寧旭，王艷麗，梁永鋒，林均品

新金屬材料專題

取向硅鋼制備工藝及其發(fā)展趨勢(shì)

寧旭，王艷麗，梁永鋒，林均品

（北京科技大學(xué) 新金屬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

取向硅鋼作為一種重要的鐵芯材料，在電力行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。基于生產(chǎn)工藝及技術(shù)特點(diǎn)，取向硅鋼的制備工藝可以分為傳統(tǒng)厚板坯工藝、薄板坯連鑄連軋工藝及雙輥薄帶連鑄工藝。傳統(tǒng)的厚板坯工藝是工業(yè)生產(chǎn)取向硅鋼的主要方法，其按加熱溫度又可分為板坯高溫加熱、板坯中溫加熱以及板坯低溫加熱工藝，其中板坯低溫加熱工藝具有加熱溫度低、能耗少、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，是目前工業(yè)生產(chǎn)高磁感取向硅鋼的主流技術(shù)。根據(jù)取向硅鋼的發(fā)展歷史，對(duì)取向硅鋼的制備工藝進(jìn)行了較為全面的綜述。較為詳細(xì)地概述了傳統(tǒng)板坯高溫加熱、中溫加熱和低溫加熱工藝制備取向硅鋼的成分體系以及工藝特點(diǎn)，重點(diǎn)綜述了板坯低溫滲氮工藝，并對(duì)取向硅鋼的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

普通取向硅鋼；高磁感取向硅鋼；抑制劑；磁感應(yīng)強(qiáng)度；鐵損

取向硅鋼，亦指取向電工鋼，是一種重要的軟磁合金，主要用于制造大中型變壓器和大型電機(jī)。取向硅鋼因其制造工藝復(fù)雜，成分控制嚴(yán)格，影響性能因素眾多，核心技術(shù)保密，其產(chǎn)品質(zhì)量是衡量一個(gè)國(guó)家特殊鋼制造水平的重要標(biāo)志，被譽(yù)為鋼材中的“藝術(shù)品”[1]。取向硅鋼按易磁化方向可分為單取向硅鋼和雙取向硅鋼。單取向硅鋼，也稱Goss織構(gòu)取向硅鋼，一般指硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.8%～3.4%的Si-Fe合金，其擇優(yōu)取向?yàn)镚oss取向（{110}<001>），即幾乎所有晶粒的{110}晶面都平行于軋制平面，<001>晶向平行于軋制方向[2]。雙取向硅鋼，也稱立方織構(gòu)（{100} <001>）取向硅鋼，硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為1.8%～3.4%，其特點(diǎn)是鋼板軋向和橫向均為易磁化的<100>方向[3]。雙取向硅鋼由于制備工藝極其復(fù)雜，目前尚未有工業(yè)化生產(chǎn)的報(bào)道，所以文中提到的取向硅鋼均指廣泛意義上的單取向硅鋼。

目前取向硅鋼的制備工藝主要有傳統(tǒng)厚板坯工藝、薄板坯連鑄連軋工藝以及雙輥薄帶連鑄工藝。傳統(tǒng)厚板坯工藝按板坯加熱溫度，又可以分為板坯高溫加熱工藝、板坯中溫加熱工藝以及板坯低溫加熱工藝[4-6]。不同的制備方法，在成分、工藝路徑和抑制劑的選擇上有著很大的區(qū)別。文中根據(jù)取向硅鋼的發(fā)展歷史，總結(jié)了取向硅鋼的制備工藝，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)及方向進(jìn)行了探討。

1 取向硅鋼制備工藝

取向硅鋼按制備工藝和磁性能可分為普通取向硅鋼（Conventional grain-oriented silicon steel，CGO）和高磁感取向硅鋼（High permeability grain-oriented silicon steel，Hi-B）[7-10]，表1為二者的主要性能指標(biāo)。

1.1 傳統(tǒng)厚板坯工藝制備取向硅鋼

1.1.1 高溫加熱取向硅鋼

1933年，美國(guó)學(xué)者G. P. Goss在鐵單晶體磁各向異性實(shí)驗(yàn)結(jié)果的啟發(fā)下，采用熱軋板經(jīng)2次冷軋和高溫退火方法制成了沿軋向具有較優(yōu)異磁感的硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的硅鋼，并于1934年申請(qǐng)了專利[11]，美國(guó)Armco鋼鐵公司于次年按Goss專利進(jìn)行了工業(yè)化生產(chǎn)，標(biāo)志著取向硅鋼進(jìn)入了大規(guī)模應(yīng)用的時(shí)代。美國(guó)Armco鋼鐵公司此后對(duì)CGO鋼的制備工藝進(jìn)行了完善，并于1952年申請(qǐng)了專利，其主要特點(diǎn)是以MnS為抑制劑，板坯高溫加熱后熱軋，通過2次冷軋、脫碳退火和高溫退火，制備了磁性能優(yōu)異的普通取向硅鋼[12]。1964年，日本八幡廠（現(xiàn)新日鐵）以AlN+MnS為抑制劑，開始工業(yè)化試制高磁感取向硅鋼（Hi-B），并于1968年成功生產(chǎn)了Z8H牌號(hào)[4,13-14]。1973年日本川崎鋼鐵（現(xiàn)JFE）采用MnSe+Sb作為抑制劑，采用2次冷軋法，也制備了高磁感取向硅鋼，并命名為RG-H牌號(hào)[4,14-15]。上述CGO鋼及Hi-B鋼均采用板坯高溫加熱，以使粗大的抑制劑顆粒完全固溶，在后續(xù)的熱軋過程中再?gòu)浬⑽龀霾⒈３值蕉卧俳Y(jié)晶開始，該時(shí)期取向硅鋼的主要工藝以及典型產(chǎn)品性能如表2所示，其中8為磁感應(yīng)強(qiáng)度，17/50為鐵損。

表1 CGO和Hi-B鋼性能指標(biāo)[8-10]

表2 CGO和Hi-B鋼板坯高溫加熱制造方法[1,4,14-16]

20世紀(jì)八九十年代，新日鐵和川崎鋼鐵（現(xiàn)JFE）通過優(yōu)化成分和調(diào)整工藝，在降低取向硅鋼鐵損方面進(jìn)行了如下的工作：①新日鐵在CGO鋼中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.17%的Cu，通過在精軋階段析出大量細(xì)小的(Cu,Mn)1.8S，提高了抑制能力，使冷軋二次壓下率從50%～55%提高到60%～70%，成功生產(chǎn)了0.18 mm厚度的普通取向硅鋼，其鐵損17/50從1.06 W/kg（0.3 mm厚度），降低到0.95 W/kg（0.18 mm厚度）[17]；②川崎[18]在MnSe+Sb抑制劑的基礎(chǔ)上，通過添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.010%～0.080%（Sb+As+Bi+Sn）中的一種或幾種，采用二次冷軋法生產(chǎn)了0.16 mm的Hi-B鋼，其磁感應(yīng)強(qiáng)度8約1.92 T，鐵損17/50小于0.9 W/kg，新日鐵[19-20]在AlN+MnS為抑制劑的基礎(chǔ)上添加0.06%～0.20%Cu+ 0.05%～0.15%Sn（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），采用二次冷軋法生產(chǎn)了0.15 mm的Hi-B鋼，其磁感應(yīng)強(qiáng)度8約1.92 T，鐵損17/50約0.77 W/kg；③由于Hi-B鋼二次晶粒粗大，使磁疇尺寸也增大，從而增大了反常渦流損耗，新日鐵和川崎先后開發(fā)了細(xì)化磁疇技術(shù)，新日鐵采用激光照射法，使17/50降低了約0.1 W/kg[21]，川崎鋼鐵采用等離子噴射法，使17/50降低了0.1～0.2 W/kg[22]。

板坯高溫加熱法制備取向硅鋼，其產(chǎn)品磁性能比較穩(wěn)定，但由于加熱溫度過高，一方面增大了燃料消耗，縮短了加熱爐壽命，增加了加熱爐的維護(hù)周期和檢修成本；另一方面使鑄坯過氧化燒損量相對(duì)于普碳鋼大量增加，并增加了表面缺陷，降低了產(chǎn)品的成材率和表面質(zhì)量[23]。新日鐵[24]和川崎鋼鐵[25]開發(fā)了普通步進(jìn)式加熱爐加熱+高頻感應(yīng)爐高溫短時(shí)加熱方式，替代了高溫加熱爐加熱方式，在一定程度上減少了能源消耗，降低了生產(chǎn)成本。目前新日鐵廣畑廠、JFE以及首鋼等采用該方法生產(chǎn)Hi-B鋼。

1.1.2 中溫加熱取向硅鋼

20世紀(jì)七八十年代，蘇聯(lián)新利佩茨克鋼廠和上依謝特斯基鋼廠自主開發(fā)了中溫含銅取向硅鋼[26-27]，在成分設(shè)計(jì)上采用低碳含量、高錳含量、低鋁含量以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.5%的Cu，以Cu2S（或ε-Cu）+AlN為抑制劑，板坯經(jīng)1250～1300 ℃加熱，熱連軋之后采用二次冷軋法，中間退火時(shí)進(jìn)行脫碳，二次冷軋后進(jìn)行550～600 ℃回復(fù)處理再涂MgO進(jìn)行高溫退火，或二次冷軋后直接涂MgO進(jìn)行高溫退火。其制造工藝流程如圖1所示，該中溫含銅CGO鋼制備方法也稱為俄羅斯法。

圖1 中溫含銅CGO鋼制造工藝流程

含銅CGO鋼相對(duì)于傳統(tǒng)的CGO鋼，其加熱溫度低，省略了熱軋板常化工藝，其磁感應(yīng)強(qiáng)度略高于普通取向硅鋼，但脫碳退火之后進(jìn)行二次冷軋，破壞了均勻致密的SiO2，使高溫退火過程中形成的底層質(zhì)量較差，影響絕緣涂層對(duì)鋼板的張力效果，從而使鐵損增加。韓國(guó)浦項(xiàng)鋼鐵公司、中國(guó)武鋼、寶鋼對(duì)中溫含銅CGO鋼回復(fù)退火工藝和隔離劑進(jìn)行了優(yōu)化。浦項(xiàng)[28]在二次冷軋后在600～750 ℃下進(jìn)行回復(fù)退火，氣氛分壓比為(H2O)/(H2)=0.62～0.88，回復(fù)時(shí)間為45～ 120 s，涂MgO后進(jìn)行高溫退火，400～700 ℃升溫時(shí)，升溫速率大于20 ℃/h但低于50 ℃/h，0.3 mm成品磁性能8≈1.85 T，17/50≈1.20 W/kg；武鋼[29]在一次冷軋脫碳退火后控制鋼板內(nèi)氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為300×10?6～ 750×10?6，二次冷軋至所需厚度，在400～595 ℃，(H2O)/(H2)<0.61的氮?dú)錃夥障逻M(jìn)行5 min以內(nèi)的回復(fù)退火，再涂布以MgO為主要成分的隔離劑，進(jìn)行高溫退火，0.27 mm成品磁性能8≈1.88 T，17/50≈ 1.07 W/kg；寶鋼[30]在一次冷軋脫碳后再進(jìn)行噴丸、酸洗，控制氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在500×10?6以下，進(jìn)行二次冷軋，不進(jìn)行回復(fù)退火，高溫退火隔離采用ZrO陶瓷細(xì)粉或Al2O3+SiO2或Al2O3+SiO2+ZrO陶瓷細(xì)粉，嚴(yán)格控制退火氣氛，脫碳退火時(shí)形成的表面氧化物被還原，高溫退火過程中不形成底層，獲得無(wú)玻璃膜的鏡面狀成品，顯著降低了鐵損，其0.3 mm成品磁性能8≈1.89 T，17/50≈1.03 W/kg。

近幾年來(lái)，劉恭濤、楊平等[31-32]對(duì)含銅CGO鋼的組織和織構(gòu)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)CGO鋼，其初次再結(jié)晶后高斯晶粒的種子數(shù)比CGO鋼低，有利的{111}織構(gòu)比CGO鋼強(qiáng)，不利的{100}織構(gòu)比CGO鋼弱；在氮?dú)錃夥崭叩壤那闆r下，可制備出0.18 mm的薄規(guī)格CGO鋼，磁感應(yīng)強(qiáng)度8可達(dá)1.95 T，但其晶粒尺寸比Hi-B鋼中的高斯晶粒尺寸更大，導(dǎo)致其鐵損較高。

蒂森克虜伯在中溫含銅CGO鋼的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些改進(jìn)，降低鋼中的Cu和Mn含量，采用Cu2S+ AlN作為抑制劑，其典型成分為：Si=3%～3.3%，C= 0.05%～0.065%，Mn=0.07%～0.1%，S=0.02%～0.027%，Als=0.02%～0.026%，N=0.007%～0.009%，Cu= 0.06%～0.08%，控制Mn×Cu/S＝0.1～0.4，鑄坯加熱溫度為1260～1280 ℃，使Cu2S完全固溶，精軋溫度為990～1030 ℃，終軋溫度為920～960 ℃，卷取溫度為620～650 ℃，熱軋板經(jīng)（1080～1120） ℃×4 min?；?jīng)一次大壓下冷軋后，在750～1150 ℃高溫退火階段采用（5%～10%）H2+N2氣氛時(shí)，制備的Hi-B鋼磁性能最好，0.3 mm產(chǎn)品8≈1.93 T，17/50≈ 0.93 W/kg[33-34]。

日本川崎鋼鐵以高能晶界理論為基礎(chǔ)[35]，不采用抑制劑制備了Hi-B鋼。其典型成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：Si=3%～3.3%，C=0.03%～0.07%，Mn=0.06%～0.1%，Als<0.01%，S<0.005%，Se<0.005%，N<0.005%，氮化物形成元素Ti，Nb，B，Ta以及V的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在0.005%以下，鑄坯加熱溫度為1200～1250 ℃，2.1～2.2 mm熱軋板經(jīng)1000 ℃×60 s常化后一次冷軋至0.28 mm，經(jīng)840 ℃×2 min脫碳退火后，涂上90%MgO+10%TiO2（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的隔離劑后，進(jìn)行850 ℃×50 h的二次再結(jié)晶退火，再以25 ℃/h速度升溫至1050 ℃，退火氣氛為H2+Ar，其中(H2)=0～ 0.06 MPa（全壓為0.1 MPa），最后在1160～1180 ℃保溫5 h進(jìn)行高溫退火，其產(chǎn)品8約1.90 T，17/50約1.18 W/kg[36-37]。

寶鋼通過降低鋼中Mn和S的含量，使鋼中不產(chǎn)生MnS，并加入一定量的Cu和Sn，以Cu2S（或ε-Cu）+AlN+Sn為抑制劑，鑄坯在1200～1250 ℃保溫60～ 120 min后，終軋溫度為1000～1020 ℃，卷取溫度為680～730 ℃，省略了?；に嚕?.5 mm熱軋板經(jīng)酸洗后冷軋到0.3 mm，經(jīng)850 ℃×140 s脫碳退火，涂MgO后進(jìn)行1200 ℃×25 h高溫退火后，其Hi-B鋼磁性能8≈1.91 T，17/50≈1.10 W/kg[38]。

1.1.3 低溫加熱取向硅鋼

新日鐵在1987年申請(qǐng)的專利中指出[39]，鑄坯經(jīng)1100～1200 ℃加熱，經(jīng)?；嘶稹⒁淮未髩合吕滠埡兔撎纪嘶鸷?，在MgO涂層中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為5%的氮化錳作為滲氮?jiǎng)诟邷赝嘶穑℉2+N2氣氛）過程中實(shí)現(xiàn)滲氮，制備的成品磁性能與高溫法制備的Hi-B鋼相當(dāng)。但該方法在實(shí)際生產(chǎn)中滲氮效率低，并且可能會(huì)使厚度方向氮含量不均勻，導(dǎo)致性能不穩(wěn)定，在實(shí)際生產(chǎn)中往往作為輔助的滲氮方法。隨后新日鐵提出在75%H2+25%N2（體積分?jǐn)?shù)）的氣氛（(H2O)/(H2)=0.15～0.35）中，在830～850 ℃下進(jìn)行約70 s脫碳退火，再在上述條件下通入體積分?jǐn)?shù)大于0.2%的NH3，進(jìn)行約30 s滲氮，滲氮后鋼中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為150×10?6～180×10?6，經(jīng)高溫退火后，底層質(zhì)量良好，0.3 mm成品的8可達(dá)1.94 T，17/50為0.97 W/kg[40]；新日鐵八幡廠在1996年實(shí)現(xiàn)了低溫滲氮的Hi-B鋼工業(yè)化生產(chǎn)。低溫滲氮Hi-B鋼工藝流程如圖2所示。

圖2 低溫滲氮Hi-B鋼制造工藝流程[41]

板坯低溫加熱滲氮工藝制備Hi-B鋼，作為當(dāng)前的熱點(diǎn)技術(shù)，是目前世界各大取向硅鋼生產(chǎn)廠和科研機(jī)構(gòu)研究最多的一種技術(shù)，其加熱溫度（1100～ 1200 ℃）低，具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，并能降低生產(chǎn)成本。自日本新日鐵之后，日本JFE、韓國(guó)浦項(xiàng)、中國(guó)寶鋼、武鋼、首鋼等均對(duì)低溫滲氮Hi-B鋼進(jìn)行了大量的研究，日本新日本、韓國(guó)浦項(xiàng)、中國(guó)寶鋼、武鋼已將該技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)化生產(chǎn)。各廠家的脫碳滲氮技術(shù)特點(diǎn)見表3[42-49]。

目前滲氮工藝基本都是非平衡滲氮，即氮?dú)錃夥罩谢烊肷倭康陌睔?，在一定溫度下氨氣?huì)分解產(chǎn)生活性氮原子和氫氣，從而在較短時(shí)間內(nèi)完成滲氮。從表3可知，除浦項(xiàng)采用同步脫碳滲氮工藝外，其余廠家均采用先脫碳再滲氮的工藝。有研究表明[50-51]，在700～750 ℃低溫滲氮時(shí)，表層會(huì)形成細(xì)小棒狀的Si3N4和粗大菱形狀的MnSiN2以及少量的(Si,Mn)N等不穩(wěn)定氮化物。高溫退火過程中，這些不穩(wěn)定的氮化物在750～900 ℃固溶并且氮往內(nèi)部擴(kuò)散，析出穩(wěn)定性更高的(Al,Si)N，(Al,Si)N能有效阻止初次晶粒的長(zhǎng)大，從而實(shí)現(xiàn)二次再結(jié)晶。當(dāng)滲氮溫度升高，750～850 ℃滲氮時(shí)，析出粒子以規(guī)則方形Si3N4為主；而950 ℃滲氮時(shí)，Si3N4粒子大部分轉(zhuǎn)化為(Al,Si)N，滲氮量、粒子尺寸和密度都有所下降，導(dǎo)致抑制力不足且初次再結(jié)晶晶粒過大，最終二次再結(jié)晶出現(xiàn)細(xì)晶[52]。

1.2 薄板坯連鑄連軋工藝制備取向硅鋼

20世紀(jì)80年代末，美國(guó)紐柯（Nucor）鋼鐵公司成功進(jìn)行了薄板坯連鑄連軋（Thin slab continuous casting and rolling，TSCR）工業(yè)化生產(chǎn)，開啟了薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)鋼板的序幕。由于薄板坯連鑄連軋工藝具有流程短、生產(chǎn)工藝緊湊、投資少、成材率高等優(yōu)點(diǎn)，在后續(xù)的幾十年得到了快速的發(fā)展[53]。意大利AST（Acciai Speciali Terni）鋼鐵公司在特尼爾（Terni）建成的CSP（Compact strip production）生產(chǎn)線2001年開始生產(chǎn)普通取向硅鋼和高磁感取向硅鋼，并申請(qǐng)了一系列的專利[54-56]。AST鋼鐵公司CSP工藝生產(chǎn)普通取向硅鋼采用AlN+Cu2S作為抑制劑，生產(chǎn)Hi-B鋼時(shí)采用AlN+Cu2S+Sn作為抑制劑并后續(xù)滲氮，40～70 mm薄板坯直接熱裝到均熱爐進(jìn)行加熱，均熱溫度為1180～1230 ℃，經(jīng)30 min保溫后進(jìn)行熱軋，其工藝流程如圖3所示，其中CGO鋼脫碳退火后不需滲氮。

表4為AST鋼鐵公司生產(chǎn)的0.3 mm厚CGO和Hi-B鋼典型成分及性能，其CGO鋼磁感8=1.85～ 1.89 T，鐵損17/50=1.03～1.09 W/kg；Hi-B鋼磁感8=1.91～1.93 T，鐵損17/50=0.9～0.98 W/kg。由于生產(chǎn)成本問題，2005年10月，特尼爾工廠停止了電工鋼的生產(chǎn)[57]。國(guó)內(nèi)唐鋼[58]采用Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的CGO化學(xué)成分，以MnS抑制劑，采用薄板坯連鑄連軋，經(jīng)二次冷軋和高溫退火，工業(yè)化試制生產(chǎn)了0.3 mm的CGO鋼，其磁感應(yīng)強(qiáng)度8=1.83 T，鐵損17/50=1.39 W/kg，但后續(xù)未見批量生產(chǎn)的報(bào)道。

與傳統(tǒng)厚板坯工藝相比，薄板坯連鑄連軋工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)[59]：①相對(duì)于200～250 mm的常規(guī)板坯，40～70 mm的薄板坯凝固和二次冷卻速度提高，鑄坯中的抑制劑粒子未發(fā)生明顯粗化，并且低溫短時(shí)加熱就可保證鑄坯溫度的均勻性，減弱了傳統(tǒng)厚板坯流程高溫加熱帶來(lái)的一系列問題；②薄板坯凝固速度快，其鑄態(tài)組織相比厚板坯更加細(xì)小均勻，同時(shí)其宏觀偏析相對(duì)輕微，有助于抑制劑粒子的均勻分布；③薄板坯熱軋過程省略了粗軋，并且熱軋板厚度更薄（1.5～2.0 mm），采用一次冷軋法可生產(chǎn)0.23 mm規(guī)格以及更薄的產(chǎn)品。基于薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)取向硅鋼的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外科研單位和鋼鐵企業(yè)進(jìn)行了大量研究工作。德國(guó)蒂森克虜伯[60]研究了熱軋道次壓下率對(duì)磁性能的影響，當(dāng)?shù)?道次壓下率大于40%，第2道次壓下率大于30%，最后一道次壓下率小于30%時(shí)，磁性能較好，8≈1.88 T，17/50≈1.18 W/kg；寶鋼[61]采用低碳、低鋁的合金設(shè)計(jì)成分，熱軋后可不進(jìn)行?；苯硬捎枚卫滠埛ǎ苽涞某善反判阅?≈1.87 T，17/50≈1.20 W/kg；鋼鐵研究總院[62]采用AlN為主要抑制劑，Cu2S和晶界偏聚元素Sn為輔助抑制劑，采用一次冷軋法制備了Hi-B鋼，其磁感應(yīng)強(qiáng)度8≈1.91 T，鐵損17/50≈1.17 W/kg。

表3 低溫滲氮Hi-B鋼脫碳滲氮工藝特點(diǎn)及產(chǎn)品性能

圖3 AST薄板坯連鑄連軋取向硅鋼制造工藝流程

表4 AST鋼鐵公司CGO及Hi-B鋼成分及性能

1.3 雙輥薄帶連鑄工藝制備取向硅鋼

雙輥薄帶連鑄（Twin roll strip casting，TRSC）工藝，具有低能耗、短流程、綠色環(huán)保、節(jié)省投資的特點(diǎn)，全球大型鋼鐵企業(yè)如日本新日鐵、德國(guó)蒂森克虜伯、韓國(guó)浦項(xiàng)、美國(guó)紐柯、中國(guó)寶鋼均對(duì)該工藝進(jìn)行了大量研究，各自建成了帶有自身特色的工業(yè)化示范生產(chǎn)線。目前只有美國(guó)紐柯和中國(guó)寶鋼成功實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，主要用于生產(chǎn)低碳鋼[63-64]。在取向硅鋼方面，日本新日鐵、美國(guó)AK鋼鐵公司、意大利AST鋼鐵公司采用傳統(tǒng)工藝成分，采用雙輥薄帶連鑄工藝制備了取向硅鋼。新日鐵[65]以MnS+AlN為抑制劑，在鑄坯凝固后，通過調(diào)控鑄坯冷卻速度，2 mm鑄坯經(jīng)一次冷軋法或二次冷軋法得到厚度為0.3 mm的成品，其8可達(dá)1.94 T；美國(guó)AK鋼鐵公司[66]采用(Mn,Cu)S為抑制劑，采用二次冷軋法制備了厚度為0.27 mm的成品，當(dāng)二次冷軋壓下率在50%～55%時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度8較好，可達(dá)1.87 T；意大利AST鋼鐵公司[67]采用AlN+Cu2S為抑制劑，工藝特點(diǎn)是連鑄之后的薄帶，在1100～1300 ℃時(shí)進(jìn)行一道次壓下率大于20%的熱軋并在1100～1200 ℃保溫5 s，之后經(jīng)一次冷軋法獲得0.3 mm的成品，8達(dá)到1.92 T。國(guó)內(nèi)東北大學(xué)在上述研究的基礎(chǔ)上，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)雙輥薄帶連鑄制備取向硅鋼進(jìn)行了試驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)室制備取向硅鋼工藝流程如圖4所示[68]。

東北大學(xué)采用雙輥薄帶連鑄工藝制備取向硅鋼時(shí)，考慮到雙輥薄帶連鑄工藝可以取消熱軋工序，在成分上采用了超低碳設(shè)計(jì)，冷軋之后無(wú)需進(jìn)行脫碳退火。在抑制劑的選擇上，東北大學(xué)[69]發(fā)現(xiàn)細(xì)小的NbN在鑄帶的晶界以及晶內(nèi)呈彌散析出，對(duì)基體晶粒也有一定的細(xì)化作用，而AlN在雙輥連鑄過程中析出受到了抑制，并且在高溫退火過程中，NbN比AlN有更強(qiáng)的釘扎作用和穩(wěn)定性，在生產(chǎn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%的Si-Fe合金時(shí)采用了MnS+NbN為抑制劑。當(dāng)Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步提升至6.5%時(shí)，選擇了MnS+(Nb,V) N作為復(fù)合抑制劑。表5為東北大學(xué)實(shí)驗(yàn)室雙輥薄帶連鑄法制備3%～6.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的Si-Fe取向硅鋼主要工藝及產(chǎn)品性能。

圖4 東北大學(xué)實(shí)驗(yàn)室雙輥薄帶連鑄工藝制備取向硅鋼流程[68]

表5 東北大學(xué)實(shí)驗(yàn)室雙輥薄帶連鑄法制備3%～6.5%的Si取向硅鋼主要工藝及產(chǎn)品性能

2 取向硅鋼的發(fā)展趨勢(shì)

未來(lái)變壓器制造將朝著耗電少、噪音低、體積小的趨勢(shì)發(fā)展，需要更低鐵損、更高磁感以及環(huán)保型的取向硅鋼，因而更高磁感應(yīng)強(qiáng)度和更低鐵損的Hi-B鋼逐漸取代CGO鋼是必然的趨勢(shì)。對(duì)于大中型變壓器和大型電機(jī)來(lái)說(shuō)，鐵損比例明顯高于銅損，因而降低高磁感取向硅鋼的鐵損更為重要，是未來(lái)取向硅鋼發(fā)展的主要目標(biāo)。

基于取向硅鋼的鐵損由磁滯損耗、渦流損耗和反常損耗3部分構(gòu)成，文中認(rèn)為繼續(xù)降低Hi-B鋼鐵損可以從下途徑考慮：①進(jìn)一步減薄帶鋼產(chǎn)品厚度，厚度減薄可以有效降低鐵損，但厚度減薄時(shí)，二次再結(jié)晶退火時(shí)表層抑制劑更容易熟化分解，會(huì)導(dǎo)致二次再結(jié)晶不完全，生產(chǎn)更薄厚度的產(chǎn)品技術(shù)難度更大，需要優(yōu)化化學(xué)成分以及更嚴(yán)格地控制工藝參數(shù)，寶武鋼鐵目前已實(shí)現(xiàn)了0.15 mm取向硅鋼的工業(yè)化生產(chǎn)，后續(xù)可能開發(fā)生產(chǎn)0.12 mm甚至0.1 mm的產(chǎn)品；②細(xì)化磁疇技術(shù)可以降低鐵損，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用激光刻痕細(xì)化磁疇，鐵損可以降低10%以上，但是激光刻痕的產(chǎn)品不具有耐熱性，其刻痕產(chǎn)品如卷鐵心變壓器無(wú)法應(yīng)用于較高溫度的退火處理，導(dǎo)致產(chǎn)品應(yīng)用受到一定的限制，對(duì)激光刻痕裝置及激光工藝不斷進(jìn)行改進(jìn)及優(yōu)化，開發(fā)耐熱性激光刻痕技術(shù)是主要硅鋼廠家的重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)之一；③目前生產(chǎn)的Hi-B鋼硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3%左右，若將硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升至4.5%甚至6.5%，則同厚度產(chǎn)品鐵損相比，F(xiàn)e-3%Si（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）能進(jìn)一步降低，尤其是高頻鐵損將大幅降低，但提高硅含量，會(huì)使鋼帶的冷加工性變差，需要通過溫軋工藝改善基體塑性，F(xiàn)e-4.5%Si（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）相較于Fe-6.5%Si（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），不含有B2以及DO3等有序硬脆相，軋制工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，只需較低的溫軋溫度便可實(shí)現(xiàn)順利軋制，更有可能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

Fe-3%Si（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）取向硅鋼的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度是2.03 T，目前工業(yè)化生產(chǎn)Hi-B鋼的8值最高可達(dá)1.95 T，繼續(xù)通過提高高斯晶粒的取向度來(lái)提高磁感應(yīng)強(qiáng)度在技術(shù)上遇到的瓶頸。文中從高斯晶粒二次再結(jié)晶過程的角度分析，認(rèn)為提高高斯晶粒的取向度可以從以下2個(gè)方面考慮：①初次再結(jié)晶過程中采用快速加熱技術(shù)，可以得到細(xì)小的初次再結(jié)晶晶粒以及位向準(zhǔn)確的高斯晶粒，并在一定程度上改善初次再結(jié)晶織構(gòu)，這為后續(xù)的二次再結(jié)晶過程提供了良好的初始組織和織構(gòu)；②開發(fā)抑制力更強(qiáng)的抑制劑（晶界偏聚元素或化合物），在初次晶粒細(xì)小的情形下，二次再結(jié)晶溫度將會(huì)提高，二次再結(jié)晶完成時(shí)可以得到更加粗大以及位向更準(zhǔn)確的二次再結(jié)晶晶粒。

3 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)化制備取向硅鋼的制備工藝流程雖已清晰明確，但由于取向硅鋼制備工序長(zhǎng)且復(fù)雜，工藝與性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系復(fù)雜交織，部分機(jī)理性問題如二次再結(jié)晶機(jī)理還存在爭(zhēng)議，還需要繼續(xù)深入地對(duì)這些問題進(jìn)行分析研究。取向硅鋼的工業(yè)化生產(chǎn)經(jīng)過近90年的發(fā)展，經(jīng)歷了板坯高溫加熱、板坯中溫加熱，到現(xiàn)在的板坯低溫加熱技術(shù)，在減少能源消耗、節(jié)約資源、降低生產(chǎn)成本上已取得了巨大進(jìn)步。低溫滲氮工藝作為目前工業(yè)化生產(chǎn)Hi-B鋼的主流技術(shù)，代表著高磁感取向硅鋼的發(fā)展方向，在全球節(jié)能降耗、低碳環(huán)保的形式下，繼續(xù)降低鐵損、提升磁感應(yīng)強(qiáng)度仍是Hi-B鋼當(dāng)前和未來(lái)研究的主要方向；同時(shí)降低Hi-B噪音、開發(fā)環(huán)保的無(wú)鉻涂層也是Hi-B鋼研發(fā)的重點(diǎn)方向之一。薄板坯連鑄連軋和雙輥薄帶連鑄工藝在制備取向硅鋼方面，具有流程短、占地少、生產(chǎn)工藝緊湊等優(yōu)點(diǎn)，尤其是雙輥薄帶連鑄技術(shù)，作為鋼鐵生產(chǎn)中的近終成形技術(shù)，已在實(shí)驗(yàn)室成功制備Fe-（3%～6.5%）Si（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）取向硅鋼，若能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，將會(huì)是一項(xiàng)顛覆性的技術(shù)。

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Preparation Technology and Development Trend of Grain-Oriented Silicon Steel

NING Xu, WANG Yan-li, LIANG Yong-feng, LIN Jun-pin

(State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

As an important iron core material, grain-oriented silicon steel is widely used in power industry. Based on the process and technical characteristics, the preparation process of grain-oriented silicon steel can be divided into traditional thick slab process, thin slab continuous casting, rolling process and twin roll strip casting process. The traditional thick slab process is the main method for industrial production of grain-oriented silicon steel at present, which can be divided into slab high-temperature heating, slab medium temperature heating and slab low-temperature heating according to the heating temperature. And slab low-temperature heating has the advantages of low heating temperature, low energy consumption, and low production cost and is currently the mainstream technology for industrial production of high magnetic permeability grain-oriented silicon steel. According to the development of grain-oriented silicon steel, the preparation process of grain-oriented silicon steel was comprehensively reviewed. The composition system and process characteristics of grain-oriented silicon steel prepared by traditional slab high temperature heating, medium temperature heating and low temperature heating were summarized in detail, focusing on the slab low temperature nitriding process. Finally, the development trend of grain-oriented silicon steel is prospected.

conventional grain-oriented silicon steel; high permeability grain-oriented silicon steel; inhibitor; magnetic flux density; iron loss

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.01.001

TG142.7

A

1674-6457(2022)01-0001-10

2021-11-18

國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金（51921001）

寧旭（1986—），男，博士生，主要研究方向?yàn)楣桎摻M織織構(gòu)及磁性能的優(yōu)化調(diào)控。

王艷麗（1964—），女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楦咝阅懿讳P鋼結(jié)構(gòu)材料及核電關(guān)鍵部件材料。