硅钢的发展概述

冷轧硅钢的生产工艺概述荣光(本钢冷轧薄板厂，辽宁本溪117021)摘要：电工钢属于电气设备中导磁体重要使用的材料。硅钢以其生产工艺复杂，各道工序控制精度严，成本高，难度大，成材率低，核心技术在全世界范围保密而被称作钢中之王，简要地描述了硅钢的发展历程，概括地介绍了硅钢的分类及性能，以及影响硅钢各种性能的内外在因素。重点地叙述了生产不同牌号电工钢的工艺流程和控制要求。关键词：冷轧硅钢；取向；无取向；铁损；磁感应强度中图分类号：TG335.12文献标识码：BProductionIntroductionofcoldrolledsiliconsteelRONGGuang(ColdRollingMill，BXSTEEL，BenxiLiaoning117021)Abstract:Electricalsteelisamaterialusedinelectricalequipments.ProductiontechnologyofElectricalsteeliscomplexandcontrolprecisionofworkingprocedureissevere.Electricalsteelcostishighandyieldratioislow.Coretechnologyissecretinthewholeword,whichiscalledasthekingofsteel.Developmentcourseandkindsandcharacterofsiliconsteelareintroduced.Severalfactorsofsiliconsteelcharactersareanalyzed.Technologyflowandcontrolrequirementofdifferentkindsofsiliconsteelisdescribedindetail.Keywords:thecoldrolledsiliconsteel；oriented；non-oriented；ironlost；magneticinductionstrength1硅钢的发展概述1.1硅钢的发展历程1903年美国和德国首先生产了热轧硅钢，美国阿姆柯钢公司于1935年开始生产冷轧取向硅钢，20世纪40年代初生产无取向硅钢。1968年日本新日铁正式生产高磁感取向硅钢（Hi-B钢），从1968年起日本在冷轧电工钢的制造技术和装备、产品的质量、新产品、新技术的研发、科研和测试技术等各方面都远远超过美国，一直处于世界领先地位。我国太原钢铁(集团)公司于1954年首先生产热轧硅钢，1974年武汉钢铁(集团)公司从日本新日铁引进冷轧硅钢制造装备和专利，1979年正式生产11个牌号的冷轧取向及无取向硅钢。现在已有能力生产一些牌号的高磁感取向硅钢(Hi-B钢)。1.2冷轧硅钢生产厂在国内外的分布情况我国可以生产硅钢片的钢铁厂有：武钢冷轧硅钢厂、太钢冷轧硅钢厂、宝钢1550冷轧硅钢厂、鞍钢冷轧硅钢厂、台湾中钢公司冷轧硅钢厂。世界可以生产硅钢片的钢铁厂有：1)新日铁钢铁公司广畑硅钢厂和八幡硅钢厂。川崎制铁有千叶和水岛两个硅钢厂，日本是世界上冷轧硅钢产量最高的国家。2)韩国浦项钢铁公司的冷轧硅钢厂。3)欧洲4家电工钢生产厂是：法国于齐诺尔·萨西洛尔集团公司UGINE厂、德国蒂森·克虏伯公司EBG厂、意大利AST厂、瑞典钢铁公司叙拉哈马尔·布鲁克斯厂和英国钢联奥布电工钢厂合并，重组成欧洲电工钢公司EES。4)俄罗斯新利佩茨克冷轧电工钢厂和上依谢特冶金冷轧电工钢厂。5)美国主要有阿姆坷冷轧电工钢厂及阿利根尼冷轧电工钢厂。2电工钢的分类及性能2.1分类及用途电工钢按其磁各向异性分为取向电工钢和无取向电工钢。硅钢的磁各向异性是在冷轧后通过二次再结晶过程发展而成的，因此热轧硅钢板均系无取向硅钢，只有冷轧电工钢才有取向与无取向之分。运行的电机要求电工钢有磁各向同性，用无取向电工钢制造；变压器工作要求沿一个方向磁化，用冷轧取向硅钢制造，因此取向硅钢又称变压器钢。2.2磁性能磁性能是以其铁损和磁感应强度作为产品磁性的保证值。1)低的铁损：铁损(Pt)是由磁滞损耗(Ph)、涡流损耗(Pe)和反常损耗(Pa)三部分组成的。铁损低可节省大量电力、延长电机和变压器工作时间并简化冷却装置。因电工钢的铁损造成的电量损失占一个国家年发电量的2.5%～4.5%。2)高的磁感应强度：磁感应强度高，铁芯激磁电流(空载电流)降低，导线电阻引起的铜损和铁芯铁损降低，可节省电能。磁感应强度高可使铁芯体积缩小和质量减轻，有利于制造、安装和运输。3)磁各向异性的要求：硅钢是体心立方晶体结构，其晶轴不同，磁化特性也不同。4)磁时效性：铁芯的磁性随使用时间而变化的现象叫磁时效。2.3加工性能1)电工钢要求好的冲片性。2)为了提高产品的叠片系数，电工钢要求表面光滑平整，厚度偏差小和均匀。2.4好的绝缘膜冷轧电工钢产品表面涂有无机盐或半有机盐绝缘薄膜，以防止铁芯叠片间发生短路而增高涡流损耗。对绝缘膜的要求是：1)耐热性好；2)膜薄且均匀；3)层间电阻高；4)附着性好；5)冲片性好；6)耐腐蚀性和防锈性好。3影响电工钢性能的因素磁感应强度和铁损是电工钢磁性的根本特性。3.1影响磁感应强度的因素1)无取向电工钢的磁感应强度主要与硅含量和晶体织构有关。2)冷轧取向硅钢的硅含量(质量分数)基本不变(含Si：2.9%～3.5%)，磁感应强度只随（110）[001]晶粒取向度提高或（110）[001]位向偏离角减少而增高。3.2影响铁损的因素铁损(Pt)由磁滞损耗(Ph)、涡流损耗(Pe)和反常损耗(Pa)的组成。无取向电工钢铁损(Pt)中，磁滞损耗(Ph)占60%～80%，主要是降低磁滞损耗(Ph)。取向硅钢铁损主要应降低涡流损耗(Pe)和反常损耗(Pa)，特别是反常损耗(Pa)。日本近十年降低取向硅钢铁损主要是采取提高硅含量、减薄成品厚度、细化磁畴三项措施。3.3硅的作用硅是影响电工钢磁性、力学性能最基本的因素。在电工钢中加硅主要是提高电阻率，降低涡流损耗，使矫顽力和磁滞损耗也降低，从而使铁损下降，但磁感应强度也会降低，所以热轧硅钢的硅含量(质量分数)上限约为4.5%，冷轧硅钢约3.5%。4硅钢生产工艺4.1取向硅钢生产的理论依据硅钢和铁一样，都是体心立方晶体结构，[100]方向为易磁化轴，[110]方向为次易磁化轴，[111]方向为难磁化轴。这种磁化特性称为磁各向异性。取向硅钢就是利用这种磁各向异性原理制造出来。这种位向称为高斯织构。4.2在钢水成分，热轧工艺、冷轧及热处理工艺等方面的生产特点1)普通取向硅钢以MnS作为抑制剂，采用二次冷轧工艺，进行一次中间退火。2)高磁感取向硅钢以MnS+AIN作为抑制剂，采用一次冷轧工艺生产。4.3无取向硅钢的生产特点普通无取向硅钢W(Si)1.5%，高级无取向硅钢W(Si)2.0%。为达到产品性能的要求，除控制硅含量外，锰和铝的含量也是无取向硅钢炼钢时要严格控制的，而碳、硫、氮等有害元素含量要尽量低。普通无取向硅钢生产采用一次冷轧法；高级无取向硅钢采用二次冷轧法。5硅钢生产工艺路线硅钢生产工艺实际上是从原材料开始，对冶炼、浇铸、热轧、冷轧、热处理到精整实行全过程的检测、控制、管理的一个系统工程：转炉真空处理连铸加热热连轧常化酸洗多辊轧机连续退火罩式退火热平整成品剪切(CS)5.1冶炼5.1.1取向硅钢取向硅钢以MnS(及AIN)作为抑制剂，要求使用低锰铁水，，最好在0.15%以下，铁水温度必须高于1350℃，采用顶吹或顶底复合吹炼转炉冶炼，主要任务是脱碳、脱锰、脱磷和调温。5.1.2无取向硅钢无取向硅钢冶炼时，硅、锰和铝是要求严格控制，碳、硫、氮等有害元素含量要尽量低。要求采用低硫铁水。，并且进行脱硫处理。将铁水中的硫脱到0.005%(质量分数)以下，对高牌号硅钢硫要脱到0.002%(质量分数)以下。5.2浇铸目前硅钢全部采用了连铸，影响铸坯质量因素有拉速、铸温、钢液保护等。5.2.1取向硅钢连铸取向硅钢连铸的拉速根据中间包钢水温度来确定，中间包采用电磁搅拌（EM）防止中间包过热带来的成分偏析。为防止连铸时钢水氧化和增氮，采用长水口加氩气进行保护浇铸。5.2.2无取向硅钢连铸无取向硅钢的硅、铝含量较高，热导率较低必须减小其冷却速度，连铸时随钢中硅含量增加，拉速应降低。一般拉速控制在0.1～1.0m/min。为防止钢水氧化及增氮，在浇铸时钢水应进行氩气密封保护，采用电磁搅拌技术。5.3热轧取向硅钢采用高温加热、高温轧制、高终轧温度和低温卷取三高一低工艺制度。5.3.1高温加热工艺为保证连铸坯中的MnS、AIN抑制剂能完全固溶，铸坯的加热温度要大于它的固溶温度，GO钢铸坯的加热温度设定在1350℃～1370℃；Hi-B钢的锰、硫含量比GO钢的高，因此Hi-B钢铸坯加热温度设定在1380℃～1400℃。铸坯加热温度越高，磁性就越好。一般采用步进式加热炉，加热时间为3h左右。5.3.2高温轧制工艺要求在热轧过程中能均匀细小地析出MnS，少析出AIN。1)对于GO钢，粗轧采取大压下量高速轧制，进连轧机的钢坯温度在1150℃以上；连轧过程中喷水冷却，控制终轧温度在940℃±10℃；热轧后进行层流冷却。2)对于Hi-B钢，锰、硫含量比GO钢的高，因此加热温度更高，粗轧时采用大压下量高速轧制。钢坯进连轧机前的温度大于1190℃；加大冷却水量，提高钢带冷却速度，控制终轧温度在950℃以上；热轧后钢带在辊道上进行层流冷却，保证进行低温卷取。5.3.3低温卷取工艺为了限制AIN的析出，热轧后钢带进行快速冷却，使钢带在卷取时达到低温。GO钢卷取温度控制在550℃±10℃；Hi-B钢应小于550℃。无取向硅钢采用低温加热、低温轧制、终轧温度低、卷取温度高的三低一高的工艺制度。加热温度一般在1150℃～1280℃。在设备条件允许下，加热温度应尽量低，热轧时严格控制加热、粗轧、精轧各工序温度差，终轧温度一般控制在800℃～880℃，卷取温度为550℃～650℃。以便在轧制中获得良好的板形。5.4冷轧5.4.1工艺流程Hi-B钢：－－；GO钢：－－－－；高级无取向硅钢：－－－－；普通无取向硅钢：－－。5.4.2轧制工艺硅钢随着硅含量的增加，钢的屈服强度和抗拉强度明显提高，伸长率显著降低，硬度迅速增高。所以硅钢轧制比其他碳钢要困难，而且硅钢要求有精确的成品厚度，同时要有好的板形。5.4.3取向硅钢冷轧Hi-B钢采用一次冷轧法，GO钢采用二次冷轧法：1)Hi-B钢一次冷轧：Hi-B钢一次冷轧总压下率为81%～90%，这是获得高磁感应强度的必要条件之一。总压下率对磁性有影响，而道次压下率对磁性影响不大。Hi-B钢的时效轧制：使用粗面工作辊、大压下、闭油、快速轧制。轧制时产生的变形热使钢板温度升高，可以提高磁性，提高钢带塑性、减少轧制断带、提高成材率等作用。2)GO钢的二次冷轧法：GO钢采用二次冷轧工艺，在两次冷轧间进行一次中间退火。GO钢冷轧重点是控制第二次冷轧的压下率，第二次冷轧压下率控制在50%～60%时，磁性能最高，这是提高磁性的关键。一般控制酸洗后钢卷的卷取温度大于50℃立即进行冷轧。5.4.4无取向硅钢冷轧普通无取向硅钢一般采用一次冷轧法生产，高牌号无取向硅钢常采用二次冷轧法生产。1)一次冷轧法：普通无取向硅钢一般采用一次冷轧法生产。2)二次冷轧法：高牌号无取向硅钢常采用二次冷轧法生产，经二次中等压下率（40%～70%）轧到成品厚度，两次冷轧之间经过中间退火。产品铁损低，磁感高。6硅钢的发展及展望我国自改革开放以来，国民经济高速发展，硅钢的生产与电器行业有密切关系，无论是大型发电机组，还是各种电动机、变压器，包括所有的家用电器都需要大量的使用硅钢片。中国已成为全球电工钢最大消费国。根据资料表明，我国发电总容量到十二五至少要达到6.7亿kW，平均每年消耗硅钢达170万t以上，相当日本电工钢的全年产量。伴随着节能与新机电产品的需要，对电工钢质量要求也越来越高。如我国制造变压器最开始用热轧硅钢片，后来改用