（材料加工工程专业论文）薄板坯连铸连轧无取向硅钢的裂纹缺陷分析.pdf

at h e s i si nm a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g a n a h ko fn o no r i e n t e d ；i l i c o nsteelanalysis0 nc r a co tn o n - o r i e n t es i l l c o ns t e e lk d u r i n g t h i ns l a bc a s t i n ga n d r o l l i n gp r o c e s s b ys h ih u z h e n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gg u o d o n g p r o f e s s o rl ic h a n g s h e n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 = 汜 思。 学位论文作者签名：石南修 日 期：叨易乡 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： t ， 东北大学硕士学位论文摘要 摘要 本文回顾了目前国内外对薄板坯连铸连轧技术的发展状况以及国内利用薄板坯连 铸连轧工艺开发无取向硅钢的研究开发情况，针对采用薄板坯连铸连轧工艺生产无取向 硅钢过程中出现的裂纹缺陷问题进行了研究。 本文在实验室模拟了薄板坯连铸连轧生产中高牌号无取向硅钢的生产过程，利用 光学显微镜、扫描电镜及动态拉伸台及多功能热模拟实验机对制得的无取向硅钢热轧带 钢进行了研究，观察了热轧试样的原始形貌和裂纹的形核与扩展情况，研究了无取向硅 钢的室温性能与高温塑性，对不同加热与轧制工艺下的组织进行了对比分析，得出有利 于预防和减缓裂纹缺陷的工艺参数。 研究表明，钢中的氧化夹杂与析出物m n s 等和带钢的附加应力是导致裂纹的主要 因素。轧制过程中带钢宽度方向上温降不均匀，边部冷却过快，硬度增大，脆性增加， 析出物在外力作用下成为裂纹的形核部位，随着变形的增加沿不同路径扩展成为宏观裂 纹；在稳定g lr 区域内低开轧温度与高终轧温度，有利于裂纹现象的缓解。保温时间与 变形速率并非越短越好或越大越好，有一个最佳范围的问题；并提出了实行热轧工艺润 滑、控制轧制温度、采用立辊轧制、边部加热、增加保温罩等裂纹预防或减缓措旄。 裂纹的形核与扩展对于实际生产中成材率的提高起着非常重要的作用。针对薄板 坯连铸连轧生产线研究不同工艺参数对裂纹的影响，为实际开发无取向硅钢产品制定控 制轧制工艺提供了理论基础。 关键词：薄板坯连铸连轧；无取向硅钢；裂纹；形核；扩展；高温塑性 t 东北大学硕士学位论文 h b s t r a c t a bs t r a c t t h i sp a p e rr e v i e w st h es i t u a t i o no fi n t e r n a la n de x t e r n a ld e v e l o p m e n ta b o u tt h em e r i t a n dd e m e r i to ft h et e c h n o l o g yo fc o n t i n u o u sc a s t i n ga n dr o l l i n g ，a n dt h ee x p l o i t a t i o no f n o n o r i e n t e ds i l i c o ns t e e l 、析t l lt h ep r o c e s s t h ec r a c kd e f e c t sd u r i n gt h ec o m p a c tt e c h n o l o g y a r em a i n l yr e s e a r c h e d t h i ns l a bc o n f i n o u sr o l l i n gp r o c e s si ss i m u l a t e dt op r o d u c en o n - o r i e n t e ds i l i c o ns t e e lo f m i d d l ea n dh i g hg r a d e si nt h el a bo nt h eb a s i so fi n v e s t i g a t i o no nc a m p a c ts t r i pp r o d u c t i o n l i n e a n dm a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ：h o tr o l l e dm i c r o s t r u c t u r ea m do r i g i n a l c r a c ka r er e s e a r c h e db yo p t i c a la n ds c a n n i n ge l e c t r i c a lm i c r o s c o p e ，a n dn u c l e a r a t i o na n d e x p a n s i o na r ee m p h a s i z e d m e a n w h i l em e c h a n i c a lp r o p e r t i e si nr o o mt e m p e r a t u r ea n dh i 曲 t e m p e r a t u r ea r es u r v e y e d p r o c e s s e so fd i f f e r e n tp a r a m e t e r sa r ec o m p a r e dt og e tb e t t e r m i c r o s t r u c t u r e ，a n ds o m em e t h o d so fp r e v e n t i o na n dr e d u c t i o na r eb r o u g h tf o r w a r dw h i c h a r e p r o p o s e dt ob eh e l p f u li nc o m i n gr e a lp r o d u c t i o n t h er e s u l t so fi n v e s t i g a t i o na r es u m m a r i z e da s ：o x i d ei n c l u s i o n , p r e c i p i t a t i o nm n sa n d a d d i o n a ls t r e s sa r em a i nf a c t o r s i n h o m o g e n e i t yo ft e m p e r a t u r ed r o pl e a d st oo n o - u n i f o r m t e m p e r a t u r ea l o n gt h ew i d t ho fs t r i p ，t h u s ，t h ee d g er e g i o ni sc o o l e df a s t l ys ot h a ti t sh a r d n e s s a n de m b r i t t t l e m e n tg e ti n c r e a s e d p r e c i p i t a t i o nb e c o m e sn u c l e a t i o ns i t eb yt h ee f f e c to f e x t e r n a lf o r c e t h em i c r o c r a c kg e t se x p a n s e di n t oi n v i s i b l ec r a c ka l o n gv a r i e dw a y sw i t h d e f o r m a t i o n l o w e rs t a r t i n gt e m p e r a t u r ea n dh i g h e rf i n i s h i n gt e m p e r a t u r ei ns t e a d yr o l l i n g p r o c e s sc a ns l o wd o w nt h ec r a c ke x p a n s i o n t h es o a k i n gt i m ea n dd e f o r m a t i o nr a t eh a v ea o p t i m i z e dr a n g ew h i c hc a nr e d u c et h ec r a c kp h e m o n i m e n m e s s u r e ss u c ha sr e a s o n a b l e l u b r i c a t i o ni nh o tr o l ls t a g e ，c o n t r o l l e dc o o l i n g ，r o l l i n go fd i f f e r e n tm i l ls p e e da n ds oo na r e m e n t i o n e dt od e c r e a s et h ec r a c kd e f e c t s t h er e g u l a r i t yo fn u c l e a t i o na n de x p a n s i o no fc r a c kp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ef o rt h e a c t u a lp r o d u c t i o np r o c e s sc o n t r 0 1 i ti sc r u c i a lt os t u d yt h ea f f e c t i o no fd i f f e r e n tc o n d i t i o n so f h o tr o l l i n gi nt h ec o m p a c ts l a bp r o c e s s k e yw o r d s ：t h i ns l a bc a s t i n ga n dr o l l i n g ；n o n o r i e n t e ds i l i c o ns t e e l ；c r a c k ；n u c l e a t i o n ； e x p a n s i o n ；h i g h t e m p e r a t u r ep r o p e r t y i i t 东北大学硕士学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 薄板坯连铸连轧概述1 1 1 1 薄板坯连铸连轧生产工艺1 1 1 2 薄板坯连铸连轧工艺的特点2 1 1 3 薄板坯连铸连轧技术的发展和现状4 1 2 无取向硅钢简介。6 1 2 1 电工钢板简述6 1 2 2 电工钢板的性能指标和影响因素7 1 2 3 无取向电工钢的工艺发展9 1 2 4 我国无取向电工钢生产的发展和现状10 1 3 薄板坯连铸连轧生产无取向硅钢的研究1 1 1 3 1 薄板坯连铸连轧工艺生产硅钢的研究现状1 1 1 3 2 薄板坯连铸连轧工艺生产硅钢的优势。1 2 1 3 3 薄板坯连铸连轧工艺中的裂纹缺陷。1 3 1 4 本文的研究内容。1 5 第2 章实验研究方案1 7 2 1 实验工艺设计1 7 2 1 1 成分设计17 2 1 2 真空冶炼及浇铸实验18 2 1 3 保温运输和加热2 0 2 1 4 热轧实验2 1 2 1 5 卷取实验2 2 2 2 组织观察与检测2 2 2 2 1 取样位置2 2 2 2 2 金相观察2 2 2 2 3 扫描形貌2 3 2 2 4 原位拉伸2 4 2 3 力学性能的检测。2 4 2 3 1 室温力学性能检测2 4 2 3 2 硬度检测2 5 t t 东北大学硕士学位论文 2 3 3 热模拟单道次压缩实验2 5 2 3 4 热模拟高温拉伸实验2 6 2 4 本章小结2 8 第3 章裂纹的微观机理研究2 9 3 1 边裂的微观形貌2 9 3 1 1 热轧组织的金相2 9 3 1 2 裂纹的宏观形貌3 1 3 1 3 裂纹的微观形貌31 3 2 热轧钢板的力学性能分析3 3 3 2 1 热轧钢板室温力学性能一3 3 3 2 2 高温塑性的研究3 5 3 3 相变规律3 8 3 4 裂纹的扩展研究3 9 3 4 1 裂纹形成过程的动态观察3 9 3 4 2 断口形貌观察4 3 3 4 3 裂纹特点的分析4 4 3 5 本章小结4 5 第4 章主要工艺参数对裂纹的影响4 7 4 1 裂纹的主要影响因素4 7 4 2 主要工艺参数对边裂的影响4 9 4 2 1 铸坯分析4 9 4 2 2 热装温度对裂纹的影响5 0 4 2 3 硅含量的增加对裂纹的影响5 0 4 2 4 不同均热温度对组织的影响5 2 4 2 5 不同保温时间对组织的影响5 4 4 2 6 终轧温度的控制5 5 4 3 边裂的防治措施5 6 4 3 1 热轧前的预防措施5 7 4 3 2 热轧裂纹控制5 8 4 3 3 热轧后的缓解措施5 9 4 4 本章小结5 9 第5 章结论61 参考文献6 2 致谢6 5 t 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 第1 章绪论 1 1 薄板坯连铸连轧概述 1 1 1 薄板坯连铸连轧生产工艺 薄板坯连铸连轧技术是新工艺与成熟工艺集成的产物，主要指连铸成坯以后，充分 利用铸坯余热，不经再加热或高温热装稍经均热而立即进入轧机直接轧制成材的新工艺 新技术。主要由两部分组成，薄板坯连铸技术与热连轧技术，连接这两部分的是加热炉 将原来意义上的炼钢厂和热轧厂紧凑地压缩，有效地组合在一起。薄板坯连铸技术属于 常规连铸与热连轧功能集成的技术开发，是新工艺。热连轧技术是成熟的广泛应用的工 艺，连接这两部分的加热炉可有多种选择，均属于成熟工型1 1 。 有众多公司和研究单位在薄板坯连铸连轧技术上取得成功，根据各自工艺路线和装 备特点薄板坯连铸连轧也分为多种，有c s p ，i s p ，c o n r o l l ，f t s r ，q s p ，t s p ，c p r 1 】 等。其中最典型的就是c s p ( c o m p a c ts t r i pp r o d u c t i o n ) 连铸连轧线，c s p 技术是由德国施 罗曼一西马克公司( s m s ) 开发成功的，其工艺过程如图1 1 所示：采用立弯式连铸机生产 厚5 0 - - 6 0 m m 的铸坯，板坯从连铸机拉出，经分段剪切后，送入辊底式均热炉( 1 2 0 2 9 2 m ) 进行加热保温。薄板坯经加热炉入口段、加热段和均热段加速至- i j 2 0 - - - 3 0 m m i n 进入轧制 工序。板坯经由高压水除鳞后，通过精轧机组将厚5 0 - - 一9 0 m m 的铸坯轧制成0 8 1 2 7 m m 的热轧带材，经层流水帘冷却后卷取。 1 一连铸机；2 一液芯压下；3 - 切断剪；4 均热炉；5 - 均热炉摆动段：6 除鳞机； 7 - 飞剪；8 一精轧机；9 层流冷却；1 0 卷取机 图1 1c s p 工艺布置示意图 f i g 1 1p r o c e s s i n ga r r a n g e m e n to fc s pt e c h n o l o g y 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 2 薄板坯连铸连轧工艺的特点 ( 1 ) 板坯加热工艺 从温度与热能利用着眼，钢材生产中连铸与轧制两个工序的衔接模式一般有如图1 2 所示的五种类型。方式5 为常规冷装炉轧制工艺。方式3 、4 为铸坯冷至a 3 甚至a 1 线以下 温度装炉，称为低温热装工艺( c c h c r ) 。方式2 铸坯温度仍保持在a 3 线以上奥氏体状态 装入加热炉加热到轧制温度后进行轧制，称为连铸坯直接热装轧制工艺( c c d h c r 或 h d r ) ，也可称为高温热装炉轧制工艺。方式2 、3 、4 皆须入正式加热炉加热，故亦可统 称为连铸坯热装( 送) 轧制工艺。方式l 为连续铸轧工艺，铸坯在铸造的同时进行轧制。方 式1 高温铸坯不需进加热炉加热，只略经补偿加热即可直接轧制称为连铸坯直接轧制工 z ( c c d r ) 【2 】。 从金属学角度考虑，在加热方式1 、2 下铸坯热轧前基本无相变，薄板坯连铸连轧就 采用这样的加热方式，在连铸机和轧机之间无正式加热炉缓冲或只有加热炉缓冲工序且 能保持连续高温装炉生产节奏，其所面临的技术难点和问题在于实现从炼钢、连铸到轧 钢有节奏的均衡连续化生产。 温 度 、1 连续铸轧 液相线 4 、y 一醐二 f 影、彳。 7 叫 l - 方式5 时间 图1 2 连铸一轧制衔接模式示意图 f i g 1 2g e n e r a lv i e wo fc o n n e c t i o n sb e t w e e nc a s t i n ga n dr o l l i n g ( 2 ) 板坯厚度 铸坯的厚度是一个区别各类连铸工艺的特征参数，也是影响铸坯质量的重要参数， 对于不同厚度的板坯需要采用不同的连铸速度和结晶器形式，同时还会影响轧线设备及 产品的品种，通常薄、中、厚板坯厚度分别界定为4 0 9 0 m m ，1 0 0 1 5 0 m m ，2 0 0 一- - 3 0 0 m m ， 其工艺的比较见表1 1 。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 长时间的生产实践证明，薄板坯太薄虽然减少了轧机的压力，减少了投资，但整条 生产线的产量和产品质量都受到不利影响，所以目前板坯的厚度不再追求越薄越好，一 般认为7 0 m m 为宜。这样的铸坯连铸时质量容易保证，轧制过程可以达到较大的变形量， 产品性能易于控制和优化，有利于生产薄规格的产品，产品的产量和品种范围也较大。 表1 1 不同板坯厚度的连铸连轧工艺比较 t a b l e1 1d i f f e r e n c e sb e t w e e nt s c rp r o c e s sw i t hv a r i e ds l a bt h i c k n e s s 总体来说，薄板坯连铸连轧相对于传统工艺，具有三高( 装备水平高、自动化水平 高、劳动生产率高) 、三少( 短流程工序少、布置紧凑占地少、环保好污染少) 和三低 ( 能耗低、投资低、成本低) 的优点。 从产品质量上讲还有如下优点： ( 1 ) 厚度薄，板坯在结晶器内冷却强度大，柱状晶短小，铸态组织的晶粒细化。 ( 2 ) 直接轧制，取消了相变温度区间的中间冷却，热轧变形在粗大的奥氏体组织 上直接进行。原始奥氏体晶粒大使产品晶粒细化较传统工艺更为困难，故对于综合机械 性能的钢种必须结合控轧控冷技术( t m c p ) ，才能保证性能质量。但另一方面，由于 板坯在连铸连轧时，避免合金元素及其化合物夹杂在板坯冷却过程中成粗块析出，通过 工艺控制使之在轧制中及轧后冷却时弥散析出，而使成品组织得到弥散强化，获得更精 细、更均匀的金相组织。 。 ( 3 ) 均热工艺，辊底式均热炉保证了板坯在轧制过程中头尾温度的相对均匀和稳 定，而使带钢全长的力学性能和厚度公差相对均匀一致。 ( 4 ) 高精度动态液压压下厚度自动控制、板形和平直度自动控制、精确的宽度和 温度自动控制使带钢几何尺寸精度达到最高水平。 ( 5 ) 较高的轧制温度，精轧的开轧温度一般控制在1 1 0 0 1 1 5 0 ，比常规轧机的 精轧高1 0 0 1 5 0 c 。因此，即使精轧机架少也能更容易轧制超薄热轧带钢。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 6 ) 加热时间短，氧化铁皮少，薄板坯连铸连轧工艺生产的钢材表面质量要比常 规工艺的产品好很多。 ( 7 ) 保持铸坯在碳氮化物等基本固溶状态下开轧，更有利于微合金化及控制轧制 控制冷却技术作用的发挥，使钢材组织性能有更大的提高1 1 。 1 1 ：3 薄板坯连铸连轧技术的发展和现状 第一条薄板坯连铸连轧生产线于1 9 8 9 年在美国纽柯厂( n u c o r ) 投产，引起全世界 冶金界的高度重视，产生了巨大的反响。随后，各种薄板坯连铸连轧技术在世界范围内 被广泛采用，德国的蒂森，韩国的浦项，墨西哥的希尔沙等国际知名钢铁企业纷纷建设 薄板坯连铸连轧生产线，至2 0 0 6 年己投产的薄板坯连铸连轧生产线己有5 4 条，其中以c s p 居多，总生产能力约9 0 8 3 万讹，具体分布情况见表1 2 ，预计至u 2 0 1 0 年，全世界可能建成 7 5 座薄板坯连铸连轧工厂，总生产能力将达1 9 亿吨，即全球5 0 左右的热轧卷板将由薄 板坯连铸连轧机组来生产。 表1 2 各国( 中) 薄板坯连铸连轧生产线分布情况( 截至2 0 0 6 年) t a b l e1 2t s c rp r o d u c t i o nl i n e si nd i f f e r e n tc o u n t r i e s ( b e f o r e2 0 0 7 ) 从生产钢种来看，最初薄板坯连铸连轧生产线所生产的产品为带钢产品，由于其成 本低而具有较强的市场优势。经过多年的发展，薄板坯连铸连轧工艺在稳定生产操作和 提高产量的同时也在不断拓宽产品的范围，目前各生产厂家都在向高附加值产品发展， 所生产的钢种非常广泛。以世界和我国一些有代表性的钢铁企业薄板坯连铸连轧生产的 产品为例，如表1 3 所示。 在我国，1 9 9 2 年在兰州钢厂建立了第一条薄板坯连铸连轧工艺试验线，薄板坯断面 为( 5 0 - - 一7 0 ) m m 1 0 0 0 m m ，采用漏斗型和平板型两种结晶器，经过一系列连铸试验，结 果良好，此后由于资金方面的原因，连轧系统没有连上，虽有计划但没有形成连铸连轧 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 作业线。1 9 9 8 年我国第一条薄板坯连铸连轧生产线在珠江钢铁公司投产，采用引进的西 马克c s p 技术，强j 2 0 0 6 年1 月国产的唐山国丰1 4 5 0 m m c o n r o l l 工艺生产线正式投产。 我国先后有珠钢、邯钢、包钢、鞍钢、马钢、唐钢、涟钢、本钢、通钢、济钢、酒钢和 唐山国丰1 2 家钢铁企业的1 3 条薄板坯( 其中包括中等厚度的板坯) 连铸连轧生产线相继 投产，产能约3 5 0 0 万吨年，居世界第一1 3 j 。 表1 3 一些钢铁企业的薄板坯连铸连轧产品 t a b l e1 3p r o d u c tb yt s c ro fs o m es t e e lw o r k s 钢种 n u c o r 钢阿赛洛米塔尔蒂森克虏t e r n i珠江钢邯郸包头 铁公司公司公司伯公司公司铁公司钢铁钢铁 低碳钢 结构钢 和h s l a 吖 耐候钢 管线钢 弹簧钢 工具钢 耐磨钢 电工钢 不锈钢 双多相钢 、， 我国的薄板坯连铸连轧生产线中珠江钢厂、邯郸钢厂、包头钢厂、马鞍山钢厂、涟 源钢厂和酒泉钢厂这六个企业采用引进的c s p 生产线，轧机机组为6 机架或7 机架，设计 的最终产品的最薄规格，前三家为1 2 m m ，后三家为0 8 m m 。鞍钢a s p 生产线采用的v a i 公司直弧形c o n r o l l 铸机，是一种中薄板坯铸机，铸坯厚度为1 3 5 m m ，铸坯在步进式 加热炉中加热后，经立辊和两机架粗轧机组轧制，在热卷箱中进行卷取后，再经6 机架 精轧机组轧制成最终成品。粗轧机组是鞍钢原有的轧机，步进式加热炉、热卷取箱及精 轧机组是由国内设计和制造的，最终产品最薄尺寸为1 3 r a m ，它是根据鞍钢实际自行开 发有自主知识产权的一条生产线。唐钢和本钢采用的是意大利d a n i e l i 公司的f t s r 生产 线，连铸为直弧形连铸机，铸坯厚为9 0 m m ，轧机机组为2 架粗轧和5 机架精轧，设计的 最终产品厚度为0 8 1 4 m r n 。唐山国丰1 4 5 0 生产线及济钢1 7 0 0 连铸连轧生产线是于2 0 0 5 年和2 0 0 6 年全套引进鞍钢a s p 中薄板坯工艺和技术，是我国首条拥有自主知识产权的冶 金成套技术转让项目，结束了我国热连轧生产线长期依赖进口的历史。济钢设计年产宽 度为9 0 0 1 5 5 0 m m 、厚度为1 2 1 2 7 m m 的热轧钢卷2 5 0 万吨，采用连铸坯直接热装、自 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 由轧制等1 1 项先进技术，具有质量高和成本低的双重优点【4 】。表1 4 是我国薄板坯连铸连 轧的一些具体生产线。 表1 4 我国部分薄板坯连铸连轧生产线分布 t a b l e1 4s o m et h i ns l a bc a s t i n ga n dr o l l i n gp r o d u c t i o nl i n e si nc h i n a 2 无取向硅钢简介 1 2 1 电工钢板简述 电工钢板是电力、电子和军事工业中不可缺少的重要软磁合金，在磁性材料中用量 最大，也是一种节能的重要金属功能材料。它与一国的电能消耗量密切相关，生产工艺 复杂，制造技术严格，其制造技术和产品质量是衡量一个国家特殊钢生产和科技发展水 平的重要标志之一。 含s i 量为0 5 - - 4 5 极低碳硅铁合金通称为硅钢片，含硅量小于o 5 极低碳钢 板称为低碳电工钢板，两者通称为电工钢板1 4 l 。电工钢板按硅含量不同可分为低硅和高 硅两种。低硅片含硅2 8 以下，它具有一定机械强度，主要用于制造电机，俗称电机 硅钢片；高硅片含硅量为2 8 4 8 ，它磁性好，但较脆，主要用于制造变压器铁芯， 俗称变压器硅钢片，两者在实际使用中并无严格界限，常用高硅片制造大型电机；按生 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 产加工工艺，电工钢可分热轧和冷轧两种，热轧硅钢能耗大，产品质量差，国家已规定 限时淘汰。冷轧电工钢板又可分无取向和取向两种，如表1 5 所示。其中无取向硅钢主 要被用作旋转电机如马达和发电机的铁芯，取向硅钢主要用于中、高频电机和变压器及 脉冲变压器【5 ，6 1 。本文研究对象主要是含硅1 5 3 2 的无取向硅钢。 表1 5 电工钢分类表 t a b l e1 5c l a s s i f i c a t i o no fe l e c t r i c a ls t e e l 此外还有一些特殊用途的电工钢板，如0 1 5 和0 2 0 m m 厚3 s i 冷轧无取向硅钢薄 带和0 0 2 5 、0 0 5 及o 1 m m 厚3 s i 冷轧取向硅钢薄带，用作中、高频电机和变压器以 及脉冲变压器等；继电器和电力开关用的o 7 m m 厚3 s i 高强度冷轧无取向硅钢板； 新型高转速电机转子用的高强度冷轧电工钢板；医用核磁共振断层扫捞仪等磁屏蔽和高 能加速器电磁铁用的低碳电工钢热轧厚板和冷轧板；高频电机和变压器以及磁屏蔽用的 4 5 - - - 6 5 s i 高硅钢板等。 1 2 2 电工钢板的性能指标和影响因素 衡量电工钢板性能的主要指标有：1 ) 铁芯损耗、p t ：铁芯损耗是指铁芯在 5 0 h z 交 变磁场磁化时所消耗的无效电能，简称铁损，其单位为w k g ；2 ) 磁感应强度b ：磁感 应强度是铁芯单位截面积上通过的磁力线数，代表材料的磁化能力；3 ) 磁各向异性；4 ) 冲片性；5 ) 钢板的表面质量；6 ) 绝缘薄膜性能；7 ) 磁时效。 影响硅钢性能的主要因素有晶体织构、杂质、夹杂物、内应力、晶粒尺寸、钢板厚 度、钢板表面状态和主要化学成分等。 ( 1 ) 化学成分 碳为有害元素，高级优质硅钢片中碳含量要求在0 0 1 0 ，甚至在0 0 0 5 以下。 硅和铝，硅是硅钢中最主要的合金元素，能促使铁素体晶粒粗化，减少晶界面，降 低矫顽力，提高磁导率；能减小晶体的各向异性，使磁阻减小，磁化容易，降低磁滞损 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 失；但与此同时，硅也会降低磁感应强度，且若硅量过高，脆性会显著增加，冷却时容 易产生裂纹，造成加工困难，而且硅易氧化使硅钢片生锈，这是我们在研究过程中所必 须协调的一对固有矛盾。铝的作用与s i 相似。 锰是扩大y 相区的元素，锰优先与钢中的硫形成高熔点的m n s ，可以防止沿晶界 形成低熔点的f e s 所引起的热脆现象，改善硅钢的热塑性。适量的锰可以改善热轧板组 织和织构，促使( 1 1 0 ) 和( 1 0 0 ) 组分加强，( 1 1 1 ) 组分减弱，改善磁性；不利的影响 是它会提高碳在钢中的溶解度，对脱碳不利。 硫是钢中的有害元素之一，使矫顽力h 。和磁滞损失p h 增加，磁感应强度下降，晶 粒变小，还增加钢的热脆性。希望硫的范围在0 0 0 5 o 0 1 。 氮为有害元素，使矫顽力升高，导磁率降低。氮在钢中可与铝形成a 1 n ，提高冷轧 钢的取向度。 氢和氧是有害元素，氢呈间隙固溶体，使矫顽力和铁损增加。氧形成s i 0 2 、a 1 2 0 3 和m n o 等氧化物夹杂，阻碍磁化时畴壁移动，增加矫顽力和磁滞损耗，降低磁感。 ( 2 ) 杂质、夹杂物和内应力 夹杂物和杂质元素不仅阻碍畴壁移动使p h 和h 。增高，同时降低其周围静磁能而产 生了闭合畴使磁化困难，因此无取向电工钢中夹杂物和杂质元素含量应尽量降低【7 】。对 于已有的夹杂物来说，希望夹杂物聚集粗化，避免有细小夹杂物的存在。 ( 3 ) 晶粒尺寸 平均晶粒直径大，晶界所占面积减小，h 。和p h 降低。但平均晶粒直径大，磁畴尺 寸增大，为了降低铁损有一个合适临界尺寸【8 】，临界尺寸是随硅量增高而增大。无取向 电工钢的晶粒尺寸一般在3 0 - - 2 0 0 肛m 范围内变化。 ( 4 ) 晶体织构 因为在( 1 0 0 ) 晶面上有两个易磁化 轴，所以在无取向硅钢中最理想的是 ( 1 0 0 ) 面织构，( 1 0 0 ) 面织构组分高，p h 和p 1 5 降低。 ( 5 ) 钢板厚度 一般来说，钢板厚度减薄，p h 增高，但厚度减薄，涡流损失p 。明显降低。因此对 p t 来说也有一个合适的临界厚度。当材料成分、纯净度、取向度和晶粒尺寸不变时， 3 1 5 无取向硅钢的临界厚度为0 2 5 - - - , 0 3 5 m m 。 ( 6 ) 钢板表面状态 钢板表面平整光洁则表面自由磁极减少，静磁能降低，畴壁移动阻力减小，则p h 和h 。降低。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 3 无取向电工钢的工艺发展 自1 9 0 3 年美国取得哈德菲尔德限h h a d f i e l d ) 电工钢专利使用权，并于同年在美国 和德国开始生产热轧电工钢片以来，电工钢经历了三个发展阶段：( 1 ) 热轧电工钢发展 阶段( 1 8 8 2 - - - ，1 9 5 5 年) ，现已淘汰；( 2 ) 冷轧电工钢发展阶段( 1 9 3 0 - - 1 9 6 7 年) ，1 9 3 4 年高 斯( g o s s ) 发明了冷轧电工钢生产方法的专利，该生产方法的最大特点是热轧前于高温中 加热板坯来提高取向性，并使产品磁性稳定下来，从而取代热轧电工钢片；( 3 ) 高磁感 取向电工钢发展阶段( 1 9 6 1 1 9 9 4 年) ，由田口悟和坂仓昭等人发明了高磁感取向电工钢 片( 简称h i b ) ，使取向电工钢的生产发生了巨大变化【9 】。 美国的a r m c o 公司从2 0 世纪4 0 年代初开始生产无取向电工钢，新日铁公司于1 9 5 8 年开始生产冷轧无取向电工钢。无取向电工钢的生产经历了电弧炉炼钢平炉炼钢和顶底 复合吹炼转炉炼钢的历程。2 0 世纪5 0 年代末，由于氧气顶吹转炉和真空处理等冶炼技 术的发展，钢中的c 、n 、o 可降至5 0 1 0 南以下，故无取向电工钢磁时效明显减轻，磁 性大幅度提高。从1 9 7 8 年开始，新日铁公司和川崎钢公司采用顶底复合吹炼和三次脱 硫工艺来冶炼纯净钢水以后，陆续生产出h 8 ( r m 8 ) 、h 7 ( r m 7 ) 、h 6 ( r m 6 ) 高牌号无取向 电工钢。1 9 8 3 年以来，新日铁公司采用同样的工艺生产了高效小电机用n c m 3 和 n c m 4 低碳电工钢，基本解决了无取向电工钢铁损与磁感应强度这两个参量相互矛盾 的问题。无取向电工钢的发展与涂层技术的发展紧密相关，已发展到涂有机绝缘漆。 在轧制工艺方面，无取向电工钢的生产主要有两种类型：一次冷轧法和二次冷轧法。 二次冷轧法一般用于低牌号无取向电工钢的生产。但没有中间退火，脱碳能力差，所以 必须选用含碳量低的电工钢原料卷，才能获得良好的磁性与高的生产率。二次冷轧法包 括调质轧制法( 临界变形法) 和中间压下率法，主要用来生产高牌号无取向电工钢，多 了中间退火工艺，因而脱碳能力强。近年来，由于冶炼技术的发展，炼钢工序能够生产 出碳含量小于3 0 x l o 石的超低碳钢水，同时由于电磁搅拌技术在连铸中的成功应用，高牌 号无取向电工钢的二次冷轧法逐渐被一次冷轧法取代。目前，新日铁公司和川崎钢公司 以及武钢主要用一次冷轧法生产无取向电工钢。 无取向硅钢生产中退火的目的是通过再结晶消除冷轧产生的应变硬化和促使晶粒 长大，一般采用连续炉进行退火。退火工艺对成品的磁性能有显著影响，连续退火工艺 参数主要包括退火温度、时间、气氛、加热及冷却速度等【1 0 ，1 1 1 。对于无取向电工钢，新 的成品退火方法采用二段式成品退火方式，即采用低温均热( 7 5 0 - - - 8 5 0 ) 以改善织构； 采用高温短时退火以促进晶粒长大；采用快速升温和慢速冷却的新型退火工艺来改善磁 性。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 无取向电工钢的工艺进展主要表现在钢水的净化技术与工艺方面。减少和去除钢中 杂质物的工艺进展为：( 1 ) 采用优质的造渣材料和铁合金，设法减少炉衬和包衬中的t i 、 z r 等进入钢水；( 2 ) n 用真空精炼设施去除钢水中的c 、h 、n 、o 、s 等杂质元素；( 3 ) 用中间包冶金和连铸技术进一步净化钢水及优化组织均匀。 1 2 4 我国无取向电工钢生产的发展和现状 1 9 5 2 年太原钢铁厂首先试制热轧低硅钢板( 1 2 s i ) ，1 9 5 4 年正式生产。1 9 5 4 年 太原钢铁厂与冶金部钢铁研究院合作试制成热轧高硅钢片( 3 4 ) ，1 9 5 6 年正式生产。 1 9 6 0 年上海矽钢片厂改变了热轧硅钢传统制造工艺，采用一次加热轧制法；1 9 6 3 年采 用氢气退火；1 9 7 8 年采用热轧后快冷工艺并申请了专利。通过这些改进工艺并推广到 各厂后，热轧硅钢产量和质量( 磁性、表面质量和厚度公差) 明显提高，产品磁性达到 甚至超过以前欧美国家生产时的高水平。 1 9 7 3 - - - 1 9 7 5 年期间，冶金部钢铁研究院与太原钢铁公司合作生产的热轧硅钢片产 品的磁性全部达到当时国家标准y b 7 3 6 3 中d 3 4 0 最高牌号，相当于日本z 1 3 牌号水平， 其中9 0 达到z 1 0 和z l l 牌号水平。在此期间武汉钢铁公司先后与上海钢铁研究所、 钢铁研究院和太钢合作，证明含0 3 5 c u 对冷轧硅钢磁性没有不利影响。 1 9 7 6 - - 一，1 9 7 7 年期间研制成3 s i 高牌号无取向硅钢h 1 0 和含磷冷轧低碳电工钢。 1 9 7 9 - - - 一1 9 8 1 年研制成4 s i 高磁感无取向硅钢，其磁性达到日本最高牌号z 7 h 和z 6 h 水平。1 9 7 9 年武汉钢铁公司按日本专利正式生产1 1 个牌号冷轧硅钢，1 9 8 2 年对专利技 术进行全面考核，成材率达8 0 8 5 ，牌号合格率在8 0 以上，已达到国际水平， 产品质量优于欧洲同类产品。武汉在掌握日本专利技术后取得了很大进展。冷轧无取向 硅钢由二次冷轧法改进为热轧板常化和一次冷轧法；采用大卷重和快速连续退火，产品 质量、产量和成材率进一步提高。 我国的无取向电工钢主要由武钢、太钢、宝钢和鞍钢生产。四大家的产量如图1 3 所示。2 0 0 3 年我国冷轧电工钢的生产量约为1 3 0 万t ，到2 0 0 5 年的产量2 0 0 4 万t 1 2 】， 2 0 0 6 年冷轧电工钢约为3 7 0 万t 。预测从2 0 0 6 年到2 0 1 0 年无取向电工钢的年均增长率 为5 4 ，到2 0 1 0 年的需求量将达到4 9 2 万t ，与国家装机容量增长基本一致【1 3 】。 东