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世界电工钢工艺流程的革新

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  100多年的电工钢生产历史亦是工艺不断革新的历史,由热轧硅钢片转到冷轧电工钢带是第一次工艺大变革,采用冷轧工艺以后,随着取向电工钢的开发,不同抑制剂的出现以及前工艺冶炼、铸造的技术进步,对前工序不断出现工艺流程的革新,以及后工序工艺流程的简化与连续化。
  前工序即从冶炼→热轧卷;热轧卷运至电工钢厂通过不同工序直到成品分剪全过程称为后工序。这些工序变革最多的是前工序,从炼钢精炼直到生产出热轧卷,其变革的特点是减薄板坯和缩短工序。后工序不论取向与无取向钢,都尽力采取一个轧程即达成品厚度,省去中间退火,再就是无取向钢部分品种采取酸轧连续生产(CDCM)。
  传统工艺中的半工艺品种在西方至今仍然流行的是无取向中的大宗品种,它源于在汽车板生产厂生产,是一种低碳钢、低成本,其最终退火与表面发蓝在铁芯制造厂完成。该产品在20世纪80年代原武钢就开发成功,曾一度成为中外
  下转B09版合资冰箱压缩机、电机的主要材料,但后因冷轧全工艺电工钢(无取向钢)快速发展,成本逐步降低,因而,半工艺逐步退出市场。中国有几千家中小电机生产厂家,由于生产规模小、分散且铁芯尺寸多样化,因而,无法组织集约化生产。这也是在中国半工艺产品推广不开的重要原因。就半工艺产品本身来说,按流程要求制成的铁芯是最充分利用材料本身的磁性,属节能产品。
 
  1板带生产流程的演变
  1.1流程一:模铸-初轧-热轧
  该流程至今仍有少数厂应用。美国匹兹堡的阿里根尼厂一般取向钢生产流程就是板坯从模铸经初轧开坯热轧成带卷得到的。原武钢1974年引进签订的CJ7411合同,其中两大品种,即高牌号无取向钢与HiB钢,其板坯就是模铸后,经初轧得到的。在20世纪80年代,武钢为把模铸坯改为连铸坯,作了大量的设备配套与工艺创新工作。
 
  1.2流程二:板坯连铸连轧-常规生产流程
  该流程即板坯连铸(坯厚180-250mm)不论国内外都是所有品种的主要生产流程。
 
  1.3流程三:薄板坯连铸连轧生产流程
  该流程即薄板坯连铸(CSP,坯厚70-90mm),国内外都开发生产电工钢并取得成效,至今生产无取向中、低牌号已成常态化。在磁性上已证实,可以生产所有规格与牌号的取向电工钢,但至今表面缺陷如铁皮压入、保护渣卷入、炉辊划伤等,成为制约大批量生产取向电工钢的主要问题。
 
  1.4流程四:薄带连铸-近终成形生产流程(电工钢、双相不锈钢、冷轧AHSS、铝合金)
  薄带连铸——近终形生产流程是最先进的流程,起源于美国Nucor公司,已产业化,中国宝钢经过长期开发,现在宁波钢厂,但以生产普碳钢为主,生产还不稳定。沙钢决定成套引进Nucor公司的技术与装备,每条产能50万吨,但以生产普碳钢为主。用薄带铸轧生产电工钢尽管已研发多年,但有所突破是2008年后东北大学轧钢国家重点实验室的研究团队在电工钢生产工艺与品种开发上取得重大进展,有可能使百年生产电工钢的工艺技术产生颠覆性的革命。
 
  1.4.1Castrip与薄板坯连铸、厚板坯连铸基本参数比较
  在不同板坯厚度成型过程中,因冷却速率不同,凝固时间有别,因此影响铸坯内部组织,最终使成品性能千差万别。Castrip与薄板坯连铸、厚板坯连铸基本铸造参数的比较见表1所示。
 
  1.4.2薄板坯连铸与薄带铸轧投资、成本及能耗排放的比较
  薄带连铸过程的优势:绿色、环保、低成本,其中产线长度:厚板坯连铸大于600m,薄板坯连铸约400m,薄带铸轧小于60m。薄板坯连铸与薄带铸轧在投资、成本及能耗排放方面的比较如图1所示。
 
  2取向电工钢工艺流程的演变和机理分析
  电工钢发展历史实质上是一部炼钢技术的发展与金相、金物、金属热处理及分析检测技术发展的历史,炼钢装备技
  术的提高,给冶炼超纯净钢以及微量元素控制精度的提高成为可能。检测手段的提高对深刻认识各种因素对最终磁性的影响以及创新合理工艺有了科学依据,在以上前提条件下,使生产高级无取向钢成为可能。深刻认识取向钢的生产在全工艺过程的成分要求、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。自发现Goss织构以来,全球从事电工钢研究的科学家就是围绕抑制剂选择、演变与最终Goss织构之间的关系。
 
  2.1以AlN为主要抑制剂厚板坯连铸工艺各工序的作用(板坯高温加热+一次冷轧法)
  早期是以MnS为抑制剂厚板坯连铸工艺(板坯高温加热+二次冷轧法)生产硅钢,后来以AlN为主要抑制剂的厚板坯连铸工艺及各工序的作用如图2所示。
  该工艺在各种因素受控条件下,可以获得很好的磁性,新日铁就是用此工艺生产出世界顶级的高磁感取向电工钢命名为HiB,并以此为荣。为减少板坯1400℃加热带来的缺点,新日铁做了大量的工作,如板坯在普通炉中加热到1200℃,出炉后进入立式板坯感应加热炉,温度达到1400℃,由于入炉板坯温度高达1050℃,升到1400℃,仅需40min,保温15min,至出炉一个循环总时间为55min,因此,大大缩短板坯在高温段停留时间,加上采取氮气保护,所以熔渣减少,炉子寿命延长,板坯表面缺陷亦得到改善,成材率提高,至今新日铁广畑厂一直使用该工艺。原武钢引进时,亦是采用该工艺生产一般取向钢和高磁感取向电工钢,至今热轧三分厂仍使用该工艺。并于2008年增设了板坯感应加热立式炉,但使用不理想。该工艺共14道工序,其中前工序6道后工序8道。
 
  2.2以Cu2S+AlN为抑制剂厚板坯连铸工艺各工序的作用(板坯中温加热+二次冷轧法)
  降低板坯加热温度的优点是防止产生液态渣,可减少加热炉停炉检修时间,提高成材率和节能;在板坯内减少不需要的粗大晶粒;与传统工艺相比可能取消再加热和预轧制。
  由于降低板坯加热带来的优点和巨大经济效益,各国电工钢工作者对如何降低板坯加热温度方面做了大量工作,首先取得的成果是前苏联冶金工作者,采用其独创的Cu2S+AlN作为抑制剂。使板坯加热温度降到1280-1320℃,后工序仍采用二次轧制法,同时,其他工序工艺作相应调整,工业化生产出高质量的一般取向电工钢P17/50≤1.2W/kg,B8≥1.88T。
  该工艺在2002-2004年首先在中国武钢使用,钢种命名为QRD,并按此工艺建设年产16万吨的一般取向钢专业生产厂,由于此工艺控制因素较容易,且稳定,因而其磁性水平亦处于一个稳定的高水平上。0.30mm厚P17/50在1.05-1.2W/kg,B8=1.88-1.90T,如进行成分和工艺优化,磁性提升还有一定潜力,如采用激光刻痕,0.30mm厚P17/50达到1.0W/kg完全可能。目前大部分民营企业生产的取向电工钢都以该工艺为主。
 
  2.3以AlN为主要抑制剂厚板坯低温加热后工序渗氮的工艺及各工序的作用(一次冷轧法)
  自1989年开始,日本新日铁八幡制铁所开发了板坯低温加热(1100-1150℃),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。板坯温度降低的原因是减少作为抑制剂的MnS,而以AlN为主,其AlN部分来自炼钢并经后工序高温常化析出弥散的颗粒。另外,钢带经初次再结晶脱碳退火后再进行750℃(或900℃)渗氮处理,在钢带中形成(Si,Al)N,在高温箱式炉(罩式炉或环形炉)中,转换成AlN而起到抑制初始再结晶,促进二次再结晶发生与长大的作用,此法被称为后天获得的抑制剂。高低温板坯加热两种工艺,经脱碳退火时产生的初次再结晶晶粒尺寸明显不同,高温工艺的初次再结晶,明显小于低温板坯加热的初次再结晶晶粒,前者10-12μm,后者20-23μm。目前,板坯低温加热工艺已成为我国生产高磁感取向钢的主流工艺。武钢、宝钢和首钢都在不断优化此工艺。
 
  2.4以AlN为抑制剂薄板坯连铸工艺(CSP)在电工钢上的应用
  20世纪70年代,第一次能源危机之后,世界钢铁工业面临着结构调整的重大课题,
  调整的核心是要求对长期采用的长流程工艺进行简化,以达到减少投资、节约能源,并能生产出更薄、更宽的产品。80年代中期以后,国际上多家公司,包括德国SMS和Demag、意大利的达涅利、奥地利的奥钢联、日本的住友金属等,竞相进行大量研究和开发并取得突破。1989年7月21日,美国Nucor钢铁公司采用SMS公司开发的CSP工艺,在美国印第安纳州Crawfordsville厂建设生产线投产成功,标志着薄板坯连铸连轧技术在世界上第一次实现了工业化。
  1999年3月,德国蒂森克虏伯公司投产的CSP生产线,被称为是第二代的薄板坯连铸连轧生产线,并首次生产出无取向钢,硅含量小于2.4%,5万吨(钢水)。2001年8月,在意大利AST厂新建CSP生产线,这条线更突出CSP工艺在生产高合金成分的特殊钢(不锈钢、电工钢等)品种方面的开拓与进步。其设计能力为100万吨,其产品结构为:奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、无取向电工钢(Si%<3.5%),另外,还有少量的C75和C100高碳钢。
  2002年10月,共生产11.5万吨(其中不锈钢8.8万吨,电工钢1.7万吨,铁素体不锈钢1万吨),电工钢中有Si=1.0%、1.8%(无取向)和3.0%(取向钢)。意大利专家曾认为,用CSP可以生产包括高磁感取向钢所有牌号。
  薄板坯连铸连轧工艺与传统厚板坯流程工艺比较有明显的优势。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,单位产品建设投资显着降低,能耗下降,劳动定员减少,成材率高,作业时间短,生产成本比传统厚板坯连铸降低18%。
  我国用CSP生产电工钢是在国家科技支撑计划“新一代可循环钢铁流程工艺技术”项目推动下进行的,当时中国工程院干勇院士对本项目予以特别关注与推动,并通过北京钢铁研究院连铸中心与工厂结合,选择有条件的厂开展试验研究工作,最终于2005年3月,在马钢生产出中国第一卷相当于50W540电工钢热轧卷。
  目前,我国用CSP生产中、低牌号无取向钢已成常态化(武钢、马钢),高牌号还在研发中,取向钢在北京钢研院连铸中心与武钢共同努力下,完成了国家科技部下达的钢种开发计划。武纲在高磁感取向钢开发上取得重大突破,基本建立并完善了工艺标准,目前0.27mm厚P1.7/50≤1.0W/kg,B8≥1.90T,可批量生产,经过优化,进一步改善磁性是有潜力的,但因CSP工艺本身带来的先天问题,产品表面质量仍需要进一步改善。
  ESP与CSP工艺流程性质基本相同,区别在于无头轧制,且比CSP有诸多优点,但在电工钢上的应用并不多见,未来用ESP工艺进行不同品种电工钢的研发,是一个很有意义的课题。
 
  3用薄带连续铸轧工艺生产电工钢流程的研发
  20世纪80年代,美国、日本、德国等许多厂家宣布,采用双辊或单辊铸轧不锈钢和电工钢取得成功。1984年,日本川崎制铁采用双辊法铸轧出0.2-0.6mm厚、500mm宽的高硅钢及碳钢。
  我国东北大学早在1958年即开展了利用异径双辊铸轧机,采取轻压下快速铸轧的工艺路线研究,并在实验室铸轧出电工钢板和铸铁板,并于1960年铸轧出宽600mm,厚2-2.5mm的钢板和铁板各百余吨,取得当时国际领先水平。后来受国内各种因素影响而中断研究工作,一直到20世纪80年代,东北大学才恢复研究工作。