目前，工业上主要通过提高Goss取向、减薄硅钢片厚度、细化磁畴3种途径来提高取向硅钢的综合性能。取向硅钢生产的新工艺也多从这3个方面来着手进行研究。本文将结合取向硅钢的传统生产工艺，介绍其生产工艺研究的新进展。
1 、取向硅钢传统生产工艺
取向硅钢按制造工艺和磁感大小可分为普通取向硅钢(CGO)和高磁感取向硅钢(Hi－B)。
抑制剂是取向硅钢中的细小弥散第二相质点或晶界偏聚元素，在取向硅钢的生产中起着举足轻重的作用。在高温退火过程中，尤其是发生二次再结晶的温度范围内(900～1100℃)，基体中各种位向的初次晶粒都有长大倾向[。因此，为使Goss晶粒得到发展，则须有抑制剂在钢中弥散分布，有效控制二次再结晶退火中其它位向再结晶晶粒的正常长大。通过加强抑制力，Goss晶粒不断吞并其他位向晶粒而发生异常长大，提高磁性能。
普通取向硅钢(CGO)生产技术由Goss在1934年发明，以MnS作为抑制剂，二次再结晶前采用二次中等压下率冷轧，具体生产工艺流程见表1。
1968年，新日铁采用一次大压下率冷轧法，以A1N 为主、MnS为辅助抑制剂，首次生产出更高磁感和更低铁损的高磁感取向硅钢(Hi-B)。新日铁法也是目前最通用的高磁感取向硅钢生产方法，主要生产工艺流程见表1。除新日铁法外，还有另外2种高磁感取向硅钢生产方法：以川崎为代表，添加Sb或Mo与MnSe或MnS作为抑制剂，采用二次冷轧；以美国为代表，添加B、N 与MnSe或MnS作为抑制剂，采用一次冷轧。
表1 几种传统取向硅钢制造工艺及其特点
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主要工艺
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普通取向硅钢(CGO)
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高磁感取向硅钢(Hi-B)
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方法一
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方法二
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方法三
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抑制剂
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MnS或MnSe
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AlN+MnS
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MnSe+Sb、Mo
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B+N+S或Se
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铸坯加热温度/℃
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1350~1370
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1380~1400
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1350~1370
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1250
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常化温度/℃
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不常化或900~950
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1100~1150
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900~950
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900~1025
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第一次冷轧压下率/%
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70
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85~87
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60~70
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85~87
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中间退火温度/℃
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850~950
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/
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850~950
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/
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第二次冷轧压下率/%
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50~55
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/
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60~70
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/
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脱碳退火温度/℃
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800~850(在湿H2+N2中)
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高温退火温度/℃
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1180~1200(820~900)×50h+(1180~1200)
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2 、取向硅钢生产新工艺
2．1 薄板坯连铸连轧生产取向硅钢
薄板坯连铸连轧是20世纪80年代末成功开发的一种近终形连铸技术，经过多年的发展，目前已趋于成熟，走向工业化，用于生产取向硅钢必将拥有广阔的市场前景。目前，日本和美国均已获得薄板坯连铸连轧生产取向硅钢相关专利，意大利AST2TERNI公司在自己的薄板坯连铸连轧生产线上成功生产了取向硅钢，国内钢铁研究总院在实验室条件下模拟薄板坯连铸连轧流程试制了取向电工钢，证明薄板坯连铸连轧流程生产取向电工钢是可行的。
2.1.1薄板坯连铸连轧生产取向硅钢流程
薄板坯连铸连轧生产取向硅钢工艺流程如表2所示。与传统板坯流程相比，薄板坯连铸连轧省略了初轧工艺，铸坯厚度(<100mm)远小于传统连铸坯厚度(200～300mm)，薄板坯经均热炉加热后无需粗轧，直接轧制成2.0～3.0mm厚度的热轧带卷。同时薄板坯流程生产的热轧带卷厚度可以减到小于1.2mm，有利于实现一次冷轧工艺生产取向硅钢。薄板坯连铸连轧流程的抑制剂类型为固有+后添加抑制剂，在初次再结晶和脱碳退火过程后，以相对较高温度用NH3进行渗氮处理，直接形成A1N沉淀。
2.1.2薄板坯连铸连轧生产取向硅钢技术优势
与传统板坯流程相比，薄板坯连铸连轧生产取向硅钢具有如下技术优势：
(1)第二相析出物细小，析出的MnS和A1N细小均匀，有效抑制晶粒长大，有利于二次再结晶晶粒取向织构的形成与发展，提高磁性能。
(2)板坯加热温度低、时间短，可避免传统工艺的铸坯高温加热所带来的麻烦并省去保温炉，在很大程度上减少工艺过程，大大降低生产成本。
(3)切边量小，成材率高。传统厚坯工艺单边切25mm，共切50mm；薄板坯工艺单边切10mm，共切20mm。
(4)组织和成分均匀，铸态组织好。薄板坯铸态组织晶粒尺寸细小，表面层和中心层的组织及成分差别小。同时，薄板坯连铸连轧工艺是一火轧制，不存在边部裂纹和横向裂纹。
(5)能量利用率高。薄板坯连铸连轧工艺不存在铸坯的中间冷却－再加热过程，可以充分利用铸坯热量，节约能源，比传统板坯节能60%。
(6)热轧带卷厚度可小于1.2mm，采用一次冷轧法，即可生产厚度不超过0.23mm的取向硅钢产品。
表2 薄板坯连铸连轧与传统板坯流程生产取向硅钢的工序比较
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温度区间
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传统板坯流程
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薄板坯连铸连轧流程
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热区
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冶炼
炉外精炼
连铸200~250mm
预加热+均热1150~1400℃
粗轧10~80mm
精轧2.0~3.0mm
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冶炼
炉外精炼
薄板坯连铸小于100mm
均热1100~1250℃
热轧2.0~2.5mm，
可小于1.2mm
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冷区
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（常化）
（一次冷轧）
（中间退火）
冷轧0.23~0.35mm
脱碳退火（渗氮，约750℃）
涂隔离剂
高温退火
涂绝缘膜
热平整
（细化磁畴）
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（常化）
（一次冷轧）
（中间退火）
冷轧0.23~0.35mm
脱碳退火（渗氮，约750℃）
涂隔离剂
高温退火
涂绝缘膜
热平整
（细化磁畴）
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2.2 异步轧制生产取向硅钢
减薄取向硅钢片厚度可以大幅度降低铁损，提高其综合性能。常规生产工艺中，当钢板减薄时，由于表面能对二次晶粒长大的驱动力的作用增大，同时抑制剂在高温退火时分解和扩散加剧，二次再结晶发生时抑制剂的数量和分布状态欠缺，导致其抑制能力下降，二次再结晶不易完善，磁性和稳定性极差，因此必须采用加强抑制初次晶粒长大能力等有效措施才能发展完善的二次再结晶。
异步轧制是2个工作辊圆周速度不等使轧制变形区产生一种搓轧变形的轧制技术，具有轧薄能力强、轧制压力低、轧制精度高等特点，可用于超薄取向硅钢的生产。齐克敏等通过异步轧制将成品工业取向硅钢板冷轧后，进行3次再结晶高温退火，成功试制出0.1mm以下具有优异性能的超薄取向硅钢带。刘刚等采用异步轧制代替传统取向硅钢生产工艺中的同步冷轧，二次再结晶后获得的产品性能优于常规轧制。与常规生产工艺相比，异步轧制生产取向硅钢具有以下特点和优势：
(1)由于在变形内存在着摩擦力反向的“搓轧区”，故即使道次变形不大，剪变形引起的“层搓”组织在带钢表面及体内均可同时出现，即使小变形亦可渗透到中心。
(2)在异步轧制方式下，冷轧织构与同步轧制织构组分基本相同，但冷轧织构沿板厚方向非对称分布，对称中心向快速辊一侧偏移，异步轧制冷轧板退火后织构沿板厚方向重新对称分布。实验和模拟都表明，异步轧制使有利的γ和组分增强，板材心部有害的a织构的强度较低，且没有形成较强的、不利于Goss晶粒发展的{001}<110>织构，因此切应变能够抑制不利织构组分的增加，改善心部的织构组态，有利于后期Goss织构的发展和最终产品性能的提高。
(3)异步轧制时存在强烈的剪切变形，在相同变形程度下等效应变更大。这种复杂的应力状态形成了大的应力和应变的梯度，使得冷轧带钢中的畸变能增加，导致后续退火时再结晶晶粒的数量大量增加。
(4)在取向硅钢的三次再结晶中，抑制剂抑制能力减弱，同时随着板厚的减薄，当平均晶粒尺寸近似于试样厚度时，晶界将从一个表面贯穿整个试样厚度到达另一表面，晶粒组织实际上是一种二维组织，几乎所有晶粒都将暴露于试样表面，此时表面能的下降将成为驱动力的主要来源之一。不同位向的晶粒表面能不同：γs {110}<γs (100) γs (111)，板厚越薄，表面积体积比越大，表面能所起的作用越大，晶粒长大的驱动力也就越大，晶粒长大越容易进行，因此通过三次再结晶可以获得完善的Goss织构。
2.3 双取向硅钢生产工艺
与一般取向硅钢沿轧向的单一易磁化方向不同，双取向硅钢存在2个相互垂直的易磁化方向，在纵、横两方向的磁感最高，因此可以显著提高硅钢片的磁性能。双取向硅钢由{100}<001>立方织构构成，在{100}晶面上有双倍于取向硅钢{110)面的最易磁化方向即<001>。此外，具有强旋转立方织构{100}<011>的硅钢板，同样也能达到双取向硅钢的效果。与取向硅钢一样，双取向硅钢也需要通过二次再结晶获得准确集中的立方织构。
原势二郎等发现，先后沿着热轧方向和横向进行4%压下率冷轧(交叉轧制)，经过脱碳退火和二次再结晶退火后，可以获得较强的{100)<001>取向织构。T．Tomida等研究了3%Si钢热轧板脱锰和脱碳处理中的织构演化，发现经过表层减薄加工、常规轧制、真空退火和脱碳退火后可以获得强旋转立方织构{100}<011>，所得产品具有优异的软磁性能。毛卫民等通过常规轧制和两次退火后也获得了强旋转立方织构{100}<011>；同时发现真空退火会造成一定程度的脱碳效应，并在钢板表层产生一定厚度的粗晶铁素体区，在后期脱碳退火时两侧表层铁索体向中心扩散，即强旋转立方织构在真空退火时先由表面产生，在随后的脱碳退火中向板中心生长，最后形成强旋转立方织构{100}<01l>。林勇等研究了“交叉轧制法”工艺生产双取向硅钢，发现控制纵横向冷轧压下率比在1.380~1.450时，最终成品中形成强而锋锐的立方织构{100}<001>。
双取向硅钢在初次再结晶完成后，晶粒后期长大的驱动能主要来自于界面能、多晶体的表面能和晶粒内部残留的少量应变能。
2.4 磁场退火生产取向硅钢
近年来，各种物理外场已经越来越多地应用到金属的凝固和热处理中，其中磁场退火在调控材料微观组织结构上的潜力便受到广泛关注。已有研究表明，在金属材料的制备过程中引入磁场热处理，可以在一定程度上影响其再结晶织构。
目前，磁场已经应用于硅钢的研究中，磁场退火可以使取向硅钢织构得到一定程度的改善。沙玉辉等沿轧向施加磁场，对取向硅钢薄带进行退火处理发现，磁场退火能显著增加对称轧制薄带的再结晶Goss织构组分，减少非对称轧制薄带的Goss织构组分。Masahashi N等的研究结果表明，磁场退火可以强化冷轧Fe-3.25% Si中<001>晶向沿外磁场方向的分布，但对平均晶粒尺寸没有明显影响。
目前，对于磁场对取向硅钢织构的影响机理主要从以下2个方面进行分析：
(1)由于磁晶各向异性，取向硅钢<001>方向具有最大磁导率，故其磁晶各向异性能最低，即磁场导致的自由能增加最小，促进<001>晶向平行磁场方向的晶粒长大，从而得到较大的晶粒尺寸。
(2)磁场诱发产生的磁有序会阻碍原子扩散，进而降低了晶界的可动性，晶界可动性的降低将导致再结晶进程延迟，使原本不利的取向(即非Cross组分)获得较多的发展时间。
因此，磁场一方面通过磁晶各向异性能促进织构发展，另一方面通过降低晶界可动性促进非Goss织构发展。目前磁场对取向硅钢影响的研究尚待进一步开展，对磁场退火影响其再结晶机理的研究也有待于深入。
2.5 无抑制剂生产取向硅钢
传统取向硅钢生产中由于抑制剂必须以细小弥散相析出，因此必须采用板坯高温加热方式。板坯高温加热给取向硅钢产量、磁性、能耗、成材率以及设备故障等方面带来巨大压力。而无抑制剂生产取向硅钢技术采用低温板坯加热，无需高温加热设备，加热时产生的氧化铁皮少，成材率高，能耗低，降低了成本，并可获得理想的磁性能。
目前，主要有以下2种无抑制剂生产取向硅钢工艺：
(1)利用表面能的方法。以表面能为驱动力，有意识地使{110}面优先长大，必要条件是板厚很薄，如0.15mm以下，以至于可采用50%～75%的第三次冷轧的技术，之后在一定高温区域、非氧化性保护气氛或真空中进行最终高温退火。
(2)高洁净度钢生产取向硅钢。高斯方位晶粒二次再结晶的本质要素是：一次再结晶组织中的高能晶界的分布状态；抑制剂的作用是使高能晶界与其他晶界产生移动速度差，使得二次再结晶成为可能。但是钢中存在不纯元素时，在晶界上特别是在高能晶界上容易产生偏析。当不纯元素含量多时，高能晶界与其他晶界几乎没有移动速度差，钢的洁净度越高，在结晶晶界上析出物和不纯元素越少，高能晶界构造中原有的移动速度差潜在性越强，从而使得高斯方位晶粒二次再结晶成为可能。
3 、结束语
综上所述，经过几十年的发展，取向硅钢的生产工艺取得了巨大进步。但是，对于生产更高磁感、更低铁损取向硅钢的努力和探索始终都没有停止过。目前，通过改进传统生产工艺来进一步提高取向硅钢磁性能效果已十分有限。预计在今后相当长的一段时间内，通过开发和完善新的生产工艺来进一步增加硅含量、减薄板厚、提高其Goss晶粒的取向度、细化磁畴等将是提高取向硅钢性能的主要途径，也必将给电工钢产业带来新的挑战和更多的机遇!
