高等级取向电工钢的市场需求不断扩大。但这种材料的生产流程很复杂，需有几条连续的高精度带钢加工作业线。根据相应流程，主要的工艺步骤包括热带的退火和除鳞；之后，通过冷轧使之一次再结晶和脱碳以及二次再结晶来达到微观组织的晶粒取向和材料的洁净度；最后工序通常是涂层和热平整。每一步必须满足特定要求以便生产出具备所需微观组织和磁力特性的最终材料。
近几年，德国西马克（SMS）已经建成几条现代带钢加工作业线用于生产取向电工钢。在此加工过程中，采用的机械设备可满足电工钢生产的特殊需要，如材料的脆性或在酸洗工艺中因高硅含量而发生氧化硅沉积等。凭借多年的经验，再加上与电工钢生产厂家的密切合作，SMS能对此复杂的技术问题制定出完美的解决方案。在此方面，SMS多年来一直立足于各种电工钢生产技术诀窍，其中包括与Duferco合作开发的最新技术。
1、电工钢概况
由于其具有电磁特性，电工钢（也称为硅钢片）广泛用于电力工程，尤其是用于电力设备的铁芯制造。这些特性的取得主要是通过提高钢的洁净度、严格限制合金元素含量（主要是控制硅和抑制剂元素）以及在生产中采取特殊工艺步骤加以实现的。采用硅进行合金化，可提高钢的电阻，由此减少感应涡流，从而减少铁芯损耗。当用于电力系统时，电工钢基本上是基于此来提高能量效率的。
电工钢分为两种：无晶粒取向（NGO）钢和晶粒取向（GO）钢。在无晶粒取向电工钢中，铁素体晶粒（织构）的取向无规律分布，材料由此在各个方向上都具有相同的力学性能和磁性。因此，无晶粒取向电工钢主要用于旋转用途如电机和发电机。在晶粒取向电工钢（GO）中，晶体顺冷轧方向取向，随之获得所谓的“戈斯织构”。晶粒取向一致，使GO更容易发生磁化。由于平行于冷轧方向上的磁导率高且损失低，GO电工钢一般用于静态电器，如变压器。
为获得上述特殊性能，在生产过程中必须调整及控制晶粒取向。在最终退火和轧制的材料中，晶粒取向同轧制方向有轻度偏差。晶粒取向电工钢通常按其取向程度分成传统电工钢和高磁感电工钢（见下表）。在传统GO电工钢中，超出完全方向对齐的最大偏差是5°到7°。而在高磁感材料中，最大偏差不得超过3°。
表：NGO和GO电工钢的分类
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无晶粒取向电工钢
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晶粒取向电工钢
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（Si+Al含量：1.0-3.5%）
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Si含量：3.0-3.5%
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半处理（NGO-SP）
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传统（CGO）或常规（RGO）
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全处理（NGO-FP）
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高磁感（HI-B或HGO）
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2、取向电工钢的需求不断增加
随着电力需求不断增长，再加上对高效生产和输电的需求日益增长，使得对取向电工钢的需求不断增加。这对电力变压器和配电变压器需求的增长有直接影响。这些类型的变压器已成为欧洲、美国、中国、印度、俄罗斯和其他国家扩大供电网络必需的电气设备。
高能效变压器需要采用磁滞损失非常低的GO电工钢。对于这样的变压器，GO电工钢由于其能效高成为其材料的首选。对这种材料需求的增长还源于需要新的、更强大的电网来补偿用风力透平机或光动能电池进行周期发电和再生发电引起的电网较大波动。
目前，GO电工钢的主要供货商只有几家。由于技术复杂，进入此市场的门槛非常高。GO电工钢市场比传统钢材市场易变性较少。这是因为GO市场在更大程度上取决于电力需求和节能需要，而与随经济周期急剧变化的钢价无太大的关系，而且没有任何低成本的替代材料可以取代电工钢。
推动GO电工钢价格上涨的因素是能源价格攀升和用电量不断增加。国际能源机构（IEA）专家预期到2030年世界用电量与2007年相比将成倍增长。因此，GO电工钢的需求至少应该提高相同的量级。在2007年，GO电工钢市场容量略低于200万t，此后便连续提升。而GO电工钢产能却在缓慢地上升。
3、GO电工钢各种生产流程
GO电工钢生产有各种流程。根据采用的工艺，需要不同的化学成分以及浇注和轧制参数，以获得所需的性能。抑制剂对晶粒成长有非常强的影响。抑制剂通常是化合物如氮化铝（AlN）或硫化锰（MnS）。其用途是防止一次再结晶晶粒长大。生成的结构对确保二次再结晶期间形成特定织构（晶粒取向）很重要。材料的物理性能，尤其是磁性主要取决于此特定织构。
各种生产方法所用的抑制剂及板坯加热温度有所不同。板坯浇注后需加热到一定的温度，以便溶解粗颗粒硫化物和氮化物。
在普通GO电工钢的传统流程中，采用MnS作为抑制剂，并将板坯加热到1400℃附近，在此温度范围内可以形成液态渣。而高磁感GO电工钢生产用的传统流程也要使加热温度达到约1400℃。尽管此时采用MnS和AlN合成的抑制剂。
另一方面在所谓的“俄罗斯”流程中，采用包括AlN和CuS的抑制剂，只是为了获得1250-1300℃的加热温度。该流程不会形成液态渣。采用此种流程可生产传统GO电工钢。
新方法是所谓的“氮化法”，它既可制造传统GO材料，又能制造高磁感材料。在钢厂，铝和氮含量被限制在很窄的范围内。板坯加热到约1250℃，以便使凝固过程中形成的粗沉淀物溶解。在材料加工成冷带之前先进行热轧。氮化法的特殊加工步骤是在冷带脱碳后加工中使材料富含氮气。在此过程中，以所定的目标方式控制带钢表面附近部位有氮气进入并扩散。这样在随后持续几个小时的批量退火过程中，氮气就能均匀分布并且与铝一起成为AlN沉淀物。AlN细沉淀物成为抑制剂，可控制二次再结晶，由此获得所需的织构。此工艺吸收“俄罗斯”流程的优点，诸如板坯加热温度较低，还可以生产高磁感GO电工钢。
4、加工作业线构思
根据生产流程和必须满足的最终材料要求，生产GO电工钢需要不同类型的带钢加工作业线：从准备作业线到材料再结晶、脱碳和氮化作业线，其中包括特定表面处理，如激光划线。各个作业线总是适合各自所需的生产能力和物流、质量要求和工厂格局。最常见的GO电工钢作业线构思是：
1）退火和酸洗作业线。生产能力可达50万t/a，根据所需的产品范围而定；
2）脱碳和涂层作业线。生产能力可达12万t/a；
3）最后退火和涂层作业线；生产能力可达12万t/a。
5、可供参考的大批量加工作业线
2004年，中国武汉钢铁集团公司订购了中间退火作业线，该生产线于2006年11月投产。2009年12月，中国宝山钢铁集团公司开始在4条带钢加工作业线上生产GO电工钢。SMS目前正在为亚洲用户调试7条用于加工GO电工钢的作业线。
6、用户情况分析
6.1、宝钢
宝钢已建立4条GO电工钢加工作业线：退火和酸洗作业线，脱碳作业线，中间退火和脱碳复合作业线，以及含隔热涂层的热平整作业线。这些作业线的各组成部分都是专门设计的，可满足电工钢生产的特定需要。这样就可使作业线能生产优质最终产品同时保持高水平的环境兼容和经济效益。所有这4条作业线都符合欧洲标准所要求的空气质量水平。污水和用过的酸被回收，大部分用于本工艺。特别是安装在作业线的过滤系统保证加工线无故障运行。
退火和酸洗作业线加工的热带厚度在1.5-3mm之间，宽度在750-1350mm之间。作业线额定年产能36万t，除生产GO电工钢外，还加工NGO电工钢。最大加工速度，入口处为55m/min，出口处是80m/min。带钢表面按两步清洁。首先用喷砂清理机机械除鳞。钢砂对着带钢猛撞并清除部分氧化铁皮。接着在紊流酸洗段用盐酸酸洗，清除带钢表面剩余的氧化铁皮。此作业线的独特部分是专门开发的系统，可从循环系统中清除含硅酸洗泥渣。此外，所配的专用带钢边缘加热装置使带钢裂纹风险降至最低。
在脱碳作业线及中间退火和脱碳复合作业线上，最大入口和出口速度都是130m/min，加工速度为100m/min。带钢中间退火时，由于其厚度较大，刚好是70m/min速度通过此加工段。在中间退火期间，带钢厚度是0.4-0.83mm，而在脱碳退火期间带钢厚度是0.15-0.35mm。带钢宽度在这两条作业线是相同的（750-1270mm）。每一条作业线产量大约为9万t/a。其中，主要亮点是特定的MgO涂层系统和其复杂的循环系统。中间退火和脱碳复合作业线有一整套MgO涂层设施。采用氧化镁涂层可以防止带钢粘结在一起。涂覆特殊隔热涂层是为了产生内应力，以便提高磁性。
在平整和涂层作业线的带钢宽度也是750-1270mm，带钢厚度是0.15-0.35mm。带钢通过作业线的入口和出口速度均为170m/min，在加工线上是以130m/min的速度运行。
6.2、武钢
中国武汉钢铁集团公司安装一条中间退火作业线，使带钢离开冷轧机后进行酸洗并在热处理时进行脱碳。此作业线的特殊部分是其卧式炉，炉中安排上下两流带钢从炉中通过。这样就有两条带钢可以及时在炉中处理。因此作业线的入口和出口段各有一套同样的设备。此作业线加工经酸洗和冷轧的GO电工钢，带钢厚度在0.5-0.9mm之间，宽度在750-1050mm之间。最大加工速度是50m/min，入口和出口速度达到80m/min，由于采用特殊结构可以实现年产量18万t。
7、加工GO电工钢用的特殊设备
生产GO电工钢所用各种加工装备的设计和定级宗旨是：即它们能彼此补充并使各作业线产能和产量最大。举例来说，采用紊流酸洗系统可以解决氧化硅泥渣引起的一些特殊难题。循环系统中的相应设备及特殊池形能确保泥渣自动清除。
GO电工钢的涂层对最终产品的材料性能有很大影响。电工钢的特殊辊式涂层机配有高精度和全自动涂辊调整系统。循环系统中涂层材料的温度精确控制也可确保涂层优质高效。
特殊带材缝合机可靠地对接高强度电工钢，只占用很短的停机时间。通过带钢边缘加热系统能防止带钢损坏。特定导辊直径有助于避免机械负荷作用在带钢上。
8、结论
鉴于全球用电量增长以及其独具优势的电磁特性，高等级GO电工钢的市场前景非常看好。极为复杂的生产流程的各个工艺步骤必需有各种带钢加工作业线，而这些作业线又要拥有生产电工钢的特殊设备。这对于取得所需织构和最终产品磁性是不可或缺的。
收稿时间：2012年9月
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