一種新能源汽車(chē)用無(wú)取向硅鋼的全流程工藝控制

孔 為，時(shí) 鵬，劉中華，胡志遠(yuǎn)

（1.北京科技大學(xué)國(guó)家材料服役安全科學(xué)中心，北京 100083；2.首鋼股份有限公司，北京 100043）

新能源汽車(chē)產(chǎn)品用無(wú)取向電工鋼，因其需求鐵損低、磁導(dǎo)率高、磁致伸縮性小、加工性好等眾多特性，已成為電磁轉(zhuǎn)換過(guò)程中“高、精、尖”鐵芯制造領(lǐng)域的主要材料[1-4]。其產(chǎn)品制造過(guò)程中，合金含量高，鋼質(zhì)純凈度高，冶金流程長(zhǎng)，工藝裝備及控制技術(shù)要求高，一直是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，核心技術(shù)也一直在不斷的突破中，對(duì)中國(guó)鋼鐵企業(yè)提高核心競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義[3，4]?；诖?，研發(fā)了一種0.45mm厚的新能源汽車(chē)用的無(wú)取向硅鋼，解決了一系列工藝技術(shù)難題，成品性能指標(biāo)完全滿足下游生產(chǎn)企業(yè)的要求。為今后開(kāi)發(fā)其他品種的新能源汽車(chē)用無(wú)取向硅鋼奠定了基礎(chǔ)。

1 煉鋼工藝控制

1.1 主成分設(shè)計(jì)

為滿足0.45mm 厚新能源汽車(chē)用無(wú)取向硅鋼低鐵損的要求，同時(shí)保證其磁感值，進(jìn)一步提高其機(jī)械性能，因此需使用較高的Si 含量、較低的Als含量及合適的Mn 含量，并嚴(yán)格限制P、C、S 等雜質(zhì)元素的含量，具體成分設(shè)計(jì)如下。

表1 0.45mm 厚新能源汽車(chē)用品無(wú)取向硅鋼的成分設(shè)計(jì) ωB/%

1.2 雜質(zhì)元素

1.2.1 碳的控制

C 含量增高，擴(kuò)大γ 相區(qū)，使相變溫度降低，晶粒長(zhǎng)大不充分，鐵損增加，同時(shí)C 量超過(guò)一定含量后，易誘發(fā)磁時(shí)效，導(dǎo)致產(chǎn)品鐵損增加[5,6]。因此需將0.45mm 厚新能源汽車(chē)用無(wú)取向硅鋼產(chǎn)品中的C 控制在30×10-6以下。主要采用RH 真空循環(huán)真脫碳，在RH 結(jié)束時(shí)將鋼水中碳含量控制在15×10-6以下，板坯成品C≤25×10-6。

碳含量控制主要包括：精煉過(guò)程的溫度調(diào)整在真空處理的前20min 內(nèi)完成，避免脫碳后期和合金化后加調(diào)溫廢鋼；冶煉前對(duì)現(xiàn)有庫(kù)存低碳硅鐵的碳含量進(jìn)行查詢(xún)比對(duì)，優(yōu)先選用碳含量最低的批次使用；明確規(guī)定盛放前爐鋼水不能為目標(biāo)C≥0.15%的鋼種；使用涂抹料中間包，有效降低中包環(huán)節(jié)增碳。

1.2.2 硫的控制

硫與錳形成細(xì)小MnS 阻礙無(wú)取向硅鋼成品在退火時(shí)晶粒的長(zhǎng)大，S＞60×10-6時(shí)，隨著S 增加，鐵損P 值明顯變高[6]。因此無(wú)取向硅鋼鋼中的S 含量越低越好，其中中低牌號(hào)無(wú)取向硅鋼要求其S≤65×10-6，而為保證成品低的鐵損值，要控制0.45mm 厚的新能源汽車(chē)用無(wú)取向硅鋼的S≤30×10-6。對(duì)鋼水成品S 的成分影響的因素有：鐵水S 含量、KR 脫硫效果、廢鋼的管控、副原料及合金的控制、冶煉前一澆次控制濺渣層、鋼包殘?jiān)刂萍罢婵彰摿騽┟摿蛐Ч?。根?jù)這些因素形成如下硫控制工藝要點(diǎn)。

在KR 脫硫環(huán)節(jié)，其鐵水S＜0.045%，使用自制KR 脫硫劑，保證脫硫劑質(zhì)量，使鐵水S 脫至15×10-6以下；在轉(zhuǎn)爐煉鋼環(huán)節(jié)，控制回硫，主要從生產(chǎn)組織上優(yōu)化洗爐操作，使用廠內(nèi)回收無(wú)取向硅鋼廢鋼（S≤65×10-6），控制廢鋼比≤10%，使用低硫高鈣石灰和低硫輕燒白云石，礦石化渣不使用螢石，保證轉(zhuǎn)爐回硫量平均在10×10-6以下；在精煉過(guò)程中，合金硫含量控制主要從加入量大的低碳硅鐵合金、鋁粒等加強(qiáng)原料質(zhì)量管控，制定完備的原料控制計(jì)劃，真空循環(huán)過(guò)程中脫硫劑分多批次加入，保證每次加入后的循環(huán)時(shí)間≥6min。

1.2.3 鈦的控制

Ti 在無(wú)取向硅鋼中會(huì)以TiC 及TiN 等細(xì)小的氮化物析出形式出現(xiàn)，會(huì)阻礙熱軋后再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大，阻礙?；缶Я３叽绲拇执蠡涂棙?gòu)的混亂化，對(duì)無(wú)取向硅鋼的鐵損及磁感均是不利的[7，8]。一般要求無(wú)取向硅鋼中的Ti≤30×10-6，而針對(duì)0.45mm 厚新能源汽車(chē)用無(wú)取向硅鋼，其Ti含量應(yīng)≤20×10-6。鋼中的增Ti 主要來(lái)源于鐵水中含鈦、合金增鈦及脫硫劑的增鈦、鋼水鎮(zhèn)靜過(guò)程中的回鈦，具體采用的控制措施如圖1 所示，如下：采用鐵水脫Ti 工藝,并保證KR 脫硫前將脫Ti渣扒除干凈，不加渣改質(zhì)劑；采用低碳低鈦硅鐵；嚴(yán)格控制RH 的到站S 含量，提高RH 脫硫劑質(zhì)量，減少脫硫劑加入量；提高合金一次調(diào)準(zhǔn)率及取樣合格率，使鎮(zhèn)靜時(shí)間＜20min，從而減少鎮(zhèn)靜過(guò)程中渣中Ti 向鋼水中傳遞。

1.2.4 氮的控制

無(wú)取向硅鋼中N 成分偏高，會(huì)形成片狀A(yù)lN，退火時(shí)會(huì)抑制晶粒的長(zhǎng)大，當(dāng)N≥40×10-6時(shí)鐵損P 明顯增高[5-8]，而對(duì)于0.45mm 厚新能源汽車(chē)用無(wú)取向硅鋼，其N(xiāo) 含量應(yīng)控制在25×10-6以下。鋼水中的增氮主要來(lái)源于轉(zhuǎn)爐煉鋼及其出鋼過(guò)程、RH精煉及連鑄過(guò)程中鋼水從空氣中的吸氮或冷渣冷鋼落入鋼水中而提高鋼水氮含量。具體的控氮措施如下：轉(zhuǎn)爐煉鋼采用全程底吹氬氣攪拌，增加后期底吹流量，避免后吹增N，在冶煉過(guò)程中均采取一次拉碳，嚴(yán)禁后吹；出鋼時(shí)間控制在4～8min，避免散流或出鋼時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；在RH 精煉上線前對(duì)浸漬管進(jìn)行檢查確認(rèn)，保證無(wú)明顯裂紋，浸漬管使用過(guò)程中，重點(diǎn)關(guān)注浸漬管渣線以上區(qū)域（未浸入鋼水區(qū)）的耐材情況，發(fā)現(xiàn)裂紋及時(shí)涂抹火泥或噴補(bǔ)，下線前需再次進(jìn)行檢查，記錄裂紋情況，并拍照留底；當(dāng)冶煉結(jié)束N＞30×10-6時(shí)，本爐鋼結(jié)束，對(duì)浸漬管進(jìn)行維護(hù)，噴補(bǔ)浸漬管渣線以上位置，連續(xù)2 爐N＞30×10-6，不再安排此工位冶煉；使用RH 深脫S、控制[O]＜2×10-6有利于RH 后期深脫氮；加強(qiáng)真空的烘烤操作和涮洗真空的操作，從而控制真空槽中冷鋼、積渣對(duì)鋼水的增氮；大包-中包采用3 路氬氣保護(hù)澆鑄，控制中包澆注增氮在3×10-6以下。

圖1 新能源汽車(chē)用無(wú)取向硅鋼的含鈦量控制

1.3 鋼水純凈度控制

影響鋼水純凈度的因素主要是鋼中的氧含量及夾雜物數(shù)量，會(huì)直接影響板坯以致成品的機(jī)械性能，這對(duì)需在高轉(zhuǎn)速服役條件下使用的新能源汽車(chē)用無(wú)取向硅鋼具有較大的影響，同時(shí)也會(huì)影響其磁性能[9-12]。

針對(duì)0.45mm 厚新能源汽車(chē)用無(wú)取向硅鋼，控制鋼水氧含量主要從以下方面進(jìn)行：控制轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氧防止后吹、降低真空室內(nèi)冷鋼的影響、控制RH 脫氧前氧活度、以及連澆過(guò)程中的保護(hù)澆注。通過(guò)上述控制可使0.45mm 厚新能源汽車(chē)用無(wú)取向硅鋼的板坯成品全氧含量控制在10×10-6以下。

另外為促進(jìn)氧化鋁、氧化硅等夾雜物上浮，在RH 結(jié)束后采用鈣處理，并在處理后進(jìn)行10min 以上的軟吹時(shí)間，避免在RH 吹氧升溫過(guò)程中使用鋁粒升溫。

1.4 鑄坯質(zhì)量控制

針對(duì)0.45mm 厚度新能源汽車(chē)用無(wú)取向硅鋼，使用輥式電磁攪拌機(jī)，S1～S4 四輥全開(kāi)，并采用5Hz、300A 的電磁攪拌參數(shù)，使本鋼種板坯的等軸晶率穩(wěn)定在60%～70%之間，如圖2 所示，保證了鑄坯質(zhì)量。使用上述電磁攪拌參數(shù)在節(jié)省用電成本的同時(shí)，可以增強(qiáng)夏季設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性，保證澆鑄連續(xù)性。

2 熱軋工藝控制

2.1 低溫出爐控制

圖2 板坯等軸晶率（68.5%）

針對(duì)0.45mm 厚新能源汽車(chē)用無(wú)取向硅鋼，采用較低的出爐溫度（1000℃），可有效降低AlN 等有害析出物的固溶。為防止板坯出現(xiàn)裂紋并保證溫度的均勻性，需將板坯入加熱爐的溫度控制在300℃以上。生產(chǎn)過(guò)程中加熱爐工序通過(guò)調(diào)整加熱爐負(fù)荷前移和延長(zhǎng)在爐時(shí)間至240min 來(lái)保證板坯溫度的均勻性。

睡眠不足：睡眠不足是當(dāng)下年輕人的通病。睡眠的目的是人體自我修復(fù)，如果長(zhǎng)期睡眠不足會(huì)降低肝細(xì)胞修復(fù)再生能力，想要肝好，就要在晚上11點(diǎn)左右睡覺(jué)。

由于0.45mm 厚新能源汽車(chē)用無(wú)取向硅鋼的硅含量較高會(huì)導(dǎo)致軋線的溫降增高，而且采用較低的出爐溫度，但同時(shí)為了提高產(chǎn)品磁性能需盡可能增高終軋溫度。而對(duì)于0.45mm 厚新能源汽車(chē)用無(wú)取向硅鋼其熱軋成品厚度應(yīng)為2.0mm，那么上述溫降等的變動(dòng)對(duì)于軋制2.0mm 規(guī)格時(shí)精軋的軋制穩(wěn)定性和終軋溫度的命中均帶來(lái)了較大的困難。針對(duì)這種變化在制定生產(chǎn)方案時(shí)充分考慮到減少軋線的溫降，以提高精軋軋制溫度和精軋出口溫度，可采取以下措施：全線除了R2 第一道次除鱗開(kāi)啟外，其余除鱗全部關(guān)閉。另外將立輥和飛剪等冷卻水采用過(guò)鋼時(shí)關(guān)閉的模式；將粗軋的軋制模式由1+5 改為0+5 模式，同時(shí)通過(guò)適度增加中間坯厚度來(lái)提高中間坯進(jìn)入精軋后的溫度。

2.2 粗軋控制

與前文所述達(dá)到終軋溫度的控制類(lèi)似，為保證0.45mm 厚新能源汽車(chē)用無(wú)取向硅鋼生產(chǎn)的RT2 溫度，粗軋采用0+5 的軋制模式，并將R1 除鱗預(yù)沖水關(guān)閉，立輥E1、E2 輥身冷卻水在過(guò)鋼時(shí)關(guān)閉。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，粗除鱗開(kāi)啟單排的情況下，粗軋溫降較不開(kāi)啟粗除鱗增大5℃左右，因此，生產(chǎn)采用不開(kāi)啟粗除鱗、R2 開(kāi)啟第一道次的除鱗制度，粗軋平均溫降在150℃左右。

而在中間坯厚度的選擇中考慮了如下幾個(gè)方面的問(wèn)題：較低的出爐溫度造成RT2 溫度偏低，這樣會(huì)導(dǎo)致中間坯尾部的溫度偏低，給精軋的軋制穩(wěn)定性帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)，因此需要選用較厚的中間坯；為了相變?cè)诰埱安繖C(jī)架發(fā)生，增加前部機(jī)架的變形能，這樣就需要增加中間坯厚度；為了防止精軋打滑，中間坯厚度不能過(guò)大；綜合上述三個(gè)方面原因，選擇合適的中間坯厚度值為45mm。

2.3 精軋控制

在軋制2.0mm 規(guī)格時(shí)精軋穩(wěn)定性較差，初始兩塊軋制過(guò)程中較不穩(wěn)定，一般會(huì)出現(xiàn)較大的中間浪，尾部軋制也較為不穩(wěn)定，尤其表現(xiàn)在F7 機(jī)架，F(xiàn)7 機(jī)架較大的變形抗力，是導(dǎo)致其邊降較大的原因。據(jù)此，通過(guò)調(diào)整負(fù)荷分配，可使邊降得到改善。結(jié)合溫降及軋制穩(wěn)定性，最終將終軋溫度控制在860℃，實(shí)際控制中，穿帶速度平均在9.5m/s左右，帶鋼終軋溫度±20℃命中良好，命中率基本在99%以上，典型控制如圖3 所示。

圖3 4.5mm 厚新能源汽車(chē)用無(wú)取向硅鋼終軋溫度的典型控制情況

2.4 低溫卷取控制

為進(jìn)一步提高0.45mm 厚新能源汽車(chē)用無(wú)取向硅鋼的磁性能，需采用低卷取溫度控制，根據(jù)本鋼種的Si 含量，試驗(yàn)后，將卷取溫度定為580℃，采用了適合本鋼種的固定SGF 值，調(diào)整了合適的控冷工藝參數(shù)，從而保證了卷取溫度命中率，全長(zhǎng)在±20℃內(nèi)的命中率達(dá)到95%，±30℃內(nèi)的命中率達(dá)到100%，典型控制如圖4 所示。

圖4 4.5mm 厚新能源汽車(chē)用無(wú)取向硅鋼卷取溫度的典型控制情況

3 冷軋工藝控制

3.1 常化酸洗控制

由于0.45mm 厚新能源汽車(chē)用無(wú)取向硅鋼目標(biāo)使用者為新能源高端行業(yè)，對(duì)硅鋼材料性能的要求較高，因此需要采用?；に嚒?/p>

而?；纫ＷC產(chǎn)品性能又要保證產(chǎn)品的可軋性，通過(guò)試驗(yàn)確定SF 爐工藝段溫度為1000℃，速度為35m/min,使帶鋼在工藝溫度下保溫足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使晶粒更大更均勻，相應(yīng)的金相圖片如圖5 所示,可使成品鐵損穩(wěn)定在2.8W/kg，磁感穩(wěn)定在1.73T。

圖5 常化工藝控制下的?；俺善吠嘶鸷蠼鹣嗾掌╝）?；螅╞）成品退火后

3.2 軋制控制

使用二十輥單機(jī)架軋機(jī)進(jìn)行軋制，采用AGC控制系統(tǒng)，選用的單位張力為0.5·σ0.2，可精確地控制厚度為0.45mm±0.025mm，板型良好，完全滿足客戶(hù)對(duì)產(chǎn)品的高板型質(zhì)量的要求。

3.3 退火控制

結(jié)合常化工藝，退火工藝溫度定為880℃，并采取無(wú)氧化爐燃燒控制，退火爐內(nèi)全氮?dú)獗Ｗo(hù)工藝優(yōu)化，其生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)結(jié)瘤情況出現(xiàn)，保證了產(chǎn)品表面質(zhì)量；且爐內(nèi)采取非通氫工藝，切斷明火加熱爐段燒嘴，減少產(chǎn)品氧化程度，成品鐵損性能較存在氧化卷約低0.06W/kg。

表2 0.45mm 厚新能源汽車(chē)用無(wú)取向硅鋼的性能

最終可使0.45mm 厚新能源汽車(chē)用無(wú)取向硅鋼的成品卷在保證表面質(zhì)量的情況下，其磁感為1.73T 的比例高于95%，鐵損低于2.8W/kg 的比例達(dá)到98%，屈服強(qiáng)度達(dá)到315MPa，抗拉強(qiáng)度可達(dá)450MPa，處于國(guó)際領(lǐng)先水平，如表2 所示。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)煉鋼、熱軋及冷軋的全工序工藝控制，可以生產(chǎn)出完全符合高端客戶(hù)要求的0.45mm 厚新能源汽車(chē)用無(wú)取向硅鋼，其磁感值可穩(wěn)定在1.73T 以上，鐵損在2.8W/kg 以下，并具有良好的板型和機(jī)械性能。為下一步研制其他牌號(hào)的新能源汽車(chē)用無(wú)取向硅鋼奠定了堅(jiān)實(shí)的理論及實(shí)踐基礎(chǔ)。