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薄带连铸生产高性能硅钢的研发进展

薄带连铸作为当今世界上薄带钢生产的前沿?#38469;酰?#19981;经厚板坯连铸、加热和热轧等生产工序,由液态钢水直接生产出厚度为1-5mm的薄带坯。同传统的薄带生产流程相比,可节约设备投资约80%,降低生产成本30%-40%,能源消耗仅为传统热连轧生产流程的1/8。更重要的是其独有的亚快速凝固过程,在获得某些特殊性能方面具有独特优势,是实现高性能钢材短流程生产的重要途径。而针对硅钢薄带连铸的研究目前还不深入,这为我国开展薄带连铸硅钢的研究和引领世界硅钢生产?#38469;?#24102;来了重要的历史机遇。

     东北大学轧制?#38469;?#21450;连轧自动化国家重点实验室(RAL)一直把双辊薄带连铸?#38469;?#20316;为一个前瞻性、储备性和战略性课题进行研究。针对双辊薄带连铸过程中存在的关键问题,重点研究了如何发挥薄带连铸亚快速凝固特性和近终形成形过程特点,生产一些常规流程无法生产或者生产?#35759;?#36739;大的产品,并赋予产品以常规流程无法得到的特殊性能,从而为实现高性能钢铁材料的减量化生产提供了重要支撑。

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薄带连铸?#38469;?#24212;用于硅钢生产的优势

       与传统厚板坯热轧流程相比,薄带连铸?#38469;?#38500;了流程紧凑、工序缩短、节能降耗等短流程优势外,其亚快速冷却过程在微观组织和织构控制上也具有独特优越性,将薄带连铸?#38469;?#24212;用于硅钢生产具有无可比拟的优势:

      1)双辊薄带连铸凝固组织和织构的可控性。在研究体心立方结构的金属材料(铁素体不锈钢和硅钢均为此种结构)时发现,通过控制凝固的工艺条件,可以获得不同的结晶组织,凝固组织具有极强的控制柔性。利用这一特点,可以依据NGO和GO的织构控制要求,控制浇铸工艺,得?#36739;?#35201;的初始凝固组织和织构,有利于提高材料的磁性能。

      2)双辊薄带连铸直接由钢水凝固制备带坯,采用固有抑制剂法生产取向硅钢时无需高温加热,避免了常规流程高温加热的瓶颈问题,更不需要后期渗氮处理。

      3)薄带连铸为亚快速凝固过程,冷却速度高达103℃/s以上,通过铸后冷却过程与后续的常化工艺配合,可以灵活控制材料的晶粒尺寸和析出物尺寸,对于增强硅钢有利织构、提高材料的磁性能具有重要意义。

      4)取消了传统流程大压缩?#28909;?#36711;过程,抑制了NGO硅钢有害的析出物和不利的γ-织构的产生,避免了GO硅钢中AlN的过早析出粗化现象,可以在单?#26469;?#28909;轧甚至无热轧条件下生成位向准确和数量足够的高斯晶核。

      5)薄带连铸提供了获得薄规格铸坯的可能性。通过减薄铸带厚度和优化组织织构控制,可以提高NGO硅钢中有利织构的比例,保证成品GO硅钢中抑制剂及高斯晶核数量、密度和均匀性,有望开发(超)薄规格硅钢,极大地降低铁损,进一步提高磁性能。

      综上所述,可以看出采用薄带连铸?#38469;?#29983;产硅钢极具发展潜力。在认真分析目前国际上最先进硅钢生产?#38469;?#30340;成分设计、组织与织构控制原理?#32422;?#23384;在的工艺?#38469;?#38590;题的基础上,结合薄带连铸亚快速凝固、短流程的特征优势,RAL从2008年开始,以国家自然科学基金钢铁研究联合基金重点项目为依托,开展了基于双辊薄带连铸的硅钢制造理论研究,并形成了系统的工艺和装备?#38469;酰?#26088;在突破目前国际上现有硅钢生产流程的限制,彻底解决其存在的问题,开发出易控制、高效率、?#32479;?#26412;、低消耗的绿色化短流程生产?#38469;酰?#25552;供高性能、绿色化的硅钢产品,为硅钢生产开辟一条由中国领跑的特色化、绿色化创新发展道路。

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薄带连铸高?#20998;?#30789;钢生产工艺的研发成果

      目前,RAL正与我国钢铁企业密切合作开展薄带连铸GO、NGO、高硅钢产业化?#38469;?#30740;究。通过在实验室条件下,系统开展薄带连铸硅钢“化学成分—工艺—组织性能”演变及控制?#38469;?#30740;究,开发出薄带连铸关键单体设备和核?#30446;?#21046;系统,形成了具有我国自主知识产权的薄带连铸高?#20998;?#30789;钢?#21830;?#24037;艺与装备?#38469;酰?#20026;在国际?#19979;?#20808;实现薄带连铸硅钢的工业化生产提供了重要支撑。薄带铸轧?#38469;?#26368;本质的问题是,利用铸坯成型过程不同的凝固冷却速率,产生凝固组织的差异,并对其进行?#34892;?#25511;制,其特点为亚快速凝固。

  1)解决了制约薄带连铸产业化发展的一些瓶颈问题,如研发出新型?#32479;?#26412;—长寿命—高换热效率铸辊、?#32479;?#26412;—长寿命侧封板材料等。完成了关键装备的研制和控制系统的开发,实现了自主集成创新,具备了提供薄带连铸工业化产线?#21830;?#35013;备设计及系统?#38469;?#30340;能力。

      2)形成了薄带连铸高性能无取向硅钢的全流程系统工艺?#38469;酰?#25104;功制备出高磁感、高牌号无取向硅钢原型产品,磁感指标B50优于国内外现有产品0.03T以上。提供了一条无需加热、无需常化处理、无需两步冷轧和中间退火的短流程、低?#35759;取⒌统?#26412;制造高效无取向硅钢的全新工艺流程,为无取向硅钢薄带连铸产业化生产提供了?#38469;?#21407;型。

      3)形成了薄带连铸高性能取向硅钢的全流程系统工艺?#38469;酰?#25104;功制备出0.27mm厚的普通取向硅钢,磁感指标B8达到1.85T,与国内外现有普通取向硅钢(CGO)产品相当;成功制备出0.23mm厚的高磁感取向硅钢,B8达到1.94T,优于国内外现有HiB产品。提供了一条无需高温加热、无需渗氮处理的短流程、低?#35759;取⒌统?#26412;制造取向硅钢的全新工艺流程,为取向硅钢薄带连铸产业化生产提供了?#38469;?#21407;型。

      4)形成了基于超低碳成分设计制造取向硅钢的全流程系统工艺,成功制备出0.18-0.27mm厚的高磁感取向硅钢,B8达到1.94T,优于国内外现有HiB产品。提供了一条无需高温加热、无需脱碳、无需渗氮处理的短流程、低?#35759;取⒌统?#26412;制造取向硅钢的全新工艺流程,为取向硅钢薄带连铸产业化生产提供了?#38469;?#21407;型。

      5)形成了基于超低碳成分设计制造高硅取向硅钢的全流程系统工艺?#38469;酰?#25104;功制备出0.18-0.23mm厚的4.5%Si、6.5%Si取向硅钢,B8分别达到1.78T和1.74T,显著优于国外产品。提供了一条利用温轧、冷轧?#38469;酰?#26080;需高温加热、无需脱碳、无需渗氮处理的短流程、低?#35759;取⒌统?#26412;制造4.5%Si、6.5%Si取向硅钢的全新工艺流程,为高硅取向硅钢薄带连铸产业化生产提供了?#38469;?#21407;型。

      东大通过多年的研究发现,该工艺具有灵活的控制手?#25105;?#29983;产不同?#20998;?#30340;硅钢,从而可得到不同?#20998;?#25152;需的组织、织构、抑制剂等,可为硅钢生产提供优质热轧卷。他们还特别强调该工艺用来生产硅钢热轧卷,具有得天独厚、不可取代的优势。而且该工艺又是节能、减排、?#32479;?#26412;的短流程工艺,大大节约了固定资产投入和厂房面积,被视为?#28304;?#32479;硅钢生产?#38469;?#30340;重大挑战。

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无取向硅钢的开发

      其提供的无取向钢薄带连轧?#38469;?#21407;型为:形成了基于薄带连铸的全流程系统工艺?#38469;酰?#25104;功制备出高磁感、高牌号无取向硅钢,磁感指标B50优于国内外现有产品0.03-0.04T以上。提供了一条原料更薄、无需常化处理、无需两步冷轧和中间退火的短流程、低?#35759;取⒌统?#26412;制造高效无取向硅钢的全新工艺流程,为无取向硅钢薄带连铸产业化生产提供了?#38469;?#21407;型。

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常规取向硅钢的开发

     利用钢水不同过热度控制铸带的金相组织与织构。在不同凝固条件下,采用不同抑制剂,对初次再结晶晶粒大小的影响与控制,以获得促进二次再结晶形成更大的驱动力。

4.1 取向硅钢的开发

      E2Strip为制备取向硅钢提供了一条无需高温加热、无需渗氮处理的短流程、?#32479;?#26412;制造取向硅钢的全新生产工艺,为产业化生产提供了?#38469;?#21407;型。

目前,我国东北大学已在实验?#39029;?#21151;制备出0.27mm厚度的普通取向硅钢,磁感指标B800达到1.85T,与国内外现有CGO产品性能相当;成功制备出0.23mm厚度的高磁感取向硅钢,B800达到1.94T,优于国内外现有HiB产品。

4.2 超低碳取向硅钢的开发

      形成了基于超低碳成分设计的全流程系统工艺?#38469;酢狤2Strip(如图2),该工艺流程如实现,意义将十分重大,在后工序大大简化了工艺,出现了一个后工序短流程的全新工艺,此工艺与前工序薄带铸轧工艺组合,真正实现了取向硅钢生产工艺流程?#31995;?#31532;四次革命。


取向硅钢生产面临的两大难题

      取向硅钢生产为达到高质、高效、节能、减排,在流程革命中面临着两大难题:一是在前工序利用薄带铸轧直接生产热轧带?#27426;?#26159;后工序利用连续退火完成再结晶与钢质净化。

5.1 节能降耗

      分析取向硅钢生产工艺流程的变化,影响生产效率与成本的两大?#26041;冢?#19968;个是前工序由钢水→热轧卷,二是由后工序冷轧后,经脱碳退火涂MgO隔离层后,进入高温退火炉,如?#36136;?#28809;,装炉量24t,则需时间85h以上;若环形炉视装入炉中的钢卷数而定,目前,有的厂炉子直径60m,装120个卷,卷重在16t左右,则需要150h以上,简单的概念就是整个退火周期需要一个星期。前工序采用薄带铸轧,不仅缩短流程,而且大幅度节能,后工序真正影响时间与能耗的关键工序,就是钢卷在炉中处理的时间,从不同工艺生产的坯料,在全流程主要工序排放的温室气体,可推算出对应的能耗(见表3)。

5.2 退火工艺

      要想提高效率,最好的办法是开发用连续退火的方法,取代?#36136;?#28809;退火或环形炉退火,这方面国外已进行多年的探索,国内还没有开展研究。关键难点在于,一是二次再结晶从发生到完成所需的时间与温度,二是抑制剂分解完成自身任务后,遗留下来的N、S等元素如何消除,即净化需要高温与较长的时间。因此,研究的方向是,采用何种抑制剂或利用其他能量来作为二次再结晶的驱动力。国内亦有人对现有工艺的产?#26041;?#34892;缩短二次再结晶的试验,但是他们所采用的试验工艺线路模仿现场,所需时间均超过1h,或板温超过1100℃,这就导致无法实现连续退火。

      新日铁公司曾以AlN作抑制剂,进行过高温连续炉试验,不涂MgO,表面无底层,二次再结晶基本完成,但仍残留更多的初次晶粒孤岛,加上时间短,不易净化除去N,因而磁性低,再说板温高于1000℃,成本高,如钢带运行速度为50m/min,时间15min则炉长750m,?#21248;?#24037;业化生产是不可能的。JFE公司采用不涂覆退火隔离剂生产取向钢的新方法,要点是板坯加热到1250℃热轧,热轧板坯经800-1100℃退火处理,再经二次冷轧工艺,在二次冷轧之间加中间脱碳(或不脱碳)退火,目的是首次再结晶处理,首次再结晶处理后,在700-1000℃进行二次再结晶退火处理,但退火时间必须在5h以上,随后不采用退火隔离剂进行连续最终退火,处理温度在1100℃以上,退火时间在10min以内获得优良磁性,退火气氛可用H2、Ar等,最终得到产品厚度0.20mm,其铁损P17/50在0.584-0.648W/kg。

       采用不加抑制剂生产取向钢对采用连续高温退火更有利,因为不需要高温净化退火,最终退火温度可降低到1050-1100℃。采用二次冷轧法,最终产品磁感B8=1.80-1.82T,铁损P17/50=1.25W/kg(0.23mm),1.35-1.40W/kg(0.30mm),适?#29616;?#36896;小变压器和磁屏蔽。

      意大利Terni公司提出,以AlN+渗氮方案,即?#21644;?#30899;退火和900-1000℃渗氮后→在连续炉PH2O/PH2<0.01干的N2+H2气氛下0.30mm,1100℃保温15min,0.23mm保温1min40s,进行二次再结晶退火+涂MgO→进?#36136;?#28809;1200℃净化约10h,最终产品0.23mm,B8=1.91T,P17/50=0.9W/kg,其所以能在连续炉完成二次再结晶主要理由是:由于高温渗氮处理直接形成AlN,加强抑制力,阻碍初次晶粒长大,所以不影响织构形成。

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薄带铸轧?#38469;?#36830;续生产无取向硅钢的可行性

6.1 难点

      以东大提供的薄带连轧?#38469;?#20026;原型,开始无取向硅钢全过程连续化工业生产的探索。

      难点:1)要求热轧带有良好的板型;2)不影响冷轧产品的表面质量;3)进入冷轧机前,热轧卷无边裂;4)冷轧机与热轧带生产间的能力平衡(涉及轧机配置架数);5)冷轧机出口速度与连续退火间的能力平衡;6)万一某工序出现故障,会影响全线,特别对炼钢和浇注影响更大。

6.2 目前常规无取向热轧卷已实现的可连续化生产工序及?#20998;?/span>

      1)热轧带(2.0-2.5mm)→酸?#30784;?#20919;连轧→卷取;

      2)中?#22242;?#21495;50W470以下正常生产效率很高;

      3)宝钢2015年已成功?#30431;?#27927;冷连机生产50W270高牌号无取向硅钢。

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建议

      就冷轧硅钢制造业来说,今后创新的方向肯定是要进一步缩短工艺流程,因而东北大学E2Strip颠覆性的硅钢生产?#38469;?#31526;合“十三五”规划要求,理应成为首选,为此建议如下。

7.1 促进东大?#38469;?#20135;业化的试验工作

      1)通过产业化、大批量试验,进一步确认磁性与钢带外观质量(如厚度差、表面、板型、边裂等);

      2)进一步明确为适应铸轧薄带后工序相对应采取的工艺与设备,必须建设更有针对性的冷轧厂;

      3)通过工业化试验确认薄带铸轧工艺设备的可靠性和稳定性(特别是三大件如:侧封板、布流板、结晶辊的使用寿命和更换周期)。

7.2 宝武集团青山基地最有条件采用本?#38469;?#29983;产硅钢

      就目前各冷轧硅钢生产企业来说,最有条件建产业化生产线的企业是中国最?#31995;?#20919;轧硅钢生产企业——原武钢,原因是原武钢有4个冷轧硅钢厂,2016年公?#23601;?#27490;了一硅钢厂生产。由于武钢在2016年硅钢总产量大幅下调,因此,二炼钢厂部分炼钢炉将停产。如在二炼钢厂现有车间,拆除一条厚板坯连铸生产线,新建东北大学的薄带连续铸轧产线(带两台卷取机),可形成年产40万吨1.5-2.0mm×1250mm×L的、全新?#38469;?#30340;硅钢前工序生产线。二炼钢厂与一硅钢厂结合,将成为世界上首条大型薄带铸轧硅钢生产线,若取得成功,原武钢的硅钢生产将彻底改变面貌,或将成为世界上首座高?#20998;省?#39640;效率、低能耗、?#32479;?#26412;、?#22242;?#25918;的硅钢生产企业。

7.3 以开发极薄带优势进一步优化磁性,有可能与非晶带竞争

      东大开发的极薄带(0.08mm)取得令人十?#20013;老?#30340;结果,其指标有可能与非晶带竞争。利用薄带铸轧的优势,后续专门建设了一座极薄带生产厂(厚度?#27573;?#22312;0.02-0.10mm)含分条、酸?#30784;?#36711;制、热处理与涂层等主要工序。

7.4 支持具有创新精神的民营企业进入

      2016年5月,东北大学与河?#26412;?#19994;集团正式签订E2strip薄带铸轧生产硅钢?#38469;?#36716;让合同,合同内容包括:硅钢?#20998;幀?#20135;能、?#21830;?#35774;备及工艺?#38469;酢?#21512;同分两期,第一期主要实现生产硅钢不同?#20998;?#30340;热轧卷,工期限定在2017年底完成。该工艺如达到预定目标,将是中国硅钢生产工艺流程的一场革命。




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