淺談無取向硅鋼工業化退火生產工藝研究

摘 要：針對新設計成分下的無取向硅鋼材料，通過試驗室30 min條件下再結晶退火試驗，找到最低再結晶溫度，并以此為依據在試驗室模擬了工業化生產退火工藝試驗，同時通過微觀金相、織構等檢測，指導工業化退火工藝制定，提高此材料工業化生產開發效率，降低開發成本，最終找到該成分無取向硅鋼最佳退火保溫溫度為830 ℃，此時鐵損相對較低，磁極化強度最優。

關鍵詞：硅鋼；再結晶；退火；金相；織構

A BRIEF DISCUSSION ON THE RESEARCH OF INDUSTRIAL ANNEALING PROCESS FOR NON-ORIENTED SILICON STEEL

Deng Peng Yuan Fei Zhou Bowen

（Guangxi Liuzhou Iron and Steel Group Co.， Ltd. Liuzhou 545002，China）

Abstract：This paper is aimed at the non-oriented silicon steel materials with new designed components. Through the recrystallization annealing test under laboratory condition of 30min， the lowest recrystallization temperature is found， and the industrial production annealing process test is simulated in the laboratory based this. At the same time， through the detection of microstructure， texture and so on， the formulation of industrial annealing process is guided to improve the development of industrial production of this material and reduce the development cost. Finally， the best annealing holding temperature of 830 ℃ is found for the non-oriented silicon with this composition， at which the iron loss is relatively low and the magnetic polarization intensity is the best.

Keywords： silicon steel; recrystallization; annealing; metallography; texture

0 背 景

硅鋼作為功能性電磁材料在電能的生成、傳輸和使用方面起關鍵作用[1]，廣泛應用于電力電網、家用電器及電子產品、汽車、 電動車、儀器儀表、大型電機制造及智能制造等方面。近年來，在“雙碳”政策背景的驅動下，電力作為清潔能源之一得到了有力推動和長足發展，而作為電力發展支撐性功能材料——硅鋼在產量、消費上也得到高速增長，產能從2017年的1 009萬t增長至2023年1 470萬t，增加了近50%，隨著近年新工藝、新裝備及新產線的投入，產能勢必會進一步提升[2～4]，對硅鋼生產工藝研究也會越來越多，越來越深入，尤其是對鐵損和磁感有較大影響的冷軋退火工藝。本文通過對冷軋低碳低硅無取向硅鋼再結晶溫度和試驗室工業化退火工藝模擬研究，并以此為基礎進行工業化退火生產實踐，實現該無取向硅鋼高效、質優的工藝制定，為此類無取向硅鋼研究提供了方法和思路。

1 試驗材料及方案與分析

無取向硅鋼主要生產工序為：鐵水脫硫→真空精煉→連鑄→熱軋→（常化）→酸洗→軋制→連退及涂層→卷取。本文試驗材料為熱卷厚度2.75 mm經酸洗軋制后得到的0.5 mm無取向硅鋼硬卷，材料成分如表1所示：

1.1 再結晶退火溫度研究

針對該試驗材料，為摸索再結晶退火工藝，首先測量再結晶溫度。再結晶退火溫度試驗選取為500～700 ℃之間，每間隔10 ℃進行一次再結晶退火試驗，加熱到試驗的退火溫度后保溫30 min，保溫結束后取出采用冷水淬火以保留再結晶組織。退火結束后對各種工藝下的試樣進行加工，取截面進行金相組織及微觀硬度檢測，以確認再結晶溫度。試驗后的硬度測量結果如圖1所示，500、570、700 ℃退火溫度下保溫30 min的金相組織如圖2所示。

從各溫度下退火后硬度變化可以看出，該試驗材料加工硬化組織出現回復的溫度是540 ℃左右，而550 ℃后硬度急劇下降，說明出現了再結晶，但再結晶不完全；當退火溫度達到570 ℃時，隨著溫度的繼續升高，硬度變化相對較小；到600 ℃硬度達到最低點，溫度再繼續提升硬度趨勢基本不變。將原始試樣和完全軟化試樣的硬度差定義為100％，則當硬度降低50％時就定義為再結晶的條件，即50％平臺差法[5]。根據此法確定出試驗鋼的再結晶溫度約為570 ℃。通過對金相組織進行觀察：500 ℃工藝下，加工硬化帶狀組織基本沒有變化（圖2a），570 ℃工藝下，加工硬化帶狀組織已經消失，晶粒已基本完成再結晶（圖2b）。隨著溫度的繼續升高，再結晶晶粒逐步長大，硬度進一步降低（圖2c）。故本材料再結晶溫度為570 ℃，再結晶完成后硬度值（HV0.5）在135以下，隨著退火溫度的提升，晶粒的持續再結晶和長大，HV0.5最低達到114，各溫度下晶粒度如表2所示。

1.2 試驗室模擬工業化退火工藝研究

與試驗室靜態再結晶退火溫度點不同，工業化無取向硅鋼生產要求效率高、質量優。因此，保溫30 min再結晶退火工藝很難滿足工業化高效生產需求。工業化連退涂層機組包括開卷→焊接→脫脂→預熱/無氧化加熱→保溫→緩冷→風冷→快冷→涂層→燒結、烘干→卷取等過程。硅鋼產品厚度規格一般在0.5 mm及以下，高牌號甚至只有0.15 mm，因此，對退火爐張力及跑偏控制要求極高，目前設計長度最大不超過350 m，退火過程不超過2.5 min，其中保溫時間在20～25 s左右，而退火工藝是硅鋼電磁性能優異且穩定的關鍵因素之一。所以，退火工藝制定至關重要。

本文在試驗室條件下模擬工業化連退爐退火工藝過程，研究工業化連退爐無取向硅鋼退火工藝，試驗工藝方案如表3、圖3所示。

對試驗后鋼板進行硬度、力學性能及金相檢測，檢測結果如表4、圖4所示，從試驗結果可以看出，在保溫22 s的前提條件下，840 ℃時，材料力學性能及HV0.5維氏硬度達到最低，晶粒度最小，但隨著溫度的升高，硬度、力學性能及晶粒基本保持不變。因此，工業化連退生產退火保溫溫度至少在820 ℃以上。

無取向硅鋼理想型織構是{100}lt;uvwgt;，不利織構是{111}lt;uvwgt;[3]。為進一步確認退火溫度，隨后對各溫度下退火后的鋼板進行織構分析。織構分析結果如表5、圖5所示，隨著退火溫度的升高，晶粒尺寸呈不斷增大趨勢，晶粒尺寸長大有利于鐵損進一步降低[6]，溫度達到820 ℃以后晶粒長大較為明顯；780～900 ℃退火條件下，不利織構{111}隨著退火溫度的升高，其總占比呈現先降低后升高特點，而820 ℃退火條件下，{111}織構比例最低，840 ℃及以后，{111}織構比例又迅速恢復。因此，工業化退火最佳溫度在820～840 ℃之間。

1.3 工業化退火試生產

鑒于試驗室模擬工業化退火工藝研究結果，該材料在工業化連退生產線上采用800、820、830、840 ℃四種保溫溫度進行試生產，并取樣進行鐵損和磁感檢測，檢測的結果如表6所示。

從表中可以看出，工業化生產中，該材料的退火保溫時間設置在830 ℃時，鐵損相對較低，同時磁極化強度較高，因此830℃是此成分下硅鋼的最佳退火溫度。

2 總 結

本文在試驗室條件下研究試驗材料最低再結晶退火溫度，進而模擬工業化大生產時再結晶退火最佳溫度，以提升工業化大生產試制效率，降低試制材料因退火工藝不合理導致的不命中成本損失。通過試驗得出以下結論：

1）該試驗材料30 min下完成再結晶退火的最低溫度是570 ℃，隨著溫度的繼續提升，晶粒逐漸長大。

2）該試驗材料工業化生產最佳退火保溫溫度是830 ℃，溫度繼續提升盡管鐵損繼續降低，但磁極化強度出現較大幅度降低，影響材料電磁性能。

參考文獻

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[2] 張鳳泉，張維林，孫文權.我國冷軋硅鋼近十年發展現狀及方向研究[J].電工鋼，2024，6（4）：1-8.

[3] 徐勁松.“雙碳”戰略下取向硅鋼的價值與市場機遇[J].電工鋼，2021，3（5）：21-24.

[4] 岳重祥，江毅，倪衛鋒，等.國內無取向硅鋼未來一五年需求預測與發展建議[J].電工鋼，2021，3（5）：37-41.

[5] 關小軍，周家娟，姜壽文.Ti-Nb對高強IF鋼板連續退火再結晶的影響[J].特殊鋼，2000，21（4）：17.

[6] 安珍珍，陳冬梅，魏慶慶，等.卷取溫度對0.4%Si硅鋼組織、織構及磁性能的影響[J].電工鋼，2020，2（5-6）：20-25.

第一作者：鄧鵬，男，38歲，工程師