电工钢是各种电器元件最重要的金属功能材料。取向电工钢是各类变压器、镇流器、放大器、稳压器、继电器、整流器、电磁开关等定向磁场电器产品制作铁芯的核心材料。利用Goss取向晶粒在轧向上优异的磁化性能，取向电工钢主要应用于制作定向磁场的铁芯，以降低磁致损耗并大幅度提高磁感水平。取向电工钢，尤其是高磁感取向电工钢，是制造大型变压器、发电机和电动机铁芯不可或缺的材料，具有节能并大幅度减小体积和质量的优点，可满足大型核电站、水电站和火电站的需要。近年来，中国发电量较大幅度的增长和制造业的兴起，带动了取向电工钢的强劲需求，为中国研究、生产和开发取向电工钢带来了良好的发展机遇。
本文将围绕取向电工钢的生产和开发，着重阐述其生产中的难点和重点以及取向电工钢的生产工艺和产品的发展趋势。
1、取向电工钢的发展概述
1934年美国的高斯（Goss）发表了取向电工钢片的生产方法的专利，这种方法的主要特点是采用MnS作为抑制剂，利用二次冷轧法。这种方法的难点是必须采取铸坯的高温加热工艺，这是Armco公司在一次热轧事故中发现的。由于热轧事故，铸坯在炉内时间延长，板坯温度上升，结果发现这批料的磁性好且稳定。可以说，Goss取向电工钢的生产方法是由经验与努力而得来的技术诀窍。
在取向电工钢的生产开发中，具有划时代意义的是高磁感取向电工钢（Hi-B）的生产。在Hi-B的研究开发中，必须提及东京大学宇航研究所的本多光太郎教授与新日铁公司的田口悟与坂仓昭研究员，他们经过近6000块热轧板的各种试验而摸索出的一次冷轧法生产Hi-B钢，先后花了16a的时间。虽然新日铁公司1958年从美国的Armco公司引进了取向电工钢的生产专利，但他们还是潜心地研究取向电工钢的一次冷轧法。Hi-B钢生产的核心是AIN的控制，包括冶炼成分和热轧板退火条件的控制。
2、取向电工钢的现行生产工艺
冷轧取向电工钢生产的首要目标是保证产品的质量，获得符合质量要求和技术要求的产品。电工钢生产的另一任务是努力提高产量，这一任务的完成不仅取决于生产工艺过程的合理性，而且取决于时间和设备是否充分利用及操作者的技术素质。此外，在提高产量和质量的同时，还要努力降低成本。
取向电工钢的生产组织包括原材料的组织与准备，设备的使用与维护以及技术规程的制定。各种冷轧取向电工钢根据用途的不同，其生产工艺和操作方法也不同。下面主要就国内外冷轧取向电工钢的现行生产工艺进行简要介绍。
冷轧取向电工钢的生产包括一次冷轧法和二次冷轧法。二次冷轧法一般用于生产一般牌号的取向电工钢，它是由热轧带钢冷轧至中间厚度并进行退火，然后经过二次冷轧成最终厚度后进行最终退火等工艺组成。其基本特点之一是以MnS或MnSe作为有利夹杂来抑制初次晶粒的长大；其基本特点之二是采用中等压下率的冷轧来形成形变织构（111）［112］。一次冷轧法是用于生产高磁感取向电工钢的方法。它是将热轧带钢通过常化处理后一次冷轧至成品厚度，然后进行脱碳退火。其生产特点是：①以AlN+MnS（以AlN为主）作为有利夹杂来抑制初次晶粒的长大，促进（110）［001］晶粒长大；②以85%的大压下率形成再结晶的（110）［001］的冷轧形变织构。
2.1、取向电工钢的生产工艺流程
一般取向电工钢的生产工艺流程如图1所示。新日铁、川崎（现在为JFE公司）生产Hi-B钢的工艺流程如表1所示。
图1 一般取向电工钢生产的主要工艺流程
表1 新日铁和川崎生产Hi-B钢的工艺流程
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新日铁方式
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川崎方式
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一般取向电工钢
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炼钢（3%Si，Al，N，Mn，S）
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炼钢（3%Si，Mn，Se，Sb）
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炼钢（3%Si，Mn，S或Se）
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热轧
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热轧（板厚3mm）
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热轧
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常化
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常化
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无
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一次大压下冷轧（>80%）
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第一次冷轧
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第一次冷轧
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中间退火
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中间退火
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第二次冷轧压下率60%-70%
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第二次冷轧
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脱碳退火
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脱碳退火
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脱碳退火
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最终高温退火
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最终高温退火（820-900℃二次再结晶退火，1100℃以上纯净退火）
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最终高温退火（通常1100℃罩式退火）
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平整退火
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平整退火
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平整退火
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涂层
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涂层
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涂层
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2.2、取向电工钢生产过程中的难点和重点
1）冶炼方面的难点之一为成分控制范围窄。成分允许波动范围比普通低碳钢和冷轧薄板钢的成分范围窄得多，特别是板愈薄，成分范围变得更窄，用一般的冶炼工艺设备和分析手段是难以达到的。成分的波动直接影响各个工艺过程和最终产品的性能。成分的控制主要是利用真空精炼装置来进行，这涉及合金的称量和成分的快速和准确分析等，减少成分的波动则涉及炼钢和连铸整个工艺过程，尤其是精炼和连铸过程。
2）冶炼方面的难点之二是纯净度的控制。纯净度的控制不仅包括减少氧化物夹杂，还包括减少形成稳定碳化物的元素NB、V、Ti和形成硫化物的元素Mg、Ca等，这些元素直接影响抑制剂的析出行为。这些元素主要随废钢、铁合金和耐火材料带入钢水，必须加强这些原辅料的采购和管理。
3）冶炼方面的难点之三是铸坯的成分偏析和铸坯裂纹。由于取向电工钢含硫高和锰低，铸坯容易产生内裂与偏析。解决的方法是采用低过热度浇铸、进行电磁搅拌和铸坯轻压下等措施，定期调节铸机状况，以减少由于硫高带来的中心偏析与内裂，降低柱状晶比率。
4）热轧工艺的难点为铸坯的高温加热。为了使MnS和AlN等抑制剂尤其是MnS完全固溶，需将铸坯在高温下加热并保温一段时间，因而容易造成铸坯的氧化烧损。新日铁公司在高于300℃的铸坯表面喷涂防氧化剂后再入炉加热。川崎钢铁公司为防止高温加热形成晶界裂纹，改善产品表面质量，在高于500℃的铸坯表面喷涂MoO3或CaMoO4水溶液。有的厂家的做法是铸坯在入炉前涂布防氧化的涂料。
5）冷轧工序的重点为高温退火。对于一般取向电工钢，为了取得好的（110）［001］晶粒取向，应采用较慢的加热速度，以保证位向好的（110）［001］晶粒优先长大并发生二次再结晶。对于Hi-B钢，必须控制好高温退火工艺中各个阶段的温度和气氛，以保证磁性和形成良好的底层。
2.3、取向电工钢中的低温加热工艺
降低取向电工钢板坯加热温度具有避免液渣形成、减少加热炉的维修、得到更高的金属收得率、防止板坯中部不希望的晶粒粗大化等优点。近年来，人们在研究板坯低温加热时，为保证抑制剂强度而加入了除硫化锰以外的其他物质，如氮化物和晶界析出元素等来强化抑制剂。
氮化铝的固溶温度比硫化锰的要低，则更适合实现低温加热。目前，工业上采用板坯低温加热工艺的生产方法是以氮化铝为抑制剂，在二次再结晶开始前进行渗氮处理，或者以氮化铝为主抑制剂，以Cu2S和硫化锰为辅助抑制剂。其手段就是向钢中渗氮，使之与钢中原有的元素结合，形成有抑制剂功能的氮化铝析出物。按氮化铝方案可将板坯加热温度降到1150～1200℃，为获得完整的二次再结晶组织、高磁性和好的玻璃膜，还须进行相应的成分调整和工艺改进。新日铁研究的Hi-B新工艺特点是：以氮化铝为抑制剂，板坯加热温度降到1150～1250℃，脱碳退火后在含NH3的H2+N2气氛中进行渗氮处理，采用一次冷轧法可生产0.18～0.50mm厚的产品，且更易制成无玻璃膜的新产品。住友金属提出以氮化铝为抑制剂的低碳1.5%Mn-2.2%Si的取向电工钢工艺来降低板坯加热温度。韩国浦项钢铁公司提出以氮化铝为主抑制剂，Cu2S和硫化锰为辅助抑制剂，板坯在1250～1320℃加热，生产一般取向电工钢及高磁感取向电工钢工艺。
3、取向电工钢的工艺进展和发展趋势
3.1、取向电工钢的工艺进展
工业生产取向电工钢一直采用铸坯高温加热工艺，以保证获得稳定的高磁性，但缺点是氧化渣多，烧损量可达5%，成材率低；要经常清理炉底，产量降低；燃料费用高；炉子寿命短；制造成本高；产品表面缺陷多。多年来一直在试图降低铸坯的加热温度。目前主要有以下几种方法：以Mn代Si、加Cu和渗氮等。高锰电工钢用Mn代替部分Si以及添加微量Al作为抑制剂，可降低板坯加热温度、降低最终成品退火温度和省略脱碳退火工序。1989年，日本住友金属公司的屋铺裕义等人提出了无碳的新型简单加工的Si-Mn电工钢，1995年前后新日铁公司的吉富康成等人也研究了这种新型的Si-Mn钢。近年来，日本一直在研究这种新型的钢种。降低板坯加热温度的另一方法是向电工钢中加Cu。Cu对取向电工钢的性能的影响是多方面的，其中的重要作用之一是起辅助抑制剂的作用和降低板坯加热温度。降低板坯加热温度的第3种主要方法为脱碳退火后渗氮处理。新日铁公司一直在开展此方面的研究工作。最近，意大利的Terni公司的Ste-fano Fortunati等提出了利用CSP（Compact Strip Production）工艺和渗氮法生产高磁感取向电工钢的方法。
3.2、采用薄板坯连铸连轧和薄带铸轧工艺生产取向电工钢
随着世界经济的发展，尤其是中国经济的带动，世界电工钢的生产和消费量连年增长。与此同时，为了降低电器产品和设备的成本，企业也越来越重视低成本、高性能新型电工钢产品的开发和研究。国内外已开始研究以薄板坯连铸连轧短流程、低成本、高效率的方式发展取向电工钢生产技术。薄板坯连铸连轧技术是新型短流程、低成本的钢铁冶金生产技术。中国已经开展了薄板坯连铸连轧技术生产无取向电工钢的开发和研究。如果采用薄板坯连铸连轧流程生产一般取向电工钢，则不仅使开发研究的技术难度降低，而且也可以满足不同质量和不同等级产品的需求。
薄带铸轧技术是直接将钢水铸轧成2～3mm的热轧卷，它将显著缩短工艺流程。在这种工艺中，时间–温度的关系是最关键的因素，因为抑制剂必须在约1min的时间内从结晶器出口到卷起机这一段析出，通过控制冷却速度和在线形变，可以获得均匀的抑制剂。为了稳定和改善抑制剂的状态，还必须进行常化处理。为了获得钢带更好的延展性和良好的冷加工性能，可以对钢带进行在线热处理。在带钢外形、厚度公差和表面缺陷等方面还有待于深入开发和研究。
3.3、取向电工钢连续退火取代罩式退火
用连续退火炉取代罩式退火炉完成二次再结晶和净化钢中的抑制剂已经成为生产高端取向电工钢的重要方法。这种退火工艺仅需几分钟，而非几天，大大缩短了退火时间。高温连续退火不仅产量高，而且可以节能20%以上。连续退火机组向高速化和多功能化方向发展。
4、取向电工钢的产品现状与发展趋势
取向电工钢是各类变压器、镇流器、放大器、稳压器、继电器、整流器、电磁开关等定向磁场电器产品制作铁芯的核心材料。目前，变压器主要向2个方面发展：一是向特大型超高压方面发展，电压等级由220、330、500kV向750、1000kV发展；二是向节能化、小型化、低噪声、高阻抗、防爆型发展，这些产品以中小型产品为主，如目前在城网、农网改造上被推荐采用的新S9型配电变压器。据中国电气工业协会变压器分会统计，主流变压器按电压等级分为4个大类，即：500kV及以上变压器、220～500kV变压器、110～200kV变压器以及小于110kV的变压器，其使用取向硅钢的牌号如下：
①500kV级以上变压器所用硅钢片牌号为30ZH120、30ZH110、27ZH100；
②±500kV级换流变压器所用硅钢片牌号为27ZDKH90、23ZDKH90；
③110～220kV级变压器所用硅钢片牌号为30Q140、30Q130、30ZH120、30ZH110；
④35kV级变压器所用硅钢片牌号为30Q130、30Q140；
⑤S9型10kV配电变压器所用硅钢片牌号为30Q130，S11型10kV配电变压器所用硅钢片牌号为30ZH120。
但是，在取向硅钢的品种开发方面，中国与国外先进企业尤其是日本的差距是比较大的，特别是部分日本已经投入工业化大生产的高牌号取向硅钢品种和规格。
①以新日铁为代表的细化磁畴：主要用于高级大型变压器铁芯，激光刻痕的品种如23ZDKH90、85、80和27ZDKH95、90，机械刻痕的品种如23ZDMH90、85、80和27ZDMH95、90。
②以新日铁为代表的高品质取向硅钢：目前国内一般取向硅钢的主流牌号为30Q120，而更高品质的如23ZH100、95、90，27ZH100、95和30ZH100、095等品种还无法生产。
③以JFE为代表的取向硅钢中出现高磁感0.20mm规格材：特别适合于制作卷铁芯及高频用，以20JGH090（B8>1.86T）和20JGH095（B8>1.86T）2个牌号为主。
④以JFE为代表的取向硅钢中出现高B8取向硅钢JGS：JGS材的铁损同正常规格产品，特别适用于制作噪声低的变压器，但B8≥1.92～1.93T（传统Hi-B材B8≥1.89T）。
⑤以JFE为代表的取向硅钢中出现的JGE：JGE在纵、横向均有良好磁性，使用效果好于GO钢，特别适合于制作分割型铁芯及高性能EI铁芯产品。
目前取向硅钢主要向低铁损、高磁感和薄规格这几个方面发展。
1）超低铁损取向硅钢。
①细化磁畴：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对该项技术展开了研究。日本新日铁公司采用激光照射技术使Hi-B钢铁损降低15%左右，牌号为ZDKH的磁畴细化硅钢片于1983年投入市场。日本JFE公司开发了一种耐热型的磁畴细化技术，其0.23mm和0.27mm的产品以JGSD的名称商品化。在欧洲和美国的专利中，也报道了通过局部热变形或轧辊形成沟槽的磁畴细化方法。
②沉积张力涂层：硅钢的张力涂层是日本新日铁的研究人员在1973年提出的，其机制是硅钢片经过高温退火处理后，由于涂层与硅钢片的热膨胀系数差别较大，在冷却时两者收缩率不同，涂层收缩相对较小而使硅钢片基体受到一定的拉力，从而可降低硅钢片单位质量铁损。日本川崎制铁公司的研究表明，采用空心阴极放电技术在硅钢表面制备TiN张力涂层，可以使硅钢铁损降低了40%。另外，在取向硅钢表面利用溶胶凝胶技术制备氧化铝薄膜，可以使铁损降低。
③减薄厚度（0.15mm）：取向硅钢厚度规格的发展历史是由0.35mm→0.30mm→0.27mm→0.23mm→ 0.20mm→0.15mm发展。目前，0.20mm厚取向硅钢薄带是应用在400Hz磁场下的一种软磁材料，它具有磁感应强度高、铁损低等特性，是用于军工雷达变压器的理想铁芯材料。
2）超高磁感取向硅钢：采用加Bi或三次再结晶，或高温梯度退火工艺，均可取得B8>1.95～2.0T的性能。
3）细晶粒双取向硅钢：用硅氧化物脱碳法制取具有{100}<001>立方织构的双取向硅钢片，不仅具有高的磁感，而且在轧向和横向均具有显著低的铁损和磁致伸缩。纵横向B8可达1.85～1.90T，P1.7/50小于1.02W/kg（0.30mm）。
4）6.5%Si的取向钢：目前世界范围内，大批量生产的硅钢片中硅质量分数大都控制在4%以内。当硅钢片中硅质量分数达到6.5%时，磁致伸缩系数趋于零，电阻率增大，涡流损失减小，从而在较高频率下表现出优良的磁性。所以，6.5%高Si硅钢片是制作低噪音、低铁损的理想铁芯材料，其研制工作受到了广泛的关注。目前，住友金属和新日铁均在研制高硅硅钢片，其B8可达1.62～1.65T，P10/50为0.15W/kg（0.2mm），可用于制造高频电器铁芯。
5）无抑制剂取向硅钢：不用抑制剂生产取向硅钢已部分用于生产（如JGE有此产品），还在进一步扩大应用研究，已可采用低板坯加热温度，无需脱碳。
6）开发特殊用途电工钢板，如厚0.1mm以下的三次再结晶取向硅钢薄带，具有高饱和磁感的取向纯铁板以及高绝缘性能无公害绝缘涂层及黏结性涂层也是亟待解决的问题。
5、结语
1）冷轧取向电工钢，尤其是高磁感取向电工钢，是钢铁生产企业中的精品，享有“艺术产品”的美称，具有很高的附加值。
2）取向电工钢的制造工艺和设备复杂，成分控制严格，制造工序长，影响性能的因素多。工艺方面的难点和重点主要为精确成分控制、高纯净度控制、铸坯成分偏析和铸坯裂纹控制、铸坯加热和热轧工艺以及冷轧工序的高温退火。
3）取向电工钢中的新型抑制剂的研究、低温加热工艺的开发、薄板坯连铸连轧和薄带铸轧、连续退火等为取向电工钢的主要工艺发展趋势。
4）取向硅钢的生产管理和产品质量代表了一个企业的质量和管理水平。充分发挥和利用中国先进的钢铁工业技术装备来生产、研究和开发高质量冷轧取向硅钢，必将带动中国取向电工钢及其制品等相关领域的发展，为中国的国民经济和国防建设服务。
来源：铁诺咨询
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