世界电工钢工艺流程的革新

世界电工钢工艺流程的革新

电工钢生产一百多年的历史，也是一部不断技术革新的历史。从热轧硅钢片过渡到冷轧电工钢带，是第一次重大的技术变革。采用冷轧工艺后，随着取向电工钢的发展、不同抑制剂的出现以及前道工序冶炼、铸造的技术进步，出现了前道工序的不断技术革新，以及后道工序的简化和连续化。

前工序是从冶炼到热轧卷；从热轧卷到电工钢厂经过不同工序直到成品切割的整个过程称为后工序。前工序变化最多，从炼钢、精炼到热轧卷生产。变化的特点是板坯变薄，工序缩短。在后工序，无论取向钢或无取向钢，都尽量用一次轧制工序达到成品厚度，省去中间退火，无取向钢部分品种采用酸轧连续生产（CDCM）。

在传统的半工艺品种中，无取向钢大宗品种在西方仍很流行，在汽车板生产厂生产，是一种成本低廉的低碳钢，其最终退火和表面发蓝都在铁心制造厂完成，该产品由原武钢在上世纪80年代开发成功，一度成为汽车用钢材的主要品种。

合资企业冰箱压缩机、电动机的主要材料，但由于冷轧全工艺电工钢（无取向钢）发展迅速，成本逐步下降，因此半工艺逐渐退出市场。我国有上千家中小型电机生产厂家，由于生产规模小而分散，铁心尺寸多样，无法组织集约化生产，这也是半工艺产品在国内无法推广的重要原因。就半工艺产品本身而言，按工艺要求制成的铁心，最充分地利用了材料本身的磁性能，是一种节能产品。

1. 带钢生产工艺的演变

1.1 工序一：压铸-初轧-热轧

此工艺目前仍有少数工厂采用。美国匹兹堡阿勒格尼厂的普通取向钢生产工艺，是从压铸坯经初轧、热轧成带卷。原武钢于1974年签订合同引进高牌号无取向钢和HiB钢两大品种，其板坯均采用压铸、初轧工艺生产。20世纪80年代，武钢做了大量设备配套和工艺创新，将压铸坯改为连铸坯。

1.2工艺二：板坯连铸连轧-常规生产工艺

该工艺即板坯连铸（板坯厚度180～250mm），是目前国内外各品种的主要生产工艺。

1.3工艺三：薄板坯连铸连轧生产工艺

此工艺称为薄板坯连铸（CSP，板坯厚度70～90mm），国内外均已开发生产并取得成效，目前无取向中低牌号的生产已趋于常态化，从磁性能方面已确认可生产所有规格牌号的取向电工钢，但铁皮压痕、保护渣卷入、炉辊划伤等表面缺陷成为制约取向电工钢批量生产的主要问题。

1.4 工艺4：带钢连铸-近终形生产工艺（电工钢、双相不锈钢、冷轧AHSS、铝合金）

薄带连铸—近终形生产工艺是目前最先进的工艺，源于美国纽柯公司，目前已实现工业化。我国宝钢经过长期发展，现在有宁波钢厂，但以生产普碳钢为主，产量还不稳定。沙钢决定全套引进纽柯公司的技术和设备，每套产能50万吨，但以生产普碳钢为主。薄带连铸连轧生产电工钢虽然已经发展多年，但突破性的是2008年以后，东北大学钢轧制国家重点实验室的研究团队在电工钢生产技术和品种开发方面取得重大进展，这或将给已有百年历史的电工钢生产工艺技术带来一场颠覆性的革命。

1.4 薄板坯连铸与厚板坯连铸基本参数对比

不同板坯厚度在形成过程中，由于冷却速度不同，凝固时间也不同，影响板坯内部组织，最终使成品性能差异很大。薄板坯连铸与厚板坯连铸基本铸造参数对比见表1。

1.4.2 薄板坯连铸与薄带连铸连轧投资、成本、能耗及排放对比

薄带连铸工艺优点为：绿色环保、成本低廉。生产线长度为：厚板坯连铸大于600m，薄板坯连铸在400m左右，薄带连铸小于60m。薄板坯连铸与薄带连铸在投资、成本、能耗排放等方面的对比如图1所示。

2、取向电工钢工艺流程演变及机理分析

电工钢发展史，实质上就是一部炼钢技术的发展史和金相学、冶金学、金属热处理和分析测试技术的发展史。

工艺的提高使得冶炼超纯净钢、提高微量元素控制精度成为可能，检测手段的改进为深入了解各种因素对最终磁性的影响、创新合理的工艺提供了科学依据。在以上前提下，生产高牌号无取向钢成为可能。深入了解取向钢生产全过程中的成分要求、抑制剂、织构演变等，为我们提高取向钢磁性水平指明了方向。自从Goss织构发现以来，世界各地从事电工钢研究的科学家一直致力于研究抑制剂的选择、演变与最终Goss织构之间的关系。

2.1以AlN为主要抑制剂的厚板坯连铸工艺（板坯高温加热+一次冷轧法）中各工序的作用

早期硅钢采用厚板坯连铸工艺（板坯高温加热+二次冷轧法）生产，以MnS为抑制剂。后来出现了以AlN为主要抑制剂的厚板坯连铸工艺，各工序作用如图2所示。

这一工艺在各种受控条件下都能获得良好的磁性能，新日铁采用此工艺生产出了世界顶级的高磁感取向电工钢HiB，并以此为豪。为了减少板坯加热到1400℃的弊端，新日铁做了大量工作，如在普通炉内将板坯加热到1200℃，出炉后进入立式板坯感应加热炉，温度就达到1400℃。由于板坯入炉温度高达1050℃，所以升到1400℃仅需40分钟，保温仅需15分钟，到出炉为止一个循环总时间为55分钟。因此，板坯在高温段的停留时间大大缩短。此外，采用氮气保护，因此减少了炉渣，延长了炉龄，板坯表面缺陷也得到改善，提高了成品率。至今新日铁广畑厂一直采用此工艺，原武钢引进时也采用此工艺生产一般取向钢和高磁感取向电工钢。至今热轧三厂仍采用此工艺。2008年增设了板坯感应加热立式炉，但利用率不高。该工艺共有14道工序，其中前工序6道，后工序8道。

2.2以Cu2S+AlN为抑制剂的厚板坯连铸工艺各步骤效果（板坯中温加热+二次冷轧法）

降低板坯加热温度的优点在于：可以避免液态渣的产生，减少加热炉的停机检修时间，提高成品率，节约能源；减少板坯中不必要的粗晶粒；与传统工艺相比，可以省去重新加热和预轧工序。

由于降低板坯加热带来的优势和巨大的经济效益，各国电工钢工作者对如何降低板坯加热温度进行了大量的研究。最先取得成果的是前苏联冶金工作者，他们采用原有的Cu2S+AlN作为抑制剂，将板坯加热温度降低到1280-1320℃，后续工序仍采用二次轧制法，同时对其他工艺流程进行相应调整，实现了工业化生产优质通用取向电工钢P17/50≤1.2W/kg、B8≥1.88T。

该工艺在我国武钢于2002～2004年首先应用，钢种定为QRD，并按此工艺建成了年产16万吨的普通取向钢专业生产厂。由于该工艺控制因素比较容易、稳定，因此其磁性水平也处于稳定的较高水平。0.30mm厚P17/50为1.05～1.2W/kg，B8=1.88～1.90T。如果优化成分和工艺，磁性还有一定的改善潜力，例如采用激光刻划，0.30mm厚P17/50完全可以达到1.0W/kg。目前，多数民营企业生产取向电工钢主要采用此工艺，其工艺流程及抑制剂的变化如图3所示。

2.3 以AlN为主要抑制剂的厚板坯低温加热氮化工艺及各工序的作用（一步冷轧法）

新日铁八幡制钢所从1989年开始开发了铸坯用低温加热（1100～1150℃）钢，称为SL钢，其磁性水平和铁损与HiB钢相当，B8稍逊于HiB钢，在1.89～1.91T左右。铸坯温度降低的原因在于MnS作为抑制剂的还原作用，而AlN是主要成分，其中的AlN部分来自炼钢，在后续工序高温常化后以弥散粒子形式析出。另外，在一次再结晶脱碳退火后，钢带在750℃(或900℃)进行氮化，使钢带中形成(Si，Al)N，在高温箱式炉(罩式炉或环形炉)中转化为AlN，抑制了初次再结晶，促使二次再结晶的发生和长大，这种方法称为获得性抑制剂。脱碳退火时高、低温板坯加热两种工艺产生的一次再结晶晶粒尺寸有明显差异，高温工艺的一次再结晶明显小于低温板坯加热的一次再结晶晶粒，前者为10～12μm，后者为20～23μm。目前，低温板坯加热工艺已成为我国生产高磁感取向钢的主流工艺。武钢、宝钢、首钢等都在不断优化这一流程（如图4所示）。

2.4 以AlN为抑制剂的薄板坯连铸工艺（CSP）在电工钢中的应用

20世纪70年代，第一次能源危机后，世界钢铁工业面临结构调整的重大课题。

调整的核心是简化长期存在的工艺流程，以减少投资、节约能源，生产出更薄更宽的产品。从20世纪80年代中期开始，包括德国的西马克和德马格、意大利的达涅利、奥地利的奥钢联、日本的住友金属等在内的许多国际公司竞相进行了大量的研发，并取得了突破性进展。1989年7月21日，美国纽柯钢铁公司采用西马克开发的CSP工艺，在其位于美国印第安纳州的工厂成功投产生产线，标志着世界上首次实现薄板坯连铸连轧技术的工业化。

1999年3月，德国蒂森克虏伯公司投产的CSP生产线被称为第二代薄板坯连铸连轧生产线，首次生产无取向钢，硅含量低于2.4%，5万吨（钢水）。2001年8月，意大利AST工厂又新建了一条CSP生产线。该线进一步凸显了CSP技术在生产高合金成分特种钢（不锈钢、电工钢等）方面的发展和进步。其设计能力为100万吨，产品结构为：奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、无取向电工钢（Si%

2002年10月共生产11.5万吨（不锈钢8.8万吨、电工钢1.7万吨、铁素体不锈钢1万吨），电工钢Si=1.0%、1.8%（无取向）、3.0%（取向钢）。意大利专家曾认为CSP可以生产所有牌号的高磁感取向钢。

薄板坯连铸连轧工艺与传统厚板坯工艺相比，优势明显，流程明显缩短，所需设备大大简化，占用生产场地面积相应减少，单位产品建设投资明显减少，能耗降低，劳动定额减少，成品率高，作业时间短，生产成本比传统厚板坯连铸降低18%。

我国利用CSP生产电工钢，是国家科技支撑计划“新一代可回收钢铁工艺技术”推动的。当时，中国工程院院士干勇特别关注并推动了这个项目，他联合北京钢研院连铸中心与工厂，选择有条件的工厂开展试验研究，终于在2005年3月，我国第一卷相当于电工钢的热轧卷在马钢生产出来。

目前，CSP生产中低等级无取向钢在我国已成为常态（武钢、马钢），高等级钢仍在发展中。在北京钢铁研究总院连铸中心和武钢的共同努力下，完成了科技部下达的钢铁发展规划。武钢在高磁感取向钢开发上取得重大突破，基本建立和完善了工艺标准。目前0.27mm厚P1.7/50≤1.0W/kg，B8≥1.90T，已可量产，且经过优化后具有进一步提高磁性能的潜力，但由于CSP工艺本身带来的固有问题，产品表面质量仍需进一步提高。

ESP与CSP工艺流程本质基本相同，区别在于无头轧制，且较CSP具有诸多优势，但在电工钢中的应用较少，未来利用ESP工艺开发不同类型的电工钢将是一个非常有意义的课题。

3.薄带连铸连轧电工钢生产工艺研究与开发

20世纪80年代，美国、日本、德国等国家的许多厂家宣布用双辊或单辊铸造法成功地铸造了不锈钢和电工钢。1984年，日本川崎制钢所采用双辊法铸造了厚度0.2～0.6mm、宽度500mm的高硅钢和碳钢。

我国东北大学早在1958年就开始研究采用不同直径的双辊铸轧机，采用轻压快速铸轧工艺，在实验室中铸轧电工钢板和铸铁板，并于1960年铸轧宽度为600mm、厚度为2-2.5mm的钢板、铁板100余吨，达到当时国际领先水平。后来由于国内多种因素，研究工作中断，直到20世纪80年代东北大学才恢复研究工作。

3.1 国外薄带连铸连轧生产电工钢专利申请

国外薄带连铸连轧生产电工钢的专利申请如表2所示。

3.2我国电工钢薄带连铸连轧专利申请及分析

我国薄带连铸连轧生产电工钢的专利申请及分析如表3所示。

（方泽民、王如武、孙铸）