薄板坯连铸连轧生产取向电工钢的技术难点和趋势分析

    近年来，我国取向电工钢的生产有了长足的进步，国产化技术和装备水平、品种档次及磁性能指标均达到世界先进水平。但电工钢的生产处于产能提升较快但技术滞后的状态，其在品种规格、产品质量、成材率与工艺技术创新方面与代表取向电工钢世界最高水平的日本企业尚存在一定差距。
    我国目前依然是世界最大的电工钢生产及消费国。2011年我国冷轧取向电工钢的产量为61.91万吨，其中CGO与Hi-B钢产量分别为33.11与28.80万吨，进口取向电工钢高达31.26万吨，国产取向电工钢市场占有量仅约为66%。其中Hi-B钢进口量占取向电工钢总进口量的比例高达70.21%，即我国Hi-B钢的生产与国内市场的需求还有很大差距，目前依然极大依赖国外进口。
    薄板坯连铸连轧（TSCR）是20世纪80年代末在厂钢铁制造领域成功开发的一项新技术，是连续、紧凑、高效的板带材生产流程之一。采用薄板坯连铸连轧流程生产电工钢，从节能降耗、提高产品质量等方面都具有流程内在的优势，更与开发高品质钢种、扩大其生产品种的国际化趋势接轨。
    国内技术研究已获成功
    目前，按照抑制剂的不同形成方式，取向电工钢的工业生产技术可分为两种：一种是“固有抑制剂法”，即冶炼时加入抑制剂的形成元素，通过板坯高温加热（>1300℃）使凝固时析出的粗大析出物（如MnS，AIN，MnSe等）完全固溶，再使其在随后的热轧或常化时以细小弥散状重新析出，起到抑制剂的作用。另一种是“获得抑制剂法”，即冶炼时调整钢中铝和氮含量，将板坯在低温下再加热（1100℃～1200℃），不要求抑制剂完全固溶，并在高温退火前采用渗氮处理来获得新的细小弥散状氮化物抑制剂来加强抑制能力。
    由于薄板坯连铸连轧流程生产取向电工钢与传统流程相比具有众多优势，许多国家都竞相开展了此方面的研究。钢铁研究总院连铸中心在实验室模拟薄板坯连铸连轧流程，薄板坯加热温度1150℃～1180℃，采用“固有抑制剂法”成功试制了CGO和Hi-B钢，成品磁性能分别达到27Q140、30Q130、27Q120与30QG130的水平。此外，他们采用“固有抑制剂法”结合固态与气态渗氮方式的“获得抑制剂法”，也成功试制了Hi-B钢，成品磁性能分别达到30QG120与30QG100的水平。目前，武钢与该中心合作研发，采用CSP流程成功进行了普通取向硅钢的试生产，成品磁性能达到30Q130和27Q140的水平，课题已通过科技部验收。
    具有提质降本等技术优势
    与传统板坯流程（高温、低温）相比较，薄板坯连铸连轧工艺生产取向电工钢的技术优势有以下几点：
    一是铸坯加热温度低、时间短。与传统板坯流程相比，薄板坯流程的铸坯厚度（100mm）远小于传统连铸坯厚度（200mm～300mm），薄板坯表面温度>950℃入均热炉，在1100℃～1200℃温度下经短时间（1h）加热后即可确保铸坯芯部至表层温度的均匀。薄板坯低温短时的加热可避免或减弱传统板坯流程高温加热（1300℃～1400℃）所带来的问题，如高温加热易导致铸坯晶粒粗大，在加热或轧制过程中出现热裂纹，同时热轧板边裂明显造成切边量大，使得产品的质量、产量和成材率降低等等。
    二是热轧带卷厚度可1.2mm，采用一次冷轧法，即可生产0.23mm厚度的超薄取向硅钢产品。同时，薄板坯热轧过程无须粗轧，铸坯可直接轧制成2.0mm～2.5mm厚度的热轧带卷。此外，在控制热轧板型方面，TSCR工艺的带钢厚度和热凸度控制精度较传统工艺高一倍以上，这对采用一次大压下率冷轧的方法生产高磁感取向硅钢也十分有利。与传统板坯流程相比，TSCR流程生产取向硅钢流程大大缩短，生产效率将得到极大提高，生产成本也会大大降低。
    三是铸态组织细小均匀，有利于组织的控制。由于薄板坯（约50mm厚）在结晶器内的凝固速度与高温时（1400℃以上）的冷却速率分布比传统厚板坯（约210mm厚）约高1个数量级，其原始的铸态组织与厚板坯相比更加细小均匀，而等轴晶尺寸一般小于1.5mm，因此可以省略电磁搅拌工序。铸坯经短时低温加热，组织也不易粗化，同时铸坯晶粒小，成品不易出现线晶，因此更易得到有利的初次晶粒尺寸，并可以提高成材率、降低生产成本。
    四是第二相析出物细小，有利于抑制剂的控制。由于薄板坯凝固速度快，其质地更加均匀，宏观偏析和中心疏松较小，各向异性不明显，使得薄板坯的元素偏析较厚坯的偏析要轻微许多（薄板坯在铸坯中部的偏析程度只有厚坯的20%），有助于AIN、MnS等析出物尺寸的减小以及分布均匀。有研究结果表明，采用CSP流程生产取向硅钢的铸坯中第二相析出物细小弥散，其平均尺寸不大于60nm。同时，由于薄板坯均热温度较低且时间短，有利于控制析出物的粗化与长大，保持大量的析出物仍能细小弥散地分布于薄板坯中。
    五是获得的抑制剂种类更为有利，抑制剂的抑制能力可能更高。采用低温板坯加热工艺（1150℃～1300℃）生产Hi-B钢时，由于抑制剂不能充分固溶，为了增强抑制剂的抑制能力，一般在高温退火前采用约750℃低温渗氮处理，而薄板坯流程采用约900℃高温渗氮处理。高温渗氮处理可以提高氮渗入和扩散进入钢片的速率，以直接形成部分所需的AIN抑制剂，而非低温渗氮处理后以（Al，Si）N为主的最终抑制剂。因此，抑制剂的抑制作用效果与低温板坯流程相比可能更强，成品的磁性能更优良。
    攻克抑制剂控制这一技术难点
    为了实现薄板坯连铸连轧流程生产取向电工钢，必须解决的主要技术难点是保证抑制剂的析出数量、分布与尺寸来满足抑制剂的要求，即保证在高温退火升温过程中有足够数量细小弥散的抑制剂抑制初次晶粒的长大。
    由于薄板坯连铸连轧流程中加热炉温度仅1150℃～1200℃，采用传统抑制剂方案及其控制已不适用于薄板坯连铸连轧流程。因此，采用“TSCR+固有抑制剂法”生产取向电工钢研究的核心在于适应薄板坯流程抑制剂方案的制订，必须结合TSCR流程与取向硅钢组织、织构特点，进行抑制剂的热力学、动力学分析，保证低温加热条件下抑制剂的抑制效果。采用“TSCR+获得抑制剂法”生产取向电工钢研究的核心不仅包括渗氮处理前固有抑制剂方案的制订，而且更为重要的是气态渗氮工艺方案的制订，包括脱碳退火与气态渗氮工序的组合顺序、渗氮温度的高低等，使得氮能在短时间内快速渗入钢带，得到所需合适的渗氮量与氮化物析出相的种类、尺寸及分布，并在高温退火升温阶段转化得到合适的种类、数量、尺寸及分布的有效氮化物抑制剂（AIN或Al，Si）N）来满足抑制剂的要求。同时，在脱碳退火、气态渗氮与高温退火工序中满足合适的初次再结晶尺寸与晶粒均匀性、合适的渗氮量与有效氮化物抑制剂的体积分数以及合适的二次再结晶尺寸三者的统一来保证成品磁性能的优良与稳定。
    采用高温渗氮处理是发展趋势
    采用渗氮处理来获得钢中所需的抑制剂，由于不要求钢中固有抑制剂完全固溶，不仅可以大大降低板坯的均热温度，还能克服冶炼时钢中铝、氮含量的波动，以稳定生产磁性能优异的Hi-B钢。因此，采用薄板坯连铸连轧流程生产取向电工钢的主要发展趋势为采用“获得抑制剂法”即渗氮处理以稳定生产Hi-B钢。同时，采用高温渗氮也成为渗氮处理的发展趋势，它不仅可以提高氮渗入和扩散进入钢片的速率，从而使氮更好地扩散至钢带内部，影响渗氮过程中氮化物析出的种类与分布，并对最终钢中抑制剂的存在形式带来差别，而且在渗氮处理的过程中便可能直接形成部分所需的AIN抑制剂。但采用高温渗氮须保证初次再结晶晶粒的尺寸能处于合适范围，即高温渗氮过程中晶粒不易长大。
    采用薄板坯连铸连轧流程生产取向电工钢，从降低生产成本、提高产品质量等方面都具有较大的流程内在优势，但其在品种规格、产品质量、工艺技术创新等方面还需进行大量的研究工作。深入开展薄板坯连铸连轧流程生产取向电工钢的相关研究，不仅能够进一步优化产品结构，提高产品质量，还能推动我国在该技术领域的开发应用与升级。