取向电工钢产品及技术的新前沿

知识点：冷轧取向电工钢

在过去20多年积累起来的冶金新理论已经应用于取向电工钢的新冶金生产工艺的设计与生产，并且已经处于现有生产技术的前沿。该文主要阐述的是一些与冶金工艺控制相关的技术,包括：钢的化学成分设计、钢水纯净度、微观结构演化、织构演化、析出分布和表面处理。设计最适合于工厂配置的新工艺的挑战，是在于能够对旧的冶金工艺特性进行充分理解和进行必要的调整，并且突出各种解决方案在产品质量和生产成本方面的优势。

1   简介

在一定程度上，取向电工钢（GOES）已经可以被认为是特殊钢领域内的“成熟的产品”。现在，很多著名的钢铁生产企业已经在生产不同种类的取向电工钢产品，所采取的生产工艺也各有不同。但所有的工艺都是基于对同一个原始的冶金现象的控制，即选择性二次再结晶（S-2ry-Rex），它能够在最终的冷轧产品上生成典型的且具有独特分布的同一结晶取向（Goss取向的明显织构）的晶粒。然而，除了其“年龄”和在产品质量和生产工艺方面已经取得的明显进步外，意大利材料研究院（CSM）认为取向电工钢（GOES）仍然还是一个“年轻的”产品，在其产品质量和

冶金工艺解决方案方面，还具有大量的、让人期待和惊喜的、有意义的开发工作需要进一步去完成。

电工钢的需求与电能的生产、运输和使用有关。“电气化”水平的提高在很多国家仍然是一个受全球能源系统发展所驱动的必然过程。在这种结构中，所有应用场所（接近能源生产的电源变压器、传输变压器直至低压变压器）的变压器将会变得越来越高效。这也使得取向电工钢的新兴生产企业能够有机会进入到该市场并且提高其市场竞争力，同时也揭示了一个总体的发展趋势就是需要进一步改善产品质量和降低生产成本。无论是对于老牌取向电工钢生产企业，还是对于新兴的取向电工钢生产企业来说，无疑都需要在研究和开发创新型解决方案项目上进行投资，这也是为了使其具有

最佳的产品和最低的生产成本来保证其能够迎接越来越激烈的市场竞争挑战的必由之路。现在，在全球范围内，大约有不到30家企业能够工业化生产取向电工钢产品。其中大约一半的企业所采用的工艺路线在某种程度上是不同于其他生产企业的。考虑到与产品微观结构和性能相关的复杂冶金问题，进而考虑到工艺参数和所采取的工艺流程对微观结构的重要影响结果，这就足以说明对于不同的工厂布局和热-机械轧制工艺流程，都必须针对特定的工艺设计特定的化学成分和冶金工艺解决方案来优化最终的产品质量。因此，对于不同的工厂布局，在制定最佳的工艺策略时，我们必须考虑到其在冶金上的劣势和优势，具体问题具体分析，以设计最佳的工艺策略。目前，许多已经采用的生产工艺大都已经被一些国际范围内的专利所涵盖。

2   电工钢产品

目前，市场上取向电工钢产品的主要特点是Si含量在3.0%-3.5%的范围内，在考虑到传统的铁损减少的同时增加电阻系数。电阻系数范围在45-55μΩ·cm。Si含量的限制（除了磁饱和水平具有负面影响外）仍然主要与钢带的脆性断裂现象有关，这无论是对于其生产过程还是对于材料在制作铁芯的应用方面都存在问题。其中，最好的产品（顶级钢种HGO）能够在其最终的产品上达到非常高清晰的Goss织构。这就可以在优化表面层后，其极化等效于B800（电磁感应在800A/m）≥1.95T。然而，这样的性能代表的是实际工业生产的顶级水平，并且通常情况下与最终大的磁通密度（GS）和Si含量<3.3%有关。

产品厚度目前基本在0.35-0.23mm的范围内。部份生产企业能够提供给客户0.18mm的产品（7机架）。

机械性能与化学成分密切相关，并且取决于在平面上的测量方向（织构效应）。屈服强度在300-400MPa范围内，其极限抗拉强度略高，在 320-450MPa范围内。

实际上，表面质量特点对于产品质量是非常重要的。它既会影响磁性，也会影响电绝缘性（表面涂层）。目前，通常采用改善磁畴结构的方法（比如激光刻痕），来获得最佳的铁损，比如在0.23mm厚度的情况小，其范围基本在0.70-0.80W/kg（1.7T和50Hz）。

在意大利材料研究院看来，将来可采用的最佳方法为“多层解决方案”。简单地来说，它是由两个表面或多个带钢表面在特定的情况下其厚度必须在大约0.15mm的范围内耦合起来的。钢带表面必须用一个薄的非金属膜夹层将其耦合器来，这层膜必须非常薄，并且必须保证其具有很好的电气绝缘性能和作为两个金属层之间的配合层（类似于胶水的效果）。最佳的生产工艺路线/工艺技术将会涵盖在基于冷轧和退火工艺的特定条件下如何去控制这个“无底层镜表面”。在产品工业化生产方面，还有一些加工工艺和技术难题需要去面对和解决，但是这个新产品的可行性已经在实验室范围内进行了评估。这种新产品预计的性能在以下范围内：厚度=0.35mm，B800=1.94T, P17（50Hz）=0.7W/kg。

磁致伸缩是衡量取向硅钢是否是一个合格产品（应用在交变磁场下的震动）的重要参数，因为它是变压器噪声的主要来源。

3   冶金学理论

最近几年，随着科学的进步和在取向硅钢Goss织构选择机理的研究使得我们对这些复杂问题的基本面有了更加清晰的认识。

静态模型是基于边界能和曲率效应所产生的晶界移动驱动力的描述和统计程序。该模型能够估算系统中每一种晶粒的平均长大速率和计算晶粒尺寸以及晶粒分布演化。

静态模型的基本方案能够直接进行使用，其输入和输出结果简要总结如图1所示。

二次再结晶模型的直接使用可以：

◆获得给定工艺和工厂配置下的磁特性信息；

◆分析和挑选出各种Goss晶粒的机理；

◆通过确定“磁危机”的起始条件或通过工艺参数优化改善质量来进行更严格的工艺控制。

现在已经非常清楚的是，在目前已经成熟的电工钢生产环境下，对于冶金产品和工艺工程师来说，要想取得任何工艺变革的成功，都只能是基于其对基本机理的深入理解和如何能够精确定量地预测微观结构的演化。

4   微观结构控制-冷轧杠杆

冷轧的冶金效果完全取决于冷轧工艺如何进行运用，比如轧机类型（串联式、可逆式、Z型轧机等等）、润滑策略（油、乳化液、弥散等）、轧制温度和道次间的时效性、轧制速率以及进行冷轧之前带钢的微观结构等。关于取向电工钢的冷轧，必须考虑到其相对较高的Si含量带来的严重问题和合金导致的脆性断裂风险的增加对冷轧工艺所造成的限制。这也是通过增加Si含量（Si>3.3%）和降低带钢厚度（<0.18mm）来生产具有极低铁损的顶级取向电工钢所面临的主要限制条件之一。无论如何，采用较高的冷轧压下量仍然被认为是我们新一代取向电工钢产品生产及其工艺的关键因素之一。目前的生产趋势是使用越来越紧凑的生产工艺流程来生产电工钢热轧卷， 包括使用半无头轧制或无头轧制热连铸/连轧工艺方法生产电工钢。在生产取向电工钢（GOES）的情况下，如果在缺少热加工的情况下，必须通过对明显厚于现有工艺技术（>3mm）生产的热轧卷（HRC）使用较高的冷轧压下量来进行平衡。通过采用高于90%冷轧压下量的工艺生产取向电工钢（GOES）并具有高的实际生产效率将会是下一阶段冶金工艺技术创新的目标。在这些工艺中，存在着在退火和酸洗（A·P）处理之前对热轧卷进行冷轧预变形处理的加工工艺。在图2中展示了一个对厚的热轧卷在退火和酸洗前后均采用冷轧工艺进行连续处理的实例。

同类型创新的生产工艺流程的工业化生产工厂已经在全球范围内广泛存在并应用于不同钢种（不锈钢）的生产。从冶金学的角度来说，应用于热轧卷上的初始冷轧压下量能够更好地控制热轧卷在整个长度和宽度方向上的内部微观结构，使其达到非常细小和非常均匀。这对于晶粒长大、织构控制以及机械加工性能都是非常有益的。

5   连退工艺的二次再结晶（2ry-Rex）

生产工艺的逐步合理化，取消最终的箱式退火和热平整工艺过程是取向硅钢（GOES）产品生产最重要和最具有挑战性的开发工作之一。总的来说，连退工艺的二次再结晶（2ry-Rex）新工艺给产品质量、生产效率和紧凑化生产流程方面带来了如下一系列的益处和机会。

◆省略热平整和缩短热处理工艺所带来的能源节约；

◆避免在退火处理过程中卷与卷之间物理接触所带来的机械损伤；

◆卷的热平整处理变得不再必要；

◆缩短单卷的处理时间，这样就可以建立一个新的生产计划解决方案来更好地满足产品的要求；

◆在冷轧区域采用单一连续生产线的新紧凑生产流程能够将冷轧卷转化为最终的产品；

◆合适的冶金算法应用于优质钢生产的反馈过程控制；

◆在避免使用箱式退火的情况下，能够很容易地进行无底层产品的设计，因此此时已经不再需要使用退火隔离剂（MgO）。

实际生产中存在的大量问题仍需继续努力才能获得工业解决方案。但毫无疑问的是，连退处理过程中的二次再结晶必将是今后电工钢生产过程中的主要研究任务之一。

1、GB5226.1-2008 机械电气安全

2、GB19517-2009国家电气设备安全技术规范