薄板坯连铸连轧生产电工钢的探索和实践.doc

薄板坯连铸连轧生产电工钢的探索和实践

陈友根1，马玉平2
（1.马钢第一钢轧总厂，2.马钢技术中心）

摘要 “薄板坯连铸连轧生产电工钢新技术研究”是“十五”国家科技攻关计划课题项目。本文采用由马钢第一钢轧总厂的铁水脱硫处理－BOF－吹氩站－RH（－LF）工艺提供钢水， CSP薄板坯连铸连轧生产电工钢热轧卷，经武钢电工钢片厂完成冷轧、退火及涂层处理等，成功试制出了三个牌号的电工钢，达到了课题考核目标，通过了国家“十五”专家组的验收，填补了国内CSP生产线生产电工钢的空白。
关键词 电工钢 CSP 超低碳钢 科技攻关

1 前言
电工钢是一种软磁材料，是磁性材料中用量最大的一种，主要用于制造电动机、发动机和变压器等设备的铁芯，是电机和电器制造业的重要材料。随着我国机电、电子、发电和输变电等工业的迅猛发展，对电工钢特别是冷轧电工钢的需求将逐年增加，目前，我国冷轧电工钢的自给率仅为约30％，所以加速发展冷轧电工钢，对于满足机电行业的日益增长的需求，具有十分重要的意义[1-3]。
冷轧无取向电工钢主要用于容量较大的大中型电机以及发电机，直流电机和同步交流电机的定子铁芯、异步交流电机的定子铁芯和转子铁芯均采用无取向电工钢制造。
目前，我国冷轧电工钢生产采用传统板坯连铸、热轧、冷轧生产工艺流程，流程工艺复杂。随着世界范围内薄板坯连铸连轧生产工艺技术的推广和成熟，用薄板坯连铸连轧工艺替代传统工艺生产电工钢已经在德国蒂森（TKS）CSP生产线以及意大利托尼(Terni)CSP生产线获得成功并投入工业化规模生产，近年来，蒂森CSP生产线电工钢产量一直保持在CSP总产量的20％左右。实践表明，相对于传统工艺路线，采用薄板坯连铸连轧生产冷轧电工钢，一方面可以减少加工工序，热轧卷厚度可直接控制在2.0～2.5mm，有利于采用一次冷轧法进行0.30mm以下规格的无取向电工钢的生产，避免了传统工艺的二次冷轧；另一方面省略了取向电工钢高温加热工序，通过控制铸坯的凝固和冷却达到有益元素（Mn、S、Al和N）充分固溶，热轧过程中析出细小的MnS夹杂（30～50nm）及少量细小AlN的目的。
近年来，我国薄板坯连铸连轧发展异常迅猛，截止去年上半年我国各类薄板坯连铸连轧生产线已达到13条，产能总量超过3000万吨/年[4]。如何发挥我国已经建成投产的薄板坯连铸连轧生产线的优势，开发生产电工钢成为“十五”国家科技攻关项目。根据该项目的分工，在马钢完成三个牌号无取向电工钢热轧卷的开发试制工作。
2 试制条件
2.1 主要设备配置
（1） 脱硫站
（2） 120t顶底复吹转炉×3
（3） 吹氩站（顶枪）
（4） LF炉（双工位）×2
（5） CSP薄板坯连铸机×2
（6） CSP热连轧（F1-F7精轧机）
（7） 主要检化验设备：直读光谱仪、氧氮联动仪、碳硫仪及热轧卷性能检测设备
2.2 工艺路线
高炉铁水（鱼雷罐车）→预脱硫（铁水脱硫站）→转炉冶炼(120t顶底复吹转炉)→吹氩处理（吹氩站）→炉外精炼（RH真空处理）→CSP连铸连轧→（冷连轧（武钢硅钢生产线））→检验包装→发货。
2.3 工艺设计
根据课题要求分别设计了三个牌号的无取向电工钢冶炼、精炼、连铸连轧试制工艺。
（1）化学成分设计 见表1。
表1 电工钢化学成分设计
牌号
C（%）
Si （%）
Mn（%）
P（%）
S（%）
Als（%）
N（ppm）
MG-W800
≤0.008
0.25～0.4
0.20～0.45
0.07~0.09
≤0.008
0.2~0.35
≤50 目标≤40
MG-W600
≤0.008
0.60~0.80
0.20~0.45
0.04~0.07
≤0.008
0.15~0.35
MG-W540
≤0.008
1.10～1.30
0.20～0.40
≤0.040
≤0.007
0.20~0.40
（2）工艺参数和操作要点设计 根据电工钢特性分别设计了相关工艺过程的操作要点（包括炼钢工序、精炼工序、CSP连铸工序和CSP连轧工序）。
（3）检化验设计 针对电工钢化学成分的一些特殊要求制订了专门的检化验方案。
2.4 原料条件
（1）铁水 成分和温度见表2
表2 铁水条件(铁水预处理前)
C（%）
Si （%）
Mn（%）
P （%）
S （%）
T（ ℃）
4.2-4.7
0.2-1.2
0.2-0.5
0.08-0.15
0.020-0.040
1220-1350
注：冶炼硅钢用铁水全数进行铁水预处理，入炉铁水保证S≤0.005％。
（2）废钢 以本厂CSP系统和中板线自循环废钢为主。
（3）合金料 电工钢专用合金参考成分见表3
表3 合金参考成分
品 名
C（%）
Si（%）
Mn（%）
P（%）
S（%）
Ti（%）
低碳硅铁
0.04
76.83

0.005
0.028
电解微碳锰铁
0.007
0.002
99.9
0.002
0.006

低碳磷铁
0.16
0.51

25.27
0.025

（4）RH工序脱硫剂 主要理化指标见表4
表4脱硫剂的主要理化指标
成分
MgO（%）（含金属镁）
CaO（%）
SiO2（%）
Al2O3（%）
C（%）
H2O（%）
熔点(℃)

11.61
56.68
7.74
15.12
0.71
0.05
1375℃
3 试制结果及分析
3.1 试制过程
根据课题组制定的试制方案和试制计划，分别于2005年3月至8月，在马钢第一钢轧总厂CSP薄板坯连铸连轧生产线先后进行了三轮共计12炉的无取向电工钢热轧卷（牌号分别为MG-W600、MG-W800和MG-W540）的生产试验。
（1）2005年3月1日进行了第一轮电工钢生产试验，试制热轧牌号为MG-W600的电工钢3炉，连铸断面为1270×70/65（mm×mm），热轧主要规格为2.1～2.3mm，试验成功。
（2）2005年7月5日进行了第二轮电工钢生产试验，试制热轧牌号为MG-W800的电工钢2炉，连铸断面为1244×70/65（mm×mm），热轧主要规格为2.1～2.3mm，试验成功。
（3）2005年8月2日进行了第三轮电工钢生产试验，试制热轧牌号为MG-W540的电工钢5炉和MG-W800的电工钢2炉，连铸断面为1244×70/65（mm×mm），热轧主要规格为2.1mm，试验基本成功。
3.2 主要结果与分析
3.2.1 主要成分控制及冶金效果
在无取向冷轧电工钢中，Si和P是为了达到一定磁性性能要求而配入的合金元素。硅含量对磁性的影响很敏感，随硅含量提高、电阻率提高和涡流损耗降低。另一方面，随硅含量提高，成品晶粒粗大，磁滞损耗降低。因此硅含量提高，铁损明显降低、同时弱磁场下磁感也提高。较高的酸溶铝（0.15％≤Als≤0.4％）设计则是为了改善材料组织织构、降低铁损和磁各向异性，固定氮而减轻磁时效，在脱碳退火过程中析出AlN质点，形成（100）和（110）位向组分的结构，起到降低铁损的作用。而C、N、Ti、S均属于有害元素，铁磁材料磁时效现象主要是材料中碳和氮等杂质元素引起的。铁芯在长期运转时．特别是在温度升高到50—80℃时，多余的碳和氮原子就以细小弥散的ε碳化物和Fe16N4质点析出，从而使Hc和PT增高。所以要求电工钢产品中碳和氮分别小于0.0035％和0.005％，同时对Σ（Ti＋S＋N）有一定要求。其它杂质元素影响夹杂物的种类、形态、大小和分布，因此其它残余元素尽可能的控制在较低的水平。
三个牌号无取向电工钢的主要成分控制和过程变化如表5～表7所示。
表5 MG-W600过程成分变化表
牌号
炉号
工序
C(%)
Si(%)
Mn(%)
P(%)
S(%)
Als(%)
Ti(%)
N(%)
MG-W600
目标
≤0.008
0.6~0.8
0.20~0.45
0.04~0.07
≤0.008
0.15~0.35

≤0.0040
3-1579
一倒
0.055
0.009
0.095
0.014
0.0065

氩后
0.025
0.009
0.055
0.011
0.0069

RH出站
0.00420
0.74651
0.29524
0.04534
0.00820
0.36079
0.00206
0.00437
中包
0.0031
0.748
0.3349
0.0502
0.00897
0.295
0.0024
0.00449
3-1580
一倒
0.037
0.01
0.08
0.013
0.0066

氩后
0.037
0.001
0.067
0.012
0.0073

RH出站
0.00520
0.41572
0.33521
0.01550
0.00750
0.23495
0.00233
0.004
中包
0.0031
0.743
0.3266
0.045
0.0079
0.253
0.0023
0.00481
3-1581
一倒
0.029
0.01
0.075
0.013
0.0073

氩后
0.033
0.002
0.064
0.013
0.0075

RH出站
0.00350
0.73000
0.37725
0.05489
0.00800
0.26536
0.00199
0.00432
中包
0.0042
0.73
0.3629
0.0522
0.0079
0.245
0.0023
0.0048

表6 MG-W800过程成分变化表
牌号
炉号
工序
C(%)
Si(%)
Mn(%)
P(%)
S(%)
Als(%)
Ti(%)
N(%)
MG-W800
目标
≤0.008
0.25~0.4
0.2～0.45
0.07~0.09
≤0.008
0.2~0.35

≤0.0040
3-5318
一倒
0.0655
0.0001
0.1134
0.0172
0.0072

氩后
0.025
0.009
0.055
0.011
0.0069

RH出站
0.0029
0.14
0.22
0.016
0.008
0.27
0.0040
0.00356
中包

3-5319
一倒
0.0329
0.006
0.1165
0.033
0.0086

氩后
0.0338
0.0088
0.0778
0.026
0.0084

RH出站
0.0053
0.30
0.22
0.065
0.0091
0.34
0.0044
0.00271
中包

3-6231
一倒
0.051

0.010
0.012

氩后
0.021
0.002
0.033
0.006
0.006

RH出站
0.0028
0.26
0.28
0.074
0.0083
0.27

0.00475
中包
0.0034
0.0046
0.2572
0.269
0.00729
0.214

0.00742
3-6232
一倒
0.035

0.009
0.012

氩后
0.019
0.008
0.03
0.008
0.0094

RH出站
0.0030
0.30
0.30
0.075
0.0071
0.29

0.0044
中包

表7 MG-W540过程成分变化表
牌号
炉号
工序
C(%)
Si(%)
Mn(%)
P(%)
S(%)
Als(%)
Ti(%)
N(%)

MG-W540
目标
≤0.0080
1.1～1.3
0.2～0.4
≤0.040
≤0.007
0.20~0.40

≤0.0040
2-5857
一倒
0.03

0.006
0.008

氩后
0.021
0.002
0.022
0.007
0.0078

RH出站
0.0050
1.1105
0.312
0.0094
0.0090
0.287

0.00596
中包
0.0049
1.0928
0.318
0.0093
0.0084
0.262

0.00572
2-5858
一倒
0.00420
0.74651
0.29524
0.04534
0.00820
0.36079
0.00206
0.00437
氩后

RH出站
0.0055
1.1727
0.294
0.0104
0.0091
0.370

0.00457
中包
0.0052
1.1774
0.300
0.0101
0.0085
0.357

0.00484
3-6227
一倒
0.028

0.016
0.0068

氩后
0.018
0.001
0.04
0.011
0.0058

RH出站
0.0054
1.1676
0.333
0.0137
0.0072
0.323

0.00432
中包
0.0053
1.16
0.32
0.014
0.005
0.33

0.00489
3-6228
一倒
0.024

0.014
0.0069

氩后
0.018
0.001
0.028
0.009
0.0084

RH出站
0.0054
1.2215
0.329
0.0105
0.0079
0.304

0.00441
中包
0.0055
1.1984
0.334
0.0109
0.0082
0.274

0.00453
3-6230
一倒
0.025

0.012
0.016

氩后
0.018
0.001
0.029
0.011
0.0070

RH出站
0.0036
1.1670
0.315
0.0096
0.0067
0.356

0.0035
中包

（1） 碳含量控制效果 12个炉次平均0.0043％，其分布状况见图1所示，从图中可以看出，碳含量基本上都小于0.006％，达到试制目标要求。同时从图中可以发现碳含量波动范围较大，达到0.0028％～0.0055％，在今后的生产中要加以研究和控制。

图1 碳含量分布状态
（2） 硫含量控制效果 12炉次平均0.0080％，其分布状况见图2所示，从图中可以看出，硫含量基本上都在目标上限0.008％的上下波动。虽然在炼钢工序采用了精料入炉和相应的降低钢水硫含量的措施，但是由于转炉和RH工艺本身的特性，很难将硫含量控制得更低。课题组讨论并进行了RH＋LF双联工艺初步试验。结果表明，通过RH-LF双联工艺，可以保证[S]≤20 ppm，[Ti]≤25 ppm，[N]≤55 ppm，完全可以满足无取向电工钢的要求。

图2 硫含量分布状态
（3） 氮含量控制效果 氮含量如图3所示，基本达到目标要求。从钢水氮含量的控制上看，成品钢水氮含量平均0.0048％，转炉冶炼终点0.0047 ％，造成氮含量趋于上限，根据同行经验，严格控制生产过程，可以保证氮含量小于0.0050％。

图3 氮含量分布状态
（4） 其它元素成分控制 基本满足设计要求。
3.2.2 钢水纯净度控制效果
衡量钢水纯净度的一个重要参数就是钢中全氧含量。根据课题目标，其全氧含量需控制在30ppm以下，经对RH出站钢水和中间包钢水分析，RH出站和中包钢水全氧含量如图4所示。从图中可以看出：首先是所有炉次全氧含量都远低于目标要求，其次RH出站钢水夹杂物还没有得到充分上浮，而中间包则可使钢水得到进一步净化。

图4 钢水中全氧分布
3.2.3 铸坯质量特点
由于CSP薄板坯连铸铸坯薄、全水冷、拉速快等特点，使得薄板坯铸坯组织结构和元素分布区别于传统铸坯，主要特性表现为晶粒细小，成分分布均匀。
（1）铸坯组织 图5为马钢CSP连铸生产的电工钢铸坯（钢种：MG_W600，铸坯规格：1270×65 mm）的低倍组织。
从图5可以算出，边部约30％为激冷层组织，其余为柱状晶，枝晶臂间距约为70 mm。其低倍组织与传统大板坯低倍组织对比可以看出，CSP生产的电工钢铸坯低倍组织明显细化，铸坯中的夹杂物和析出物尺寸细小，分散分布，薄板坯连铸生产电工钢铸坯成分均匀，不会生产严重的偏析现象。

A、铸坯边部

B、铸坯中部
图5 电工钢铸坯（1270×65 mm）低倍组织
（2）最大偏析度 采用金属原位统计分布分析法对马钢生产的化学成分为C: 0.0042％ Si: 0.75％ Mn:0.30％ P: 0.045％ S: 0.008％ Al:0.36％的电工钢样品进行分析得到马钢CSP铸坯各元素最大偏析度见表8。
表8 各元素的最大偏析度
元 素
平均含量（C0），％
最大偏析位置（x,y）
最大偏析度(C/ C0)
C
0.005
(0.20,1.99)
1.624
Si
0.768
(4.40,10.05)
1.085
Mn
0.308
(29.70,16.03)
1.123
P
0.054
(29.90,13.95)
1.073
S
0.008
(15.80,24.01)
1.288
Al
0.288
(29.90,20.02)
1.056
分析表明，薄板坯连铸生产得到的电工钢连铸坯表面平整、光滑，基本上没有任何质量缺陷（如裂纹、夹杂、中心疏松等），铸坯的整体质量好于传统流程生产的铸坯，完全能够满足热轧工艺的要求。
3.2.4 电工钢热轧卷质量特点
根据三个牌号的电工钢选取三个具有代表性的试样，其代表成分如表9所示。分别进行电工钢性能和组织特征的分析。
表9 各牌号电工钢代表成分
牌号
规格（mm）
C（％）
Si（％）
Mn（％）
P（％）
S（％）
Alt（％）
Als（％）
MG_W540
2.62
0.0027
1.10
0.32
0.011
0.0091
0.27
0.27
MG_W600
2.30
0.0042
0.76
0.34
0.045
0.0075
0.26
0.26
MG_W800
2.10
0.0031
0.30
0.31
0.078
0.0082
0.29
0.29
（1） 热轧卷组织结构特征
分别对上述三个牌号的电工钢试样沿板宽方向均分5点进行组织分析，得到MG_W540、 MG_W600和MG_W800组织如图6所示。
同时对三个牌号的电工钢的组织晶粒度和夹杂物评级、组织定量分析、夹杂数量等进行了分析，其结果表明：电工钢的金相组织为铁素体+微量渗碳体；晶粒度评级为4.5～8.5级；组织含量中铁素体占98%以上；非金属夹杂物百分含量在0.013%~0.16%；非金属夹杂物最大直径在6.92~73.69μm；夹杂物评级结果为A、B、D类夹杂细系0.5级，表明钢水纯净度较好。电工钢金相组织的一个显著特点是具有晶粒粗大的微观组织。

A: 边部 B: 1/4处 C:中心 D:3/4处 E:4/4处
图6 沿板宽均分5点组织照片
（2） 电工钢常规力学性能
电工钢常规力学性能检验结果如图7所示。从图中可以看出，虽然电工钢的Si和其它合金元素含量较高，但是，所有牌号电工钢的屈服强度基本上都小于300MPa，有利于冷轧生产。

图7 电工钢热轧卷常规力学性能
（3） 表面质量以及板型
热轧卷的表面质量、板型及尺寸精度基本上都能满足冷轧工序的要求。
3.2.5 冷轧电工钢质量效果
根据科研攻关分工，马钢生产的三个牌号的电工钢热轧卷，送到武钢进行冷轧、连退等后道工序加工、分析检测、包装等。
（1）退火组织 MG-W600经冷轧加工后的退火组织如图8所示。

图8 MG-W600电工钢退火卷金相组织
（2）磁性能和其它考核指标
冷轧电工钢电磁性能及其它考核指标检验结果见表10。
表10 冷轧电工钢电磁性能表
牌号\项目
Si+Al(%)
C（ppm）
合格量（吨）
B50(T)
P15/50(W/Kg)
合同指标
实际值
合同指标
实际值
50W800
0.5
≤40
239
≥1.70T
1.75
≤8.0
5.97
50W600
1.0
208
≥1.68T
1.74
≤6.0
5.44
50W540
1.5
245
≥1.66T
1.73
≤5.0
4.71
从表中可以看出，通过薄板坯连铸连轧生产的三个牌号的冷轧无取向电工钢的电磁性能，无论是铁损还是磁感均达到了考核指标要求，并且优于国标要求约一个牌号。
4 结论
1、 薄板坯连铸连轧生产线能够生产中低牌号的无取向电工钢；
2、 在马钢CSP薄板坯连铸连轧生产线开发成功的电工钢项目填补了国内空白；
3、 通过铁水预处理→BOF→吹氩站→RH工艺路线能够向CSP提供合格的无取向电工钢钢水，但是目前还不能解决硫含量趋于目标上限的问题，下一步必须解决RH工序脱硫或者通过RH+LF来解决脱硫的问题；
4、 需要进一步优化工艺和操作，使成品N含量有效地控制在40ppm以下；
5、 CSP工艺生产的电工钢铸态低倍组织细化、夹杂物和析出物尺寸细小、分散分布、成分均匀、不会生产严重的偏析现象；
6、 通过薄板坯连铸连轧生产的电工钢原料板形良好，性能稳定，表面质量较好；
7、 在酸洗连轧机组，与使用传统工艺原料相比其轧制工艺无需调整；
8、 退火设备和工艺与常规连退线有一定差异，需要专用的连续退火机组。

参考文献
[1]何忠治.电工钢[M].北京：冶金工业出版社，1996:3-20
[2]廖郁文.我国取向硅钢生产的初期现状和发展[J].钢铁冶金，1993，（6）：50-54
[3]周丽军.我国硅钢生产现状及发展趋势[J].冶金经济与管理，2001，（2）：31-33
[4]殷瑞玉.努力创新，引领薄板坯连铸连轧的未来.薄板坯连铸连轧技术交流与开发协会第四次技术交流会，2006，1-9