1研发背景
当前，驱动电工钢研发活动的因素主要有两个：一方面，必须研发更低铁损、更高磁感的电工钢产品，以减少电力的损耗，提高使用效率，不断满足用户日益强烈的节能、减排需求；另一方面，必须尽可能简化生产工序、减少电工钢生产的资源和能源消耗、降低生产成本以提高产品的市场竞争力。显然，在过去几年中，后者成为了绝大部分工业研发及基础研究活动的最大动力。现在几乎所有的电工钢生产企业都在谋求新一代高性能、低成本电工钢生产技术。
近年来，硅钢生产技术不断取得进展。无取向硅钢主要进展是适当降低Si+Al含量，尽量提高钢的纯净度，来生产高磁感、低铁损产品。织构调控是制备具有良好磁性能无取向硅钢的关键，为此需要精确控制无取向硅钢的化学成分、钢水洁净度以及不断优化生产工艺，例如采用优化的热轧规程、常化退火处理以及两阶段冷轧和中间退火。近年取向硅钢生产技术最大的进步是采用获得抑制剂法的低温（1150-1300℃）板坯加热流程代替了采用固有抑制剂法的传统高温板坯加热（~1400℃）流程，降低了生产难度，提高了成材率。当前最先进的低温加热制造流程是将薄板坯（60-90mm）连铸短流程与直接热轧相融合，可通过固有抑制剂法或获得抑制剂法生产取向硅钢。众所周知，6.5%Si高硅电工钢具有优异的软磁性能，但其室温塑性和加工性能非常差。因此，难以利用传统的轧制方法大规模生产0.1-0.5mm厚的6.5%Si硅钢。到目前为止，JFE仍是世界上唯一的6.5%Si钢商业化供货商。
尽管硅钢生产技术在过去的几十年中已经取得了巨大进步，但是，现有的生产流程仍然过于繁琐、冗长，导致高能耗、高污染、高成本。相反，新颖的薄带连铸技术可由钢液直接生产出带钢，快速凝固的薄带连铸过程和简洁的热轧过程彻底改变了传统电工钢生产过程中组织和性能调控的思路和方法，为高性能电工钢新产品的研发带来了希望。薄带连铸技术区别于厚板坯连铸和薄板坯连铸技术的显著特点在于亚快速凝固和近终形成型。因此，薄带连铸工艺流程的凝固、析出、相变行为和织构演变规律必然区别于传统流程。注意到薄带连铸的这些特点，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（RAL）在自然科学基金和国家科技计划的支持下，集中力量研究了薄带连铸电工钢在连铸、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。在实验室条件下，彻底改变了传统电工钢的生产工艺和成分设计，开发出不同硅含量性能优异的无取向硅钢、取向硅钢和高硅钢，为更高质量电工钢的产业化开辟了一条有极大潜力的新路。这一系列创新技术被命名为E2Strip（ECO-El ectric Steel Strip Casting），即绿色化薄带连铸电工钢技术。本文报道了这种可颠覆传统技术的电工钢生产技术的组织性能调控理论，总结了其最新的基础研究进展，阐述了它的优势与潜力，并分别对特殊设计的短流程、绿色化生产工艺进行了简要说明。
2主要研发进展
2.1薄带连铸是节能减排的绿色化、短流程技术
薄带连铸可不经过多道次热轧而直接生产出与传统热轧产品厚度相近的、甚至超薄的热带，它是一项节能减排、低成本、高效能、绿色化的短流程生产技术。与厚板坯连铸相比，薄带连铸的投资、生产成本和能源消耗可分别降低80%、35%和86.7%，CO2、NOx、SOx的排放量可分别降低86%、93%和70%。另一方面，由于薄带连铸独特的亚快速凝固速率，它是目前可以工业化、规模化大生产的少数几个快速凝固过程之一。这一过程可以开动新的夹杂物或金属化合物析出机制以及新的晶粒细化机制，由此带来显著区别于传统连铸坯凝固组织特点，并有可能直接影响工艺制度的革新和产品性能提高。因此，它非常有可能用于生产某些现有生产流程难以生产或无法驾驭的特殊钢材，例如生产工艺复杂、高能耗、高污染、高成本、高难度的电工钢产品等。
基于此，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室自2008年至今，对薄带连铸电工钢的关键技术与生产装备进行了持续研发和攻关，形成了基于薄带连铸的绿色化、颠覆性电工钢生产技术——E2Strip，将电工钢的生产全面推向了一个新的高度。
2.2亚快速凝固条件下的组织和析出物控制
薄带连铸技术是亚快速凝固过程。在亚快速凝固情况下，凝固组织的特点与可控性一直存在不同的看法，其中的主流观点认为：亚快速凝固将会导致异质形核并抑制{001}柱状晶的生长，所以，薄带连铸条件下凝固组织应该以细小的等轴晶粒为主要特征。对于薄带连铸过程中的析出也缺乏细致的研究。然而，RAL发现：通过改变钢液的过热度可以精确控制铸带的初始组织和
织构类型。钢液的过热度对铸带组织和织构的影响（3.2%Si+0.7%Al，NGO）。当过热度为20℃时，可以获得具有几乎漫散织构的等轴晶组织；当过热度为80℃时，可以获得具有较弱λ纤维织构的柱状晶和等轴晶的混合组织；当过热度为110℃时，可以获得具有强烈λ纤维织构的全柱状晶组织。因此，薄带连铸硅钢凝固组织具有独特规律，可以预测，可以依据产品类型进行个性化控制。这一发现不仅打破了人们对薄带连铸亚快速凝固的传统认识，而且满足了无取向硅钢、取向硅钢、6.5%Si钢对初始凝固组织和织构类型的个性化需求，为制备较之传统产品更高性能的硅钢产品提供了有利条件。
同样重要的是，铸带中的析出相也可通过改变浇注过热度来控制。研究1.3%Si无取向电工钢中钢液的过热度对析出物尺寸的影响，可以发现，在较低的过热度（如20℃）条件下，可以获得弥散且细小（~63nm）的Al N粒子；在较高的过热度（如30℃和50℃）条件下，可以获得较大的（0.4-1.4μm）Al N粒子。这一发现为粗化无取向电工钢中的析出粒子以降低铁损提供了一个重要方法。在薄带连铸取向钢和6.5%Si电工钢中也发现了类似的规律。
另一个重要的发现是：通过优化化学成分设计，所获得的细小析出物可以显著细化电工钢的初始凝固组织，特别是对于无固态相变的6.5%Si取向硅钢影响更大。超低碳6.5%Si取向硅钢、6.5%Si无取向硅钢的铸带组织及析出物。可以看出，6.5%Si取向硅钢具有比6.5%Si无取向硅钢更加细小的凝固组织。在6.5%Si取向硅钢铸带的晶界上观察到了非常细小、弥散的MnS粒子。由于亚快速凝固，薄带连铸初期即可形成MnS粒子，这些粒子钉扎了晶界的进一步移动，因此形成了非常细小的凝固组织。
快速凝固形成的细小析出
物可以显著细化连铸薄带的初始凝固组织，不仅仅对于取向电工钢的生产具有重要意义，而且对于生产高品质的普通碳素钢也具有十分重大的意义。
2.3薄带连铸无取向硅钢的研究进展
铸带的初始组织和织构显著影响最终的再结晶组织和织构。显然，具有强烈λ纤维织构的柱状晶组织比等轴晶组织更有利于提高无取向硅钢最终的λ纤维再结晶织构。特别是通过优化工艺控制参数可以进一步改善最终的再结晶织构。组织和织构的优化调控原理，采用优化的工艺时，冷轧组织中的晶内剪切带取代了未优化工艺时的大量形变带。形变带的晶界是γ再结晶晶粒的形核地点，而晶内剪切带则是λ再结晶晶粒和Goss晶粒的形核地点。另外，{001}<110>-{115}<110>变形晶粒的晶界也可为λ再结晶晶粒提供形核地点。因而，采用优化的工艺时，可最终获得强烈的λ纤维再结晶织构与Goss织构以及很大的晶粒尺寸（~150μm）。令人吃惊的是，不利的γ纤维再结晶织构几乎消失了。需要指出的是，在传统生产流程中，即使采用了繁琐的附加工序，如常化处理、两阶段冷轧和中间退火，不利的γ纤维再结晶织构依然存在，而有利的λ纤维再结晶织构则较弱。
得益于有利的再结晶组织和织构，薄带连铸无取向硅钢的磁性能指标显著优于传统产品，显示出较高的磁感应强度以及较低的磁各向异性。其中，实验室条件下薄带连铸生产流程的工艺过程为：薄带连铸–热轧–冷轧–退火。这一短流程生产技术为生产高磁感无取向硅钢提供了新途径，可省去传统生产流程中的常化处理、两阶段冷轧及中间退火工序。另外，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，这为进一步优化调控再结晶组织和织构提供了有利条件。不仅有利于获得更好的磁性能，而且有助于基于一种化学成分柔性化生产不同牌号的无取向硅钢产品。在竞争日益剧烈的今天，由于工艺简化而带来的产品成本降低具有特殊的吸引力。
2.4薄带连铸取向硅钢的研究进展
对于取向硅钢生产而言，抑制剂的精确控制是核心技术所在。抑制剂的种类、尺寸、数量及分布决定了二次再结晶Goss织构的形成和质量，决定了取向硅钢的磁性能。几十年的生产实践表明，有效钉扎晶界移动、抑制晶粒正常长大的抑制剂（如MnS、Al N）的最佳尺寸为30-70nm。在取向硅钢的传统生产流程中，细小弥散的MnS粒子形成于热轧阶段，而Al N则主要形成于热轧后的常化处理阶段或者初次再结晶后的渗氮处理阶段。相比之下，由于薄带连铸过程独特的亚快速凝固和小变形量热轧过程，抑制剂的形成与演化必然显著区别于传统生产流程。研究进展表明，薄带连铸的亚快速凝固和后续的快速冷却可显著推迟抑制剂的析出并有效抑制其粗化。换言之，大部分的抑制剂形成元素（如S、Mn、Al、N等）仍然大量固溶于铸带中，即使在热轧后也仅有少量10-30nm的析出粒子出现。而在传统流程中，厚铸坯中往往就已经形成了大量粗大的析出粒子，这些粗大的粒子无法发挥有效的抑制作用。所以，必须对厚铸坯进行高温加热使粗大的析出粒子溶解，再通过后续热轧及常化处理过程才能获得细小的抑制剂粒子。而在薄带连铸条件下，无需对铸带进行重新加热，利用常化处理即可获得大量的具有期望尺寸的稳定的抑制剂粒子。通过优化设计常化处理工艺参数，可以简单、精确地调控抑制剂的数量、尺寸，可以保证在整个厚度方向上获得弥散的20-50nm的抑制剂粒子。因此，利用薄带连铸技术生产取向硅钢，即使省去传统流程中的高温加热和渗氮工序，抑制剂粒子的数量、尺寸和分布也能够满足所需的抑制效果。当然，这一过程必然可以大大提高抑制剂的抑制能力，提高抑制剂的使用效率。
Goss晶粒的起源和演变是取向硅钢生产的另一个关键问题。在传统生产流程中，最终的二次再结晶Goss织构发源于热轧板的亚表层。相比之下，在薄带连铸流程中，Goss织构起源于铸带中的等轴晶组织，热轧后在整个厚度方向均存在。另外，对初次再结晶组织的晶粒尺寸进行控制也非常重要。通过优化化学成分以及从薄带连铸到初次再结晶的工艺参数，可以使初次再结晶的晶粒尺寸降低至7-12μm。这种初次再结晶晶粒的尺寸远小于传统厚板坯连铸流程中18-20μm以及薄板坯连铸流程中14-17μm的水平。需要注意的是，两步冷轧法由于经过两次再结晶过程可使初次再结晶组织更加细小、均匀。因此，可以获得更强的二次再结晶驱动力，形成更加精准的Goss织构。
RAL在实验室条件下，通过精确控制组织、织构和抑制剂，基于双辊薄带连铸技术成功地制备出0.27mm厚的普通取向硅钢（B8=1.85T）及0.23mm厚的高磁钢取向硅钢（B8=1.94T）。需要指出的是，该流程省去了传统的高温加热或渗氮工序，可使生产成本大幅降低。
研究发现，更有趣的是，在超低碳（﹤0.003%）成分设计及薄带连铸亚快速凝固条件下，仍然可以通过调整常化（退火）工艺参数获得大量细小、弥散的抑制剂。这表明在新流程中碳不是取向硅钢所必需的元素，因而可以省去脱碳工序。在实验室条件下，RAL目前已经成功制备出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、渗氮处理和脱碳工序。
2.5薄带连铸高硅钢的研究进展
课题组提出了一种特殊的包含薄带连铸、热轧、温轧、冷轧和退火工序的新流程，用来在工业规模下生产宽幅0.10-0.50mm厚的6.5%Si高硅无取向硅钢。与低Si的无取向硅钢相似，通过有效调控冷轧组织及织构也可以获得强烈的λ纤维再结晶织构和非常弱的γ纤维织构。对冷轧组织控制的关键是通过优化薄带连铸、热轧和冷轧工艺在变形组织中得到大量的晶内剪切带。这些剪切带与{001}<110>-{115}<110>变形晶粒为立方再结晶织构的形成提供形核位置，再结晶完成后形成了强烈的立方织构和极弱的γ纤维再结晶织构。彻底解决了传统6.5%Si高硅钢产品中有害γ纤维再结晶织构太强而有利λ纤维织构太弱的问题。得益于这种近乎完美的再结晶织构，磁感应强度B8较CVD产品提高了0.05T以上。
另外，课题组还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。观察4.5%Si和6.5%Si取向钢的低倍组织，其磁感强度B8分别达到了1.78T和1.74T。通过对组织和织构的控制，6.5%Si钢铸带在室温下显示出良好的加工性能。其室温延伸率远远高于传统6.5%Si钢5%的水平。
2.6工业化技术及装备研发进展
目前，正在为武钢量身定制一条可生产6.5%Si高硅钢的薄带连铸中试线。它包括了冶炼、薄带连铸、可逆式温轧或冷轧以及退火等设备，可生产0.20-0.65mm厚、400-500mm宽的4.5%-6.5%高硅钢产品。另外，RAL还完成了薄带连铸电工钢工业化生产线的系统设计，可全面满足高磁感无取向钢、高牌号无取向钢、普通取向钢以及高磁感取向钢的生产。产品宽度可达1050-1250mm，年产量可达40万吨。
3结语
将双辊薄带连铸技术应用于高品质电工钢的生产较传统的厚板坯连铸和薄板坯连铸具有无可比拟的优势和潜力。为了突破电工钢传统制造流程的种种局限，彻底改变电工钢生产流程冗长、工艺复杂、高能耗、高污染、高成本、高难度的局面，RAL创造性地提出了颠覆性的绿色化薄带连铸电工钢生产技术——E2Strip。多年的研发和实践证明，这种制造高品质电工钢的新流程正在展现出广阔的应用前景和巨大的产业化潜力。
