双辊薄带连铸电工钢组织、织构析出演化与磁性能研究

发布时间：2020-07-23 04:48

【摘要】：本论文对双辊薄带连铸中牌号无取向硅钢、Hi-B取向硅钢以及取向高硅钢的组织、织构演变及磁性能进行了探索性研究,重点研究了薄带连铸流程对无取向硅钢组织、织构和磁性能的影响,薄带连铸超低碳高磁感3%Si取向硅钢和6.5%Si取向硅钢的制备工艺,以及硅钢亚快速凝固过程中的特殊晶界形成等现象。论文主要创新性工作如下:(1)明确了薄带连铸无取向电工钢流程优势的物理冶金学原理,证明薄带连铸工艺特点可以较好地解决中低牌号无取向硅钢组织和织构控制要求与常规热轧流程之间的工艺矛盾,使中低牌号无取向硅钢获得良好的磁性能。在相同成分体系和冷轧退火工艺条件下,薄带连铸流程无取向硅钢退火板较之常规流程再结晶晶粒尺寸粗大,Cube织构发达,有害的γ织构组分比例极低。而对应常规热轧制备的无取向硅钢中晶粒较为细小,退火织构为发达的γ织构。所以,薄带连铸流程系列无取向硅钢的磁感值比常规流程对应牌号无取向硅钢高0.06T以上,而铁损值则低0.4W/kg以上。而且,前者在横纵方向上磁性能差别更小,磁时效过程中的磁性能指标稳定性也要明显优于后者。(2)提出并实现了薄带连铸超低碳高磁感取向硅钢的工艺过程,通过薄带连铸亚快速凝固实现了抑制剂元素的过饱和固溶和后续控制,并通过高能晶界理论解释了 Goss晶粒的异常长大过程。亚快速凝固将大量抑制剂元素固溶到基体中,通过两阶段冷轧和退火过程调整MnS和AlN析出,达到了细化和稳定基体晶粒的作用。高温退火后,Goss二次晶粒尺寸达到10～30mm,磁感值B8达到1.94T。冷轧第一阶段变形量显著影响中间退火过程中第二相粒子析出量和初次再结晶组织均匀性,从而影响二次再结晶完善程度。Goss晶粒在剪切带上形核长大,二次再结晶退火升温过程中Goss晶粒开始长大并聚集,位向准确且取向差较小的Goss晶粒迅速发展,这种方式是二次再结晶孕育阶段的主要形式。Goss二次晶粒通过与基体晶粒的高能晶界促进抑制剂的熟化,使得异常长大得以进行。(3)实现了高磁感6.5%Si取向硅钢的制备,通过抑制剂设计和铸轧流程获得MnS高温析出和∑3晶界细化铸态组织,显著增加铸带的塑性成形能力,通过温轧+冷轧控制抑制剂析出和变形基体条件,获得再结晶大量形核和晶粒正常长大被抑制的条件,为获得位向准确的Goss晶粒发生异常长大过程提供必要条件。6.5%Si钢液在较低过热度条件下进行浇注可以得到细小均匀的凝固组织。一方面,低温浇注形核量较大和特殊晶界双重作用细化稳定铸态组织;另一方面,凝固过程中析出的MnS粒子钉扎晶界,使得铸带平均晶粒尺寸为35μm。取向高硅钢铸带塑性加工过程中滑移系开动和晶体转动相对困难,温轧+冷轧过程中通过形成晶内剪切带的方式进行塑性变形。铸带中存在少量反相畴尺寸为100～500nm的B2有序相。经过温轧过程的再热与强烈变形,基体中开始出现少量DO3有序相。温轧+冷轧变形工艺初次再结晶平均晶粒尺寸11.4μm,织构中存在发达{111}112组分。高温退火过程中,Goss晶粒在1079～1100℃温度区间发生异常长大。利用高能晶界理论解释其二次再结晶晶粒的快速发展过程,而铸带遗传而来的∑3也起到了稳定基体初次晶粒的重要作用。取向高硅钢二次再结晶晶粒具有极高的取向度,磁感B8在1.74T以上,B8/Bs达到0.961。(4)发现了单相铁素体亚快速凝固组织中大量∑3晶界分布,分析了其特殊形成规律,确立了薄带连铸流程通过形成∑3晶界稳定铸态组织,并获得良好塑性加工性能的控制工艺。∑3晶界具有良好的晶格对称关系和较低的能量,是晶界工程控制金属性能最重要的特征晶界。体心立方(bcc)结构铁素体钢具有较高的层错能,而且金属粗糙界面凝固方式限制了形核条件,这两个原因导致∑3晶界极难形成与铁素体钢凝固组织中。薄带连铸过程中,低温浇注的钢液在中间包和熔池内部形成大量晶核。晶核随钢液流动,当接触到凝固界面上的晶粒时,有以下两种情况:其一是二者取向一致,则晶核直接晶格系统而不构成晶界或者构成小角晶界;其二是两个密排面接触,形成沿111轴转60°的低能量特殊大角晶界(∑3晶界)。这两种方式都可以在钢液冲刷作用下依然快速形成稳定金属键,使晶核稳定依附在凝固坯壳上,并在凝固后晶界迁移过程中因其较低的能量而获得发展。Fe-6.5%Si钢铸带局部∑3晶界分布比例达到20%以上,实现了细晶条件下特殊晶界的控制,为解决脆性Fe-6.5%Si钢的塑性加工问题提供了便于实现的控制手段。(5)详细研究了铸带特殊取向晶粒在冷轧过程中的晶体转动和剪切带变形行为,提出了控制铸轧参数获得理想退火织构和磁性能的工艺条件。钢辊条件下Fe-1.3%Si钢凝固组织晶粒粗大均匀,形成部分{100}和{110}取向组分。铸带中部特殊取向晶粒倾向于通过剪切带变形进行几何软化完成塑性变形过程。剪切带高密度位错晶胞在最小应变能的影响下获得Cube和Goss等η取向。其中,{110}110取向晶粒中剪切带取向以Cube为主,而{111112取向晶粒中则形成极强的Goss取向剪切带组织,{111}110取向晶粒剪切带变形并不充分。大量Cube取向剪切带上通过定向形核的方式进行再结晶,形成Cube有利织构,显著提高了退火板磁性能。
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TF777
【图文】：

电工钢,发展趋势,取向硅钢

助这一重大技术创新和一贯的尺寸精度控制，新日铁住金公司的取向硅钢一举确逡逑立其在世界电工钢领域的绝对领先地位。发展至今，取向电工钢的铁损降低情况逡逑与历史节点如图１．４所示。逡逑３．０邋逦逡逑？＼逦普通取向硅钢邋日本开始生产取向硅钢，通过逡逑＼邋美国－二次冷轧法＝＞１０年技术积累，引入Ａ１Ｎ作为逡逑，抑制剂开始Ｈｉ－Ｂ取向挂钢生产逡逑２－°邋■邋Ｋ邋Ｉ逡逑Ｔ逦ｖ．逡逑高磁感取向硅钢（Ｈｉ－Ｂ）逡逑Ｓ．邋１０邋＂逦Ｉ逦减薄钢板厚度（０．邋３￣０．邋２３ｍｍ）逡逑细化磁畴逡逑蜃逦：逦产品厚度极薄？花＊逦？孽工艺逡逑Ｕ＊５邋＇逦（０．２３－０．邋１８－０．邋１５ｎｎｎ）逦办逡逑全新的成分和抑制剂方案逡逑需要生产方式的革命！逡逑０．０邋——？逦：逦？逦＇逦＇逦＇逦逡逑１９２０逦１９４０逦１９６０逦１９８０逦２０００逦２０２０逡逑图１．４取向电工钢发展趋势［１］逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ邋ｔｒｅｎｄ邋ｏｆ邋ｇｒａｉｎ－ｏｒｉｅｎｔｅｄ邋ｓｉｌｉｃｏｎ邋ｓｔｅｅｌ逡逑２０世纪７０年代中期石油危机后，美国开发了铁基非晶与硅钢竞争制造变压逡逑器铁芯材料。前者的制备条件较为严苛，产品尺寸较小，但是近年来也取得了长逡逑足进步，这进一步促进了冷轧取向硅钢向着低铁损、高磁感方向发展。１９８３年逡逑至今，日本钢铁业内科研人员在降低成品厚度、张力涂层、温度梯度退火、耐热逡逑细化磁畴等方面的研究均取得了实用性进展

工艺图,无取向电工钢,发展趋势,工艺

并且通过降低Ｓｉ质量百分数、提高Ｍｎ质量百分数来达到提高磁感降逡逑低铁损的目的；而ＪＦＥ主要是调整Ｓｉ和Ａ１成分、降低夹杂物比例、热乳板常逡逑化控制冷轧前织构。三代无取向硅钢性能发展如图１．５所示。目前，最高级的逡逑０．３５ｍｍ无取向硅钢Ｐ１５／５０值已经降到２．１Ｗ／ｋｇ以下［３４．３７】，但是磁感值提高有逡逑限只有１．６３Ｔ。逡逑１．７５邋逦逡逑，．７０邋－逦ｚ＊，＂４逡逑▲邋＇逦？逡逑＾邋ｚｚＺ．．．逡逑３１６５邋＇逡逑ＣＯ逦．Ｚ逡逑鹋逦／邋？逦，逡逑恶邋１＿６0邋＿逦ｊａｒ逡逑翅逦１５５逦？．逦｜＋第一货逡逑１．５５．逦第二ｄ逡逑ｚ逡逑１．５０邋逦＇逦＇逦＇逦＇逦逡逑２逦３逦４逦５逦６逦７逡逑铁损Ｐ＾／Ｗｋｇ逡逑图１．５无取向电工钢发展趋势（全工艺）ｍ逡逑Ｆｉｇ．邋１．５邋Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ邋ｔｒｅｎｄ邋ｏｆ邋ｎｏｎ－ｏｒｉｅｎｔｅｄ邋ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ邋ｓｔｅｅｌ邋（ｆｕｌｌｙ邋ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ）逡逑１．３电工钢发展的技术“瓶颈”分析逡逑１．３．１大压缩比热轧与无取向硅钢组织、织构要求的先天矛盾逡逑目前通用的无取向硅钢的生产流程为板坯连铸一高温加热一热轧一常化一逡逑冷轧一退火，是依托当前主流薄带钢热卷产线设计的。流程中的厚板坯连铸和大逡逑压缩比单方向热轧会显著细化基体晶粒、恶化磁感，不能满足无取向硅钢对于粗逡逑－８－逡逑

形核,晶粒,位置,无取向硅钢

东北大学博士学位论文逦第１章绪论逡逑无取向硅钢在发生充分的动态再结晶过程中形成大量细小晶粒，晶界总长度剧烈逡逑增加。上述分析可知这些晶界是无取向硅钢有害的ｙ取向晶粒形核长大的有效位逡逑置，所以退火织构中Ｙ组分占显著优势。Ｓｉ质量百分数大于２．０％的无取向硅钢逡逑虽然动态再结晶程度稍弱，但是强烈的回复和变形过程会提高ａ织构的强度，依逡逑然会促进冷轧退火组织中丫织构的发展。常化退火过程使得热乳带钢晶粒粗化，逡逑冷轧过程中发生晶内剪切变形，一定程度上促进Ｇｏｓｓ和Ｃｕｂｅ两种有利织构发逡逑展。但是此工艺中依然不能显著削弱退火织构Ｙ组分的比例，而且造成Ｇｏｓｓ强逡逑于Ｃｕｂｅ织构，磁各向异性提高。逡逑

【参考文献】