冷轧工艺，可有效改善产品磁性的离散度。
（3）采用MnSe+BN为主要抑制剂可生产高磁感极低铁损取向硅钢板。
（4）采用改变工作辊结构、钢板边缘磨削处理且保证各机架入口侧钢板边部温度为80℃以上等方法可有效减少钢板断裂和板端开裂。
（5）含Al取向硅钢板的冷轧工序中，冷轧前对带卷进行加热处理，或在冷轧过程中进行轧制道次间的时效处理和带卷保温处理，或在冷轧后进行带卷取保温处理，可有效提高钢卷长度方向的磁稳定性。
