薄板坯连铸连轧流程生产取向硅钢技术分析

1、第43卷第9期2008年9月钢铁Vol.43,No.9September2008IronandSteel薄板坯连铸连轧流程生产取向硅钢技术分析仇圣桃,项利,岳尔斌,赵沛(先进钢铁流程及材料国家重点实验室,钢铁研究总院连铸技术国家工程研究中心,北京100081)摘要:介绍了国内外取向硅钢生产现状与流程技术发展趋势。从流程工序特点、热履历、抑制剂类型等方面进行对比,分析了薄板坯连铸连轧和传统板坯流程之间存在的差异性。在总结薄板坯连铸连轧生产取向硅钢技术优势的基础上,提出了该流程研究需要解决的技术难点。关键词:取向硅钢;薄板坯连铸连轧;流程特点;技术分析中图分类号:TG139.45文献标识码:A文章

2、编号:04492749X(2008)0920001207TechnologyAnalysisofProducingGrainOrientedSiliconSteelbyThinSlabCastingandRQIUSheng2tao,XIANGLi,2,(StateKeyLaboratoryofAdvancedSteel,ResearchCenterofContinuous,Institute,Beijing100081,China)Abstract:Thetrendofgrainorientedsiliconsteelproductionareintroduced.Thedifferenceb

3、etweenthincastingandrollingprocessandtraditionalprocessesisanalyzedintermsofprocesschar2acteristics,thermalhistory,andinhibitortypeetc.Basedonthepotentialadvantagesofproducinggrainorientedsil2iconsteelbythinslabcastingandrollingprocess,thekeytechnicaldifficultiestobesolvedarebroughtforward.Keywords:

4、grainorientedsiliconsteel;thinslabcastingandrolling;processcharacteristic;technicalanalysis取向硅钢主要用于制作变压器铁芯和大发电机的定子铁芯,是电力工业发展最为重要的功能材料之一。取向硅钢以高度趋于(110)001位向,即高斯方向的晶粒为主要特征,成品的晶粒度以毫米计,远大于普通多晶体钢板(晶粒度仅稍大于10m),是唯一经过二次再结晶得到的钢铁制品,其生产工艺复杂、制造技术严格,被誉为钢铁材料中的“艺术品”。由于中国电力工业发展迅猛,对取向硅钢的需求旺盛,同时国内取向硅钢的生产在产能、质量、规格牌号等方

5、面还存在着一定的不足,使取向硅钢成为中国目前最为短缺的钢材产品之一,国产取向硅钢供应紧张,大量进口取向硅钢的现状依然存在。2007年,中国取向硅钢的产量约为27.4万t(其中Hi2B钢仅为2万t,所占比例不足10%),进口取向流程可大幅度提高劳动生产率,降低能耗和减少环境污染,适宜生产强度高,晶粒细,低硫、低氧的各类高强度钢板,可生产低、中、高碳钢,耐候钢、管线钢、不锈钢等钢种5。用薄板坯连铸连轧流程生产取向硅钢,从节能降耗、提高产品质量等方面都拥有流程内在的优势。在发达国家对薄板坯连铸连轧生产线进行高品质化、薄规格化、高速化研究的今天,开展薄板坯连铸连轧流程生产取向硅钢技术研究工作,可避免中

6、国在该项技术开发和应用方面的落后,同时与薄板坯连铸连轧生产线建设第一大国的地位相适应。本文介绍了取向硅钢生产现状和流程技术发展趋势,在与传统板坯流程生产取向硅钢差异性的分析基础上,总结了薄板坯连铸连轧流程生产取向硅钢的技术优势与技术难点。硅钢高达26.63万t,国产取向硅钢市场占有量仅约为50%1,2。薄板坯连铸连轧(TSCR)是20世纪80年代末在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,其特点是采用直接轧制技术将连铸连轧工艺有机地结合起来,实现钢铁产品成型加工生产过程的连续化3,4。该工艺1取向硅钢生产现状与流程技术发展趋势1.1取向硅钢生产现状世界范围内冷

7、轧取向硅钢的主要生产商目前共有14家公司,除中国的武钢以外的13家公司主要作者简介:仇圣桃(19652),男,博士,教授;E2mail:qiust修订日期:20082042112钢铁第43卷分布在日本、韩国、俄罗斯、德国、美国等国家68。(1)日本在冷轧取向硅钢的产能、产品质量、工艺和品种开发等方面,处于世界领先地位。日本冷轧取向硅钢2007年的产能约为39.5万t,其中新日铁约为25.3万t,川崎约为14.2万t。在产品方面,新日铁不断改进取向硅钢的生产技术,采用机械刻痕、激光刻痕、快速加热等先进技术,已使Hi2B钢产品的最低铁损P17/50降到0.6W/kg,最高磁感达到1.94T以上。川

8、崎已经能够稳定地生产B81188T的高磁感取向硅钢,其中JGS型号产品(以MnSe和AlN为主抑制剂)的B8达到1.931.95T;利用磁畴细化技术来降低铁损,23JGSD牌号的产品P17/50减到0.78W/kg;主要生产应用最广泛的0.23mm厚度的薄规格产品(如23JGH,23J等)。(2)()后,利的特尔尼(Terni)的取向硅钢厂(AST)曾利用CSP工艺流程试制取向和无取向硅钢,该生产线于2005年10月停止生产电工钢。该公司另外两家厂(德国Gelsenkirchen厂和法国的Isbergues厂)的取向硅钢生产效率得到更好地发挥,通过增加Gelsenkirchen厂热处理设备,以

9、及启动Isbergues能力,2007年武钢公司取向硅钢的产能达到27万t(其中Hi2B钢产量为2万t)。目前武钢公司的取向硅钢产品包括:0.30mm和0.27mm两种厚度规格、十个牌号的Hi2B钢产品,即30Q10030Q130五个牌号和27Q09527Q130五个牌号的产品。大部分牌号产品的B8达到1.89T,27QG095牌号的P17/50最低,达到0.95W/kg。目前在试制0.23mm薄规格的Hi2B钢;0.27mm和0.23mm两种厚度规格、七个牌号的CGO钢产品,即27Q12027Q140三个牌号和23Q11023Q125四个牌号的产品。CGO钢仍是目前武钢的主要产品;0.20m

10、m和0.mm两种厚度规格、,即15Q1900D牌号和20Q1200(DG6)六个牌号的产品。2取向硅钢流程生产技术的现状及发展趋势取向硅钢的技术发展以降低铁损、提高磁感应强度为主要目标,紧紧围绕着工艺流程的改进展开研究,主要流程包括传统板坯流程、板坯低温加热流程、薄板坯连铸连轧流程、薄带流程等。(1)传统高温板坯流程生产取向硅钢9板坯高温加热是传统板坯流程工艺中的关键点。为了使抑制剂起到有效抑制初次晶粒长大、促进二次再结晶发展的关键作用,并使成品获得稳定的磁性能,在板坯加热过程中,需要保证MnS和A1N抑制剂的固溶。经高温加热后,在热轧过程中以细小的MnS弥散析出,而细小的A1N是在热轧板的高

11、温常化过程中弥散析出。析出后的MnS和A1N可有效地抑制初次晶粒的长大。脱碳退火后,CGO钢中合适的初次晶粒尺寸为1525m,Hi2B钢中合适的初次晶粒尺寸为1015m。初次晶粒的长大得到有效抑制,可保证二次再结晶完全,并使成品获得高的磁性能。高温加热给取向硅钢产量、磁性、能耗、成材率以及设备故障等方面带来巨大压力。其弊端表现如下:在产品质量方面,成品磁性不稳定,表面缺陷较多;在设备使用方面,需设专用加热炉,作业率低;在制造成本方面,燃料成本较高,设备使用费用较高,成材率较低,引起成本增加。(2)板坯低温加热流程生产取向硅钢10,11为了解决传统取向硅钢生产过程中高温加热所带来的诸多问题,板坯

12、低温加热流程生产取向硅钢成为生产流程的一个主要发展趋势。国外在逐步地改进板坯加热工艺,德国蒂森、日本新日铁和川崎公的设备来不断增加产能,目前这两家厂的产能为21万t/a。在产品的品种方面,TKES公司计划将Hi2B钢的比例提高到50%。(3)韩国浦项钢厂2007年取向硅钢产量约为14万t,占全球取向硅钢产量的9%。该公司在取向硅钢生产上发展迅速,不断扩建硅钢厂的设备,提高生产规模,预计到2008年,浦项钢厂的取向硅钢产量将达到20万t。在产品的品种方面,Hi2B钢产能被不断提高。(4)美国AK钢公司2007年的产量约为19万t,占全球取向硅钢产量的12%。该公司不断加大投资力度,用于改造But

13、ler和Zanesville地区工厂的取向硅钢生产线,将取向硅钢产量提高12%,达到21万t/a。(5)巴西不锈钢和特殊钢厂家Acesita(安赛乐分公司)正在研究将取向硅钢产能提高1倍,从目前的5万t/a提到10万t/a,以满足巴西国内的需求。经过几十年的发展,中国冷轧取向硅钢生产取得了较大的成绩。目前,国内唯一能生产冷轧取向硅钢的武钢公司产量已连续数年突破10万t设计第9期仇圣桃等:薄板坯连铸连轧流程生产取向硅钢技术分析3司采用了普通步进式加热炉加热+高频感应炉高温短时间加热工艺,取代了传统的高温加热炉加热工艺。1996年新日铁公司八幡厂已在11501250板坯低温加热工艺条件下生产Hi2

14、B钢。前苏联一直采用12501280加热工艺生产CGO钢。武汉钢铁公司也于2005年研制开发出利用板坯低温加热流程生产的CGO钢产品。为实现铸坯低温工艺,必须要改变抑制剂的组成。AlN将取代MnS作主抑制剂,因MnS的固溶温度高于AlN的固溶温度;向钢中添加微量单元素溶质抑制剂,如:Sn、Bi、B、Sb、Cu等来改变抑制剂类型;同时生产工艺也要做相应地调整,为了实现低温加热,对钢板进行渗氮处理,来弥补铸坯低温加热所带来的抑制剂数量上的不足。(3),13继德国蒂森取向硅钢之后,公司在特尔尼(Terni)建成的CSP流程不仅生产过无取向硅钢,而且还生产过普通取向硅钢和高磁感取向硅钢。由于薄板坯连铸

15、连轧工艺具有高铸坯凝固速度、低铸坯加热温度等主要特点,在缩短流程的同时,最终能得到较高性能的产品,充分显示了薄板坯连铸连轧工艺生产取向硅钢的多重优势。实现薄板坯连铸连轧生产取向硅钢的根本技术问题在于能否稳定地实现铸坯的低温加热工艺,即降低铸坯均热温度至1200以下,并保证抑制剂在低温条件下能够固溶,在高温退火时,达到抑制初次晶粒正常长大的目的,并最终获得性能优良的取向硅钢。在中国申请并获准的相关电工钢专利共有84项,其中取向硅钢专利54项,无取向硅钢专利31项(一项专利含扩取向和无取向硅钢两方面内容)。与薄板坯连铸连轧生产取向硅钢相关的专利2项。申请人均为阿奇亚斯佩丝阿里特尔尼公司,专利名称(

16、专利为“由薄板坯生产晶粒取向电工钢带的方法”公开号:1231703)和“用薄板坯生产具有高的磁性能的晶粒取向电工钢带的工艺”(专利公开号:1228817)。中国“十一五”国家科技支撑计划也开展了薄板坯连铸连轧生产取向电工钢新技术课题研究,从取向电工钢成分设计中探索新的抑制剂,以期形成具有自主知识产权的、适应于薄板坯连铸连轧流程的取向电工钢成分、抑制剂方案及低温加热的工艺。(4)双辊薄带连铸流程生产取向电工钢14双辊薄带连铸是连铸领域最具潜力的一项重要新技术,是一种短流程、低能耗、投资省、成本低和绿色环保的新工艺。双辊薄带连铸技术过程是以两个相反方向旋转的浇铸辊为结晶器,钢液在两辊间快速凝固,同

17、时承受一定的塑性变形,直接生产出厚度小于5mm的薄带钢。双辊薄带连铸相对厚板坯连铸有两个突出特点:凝固速度块,其冷却速度比厚板坯高23个数量级;连铸过程后期,在完全凝固点与铸轧机出口之间可以实现一定程度的热轧过程。这种快速凝固和塑性变形的双重作用,有利于取向电工钢的生产。十几年前,新日铁、于齐诺尔和蒂森联合进行的MYOSOTIS项目中最早开始应用薄带连铸技术生产CGO钢1AK钢铁公司也应图1特尔尼薄带连铸试验线布置图Fig.1Sketchoftwin2rollstripcastingexperimentalinsfallationinTerni2薄板坯连铸连轧和传统板坯流程的差异性分析通过对比

18、薄板坯连铸连轧流程和传统板坯流程,分析得到这些流程在取向硅钢生产方面的主要差异,体现在如下几方面。2.1流程工序差异在流程工序方面(见表1),薄板坯连铸连轧流程与传统板坯流程相比,省略了粗轧工序。与传统厚板坯连铸过程相比,薄板坯连铸过程冷却强度大,铸坯凝固速度大。薄板坯流程的铸坯厚度(<100mm)远小于传统连铸坯厚度(200300mm),薄板坯经均热炉加热后,无需粗轧,直接轧制成2.0310mm厚度的热轧带卷。同时薄板坯流程生产的4钢铁第43卷热轧带卷厚度可以减到<1.2mm,有利于实现一次冷轧工艺(减少中间退火工艺)生产取向硅钢。表1薄板坯连铸连轧与传统板坯流程生产取向硅钢的工

19、序比较Table1TSCRandtraditionalprocessforgrainorientedsiliconsteel温度区间传统板坯流程冶炼炉外精炼连铸200250mm预加热+均热11501400粗轧1080mm精轧2.03.0mm(常化)(一次冷轧)(中间退火)2.2热履历差异在流程热履历方面(见图2),热区中,传统板坯流程中连铸坯的装炉温度一般在800以下,且由于浇注速度较慢,装炉时铸坯中的AlN和MnS已经粗大化析出。薄板坯连铸连轧流程中连铸坯的凝固速度较快,且铸坯直接进入加热炉,减少了连铸坯的温降,使析出物能够均匀分散在连铸坯中。传统高温板坯流程对于取向硅钢板的生产,必须使二次

20、再结晶的抑制剂(AlN和MnS)固溶。这是使析出物在铁素体中均匀分布的前提条件。为了达到这个目的,铸坯必须经过13001400的高温加热过程,并在高温下保温,产量和成材率。采用才使板坯加热温度,而薄板坯连铸连轧流程的板坯加热温度为11001250,有效地降低了铸坯的加热温度。由于板坯加热温度低,抑制剂不能充分固溶。为了增强抑制剂的抑制作用,薄板坯流程在脱)进行渗氮处碳退火过程中,以较高的温度(如900)。理,高于传统流程渗氮处理的温度(如750热区薄板坯连铸连轧流程冶炼炉外精炼薄板坯连铸<100mm均热11001250热轧2.02.5mm,可<1.2mm(常化)(一次冷轧)(中间退

21、火)冷区冷轧0.230.35mm)脱碳退火(渗氮,涂绝缘膜热平整(细化磁畴)冷轧mm)900高温退火涂绝缘膜热平整(细化磁畴)图2取向硅钢生产流程热履历的比较Fig.2Thermalhistoryofgrainorientedsiliconsteelproducedbydifferentprocesses2.3抑制剂类型差异在抑制剂类型方面,传统板坯高温流程的抑制剂类型为固有抑制剂,采用MnS、AlN等抑制剂。抑制剂在铸坯凝固过程中,抑制剂在铸坯中析出,通过高温13001400加热,抑制剂能够充分固溶。在随后的热轧过程中,由于形变诱导析出机制的作用,MnS重新以细小、弥散的形态析出。热轧板常)

22、中,AlN随着热轧板组织的奥氏体化过程(1100化(即铁素体向奥氏体转变过程),以细小、弥散的形态在原铁素体区域析出。板坯低温流程的抑制剂类型为后添加抑制剂。在前工序(热区),避免AlN抑制剂的形成,而在初次再结晶和脱碳退火过程后,以第9期仇圣桃等:薄板坯连铸连轧流程生产取向硅钢技术分析5相对较低温度用NH3进行渗氮处理,在高温退火过程中,(Si,Al)N转化为AlN。薄板坯连铸连轧流程的抑制剂类型为固有+后添加抑制剂,在板坯加热过程中,由于温度较低,抑制剂(AlN、Cu2S、MnS)不能完全固溶。在热轧和常化处理过程中,只能形成部分抑制剂。在初次再结晶和脱碳退火过程后,以相对较高温度用NH3

23、进行渗氮处理,直接形成AlN沉淀。(5)切边量方面的比较。传统厚坯工艺单边切25mm,共切50mm;薄板坯工艺边裂小,取向硅钢的硅含量约3%,需切边,单边切10mm,共切20mm,这是由于薄板坯连铸连轧工艺温度的均匀性给电工钢生产带来了极大的好处,显著改善了热轧板的组织,降低了切边量。(6)在裂纹方面,传统工艺中为使电工钢铸坯中析出物溶解,必须加热到1350以上,这样导致铸坯显微组织晶粒粗大,热轧板边裂非常明显。薄板坯连铸连轧工艺是一火轧制,边部裂纹和横向裂纹都不存在,而且热轧板在纵向和横向上力学性能都很均匀,。7)2mm,采用一次冷轧,0.。采,热连轧阶段可以省略大板坯的初轧开坯工艺,热轧带

24、卷厚度可直接控制在210215mm,甚至控制在018112mm,有利于采用一次冷轧法生产0130mm以下规格的高磁感取向硅钢。(8)与传统厚板坯流程相比,在薄板坯连铸连轧流程生产的取向硅钢中,抑制剂的作用效果更强,更易得到有利的初次晶粒。从图3(a)中可以看出,脱碳退火后薄板坯流程板坯中的初次晶粒明显小于传统厚板坯流程板坯中的初次晶粒。从图3(b)中可以看出两种流程最终产品的磁性能与脱碳退火后板坯中的初次晶粒尺寸的关系。不仅薄板坯流程板坯中的初次晶粒尺寸更小,而且成品的磁性能更高。这是由于薄板坯流程生产取向硅钢过程抑制剂的作用较大,使得最终成品中二次晶粒的取向度更高。3.2技术难点为了实现薄板

25、坯连铸连轧流程生产取向硅钢,必须解决的主要技术难点是保证抑制剂的析出状态来满足对抑制剂的要求。抑制剂在取向硅钢生产中具有不可替代的作用,传统工艺采用的抑制剂为MnS、AlN,在热轧工),以便使MnS充序要求高温加热(13601400分固溶和精轧过程析出细小MnS和AlN。而薄板坯连铸连轧流程中加热炉温度在11801200,如何保证抑制剂的抑制效果成为研究的技术难点。取向硅钢的生产工艺决定于抑制剂种类,国内外关于抑制剂质点尺寸与数量分布方面的研究多集中于取向硅钢特定抑制剂的半定量和实证阶段,且处于严格保密状态,因此,研究的核心在于适应薄板3薄板坯连铸连轧流程生产取向硅钢的技术优势与技术难点3.1

26、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硅钢的优势表现如下1418。(1)第二相析出物细小,nm。倍。,大量细小、弥散的粒子析出,抑制晶粒长大,提高钢材强度。为了测定CSP材料中的析出性能,北京科技大学与珠钢合作对热轧低碳钢进行了测试。对其结果的分析表明,热轧带钢内MnS和AlN的细小析出物呈精细均布的形式,并导致晶粒细化。这突出表明,基于抑制剂MnS和AlN的析出性能,薄板坯连铸连轧工艺流程在取向硅钢生产上应该具有一定的优势。(2)在薄板坯连铸连轧流程中,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210m

27、m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。等轴晶尺寸一般小于1.5mm,因此可以省略电磁搅拌工序。(3)薄板坯质地均匀,宏观偏析和中心疏松较小,各向异性不明显。由于铸坯快速凝固,同时经过电磁搅拌,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%。(4)铸坯加热温度低、时间短。5060mm铸坯的加热温度为12301250,加热时间为1020min。因此,可避免传统工艺的铸坯高温加热所带来的麻烦并省去保温炉。由于不需要抑制剂的重新固溶,可以在很大程度上减少工艺过程,大大降低生产成本。6钢铁第43卷(a);)B8)图3Fig.3interm

28、sofinhibition,必须结合薄板坯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。4李频.薄板坯连铸连轧技术特点浅析J.钢铁研究,2005,(4):50.(LIPin.AnalysisonTechnologicalCharacteristicsofThinSlabContinuousCastingandRollingJ.ResearchonI2ronandSteel,2005,(4):50.)5陈其安.关注薄板坯连铸连轧技术的热点问题J.轧钢,2004,(6):20.(CHENQi2an.PayCloseAttentiontotheNe

29、wProgressinThinSlabCastingandRollingTechniqueJ.SteelRolling,2004,(6):20.)6卢凤喜.日本和德国2005年电工钢产销状况及发展预测J.4结论(1)取向硅钢的技术发展以降低铁损、提高磁感为主要目标,围绕着工艺流程的改进展开研究,薄板坯连铸连轧流程生产取向硅钢成为生产流程的主要发展趋势之一。(2)薄板坯连铸连轧流程与传统板坯流程生产取向硅钢的差异性主要体现在流程工序特点、热履历、抑制剂类型等方面。(3)采用薄板坯连铸连轧流程生产取向硅钢,从节能降耗、充分发挥抑制剂作用、提高产品实物质量等方面都拥有流程内在的优势。(4)薄板坯连铸

30、连轧流程生产取向硅钢的技术难点在于保证抑制剂的析出状态来满足对抑制剂的要求。参考文献:1李恒德,师昌绪.中国材料发展现状及迈入新世纪对策M.电工钢,2006,(2):1.(LUFeng2xi.ProduceandSaleStatusandDevelopmentalForecastofElectricalSteelofJapanandGermanyin2005J.ElectricalSteel,2006,(2):1.)7张琼予.武钢冷轧硅钢新产品简介J.电工钢,2003,(2):2.(ZHANGQiong2yu.TheIntroductionofNewProductsofColdRolledSi

31、liconSteelinWISCOJ.ElectricalSteel,2003,(2):2.)8李炳南.武钢冷轧电工钢新产品简介A.第九届全国电工钢专业学术年会论文C.2006.43.9李永全,孙焕德.薄板坯连铸连轧与电工钢生产J.宝钢技术,2004,(6):60.(LIYong2quan,SUNHuan2de.ThinSlabContinuousCastingandRollingProcessandProductionofSil2iconSteelJ.BaosteelTechnology,2004,(6):60.)10李军,孙影.取向硅钢铸坯低温加热技术的开发进展A.第九届全国电工钢专业学术

32、年会论文C.2006.151.11陈妍,许营,王赫男.新日铁公司在中国申请电工钢专利技术综述J.冶金信息导刊,2004,(6):8.(CHENYan,XUYing,WANGHe2nan.SummarizationofNSCAppliedPa2tenttotheElectrotechnicalSteelinChinaJ.MetallurgicalInformationReview,2004,(6):8.)12CapotostiR,PalehettiM,SpacarotellaA.TheFirstAuste2niticStainlessSteelThinSlabCastingPlantatTern

33、iWorksA.13thSteelmakingSeminarC.2001.145.济南:山东科学技术出版社.2002.194.2裴大荣.2007年全国电工钢产量及2008年计划量J.电工钢,2008,(1):封二.(PEIDa2rong.TheNationalOutputofElectricalSteelin2007andthePlanningOutputin2008J.ElectricalSteel,2008,(1):insidefrontcover.)3田乃媛.薄板坯连铸连轧M.北京:冶金工业出版社,2004.第9期仇圣桃等:薄板坯连铸连轧流程生产取向硅钢技术分析713李永全.世界上第一条

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