薄带连铸是一种利用两个旋转的结晶辊将液态金属直接浇铸成薄带、可省去加热和热轧工序的短流程近终形成形工艺。利用薄带连铸技术生产无取向硅钢是一个很有潜力的发展方向，具有显著的投资小、节能、环保及低成本优势。特别是，薄带连铸具有将钢水（亚）快速凝固的特点，其高达102-104℃/s的冷却速率远远高于常规厚板坯连铸和薄板坯连铸的冷却速率。这种独特的（亚）快速凝固特性除了能细化凝固组织、降低成分偏析外，还赋予了材料特殊的析出相、织构及组织形态，从而为生产高性能、特殊性能电工钢提供了新途径。6.5%Si电工钢的室温脆性与有序相（B2、DO3等）及粗晶组织密切相关。抑制有序结构的形成、降低有序程度、细化晶粒组织等均可在一定程度上改善6.5%Si电工钢的塑性。借助双辊薄带连铸较高的冷却速率可以获得独特的细晶亚快速凝固组织，在后续的二次冷却阶段辅以超快速冷却可以抑制有序–无序转变，再匹配合适的轧制及热处理工艺，有望开辟一条6.5%Si电工钢研发的新路。
基于以上认识，东北大学RAL薄带连铸硅钢课题组以国家自然科学基金重点项目“基于双辊薄带连铸的高品质硅钢织构控制理论与工业化技术研究（50734001）”、国家自然科学基金青年项目–“Fe-Cr、Fe-Si系BCC钢薄带连铸成形组织性能控制机理（51004035）”、国家自然科学基金青年–面上连续资助项目–“基于双辊薄带连铸制备低铁损、高磁感、薄规格硅钢板的组织性能控制机理（51374002）”为契机和依托，近几年系统开展了薄带连铸6.5%Si电工钢的基础研究工作。2012年，科技部批准了武汉钢铁（集团）公司与RAL联合申报的国家高技术研究发展计划（863计划）课题–“节能型电机用高硅电工钢开发”，旨在基于薄带连铸工艺形成具有自主知识产权的6.5%Si电工钢制备技术。RAL负责6.5%Si电工钢制备的基础研究并开发原型工艺技术，为武钢建设中试示范线提供基础数据。RAL薄带连铸电工钢课题组迎难而上，在组织、织构、有序相演变规律及磁性能控制等方面开展了系统的研究工作，取得了一系列重要进展。
1、初始凝固组织演变及控制
在常规铸造条件下，6.5%Si电工钢具有异常粗大的凝固组织，导致在后续的热轧过程中就易于发生开裂，更难以冷轧。为此，如何尽可能地细化初始凝固组织成为制备6.5%Si电工钢亟需解决的一个关键问题。有学者研究了硼元素含量对6.5%Si电工钢初始凝固组织的影响，发现添加适量的硼能够有效细化凝固组织。但是，初始组织仍然较粗大。薄带连铸高达~103℃/s的冷却速率远远高于传统铸造、常规厚板坯连铸及薄板坯连铸的冷却速率。因此，在薄带连铸条件下有望获得非常细小的6.5%Si电工钢初始凝固组织。
课题组发现，在双辊连铸亚快速凝固条件下6.5%Si电工钢的初始凝固组织和织构可控，并在进行大量实验的基础上找到了关键的工艺控制窗口。首次在实验室条件下成系列地制备出具有不同典型组织、织构特征的6.5%Si电工钢原型铸带坯（见图1、图2），晶粒尺寸在100μm至1mm之间，远小于传统铸造时的厘米级晶粒组织。该项研究表明利用双辊连铸制备6.5%Si电工钢具有先天性的优势，向改善热加工性能和室温塑性迈出了坚实的一步。另一方面，由于6.5%Si电工钢铸带坯较薄，与传统工艺流程相比，后续轧制加工量显著减小。所以，铸带坯的初始组织和织构类型对最终成品板的组织、织构及磁性能具有至关重要的遗传影响。薄带连铸条件下初始凝固组织和织构可根据成品板的性能需求定制想要的初始组织形态和织构特征，为研发高性能6.5%Si电工钢提供了新思路。
图1：不同浇铸工艺条件下2.0mm厚6.5%Si电工钢铸带坯的显微组织
图2：不同浇铸工艺条件下6.5%Si电工钢铸带坯组构的ODF图
2、铸带坯初始组织、织构的遗传影响
在制备6.5%Si无取向电工钢时，人们希望形成强烈的{001}<0vw>织构并尽量弱化{111}<uvw>织构以获得较高的磁感应强度。课题组在解决了铸带坯初始凝固组织与织构的控制问题后，深入研究了铸带坯初始组织、织构类型对后续轧制、退火过程中的组织、织构演变及磁性能的遗传影响。图3示出了具有典型等轴晶、柱状晶组织的6.5%Si电工钢铸带坯经相同工艺的冷轧、退火处理后0.50mm厚成品板的再结晶织构。由图知，与等轴晶铸带坯相比，柱状晶铸带坯的成品板具有更强的{001}<0vw>织构，不利的{111}<uvw>织构则基本消失，这对获得更高的磁感应强度极为有利。柱状晶铸带坯的成品板沿轧制方向的磁感应强度B8高达1.458T，显著优于现有CVD产品。可见，基于双辊薄带连铸可以制备出高磁感强度的6.5%Si无取向电工钢，而这一点在常规生产流程条件下很难办到。
图3：等轴晶（a）和柱状晶（b）铸带坯的成品板与常规产品（c）的再结晶织构比较
3、有序—无序转变及控制
在常规铸造和热轧条件下，6.5%Si电工钢中通常形成B2（FeSi）、DO3（Fe3Si）有序相。这些有序结构被认为是导致6.5%Si电工钢脆性的主要原因。揭示其有序–无序转变行为并进行有效调控是改善6.5%Si电工钢热加工性能和室温塑性的关键。
课题组发现，在薄带连铸条件下，通过综合匹配连铸过程的凝固速率、热轧后的冷却速率与冷却路径、常化处理制度可以有效调控B2、DO3有序相（见图4），为后续的轧制工序提供了便利条件。经过实验研究，课题组提出了应用“薄带连铸+热轧+温轧+冷轧”制备薄规格6.5%Si电工钢的思想，开发出改善6.5%Si电工钢的工艺路线及全流程工艺技术，掌握了关键的工艺控制窗口，在实验室条件下成功制备出宽度达160mm、厚度规格分别为0.10mm、0.15mm、0.20mm、0.30mm、0.50mm的6.5%Si无取向电工钢薄带（见图5）。从图中可以看出，薄板边部质量良好，并未观察到明显的边部裂纹。
图4：不同工艺条件下试样的TEM衍射斑（[011]轴）：（a）A2,（b）A2+B2,（c）A2+B2+DO3
图5：不同厚度规格的6.5%Si无取向电工钢薄板
（a）0.15mm；（b）0.20mm；（c）0.30mm
4、再结晶组织与织构的优化控制
课题组发现，以具有柱状晶组织的铸带坯为初始材料，通过对热轧和温轧工艺进行优化设计，可以使基体中产生大量的晶内剪切带。令人关注的是，这些剪切带的存在对于{001}再结晶晶粒的优先形核和择优长大非常有利（见图6），促进了有利{001}再结晶织构的发展，抑制了不利{111}再结晶织构的形成，最终获得了显著优于传统产品的再结晶组织和织构。这表明在薄带连铸条件下借助柔性化的工艺制度可以实现对再结晶组织和织构的合理调控，充分满足磁性能对再结晶组织和织构的高要求。
图6：6.5%Si无取向电工钢再结晶过程的EBSD微织构分析
5、磁性能的优化控制
6.5%Si无取向电工钢的磁性能（主要是铁芯损耗和磁感应强度）与晶粒尺寸、织构、有序相、组织均匀性等密切相关，而这些方面对轧制工艺、热处理工艺等非常敏感。课题组初步弄清了热轧制度、温轧制度、冷轧制度以及热处理制度对6.5%Si无取向电工钢磁性能的影响规律，为制备高性能6.5%Si无取向电工钢提供了依据。图7即示出了轧制温度对铁芯损耗和磁感强度的影响。
图7：轧制温度对0.50mm成品板（a）铁损和（b）磁感的影响
收稿时间：2013年11月
来源：RAL
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