薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)電工鋼的探索和實(shí)踐

1、薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)電工鋼的探索和實(shí)踐陳友根1，馬玉平2（1.馬鋼第一鋼軋總廠，2.馬鋼技術(shù)中心）摘要 “薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)電工鋼新技術(shù)研究”是“十五”國家科技攻關(guān)計(jì)劃課題項(xiàng)目。本文采用由馬鋼第一鋼軋總廠的鐵水脫硫處理BOF吹氬站RH（LF）工藝提供鋼水， CSP薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)電工鋼熱軋卷，經(jīng)武鋼電工鋼片廠完成冷軋、退火及涂層處理等，成功試制出了三個(gè)牌號(hào)的電工鋼，達(dá)到了課題考核目標(biāo)，通過了國家“十五”專家組的驗(yàn)收，填補(bǔ)了國內(nèi)CSP生產(chǎn)線生產(chǎn)電工鋼的空白。關(guān)鍵詞 電工鋼 CSP 超低碳鋼 科技攻關(guān)1 前言電工鋼是一種軟磁材料，是磁性材料中用量最大的一種，主要用于制造電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和變壓器等設(shè)備

2、的鐵芯，是電機(jī)和電器制造業(yè)的重要材料。隨著我國機(jī)電、電子、發(fā)電和輸變電等工業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)電工鋼特別是冷軋電工鋼的需求將逐年增加，目前，我國冷軋電工鋼的自給率僅為約30，所以加速發(fā)展冷軋電工鋼，對(duì)于滿足機(jī)電行業(yè)的日益增長的需求，具有十分重要的意義1-3。冷軋無取向電工鋼主要用于容量較大的大中型電機(jī)以及發(fā)電機(jī)，直流電機(jī)和同步交流電機(jī)的定子鐵芯、異步交流電機(jī)的定子鐵芯和轉(zhuǎn)子鐵芯均采用無取向電工鋼制造。目前，我國冷軋電工鋼生產(chǎn)采用傳統(tǒng)板坯連鑄、熱軋、冷軋生產(chǎn)工藝流程，流程工藝復(fù)雜。隨著世界范圍內(nèi)薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)工藝技術(shù)的推廣和成熟，用薄板坯連鑄連軋工藝替代傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)電工鋼已經(jīng)在德國蒂森（TKS）

3、CSP生產(chǎn)線以及意大利托尼(Terni)CSP生產(chǎn)線獲得成功并投入工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，近年來，蒂森CSP生產(chǎn)線電工鋼產(chǎn)量一直保持在CSP總產(chǎn)量的20左右。實(shí)踐表明，相對(duì)于傳統(tǒng)工藝路線，采用薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)冷軋電工鋼，一方面可以減少加工工序，熱軋卷厚度可直接控制在2.02.5mm，有利于采用一次冷軋法進(jìn)行0.30mm以下規(guī)格的無取向電工鋼的生產(chǎn)，避免了傳統(tǒng)工藝的二次冷軋；另一方面省略了取向電工鋼高溫加熱工序，通過控制鑄坯的凝固和冷卻達(dá)到有益元素（Mn、S、Al和N）充分固溶，熱軋過程中析出細(xì)小的MnS夾雜（3050nm）及少量細(xì)小AlN的目的。近年來，我國薄板坯連鑄連軋發(fā)展異常迅猛，截止去年上半年

4、我國各類薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線已達(dá)到13條，產(chǎn)能總量超過3000萬噸/年4。如何發(fā)揮我國已經(jīng)建成投產(chǎn)的薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線的優(yōu)勢，開發(fā)生產(chǎn)電工鋼成為“十五”國家科技攻關(guān)項(xiàng)目。根據(jù)該項(xiàng)目的分工，在馬鋼完成三個(gè)牌號(hào)無取向電工鋼熱軋卷的開發(fā)試制工作。2 試制條件2.1 主要設(shè)備配置（1） 脫硫站（2） 120t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐3（3） 吹氬站（頂槍）（4） LF爐（雙工位）2（5） CSP薄板坯連鑄機(jī)2（6） CSP熱連軋（F1-F7精軋機(jī)）（7） 主要檢化驗(yàn)設(shè)備：直讀光譜儀、氧氮聯(lián)動(dòng)儀、碳硫儀及熱軋卷性能檢測設(shè)備2.2 工藝路線 高爐鐵水（魚雷罐車）預(yù)脫硫（鐵水脫硫站）轉(zhuǎn)爐冶煉(120t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐)吹

5、氬處理（吹氬站）爐外精煉（RH真空處理）CSP連鑄連軋（冷連軋（武鋼硅鋼生產(chǎn)線）檢驗(yàn)包裝發(fā)貨。2.3 工藝設(shè)計(jì)根據(jù)課題要求分別設(shè)計(jì)了三個(gè)牌號(hào)的無取向電工鋼冶煉、精煉、連鑄連軋?jiān)囍乒に?。?）化學(xué)成分設(shè)計(jì) 見表1。表1 電工鋼化學(xué)成分設(shè)計(jì)牌號(hào)C（%）Si （%）Mn（%）P（%）S（%）Als（%）N（ppm）MG-W8000.0080.250.40.200.450.070.090.0080.20.3550 目標(biāo)40MG-W6000.0080.600.800.200.450.040.070.0080.150.35MG-W5400.0081.101.300.200.400.0400.0070.20

6、0.40（2）工藝參數(shù)和操作要點(diǎn)設(shè)計(jì) 根據(jù)電工鋼特性分別設(shè)計(jì)了相關(guān)工藝過程的操作要點(diǎn)（包括煉鋼工序、精煉工序、CSP連鑄工序和CSP連軋工序）。（3）檢化驗(yàn)設(shè)計(jì) 針對(duì)電工鋼化學(xué)成分的一些特殊要求制訂了專門的檢化驗(yàn)方案。2.4 原料條件（1）鐵水 成分和溫度見表2表2 鐵水條件(鐵水預(yù)處理前)C（%）Si （%）Mn（%）P （%）S （%）T（ ）4.2-4.70.2-1.20.2-0.50.08-0.150.020-0.0401220-1350注：冶煉硅鋼用鐵水全數(shù)進(jìn)行鐵水預(yù)處理，入爐鐵水保證S0.005。（2）廢鋼 以本廠CSP系統(tǒng)和中板線自循環(huán)廢鋼為主。（3）合金料 電工鋼專用合金參考成

7、分見表3表3 合金參考成分品 名C（%）Si（%）Mn（%）P（%）S（%）Ti（%）低碳硅鐵0.0476.830.0050.028電解微碳錳鐵0.0070.00299.90.0020.006低碳磷鐵0.160.5125.270.025（4）RH工序脫硫劑 主要理化指標(biāo)見表4表4脫硫劑的主要理化指標(biāo)成分MgO（%）（含金屬鎂）CaO（%）SiO2（%）Al2O3（%）C（%）H2O（%）熔點(diǎn)()11.6156.687.7415.120.710.0513753 試制結(jié)果及分析3.1 試制過程根據(jù)課題組制定的試制方案和試制計(jì)劃，分別于2005年3月至8月，在馬鋼第一鋼軋總廠CSP薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)

8、線先后進(jìn)行了三輪共計(jì)12爐的無取向電工鋼熱軋卷（牌號(hào)分別為MG-W600、MG-W800和MG-W540）的生產(chǎn)試驗(yàn)。（1）2005年3月1日進(jìn)行了第一輪電工鋼生產(chǎn)試驗(yàn)，試制熱軋牌號(hào)為MG-W600的電工鋼3爐，連鑄斷面為127070/65（mmmm），熱軋主要規(guī)格為2.12.3mm，試驗(yàn)成功。（2）2005年7月5日進(jìn)行了第二輪電工鋼生產(chǎn)試驗(yàn)，試制熱軋牌號(hào)為MG-W800的電工鋼2爐，連鑄斷面為124470/65（mmmm），熱軋主要規(guī)格為2.12.3mm，試驗(yàn)成功。（3）2005年8月2日進(jìn)行了第三輪電工鋼生產(chǎn)試驗(yàn)，試制熱軋牌號(hào)為MG-W540的電工鋼5爐和MG-W800的電工鋼2爐，連鑄

9、斷面為124470/65（mmmm），熱軋主要規(guī)格為2.1mm，試驗(yàn)基本成功。3.2 主要結(jié)果與分析3.2.1 主要成分控制及冶金效果在無取向冷軋電工鋼中，Si和P是為了達(dá)到一定磁性性能要求而配入的合金元素。硅含量對(duì)磁性的影響很敏感，隨硅含量提高、電阻率提高和渦流損耗降低。另一方面，隨硅含量提高，成品晶粒粗大，磁滯損耗降低。因此硅含量提高，鐵損明顯降低、同時(shí)弱磁場下磁感也提高。較高的酸溶鋁（0.15Als0.4）設(shè)計(jì)則是為了改善材料組織織構(gòu)、降低鐵損和磁各向異性，固定氮而減輕磁時(shí)效，在脫碳退火過程中析出AlN質(zhì)點(diǎn)，形成（100）和（110）位向組分的結(jié)構(gòu)，起到降低鐵損的作用。而C、N、Ti、S

10、均屬于有害元素，鐵磁材料磁時(shí)效現(xiàn)象主要是材料中碳和氮等雜質(zhì)元素引起的。鐵芯在長期運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)特別是在溫度升高到5080時(shí)，多余的碳和氮原子就以細(xì)小彌散的碳化物和Fe16N4質(zhì)點(diǎn)析出，從而使Hc和PT增高。所以要求電工鋼產(chǎn)品中碳和氮分別小于0.0035和0.005，同時(shí)對(duì)（TiSN）有一定要求。其它雜質(zhì)元素影響夾雜物的種類、形態(tài)、大小和分布，因此其它殘余元素盡可能的控制在較低的水平。三個(gè)牌號(hào)無取向電工鋼的主要成分控制和過程變化如表5表7所示。表5 MG-W600過程成分變化表牌號(hào)爐號(hào)工序C(%)Si(%)Mn(%)P(%)S(%)Als(%)Ti(%)N(%)MG-W600目標(biāo)0.0080.60.80

11、.200.450.040.070.0080.150.350.00403-1579一倒0.0550.0090.0950.0140.0065氬后0.0250.0090.0550.0110.0069RH出站0.004200.746510.295240.045340.008200.360790.002060.00437中包0.00310.7480.33490.05020.008970.2950.00240.004493-1580一倒0.0370.010.080.0130.0066氬后0.0370.0010.0670.0120.0073RH出站0.005200.415720.335210.015500.

12、007500.234950.002330.004中包0.00310.7430.32660.0450.00790.2530.00230.004813-1581一倒0.0290.010.0750.0130.0073氬后0.0330.0020.0640.0130.0075RH出站0.003500.730000.377250.054890.008000.265360.001990.00432中包0.00420.730.36290.05220.00790.2450.00230.0048表6 MG-W800過程成分變化表牌號(hào)爐號(hào)工序C(%)Si(%)Mn(%)P(%)S(%)Als(%)Ti(%)N(%)

13、MG-W800目標(biāo)0.0080.250.40.20.450.070.090.0080.20.350.00403-5318一倒0.06550.00010.11340.01720.0072氬后0.0250.0090.0550.0110.0069RH出站0.00290.140.220.0160.0080.270.00400.00356中包3-5319一倒0.03290.0060.11650.0330.0086氬后0.03380.00880.07780.0260.0084RH出站0.00530.300.220.0650.00910.340.00440.00271中包3-6231一倒0.0510.010

14、0.012氬后0.0210.0020.0330.0060.006RH出站0.00280.260.280.0740.00830.270.00475中包0.00340.00460.25720.2690.007290.2140.007423-6232一倒0.0350.0090.012氬后0.0190.0080.030.0080.0094RH出站0.00300.300.300.0750.00710.290.0044中包表7 MG-W540過程成分變化表牌號(hào)爐號(hào)工序C(%)Si(%)Mn(%)P(%)S(%)Als(%)Ti(%)N(%)MG-W540目標(biāo)0.00801.11.30.20.40.0400

15、.0070.200.400.00402-5857一倒0.030.0060.008氬后0.0210.0020.0220.0070.0078RH出站0.00501.11050.3120.00940.00900.2870.00596中包0.00491.09280.3180.00930.00840.2620.005722-5858一倒0.004200.746510.295240.045340.008200.360790.002060.00437氬后RH出站0.00551.17270.2940.01040.00910.3700.00457中包0.00521.17740.3000.01010.00850.

16、3570.004843-6227一倒0.0280.0160.0068氬后0.0180.0010.040.0110.0058RH出站0.00541.16760.3330.01370.00720.3230.00432中包0.00531.160.320.0140.0050.330.004893-6228一倒0.0240.0140.0069氬后0.0180.0010.0280.0090.0084RH出站0.00541.22150.3290.01050.00790.3040.00441中包0.00551.19840.3340.01090.00820.2740.004533-6230一倒0.0250.01

17、20.016氬后0.0180.0010.0290.0110.0070RH出站0.00361.16700.3150.00960.00670.3560.0035中包（1） 碳含量控制效果 12個(gè)爐次平均0.0043，其分布狀況見圖1所示，從圖中可以看出，碳含量基本上都小于0.006，達(dá)到試制目標(biāo)要求。同時(shí)從圖中可以發(fā)現(xiàn)碳含量波動(dòng)范圍較大，達(dá)到0.00280.0055，在今后的生產(chǎn)中要加以研究和控制。圖1 碳含量分布狀態(tài)（2） 硫含量控制效果 12爐次平均0.0080，其分布狀況見圖2所示，從圖中可以看出，硫含量基本上都在目標(biāo)上限0.008的上下波動(dòng)。雖然在煉鋼工序采用了精料入爐和相應(yīng)的降低鋼水硫含

18、量的措施，但是由于轉(zhuǎn)爐和RH工藝本身的特性，很難將硫含量控制得更低。課題組討論并進(jìn)行了RHLF雙聯(lián)工藝初步試驗(yàn)。結(jié)果表明，通過RH-LF雙聯(lián)工藝，可以保證S20 ppm，Ti25 ppm，N55 ppm，完全可以滿足無取向電工鋼的要求。圖2 硫含量分布狀態(tài)（3） 氮含量控制效果 氮含量如圖3所示，基本達(dá)到目標(biāo)要求。從鋼水氮含量的控制上看，成品鋼水氮含量平均0.0048，轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)0.0047 ，造成氮含量趨于上限，根據(jù)同行經(jīng)驗(yàn)，嚴(yán)格控制生產(chǎn)過程，可以保證氮含量小于0.0050。圖3 氮含量分布狀態(tài)（4） 其它元素成分控制 基本滿足設(shè)計(jì)要求。3.2.2 鋼水純凈度控制效果衡量鋼水純凈度的一個(gè)重

19、要參數(shù)就是鋼中全氧含量。根據(jù)課題目標(biāo)，其全氧含量需控制在30ppm以下，經(jīng)對(duì)RH出站鋼水和中間包鋼水分析，RH出站和中包鋼水全氧含量如圖4所示。從圖中可以看出：首先是所有爐次全氧含量都遠(yuǎn)低于目標(biāo)要求，其次RH出站鋼水夾雜物還沒有得到充分上浮，而中間包則可使鋼水得到進(jìn)一步凈化。圖4 鋼水中全氧分布3.2.3 鑄坯質(zhì)量特點(diǎn)由于CSP薄板坯連鑄鑄坯薄、全水冷、拉速快等特點(diǎn)，使得薄板坯鑄坯組織結(jié)構(gòu)和元素分布區(qū)別于傳統(tǒng)鑄坯，主要特性表現(xiàn)為晶粒細(xì)小，成分分布均勻。 （1）鑄坯組織 圖5為馬鋼CSP連鑄生產(chǎn)的電工鋼鑄坯（鋼種：MG_W600，鑄坯規(guī)格：127065 mm）的低倍組織。從圖5可以算出，邊部約3

20、0為激冷層組織，其余為柱狀晶，枝晶臂間距約為70 mm。其低倍組織與傳統(tǒng)大板坯低倍組織對(duì)比可以看出，CSP生產(chǎn)的電工鋼鑄坯低倍組織明顯細(xì)化，鑄坯中的夾雜物和析出物尺寸細(xì)小，分散分布，薄板坯連鑄生產(chǎn)電工鋼鑄坯成分均勻，不會(huì)生產(chǎn)嚴(yán)重的偏析現(xiàn)象。A、鑄坯邊部B、鑄坯中部圖5 電工鋼鑄坯（127065 mm）低倍組織（2）最大偏析度 采用金屬原位統(tǒng)計(jì)分布分析法對(duì)馬鋼生產(chǎn)的化學(xué)成分為C: 0.0042 Si: 0.75 Mn:0.30 P: 0.045 S: 0.008 Al:0.36的電工鋼樣品進(jìn)行分析得到馬鋼CSP鑄坯各元素最大偏析度見表8。表8 各元素的最大偏析度元 素平均含量（C0），最大偏析位

21、置（x,y）最大偏析度(C/ C0)C0.005(0.20,1.99)1.624Si0.768(4.40,10.05)1.085Mn0.308(29.70,16.03)1.123P0.054(29.90,13.95)1.073S0.008(15.80,24.01)1.288Al0.288(29.90,20.02)1.056分析表明，薄板坯連鑄生產(chǎn)得到的電工鋼連鑄坯表面平整、光滑，基本上沒有任何質(zhì)量缺陷（如裂紋、夾雜、中心疏松等），鑄坯的整體質(zhì)量好于傳統(tǒng)流程生產(chǎn)的鑄坯，完全能夠滿足熱軋工藝的要求。3.2.4 電工鋼熱軋卷質(zhì)量特點(diǎn) 根據(jù)三個(gè)牌號(hào)的電工鋼選取三個(gè)具有代表性的試樣，其代表成分如表9所示

22、。分別進(jìn)行電工鋼性能和組織特征的分析。表9 各牌號(hào)電工鋼代表成分牌號(hào)規(guī)格（mm）C（）Si（）Mn（）P（）S（）Alt（）Als（）MG_W5402.620.00271.100.320.0110.00910.270.27MG_W6002.300.00420.760.340.0450.00750.260.26MG_W8002.100.00310.300.310.0780.00820.290.29（1） 熱軋卷組織結(jié)構(gòu)特征分別對(duì)上述三個(gè)牌號(hào)的電工鋼試樣沿板寬方向均分5點(diǎn)進(jìn)行組織分析，得到MG_W540、 MG_W600和MG_W800組織如圖6所示。同時(shí)對(duì)三個(gè)牌號(hào)的電工鋼的組織晶粒度和夾雜物評(píng)級(jí)

23、、組織定量分析、夾雜數(shù)量等進(jìn)行了分析，其結(jié)果表明：電工鋼的金相組織為鐵素體+微量滲碳體；晶粒度評(píng)級(jí)為4.58.5級(jí)；組織含量中鐵素體占98%以上；非金屬夾雜物百分含量在0.013%0.16%；非金屬夾雜物最大直徑在6.9273.69m；夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果為A、B、D類夾雜細(xì)系0.5級(jí)，表明鋼水純凈度較好。電工鋼金相組織的一個(gè)顯著特點(diǎn)是具有晶粒粗大的微觀組織。A: 邊部 B: 1/4處 C:中心 D:3/4處 E:4/4處圖6 沿板寬均分5點(diǎn)組織照片（2） 電工鋼常規(guī)力學(xué)性能 電工鋼常規(guī)力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，雖然電工鋼的Si和其它合金元素含量較高，但是，所有牌號(hào)電工鋼的屈服強(qiáng)度基本上都小于300MPa，有利于冷軋生產(chǎn)。圖7 電工鋼熱軋卷常規(guī)力學(xué)性能（3） 表面質(zhì)量以及板型熱軋卷的表面質(zhì)量、板型及尺寸精度基本上都能滿足冷軋工序的要求。3.2.5 冷軋電工鋼質(zhì)量效果根據(jù)科研攻關(guān)分工，馬鋼生產(chǎn)的三個(gè)牌號(hào)的電工鋼熱軋卷，送到武鋼進(jìn)行冷軋、連退等后道工序加工、分析檢測、包裝等。（1）退火組織 MG-W600經(jīng)冷軋加工后的退火組織如圖8所示。圖8 MG-W600電工鋼退火卷金相組織 （2）磁性能和其它考核指標(biāo)冷軋電工鋼電磁性能及其