CSP流程50W600冷軋無(wú)取向電工鋼的開(kāi)發(fā)

韓玉龍 田榮彬 高 軍

(內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

電工鋼已有近百年的發(fā)展歷史，主要用于制造各種電機(jī)和鎮(zhèn)流器、變壓器的鐵芯以及其他電器元件，是電力、電子和軍工行業(yè)不可缺少的重要軟磁合金，亦是磁性材料領(lǐng)域中產(chǎn)量和用量極大的重要金屬功能材料[1-4]。

為提高產(chǎn)品檔次，豐富產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，包鋼薄板廠對(duì)50W600冷軋無(wú)取向電工鋼進(jìn)行了開(kāi)發(fā)。包鋼薄板廠熱軋生產(chǎn)線為薄板坯連鑄連軋CSP(Compact Strip Plant)流程，全線主要裝備有2座210 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐、2座200 t LF鋼包精煉爐、2座RH爐、2流薄板坯連鑄機(jī)、2座直通輥底式均熱爐、F1～F7高剛度熱連軋機(jī)組、帶有輥道的層流冷卻裝置和2臺(tái)地下卷取機(jī)、帶有紊流鹽酸酸洗和5機(jī)架6輥軋機(jī)的酸軋聯(lián)合機(jī)組、硅鋼連續(xù)退火線。包鋼薄板廠以CSP流程熱軋基料生產(chǎn)50W600無(wú)取向電工鋼，由于鑄坯較薄，因此板坯縱橫向溫度均勻，成品鋼卷各向磁性均勻，磁感高，鐵損小。

1 CSP流程生產(chǎn)50W600電工鋼的工藝設(shè)計(jì)

近年來(lái)，無(wú)取向硅鋼市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，一直存在客戶接收標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的情況。以50W600鋼為例，國(guó)標(biāo)要求其鐵損≤6.0 W/kg、磁感≥1.66 T，而實(shí)際用戶的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)要求其鐵損≤4.2 W/kg、磁感≥1.68 T。因此，客戶需求的不斷提高，也為產(chǎn)品的研發(fā)提出了更高的要求。

包鋼CSP生產(chǎn)線由于自身裝備技術(shù)水平的限制，生產(chǎn)無(wú)取向電工鋼時(shí)存在以下問(wèn)題：

(1)熱軋加熱爐為輥底式加熱爐，爐輥間距較大為1.2 m，在加熱硅含量高的硅鋼板坯時(shí)，板坯頭尾存在較大下彎風(fēng)險(xiǎn)，目前硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可控制在1.30%。

(2)熱軋生產(chǎn)線設(shè)計(jì)之初，未考慮硅鋼生產(chǎn)的要求，軋制模型中雖可添加硅鋼算法，但準(zhǔn)確率不夠。實(shí)際生產(chǎn)中，軋制力設(shè)定值與實(shí)際值偏差較大，鋼帶厚度通條差較大，需要在后續(xù)工序切除或降級(jí)，影響成材率。

(3)硅鋼流程中無(wú)?；€，為確保硅鋼成品性能，熱軋卷依賴高溫卷取，致使熱軋板板面氧化物類缺陷較多。

(4)酸軋聯(lián)合機(jī)組未配備相應(yīng)脫硅設(shè)備，熱軋硅鋼板卷酸洗后硅泥富集，堵塞管道及酸梁噴嘴，造成冷硬卷表面發(fā)黃發(fā)黑。

(5)連退爐最高加熱溫度950 ℃，初始設(shè)計(jì)生產(chǎn)電工鋼最高牌號(hào)為50W470，鐵損≤4.7 W/kg。

1.1 成分設(shè)計(jì)

電工鋼的牌號(hào)不同，化學(xué)成分也不同，但其基本組成包括3大類元素，即基本合金元素如硅、鋁、錳等，雜質(zhì)元素如碳、氮、硫等，特殊元素如錫、稀土等。

硅是影響電工鋼磁性、力學(xué)性能最基本的因素[5]。硅的作用主要是提高電阻率，降低鐵損及磁感。但是硅含量過(guò)高，鑄坯會(huì)明顯變軟，熱軋加熱軋制難度變大，硅含量與磁性能的關(guān)系見(jiàn)圖1[6]。鋁的作用與硅相似，可以提高電阻率，但鋁對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響較小，同時(shí)鋁的加入不利于抑制鋼中的氮化物形成，鋁含量與磁性能的關(guān)系見(jiàn)圖2[7]。錳可以提高電阻率，錳與硫形成MnS塑性?shī)A雜物，提高熱軋時(shí)軋件的可加工性，同時(shí)錳的加入可提高沖片性和切削性，錳含量與磁性能的關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖1 0.3%Al低碳冷軋無(wú)取向電工鋼中硅含量與磁性能的關(guān)系Fig.1 Relationship between silicon content and magnetic properties in 0.3% Al low-carbon cold-rolled non-oriented electrical steel

圖2 0.9%Si低碳冷軋無(wú)取向電工鋼中鋁含量與磁性能的關(guān)系Fig.2 Relationship between aluminum content and magnetic properties in 0.9% Si low-carbon cold-rolled non-oriented electrical steel

圖3 0.9%Si低碳冷軋無(wú)取向電工鋼中錳含量與鐵損值的關(guān)系Fig.3 Relationship between manganese content and iron loss in 0.9% Si low-carbon cold-rolled non-oriented electrical steel

雜質(zhì)元素碳在冶煉過(guò)程中無(wú)法消除，隨著碳含量的增加，碳化物數(shù)量增加，磁性能明顯下降，見(jiàn)圖4。隨著氮含量的增加，鐵損值顯著升高，同時(shí)產(chǎn)生磁時(shí)效，見(jiàn)圖5。伴隨著氧、硫含量的增加，鐵損存在不同程度的上升，但沒(méi)有碳及氮元素明顯。

特殊元素如錫，在冶煉過(guò)程中若少量添加，可抑制氧化物和氮化物的形成，改善磁性能，見(jiàn)圖6。加入具有包鋼資源特點(diǎn)的稀土元素，可以減少鋼液中的雜質(zhì)。加入稀土后形成細(xì)小稀土硫化物及氧化物作為鋼的非自發(fā)晶核，其形核過(guò)冷度小，可使鑄坯等軸晶率增加，退火后晶粒尺寸增大，成品磁性能提高[8]。圖7為添加稀土元素鑭前、后鑄坯的低倍組織。

圖4 0.6%Si冷軋無(wú)取向電工鋼中碳含量與磁性能的關(guān)系Fig.4 Relationship between carbon content and magnetic properties in 0.6% Si cold-rolled non-oriented electrical steel

圖5 0.6%Si低碳冷軋無(wú)取向電工鋼中氮含量與鐵損值的關(guān)系Fig.5 Relationship between nitrogen content and iron loss in 0.6% Si low-carbon cold-rolled non-oriented electrical steel

綜上所述，依據(jù)包鋼CSP流程的特點(diǎn)，并結(jié)合其他鋼廠無(wú)取向硅鋼的成分設(shè)計(jì)，采用了低碳低硅高磷的成分設(shè)計(jì)思路，其特點(diǎn)是：硅含量偏低(對(duì)比寶鋼、馬鋼等)、適當(dāng)提高輔助磁性能元素的加入(如磷含量是馬鋼同類產(chǎn)品的2倍、寶鋼的4倍)、低雜質(zhì)元素控制(碳、氮、硫、氧、鈦總量小于120 μg/g)、稀土元素的加入(加入部分鑭合金)，最終包鋼薄板廠50W600電工鋼的成分設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

圖6 0.6%Si低碳冷軋無(wú)取向電工鋼中錫含量與磁感值的關(guān)系Fig.6 Relationship between Sn content and magnetic properties in 0.6% Si low-carbon cold-rolled non-oriented electrical steel

圖7 鑄坯低倍組織Fig.7 Macroscopic structures of the cast slab

表1 包鋼薄板廠生產(chǎn)的50W600電工鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of 50W600 electrical steel produced in Baotou CSP plant (mass fraction) %

1.2 工藝路線

包鋼CSP流程生產(chǎn)硅鋼熱軋?jiān)系暮穸仍?.30～2.75 mm，可直接冷軋成0.50 mm成品。但由于鑄速波動(dòng)、混澆、軋機(jī)換輥等原因，厚度大于2.75 mm的熱軋?jiān)辖?jīng)一次冷軋無(wú)法達(dá)到目標(biāo)厚度0.50 mm，產(chǎn)生了較多的帶出品。為解決帶出品問(wèn)題，包鋼薄板廠開(kāi)發(fā)了二次軋制工藝，即厚規(guī)格帶出品經(jīng)過(guò)冷軋、罩退、重卷擴(kuò)內(nèi)徑、再次冷軋達(dá)到目標(biāo)厚度的工藝。具體工藝流程見(jiàn)圖8。

圖8 包鋼薄板廠生產(chǎn)50W600電工鋼的工藝流程圖Fig.8 Production flow chart of 50W600 electrical steel in Baotou CSP plant

該二次冷軋工藝不僅解決了熱軋帶出品流向的問(wèn)題，同時(shí)統(tǒng)計(jì)得出電工鋼經(jīng)二次冷軋退火后磁性能還有所提升，為下一步開(kāi)發(fā)高牌號(hào)無(wú)取向硅鋼提供了一種新的生產(chǎn)思路：在冶煉成分設(shè)計(jì)上盡量提高硅含量，并添加錳、磷元素等;鑄坯熱軋至4.50 mm后進(jìn)行高溫卷取，加罩或入坑保溫緩冷，再進(jìn)行二次冷軋，以生產(chǎn)出更高牌號(hào)無(wú)取向硅鋼。

1.3 工藝控制要點(diǎn)

(1)相應(yīng)生產(chǎn)準(zhǔn)備。主要包括：按照技術(shù)要求準(zhǔn)備活性石灰、合金等材料；根據(jù)轉(zhuǎn)爐爐況選擇生產(chǎn)時(shí)機(jī)，生產(chǎn)前2爐硅鋼進(jìn)行洗爐操作；轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的前1爐硅鋼要求入爐硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.003%并采用本廠自產(chǎn)廢鋼；硅鋼冶煉使用同一轉(zhuǎn)爐，不交替冶煉；冶煉硅鋼前對(duì)RH進(jìn)行洗槽子準(zhǔn)備。

制定生產(chǎn)異常事件處理預(yù)案。主要包括：轉(zhuǎn)爐保證碳溫協(xié)調(diào)出鋼，只允許點(diǎn)吹1次，否則改為一般用冷軋?zhí)间摫“寮颁搸PCC出鋼；出鋼必須擋渣，禁止下渣，若擋渣失敗、折罐，則根據(jù)生產(chǎn)情況改為其他鋼種；鑄機(jī)大包燒氧必須記錄標(biāo)注，并由軋機(jī)跟蹤性能；鑄機(jī)液位波動(dòng)過(guò)大、塞棒上抬到報(bào)警位置無(wú)法緩解的需要進(jìn)行計(jì)劃調(diào)整。

(2)冶煉工藝控制。主要包括：嚴(yán)格執(zhí)行表1中50W600電工鋼成分；液相線溫度為1 526 ℃；脫硫操作時(shí)，根據(jù)鐵水硫含量添加合理數(shù)量的KR脫硫劑，以控制終點(diǎn)硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.002%，靜置后扒渣，要求裸露鐵水面積大于95%；使用二級(jí)麥窯白灰，其中w(SiO2)≤4.5%、w(CaO)≥85.0%、w(MgO)≤5%、活性度≥280 mol/ml；采用單渣工藝冶煉，堿度R≥2.5；一次拉碳，控制目標(biāo)點(diǎn)吹次數(shù)不大于1次；RH操作時(shí)，脫碳最大吹氧量不大于100 Nm3，脫氧要求脫氧鋁和成分鋁一次性加入，合金化要求完全脫氧后才可進(jìn)行合金化操作，并確保純脫氣時(shí)間大于5 min，過(guò)熱度按20～35 ℃控制；處理結(jié)束后添加無(wú)碳保溫劑，防止鋼水增碳。

(3)鑄軋工藝控制。主要包括：中包鋼水嚴(yán)格執(zhí)行表1中50W600電工鋼成分；采用超低碳保護(hù)渣和無(wú)碳中包覆蓋劑；保證鑄坯入爐溫度在950～1 000 ℃；澆鑄過(guò)程中做好水口密封，中包保護(hù)澆注，防止增氮；結(jié)晶器水溫控制在(40±1) ℃，直接冷卻水水溫(25±2) ℃；熱軋板板凸度≤30 I；軋機(jī)開(kāi)軋溫度不低于1 060 ℃；熱軋一、二架軋機(jī)壓下率大于40%；終軋溫度(900±10) ℃，卷取溫度(730±10) ℃。

(4)酸軋工藝控制。主要包括：頭尾料剪切大于6 m；激光焊機(jī)選擇專用焊接參數(shù)并加絲焊接；酸洗速度控制在80 m/min；軋機(jī)一機(jī)架軋制力不超過(guò)9 MN；前道次乳化液濃度控制在(2.5±0.5)%，末機(jī)架乳化液濃度控制在(0.8±0.2)%；末機(jī)架軋輥粗糙度控制在(0.8±0.2) μm。

(5)連退工藝控制。主要包括：生產(chǎn)線速度控制在100 m/min；電解電導(dǎo)率為(30±2) ms/cm；電解槽電流密度為(4.4±1) C/dm2；爐區(qū)RTF1-2段溫度為(870±20) ℃；爐區(qū)RTF3-5段溫度為(930±10) ℃；爐區(qū)SF13段溫度為(780±20) ℃；RJC段板溫控制在(400±20) ℃。

2 包鋼CSP流程50W600電工鋼生產(chǎn)實(shí)例

2.1 產(chǎn)品性能

2016年，包鋼薄板廠生產(chǎn)的50W600成品鐵損值(P1.5/50)集中在3.8～4.2 W/kg，磁感值(B50)集中在1.72～1.74 T；50W600電工鋼的性能得到了用戶的認(rèn)可。圖9為50W600電工鋼的鐵損及磁感直方分布圖。

圖9 包鋼薄板廠50W600電工鋼的磁性能Fig.9 Magnetic properties of 50W600 electrical steel in Baotou CSP plant

從2016年用戶滿意度調(diào)查、市場(chǎng)銷售人員反饋及終端用戶走訪來(lái)看，市場(chǎng)整體對(duì)包鋼50W600產(chǎn)品反饋良好。并因其電工鋼產(chǎn)品的上道工序配備CSP產(chǎn)線，效益更為可觀；因采用低碳低硅高磷成分設(shè)計(jì)，產(chǎn)品的磁感值也明顯優(yōu)于大多數(shù)常化態(tài)原料生產(chǎn)的硅鋼(約高0.02 T)，具有“低成本、高磁感”的特點(diǎn)。

2.2 問(wèn)題攻關(guān)

由于50W600電工鋼的生產(chǎn)流程長(zhǎng)、窗口窄，因此在實(shí)際生產(chǎn)中遇到了很多問(wèn)題，包鋼薄板廠組織技術(shù)攻關(guān)一一解決，現(xiàn)簡(jiǎn)要總結(jié)如下。

(1)輕微瓦楞缺陷。瓦楞缺陷特征為鋼帶表面沿軋制方向出現(xiàn)凹凸不平的瓦楞狀紋理。調(diào)試初期，硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在1.3%，生產(chǎn)中鋼帶表面出現(xiàn)了手感不明顯的輕微瓦楞缺陷。分析原因，主要是由于熱軋F(tuán)1F2軋機(jī)壓下率均為40%，不能完全破碎鑄坯中的柱狀晶，鋼帶有尺寸較大的纖維組織，冷軋退火后，也難以再結(jié)晶。之后將硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降到1.1%以下，并采取高溫卷取，有效消除了輕微瓦楞缺陷。

(2)冬季性能偏高。50W600電工鋼在工藝條件不變的情況下，冬季成品的鐵損值比夏季高0.15～0.20 W/kg。主要是由于包頭冬季寒冷，熱軋卷的冷卻環(huán)境發(fā)生變化所致。冬季生產(chǎn)時(shí)，采取將冶煉成分中的Si元素按上限控制的措施后，產(chǎn)品磁性能不再下降。

(3)涂層耐銹不良。部分50W600產(chǎn)品出現(xiàn)了銹蝕缺陷。主要原因是前期冷軋工序?yàn)榱吮ＷC成品板形，在末機(jī)架采用毛化輥進(jìn)行軋制。之后經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，并與涂層液生產(chǎn)廠家進(jìn)行溝通，在酸軋末機(jī)架采用光輥軋制，并將末機(jī)架軋輥粗糙度控制在(0.8±0.2) μm，銹蝕顯著減輕。

(4)硬度偏低。市場(chǎng)反饋包鋼50W600電工鋼的硬度偏低。通過(guò)在終端市場(chǎng)取樣分析，包鋼產(chǎn)品的硬度為110～120 HV10，其他鋼廠的硬度為120～130 HV10。這可能是由于50W600電工鋼采用了低碳低硅高磷的成分設(shè)計(jì)，后期擬將Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高0.15%，以提高產(chǎn)品的硬度。但經(jīng)終端用戶反饋得知，包鋼50W600產(chǎn)品在高速?zèng)_床上滿足使用要求，硬度低能延長(zhǎng)沖壓模具的使用壽命，因而獲得用戶的認(rèn)可。

2.3 未來(lái)方向

(1)成分持續(xù)優(yōu)化。自50W600電工鋼試制開(kāi)始，由于包鋼CSP生產(chǎn)線特點(diǎn)，硅含量難以再提高，致使產(chǎn)品的鐵損值難以滿足用戶不斷提升的要求。因此，需要不斷進(jìn)行技術(shù)研發(fā)，優(yōu)化成分設(shè)計(jì)。目前技術(shù)組進(jìn)行了高錳電工鋼的試驗(yàn)，以擴(kuò)大奧氏體區(qū)，使熱軋?jiān)趭W氏體區(qū)進(jìn)行，避開(kāi)兩相區(qū)，從而使軋制力更穩(wěn)定；另外，以鋁代硅,在降低鐵損的同時(shí)保持高的磁感，使產(chǎn)品性能得以改進(jìn)，具體指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 50W600電工鋼的成分優(yōu)化與磁性能Table 2 Optimized composition and magnetic properties of 50W600 electrical steel

(2)添加稀土元素。近年來(lái)，結(jié)合包鋼天然礦中帶稀土的特性，在50W600電工鋼中嘗試添加稀土鑭，加稀土鑭成品的平均晶粒尺寸為51.28 μm，不加稀土鑭成品的平均晶粒尺寸為44.06 μm(見(jiàn)圖10)。今后將穩(wěn)定稀土元素的加入，從微觀織構(gòu)角度進(jìn)一步提升產(chǎn)品的磁性能。

3 結(jié)語(yǔ)

圖10 添加和未添加稀土鑭的50W600電工鋼的晶粒尺寸Fig.10 Grains in 50W600 electric steels with and without lanthanum

包鋼薄板廠依托CSP生產(chǎn)線，全流程科學(xué)管控，通過(guò)合理的成分設(shè)計(jì)、嚴(yán)格監(jiān)控各質(zhì)量控制點(diǎn)，成功生產(chǎn)出具有包鋼特色的50W600電工鋼，得到了市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可。