（材料学专业论文）双辊薄带连铸取向硅钢热轧织构研究.pdf

am a s t e r st h e s i si nm a t e r i a l ss c i e n c e s t u d y o nh o tr o l l i n gt e x t u r ei ng r a i n o r i e n t e d s i l i c o ns t e e lp r o d u c e d b y t w i n r o l lc a s t i n g b y l il i s u p e r v i s o r p r o f e s s o rs h ay u h u i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 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独立完成的 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己在论文中作了明确的说明并表示 谢意 学位论文作者签名 铂 日期 珈9 7 弓 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 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后 半年日一年口一年半口两年口 学位论文作者签名 荔确 签字日期 珈罗 7 0 弓 导师签名 签字日期 东北大学硕士学位论文摘要 摘要 薄带连铸是当代钢铁工业发展中一项重大的高新技术 是近终形连铸技术的重点研 究方向之一 近年来 针对传统电工钢生产工艺流程长 成本高等问题 双辊薄带连铸 t w i nr o l lc a s t i n g 简称t r c 短流程生产硅钢特别是取向硅钢的研究得到世界钢铁界 广泛关注 本文以双辊薄带连铸取向硅钢为研究对象 通过不同工艺参数的热轧实验 分析了 热轧变形过程的微观组织和晶粒取向的演变规律及其与传统工艺取向硅钢热轧组织的 异同 1 t r c 取向硅钢的铸态组织与织构特征的研究表明 铸态组织为表层附近细小 等轴晶与内部长径比较小的柱状晶 铸态织构沿厚度方向呈梯度分布 表层附近区域主 要为较弱的 0 0 1 和 1 1 0 织构 表层和中心层之间的过渡层主要为 1 0 0 和 1 1 0 织构及 较弱的0 7 织构 中心层为近 o o l 织构 2 t r c 取向硅钢不同温度单道次热轧板的组织分布特征为 心部都为粗大的饼 型动态回复品粒 随热轧温度升高表层出现少量再结晶晶粒或保持回复态变形组织 这 与传统多道次大压下率热轧板呈现出的表层和亚表层为再结晶晶粒而心部为纤维状变 形组织不同 3 压下率对t r c 工艺取向硅钢热轧带织构沿层厚分布的影响表明 增大压下率 t r c 取向硅钢热轧板各层的主要织构组分都有所提高 表现为 亚表层g o s s 织构强度 增加 过渡层沿丫取向线织构强度提高 中心层的 1 0 0 织构也略有增强 4 热轧温度对t r c 工艺取向硅钢热轧组织和织构影响的研究表明 随热轧温度 增加 g o s s 织构沿层厚分布梯度更明显 过渡层丫织构增强 中心层 1 0 0 织构减弱 5 在本研究实验条件 7 5 0 1 0 3 0 2 0 4 0 下 采用最高温度和最高压下量 获得的热轧板织构特征比较有利 亚表层f l l o 织构强点在g o s s 取向处 过渡层形成了 有利于g o s s 晶核长大的丫织构 关键词 薄带坯连铸 t r c 取向硅钢 热轧 织构 f o 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t w i nr o l lc a s t i n g t r c i sac o n s i d e r a b l ed e v e l o p m e n ti ni r o na n ds t e e li n d u s t r y a n di ti s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c hi nn e a rn e ts h a p ec a s t i n gt e c h n o l o g y i nr e c e n ty e a r s t h e r e s e a r c ho fs i l i c o ns t e e l e s p e c i a l l yo r i e n t e ds i l i c o ns t e e l p r o d u c e db yas h o r tp r o c e s sh a s a t t r a c t e dm o r ea t t e n t i o ni nw o r l ds t e e li n d u s t r y b e c a u s es om a n y d i s a d v a n t a g e ss u c ha sl o n g p r o c e s sa n dh i g hc o s te x i s t si nt r a d i t i o n a lp r o c e s s 1 i nt h i st h e s i s t h r o u g has e r i e so fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so fh o tr o l l i n ge x p e r i m e n t s t h ee v o l u t i o no fm i c r o s t r u c t u r ea n dg r a i no r i e n t a t i o nh a db e e ni n v e s t i g a t e d t h ed i f f e r e n c e s a n ds i m i l a r i t i e sb e t w e e nt r ca n dc o n v e n t i o n a lp r o c e s sh a db e e n a n a l y s e d 2 s t u d yo nc a s tt e x t u r ea n dm i c r o s t r u c t u r eo fg r a i n o r i e n t e ds i l i c o ns t e e lp r o d u c e db y t r cs h o w e dt h a t t h e r ew e r es m a l le q u i a x e dg r a i n si nt h es u r f a c ea n dc o l u m n a rc r y s t a l g r a i n sw i t hs m a l ls l e n d e r n e s sr a t i oi nt h em i d d l e c a s tt e x t u r eh a dg r a d i e ta l o n gt h et h i c k n e s s t h e r ew e r ew e a k 0 0 1 a n d 1 1 0 c o m p o n e n t si nt h es u r f a c e 1 0 0 1 1 0 a n dw e a ka y f i b e r si nt h et r a n s i t i o nl a y e r a p p r o x i m a t e 0 01 t e x t u r ei nt h ec e n t e rl a y e r 3 t h ec h a r a c t e r so ft r cg r a i n o r i e n t e ds i l i c o ns t e e lh o tr o l l e di nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s w i t hs i n g l ep a s sw e r ea sf o l l o w s i tr e m a i n e dc a k yd y n a m i cr e c o v e r yg r a i n sa td i f f e r e n t t e m p e r a t u r ei nt h ec e n t e rl a y e r w i t ht h ei n c r e a s i n go fh o tr o l l i n gt e m p e r a t u r e t h e r ew e r e s m a l lq u a n t i t yr e c r y s t a l l i z e dg r a i n so rd e f o r m e dm i c r o s t r u c t u r ek e e p i n g r e c o v e r ys t a t e t h o s e w e r ed i f f e r e n tf r o mt h ec o n v e n t i o n a lh o tr o l l e db a n d sw h i c ht h e r ew e r er e c r y s t a lg r a i n si nt h e s u r f a c ea n ds u b s u r f a c el a y e r s w h e r e a sf i b r o u sd e f o r m e dm i c r o s t r u c t u r ei nt h ec e n t e rl a y e r 4 t h ea f f e c to fr e d u c t i o n r a t i oo nt e x t u r ed i s t r i b u t i o n a l o n g t h et h i c k n e s so f g r a i n o r i e n t e ds i l i c o ns t e e lp r o d u c e db yt r ci n d i c a t e dt h a t t h em a i nc o m p o n e n t so fh o t r o l l i n gg r a i n o r i e n t e ds i l i c o ns t e e lp r o d u c e d b yt r ci n c r e a s e dw i mt h ei n c r e m e n to f r e d u c t i o nr a t i oi n c l u d i n gt h a t g o s sc o m p o n e n ti nt h es u b s u r f a c el a y e r 丫f i b e ri nt h et r a n s i t i o n l a y e r 10 0 t e x t u r ei nt h em i d d l el a y e r 5 t h ei n f l u e n c eo f h o tr o l l i n gt e m p e r a t u r eo nt e x t u r ed i s t r i b u t i o na l o n gt h et h i c k n e s so f g r a i n o r i e n t e ds i l i c o ns t e e lp r o d u c e db yt r ci n d i c a t e dt h a t w i t ht h ei n c r e a s i n go fh o tr o l l i n g t e m p e r a t u r e t h eg r a d i e n to fg o s sc o m p o n e n td i s t r i b u t i o na l o n gt h et h i c k n e s sw a sm o r e a p p a r e n t t h ei n t e n s i t i e so f 丫f i b e ri nt h et r a n s i t i o nl a y e rw a si n c r e a s e dw h i l et h e 1 0 0 c o m p o n e n ti nt h em i d d l el a y e rw a sr e d u c e d i i i i nt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s 7 5 0 10 3 0 c 2 0 4 0 t h et e x t u r e so fs t r i ph o tr o l l i n gb y u s i n gt h eh i g h e s tt e m p e r a t u r ea n dt h el a r g e s tr e d u c t i o nr a t i ow a sm o r ef a v o r a b l e t h ep e a k p o i n to f 1 10 c o m p o n e n ti nt h es u b s u r f a c el a y e rw a si n 1 10 o r i e n t a t i o na n dyf i b e r w h i c hw a sh e l p f u li nt h eg r o w t ho fg o s sf o r m e di nt h et r a n s i t i o nl a y e r k e y w o r d s t w i n r o l lc a s t i n g t r c g r a i n o r i e n t e ds i l i c o ns t e e l h o tr o l l i n g t e x t u r e i v r 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明 i 摘要 i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论 l 1 1 取向硅钢的发展概况 1 1 1 1 取向硅钢分类与用途 l 1 1 2 取向硅钢的发展 l 1 2 取向硅钢生产工艺 4 1 2 1 取向硅钢现行生产工艺 4 1 2 2 取向硅钢生产新工艺 6 1 3 双辊薄带连铸在生产中的应用 7 l 3 1 采用双辊薄带连铸工艺的优势 7 1 3 2 双辊薄带连铸工艺的发展现状 9 1 3 3 采用双辊薄带连铸生产取向硅钢的关键技术 1 0 1 4 取向硅钢中的织构演变及作用 1 1 1 4 1 取向硅钢织构研究状况 1l 1 4 2 热轧织构 1 2 1 4 3 冷轧织构及其形成 1 4 1 4 4 取向硅钢织构演变基本规律 15 1 5 双辊薄带连铸取向硅钢的组织与织构 1 7 1 6 本文研究主要内容 l8 第2 章实验方法与原理 1 9 2 1 实验原料 1 9 2 2 实验过程 19 2 2 1 样品制备 19 2 2 1 酸洗 19 2 2 2 热轧 19 v 东北大学硕士学位论文目录 2 3 分析方法 2 0 2 3 1 显微组织观察 2 0 2 3 2 宏观织构的测定 2 1 2 3 3 宏观织构分析方法 2 1 第3 章热轧工艺对双辊薄带连铸取向硅钢热轧组织和织构的影响 2 5 3 1 引言 2 5 3 2 实验结果 2 5 3 2 1 铸态组织与织构 2 5 3 2 2t r c 取向硅钢的热轧组织 2 7 3 2 3t r c 取向硅钢的热轧织构 3 0 3 3 分析与讨论 3 8 3 3 1 压下率对热轧织构的影响 3 8 3 3 2 温度对热轧织构的影响 4 2 3 4 本章小结 4 4 第4 章双辊薄带连铸与传统取向硅钢热轧组织和织构异同 4 7 4 1 引一言 4 7 4 2t r c 与传统取向硅钢热轧组织 4 7 4 3t r c 与传统取向硅钢热轧织构 4 8 4 4 分析与讨论 4 8 4 4 1 取向硅钢沿层厚织构梯度的形成 4 8 4 4 2 取向硅钢热轧织构演变 4 9 4 5 本章小结 5 2 第5 章结论 5 3一 参考文献 5 5 致谢 6 1 v i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 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材料 也是一种节能 的重要金属功能材料 其中取向硅钢的制造工艺和设备复杂 成分控制严格 杂质含量 要求极低 制造工序长和影响因素多 因此取向硅钢被称为 钢铁中的艺术品 其产品 质量常被认为是衡量一个国家特殊钢制造业技术水平的重要标志 l 双辊薄带连铸是当代钢铁工业发展中一项重大的革新技术 是近终形连铸技术的重 点研究方向之一 近2 0 年来 经过各国研究工作者的不懈努力 该技术已取得了巨大 的进展1 2 3 j 目前世界上已有三套双辊薄带连铸机投入工业化生产 1 1 取向硅钢的发展概况 1 1 1 取向硅钢分类与用途 硅钢 含硅量在0 5 5 的超低碳钢板 主要用于制作电机和变压器等电器的铁 芯 起电磁转换介质的作用 其性能直接影响电磁转换效率 广泛应用于电力 电子和 军工领域t 4 1 硅钢用量占全部磁性材料用量的9 0 以上 电工钢板按生产方法 织构和电磁性能可分为四类 热轧硅钢片 分别用于小型家 电用电机和变压器 由于铁损高国外已停止生产 冷轧无取向硅钢片 用于大电机制造 中 高频电机和变压器以及脉冲变压器等 冷轧取向硅钢片 包括普通取向硅钢 g o 钢 和高磁感取向硅钢 h i b 钢 用于大 中型变压器 利用的是最易磁化方向平行 于 轴 冷轧双取向硅钢片 立方织构 即在轧制面上无难磁化的 方向 该 硅钢片在制作环形铁心 制作m v e 型铁心 旋转电机等圆形和扇形铁心等有很大 优点 由于制作工艺复杂 成本高及磁滞伸缩大和电机噪音大等原因没有批量生产 1 1 2 取向硅钢的发展 硅钢是在工业纯铁的基础上发展起来的 其使用已有1 0 0 多年历史 1 9 3 3 年g o s s 采用两次冷轧和退火方法制成沿轧向磁性特别优良的3 s i 钢 从此 开始了冷轧取向硅钢的生产 1 9 3 4 年冷轧单取向电工钢问世 它的磁性比普通热轧电工 钢提高3 0 以上 损耗降低一倍 这是电工钢发展史上的具有历史意义的重大突破 1 9 3 5 年美国的m r l t i c o 钢铁公司与w e s t i n g h o u s e 公司合作利用此g o s s 专利技术开始了冷轧取 向硅钢的生产 1 9 5 7 年 前西德阿什姆斯 e a s s m u s 在实验室内生产出了双取向硅钢 片 立方织构的硅钢 5 沿轧向和横向都有很高的磁性 吸引了众多学者对立方织构硅 1 东北大学硕士学位论文 笫1 章绪论 钢的研刭6 u j 1 9 6 1 年日本新日铁公司在引进的a r m c o 专利技术基础上试制了a 1 n m n s 综合抑制 剂的高磁感取向硅钢 1 9 6 4 年开始试生产并正式命名为h i b 但磁性不稳定 1 9 6 5 年 改进工艺 磁性进一步提高 而且更加稳定 1 9 6 8 年开始正式生产z 8 h 牌号 1 9 5 9 年 同本川崎钢公司也开始生产普通取向硅钢 1 9 7 3 年采用m n s e s b 抑制剂和两次冷轧法 制成相当于h i b 钢水平的产品 1 9 8 0 年生产r g 6 h 牌号 1 9 7 4 年瑞典s u r a h a m m a r 钢 铁公司引进了该专利技术 同时 在7 0 年代中期美国又开发了铁损极低的铁基合金并 用它代替取向硅钢开始制造配电变压器后 进一步促进了日本冷轧电工钢的迅速发展 新r 铁和川崎公司采用提高硅含量 减薄产品钢带厚度和细化磁畴技术 从1 9 7 9 1 9 8 2 年陆续生产了高磁感取向硅钢新牌号 从1 9 8 3 年起在试制0 1 5 r a m 厚h i b 钢薄带新产 品的同时 采用表面磨光 温度梯度退火和耐热细化磁畴技术等方面也取得很大进展 7 0 年代中期 美国首次用快淬法生产出铁损极低的铁基非晶态极薄带钢 其生产率高 性能优良 但由于产品成本太高 价格昂贵 限制了它的发展1 3 j 1 9 7 3 年石油危机 能源紧张 同时由于美国开发的非晶态极薄带钢 迸一步促进了 日本冷轧电工钢的发展 新日铁和川崎公司采用提高硅含量 减薄带钢产品厚度和细化 磁畴技术开发了新的硅钢牌号 1 9 7 8 年日本东北大学荒井贤一等人开发了4 5 6 5 s i f e 快淬微晶薄带 但尚未正式生产 l4 1 1 9 8 6 年日本钢管公司高田芳一等采用化学沉积渗硅 法 c v d 法 生产出了6 5 s i 硅钢 1 5 并于1 9 8 7 年采用温轧法制造6 5 s i f e 合金 1 9 9 3 年实现工业化生产 产品命名为 s u p e r ec o r e 产品 主要用于高频电机和变压器以 及磁屏蔽 1 9 8 7 年荒井贤一等制得了与非晶合金相同 而磁感b 8 高达1 9 7 t 的取向硅钢 薄带 1 6 j9 1 近2 0 年来 为了高效节能和与非晶软磁材料相竞争 硅钢的发展速度比以前 4 0 年更快 近2 0 年来 为了高效节能和与非晶软磁材料相竞争 硅钢的发展速度比以前4 0 年 更快 目前全世界只有1 0 余家企业可以生产取向硅钢 2 0 2 1 主要企业有 日本的新日 铁和j f e 韩国的浦项 美国的a k 和a l l e g h e n yl u d l u m 俄罗斯的n l m k 德国及在 法国的蒂森克虏伯 英国的c o g e n tp o w e 巴西的a c e s i t a 波兰的s t a l p r o d u k ts a 阿 赛诺米塔尔收购捷克v a l c o v n yp l e c h u a s 中国的武钢等 取向硅钢产能扩容缓解了世界需求的紧张局面 中国市场对取向硅钢的需求成为世 界之最 不断上涨的价格刺激了国内外企业纷纷扩充产能 从2 0 0 5 年开始 武钢 浦项 n l m k a k 蒂森克虏伯等都在扩产 新建生产线 米塔尔在捷克的俄斯特拉发公司 将提高硅钢片的产能 预计到2 0 1 0 年 生产能力将从现在的2 万t 年提高到1 0 万t 年 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 其中取向硅钢为2 5 万t 浦项的扩产幅度很大 2 0 0 6 年7 月 浦项公司的新生产线投入使用 2 0 0 7 年取向 硅钢总产量达到1 6 万t 其中约5 0 是适合制造大型变压器的h i b 钢 2 0 0 8 年产量将 可能达到2 0 万t 美国a k 公司在2 0 0 6 年4 月投资1 4 0 0 万美元建设硅钢生产线 产能从2 5 万t 提高 到3 0 万t 的目标 2 0 0 7 年这一目标已经完成 而2 0 0 6 年1 0 月又追加投资5 5 0 0 万美元 将产能目标进一步提高到3 3 4 万t 并计划在2 0 0 8 年9 月份 1 0 月份完成 巴西的a c e s i t a 公司将在2 0 0 7 年生产6 万t 的基础上继续投资 最终将年产能提高 至1 0 万t 俄罗斯n l m k 公司2 0 0 7 年初在其l i p e t s k 工厂建成了一条用于取向硅钢生产 年 处理能力达6 0 万t 的卷板裁剪线 还对酸洗线进行了更新 未来产量在现有3 2 万t 的 基础上还将会提高 蒂森克虏伯 t k e s 在2 0 0 7 年4 月确定 将把投资重点放在取向硅钢高端产品上 而不是追求大幅扩充产能 硅钢片的铁损值一直是作为衡量硅钢片质量水平的主要标志 因为低的铁损和高的 磁感应强度可使电工设备达到降低电能损耗 提高转换效率 减少原辅材料的消耗 缩 小体积 降低噪音等 图1 1 表示了上一个世纪以来取向硅钢铁损逐步降低的情况 2 2 警 釜 羹 臻 搿 图1 1 取向硅钢铁损降低的历程 1 5 f i g 1 1h i s t o r i c a ld e v e l o p m e n to fc o r el o s sr e d u c t i o ni ng r a i n o r i e n t e ds i l i c o ns t e e l 我国于1 9 5 7 年由钢铁研究总院研制成功3 s i 冷轧取向硅钢 到1 9 7 3 年国已掌握 阿姆柯技术要点 1 9 7 4 年武汉钢铁公司从新日铁引进冷轧取向硅钢制造装备和专利 1 9 7 6 1 9 7 7 年 钢铁研究总院在验证和消化日本专利的基础上开发了高磁感取向硅钢 1 9 7 9 年武钢正事生产取向硅钢 目前为止武钢仍是我国取向硅钢的主要生产地 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 自1 9 9 2 年以来 我国硅钢片年产量由1 9 9 2 年的6 9 万t 增长到2 0 0 3 年的2 0 0 万t 而2 0 0 3 年的表观消费量则达到3 5 8 万t 超出国内产量1 5 8 万t 占硅钢年产量的7 9 2 0 0 4 年 我国冷轧电工钢的产量为1 2 7 6 7 万t 其中 武钢生产4 5 0 5 万t 含取向 硅钢1 2 7 万t 宝钢为5 3 6 3 万t 太钢为1 7 3 5 万t 鞍钢为 6 4 万t 含无涂层冷轧硅 钢片 热轧硅钢片产量1 0 4 1 万t 进口量为1 6 4 3 3 万t 表观消费总量达到3 9 6 1 万t 2 0 0 5 年 我国冷轧硅钢产能上升幅度较大 新增硅钢产能主要集中在宝钢 鞍钢和 武钢三家公司 其中宝钢新增硅钢产能为2 0 万t 鞍钢为8 0 万t 武钢为4 0 万t 冷轧 硅钢产量达到2 0 0 万t 增加的产量可以部分地缓解国内硅钢供应紧张的局面 但仍不 足以填补供应缺口 武钢2 0 0 8 年 2 0 0 9 年的取向产量预计分别是3 1 万t 3 5 万t 其中h i b 钢分别达 到5 万t 5 万t 三硅钢预计2 0 0 8 年年底投产 武钢硅钢总产能达到1 6 0 万t 届时取 向硅钢总产能将达到4 0 万t 一跃超过n l m k 新日铁 a k 和蒂森克虏伯 成为全球 最大的取向硅钢生产厂家 比产量扩充更为重要的是其高磁感h i b 产量提升更多 预 计h i b 钢将占取向硅钢总量的4 0 将为国内大型变压器厂提供更多原材料 鞍钢取向硅钢项目设计规模为年产2 6 万t 总投资5 7 亿元 分两期进行 一期l o 万t 年 计划于2 0 0 8 年下半年投产 二期1 6 万t 年 计划2 0 1 0 年竣工 该项目所用的 设备从法国 德国进口 生产工艺方面 采用自主研发 宝钢2 0 0 8 年7 月取向硅钢将投产 已经从日本引进 安装了环形炉 罩式炉 安 装了一条退火和酸洗生产线 两条脱碳退火线和一条绝缘涂装生产线 2 0 0 9 年第一期工 程达到1 0 万t 产能 太钢六轧厂硅钢扩建工程完成 计划取向硅钢产能为1 5 万t 1 2 取向硅钢生产工艺 1 2 1 取向硅钢现行生产工艺 取向硅钢的制造工艺和设备复杂 对化学成分的要求极严格 规定的成分范围很窄 要求极低杂质含量 影响性能因素很多 目前 取向硅钢的生产基本上都是采用冷轧的工 艺方法 g o 取向硅钢的生产特点是以m n s 为抑制剂和二次中等压下率冷轧法 由热轧 带钢冷轧之中间厚度 进行一次退火后经第二次冷轧至成品厚度 h i b 钢采用一次冷轧 法生产 热轧带经过常化 酸洗处理后一次冷轧至成品厚度 以a i n 作为主要抑制剂 表1 1 是两种取向硅钢的生产工艺 图1 2 是目前的取向硅钢的典型生产工艺流程图 1 2 3 2 5 1 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 表1 1 取向硅钢的制造下艺要点 t a b l e1 1e l e m e n t so fm a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fg r a i no r i e n t e ds i l i c o ns t e e l 真空处理 堡箜h 茎竺 热连轧 l 铁水脱锰卜 冶炼 斗 微调成分 呻 高温加热 连铸 电子搅拌 常化和酸洗 一次冷轧h 中间退火h 二次冷轧 平整拉伸退火 高温退火卜 和涂绝缘膜 一次冷轧 热连轧 高温加热 图1 2 取向硅钢的传统生产丁艺流程图 f i g 1 2t r a d i t i o n a lp r o d u c t i o nf l o wd i a g r a mo fg r a i no r i e n t e ds i l i c o ns t e e l 通常取向硅钢板的基本生产工艺如下1 26 首先在热轧时应尽量采用大的道次压下 量 使轧板表面区造成强剪切变形 进而生成不均匀的变形织构 热轧板的中心部位是 回复组织 而表面附近生成了再结晶组织 其晶粒尺寸约为4 0 1 2 m 且基本上具有 11 0 取向 由于钢中存在m n s 颗粒 阻止晶粒长大 所以表层与心部结构上的 差别可以保留下来 热轧板一般要经过9 0 0 c 至11 0 0 c 退火 热轧形成的表层与中心组 织结构上的差别在退火之后基本保持下来 心部仍是回复过的变形组织 表层的晶粒会 长到大约2 0 0 i t m 随后再将热轧板冷轧7 0 心部织构类型变化不大 而表层附近却产 生了很强的由 1 1 0 织构转变来的 1 1 1 织构 这种转变过程形成的过渡带内 包含 1 1 0 取向的晶体残余 可在再结晶过程中优先生成 1 1 0 取向的再结晶 5 由于全球性的保护环境运动 铸坯的低温再加热工艺被广泛的用于商业生产 然而 与 传统工艺比较 这种方法生产h i b 钢有两点不足 第一 磁性能没有传统工艺生产的 硅钢均匀 第二 磁感应系数b 8 比传统工艺低0 0 2 t 因为a i n 作为抑制剂很容易在退 火过程中受到保护气氛的影响 2 薄板坯工艺 作为一种节约能源 设备成本和运行成本都很低 而且具有不同于传统连续铸造法 的独特微观结构的技术 薄板坯技术是一种生产包括取向硅钢在内的高品质钢种的很有 前景的工艺 薄板坯技术是从液态钢水到精轧生产的完整的生产链的开始 将低温板坯 再加热技术与紧凑的生产进程相结合是这项技术最典型的特点 这项技术在两条生产线 上已经得到了应用 这两条生产线都属于t h y s s e n k r u p p 钢铁集团 个在德国杜伊斯 堡 另一个在意大利特尔尼 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 然而 大部分取向电工钢的生产商都有着悠久的生产历史和良好的业绩 翻新生产 线是不必要的 薄板坯技术被这些传统生产商所限 但是在中国 钢铁行业正在蓬勃发 展 许多新的工厂正在建设 这项技术会有更多的发展空间 3 薄带连铸技术 另外一种我们可预计的在未来短时间内会有更进一步发展的技术就是薄带连铸技 术 这种直接将熔融的钢直接铸造成薄带的薄带连铸技术与传统铸造方法相比有很多优 势 例如 降低能源消耗 提高生产效率 以及更好的机械性能 对于电工钢的生产来 说 薄带连铸技术让生产高含硅量的电工钢成为可能 最近几年 它已经引起了研究人 员的注意 1 3 双辊薄带连铸在生产中的应用 1 3 1 采用双辊薄带连铸工艺的优势 薄带连铸的基本原理 是钢水浇入两个逆向旋转的水冷辊与耐火材料侧封组成的熔 池区 经过包括轻微轧制和复杂的热传导过程而成为薄带 如图1 3 所示 钢液接触水 冷套辊 部分经传导传热过程 首先成为半凝固层 然后在双辊的逆向转动下进入吻合 点最终成为薄带 该技术的特点是液态金属在结晶凝固的同时承受压力加工和塑性变形 在很短的时 间内完成从液态到固态薄带的全过程 图1 3 双辊薄带铸轧示意图 1 铸辊 2 浇口 3 金属液 4 薄带 f i g 1 3s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no ft h et w i n r o l ls t r i pc a s t i n gp r o c e s s 1 c a s t i n gr o l l 2 r u n i l e rs t i c k 3 l i q u i dm e t a l 4 s t e e ls t r i p 近终形连铸技术因具有一系列优点被誉为冶金科技的一项重大变革 是当今国际冶 金界的研发热点 3 4 3 5 它能将连续铸造 轧制甚至热处理融为一体 与传统工艺相比 具有简化工序 大幅节能降耗 降低成本 提高产品质量等诸多显著优点 3 6 3 9 除此之 7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 外 薄带连铸工艺还具有多种技术和效益上的优势 根据分析 采用薄带坯连铸生产硅钢优势为 1 取消热轧 简化工艺 缩短工艺流程 减少热变形率 这种技术从根本上改 变了传统的钢材的生产方法 取消了连铸 粗轧 热连轧以及轧制前的加热 切头 切 尾等工序 将凝固和成型两个过程合而为一 大幅度缩短了钢铁材料生产的工艺流程 2 大大降低了固定资产投资及生产成本 若将从厚板坯轧至冷轧带的成本计为 1 0 0 那么薄板坯至冷轧带的成本只有5 5 而薄带钢坯至冷轧带的成本仅为1 2 与 常规工艺制备2 m m 厚度的热轧带钢相比 薄带连铸制备工艺t 钢成本预计可降低 2 5 3 0 3 大幅度节约能源 提高成材率 使有限的资源得到合理使用和优化配置 4 工程费用低 交货期短 可生产难轧材薄板 由表1 2 可以看出 薄带钢铸轧 不需炼钢车间与热轧机之间的中间存储 因而大大减少了生产周期 计划和管理费用 运输量及生产线长度 4 0 5 由于直接浇注的薄带钢在冷却过程中快速凝固 形成极细的晶粒组织 经过 冷轧后 其显微组织与传统工艺生产的冷轧带材无异 同时 双辊薄带连铸超薄带钢钢 液凝固速度极快 达1 x 1 0 4 c s 以上的冷却速度 这可扩大合金元素的固溶范围 细化 组织和析出物等 因此 如果利用这些效果 可以赋予材料特殊的性能 制造新型材料 表1 2 铸轧1 艺与其它生产工艺的比较 t a b l e1 2c o m p a r i s o nb e t w e e nt w i n r o l lc a s t i n gp r o c e s sa n do t h e rp r o c e s s 双辊薄带连铸工艺应用于取向硅钢生产 有其独特的优势 首先 双辊薄带连铸工 艺生产的铸带坯宏微观偏析少 可以得到均匀的组织 其次 双辊薄带连铸坯较薄 其 冷却过程更易于精确控制 第三 与传统铸带相比 双辊薄带连铸坯的晶粒更均匀 细 小 另外 铸轧过程中铸态织构特征可控性较大 更容易得到理想的铸坯织构特征 总之 薄带坯连铸技术环保 节能 缩短生产线周期和生产线长度 促进传统工艺 的产品结构优化 扩大产品范围和提高产品质量 8 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 2 双辊薄带连铸工艺的发展现状 薄带连铸技术受到世界各工业发达国家的高度重视 并投入了大量的财力和人力进 行技术开发和理论研究 目前已有多条试验线和接近工业化水平的半工业生产线 4 法国的于齐诺尔 萨西洛尔集团研究院 i r s i d 1 9 8 6 年开始进行薄带钢铸轧的研究 自1 9 8 9 年以来 该集团与蒂森公司协作进行了一项命名为m y o s o t i s 项目的开发 用9 0 t 整炉钢液直接浇铸厚3 4 m m 的薄带钢 该试验铸机轧辊轴承采用钢质 成型的辊套采用 铜合金或镀镍的铜合金制造 实现了一炉全浇注到空钢包 浇注出了9 0 t 重的带坯 这一 重要结果为工业规模的薄带坯连铸提供了一个基本的先决条件 新日铁和三菱重工自1 9 8 5 年开始进行双辊式薄带铸轧机合作开发 1 9 9 8 年在新日铁 光厂投产 这种铸轧薄带钢的冷轧产品具有优良的力学性能和抗腐蚀性能 等于或优于 传统工艺生产的冷轧带钢 1 9 8 6 年 英钢联与a v e s t as h e f f i e l d 开始合作进行双辊式铸轧机的研究 辊径1 9 0 m m 浇注钢种为碳素钢 硅钢和3 0 4 型奥氏体不锈钢 1 9 9 0 年建起了一台中试规模的双辊式 试验铸机 主要参数 辊径7 5 0 m m 带宽4 0 0 m m 带厚2 6 m m 铸速8 3 6 m m i n 在该 试验机上进行过7 0 多次试验 主要浇注3 0 4 不锈钢 浦项公司与英国戴维公司1 9 8 9 年7 月合作进行薄带铸轧技术的研究 并在浦项厂内 建造了1 号双辊薄带连铸试验机 1 9 9 1 年1 2 月投入使用 通过对该铸轧机生产的铸轧带 坯及其冷轧带钢进行大量金相 力学性能以及表面质量分析之后 证实其浇注的带坯焊 接性能和深冲性能并不比传统工艺生产的带钢差 浦项与戴维两家公司合作于1 9 9 4 年建 造了一台接近工业规模的2 号带钢铸轧机 可生产 2 6 x 1 3 0 0 m m 的不锈钢及碳素钢薄 带 意大n a s t 公司的特尔尼厂开发的双辊式铸轧机 可用来浇注厚度为2 5 m m 宽度 为8 0 0 m m 的带钢 该铸轧机目前已成功铸轧出电工钢和3 0 4 型不锈钢带 铸轧带卷单重 为2 0 t 澳大利亚b h p 公司与i h i 公司从1 9 8 9 年开始合作 在澳大利亚的v n a n d e r r a 建造了 可浇注出2 x 1 3 4 5 m m 低碳钢带的实验装置 1 9 9 3 年在澳大利亚的p o r tk e m b l a 又建立了薄 带铸轧试验厂 1 9 9 9 年3 月生产出l m m 厚的带钢 我国研究薄带连铸技术始于2 0 世纪8 0 年代中期 目前的研究主要集中在宝钢 东北 大学和重庆大学 宝钢集团上海钢研所从1 9 8 4 年开始研究双辊式薄带连铸 并已成功浇铸出近3 t 合格 的1 5 3 m m 厚 2 5 0 m m 宽的不锈钢薄带 掌握了双辊薄带连铸机的主要技术参数和关键 技术以及各参数对薄带质量的影响规律 为薄带连铸中间实验机组的研究奠定了基础 9 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 十五 期间 宝钢制造出具有工业试验规模的1 2 0 0 m m 双辊薄带连铸机组 东北大学 采用异径双辊铸机试验生产了厚1 5 m m 宽2 5 0 m m 的高速钢 硅钢 不锈钢带 重庆大 学则采用同径双辊铸机对高速钢 不锈钢 铝合金等材料薄带进行了研究 制取的薄带 厚度为1 5 5 m m 宽度为1 5 0 m m f 2 0 0 5 年3 月宝钢薄带连铸设备恢复热试以来 进展 顺利 成功浇铸碳钢和不锈钢 并卷成带卷 薄带铸坯边部质量和表面质量明显提高 带钢表面横 纵裂纹明显减少 不锈钢铸带成功冷轧至0 2 5 m m 厚 薄带坯连铸技术尚存在一些重要问题有待解决 诸如 1 薄带厚度不均匀 薄带 的厚度由铸辊的位置 钢水的注入速度等控制 双辊薄带的厚度偏差目前在5 1 5 之 间波动 非常不利于冷轧 2 薄带品质较差 成品率低 双棍薄带浇铸速度太快 很 容易产生各种表面缺陷和裂纹 薄带的头部和尾部质量差 3 生产率低 薄带宽度较 窄 铸辊造价高 寿命低 4 二次冷却问题 由于薄带从铸机出来时温度较高 若二 次冷却控制不当 则晶粒容易再生长 在边界沉积析出 达不到薄带快速凝固效应 从国内外研究概况可见 薄带连铸技术被公认为是冶金工业中的革命性技术 受到 世界各国的普遍关注 成为研究开发的热点 在不同的铸机类型中 研究最多 发展最 快的是双辊式薄带连铸工艺 我国在双辊式薄带连铸工艺这一领域的研究取得了一定成 果 但与国际领先水平相比还有很大的差距 薄带连铸作为新的连铸技术有着很乐观的 应用前景 尤其对中小型企业和特种金属材料 更具诱惑力 1 3 3 采用双辊薄带连铸生产取向硅钢的关键技术 薄带坯连铸生产过程中的的关键技术主要有 1 铸坯出连铸机时的冷却速度 有 效避免抑制剂析出 在热轧过程中或热轧后再弥散析出 2 铸坯出连铸机与进入热轧 机之间的温度调整 达到取向硅钢生产的需要的标准 3 连铸过程中的起泡现象和闪 电状裂纹 控制拉速和喷水比来减少柱状晶尺寸 板厚方向和中心区的硫偏聚和内裂 硅钢热传导率低 连铸后如果凝固速度较慢 凝固壳较软易产生鼓肚 且铸坯急冷或急 热都易产生裂纹 需要在不产生裂纹条件下尽快凝固 薄带连铸坯生产取向硅钢与传统方法最大的区别 就在于没有大压下率的热轧 双 辊薄带连铸生产取向硅钢的核心就是如何选择和制取抑制剂 通过热轧和控制冷却及卷 取 使热轧带钢具有适当的均细分布的初次抑制剂状态 其次通过大压下率冷轧 脱碳 及渗氮处理等工序使带钢具有更细小的二次抑制剂 使之能在二次再结晶退火时依靠这 两次抑制剂的强抑制能力发展完善的 1 l o 0 0 1 次再结晶组织 即使热轧带没能形成 所需的抑制剂形态 但在常化和以后渗氮处理中可以补充均匀 细小 弥散分布的a 1 n 1 0 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 满足抑制力要求 电工钢作为非结构性材料对最终产品外观的要求不高 故其对于力学性能和表面质 量的要求不如其他产品高 这一点恰好在一定程度上避开了双辊薄带连铸工艺目前难以 圆满解决的带材组织缺陷和表面质量的短处 当然 用双辊薄带连铸技术生产硅钢带也 存在着其特有的技术特点和难点 如铸辊轧制力的控制对硅钢的表面裂纹和成分偏析有 很大的影响 新日铁公司在九十年代初期试验用双辊薄带连铸工艺浇铸取向电工钢时 采用控制 凝固后二次冷却中最佳的冷却温度范围 9 0 0 1 2 0 0 c 和最佳的二次冷却速度 下限值 为1 0 0 c s 的方法 来获得二次再结晶的最佳基体组织 在足够的冷轧压下率 6 0 9 0 和合适的退火工艺 1 1 0 0 以上 的配合下 获得了磁特性良好的取向电工钢带 生产取向硅钢关键技术就是如何保证热轧前抑制剂充分固溶 若采用现在的 固有 抑制剂制造取向硅钢的工艺 必需加保温设施并适当提高速度 以提高铸坯装炉温度 并适当提高加热温度至1 2 0 0 c 以上才能满足要求 使铸坯在开轧以前始终保持在抑制剂 析出温度以上 保持抑制剂的固溶状态 开辟新的 后添加抑制剂制造取向硅钢 的工艺 现有的薄板坯连铸工艺设备只需 略加改进即有可能适用 除薄板坯连铸连轧工艺设备外 适于生产硅钢的还有中等厚度 板坯连铸连轧工艺设备 由于这些工艺采用了步进式加热炉 可灵活控制加热温度和时 间 可采用更高的加热温度 若保证铸坯加热温度到1 2 0 0 c 以上 该工艺更有利 首先 通过大压下热轧和控制冷却及卷取使热轧钢带具有适当的均细分布的初次抑制剂的组 织状态 其次通过大压下率冷轧 脱碳及渗氮处理等工序使钢带具有更为均细的二次抑 制剂 使之能在二次再结晶退