冷轧无取向电工钢装备水平与关键技术

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1、冷轧无取向电工钢装备技术水平与进步及关键技术
    1.1、工装技术水平与特点
    见表1。
   
                  表1        冷轧无取向电工钢生产先进工装技术水平与特点
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    工序         技术                                        特点
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    炼钢    洁净钢冶炼技术           改进炼钢转炉、真空处理和连铸技术，严格控制(C+N+S+O)%
            钛和铌的控制             严格控制Ti和Nb的混入
            夹杂物控制技术           通过转炉、RH工艺的优化控制钢中夹杂物形态和尺寸
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    热轧    PC、大侧压轧制技术       改善带钢的轧制精度、防止边裂、控制板型
            边部感应加热技术         1100℃以下的板坯低温加热工艺技术
            低温板坯加热技术         减少磨损和摩擦；改变轧制中热轧板表面应力状态，降低切向应力，提  
            高速钢辊轧制技术         高磁性且降低辊耗、改善板形质量、降低生产成本
            润滑油轧制技术           不同牌号用不同终轧温度和卷取温度，保证热轧板晶粒尺寸最大化和磁  
            高终轧温度技术           性能最优化  
            高温卷取技术            
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    酸机    紊流酸洗技术             考核酸洗和乳化液质量，不同来料采用不同的酸洗工艺参数
    连轧    锥度辊窜动、弯辊技术     根据来料确定轧制工艺参数以确保产品具有良好的板形同板差
    机组    厚度、板形闭环控制技术   根据轧制稳定过程性和出口厚度、板形的结果通过自学习调整  
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    成品    不脱碳、无NOF炉技术      考核碱洗质量确保钢带表面洁净，减少表面氧化、结瘤、色差
    退火    高温和烘烤段气浮技术     减少表面氧化、结瘤，保证涂层均匀性、一致性，并提高磁性
            铁损控制参数自学习技术   根据出侧铁损检测结果通过反馈、自学习调整退火工艺参数
            涂膜一致性控制技术       通过出侧涂膜厚度检测自动反馈控制，确保膜厚均匀性
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                                    表2    磁性不利元素的有害作用和控制目标
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    元素                                             内容
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    碳    恶化铁损、产生时效、形成微细碳化物，理想目标：C≤20ppm
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    氮    由于MnS等硫化物、AlN和TiN等氮化物及氧化物的微细析出、阻止畴壁移动，热轧后阻碍再结晶及晶粒
    硫    长大、阻碍常化后晶粒尺寸的粗大化和织构的混乱化，理想目标：S，N≤20ppm、O≤15ppm
    氧   
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    钛    随着TiC、TiN的微细析出，提高再結晶温度、延缓再结晶及晶粒长大并使{111｝织构发达，目标：新日
          铁Ti≤20ppm，川崎Ti≤15ppm
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    钒    由于VN, VC、ZrN, ZrC、NbN, NbC等的氮化物及碳化物的微细析出、阻碍热轧后再结晶及晶粒长大、阻
    锆    碍常化后晶粒径的粗大化和织构
    铌    的混乱化，理想目标：V≤30ppm、Zr≤30ppm、Nb≤30ppm
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    As    虽然自己本身不能析出微细析出物、但由于促进MnS等硫化物的微细析出、阻碍常化处理效果，As≤30ppm
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    铜    CuS阻碍磁畴壁移动及晶粒长大，Cu≤0.05%以下
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    钼    形成氧化物、硫化物、氮化物等析出物有关的元素，尽可能降低
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    1.2、高纯度钢冶炼技术
    1.3、夹杂物和第二相析出物控制技术
    析出物和夹杂物是{111}面結晶粒的生核源，使{111}成分增多、{100}成分减少。因此需要析出物和夹杂物的无害化处理。见表3。
   
                                 表3     夹杂物和第二相析出物控制手段
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    名称                                                控制内容
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    氧化    通过非延展性化达到无害化(尽可能形成Al2O3等脆性夹杂物)
    物形    添加REM或Ca(形成复合夹杂物作为其他析出相的析出中心，使AlN等粗大化，避免热轧时固溶、析出)；通过
    态、    添加REM或Ca来控制硫化物的形态、改变Al2O3的形态，排除消除应力退火时阻碍晶粒长大的因素
    夹杂    真空合金化时，改变合金加入顺序，将含有有害成分的合金在脱氧前加入，确保合金化后的搅拌时间，使有
    物及    害杂质充分氧化转变成渣而充分上浮而除去  
    第二    添加CaSi进行脱硫，生成固溶温度高的CaS等、就不形成MnS
    相数    低温板坯加热，不让第二相质点重新固溶，再在热轧过程中弥散析出
    量、    高温卷取(CT高)，第二相质点充分析出，随后常化或退火时聚集长大
    分布    硫化物作为氮化物析出部位的无害化技术，通过析出物数量的降低及形态控制来达到无害化
    控制    SRA处理技术：消除应力退火的冷却速度慢于连续退火，通过碳化物和氮化物的粗大化、析出物形态的变化来
            达到无害化的效果  
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    1.4、{100}面织构和再结晶晶粒组织的控制技术
    见表4。
   
                          表4    {100}面织构和再结晶晶粒组织各工序的控制手段
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    工序                                               控制内容
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    炼钢      KSC以高纯度钢冶炼技术为基础并控制Si、Al、Mn成分，通过添加REM和Ca控制硫(氧)化物形态及AlN粗大化
              来控制夹杂物、析出物的数量、尺寸，从而改善热轧、冷轧及成品退火的织构参数。添加Sb等晶界偏析元素
              抑制以晶界作为其形核位置的{111}织构
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    热轧      NSC通过优化板坯加热温度、粗轧精轧工艺参数的控制轧制技术，强化热变形动态再结晶过程，得到发达的
              动态再结晶组织，然后通过提高卷取温度，使热轧板得到发达粗大的等轴晶晶粒，再以冷轧压下率和再结
              晶退火条件的配合来提高{100}织构强度。在NSC 称之为“结晶方位控制”技术
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    热轧板    通过热轧板退火即常化，使热轧从表层到中心的晶粒组织和织构均匀化，冷变形和成品退火后{100}织构强
              度提高。轻压下轧制技术：热轧板+轻压下+常化，轻压下应变诱发热轧板表层晶粒长大，以改善冷轧前晶粒
              组织从而改善{100}面织构
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    冷轧      采用最佳压下率轧制可提高{100}面织构强度
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    成品      ①优化退火升温曲线、均热温度、机组速度，使成品退火晶粒直径和织构参数达到最佳
    退火      ②SRA(消除应力退火)：SRA消除应力退火冷却速度远远慢于连续退火，碳化物和氮化物等第二相质点的微细
              析出有足够的时间粗大化、球化， 使微细析出物对晶界推移和形变晶粒向{100}面织构转变的阻碍作用达到
              无害化从而改善织构参数
              ③轻压下轧制技术：退火板+轻压下+退火，轻压下应变诱发退火板表层晶粒长大，适当的应变量可使有利织
              构的晶粒吞并不利织构的晶粒，从而提高{100}面织构强度
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    CSP       由于薄板坯中没有热轧粗轧，更多含{100}织构的柱状晶残留至热精轧过程中，热轧板的结晶组织或织构与
    工序      厚板坯(200～250mm)比有很大的不同
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    2、我国冷轧无取向电工钢研究中需要解决和研究的问题
    见表5～7。
   
                           表5   我国冷轧无取向电工钢需要解决的问题
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    名称                                   问题
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    工     钢质纯净度：有害元素控制的影响因素较多，对如Ti、S、N、O等的有效控制
    艺     第二相(夹杂物)：弥散微细析出行为的机理研究和有效控制手段
    与     加热与卷取的温度保证能力，热轧过程温度与热变形过程的关系
    控     热轧过程温度、变形机理、相变过程与磁性能的关系
    制     热轧工艺参数、变形机理、相变过程与外观尺寸精度的关系
           热变形过程第二相的析出行为与热轧工艺的规律
           热轧板表面质量与冷轧工艺性能及成品板表面质量的关系
           热轧板形与热轧工艺、塑性变形过程的关系规律
           常化工艺与磁性能及生产成本、生产效率、生产能力等多因素如何有效平衡
           冷轧工艺参数与磁性及板形外观质量的控制(冷轧工艺能力问题)
           成品退火工艺参数与磁性和外观质量的控制(成品退火工艺能力问题)
           涂层工艺参数与表面质量一致性的控制
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    应     无取向硅钢生产成本和磁性能各指标之间的矛盾如何有效平衡
    用     高磁性能与加工工艺性能之间的矛盾如何有效解决
    与     无取向硅钢半工艺产品的特点及其性能优势与市场如何切入的研究
    推     磁化曲线、磁滞回线、剩磁、矫顽力、技术磁化过程等项目的精细化研究
    广     电机高频化、变频化、高场化、高密度化和低密度化后，无取向硅钢性能如何优化  
           电机设计优化、以冷代热和高磁感电工钢应用效果的研究、电机制造成本结构优化等
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                             表6   我国冷轧无取向电工钢的物理冶金学研究课题
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    工序                                     研究内容
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    炼钢     夹杂物的控制技术及无害化技术的研究：①可延展性夹杂物(MnO、MnS、SiO2)的控制；②夹杂
             物析出行为和方式的研究；③无Al钢中夹杂物控制技术的研究
             夹杂物与物理冶金过程和磁性能关系规律的研究
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    热轧     变形抗力、动静态回复与再结晶等热变形物理冶金过程规律的研究
             第二相析出行为、形变诱导行为的研究
             均热温度、粗轧温度和压下率、精轧温度和压下率、卷取温度与回复再结晶、第二相析出行为、
             形变诱导、热轧板晶粒组织和织构的关系规律
             热轧工序潜能的挖掘
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    常化     常化机理、织构与冷变形、再结晶的关系
             常化工艺与组织结构、磁性能的关系规律
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    冷轧     压下率与冷变形织构
             冷轧前晶粒尺寸、夹杂物大小、形状及其分布与冷变形机制和织构
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    成品     退火升温曲线、保护气氛、张力、均热温度、机组速度与再结晶织构和晶粒尺寸的关系
    退火     再结晶过程及再结晶织构形成的机理研究
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    轻压下   炼钢、热轧板、退火板采用轻压下可改善磁性能
             炼钢浇注过程采用轻压下改善铸坯组织，使等轴晶率提高
             热轧板经“轻压下+常化”使表层晶粒长大，改善冷轧前组织和退火织构
             退火板经“轻压下+退火”使表层晶粒进一步长大，改善磁性
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                          表7  冷轧无取向电工钢的应用研究课题
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    工序                                   研究内容
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    磁性    频率特性(低频、工频、中频、高频)、磁场特性(低场、中场、高场)、温度特性
            磁化曲线和磁滞回线与电机性能的研究
            形状特性(退磁场和磁畴结构)、线性特性(波形)、饱和特性、噪音特性、隐蔽特性
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    使用    冲片性的影响因素
    性能    铆接性(扣片性能)的影响因素   
            装机后整机性能的影响因素
            边缘效应对磁化难易(磁导率)、磁畴结构(退磁场)、磁力线分布的影响
            消除应力退火工艺性能
            磁特性和温度
            冲剪冲压的边缘效应与材质和电机性能的关系
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    3、冷轧无取向电工钢品种和技术的发展趋势
    3.1、新品种发展趋势
    （1）低铁损(P1.5/50<2.3w/kg)、高磁感(B5000>1.80T)、产品宽幅化、低成本化
    电机能耗主要包括硅钢铁芯的铁损和绕组的铜耗。硅钢片铁损的降低、磁感的提高一方面可降低能耗，另一方面可提高设计磁感(Bm)使电机励磁电流降低，从而降低铜耗并省铜。因此，硅钢片铁损的降低、磁感的提高能达到高效并降低生产成本的目的。另外由于大电机的尺寸要求，也为了提高材料利用率和节约成本，成品规格越宽，利用空间越大。
    （2）高频化、薄规格化
    高频化是高效节能化、小型轻便化的有效手段，但硅钢的铁损以频率的指数式增长。日本已开发出高频“HiFreqs”硅钢。见表8。
   
                    表8   “HiFreqs”高频硅钢与3%Si硅钢的高频磁性能
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    牌号             高频磁化下的铁损(w/kg)       薄规格牌号      高频磁化下的铁损
                P0.2/5k    P0.1/10k    P0.05/20k                     P1.0/400(w/kg)  
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    3%Si钢       28.5        24           20       20JNEH1200           11.00
    HiFreqs      20.5        10            5       20JNEH1500           12.50
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    （3）高强度化
    高速运转时电机铁芯将受到剧烈的冲击、疲劳负荷大，因此要求硅钢具有高强度和韧性。加入微量合金元素能提高强度、改善韧性及提高钢的电阻率、降低涡流损耗，而且对磁感的不利影响也较小。日本开发了固溶强化的高强度、高磁特性无取向电磁钢板。见表9。
   
                            表9        高强度电工钢板性能
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    种类        P1.0/400(w/kg) B5000(T)  屈服强度    种类  P1.0/400(w/kg) B5000(T)  屈服强度
                                         （MPa）                                     （MPa）
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    20HST780Y       38.3        1.63       841    15HST780Y      37.9       1.62       841
    20HST570Y       23.8        1.61       647               
    传统35H250      17.0        1.66       402    传统50H310     25.1       1.67       412
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    3.2、新工艺技术发展趋势
    （1）钢质的洁净化、高纯度化技术
    常规杂质元素：C≤20ppm，S≤20ppm，N≤20ppm，O≤15ppm；
    磁性有害微量元素：Ti≤15ppm，V≤30ppm，Zr≤30ppm，Nb≤30ppm;As≤30ppm，Cu≤0.05%。
    （2）夹杂物和第二相析出物非延展性化、无害化、粗大化技术
    ①氧化物的非延展性化(改性处理)；②添加REM或Ca形成复合相作为其他析出相的析出中心使AlN、Ti(C， N)粗大化；③控制轧制过程温度使第二相充分析出并聚集长大。
    （3）SRA技术
    SRA冷却速度远远慢于连续退火，碳化物和氮化物等第二相质点的微细析出有足够的时间粗大化、球化，使微细析出物对晶界推移和形变晶粒向{100}面织构转变的阻碍作用达到无害化从而改善织构参数。
    （4）CSP生产技术
    CSP技术生产冷轧无取向电工钢，使更多含{100}织构的柱状晶残留至热精轧过程中，使热轧板的结晶组织或织构优化。
    4、总结
    （1）欧美和日本冷轧无取向电工钢的生产能力已呈逐步萎缩的趋势，生产重心逐渐向发展中国家转移；中国已成为世界冷轧无取向电工钢第一生产大国。
    （2）欧美和其他地区(包括中国)的冷轧无取向电工钢技术水平与日本的差距较大。特别是中国，高牌号和高磁感方面达不到日本的磁性能水平，在低铁损、高磁感综合磁性能上赶不上日本。值得注意的是巴西的技术水准很高，近年来产量急剧扩大。
    （3）冷轧无取向电工钢生产工艺成本、磁性能各指标、加工工艺性能之间的矛盾规律，磁化曲线、磁滞回线、剩磁、矫顽力、技术磁化过程与电机装机后整机综合性能之间关系规律的精细化研究，高频化、变频化、高场化、高密度化和低密度化对电机铁芯材料的要求，电机设计指标优化、以冷代热和高磁感电工钢应用效果的研究、电机制造成本结构优化，半工艺产品的应用研究等等，已成为今后冷轧无取向电工钢需要解决的课题。因此，我国冷轧无取向电工钢已发展到必须走精细化研究开发道路。
    （4）低铁损、高磁感化，产品宽幅化，低成本化，高频化，高强度化，是冷轧无取向电工钢新品种的发展趋势；钢质洁净化、高纯度化，夹杂物和第二相析出物的非延展性化、无害化、粗大化，SRA和CSP工艺是冷轧无取向电工钢生产新技术的发展趋势；高纯度钢冶炼技术、夹杂物和第二相析出物控制技术、{100}面织构和再结晶晶粒组织的控制技术是冷轧无取向电工钢生产的关键技术。