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1、硅钢中脱碳工艺的数值模拟罗海文S赵宇，赵沛（钢铁研究总院电工钢中心，学院南路76号，北京，100081 ）摘要：根据取向硅钢脱碳退火的化学反应机理以及钢带内部的碳扩散动力学，建立针对硅钢的脱碳动力学的数 值模型，可以定量描述钢带厚度、退火温度、退火气氛（氢气比例、露点）对钢带脱碳的影响。其模拟计算结果 与工业上脱碳退火的生产经验相当吻合。计算结果表明，提高退火温度和氢气比例或者将混合气体的露点增高至 35C都可以加速脱碳，但其中以提高退火温度效果最为明显，尤其对于厚的钢带而言，提高退火温度几乎是必然 选择。这是因为厚度方向的碳扩散是工业生产中钢带脱碳的限制性环节；而改变退火气氛影响的仅是气固界
2、面的 反应动力学。关键词： 脱碳，电工钢，退火，露点， 碳扩散Numerical Simulation on decarburization in Si steelsHaiwe n LUO, Yu ZHAO, Pei ZHAO,Research Center of Electrical Steels, Central Iron & Steel Research Institute, Xue Yuan Nan Lu 76,Beiji ng, Chi na, 100081Abstract: Based on the chemical react ion at the in terface of g
3、as/steel betwee n vaporized water and carb onin steel and carb on diffusi on with in the steel strip determ ined by the Fick s Second Law, a mathemmodel has been presented in this paper to describe the decarburization kinetics during the annealing in the product ion of Si steels. Simulati ons were c
4、arried out to qua ntitatively reveal in flue nce of the ann eali ng temperature, partial pressure of hydroge n gas and dew point of the mixed gas on decarburizati on kin etics in steel strips with various in itial carb on contents and thick ness. It was found that raised ann eali ng temperature, hig
5、her H 2 partial pressure and in creased dew point up to 35 C of the mixed gas can all lead to an accelerated decarburizatio n. Among them, however, the raised ann eali ng temperature is most effective way, particularly for strips thicker tha n the usual. This is because carb on diffusi on with in st
6、eel strips is gen erally rate-limiti ng factor for decarburizati on of strips with most of in dustrialized gauges.Key words: Decarburizati on kin etics, electrical steels, ann eali ng, dew poin ts, carb on diffusi on.、八、-刖言取向硅钢的脱碳工艺是一个很重要的工序，它首先将钢中碳降低到30ppm内以避免磁时效2，另外在脱碳退火时晶粒会发生长大，这对最终成品性能有很大影。而且，在脱
7、碳退火时钢带表面会形成氧化层，这既是电绝缘层，也是形成玻璃膜的基底。硅钢中常加入的Si、Mn、Al和P等元素在退火时会发生选择氧化，它们优先与氧结合，如果形成致密的氧化 层，碳就无法从钢中逸岀，脱碳也就不充分P. Beckley: European Electrical Steels, Orb Works, Wales, 2000, P272 D. Jiles. Introduction to Magnetism and Magnetic Materials, Chapman & Hall, London, 1991, p272 B. Soenen, S. Jacobs, D. De Wulf
8、. Steel Research Int. 76(2005)， p425 428。退火气氛和温度对脱碳和选择氧化有着至关重要的影响。气氛中的碳势要尽可能低才能保证高效快速地脱碳。欧洲地区企业通常采用甲烷燃烧得到的N2-H 2-H2O-CO-CO2混合气作为脱碳退火气氛，其中存在的CO-CO2在热力学上限制了脱碳的程度并且通过参与的气体反应改变了气氛的露点；而在国内广泛采用的碳势被认为为零的 N2-H2-H2O混合气脱碳，可以实现高效快速脱碳4。为了研究脱碳退火气氛 和温度对脱碳过程动力学的影响，我们开发了以下数值模型可以预测脱碳动力学。模型的建立脱碳时通过气氛中的水汽来氧化钢中的碳来进行，即通
9、过如下反应脱碳时通过气氛中的水汽来氧化钢中的碳来进行，即通过如下反应aC + H2O? 出 + CO In K1 =16271/T- 17.18( 1)通常将气氛的露点而不是水分压作为输入的参数，两者之间的关系为H2O(I) ? H2O(g)In K2 = - 5443.2/T+14.8= In PH2O(g)(2)另外，还需考虑钢中Si对碳活度系数的影响(以石墨为标准态)：ln( fc) =12783/T - 5.635 (o.2Si% 钢)(3)ln(fc) = 13133/T - 5.626(1.5%si 钢)(4)反应(1)的速率受到两个因素控制，一是氧在钢带反应表面的覆盖率, 如下式
10、所示4，而这是由气氛中的pH2O/pH2分压比决定的,KoPH2O / PH 29o =丄亠 ln Ko = 3020/T - 1.161 + KoPh2o / ph2另一个就是表面反应的反应速率 46-197000k =5.61X10 exp() cm/sRT由此我们可以得到在气固相反应界面的碳通量为(5)(6)JC(X =0,t) = k?9o?C(x = 0,t)- Cg wt%?cm/s(7)式中碳浓度是以重量百分数形势表示,C(x=0,t)为钢带表面钢中的碳浓度，而Cg为气相中的等价碳浓度,脱碳时通过气氛中的水汽来氧化钢中的碳来进行，即通过如下反应脱碳时通过气氛中的水汽来氧化钢中的碳
11、来进行，即通过如下反应(8)(9)Cg = ac / fc?100?12/55.85。而在钢带内部的碳扩散符合 Fick第二定律:dtdx2其中碳的扩散系数 DC = 2.2exp(- 123000/ RT)cm2 / s4另外，由于钢带是从两个表面同时脱碳，所以可以认为在钢带中心界面处的碳通量为零，即Jc(X =s/2,t) =0，式中S为钢带厚度。这样就可以结合式(7)和(9)的边界条件对等式(8)进行差分法数值求解出钢带各点在不同时间的碳浓度，注意本 模拟计算是针对钢带厚度方向的一维脱碳计算，而且假设脱碳产生的CO被气流带走不影响炉气气氛。模型计算结果与讨论首先我们利用该模型对通常的普通
12、取向(0.04%C)和高磁感取向(0.07%C)0.3mm厚硅钢带在通常采用的脱碳退火气氛和温度下(25%H2+75%N2,水汽露点为25oC，温度为825 C,)的脱碳动力学行为进行验证，其计算结果如 图1所示，尽管两者初始碳含量相差近一倍，但是经过大约2分钟时间脱碳退火，0.3mm厚的钢带中的碳都已基本除去，而对于0.04%C初始碳含量的硅钢带，1分钟退火后其碳含量已经降低到50ppm左右。而这一计算所得的退火时间与工业生产和实验室研究所得到的数据是一致的，这证明了本模型的有效性。8.00E-02秒w XLnprnoc nDDr&7.00E-026.00E-025.00E-024.00E-
13、023.00E-022.00E-021.00E-02:Solid: I nitial 0.07%wt CDash: I ni tial 0.04%wt C2s10s0.00E+0010s亠6咒120s j0.0E+00 2.0E-05 4.0E-05 6.0E-05 8.0E-05 1.0E-04 1.2E-04 1.4E-04 1.6E-04Dista nee from the surface,mFig.1含0.04%C和0.07%C的0.3mm厚硅钢带在通常采用脱碳退火工艺参数下（退火气氛为25%H2+75%N2，露点为25C，退火温度为825 C），计算得到的不同时刻下钢带的碳浓度梯度分
14、布，图中实线为钢带初始碳含量为 0.07%wt,虚线代表初始碳含量 0.04%.当退火气氛的氢气比例由25%提高到75%时，其对钢带脱碳的影响如图2所示，在脱碳退火初期，高的氢气比例有助于加速脱碳，但随着退火时间的延长，两者之间的区别逐渐缩小，在退火1分钟后，25% H2和75% H2气氛下脱碳量是一样的。但高的氢气比例有助于避免钢带表面形成致密的氧化层而妨碍脱碳。枪w wlnnmoc noDka0.040302O.OE+OO 2.0E-054.0E-056.0E-058.0E-051.0E-041.2E-041.4E-041.6E-04Dista nee from the surface,m
15、Fig.2含0.04%C硅钢带在脱碳退火不同时刻下钢带的碳浓度梯度分布，钢带厚度为0.3mm,露点为25C，退火温度为825 C,图中实线退火气氛为 75%H2+25%N2，虚线气氛为25%出+75%“2然而对于更厚的钢带，如0.75mm厚的含0.04%C的硅钢带，通常的退火气氛和825C退火温度下有效脱除碳所需的时间大幅延长，如图3的模拟结算结果所示，将 0.75mm厚的硅钢带有效脱碳所需时间超过10分钟，这远超过连续退火生产线所能提供的时间。因此，对于此种情况，一个有效的工艺措施是提高退火温度至875C，其计算结果如图4所示，提高退火温度对退火初期的脱碳影响不大，但对退火后期的脱碳影响很显著，退火温度提高到875C时，0.75mm厚钢带的0.04%C经过5分钟时间其中心部位的碳含量可降低到大约50ppm左右，大大提高了脱碳速度。松 w tDrnoc nDnrac0.00E+004.00E-023.00E-022.00E-02
