薄带连铸电工钢成套工艺、装备与产品开发

1前言

 

近终形薄带连铸技术作为一种短流程、低能耗、投资省、成本低的绿色环保新工艺技术，其独有的亚快速凝固过程在获得钢材某些特殊性能方面具有独特优势，是实现高性能钢材短流程生产的重要途径。项目组在认真分析目前国际上最先进硅钢生产技术的成分设计、组织与织构控制原理以及存在的工艺技术难题的基础上，结合薄带连铸亚快速凝固、短流程的特征优势，完成了基于双辊薄带连铸的硅钢制造理论研究并形成了系统的工艺和装备技术，围绕薄带连铸高品质硅钢成套制造工艺与装备技术的各类关键问题，开发出薄带连铸关键单体设备和核心控制系统，形成了具有我国自主知识产权的薄带连铸高品质硅钢成套工艺与装备技术，为在国际上率先实现薄带连铸硅钢的工业化生产提供重要支撑。目前已取得的主要研究进展如下。

 

2薄带连铸硅钢品种及工艺研发

 

2.1薄带连铸无取向硅钢工艺研发

 

研究结果表明，在亚快速凝固条件下，通过改变熔池内钢水的过热度也可以制备出具有不同组织和织构特征的铸带坯。通过过热度控制满足了无取向硅钢、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（图1）。在薄带连铸条件下，通过对晶内剪切带和形变带这些亚结构的合理设计可以实现对再结晶行为的调控，在无需采取附加工序的条件下，即可获得近乎完美的织构组态：{001}织构全面占优，{111}织构基本消失（图2）。这种优越的织构特征在传统流程条件下是无法获得的。磁感指标B50优于国内外现有产品0.04T以上。由此，采用最简单的工艺措施，突破了传统生产流程的局限，提供了一条无需加热、无需常化处理、无需两步冷轧和中间退火的短流程、低难度、低成本制造高效无取向硅钢的全新工艺流程，为高品质无取向硅钢薄带连铸产业化生产提供了原型技术。

 

2.2薄带连铸取向硅钢工艺研发进展

 

通过对化学成分进行合理设计并对亚快速凝固过程进行调控可以获得非常细小的凝固组织，在这种细小的初始组织中即存在大量的Goss取向的晶粒，经小变形量的热轧后也可以保证存在一定数量的Goss“种子”，能够完全满足后期二次再结晶的需要。另外，当铸带坯初始凝固组织过于粗大时可采用两步冷轧法，在第一次冷轧后进行中间退火也可以确保一定数量的Goss“种子”，同样也能够满足后期二次再结晶的需要，从而全面解决了薄带连铸条件下热轧压缩比太小、剪切变形不够所引起的Goss“种子”不足的难题，扫清了制备取向硅钢的障碍（图3）。

 

在抑制剂控制方面项目组创造性地提出：在二次冷却阶段采用快速冷却以减少抑制剂的析出，对抑制剂的调控则主要集中在热轧板的常化处理阶段进行。通过改变常化处理参数可以实现对抑制剂的数量、大小及分布状态的精确调控，最终使抑制剂较传统流程更加细小（25-50nm）且尺寸分布更加集中（图4）。该技术不但取消了传统生产流程的高温加热和渗氮工序，而且使抑制剂调控难度显著降低，调控精度显著提高，找到了一条取代传统高难度、高技术、高成本生产流程的短流程、易控制、低成本的取向硅钢制造新流程。实验室条件下成功制备出0.27mm厚的普通取向硅钢，磁感指标B8达到1.85T，与国内外现有CGO产品相当（图5）；成功制备出0.23mm厚的高磁感取向硅钢，B8达到1.94T，优于国内外现有Hi-B产品（图6）。该技术提供了一条无需高温加热、无需渗氮处理的短流程、低难度、低成本制造取向硅钢的全新工艺流程，为取向硅钢薄带连铸产业化生产提供了技术原型。

 

在薄带连铸条件下发现即使碳含量低于0.003%，通过冷却及常化处理控制抑制剂的形核和长大，在全铁素体组织中也可以获得足够数量的细小、弥散的抑制剂质点，完全能够满足二次再结晶的需要。从而提供了一条可省去脱碳退火的更短流程、更低成本的取向硅钢制造新流程。在对抑制剂调控的基础上，解决了初次再结晶组织不均、微织构分布不均的难题，制备出细小、均匀的初次再结晶组织，为二次再结晶的发生扫清了障碍。通过上述工作，研究人员最终在实验室条件下成功制备处出0.23-0.27mm厚的超低碳高磁感取向硅钢的原型钢，磁感B8可达到1.94T，显著优于国外产品，这为电工钢生产提出了一条无需高温加热、无需热轧、无脱碳退火、无需渗氮处理的短流程、低难度、低成本制造取向硅钢的全新工艺流程，彻底改变了传统电工钢的生产工艺及成分设计。

 

2.3薄带连铸无取向 6.5%Si 钢的研发

 

6.5%Si高硅钢具有高电阻、高磁导率和接近于零的磁致伸缩的优点，是一种性能优良的软磁材料。然而，随着Si含量的增加，室温脆性大幅度上升，室温加工性能急剧下降。因此严重制约了高硅钢的工业化应用。研究人员创造性地提出利用薄带连铸＋形变诱导无序的工艺方法来制备6.5%Si高硅钢。采用薄带连铸-热轧-温轧-冷轧的工艺方法，克服了高硅钢的室温脆性问题，成功制备出板形良好、磁性能优良的0.1-0.2mm厚高硅钢冷轧板，其磁感指标B8远高于日本CVD法制备的同规格产品。针对薄带连铸＋形变诱导无序的加工路线设计并建成了6.5%Si高硅钢专用中试机组，制备出大尺寸0.1-0.2mm厚的超薄带（图8、图9）。为我国6.5%Si高硅钢的薄带连铸工业化生产奠定了坚实基础。

 

2.4高磁感取向硅钢极薄带与取向高硅钢的研发

 

在薄带连铸6.5%Si与3.0%Si极薄取向硅钢研究方面，研究人员提出了薄带连铸过程中的晶界工程控制理论，完成了新型抑制剂的设计，提出了抑制剂固溶-析出行为的控制方法。在实验室条件下制备出0.18mm厚的6.5%Si取向硅钢，磁感B8大于1.74T。并制备出0.08mm厚的3.0%Si高磁感取向硅钢，磁感B8大于1.94T，显著高于日本同规格产品1.84T的水平（图10），这为我国关键高端软磁材料的产业化生产和应用奠定了坚实基础。该研究成果标志着东北大学在薄带连铸电工钢研究领域具有国际领先地位，极大地推动了薄带连铸技术及高性能电工钢制造技术的发展，将为电工钢生产带来革命性变革。

 

3薄带连铸硅钢工业化产线实施

 

利用薄带连铸硅钢中试研究平台，完成了结晶辊结构的优化设计、浇注水口结构的优化设计、浇注保护系统的优化设计等，实现了关键单体装备与技术的系统集成。另外，研发出熔池液面检测与控制系统、凝固终点位置检测与控制系统、铸轧力检测与控制系统、铸带坯厚度/板形检测与控制系统、热轧板厚度/板形检测与控制系统、表面质量检测与控制系统等关键控制系统，为生产厚度均匀、板形良好、表面质量优异的硅钢带坯奠定了坚实的基础。

 

2016年5月26日，在前期联合验证的基础上，东北大学与河北敬业集团正式签订了高品质钢薄带连铸产业化单嘴精炼工艺、中间包电磁感应加热、高刚度和高精度轧制技术等方面采用了多项国内领先系列关键技术转让合同，共同合作和开发实施“薄带铸轧短流程生产线关键技术研发及应用”项目，标志着东北大学具有我国完全自主知识产权的E2Strip正式步入工业化实施阶段。针对铸轧高品质钢工艺、质量的特殊性要求，在铁水“三脱“预处理工艺、RH先技术和独特的设计理念，在技术应用和功能实现上具有一定的先进性和挑战性，此产线将建设成为国内首台/套集前沿铸轧技术与先进轧制技术为一体的具有独特功能的创新示范产业线。整个铸轧产线拟采用单流单机架四辊热轧机布置类型，设计产能为40万吨/年。尺寸规格为：热带卷1.5-3.5mm×1350mm。硅钢薄带铸轧示范线生产的产品品种为：高磁感无取向硅钢、高牌号无取向硅钢、高碳普通取向硅钢、高磁感取向硅钢热轧带、低碳的普通取向硅钢和高磁感取向硅钢。主要工艺流程：铁水预处理→转炉→RH（单嘴精炼炉）→连铸。薄带铸轧项目的产线设备主要包括：浇注设备、铸轧机设备、铸轧机出口夹送设备、热轧机、冷却设备、飞剪、卷取设备、钢卷运输线。上述示范线的建成将为高性能、节约型、低成本E2Strip工业化进程发挥重要的示范作用，为硅钢生产开辟一条由中国领跑的特色化、绿色化创新发展道路，在世界范围内拉开了硅钢新一代先进制造技术革命的序幕。