近年来，随着能源紧缺与市场竞争加剧，在满足产品质量和产量需求的基础上，采用节能、环保、经济型的生产技术与工艺来制造电工钢已成为国内外硅钢生产企业以及科研院所的研发热点，如采用低温板坯加热技术来降低铸坯均热温度，采用气相沉积技术降低铁损，以及采用薄板坯连铸连轧与双辊薄带连铸等短流程工艺来代替传统的厚板坯连铸–热轧工艺。本文结合近年来国内外各大钢铁企业与研究机构在这些方面的研究与开发情况进行介绍，并对其发展趋势及方向进行探讨。
1低温板坯加热技术
1.1采用“固有抑制剂法”
目前，采用“固有抑制剂法”的低温板坯加热技术（1250-1300℃）主要用于普通取向硅钢（CGO）的生产，如俄罗斯新利佩茨克、韩国浦项、中国武钢等，但德国蒂森克虏伯与安赛乐米塔尔采用此技术生产高磁感取向硅钢（Hi-B）。日本JFE钢铁公司与中国宝钢也开发了加热温度分别为1150-1250℃与1200-1250℃的低温板坯加热技术用于生产Hi-B钢。以下对德国蒂森克虏伯、日本JFE与中国宝钢采用“固有抑制剂法”低温板坯加热技术生产或试制Hi-B钢的技术特点进行详细介绍。
德国蒂森克虏伯采用Al N+Cu2S（+Sn）为抑制剂（固有抑制剂），板坯加热温度为1260-1280℃，主要技术要点包括：1）铸坯主要成分（质量分数，%）为：C 0.05-0.06、Si 3.0-3.3、Mn 0.07-0.1、Cu 0.06-0.075、S 0.02-0.025、Al s 0.020-0.026、N 0.007-0.009，可加Sn 0.02-0.12，均热后钢中Cu2S处于固溶状态；2）热轧精轧开轧温度1000-1030℃，终轧温度920-960℃，卷取温度620-650℃；3）热轧板高温常化处理后采用一次大压下率冷轧工艺，并进行冷轧时效；4）最终退火升温至450-750℃后到净化处理温度前在体积分数为5%-10%的H2+N2气氛中缓慢升温，防止Cu2S过早分解。
日 本J F E采 用Al N+Sb+MnSe为抑制剂（固有抑制剂），板坯加热温度为1150-1250℃。主要技术要点包括：1）铸坯主要成分（质量分数，%）为：C 0.03-0.055、Si 2.9-3.3、Mn 0.06-0.08、S 0.002-0.005、Se≤0.014、Al s 0.007-0.020、N 0.004-0.008、Sb 0.010-0.045、S+Se<0.02，钢中还可加入少量B、Bi、Nb或Sn；2）热轧精轧前4道总压下率大于90%，终轧温度大于900℃；3）热轧板经（900-1050）℃×60s常化处理后，冷连轧机150-200℃一次冷轧至成品厚度。
中国宝钢采用（Cu2S/ε-Cu）+Al N+Sn为抑制剂（固有抑制剂），板坯加热温度为1200-1250℃。主要技术要点：1）铸坯主要成分（质量分数，%）为：C 0.055-0.08、Si 2.9-3.5、Mn 0.01-0.02、Cu 0.1-0.2、S 0.005-0.010、Al s 0.010-0.015、N 0.005-0.009、P 0.01-0.03、Sn 0.25-0.55；2）热轧包括3道次粗轧与3-6道次精轧，粗轧出口温度1030-1060℃，粗轧道次之间等待10-15s，精轧第一道次压下率为80%-85%，终轧温度为1000-1020℃，热轧后喷水冷却到850℃，缓冷至（700±30）℃进行卷取；3）热轧板不经常化处理采用一次冷轧法轧至成品厚度，压下率大于90%。
对比以上3家钢铁企业生产Hi-B钢技术特点发现，日本JFE基于原有的高温Hi-B钢生产技术，主要通过抑制剂方案的优化来实现板坯低温加热。中国宝钢由于主要抑制剂种类的选择与德国蒂森克虏伯存在差别，故两者在成分设计上差别较大。为充分发挥抑制剂对初次再结晶的抑制作用，宝钢对热轧与卷取工艺进行了相应调整，同时省略了常化工艺。
1.2采用“获得抑制剂法”
目前，日本新日铁住金、韩国浦项与中国宝钢已采用“获得抑制剂法”低温板坯加热技术进行Hi-B钢的工业化生产，板坯加热温度在1050-1250℃，同时均采用NH3分解后形成的氮原子进行渗氮处理。以下对3家钢铁企业的主要技术特点进行介绍。
日本新日铁住金的抑制剂为Al N+MnS+Sn（固有抑制剂+获得抑制剂）（脱碳后渗氮），板坯加热温度为1150-1250℃，主要技术特点包括：1）铸坯主要成分（质量分数，%）为：C 0.05-0.06、Si 3.2-3.4、Mn 0.13-0.16、P 0.015-0.035、S≤0.005、Al s 0.025-0.035、N 0.005-0.006，Al s满足w（Al）–（27/14）w（N）>0.01，可加Cr 0.15-0.20、B 0.003-0.004或Sn 0.05-0.10；C含量不变时，w（Si）可提高到3.5%-4.0%，同时控制w（Al）/w（Si）≥0.008，另外为提高B8可加Bi 0.005-0.01等低熔点元素；2）热轧控制精轧最后3道次总压下率大于40%，最后1道次压下率大于20%，终轧温度900-950℃，卷取温度550-600℃；经常化后采用压下率为80%-90%的一次冷轧法，冷轧过程进行时效处理；3）800-850℃脱碳退火后进行（750-800）℃×（30-60）s连续渗氮处理，控制脱碳退火后初次晶粒平均尺寸d=18-30μm，渗氮量控制 在（150-200）×10-6；4）高温退火升温阶段采用体积分数大于25%的N2+H2气氛以30℃/h的升温速率加热到700-850℃并保温5-10h，使不稳定的氮化物溶解并扩散均匀；5）可生产厚0.18-0.50mm产品，Al N的抑制作用比普通Hi-B钢中Al N的抑制作用更强，适用于制造节能变压器，而且更有利于生产无玻璃膜的新产品。
韩国浦项的抑制剂为Cu2S+Al N+BN（固有抑制剂+获得抑制剂）（脱碳与渗氮同步），板坯加热温度1050-1250℃，主要技术特点包括：1）铸坯主要成分（质量分数，%）为：C 0.02-0.045、Si 2.9-3.3、Mn 0.09-0.24、S≤0.006、Al s 0.013-0.019、N 0.003-0.008、B 0.003-0.008、Cu 0.3-0.7、Ni 0.03-0.07、Cr 0.03-0.07、P≤0.015，成分中C含量降低，Cu含量提高，并加入适量的Ni、Cr，以利于脱碳退火与渗氮处理的同步进行；2）热轧板进行高温常化处理，酸洗后经一次冷轧（压下率为84% -90%）至0.23-0.35mm；3） 在850-950℃进行120-185s的同时脱碳与氮化处理，冷轧板渗氮后钢中总w（N）控制在（130-82.9{1+[w（Cu）+10×（w（Ni）+w（Cr））]2}）×10-6，同时初次再结晶的晶粒尺寸控制在20-30μm；4）经过渗氮处理后，在最终高温退火过程中形成BN和（Al，Si）N析出相。
中国宝钢的抑制剂为Al N+Cu2S+Sn（固有抑制剂+获得抑制剂）。板坯加热温度为1100-1200℃，主要技术特点包括：1）铸坯主要成分（质量分数，%）为：C 0.04-0.06、Si 2.95-3.50、Al s 0.015-0.035、Mn 0.08-0.18、Cu 0.05-0.12、Sn 0.01-0.15、N 0.005-0.009、S 0.005-0.009、P 0.01-0.03；2）热轧终轧温度900-920℃，卷取温度500-520℃，热轧板采用两段式常化，并采用一次冷轧法；3）为降低表面氧化膜对渗氮的影响，先进行（800-900）℃×（5-50）s渗氮处理，渗氮量为（50-200）×10-6（850℃渗氮时，目标约120×10-6），此后进行800-900℃脱碳退火，在此过程中形成部分（Al，Si）N抑制剂；4）高温退火时的隔离剂采用水化率为1.5%-6.0%的硅钢专用MgO浆液，其中加入0.1%-10.0%的1种或2种以上的Na、K、Zn、Ca、Cr、Zr、Sr、Ti、Sb的氧化物或盐类。
综上所述，采用NH3进行渗氮处理目前以脱碳退火后再进行气态渗氮居多；渗氮温度以新日铁住金较低，其余的渗氮温度均较高一些；渗氮时间一般控制在30-60s；合适的渗氮量一般控制在（100-200）×10-6。
另外，中国武钢、首钢、鞍钢等也进行了此方面的研究，并申请了相关专利，目前已陆续投入工业化生产。
1.3采用“无抑制剂法”
日本JFE钢铁公司以高能量晶界理论为基础，开发了新的“无抑制剂法”低温板坯加热技术，生产出JGE系列产品，
其主要理论依据是，高能晶界中存在更多缺陷，能够促进晶界扩散与移动，因此晶界移动速率由高能晶界结构决定，通过钢的纯净化使晶界移动速率的内在差异得以体现，减少高能量晶界的移动阻力，从而促进二次再结晶的进行。
铸坯主要成分（质量分 数，%）为：C<0.01，Si 3.0，Al s<0.01，Mn 0.005-0.3，S、N、O以 及B、V、Nb<0.003。钢中还可加少量Ni、Sn、Sb、Cu或Cr。该工艺的主要特点为板坯加热温度1150-1200℃，热轧后经（900-950）℃×60s常化，冷轧前晶粒控制在200μm以下，采用一次或二次冷轧法，最终冷轧压下率控制在50%-90%。在干的N2+H2气氛中进行950℃×10s初次再结晶退火，省略脱碳退火工艺并采用1050-1100℃低温最终退火，不需要进行高温净化处理。0.35mm厚成品磁感B8为1.80-1.90T，铁损P17/50为1.10-1.25W/kg。 产品轧向磁性较低，但横向磁性有所提高，而且冲片性好，主要用作EI型变压器、镇流器、T型发电机以及扼流线圈的铁芯。若将w（C）提高至0.02%-0.05%，经950-1050℃常化，900℃×30s初次再结晶退火并部分脱碳至0.005%-0.025%，再在最终退火或平整退火过程中将碳脱除，成品磁性更稳定，0.35mm厚成品轧向磁感B8可达1.90-1.92T。
2薄板坯连铸连轧生产电工钢
薄板坯连铸连轧（TSCR）具有生产周期短、能耗低、生产效率高等特点，与传统厚板坯连铸生产电工钢相比，薄板坯连铸连轧工艺生产电工钢具有以下优势：1）通常，薄板坯连铸连轧工艺生产的铸坯非金属夹杂物的尺寸细小，氧化物尺寸大部分处于2-5μm，而硫化物大部分处于30-200nm；2）由于薄板坯连铸连轧工艺生产的铸坯中夹杂物细小，没有必要像厚板坯一样采取高温加热工艺使粗大的夹杂
物发生固溶，更容易实现低温板坯加热和高温卷取；3）薄板坯连铸过程中冷却强度大，以及带液芯压下，减少粗大的一次枝晶并使二次枝晶破碎，从而得到形状较规则、晶粒细小的铸态组织，极大地减少了元素偏析，并更有利于得到较多的等轴晶粒；4）采用薄板坯连铸连轧工艺可热轧成厚度为0.8-1.5mm的热轧带卷（传统工艺无法做到），以后经一次冷轧法就可生产0.15-0.20mm厚无取向电工钢（按传统工艺生产必须经二次冷轧），因此制造成本降低。
目前，一些厂家已经开始采用薄板坯连铸连轧工艺生产无取向电工钢，其中德国蒂森克虏伯采用薄板坯连铸连轧法生产出无取向电工钢。而且，中国马钢也已采用薄板坯连铸连轧工艺成功实现了50W350高牌号无取向电工钢产品的批量稳定生产，并且其生产过程减少了能源消耗，降低了制造成本。
意大利AST公司采用薄板坯连铸连轧流程生产CGO和Hi-B钢时，采用“固有抑制剂法”结合“获得抑制剂法”，薄板坯加热温度1150-1300℃，热轧板经两段式常化、一次冷轧、脱碳退火后进行约900℃高温气态渗氮，生产的普通取向硅钢和高磁感取向硅钢磁性分别达到新日铁住金Z8和Z6H的典型值。德国蒂森克虏伯也采用相同的抑制剂设计思路与工艺流程，薄板坯加热温度为1150℃，热轧时控制各道次压下率与终轧温度，成品磁感值B8不经渗氮处理可达1.89T，经渗氮处理后增至l.93T。AST钢铁公司生产取向硅钢过程存在的最大缺点是采用电炉流程，生产效率较低，该生产线于2005年停止生产硅钢。薄板坯连铸连轧工艺已经由原有的电炉流程转向转炉流程，转炉流程的TSCR工艺在生产效率和成本上具有明显的优势，在生产硅钢过程中，将不存在AST钢铁公司的问题。AST钢铁公司成功地实现TSCR生产线生产取向硅钢的经验值得借鉴。国内钢铁研究总院连铸中心在实验室模拟薄板坯连铸连轧流程，薄板坯加热温度1150-1180℃，采用“固有抑制剂法”成功试制了CGO和Hi-B钢，成品磁性能分别达到27Q140、30Q130与30QG130的水平。此外，采用“固有抑制剂法”结合固态渗氮方式的“获得抑制剂法”，也成功试制了Hi-B钢，成品磁性能达到30QG120的水平。
国内薄板坯连铸连轧工艺生产无取向硅钢有着广阔的发展空间，其发展趋势包括如下：l）高牌号产品。目前武钢CSP厂产品结构仍只覆盖中低牌号，50W350以上高级别产品仍依赖成熟的传统厚板坯流程。采用薄板坯连铸连轧流程生产高牌号无取向硅钢方面有着重大研究价值，目前随着马钢常化线的新建，钢铁研究总院连铸中心与马钢合作展开了CSP流程生产高牌号无取向电工钢的系列研究项目，以期攻克薄板坯连铸连轧生产高牌号无取向硅钢（50W350以上牌号）的技术难题。2）高效电机用钢。随着世界各国纷纷重视环境保护和可持续发展及国家节能减排政策的颁布，能够满足电机小型化和高效化、同铁损水平下拥有更高磁感应强度的高效电机用钢已成为大势所趋，薄板坯连铸连轧流程生产无取向电工钢所特有的磁感较高的特点在高效电机用钢生产过程中可得到更好的应用。3）特殊用途无取向电工钢。在国家“十二五”规划推出后，电动汽车行业相关研究迅速展开，钢铁研究总院积极全面开始电动汽车用高强度无取向电工钢的研制工作。此外，诸如半工艺防锈无取向电工钢等方向的研究也相应开展。4）薄规格电工钢。当前，在燃料系、冷却系、空调系所用电机以及混合型电动汽车的驱动电机中，均选用0.35mm厚电驱动用电工钢。减薄厚度，大幅降低涡流损耗，是降低无取向电工钢综合铁损的最有效方式，也是降低一些特殊电机高频铁损的主要手段。减薄厚度能显著降低铁损，而对磁感的减弱程度则较小，因此薄规格电工钢必然成为未来的发展趋势。薄板坯连铸连轧流程因其热轧、冷轧板板形的优势，为薄规格产品的生产提供了良好的原料基础，在此方向有着很大的发展空间。
采用薄板坯连铸连轧流程生产取向电工钢的主要发展趋势为采用“获得抑制剂法”即渗氮处理以稳定生产Hi-B钢，同时采用高温渗氮也成为渗氮处理的发展趋势，它不仅可以提高氮渗入和扩散进入钢片的速率，还可以使氮更好地扩散至钢带内部，影响渗氮过程中氮化物析出的种类与分布，并对最终钢中抑制剂的存在形式带来差别，而且在渗氮处理的过程中便可能直接形成部分所需的AIN抑制剂，但采用高温渗氮需保证初次再结晶晶粒的尺寸处于合适范围。
3双辊薄带连铸工艺生产电工钢
双辊薄带连铸工艺是比薄板坯连铸更为高效的板带材生产新工艺，具有工艺流程短、投资少、能耗低、环境负荷低等一系列优点。电工钢被认为是双辊薄带连铸工艺中最具有发展前途的钢种之一。许多国家都竞相开展了这方面的研究，其中具有代表性的是日本新日铁住金、意大利特尔尼和美国阿姆柯公司等。目前，国内东北大学、钢铁研究总院、宝钢等也正在进行双辊薄带连铸生产取向硅钢的研究。
近年来，东北大学RAL对薄带连铸电工钢的连铸、热轧及后续冷轧、热处理过程中组织与织构的演变规律以及组织性能调控的优势与潜力进行深入研究并取得如下研究成果：
1）基于双辊薄带连铸技术，在实验室条件下，开发出一种高磁感无取向硅钢生产新工艺。该工艺可省去传统生产流程中的常化处理，以一阶段冷轧代替两阶段冷轧并取消中间退火工序，而且铸带的初始厚度、热轧压下率、热轧温度以及冷轧压下率等参数均可灵活调控。
2）基于双辊薄带连铸技术，通过精确控制组织、织构和抑制剂，成功地制备出0.27mm厚的普通取向硅钢（B8=1.85T）及0.23mm厚的高磁感取向硅钢（B8=1.94T）。更重要的是，在超低碳（﹤0.003%）成分设计及薄带连铸亚快速凝固条件下，仍可通过调整常化（退火）工艺参数获得大量细小、弥散的抑制剂粒子。因而可省去后续的耗时、耗能的脱碳工序。在实验室条件下，RAL已成功制备出0.08-0.27mm厚的高磁感取向硅钢（B8≥1.94T）。新流程彻底省去了传统流程中的高温加热或渗氮处理，以及脱碳工序。常规流程使用普通厚规格、且经过氧化镁涂层的Hi-B作为原料，进一步轧制和三次再结晶，来制备薄规格的取向硅钢。新流程制备方法与常规取向硅钢制备方法相同，但生产成本大幅度降低。
3）创造性地提出了一种特殊的包含薄带连铸、温轧、冷轧、初次再结晶退火和二次再结晶退火的新流程，用来生产0.18-0.23mm厚的超低碳高硅（4.5%-6.5%Si）取向硅钢。新流程同样也省去了高温加热、脱碳和渗氮工序。目前，RAL正在为武钢量身定制一条6.5%Si高硅钢薄带连铸中试线。
4化学气相沉积（CVD）技术用于电工钢生产
日本钢管公司（NKK）曾开发出用CVD（化学气相沉积）快速连续渗硅法生产高硅电工钢。该工艺取代原轧制法生产出厚度为0.1mm、0.20mm、0.30mm，最大宽度为640mm的产品。CVD快速连续渗硅法是利用传统的取向和无取向电工钢片的表面和硅化物之间的高温化学反应使硅富集在电工钢片上。具体工艺是，将可进行冷轧的低Si钢冷轧成薄钢板，然后在无氧化气氛中加热薄钢板，在高温下对钢板上下表面喷吹SiCl4气体，使钢板表层发生Fe和Si的置换反应，将Si不断渗入钢板中。此后，在高温下对钢板进行均热退火处理，制造出Si含量均匀的高Si钢板（见图1）。采用CVD连续渗硅法，JFE开发了两种超级铁芯（super core）：JNEX-铁芯（低噪声、低铁损、高磁性）和JNHF-铁芯（超低铁损、高频范围超过5000Hz ）。超级铁芯对于降低铁损，特别是涡流损耗的效果非常明显，再加上其具有高饱和磁通密度的特性，能制造出重量轻、损耗小、轻便、高效的电器。用其制造的高频变压器可使噪声降低约6dB，噪声降低到20-30dB。
而且，目前JFE钢铁公司受新能源·产业技术综合开发机构（NEDO）的委托，正在进行新一代取向电工钢板的研究开发。该项研发的新一代取向电工钢板不同于传统的取向电工钢板，采用化学气相沉积（CVD）技术，在钢基体表面形成TiN膜，对钢板附加很大的张力。在样板试验中，开发材的铁损比基材23JGSD080的铁损W17/50=0.75W/kg降低了16%。与传统变压器铁损相比，用开发材制作的卷铁芯变压器在额定电压下（Bm=1.7T），铁损降低11%-12%，在110%额定电压下（Bm=1.91T），铁损降低21%-23%。
5电工钢产品开发趋势
目前，电工钢产品开发主要向低铁损、高磁感和薄规格等几个方面发展。磁畴细化技术可以使取向硅钢铁损降低10%-20%，很多钢铁企业或科研院所不断对该项技术进行研究。日本新日铁住金公司采用激光照射技术使Hi-B钢铁损降低15%左右。日本JFE钢铁公司采用在钢板表面制作沟槽的方法开发了一种耐热型的磁畴细化技术，该技术开发的产品以JGSD的名称商品化。随着生产技术的不断改进，“JGSD”产品的铁损进一步降低，厚度为0.23mm、W17/50≤0.80W/kg的耐热型磁畴细化取向电工钢板“23JGSD080”已经销售。而且，该公司又开发出与过去的等离子喷射法不同的非耐热型磁畴细化技术。利用该技术生产的“JGSE”系列产品于2014年开始销售。“JGSE”系列产品的最高级别是厚度为0.23mm、W17/50≤0.75W/kg的非耐热型磁畴细化取向电工钢板“23JGSE075”。另外，采用沉积张力涂层技术也能降低电工钢的铁损。日本JFE钢铁利用CVD技术开发出铁损降低的、Si浓度均匀分布的10JNEX900高硅钢。为了进一步降低铁损，开发出在厚度方向上存在Si浓度梯度的磁性材料10JNHF600。而且，该公司还开发出最大限度利用Si浓度梯度降低高频区涡流损耗的高Bs、Si梯度钢板JNSF。该钢板在制造过程中利用Si在各个相中的扩散速度差，扩大了Si在板厚方向的浓度梯度。其效果是进一步降低了钢板的涡流损耗。此外，由于JNSF的平均Si浓度小于JNHF，所以具有高的饱和磁感应强度（Bs）。电工钢厚度减薄至0.1mm。日本0.1mm厚的6.5%Si钢板（10JNEX900）已经用于制作电机铁芯。采用加Bi或三次再结晶，或高温梯度退火工艺，可开发出B8>1.95-2.0T的超高磁感取向硅钢。
6结语
随着电工钢生产工艺流程的不断优化、磁畴细化技术的不断改进以及晶粒取向度控制技术的不断提高，今后将开发制造出性能更加优良的电工钢产品，特别是高性能、宽板幅、薄规格、低成本、环保型电工钢产品。“十三五”期间，预计国内取向电工钢将全面实现高磁感取向电工钢（Hi-B）化，0.18mm和0.20mm厚度规格的高磁感取向电工钢（Hi-B）将达到国际先进水平，将具有批量生产0.23mm厚度规格，P1.7/50≤0.70W/kg高端取向电工钢的能力。
收稿时间：2016年7月3日
