电工钢是制造电机、变压器和镇流器铁芯以及各种电器元件的最重要的金属功能材料，是发展电力、家用电器、电讯、国防等工业不可缺少的铁芯材料。近年来，中国发电量较大幅度的增长和制造业的兴起，带动了电工钢的强劲需求。据统计，一个国家60%以上的电量都是由这些电工钢制造的电机、变压器和电器消耗掉的。1985年美国的发电量为2568亿kW·h，发电机消耗了1585亿kW·h。电工钢的消耗量与发电量是成比例增加的。近年来，中国发电量以较大幅度增长，特别是随着三峡水电工程的投入运行和其他大型核电、火电发电系统的建设，中国发电量将大幅度增加，必将带动电工钢的强劲需求。
冷轧无取向电工钢是用冷轧工艺生产的一种软磁材料。其钢板内部的晶粒位向在各方向上是均匀分布的，理想的无取向电工钢产品织构为{100}<hkl>，即在各方向上的磁性分布是均匀的。在生产冷轧无取向电工钢中，由于工厂的设备不同，其生产工艺和产品质量也存在较大差别。由于竞争，各电工钢生产企业都集中了优秀的研究人员，不断开发新产品、新工艺，不断降低冷轧无取向电工钢产品的生产成本，提高产品质量和性能等级。
本文将围绕无取向电工钢的生产工艺，着重阐述无取向电工钢生产中的难点、重点与发展趋势。
1、无取向电工钢工艺的发展概述
美国的Armco公司从20世纪40年代初生产无取向电工钢，新日铁公司于1958年开始生产冷轧无取向电工钢。20世纪50年代末，由于氧气顶吹转炉和真空处理等冶炼技术的发展，钢中的C、N、O可降至50×10-6以下，无取向电工钢的磁时效明显减轻、磁性大幅度提高。从1978年开始，新日铁公司和川崎钢铁公司采用顶底复合吹炼和三次脱硫工艺来冶炼杂质极低的纯净钢水以后，陆续生产高牌号无取向电工钢。1983年以来，新日铁公司采用同样的工艺生产了高效小电机用低碳电工钢，基本解决了无取向电工钢铁损与磁感应强度这两个参量相互矛盾的问题。
在开发冷轧无取向电工钢的过程中，遇到过许多困难和问题：一是降低碳含量和提高纯净度的问题，另一个是涂层问题。无取向电工钢的生产经历了电炉炼钢、平炉炼钢和顶底复合吹炼转炉炼钢的
历程。直至炉外精炼和连铸技术的发展，尤其是真空精炼设备和技术的开发，才使高牌号无取向电工钢得以大规模生产，可以说无取向电工钢的发展得益于炼钢技术的进步。无取向电工钢生产的新旧工艺流程如表1所示。
表1 20世纪50年代前后无取向电工钢生产的工艺流程对比
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时间
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工艺流程
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50年代前
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电炉炼钢→模铸→开坯→热轧→冷轧
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50年代后
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转炉炼钢→精炼→连铸→热轧→冷轧
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无取向电工钢的发展历史在某种意义上讲也是涂层技术的发展历史。最初生产无取向电工钢片时，在电工钢片的表面只是涂一层清漆，层间电阻很小，耐溶剂性能很差。后来又发展了有机绝缘漆。在涂层技术中，具有革新意义的是无机涂层（磷酸盐+铬酸盐）的发展，它具有绝缘性好和防锈性好的优点。在无机磷酸铁涂层的开发过程中遇到过2个主要问题：第一个问题是定子铁芯的压紧固定，第二个问题是表面发黏。在60年代，由于连续冲片技术的推广，发展了今天广泛使用的无机–有机混合涂层（简称半有机涂层）。其发展历程如图1所示。
图1 无取向电工钢涂层技术的发展过程
2、无取向电工钢的现行生产工艺
冷轧电工钢生产的首要任务是保证产品质量，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。
无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。各种冷轧无取向电工钢根据用途的不同，其生产工艺和操作方法也不尽相同。
2.1、无取向电工钢的生产工艺
冷轧无取向电工钢的生产主要有2种基本类型：一次冷轧法和二次冷轧法。一次冷轧法一般用于低牌号（含硅量小于2.0%）的无取向电工钢的生产。其特点是利用冷轧制度与热处理退火工艺适当配合的方法来获得（111）［112］类型或者（110）［hkl］类型的磁各向异性好的钢板。这种方法的优点是减少一个轧程，工艺设备简单。但由于没有中间退火，脱碳能力差，所以必须选用钢中含碳量低的电工钢原料卷，才能获得良好的磁性与高的生产率。二次冷轧法包括调质轧制法（临界变形法）和中间压下率法，以前主要是用来生产高牌号无取向电工钢。此种方法的特点是多了一个中间退火工艺和一个轧程，因而脱碳能力强。临界变形法的目的在于破坏冷轧或中间退火过程中所引起的取向织构，以获得无取向的钢板。
近年来，由于炼钢技术的发展，炼钢工序已经可以生产出碳质量分数小于30×10-6的超低碳钢水，同时由于电磁搅拌技术在连铸中的成功应用，高牌号无取向电工钢的二次冷轧法逐渐被一次冷轧法所取代。目前，新日铁公司和川崎钢铁公司以及国内部分厂家主要用一次冷轧法生产无取向电工钢。
2.1.1、生产工艺流程
目前新日铁公司和川崎钢铁公司以及国内部分厂家的无取向电工钢的主要工艺流程如图2所示。新日铁公司和川崎钢铁公司采用连铸坯热送热装直接轧制。
图2 无取向电工钢生产的主要工艺流程
2.1.2、生产中的重点和难点
1）冶炼工艺中的难点之一为超低碳和超低硫的获得与控制。超低碳的获得主要是采用RH真空装置进行脱碳。真空脱碳的程度主要取决于钢水的初始含碳量、真空度、循环流量、插入管的内径和插入管的氩气流量。超低碳的控制主要包括大包和中间包的材质、结晶器和中间包保护渣以及全程保护浇铸等。超低硫的获得主要是利用三次脱硫技术，即铁水脱硫、转炉脱硫与真空脱硫。超低硫的控制主要是控制钢包渣量以及中间包顶渣改质，以防止回硫。
2）冶炼中的难点之二为获得高的等轴晶率，其主要措施包括2个方面：一是采用低过热度浇铸，采取低过热度浇铸的前提是过程温度的稳定，这里主要有工序温度的控制和大包、中间包的隔热与保温；另一个重要的措施就是电磁搅拌，充分发挥电磁搅拌作用的关键点是凝固末端的控制，这里面涉及铸坯的冷却强度与拉坯速度的控制，而拉速又与过程温度紧密相关。
3）冶炼工艺的难点之三是纯净度的控制。纯净度的控制涉及冶炼终点控制（碳–温协调出钢）、出钢过程操作、真空精炼、连铸全程保护浇铸与大包和中间包的材质选择等。
4）在热轧工艺方面的难点是严格控制各个工序的温度差。因为无取向电工钢要求低的板坯加热温度，同时又要求较高的终轧温度，以提高卷取温度，改善组织和磁性。
5）冷轧工艺的难点是成品退火。成品退火的工艺设计对最终性能有直接的影响，因此必须根据来料的条件以及最终牌号要求合理地选择好退火温度、机组速度、保护气体以及钢带张力等参数。提高退火温度、延长保温时间能促使晶粒尺寸长大，但温度过高会致使成品晶粒尺寸过大，反而对磁性不利。
3、无取向电工钢的工艺进展和发展趋势
3.1、无取向电工钢的工艺进展
无取向电工钢的工艺进展主要表现在钢水的净化技术与工艺发展方面，即钢中杂质元素的去除（真空精炼）、中间包冶金和结晶器流体流动控制等。减少和去除钢中的杂质元素主要包括2个方面：一方面是防止炉衬和包衬中的Ti、Zr等进入钢水，采用优质的造渣材料和铁合金；另一方面是利用真空精炼设施去除钢水中的C、H、N、O、S等杂质元素。碳和硫的去除工艺进展：碳的去除主要是通过提高RH的真空度、加大插入管的内径和提高氩气流量等措施来实现。关于硫的去除主要是利用CaO基和BaO基等渣系脱硫和Mg粒脱硫等方法来完成。
中间包冶金主要是利用中间包保护渣吸附夹杂物、通过调节钢水的流动防止杂质的卷入以及防止钢水的二次氧化等。工艺进展主要体现在采用碱性包和碱性渣、提高保护渣吸附夹杂物的能力。新日铁公司还采用吹氩气的方法来进一步净化钢水。目前控制中间包内钢水流动的方法有钢水离心流动技术和防涡流技术。主要方法是利用电磁搅拌器和调节中间包挡墙的高度和位置等。防止钢水二次氧化主要是采用全程保护浇注。
结晶器技术主要是钢水的电磁制动和浸入式水口的出口形状和插入深度的调节。结晶器电磁制动可减小钢流的冲击深度和减少钢流对初生坯壳的冲击，有利于夹杂物的上浮和初生坯壳的均匀生长，减少表面裂纹。浸入式水口的出口形状和插入深度的调节可改变钢水的流动形态，防止卷渣和改善结晶器保护渣的状况，有利于夹杂物的吸收和浇注操作的稳定。高牌号无取向电工钢由于含碳低，结晶器保护渣向无碳化方向发展。高牌号无取向电工钢由于含铝高，浇铸容易造成水口堵塞，采用浸入式水口吹氩气方法。对于无取向电工钢，正在研究和开发结晶器喂稀土技术，以进一步改进无取向电工钢的磁性。
对于无取向电工钢，新的成品退火方法采用二段式成品退火方式。也就是低温均热以改善织构，高温短时退火以促进晶粒长大，并采用快速升温和慢速冷却的新型退火工艺来改善磁性。
3.2、简化工序，降低成本
在传统的连铸厚板坯—热轧—冷轧工艺中，减少工序是降低成本的有效措施。对于无取向电工钢，采用一次冷轧法轧制成本更低。
3.3、薄板坯/中等厚度板坯连铸连轧工艺生产无取向电工钢
薄板坯连铸连轧是近年来开发并得到迅猛发展的生产薄带材的新技术。自1989年世界上第1套CSP设备在美国的克劳福兹维尔厂建成投产以来，生产实践已经表明该技术在缩短生产周期、节约能源、减少基建投资以及降低成本等方面具有明显的优势。日本钢管株式会社的西本昭彦等于1991年和住友金属公司的屋铺裕义与冈本笃树于1988年，分别发明了利用薄板坯生产无取向电工钢的制造方法。意大利的Terni公司于2000年利用CSP薄板坯连铸连轧工艺生产的取向和无取向电工钢，占产品大纲的13%。国内的本溪钢铁公司也采用薄板坯连铸连轧工艺生产了无取向电工钢。
从90年代开始，美国和欧洲的钢铁生产厂商相继利用中等厚度铸坯的连铸连轧工艺生产低合金钢和不锈钢等高质量产品，以提高自身竞争力。中等厚度铸坯的连铸连轧工艺能生产不锈钢、高碳钢和电工钢等高质量产品，既有薄板坯连铸连轧工艺的节能与高效，又具有生产多种高质量品种的兼容性，还具有常规板坯连铸产量和质量方面的宽松条件。虽然目前尚无用中等厚度铸坯的连铸连轧工艺大量生产电工钢的报道（美国Armco公司的中等厚度铸坯的连铸连轧工艺生产少量电工钢），但中等厚度铸坯的连铸连轧工艺具备生产电工钢等高质量钢的条件和潜力。
3.4、薄带铸轧工艺生产无取向电工钢
薄板坯/中等厚度板坯连铸连轧工艺生产电工钢的工序中存在热轧工序。在薄带铸轧生产电工钢的工艺中，薄铸坯以1～105℃/S的速度冷却后直接轧制，制造成本降低，成品性能均匀稳定。此工艺还处在研究开发中，无商业化生产电工钢薄带。
4、无取向电工钢的产品现状和发展趋势
无取向硅钢主要用于风机、泵类、压缩机、轧钢机、空调机、纺织机及电动机车等动力装置中。电机系列有300多个，品种有1500多个。目前，根据其应用条件的不同，开发了不同成分的电工钢：低Si无取向电工钢；中Si无取向电工钢；高Si无取向电工钢（WSi>2.5%～4.5%），再添加WMn<1.0%，以及WAl<200×10-6的无取向电工钢；渗Si的6.5%硅钢。从工频应用的角度来说，无取向电工钢主要往低铁损、高磁通密度、薄规格化和宽幅化规格方向发展。
1）低铁损方向。主要通过净化钢质技术、热轧板常化技术等开发高牌号无取向硅钢。其作为定子冲片主要应用于大型电机中，由于大型电机结构复杂，磁路呈多向混合分布，因此，在大型电机中，基本上都是使用高牌号无取向电工钢片。20世纪90年代初，美、日、俄、德等开发了H07、H06高牌号无取向电工钢片，如美国M22、日本50H270、武钢W07。目前，世界上著名的水轮机制造厂主要有GE、VOIT等，中国的东方电机、哈尔滨电机也跨入制造巨型水轮机的行列。武钢在2010年投入研制的50W250高牌号无取向电工钢片代替日本50H270，并在三峡700MW大型水轮汽轮发电机组装机试验获得成功，从而开始了高牌号无取向硅钢大规模国产化的进程。另外，高牌号无取向硅钢还应用于汽轮发电机、交直流大电机等。目前，宝钢B50A350、武钢50WW350系列产品的各项性能指标均达到了国际先进水平，并向ABB、西门子、GE等国际知名企业稳定供货，但钢铁厂家仍不满足此，通过持续的工艺改进，力争使P1.5/50<2.0W/kg的更高牌号无取向硅钢能大规模生产。
2）高磁通密度方向。为了满足小型化和高效化的要求，川崎制铁继新日铁早期开发的NC-M1-M4之后，通过采取净化钢质、调整Si和Al成分、添加Sb和Sn等微量元素等措施，开发了高磁通密度的RP钢系列。
3）薄规格化。当前，在燃料系、冷却系、空调系所用电机以及混合型电力汽车的启动发电机中，均使用厚度为0.35mm电驱动用电工钢，厚度从0.50mm减薄到0.35mm，有效降低了涡流损失。目前，日本汽车电器部件大都使用0.35mm的电工钢板制造新型交流发电机铁芯。宝钢、武钢开发的0.35mm系列电工钢已持续为汽车厂家供货。另外，在中高频电机、控制电器、高能加速器的铁芯中，一般采用小于0.2mm的薄带形式。日本开发了不同类型薄规格电工钢。低铁损薄规格电工钢，如添加3%的Si+Al，厚度为0.2mm，通过织构最佳化降低高频磁化的铁损，使20TFl500商品化；高磁感薄规格电工钢，在20TFl500钢板成分基础上进一步降低Si、Al质量分数，得到高磁感、薄规格电工钢。
4）电工钢涂层方向。为防止铁芯叠片间发生短路而增大涡流损耗，需在电工钢表面涂敷绝缘涂层，即在电工钢板表面涂覆一层无机、有机或半有机型涂料，烘烤后形成皮膜。电工钢绝缘涂层除具有绝缘性外，还要有优异的冲片性、焊接性、附着性、耐化学药品稳定性及叠装系数等。目前半有机涂层被国内外电工钢生产厂家广泛采用。它以无机涂料为主、有机树脂为辅，具有绝缘性和冲片性，能经受消除应力退火700～800℃的涂层。另外，日本川崎、德国蒂森公司为减小马达噪声，还开发了有机高分子自黏接性涂层，自黏结型涂层电工钢在低温下（150～250℃）叠片黏结成一体，主要用在风力发电机、磁悬浮机组、高速列车中。目前武钢的65WW470-FL产品也成功持续生产。另外，新型环保类涂层的开发应用也日益白热化，C4、C5、C6系列涂层的应用可根据用户的需要涂覆0.8～10μm的涂层。
5）CSP技术。近几年，利用簿板坯连铸连轧生产无取向中低牌号钢发展很快，其具有热轧卷板型好、尺寸公差小、磁性优良、成材率高、成本低等优点。薄板坯技术的特殊优势在于：在均热炉中加热板坯，可获得均匀有效的抑制剂，该技术使薄板坯表面和中心的温度梯度低于传统步进式炉中厚板坯的温度梯度，因此较粗的析出物可进一步再固溶。与厚板坯相比，用此工艺，板坯再加热温度远低于1400℃，在相同的表面温度下，薄板坯工艺的固有抑制作用更高，更易形成有利的初级晶粒尺寸。经浇铸后的薄板坯通过均热炉直接送入热轧精轧机直接轧制，此过程缩短了时间，节约了能源。德国蒂森克鲁伯公司布鲁克豪森厂生产的无取向硅钢，已用于上海磁悬浮列车上，每公里用量400t，目前的无取向硅钢全部改由CSP生产，武钢的CSP厂生产的无取向硅钢涵盖了50W350～50W1300的所有品种，生产周期短，年产量达40万t。
6）半工艺产品。即用户把钢带冲剪成一定形状或组装成一定结构后进行退火，使其选到理想的铁损和磁感。为此推荐退火温度控制在780～810℃，保温时间随叠片尺寸、装炉量、表面精度、退火炉特性等参数而变化。保护气体为含合适露点的氢氨混合气体，防止钢带表面氧化。目前，武钢、宝钢均开发了该系列产品，其代表牌号主要有50W400～50W800。
7）宽板幅化。300、600、1000MW汽轮发电机的定子铁芯叠压长度分别为5100、6731、8150mm，如此长度的定子尺寸，多达万张以上的叠压厚度，出于成本和工艺的考虑，三峡等需求宽度1090mm的无取向板材。另外据市场调查，需求板宽达1100mm以上的客户占市场总需求的20%。因此，这也是目前各大钢厂开发的重中之重。
5、结语
1）冷轧无取向电工钢是钢铁生产企业中的精品，具有很高的附加值。冷轧无取向电工钢的生产涉及企业工艺、技术和知识等多方面的有机结合。
2）冷轧无取向电工钢工艺中的重点和难点主要为：超低碳和超低硫的获得与控制，高等轴晶率的获得，高纯净度的控制，热轧各个工序温度差的严格控制以及成品退火。
3）冷轧无取向电工钢主要往低铁损、高磁通密度和薄规格化方向发展。
4）简化工序，降低成本，采用薄板坯或者中等厚度板坯连铸连轧工艺生产无取向电工钢，以及采用薄带铸轧工艺生产无取向电工钢是工艺发展的趋势。
5）利用中国先进的钢铁工业技术装备来生产、研究和开发高质量无取向电工钢，可以带动中国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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