1、概述
2011年，我国电工钢表观消费量约为783.35万t，其中，冷轧无取向电工钢表观消费量约为601.49万t。随着我国工业化的发展和变革，无取向电工钢板带的需求量在不断增长。冷轧无取向电工钢生产中，需要进行脱脂清洗、退火、涂层固化处理。本文结合国内外无取向电工钢的发展情况，介绍了无取向电工钢处理线的新技术。
2、冷轧无取向电工钢处理线新技术
冷轧无取向电工钢处理线是无取向电工钢生产的核心，其集多种生产工艺于一体，主要生产工艺流程如下：
无取向电工钢处理线技术的发展，主要体现在清洗技术、热处理技术、涂层技术、带钢检测技术的发展。
2.1、带钢脱脂清洗技术
带钢表面的清洁质量是产品质量的先决条件，没有清洗洁净的带钢将会直接影响到成品的电磁性能，还会造成炉辊结瘤。因此，带钢清洁技术至关重要。目前冷轧无取向电工钢处理线采用联合清洗技术，即对带钢先进行碱喷洗（或浸洗）加喷刷，然后进行水刷洗和热水喷淋。为了达到更好的清洗效果，许多处理线除了采用常规的碱洗设备外，还增加了电解清洗设备，见图1。
图1：电解清洗装置示意图
带钢在经过碱液化学清洗后，由于皂化作用和乳化作用有限，许多油污粒子和铁粉等还附着在带钢表面的空隙里面，不易彻底清洗干净，因此需要进行电解清洗。电解清洗技术发展很快，目前主要采用高密度电解清洗以达到更快更好的清洗效果。高密度电解即在电解过程中增加电流强度，在一定范围之内，电流强度越大，产生气泡越多，电解清洗效果越明显。一般常规电解清洗电流密度最大为15A/dm2，高密度电解清洗电流密度可达50~100A/dm2。
2.2、热处理技术
热处理技术是电工钢生产的核心技术之一。热处理中燃烧、加热、冷却技术一直在不断地发展和创新。
（1）快速加热技术
电工钢退火炉的加热速率一般约为20℃/s。快速加热技术，即采用快速加热装置（直接通电或感应加热），以100~550℃/s的加热速率将带钢快速加热到脱碳温度，不仅大大提高了电工钢的磁性，还提高了作业率。目前，日本住友、日本钢管、新日铁和美国Armco公司已将该项技术用于生产无取向电工钢和取向电工钢。
（2）全辐射管加热技术
传统无取向电工钢退火炉采用无氧化加热与辐射管加热结合的方式，这对生产一般品质的无取向电工钢是可行的，但不宜生产品质较高、要求加热温度较高的电工钢产品。无氧化炉无氧化加热采用明火与带钢接触，通过控制空燃比来防止带钢氧化；而全辐射管加热则是通过辐射加热的方式，带钢存在于有保护氛围的炉内，不与火焰接触，因而氧化几率非常低。
与无氧化加热相比，全辐射管加热前面炉段中炉温与板温温差相对较小，带钢升温速率较低，达到工艺板温所需要的炉长较长。因此，应提高前面炉段辐射管能力，从而提高炉温，此外，全辐射管加热段长度较长，投资也有所增加。
（3）烧嘴燃烧及控制技术
针对电工钢带钢需在尽量短的时间达到一定的高温，同时为了尽量提高烧嘴的效率，烧嘴燃烧技术是快速加热的一项重要技术。20世纪90年代末，日本钢管公司（NKK）和日本工业炉公司（NFK）研制出了新型高效蓄热式燃烧器，烟气余热的回收达到极限（空气预热温度高达1000~1200℃），而排烟温度则降至100℃左右，同时实现了低NOx物的排放，形成了真正意义上的高温空气燃烧技术、即“第2代再生燃烧技术”。这种高效蓄热式燃烧技术在实际应用中具有显著的优点：一是可节约能源25%~70%；二是炉体尺寸可缩小15%~30%；三是污染排放可降低25%以上。
新型W型辐射管及自身预热式烧嘴见图2。
图2：W型辐射管及自身预热式烧嘴
除了控制燃烧效率达到节能效果之外，对于烧嘴控制和烧嘴的点火控制也很关键。传统的电工钢处理机组采用比例控制方式来调节炉区温度，炉外配置有长明烧嘴进行手动点火。手动点火不仅增加了人员的操作强度，而且由于长明烧嘴始终在燃烧，造成了能源浪费。此外，使用比例控制方式调节烧嘴燃烧，其调节一个区段的空气和燃气比例，在调节过程中不仅会带来炉压波动大，而且会导致空燃比调节一时难以匹配，燃烧不充分，从而造成能源浪费和废气排放不合格。
新型烧嘴采用脉冲控制方式，并带有自动点火装置，其优点：一是自动点火方式减轻了人工的操作强度；二是没有长明烧嘴，减少了不必要的能源浪费；三是每个烧嘴已经调节好了固定的空燃比，只需进行开或关，燃烧效率高，不会造成能源浪费和废气排放不合格。
（4）高温高氢退火技术
不同的钢种，对退火温度的要求不同，一般电工钢牌号越高，要求炉温越高，其对炉体辐射管、碳套、耐材等的要求也越高。
为了提高带钢的产品质量，尤其是为了获得更加光洁的带钢表面质量，需在高温退火时通入高氢气氛，氢气含量可以达到70%以上。但氢气为易燃气体，能与空气形成爆炸性混合物，遇热或明火即爆炸，在空气中其爆炸极限含量为4.1%~74.2%。因此，对炉子的气密性、安全性、炉压控制等要求更严格。
（5）气垫悬浮带钢技术
在退火炉的高温湿气氛段，带钢表面沉积下来的氧化物（Fe3O4、Fe2O3、FeO、FeSiO、SiO2等）极易被还原，因此在与带钢接触的此段炉辊上会形成结瘤而导致带钢划伤。为了解决该问题，采用带钢气垫悬浮装置（图3）来可取代炉辊。其工作原理是利用空气动力学的基本原理，采用高温循环风机，使漂浮器喷嘴喷出的强大气流在钢带下面产生一种托力，致使带钢悬浮从而代替了炉辊支持带钢。
气垫悬浮装置广泛应用于涂层后的带钢，由于其表面涂层液没有完全固化，应尽量避免与其他物体接触，采用气垫悬浮装置，有利于保护涂层。此外，气垫悬浮装置本身带有导流板，可以对带钢进行纠偏。
图3：气垫悬浮装置示意图
a）气垫悬浮装置；b）剖视图
1-带钢；2-喷嘴；3-导流板
（6）控冷技术
高温退火后，带钢进入到缓冷段，缓冷到600℃左右的过程中对电工钢带钢的磁性和板形至关重要，因此常规配置的缓冷段都有多分割阀，用于调节带钢的冷却速率。对于不同宽度规格的带钢，多分割阀的开度不同。新开发的多分割阀配备有自动执行机构，可根据不同的工艺制度及不同的带钢宽度对多分割阀开度进行控制，可更加精准地控制带钢冷却速率。
（7）余热利用回收技术
退火机组的余热回收能大大提高节能效果。余热回收主要是将退火炉排放的烟气回收（图4），利用到清洗段的介质加热，使其在正常稳定生产下可以不使用蒸汽进行加热。余热回收方式有3种：一是低压热交换器余热回收，二是余热锅炉回收，三是高温水回收。对于电工钢连续处理机组，采用高温水回收是性价比最高的一种方式，其投资小，节能效果显著。其利用烟气加热高温水装置，高温水装置是一个密闭循环的装置，不仅可以对清洗段碱液加热，也可以对清洗热水加热，还可以对热风干燥进行加热。
图4：高温烟气余热利用系统流程简图
1-补水稳压装置；2-烟气换热装置；
3-高温水循环水泵；4-用户点
2.3、涂层技术
电工钢带钢表面需要涂覆一层绝缘层。电工钢的绝缘性、耐热性、附着性、冲片性、叠片系数、焊接性能、耐油性能、耐氟利昂性能等都与涂层有着密切的关系。为此，提高涂层的精度、开发新的涂层液，改善带钢涂覆和固化条件等是涂层技术发展的方向。
（1）高精度涂层机技术
涂层机是涂覆绝缘层的的关键设备，经过多年发展，涂层机由原来的二辊涂层机（上下各1个辊）、四辊涂层机（上下各2个辊），发展到上下各3个辊的六辊涂层机。六辊涂层机辊子分别为涂布辊、粘液辊、计量辊，此外还有预喷涂嘴、机架及升降机。为了对带钢上下涂层进行调节，带钢上下表面各一套涂层机。目前这类涂层机又分成两种，一种是先对带钢下表面进行涂层，经过转向后再对上表面进行涂层，上下表面涂层厚度可以分别控制，这种涂层机已在宝钢应用。另外一种是对带钢上下表面同时进行涂层，上下表面涂层均可控制，这种涂层机在日本、欧洲、中国台湾等国家和地区广泛应用。
另外，为了达到精确的涂层控制要求，还配备有膜厚仪用于检测涂层厚度，并利用检测的厚度值对涂层机进行闭环控制，以达到实时控制涂层厚度的目的。
（2）新型涂层液的开发与选用
无取向电工钢表面绝缘涂层主要有无机涂层、有机涂层和半无机涂层3大类。
目前，我国冷轧无取向电工钢表面涂层大多为含铬的绝缘涂层。在带钢表面涂覆绝缘层不仅要求其具有良好的粘着性、耐热性、耐蚀性、耐油性和耐冷冻性，而且还应具有连续冲制性和良好的焊接性能。总的发展趋势是有机涂层逐渐被淘汰，无机涂层逐渐代替半无机涂层。
新的涂层液发展方向分为绿色环保化（无铬、无有机溶剂）、无机–有机纳米杂化材料（掺杂材料）、自粘结涂层3个方面。日本、韩国以及我国部分涂层液厂家已经开发了无铬涂层液，如韩国采用无铬稀土元素涂层液，日本采用磷酸盐–有机树脂绝缘涂层，我国采用含钼酸盐环保涂层液。此外，我国正在进行聚有机硅倍半氧烷涂层液的研发。
自粘结涂层电工钢以自粘接涂层固定铁芯叠片，而且是在铁芯整个面上进行固定，固定强度大大提高，特别适合于其他固定方式会导致扭曲或刚性不够以及不便于铆接和焊接的情况，电工钢磁性能损伤少，在达到相同的效果下电机可以做得更小，并且有效地减小了铁芯中电工钢片的振动和噪音，适用于高品质音响电机。这种涂层电工钢在磁悬浮列车上已经得以应用，而且前途和市场非常广。
（3）后清洗装置的选用
有的企业在无取向电工钢退火生产线的退火炉段之后增加了后清洗装置。后清洗装置的作用是对经过退火后的带钢进行清洗，以减少带钢表面残余杂质（如碳粉），获得清洁的基板，以及进行板温调节，达到最适合涂层的带钢温度。
2.4、高精度带钢检测技术
为了确保电工钢的产品质量，在生产线上配备了一系列在线检测设备，其中常规配置有纠偏装置、连续测厚仪、铁损仪以及各种在线分析仪。
现在许多电工钢处理线还配备了先进的检测装置，如在线膜厚仪、带钢缺陷检测仪等。膜厚仪用于检测带钢表面涂覆绝缘层的厚度和均匀性，目前膜厚仪有两类，一类是在涂层前后都设置厚度检测，利用前后差值来计算涂覆绝缘层厚度；另一类是在带钢涂覆之后通过X射线荧光摄像，对绝缘层中的某一化学成分进行分析，得出绝缘层厚度。有的处理线利用这膜厚仪测量值反馈给涂层机，涂层机根据反馈值进行实时调整，实现了闭环控制。
带钢缺陷检测是利用影像技术，对连续运行的带钢进行跟踪，把其与系统内所有的缺陷进行对比，从而找出具体的带钢缺陷。
目前电工钢处理线上膜厚仪、缺陷检测仪虽然都在使用，但检测精度较低。此外，退火炉为卧式炉，板温的测量不够准确。
2.5、其他
另外，电工钢处理线与其他板带处理线一样，在上卷、开卷、穿带、焊接、卸卷等方面自动化控制技术较先进。
电工钢新产品的开发已有成果，如的电动汽车用电工钢、中高频电机用极薄电工钢片（0.15mm左右）、中高频电机用高硅电工钢片（硅含量达到6.5%）。随着热轧电工钢今年将最终退出市场，以前一直在倡导，并且国外一直大量生产的低碳低硅半工艺电工钢以低生产成本且节能环保的优势将取代热轧电工钢片。
3、结语
在全球石油资源紧张，电力消耗持续增长的大背景下，电工钢具备在电子和磁特性上的优势，在钢铁生产中的地位越来越重。随着工业现代化的发展，电工钢生产线的技术也日新月异，我国应在电工钢处理线方面不断地开发新工艺、新技术，以达到生产出能耗和成本更低、产量和质量更高的冷轧电工钢产品。
收稿时间：2012年9月
来源：中冶南方
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