传统连铸连轧工艺和CSP工艺生产电工钢的评估毕业论文.doc

传统连铸连轧工艺和CSP工艺生产电工钢的评估毕业论文目录1 文献综述41.1 CSP41.1.1 连铸连轧生产方式的背景41.1.2 薄板连铸连轧发展的趋势51.1.3 CSP81.2 电工钢131.2.1 概念131.2.2 电工钢的分类、用途及牌号141.2.3 国内外执行标准情况151.2.4 电工钢的发展史161.2.5 电工钢的性能要求191.2.6 影响电工钢性能的因素211.3 本课题的研究目的241.3.1 研究背景和意义241.3.2 研究内容242 电工钢生产的基本工艺和技术关键252.1 电工钢的传统生产工艺252.1.1 电工钢的生产工艺原理252.1.2 无取向硅钢的生产工艺262.1.3 取向硅钢的生产工艺332.2 电工钢的CSP生产工艺402.2.1 无取向硅钢的CSP生产工艺402.2.2 取向硅钢的CSP生产工艺423 传统工艺和CSP工艺对材料微观结构的影响的差异463.1 传统工艺和CSP工艺流程的差异463.2 传统工艺和CSP工艺对电工钢微观组织的影响473.2.1 元素偏析的差异473.2.2 CSP薄板坯凝固组织与传统厚板坯的差异483.2.3 电工钢钢热轧板的金相组织特点的差异503.2.4 夹杂物析出特点对电工钢性能的差异503.2.5 织构的差异513.2.6 晶粒尺寸的差异523.2.7 表面质量的差异544 CSP与传统工艺生产电工钢的评价55致谢58参 考 文 献59附录A英文翻译11 文献综述1.1 CSP1.1.1 连铸连轧生产方式的背景连续铸钢的出现，是推动钢铁工业生产的巨大动力，同时也使钢铁厂从生产模式到钢厂结构发生了深刻的变化。这些变化带来了能耗降低，生产流程缩短，产品质量显著提高等，其结果使得钢铁产品具有了更大的市场潜力。20世纪80年代末，随着世界范围内的能源危机，北美和其他地区的电炉生产厂家利用经济的废钢资源与新技术相结合，以新的生产方式与传统的钢铁联合企业展开了激烈的竞争，发展了从立案刚到轧材的连续生产线，所谓短流程的生产方式。这些发展使得小钢厂所占的市场份额迅速增加，而且控制全部长条产品和结构型钢材市场。传统的钢铁联合企业部分的放弃了长材钢的生产，而集中生产利润丰厚的板带钢产品。联合企业认为，板带钢市场不属于小型钢厂，因为要建立薄板生产企业需要很大的投资。而世界第一条薄板坯连铸连轧生产线于1989年6月在美国纽柯钢公司投入工业化生产以来，给投资理念一新的定义，创造了吨钢投资设备的最低水平。随着直接还原和熔融等非传统概念的炼铁技术的发展，连铸连轧嫁接其后部，形成了从冶炼到轧材整个生产流程的短流程。由于炼钢工艺部分使用焦炭作为能量来源和还原剂，产生了积极的环保效益，其设备投资基本与传统的高炉炼钢轧材生产方式持平，而能量的消耗显著降低。近终形连铸的出现对钢铁工业的撼动是空前的，它的影响可以和30年前出现的连铸技术相比。当时用废钢和废钢代替物的电炉与薄板坯连铸连轧与棒材连铸连轧相结合，给传统的生产模式以极大的打击。这一生产方式刚刚出现了10年，因其显示出巨大的经济效益而迅速占领了市场，使其市场周边建设钢材生产厂成为可能。连铸连轧生产较传统生产方式，在三废排放方面也表现出来较强的生命力。电炉除尘、感应加热等技术的发展，减轻了冶金企业必须进行末端处理的工作压力，符合发展绿色钢铁的建设目标。基于能源、经济、质量、环保和生产周期等诸多方面的原因，连铸连轧都显示了无比的优势。连铸钢的出现和生产，大大缩短了工艺流程，极大的简化了轧钢生产的工艺系统，与传统的模铸坯初轧开坯相比，省去了脱模、整模、匀热初轧和连轧开坯等一系列工序和对应的设备。这不仅明显的降低了能耗，而且大大节省了设备投资和生产投资。根据我国的最初统计，基建和操作费用可节省40%左右，占地面积减少约50%，设备投入费用降低了约70%，耐火材料消耗可减小了15%1。1.1.2 薄板连铸连轧发展的趋势1.1.2.1 概述薄板坯连铸连轧是20世纪80年代末开发成功的生产热轧板卷的一种全新的短流程工艺，是继氧气转炉炼钢、连续铸钢之后钢铁工业最重大的革命性技术之一。对此世界各国都给予高度关注，并先后投入了大量的人力、物力进行研究、开发、推广。从1989年美国印第安那州纽柯钢铁公司克劳福兹维尔厂的第一条薄板坯连铸连轧生产线投产至今，世界各地已有49流薄板坯连铸机投入使用或在建(参见表1.1)，形成约4900104t/a的生产能力。此项技术今后仍有广阔的市场前景，是目前钢铁界的技术热点。表1.1 已投产或在建的薄板坯连铸连轧生产线项目工艺生产厂流 数生产能力t/a备 注CSP20323200SMS公司开发ISP8121100MDH公司开发FTSR45515Danieli公司QSP34500Sumitomo公司CONROLL1170VAI公司开发合计35494875 薄板坯连铸连轧技术是基于以下几个基本思路而提出，同时也是在其指导下不断地发展和完善的：（1）提高工序的连续性，把工艺步骤尽量减到最少。具体地说就是连铸坯直接轧制(HDR)，从钢液到最终带卷的工艺路线只包括那些绝对必要的工艺步骤，例如： 生产薄板坯用的浇铸工序；衔接段中的温度均匀化，使板坯达到均匀的温度；轧制工序，使热带达到期望的最终尺寸；输出辊道上的冷却，以得到理想的冶金性能；卷取机上的卷取工序，以获得容易运输的产品。（2）最小的能源消耗。一方面通过采用近终形连铸，降低轧制工序所消耗的能源，另一方面由于工艺的连续性，连铸坯在轧制前除需少量的补充能源外，不需常规工艺所需的大量的能源。（3）把薄板坯保持在一个相对恒定的温度范围。薄板坯在衔接段中保温一定的时间确保温度在长度、宽度、厚度三方面完全均匀，从而使产品具有从未有过的均匀显微组织，并得到高的厚度和板形方面的几何尺寸精度。 与传统的热轧板生产工艺相比，薄板坯连铸连轧工艺在技术和经济等方面，具有明显的优势： （1）工艺简化、设备减少、生产线短，从而大幅度降低了基本建设投资，使得吨钢投资下降1934。 （2）生产周期短。从冶炼钢水至钢卷送到运输链，仅需2.5h，从而减少了大量流动资金。 （3）成材率提高约23，能耗降低约20，从而降低了生产成本，使吨材成本降低。 （4）产品的性能更加均匀、稳定。由于薄板坯在结晶器内的冷却强度远远大于传统的板坯，其二次和三次枝晶更短，薄板坯原始的铸态组织晶粒就比传统板坯更细、更均匀。 （5）产品的纵、横向精度更高。薄板坯连铸连轧的均热工艺保证板坯在轧制过程中温度的均匀和稳定，从而获得更高的纵、横向的尺寸精度，同时也更便于生产对轧制温度要求较高的钢种，如硅钢等。(6)适于生产薄规格热轧板卷，从而提高产品的附加值，甚至替代部分冷轧产品，获得更好的经济效益2。1.1.2.2 薄板坯连铸连轧技术的发展根据产品生命周期理论和薄板坯连铸连轧技术各个不同发展阶段的具体特征，特别是市场特征，将薄板坯连铸连轧技术的发展分为下列四个阶段：19851989：研发阶段；19891994：引入期；19941999：成长期；1999至今： 成熟期(1) 研发阶段 1986年德国施罗曼西马克公司(SMS)在自己的铸钢车间建立了一台采用“漏斗型”结晶器的立弯式薄板坯连铸机，并以6m/min的拉速成功的生产出50mm1600mm的薄板坯，该技术命名为CSP(Compact Strip Production)。几乎同时，德国曼内斯曼德马克公司（MDH）于1997年采用改进的超薄型扁形水口和平板直弧形结晶器以4.5m/min的拉速成功的生产出60mm900mm和70mm1200mm的薄板坯。此外，首次在二冷段采用了液芯压下技术，使铸坯出铸机时的厚度可减到40mm，该技术命名为ISP(Inline Strip Production)。奥钢联(VAI)于1988年在对瑞典阿维斯塔(Avesta)的传统连铸机进行改造时，采用薄平板型结晶器及薄型浸入式水口浇出第一块厚度为70mm的不锈钢薄板坯，该技术命名为CONROLL(Continuous Casting and Rolling)。此外，意大利达涅利、日本住友等公司也着手研究、开发工作。(2) 引入期 1989年6月世界上第一条薄板坯连铸连轧生产线在美国纽柯公司的克劳福兹维尔厂(Crawfordsville)建成投产，采用SMS的CSP技术，年产80万吨，试产10个月后达到月产3.6万吨的盈亏平衡点,由于技术可靠性的问题，经过2年半的时间于1991年11月超过设计产量，达到月产8.3万吨。由于水口寿命及漏斗型结晶器变截面所带来的坯壳应力问题，使板坯的表面质量和产量一直是困扰该技术发展的难题，表面裂纹、内部夹杂、氧化铁皮轧入、边裂等缺陷没有很好解决。产品的品种也较少。 1992年一条年产50万吨的ISP生产线在意大利的阿维迪（Arvedi）建成投产，并于1993年9月达到设计产量。但由于采用平板结晶器和薄壁浸入式水口，产量受到限制，产品质量也遇到与CSP类似的问题。与此同时，意大利达涅利(DANIELI)的FTSR技术、日本住友金属的QSP技术及奥地利奥钢联(VAI)的CONROLL技术等尚处于半工业试验状态。（3）成长期 针对最先投产的几条生产线所遇到的产量和质量的问题，各供货商又采取了相应的解决措施。SMS加大了铸坯的厚度并减小了漏斗型结晶器连续变截面的变化程度，同时在二冷段采用了液芯压下技术，目的是在不增加坯厚的情况下，进一步改善铸坯的表面质量和内部质量。另外，为稳定结晶器液面、提高浇铸速度，进一步优化了浸入式水口的形状并采用了结晶器液压振动。为提高带钢的表面质量，SMS开发了压力达40MPa的高压水除鳞装置，同时减小了喷嘴与铸坯之间的距离，设置了回水收集装置。 MDH将平板型结晶器改为“橄榄型”，同时优化了浸入式水口的形状、加大了铸坯的厚度。例如，在浦项的合同中将铸坯的厚度从60mm增加到75mm，以改善浇铸条件、提高铸坯的内部质量和表面质量、并提高产量。另外，放弃了带芯轴的双热卷箱（Cramona炉），采用无芯轴步进式热卷箱，最后又采用直通式辊底炉，使衔接段工艺不断简化、适用。在SMS、MDH完善现有工艺和设备的同时，Danieli公司异军突起，在吸取漏斗型结晶器优点的基础上，发展和完善了漏斗型结晶器的设计思想，将漏斗型曲线穿过结晶器，延伸到扇形段，开发出H2结晶器或“凸透境式”结晶器。这种结晶器降低了由于变截面而引起的坯壳应力，同时由于加大了熔池，可采用较高的拉速，获得更高的产量和产品质量。该系统1995年5月在对纽柯希克曼（Hickman）一号线改造中首次采用，效果显著，为其今后的发展奠定了基础。随后，Danieli于1997年在加拿大的阿尔戈玛（Algoma）建成了一条完整的薄板坯连铸连轧生产线，此生产线投产后获得较好的产品质量，特别是好的表面质量，引起世人注目。（4） 成熟期 薄板坯连铸连轧技术经过十余年不断的发展，工艺、设备、自动化系统日趋完善，产品质量和产量不断提高，在诸多方面足以与常规热轧流程相媲美，在某些方面优于后者。因此，可以说目前薄板坯连铸连轧技术已步入成熟期。今后技术的发展主要在于：进一步提高连铸机的拉速，以提高产量，实现规模经济，获得更好的经济效益；进一步提高产品质量，扩大产品范围；进一步减小产品厚度，实现“以热代冷”，增强产品的竞争能力。1.1.3 CSP1.1.3.1 概述CSP(Compact Strip Production)是由德国SMS公司开发的世界上最早并投入工业化生产的薄板坯连铸连轧技术。CSP工艺的原则是机组配置尽量简单，工艺线上只配置生产必须的设备，同时尽可能采用成熟的技术和设备，这样即提高了生产线的可靠性，又降低了投资。CSP技术的主要特点是采用立弯式铸机、漏斗形直结晶器、刚性引锭杆、衔接段采用辊底式均热炉、CVC热连轧机。自1989年世界第一条CSP生产线投入使用以来，因其工艺开发早，技术成熟，工艺及设备相对简单可靠，已有32流铸机投入使用或在建，年生产能力约3200万t/a。1997年初，我国以“捆绑”方式从SMS公司引进了三条CSP生产线，其中广州珠江钢厂的CSP线已于1999年8月投产，邯钢的CSP线于1999年12月投产，包钢的CSP线于2000年12月投产。随着多条生产线的投产，SMS公司在实践中摸索出许多经验，近年来在工艺技术、装备及其控制系统等方面均做了不少改进，使其不断完善发展。新建的生产线中普遍采用了电磁闸、液芯压下、结晶器液压振动、立辊轧机、板形和平整度控制等多项新技术。CSP工艺流程图如图1.1所示。图1.1 CSP工艺流程图有关技术特点归纳如下：(1) 漏斗型结晶器。鉴于纽柯I厂的漏斗型结晶器存在寿命短、结晶器的形状不能保证铸坯有良好的表面质量的问题，SMS公司经较长时间的研究和传热计算，一方面优化了结晶器的曲线，减小了结晶器变截面引发的坯壳应力，同时保证钢水进入后不致产生漩涡，从而有效地减少了铸坯表现缺陷；另一方面采用自动控制的水冷系统使铜板上部传热合理，冷却效果变好，铜板外冷却水槽水流速控制在10m/s以上，水压p0.6MPa，水的蒸发量减小，显著提高了结晶器的寿命（一般在200500炉），修磨后仍可使用。(2) 浸入式水口。浸入式水口和结晶器是一个整体。与平行板型结晶器相比，漏斗型结晶器的上口开口度保证了水口有足够的插入空间。这为使用较厚壁的水口提供了有利条件。水口外部形状决定了钢水在结晶器内上部的流动通道。而内部形状，特别是出口形状则决定了钢水流态和注入时的动能的分布。目前采用的是为提高拉速新设计出的大十字出口的水口，有增加流量、稳定拉速的作用。(3) 液芯压下技术。液芯压下(Liquid core reduction)连铸技术的特点是在铸坯出结晶器下口后，对其坯壳施加挤压，液芯仍保留在其中，经二冷段，液芯不断收缩直至薄板坯全部凝固。最早的CSP铸机并没有采用该技术。1995年黑克曼厂的1号连铸机在轧制较薄的产品时首次采用了该技术，这样结晶器下口的厚度就可由50mm增至70mm，上口随之也可相应增大，更有利于长水口的插入。结晶器变大后可容纳更多钢水，在通过量不变的情况下，钢水流速减慢、变稳，有利于夹杂物上浮和提高拉速。液芯压下技术实际上是在粘稠带内加工，它将导致铸坯内部晶粒破碎和滑移，可得到较细的晶粒，使得铸坯在相同的轧制温度下获得更好的韧性。试验证实，采用液芯压下比相应的减薄结晶器厚度带来的效果更佳。现黑克曼生产的所有钢种的中心偏析和疏松方面的质量均可达到一级标准。为使铸坯不致漏钢，一般液芯压下量不超过20mm，自结晶器出口处的70mm厚铸坯，经二冷段连续压至65605550mm，效果很好。SMS的LCR技术经过第一代的LCR1，第二代的LCR2，目前已发展到第三代的LCR3，具有无级压下的特点，首次在德国Thyssen厂采用，压下范围是6348mm。(4) 液压振动。液压振动技术首次在意大利的AST公司的试验机上应用。AST试验机是一台拟生产奥氏体不锈钢的生产设备，结晶器采用液压振动，旨在改善铸坯与器壁的接触，通过自由选择的非正弦波振动曲线，按选定的运动方程振动，可使负滑脱时间TN缩短，即减少溶融保护渣进入铸坯和结晶器间接触区域的机会，有利于表面质量的提高。西马克公司提出TN=0.1s是取得良好铸坯表面质量的保证值。(5) 电磁闸。电磁闸(Electromagnetic Brake)于1994年10月安装在纽柯I厂的结晶器上部漏斗状的两侧，其宽度同于结晶器，功率200kV.A，电压4.16kV，电流125A，频率60Hz，具有控制液面平稳度和提高铸坯表面质量的作用，使用效果较好。(6) 二冷段的改进。新建的CSP铸机变二冷段喷嘴平均布置为按坯宽来布置，解决了因坯宽不同造成的较窄断面铸坯边部冷却强度过大的问题，保证了铸坯冷却均匀，改善了铸坯质量。为提高拉速、增加产量，二冷段不断加长，例如，纽柯I厂二冷段为5.7m，黑克曼厂和韩宝厂为6.02m，印度、马来西亚、西班牙为6.97m，目前最长的是蒂森厂的9.7m。鉴于立弯式机型的特点，二冷段再加长的可能性不大。(7) 新的高压水除鳞装置。鉴于纽柯I厂的除鳞机的除鳞效果不理想，直接影响带钢表面质量，SMS开发出新一代的高压水除鳞机，并已广泛使用于各CSP生产线，效果良好。新除鳞机的特点是：减小了喷嘴与板坯表面之间的距离；水压由原20MPa提至40MPa，实际操作水压为3235Mpa；设有防止飞溅水回落板坯表面的收集器。(8) 精轧机F1机架前设立辊轧机。钢水中的铜、硫等元素过高将带来钢的热脆性，导致边裂，特别是在采用大压下轧制规程时，这种现象更为严重。通过在F1前设立辊轧机，在压下之前给坯料的边缘一定的压下量，可改善板坯边缘的铸态组织，提高抗裂能力。另外轧边机还可起导向作用，从而改善轧件跟踪和CVC的功能。立辊轧边的压下量由钢种而定，合理的操作能大大减少进入精轧机后薄板坯边部的开裂缺陷，改善带钢边部质量1。1.1.3.2 CSP的发展趋势CSP技术发展趋势包括：(1) 提高生产能力初期的单流薄板坯连铸机的生产能力为5080万t/a与之相配的一条装备完善的热连轧线的生产能力可达280300万t/a。而轧制部分的投资约占全部投资的23，因此应尽量提高连铸部分的生产能力，以便充分发挥投资效益。连铸机作业率一般都能高于轧机作业率，故在一定的产品规格条件下，通过提高拉速及增加铸坯厚度即可有效的提高铸机及整个生产线的生产能力。铸坯厚度有增加的趋势，也可以用两套连铸机与一套轧机相配合。(2) 扩大品种提高质量薄板坯连铸连轧工艺最初主要是以满足小钢厂生产大路货产品为目标。随着工艺技术和装备的改进，不仅在生产能力上上了一个台阶，而且在品种质量方面也有很大的改进和提高。在美国ACME厂的CSP已对含碳1.0品种试生产成功。目前难以满足的品种是奥氏体不锈钢，特别是含钛的不锈钢。应当指出，CSP采用漏斗型结晶器不利于包晶钢之类裂纹敏感钢种生产的。(3) 生产超薄带材代替部分冷轧产品一般用于建筑材料、普通焊管、普通容器及空气管道等的薄板，常用0.81.5mm的冷轧薄板，但它们并不是出于对板材性能及表面状态的要求，而是受市场供应所限。薄板坯连铸连轧工艺生产的同类尺寸产品有可能顶替冷轧产品。(4) 应用领域扩展，逐步在大型企业中采用薄板坯连铸连轧工艺初期只应用于短流程小钢厂，使此类小钢厂步入了板带材生产领域，以它特有的低投入、低成本及地域市场的优势从大型钢铁联合企业手里争夺一份板带产品市场份额。在九十年代中后期，随着薄板坯连铸连轧技术的发展，其产品质量及生产能力大步提高，经济效益和市场竞争能力进一步加强，促使一些大型钢铁联合企业也开始建设薄板坯连铸连轧生产线。其匹配情况按金属炉料及冶炼方法可有以下几种主要类型：(1) 以高炉铁水及废钢为原料，以电炉冶炼向薄板坯连铸连轧线提供钢水。即高炉铁水+废钢电炉二次精炼连铸连轧成品。(2) 以高炉铁水为原料，以转炉冶炼提供钢水。即高炉转炉二次精炼连铸连轧成品。新建熔融还原及直接还原装置向炼钢车间电炉或转炉提供铁水或同时提供DRI(直接还原铁)，由电炉或转炉向薄板坯连铸连轧提供钢水。即熔融还原(或和直接还原)电炉或转炉二次精炼连铸连轧成品。针对CSP工艺生产的产品显微组织和力学性能特征很多学者通过各种手段进行了大量分析研究。生产实际表明，采用CSP技术生产的成品板比传统技术生产的板带材组织明显细化，强度大为提高3。1.1.3.3 国内外的研究动态国内外主要对以下几个方面展开了工作：(1) 珠钢在1998年投产我国第一条CSP生产线，国内主要是北京科技大学与珠钢合作深入开展基础理论研究。结合薄板坯连铸连轧的生产实际，开展了比较深入的基础研究，其中主要包括：(1)薄板坯连铸连轧钢的热历史及工艺特点。如组织细化机理、奥氏体组织演变规律和再结晶。(2)钢中纳米级氧化物、硫化物的析出特征及其对钢组织细化的作用以及纳米级碳化物和氮化物的析出特征及其对钢的沉淀强化作用。(3)研究了硼对钢晶粒粗化及强度下降的影响机理。(4)研究了珠钢电炉CSP工艺生产低碳高强度钢板的热轧工艺与组织性能之间的关系，通过光学显微镜和力学性能试验等检测分析技术分析了控制轧制和冷却各阶段工艺参数对成品显微组织和力学性能的影响。研究表明：降低终轧温度和卷取温度可有效细化变的情况下晶粒，提高钢板的强度；采用适当的控轧控冷工艺制度，可以获得不同强度级别强韧性能良好的热轧低碳高强度汽车用钢板。(5)层流冷却是薄板坯连铸连轧生产线控制板带组织性能的重要环节，实践证明，在实际生产中有时在钢的成分和热轧工艺不同，通过合理应用和优化层流冷却工艺也可得到不同组织和性能的带钢产品，这对带钢新产品的开发和组织性能控制至关重要，在生产中可根据产品组织性能要求，采用不同的冷却控制方式。(2) 薄板坯连铸连轧生产线生产的热轧板卷的屈服强度一般比常规热连轧工艺生产的板卷高100MPa以上，这给用作冷轧原料带来生产上的困难。唐钢做了以下研究：(1)唐钢生产的低碳钢的主要强化机制为细晶强化、沉淀强化、位错强化和固溶强化，其中，细晶强化是最主要的强化方式。(2)调整冷轧用钢的冶金成分，适当降低C、Mn、Si含量，可以降低固溶强化效果，但是作用有限。(3)采用较高的终轧温度和卷取温度，可以降低细晶强化的效果。但是，在实际生产中，由于工艺和设备条件的限制，达不到常规热连轧工艺生产的热轧板卷强度水平。(4)唐钢采用铁素体轧制工艺，冷轧用钢的屈服强度已降至205MPa，因此铁素体轧制工艺是薄板坯连铸连轧生产线生产冷轧用钢的一个很有价值的选择。(5)低碳钢加硼可显著降低相变时铁素体的形核率，但对铁素体晶粒的长大速率影响不大，有利于得到较粗大的铁素体晶粒。(3) 为探讨工业生产条件下降低铁素体珠光体钢屈强比的有效办法，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室研究了前段冷却、后段冷却和两段式冷却3种工艺对HP295焊瓶钢板屈强比的影响规律，通过采用两段冷却方式并控制带钢卷取温度使攀钢HP295焊瓶钢板的屈强比低于0.8，屈强比合格率由此前的不足90提高到100，各项力学性能满足国家标准GB66532-1994要求。(4) 上海宝钢在实验室条件下模拟薄板坯连铸连轧工艺试制了C、Si、Mn系TRIP钢。拉伸实验表明，实验钢的抗拉强度为610MPa，屈服强度为430MPa，屈强比为0.70，总延伸率为28.4。组织观察发现，试样组织为铁素体+贝氏体+残余奥氏体的三相组织，实验钢中残余奥氏体的平均含量为5.84。1.2 电工钢1.2.1 概念按照GBT133041991钢分类的规定，电工钢属于优质合金钢，是指在生产过程中需要特别控制质量和性能的合金钢。电工钢是一种含碳量极低的硅铁软磁合金。它包括碳含量很低的Si含量小于0.5的电工钢和Si含量为0.56.5的硅钢两类，是发展电力、电讯和军事工业不可缺少的重要磁性材料，亦是一种节能的、重要的金属功能材料。电工钢板主要用作各种电机、发电机和变压器的铁芯和各种电讯器材。1.2.2 电工钢的分类、用途及牌号1.2.2.1 电工钢的分类和用途根据GBT2212000(钢铁产品牌号表示方法和GBT155741995(钢产品分类的规定，电工钢按轧钢生产工艺分为热轧硅钢和冷轧电工钢：热轧硅钢属于无取向硅钢。冷轧电工钢分无取向电工钢和取向硅钢两大类，无取向电工钢又分低碳低硅电工钢和硅钢两类，根据产品中晶粒排列方向性分为晶粒取向硅钢(这类产品中晶粒沿轧制方向排列比沿垂直轧制方向排列有较大的增加电磁感应的性能并且在两面都有绝缘层)和晶粒无取向硅钢(这类产品可以不涂层，也可以在单面或双面都涂绝缘层)。取向硅钢和无取向电工钢化学成分的控制方法各不相同，取向硅钢对常规元素的含量要求极为严格，同时对加入的有益夹杂元素要求严格控制在一定的范围之内。从而获得晶粒取向度高、方向性强的高磁感、低铁损的取向硅钢。无取向电工钢要求具有超低碳、超低硫、高铝含量的纯净钢质，从而获得具有各向同性的高磁感、低铁损无取向电工硅钢。取向硅钢又分为普通取向硅钢(简称GO钢)和高磁感取向硅钢(简称Hi-B钢)两类。主要用于制造各种变压器、镇流器、放大器、稳压器、继电器、整流器、电磁开关等定向磁场电器产品的铁芯。应用于制作定向磁场铁芯的取向硅钢主要借助其特定的成分降低涡流损耗，利用高斯取向晶粒在轧向上优异的磁化性能，降低磁滞损耗并大幅度提高磁感水平。无取向电工钢主要用于发电机、电动机以及家用电器如洗衣机、电风扇和电冰箱压缩机等承载旋转磁场的电机类铁芯，因此大体上可以把各种类型电器的铁芯划分成承载定向磁场的变压器类铁芯和承载旋转磁场的电机类铁芯。1.2.2.2 电工钢牌号表示方法国家标准GBT2212000 钢铁产品牌号表示方法中，冷轧电工钢的牌号按GBT25211996(冷轧晶粒取向、无取向磁性钢带片标准中规定的牌号表示方法为：电工钢牌号采用分类钢的汉语拼音和阿拉伯数字表示。阿拉伯数字表示典型产品(某一厚度的产品)的厚度和最大允许铁损值(Wkg)。热轧硅钢在牌号头部加符号“DR”之后为表示最大允许铁损值100倍的阿拉伯数字。如果是在高频率(400Hz)下检验的，在表示铁损值的阿拉伯数字后加符号“G”。不加“G”的，表示在频率50Hz下检验。在铁损值或在符号“G”后加一条横线。横线后为产品公称厚度(单位：mm)100倍的数字。例如：频率为50Hz时，厚度为0.5ram，最大允许铁损值为4.40W/kg的热轧硅钢， 其牌号表示为“DR44050”；频率为400Hz时，厚度为0.35ram，最大允许铁损值为17.50Wkg的热轧硅钢，其牌号表示为“DR1750G一35”。冷轧无取向硅钢和取向硅钢在牌号中间为分别表示无取向硅钢符号“W”和取向硅钢符号“O”。在符号之前为产品公称厚度(单位：mm)100倍的数字，符号之后为铁损值100倍的数字。例如“3OQ130”“35W300”。取向高磁感硅钢。其牌号应在符号“Q” 和铁损值之间加符号“G”，例如：“27QGl00”。电讯用取向高磁感硅钢牌号采用“电高”汉语字母“DG”符号和阿拉伯数字表示。阿拉伯数字表示电磁性能级别，从1至6表示电磁性能从低到高。1.2.3 国内外执行标准情况1.2.3.1 我国执行标准情况上世纪70年代以前，我国电工钢的标准是以行业标准的形式出现。并且冷热不分，这些标准都是由当时生产冷轧电工钢的太原钢铁公司制定。直到80年代，武钢批量生产冷轧电工钢后受国家委托，武钢制定了我国的电工钢国家标准GBT25211981标准，1988年进行了修订。电工钢标准的演变过程是：YB731960一YB731963一YB731970 GBT25211981-GBT25211988GBT25211996。我国电工钢的标准体系基本上是采用了国际电工委员会的标准及体系，但也不完全是。国标GBT2521冷轧晶粒取向、无取向磁性钢带(片)制定时采用了IEC标准。但不完全一一对应，而是将IEC6040487和IEC6040484标准，即取向钢和无取向钢两个标准综合制定而成一个标准。同样，国标GBT17951.2半工艺冷轧无取向电工钢带(片)是综合修改采用IEC6040482和IEC6040483标准，即合金和非合金两个标准制定而成。目前我国电工钢测试方法标准共有6个，基本上与IEC、欧共体相同，但没有几何特性测试方法标准，而是将几何测试方法放到产品标准中规定。目前，我国冷轧取向、无取向电工钢生产执行的国家标准为：GBT 2521-1996(冷轧晶粒取向、无取向磁性钢带(片)和GBT 17951.2半工艺冷轧无取向电工钢带(片)。热轧硅钢执行GBT 5212-1985电工用热轧硅钢薄钢板。晶粒取向硅钢薄带执行行业标准YBT5224-1993(晶粒取向硅钢薄带。GBT 2521标准由武钢集团公司起草 ，非等效采用国际标准IEC 40487(1988)晶粒取向磁性钢板(带)技术条件和IEC 40484冷轧无取向磁性钢板(带)技术条件。GB/T 2521标准规定了晶粒取向、无取向磁性钢带(片)的牌号、磁特性、尺寸、外形、力学性能、工艺性能和检验方法等。GBT 2521标准适用于磁路结构中使用的、带有绝缘涂层的全工艺冷轧取向、无取向磁性钢带(片)。我国电工钢测试方法标准为：GBT 36552000T钢片(带)磁、电和物理性能测量方法GBT 137891992单片电工钢片(带)磁性能测量方法GBT 10129一I988电工钢片(带)中频磁性能测量方法GBT 2522一I988电工钢片(带)层问电阻、涂层附着性、叠装系数测试方法1.2.3.2 国外电工钢执行情况据资料介绍，国外主要工业化国家的电工钢标准基本上是按国际电工委员会(IEC)的标准制定的 IEC标准是由英国制定的。所以IEC、欧洲EN(英BS、法NF、德DIN)标准同属一个标准体系，并且在技术上等同 其一般产品标准分为：全工艺标准、半工艺标准和薄带标准。全工艺标准又分为：取向钢标准和无取向钢标准。半工艺标准又按照合金含量分为：合金钢标准和非合金钢标准。测试方法标准分为：磁性能测试和工艺技术参数测试，磁性能测试按测试频率分为：工频测试和中频测试，工频测试又分为多片和单片测试 对于工艺技术参数的测试，将其几何尺寸的测试单独制定成一个标准。日本电工钢的标准，从产品标准到测试方法标准基本上都采用了IEC的标准,但标准体系又不同于IEC。没有半工艺标准，只有全工艺标准。但全工艺标准是按取向和无取向分开制定的，除了全工艺型产品标准外，还有一个磁极用标准。对于测试方法标准，只有两个标准，除单片测试方法外将多片磁性能测试、几何特性测试和工艺技术性能测试都纳入一个标准中，更有利于应用美国ASTM 电工钢的标准自成体系，没有采用IEC的标准。其标准数量最多，不但有米制标准还有英制标准，对于全工艺型取向产品标准来讲。按照硅含量的不同而分成两个标准。半工艺型产品标准基本上和IEC标准相同，也分合金和非合金两个。对于测试方法标准来讲，其标准非常繁多5。1.2.4 电工钢的发展史电工钢的发展已有百年历史。自1903年美国哈德菲尔德(RAHadfield)取得电工钢专利使用权，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(18821955年)1886年美国Westinghouse电器公司首先用杂质含量约为0.4的热轧低碳钢板制成变压器叠片铁芯。1902年德国古姆利奇(EGumlich)研究指出。加硅使铁的电阻率明显增高，涡流损耗和磁滞损耗降低，磁导率增高，磁时效现象减轻。据此研究，德国、美国和英国开始大规模地生产热轧硅钢板 各国学者也纷纷对硅钢力学性能、杂质和晶粒尺寸等因素进行了研究。使得电工钢的轧制、热处理以及电机、变压器设计方法不断改进。到20世纪五十年代，热轧硅钢的工艺逐渐成熟。这一阶段主要是考虑降低碳含量和提高硅含量来提高磁性，减轻磁时效，进一步降低铁损和改进绝缘膜，以改进产品质量。（2） 冷轧电工钢发展阶段(19301967年)此阶段主要是冷轧普通取向硅钢(GO)板的发展阶段。1934年美国的高斯(Goss)发明了取向电工钢片生产方法的专利，它是高斯在Armoo公司一次热轧事故中发现的：由于热轧事故，铸坯在炉内时间延长，板坯温度上升，结果发现这批料的磁性好且稳定。高斯将晶粒取向硅钢沿其轧向001方向使用。较热轧无取向硅钢磁性能提高30以上，铁损降低一倍，变压器的重量减轻5。同年美国的Armoe钢铁公司与Westinghouse公司合作利用此专利开始了冷轧取向硅钢的生产。19461960年间，Dunn等详细研究了不同位向的3Si-Fe单晶体的冷轧和退火织构，并提出3Si-Fe多晶体中(110)001织构形成的定向生核和择优长大机理，即晶界能作为驱动力的二次再结晶理论。随后的二十年里，随着冷轧、退火和后序工艺的不断改进和各国学者对取向硅钢二次再结晶不断研究和探索。使得普通取向硅钢的产量和性能均有了较大的提高，1957年前西德Assmus等人利用多次冷轧和退火的方法制造出了具有(100)001方织构的3Si双取向硅钢薄带。其特点是沿轧向和横向的磁性能都高，4方向为1l0方向，磁性能低。双取向硅钢在制作变压器时不需气拼接，可使铁损进一步降低。取向硅钢的发展与涂层技术的发展紧密相关最初生产取向硅钢片时，硅钢片表面只涂一层清漆，后来又发展到涂有机绝缘漆在研究开发冷轧取向硅钢的同时，美国的Armco公司从20世纪40年代初开始了无取向电工钢的生产。新日铁公司也于1958年开始生产冷轧无取向电工钢。无取向电工钢的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。20世纪50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50以下，故无取向电工钢磁时效明显减轻，磁性大幅度提高。从1978年，新日铁公司和川崎公司采用顶底吹转炉和三次脱硫工艺来冶炼纯净钢水以后，陆续生产出H8(RM8)、H7(RM7)、高牌号3Si及H6(RM6)最高牌号无取向电工钢。（3）高磁感取向电工钢发展阶段(1961至今)在取向硅钢的生产开发中，具有划时代意义的是高磁感取向电工钢(Hi-B)的生产。20世纪六十年代，日本新日铁公司在引进美国Armco公司专利的基础上。田中悟等人对晶粒长大抑制剂、轧制、热处理工艺和玻璃涂层等进行深入研究之后，证明以AlN+MnS为主要抑制剂和一次大压下率冷轧的工艺可以生产出更高磁性能的取向硅钢，即Hi-B钢。Hi-B钢生产的核心为AlN的控制，包括冶炼成分和热轧板退火条件的控制。特点是：以AlN+MnS作为有利的夹杂来抑制初次晶粒的长大，以85的大压下率形成再结晶的织构。在高磁感取向硅钢的发展过程中,新日铁申请了一系列的专利。新日铁的Hi-B专利先后卖给美国Armco(1971年)、前西德Thyssen(1972年)、中国武钢、比利时Co.ckefiH和法国Chatillon(1974年1及英国BSC(1975年)等钢铁公司。1979年新日铁开始生产0.27mm厚Z6H高牌号Hi-B钢。1987年川崎公司采用等离子喷射细化磁畴法生产同样的RGHPJ产品。1988年新日铁采用齿状辊加工法制成耐热的细化磁畴ZDMH牌号产品。1992年川崎公司采用化学浸蚀形成沟槽法制成同样的耐热细化磁畴RGHHPDR牌号。1987年新日铁和川崎制成0.18mm厚Hi-B钢产品。自1968年到1983年期间，0.23mm厚细化磁畴Hi-B钢产品比0.3mm厚GO钢产品铁损P17降低约30。其主要原因是：(1)Hi-B的取向度比GO钢高，磁滞损耗Ph明显降低。0.3mm厚Hi-B钢比0.3ram厚GO钢的Ph降低约12：(2)产品厚度按以下顺序逐渐减薄：0.350.300.270.23mm,并将硅含量提高到上限(3.33.4Si)，涡流损耗明显降低，0.23ram厚Hi-B钢比0.3mm厚Hi-B钢的Ph降低约14；(4)采用细化磁畴技术降低反常涡流损耗Pe，这使板厚相同的Hi-B钢Pt降低约10。电工钢的发展历史实际上是取向硅钢铁损逐步降低的历史。从热轧硅钢到取向硅钢，再到以Hi-B及RGH为代表的超晶粒取向硅钢，铁损逐年降低。到目前为止，GO 的铁损Pt已降到1.10Wkg以下，最佳厚度为0.23mm：由于薄规格产品变压器制造过程中叠片成本高，且磁感低时，变压器尺寸的减小有限。因此进一步减薄板厚的研究不是主要方向，主要是研究降低铁损的方法。通过机械刻痕、激光刻痕、快速加热等降低铁损的技术进步，Hi-B钢最低铁损已降到0.7Wkg以下，最高磁感B800达到1.94T以上。广烟和川崎均做出了磁感B800为20T的试验样品。Hi-B的发展趋势将是磁感更高B8002.0T， 铁损以下，因此，进一步提高磁畴控制水平开发细化磁畴、张力涂层 表面平滑化(镜面化)、三次再结晶等工艺技术的研究和应用得到进一步的发展，日本采用磁畴控制，现铁损分别已达到0.32Wkg和0.18Wkg61.2.5 电工钢的性能要求1.2.5.1 磁性能电工钢是以其铁损和磁感应强度作为产品磁性保证值的。用户对电工钢的磁性能要求是：(1) 低的铁损。所谓铁损是指当磁感应强度随时间按正弦规律变化，其峰值为某一标定值。变化频率为某一标定频率时。单位质量的铁芯在温度20时所消耗的功率定为标准比总铁损(简称标准铁损或铁损)，单位为Wkg。铁损(Pt)是由磁滞损耗(Ph)、涡流损耗(Pe)和反常损耗(Pa)三部分组成的。铁损低可节省大量电力，延长电机和变压器工作时间并简化冷却装置。因电工钢的铁损造成的电量损失占一个国家年发电量的2.54.5 ，其中变压器约占50，小电机占30，镇流器占15。因此，各国生产电工钢板总是千方百计地降低铁损并以铁损作为考核产品磁性能的最重要的指标。按铁损值作为划分牌号的依据。由于变压器铁芯设计选用的最大工作磁感(B)为1.71.8，频率为50(或60)Hz，所以冷轧取向硅钢板规定的铁损保证值一般为。电机中定子铁芯轭部设计B值约为1.5T频率为50(或60)Hz。所以冷轧无取向电工钢板的铁损保证值一般为。(2) 高的磁感应强度。所谓磁感应强度是指温度为20，铁芯试样从退磁状态，在标定频率下磁感应强度按正弦规律变化。当交流磁场的峰值达到某一标定值时。铁芯试样磁感的峰值为标准磁感应强度(简称磁感应强度或磁感)，单位为T。取向硅钢沿轧向的磁化曲线很陡，其弯曲点明显提高，选用的设计Bm高达1.71.8T。比无取向硅钢纵横向平均B值高30以上，制成的压器铁芯体积和重量也相应减少30以上。电机设计B 约为1.5T，接近于冷轧无取向电工钢值，因此以B如作为保证值。磁感应强度高，铁芯激磁电流(空载电流)降低，导线电阻引起的铜损和铁芯铁损降低，可节省电能。当电机或变压器容量不变时，磁感应强度高可使铁芯体积缩小和质量减轻。节省电工钢板、导线等的用量，并使铁芯铁损和制造成本降低，有利于制造、安装和运输。(3) 对磁各向异性的要求。铁磁性材料沿不同方向的磁性不相同称为磁各向异性。磁各向异性可分为磁晶各向异性、应力各向异性、形状各向异性、感生各向异性和交换各向异性。硅钢是体心立方晶体结构，其晶轴不同，磁化特性也不同。三个主轴方向的磁性。100方向为易磁化轴，110方向为次易化轴，111方向为难磁化轴。这种磁化特性称为磁各向异性。电工钢的用途不同，要求磁各向异性不同。电机是在运转状态下工作，铁芯是用带齿圆形冲片叠成的定子和转子组成，要求电工钢板为磁各向同性。因此用无取向冷轧电工钢或热轧硅钢制造。一般要求纵横向铁损差值8、磁感差值10变压器是在静止状态下工作。大中型变压器铁芯是用条片叠成。一些配电变压器、电流和电压互感器以及脉冲变压器等用卷绕铁芯制造。这样可保证沿电工钢板轧制方向下料和磁化，因此都用冷轧取向硅钢制造。一些小型变压器铁芯用El型等冲片叠成，只能保证冲片轭部沿轧向磁化，除用取向硅钢制造外，也常用无取向电工钢制造。大型汽轮发电机定子铁芯也可用取向硅钢板冲成扇形片并搭叠成圆形铁芯。使扇形片轭部平行于钢板轧向，齿部垂直于轧向。(4) 磁时效小。铁芯的磁性随使用时间的变化的现象叫磁时效。磁时效主要是由于过饱和碳和氮析出微小碳化物和氮化物而引起的。所以要求电工钢产品中碳含量(质量分数)和氮含量(质量分数)分别小于0.0035和0.005。1.2.5.2 加工性能由于电工钢还需要进一步加工成形。用户对电工钢的加工性能也有一定的要求：(1)好的冲片性。电工钢成形的冲剪工作量很大。特别是微、小电机，所以要求电工钢板的片性好。冲片性好能够提高冲剪片的尺寸精度，延长冲剪工具的使用寿命。(2)表面光滑平整，厚度偏差小和均匀。这项要求主要是为了提高产品的叠片系数(铁芯有效利用)空间，保证冲剪片尺寸精度和便于铁芯装配。电工钢板的叠片系数降低1，相当于铁损增高2和磁感应强度降低l。1.2.5.3 绝缘性能冷轧电工钢产品表面涂有无机盐或半有机盐绝缘薄膜，以防止铁 叠片间发生短路而增高涡流损耗。对绝缘膜的要求是：(1)耐热性好；(2)膜薄且均匀；(3)层间电阻高；(4)附着性好；(5)冲片性好；(6)耐腐蚀性和防锈性好。高磁感取向硅钢表面涂以应力涂层。使钢板中产生拉应力，通过细化磁畴使铁损和磁致伸缩明显降低不同用途的电工钢，对磁性、冲片性和绝缘性有不同的要求。不同的最终加工成形方法，对磁性和加工性有不同的影响。冷轧电工钢比热轧电工钢具有如下优点：(1)磁性高，可节省大量电能；(2)表面光滑。叠片系数高；(3)冲片性好；(4)表面涂绝缘膜，便于使用；(5)成卷供应，适用于高速冲床、利用率高。1.2.6 影响电工钢性能的因素磁感应强度和铁损是电工钢磁性的根本特性。1.2.6.1 影响磁感应强度的因素影响磁感应强度的因素有：(1)无取向电工钢的磁感应强度主要与硅含量和晶体织构有关。硅含量提高，磁感应强度B50值降低。无取向电工钢基本为混乱织构，但调整成分和改善制造工艺，可使织构中(100)和(110)位向组分加强，(111)组分减弱，B50值提高。钢中杂质和夹杂物含量增高，以及成品晶粒尺寸增大，也使B50值降低。(2)冷轧取向硅钢的硅含量(质量分数)基本不变(在2.93.5Si的范围内变化)，所以磁感应强度只随(1l0)001晶粒取向度提高或(110)001位向偏离角减小而增高。1.2.6.2 影响铁损的因素影响铁损P的因素多且复杂，因为影响组成Pt的磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe和反常损耗Pa的因素各不相同，而且其中一些因素对这三种铁损组分具有完全相反的影响，只能最终看表现在Pt值上的综合效果。无取向电工钢铁损P