電工鋼是各種電器元件最重要的金屬功能材料。取向電工鋼是各類變壓器、鎮(zhèn)流器、放大器、穩(wěn)壓器、繼電器、整流器、電磁開關(guān)等定向磁場電器產(chǎn)品制作鐵芯的核心材料。利用Goss取向晶粒在軋向上優(yōu)異的磁化性能，取向電工鋼主要應(yīng)用于制作定向磁場的鐵芯，以降低磁致?lián)p耗并大幅度提高磁感水平。取向電工鋼，尤其是高磁感取向電工鋼，是制造大型變壓器、發(fā)電機(jī)和電動機(jī)鐵芯不可或缺的材料，具有節(jié)能并大幅度減小體積和質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)，可滿足大型核電站、水電站和火電站的需要。近年來，中國發(fā)電量較大幅度的增長和制造業(yè)的興起，帶動了取向電工鋼的強(qiáng)勁需求，為中國研究、生產(chǎn)和開發(fā)取向電工鋼帶來了良好的發(fā)展機(jī)遇。

本文將圍繞取向電工鋼的生產(chǎn)和開發(fā)，著重闡述其生產(chǎn)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)以及取向電工鋼的生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。

1、取向電工鋼的發(fā)展概述

1934年美國的高斯(Goss)發(fā)表了取向電工鋼片的生產(chǎn)方法的專利，這種方法的主要特點(diǎn)是采用MnS作為抑制劑，利用二次冷軋法。這種方法的難點(diǎn)是必須采取鑄坯的高溫加熱工藝，這是Armco公司在一次熱軋事故中發(fā)現(xiàn)的。由于熱軋事故，鑄坯在爐內(nèi)時間延長，板坯溫度上升，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這批料的磁性好且穩(wěn)定�？梢哉f，Goss取向電工鋼的生產(chǎn)方法是由經(jīng)驗(yàn)與努力而得來的技術(shù)訣竅。

在取向電工鋼的生產(chǎn)開發(fā)中，具有劃時代意義的是高磁感取向電工鋼(Hi-B)的生產(chǎn)。在Hi-B的研究開發(fā)中，必須提及東京大學(xué)宇航研究所的本多光太郎教授與新日鐵公司的田口悟與坂倉昭研究員，他們經(jīng)過近6000塊熱軋板的各種試驗(yàn)而摸索出的一次冷軋法生產(chǎn)Hi-B鋼，先后花了16a的時間。雖然新日鐵公司1958年從美國的Armco公司引進(jìn)了取向電工鋼的生產(chǎn)專利，但他們還是潛心地研究取向電工鋼的一次冷軋法。Hi-B鋼生產(chǎn)的核心是AIN的控制，包括冶煉成分和熱軋板退火條件的控制。

2、取向電工鋼的現(xiàn)行生產(chǎn)工藝

冷軋取向電工鋼生產(chǎn)的首要目標(biāo)是保證產(chǎn)品的質(zhì)量，獲得符合質(zhì)量要求和技術(shù)要求的產(chǎn)品。電工鋼生產(chǎn)的另一任務(wù)是努力提高產(chǎn)量，這一任務(wù)的完成不僅取決于生產(chǎn)工藝過程的合理性，而且取決于時間和設(shè)備是否充分利用及操作者的技術(shù)素質(zhì)。此外，在提高產(chǎn)量和質(zhì)量的同時，還要努力降低成本。

取向電工鋼的生產(chǎn)組織包括原材料的組織與準(zhǔn)備，設(shè)備的使用與維護(hù)以及技術(shù)規(guī)程的制定。各種冷軋取向電工鋼根據(jù)用途的不同，其生產(chǎn)工藝和操作方法也不同。下面主要就國內(nèi)外冷軋取向電工鋼的現(xiàn)行生產(chǎn)工藝進(jìn)行簡要介紹。

冷軋取向電工鋼的生產(chǎn)包括一次冷軋法和二次冷軋法。二次冷軋法一般用于生產(chǎn)一般牌號的取向電工鋼，它是由熱軋帶鋼冷軋至中間厚度并進(jìn)行退火，然后經(jīng)過二次冷軋成最終厚度后進(jìn)行最終退火等工藝組成。其基本特點(diǎn)之一是以MnS或MnSe作為有利夾雜來抑制初次晶粒的長大;其基本特點(diǎn)之二是采用中等壓下率的冷軋來形成形變織構(gòu)(111)[112]。一次冷軋法是用于生產(chǎn)高磁感取向電工鋼的方法。它是將熱軋帶鋼通過�；�處理后一次冷軋至成品厚度，然后進(jìn)行脫碳退火。其生產(chǎn)特點(diǎn)是：①以AlN+MnS(以AlN為主)作為有利夾雜來抑制初次晶粒的長大，促進(jìn)(110)[001]晶粒長大;②以85%的大壓下率形成再結(jié)晶的(110)[001]的冷軋形變織構(gòu)。

2.1、取向電工鋼的生產(chǎn)工藝流程

一般取向電工鋼的生產(chǎn)工藝流程參見原創(chuàng)圖1所示。新日鐵、川崎(現(xiàn)在為JFE公司)生產(chǎn)Hi-B鋼的工藝流程參見原創(chuàng)表1。

2.2、取向電工鋼生產(chǎn)過程中的難點(diǎn)和重點(diǎn)

1)冶煉方面的難點(diǎn)之一為成分控制范圍窄。成分允許波動范圍比普通低碳鋼和冷軋薄板鋼的成分范圍窄得多，特別是板愈薄，成分范圍變得更窄，用一般的冶煉工藝設(shè)備和分析手段是難以達(dá)到的。成分的波動直接影響各個工藝過程和最終產(chǎn)品的性能。成分的控制主要是利用真空精煉裝置來進(jìn)行，這涉及合金的稱量和成分的快速和準(zhǔn)確分析等，減少成分的波動則涉及煉鋼和連鑄整個工藝過程，尤其是精煉和連鑄過程。

2)冶煉方面的難點(diǎn)之二是純凈度的控制。純凈度的控制不僅包括減少氧化物夾雜，還包括減少形成穩(wěn)定碳化物的元素NB、V、Ti和形成硫化物的元素Mg、Ca等，這些元素直接影響抑制劑的析出行為。這些元素主要隨廢鋼、鐵合金和耐火材料帶入鋼水，必須加強(qiáng)這些原輔料的采購和管理。

3)冶煉方面的難點(diǎn)之三是鑄坯的成分偏析和鑄坯裂紋。由于取向電工鋼含硫高和錳低，鑄坯容易產(chǎn)生內(nèi)裂與偏析。解決的方法是采用低過熱度澆鑄、進(jìn)行電磁攪拌和鑄坯輕壓下等措施，定期調(diào)節(jié)鑄機(jī)狀況，以減少由于硫高帶來的中心偏析與內(nèi)裂，降低柱狀晶比率。

4)熱軋工藝的難點(diǎn)為鑄坯的高溫加熱。為了使MnS和AlN等抑制劑尤其是MnS完全固溶，需將鑄坯在高溫下加熱并保溫一段時間，因而容易造成鑄坯的氧化燒損。新日鐵公司在高于300℃的鑄坯表面噴涂防氧化劑后再入爐加熱。川崎鋼鐵公司為防止高溫加熱形成晶界裂紋，改善產(chǎn)品表面質(zhì)量，在高于500℃的鑄坯表面噴涂MoO3或CaMoO4水溶液。有的廠家的做法是鑄坯在入爐前涂布防氧化的涂料。

5)冷軋工序的重點(diǎn)為高溫退火。對于一般取向電工鋼，為了取得好的(110)[001]晶粒取向，應(yīng)采用較慢的加熱速度，以保證位向好的(110)[001]晶粒優(yōu)先長大并發(fā)生二次再結(jié)晶。對于Hi-B鋼，必須控制好高溫退火工藝中各個階段的溫度和氣氛，以保證磁性和形成良好的底層。

2.3、取向電工鋼中的低溫加熱工藝

降低取向電工鋼板坯加熱溫度具有避免液渣形成、減少加熱爐的維修、得到更高的金屬收得率、防止板坯中部不希望的晶粒粗大化等優(yōu)點(diǎn)。近年來，人們在研究板坯低溫加熱時，為保證抑制劑強(qiáng)度而加入了除硫化錳以外的其他物質(zhì)，如氮化物和晶界析出元素等來強(qiáng)化抑制劑。

氮化鋁的固溶溫度比硫化錳的要低，則更適合實(shí)現(xiàn)低溫加熱。目前，工業(yè)上采用板坯低溫加熱工藝的生產(chǎn)方法是以氮化鋁為抑制劑，在二次再結(jié)晶開始前進(jìn)行滲氮處理，或者以氮化鋁為主抑制劑，以Cu2S和硫化錳為輔助抑制劑。其手段就是向鋼中滲氮，使之與鋼中原有的元素結(jié)合，形成有抑制劑功能的氮化鋁析出物。按氮化鋁方案可將板坯加熱溫度降到1150～1200℃，為獲得完整的二次再結(jié)晶組織、高磁性和好的玻璃膜，還須進(jìn)行相應(yīng)的成分調(diào)整和工藝改進(jìn)。新日鐵研究的Hi-B新工藝特點(diǎn)是：以氮化鋁為抑制劑，板坯加熱溫度降到1150～1250℃，脫碳退火后在含NH3的H2+N2氣氛中進(jìn)行滲氮處理，采用一次冷軋法可生產(chǎn)0.18～0.50mm厚的產(chǎn)品，且更易制成無玻璃膜的新產(chǎn)品。住友金屬提出以氮化鋁為抑制劑的低碳1.5%Mn-2.2%Si的取向電工鋼工藝來降低板坯加熱溫度。韓國浦項(xiàng)鋼鐵公司提出以氮化鋁為主抑制劑，Cu2S和硫化錳為輔助抑制劑，板坯在1250～1320℃加熱，生產(chǎn)一般取向電工鋼及高磁感取向電工鋼工藝。

3、取向電工鋼的工藝進(jìn)展和發(fā)展趨勢

3.1、取向電工鋼的工藝進(jìn)展

工業(yè)生產(chǎn)取向電工鋼一直采用鑄坯高溫加熱工藝，以保證獲得穩(wěn)定的高磁性，但缺點(diǎn)是氧化渣多，燒損量可達(dá)5%，成材率低;要經(jīng)常清理爐底，產(chǎn)量降低;燃料費(fèi)用高;爐子壽命短;制造成本高;產(chǎn)品表面缺陷多。多年來一直在試圖降低鑄坯的加熱溫度。目前主要有以下幾種方法：以Mn代Si、加Cu和滲氮等。高錳電工鋼用Mn代替部分Si以及添加微量Al作為抑制劑，可降低板坯加熱溫度、降低最終成品退火溫度和省略脫碳退火工序。1989年，日本住友金屬公司的屋鋪裕義等人提出了無碳的新型簡單加工的Si-Mn電工鋼，1995年前后新日鐵公司的吉富康成等人也研究了這種新型的Si-Mn鋼。近年來，日本一直在研究這種新型的鋼種。降低板坯加熱溫度的另一方法是向電工鋼中加Cu。Cu對取向電工鋼的性能的影響是多方面的，其中的重要作用之一是起輔助抑制劑的作用和降低板坯加熱溫度。降低板坯加熱溫度的第3種主要方法為脫碳退火后滲氮處理。新日鐵公司一直在開展此方面的研究工作。最近，意大利的Terni公司的Ste-fano Fortunati等提出了利用CSP(Compact Strip Production)工藝和滲氮法生產(chǎn)高磁感取向電工鋼的方法。

3.2、采用薄板坯連鑄連軋和薄帶鑄軋工藝生產(chǎn)取向電工鋼

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，尤其是中國經(jīng)濟(jì)的帶動，世界電工鋼的生產(chǎn)和消費(fèi)量連年增長。與此同時，為了降低電器產(chǎn)品和設(shè)備的成本，企業(yè)也越來越重視低成本、高性能新型電工鋼產(chǎn)品的開發(fā)和研究。國內(nèi)外已開始研究以薄板坯連鑄連軋短流程、低成本、高效率的方式發(fā)展取向電工鋼生產(chǎn)技術(shù)。薄板坯連鑄連軋技術(shù)是新型短流程、低成本的鋼鐵冶金生產(chǎn)技術(shù)。中國已經(jīng)開展了薄板坯連鑄連軋技術(shù)生產(chǎn)無取向電工鋼的開發(fā)和研究。如果采用薄板坯連鑄連軋流程生產(chǎn)一般取向電工鋼，則不僅使開發(fā)研究的技術(shù)難度降低，而且也可以滿足不同質(zhì)量和不同等級產(chǎn)品的需求。

薄帶鑄軋技術(shù)是直接將鋼水鑄軋成2～3mm的熱軋卷，它將顯著縮短工藝流程。在這種工藝中，時間-溫度的關(guān)系是最關(guān)鍵的因素，因?yàn)橐种苿┍仨氃诩s1min的時間內(nèi)從結(jié)晶器出口到卷起機(jī)這一段析出，通過控制冷卻速度和在線形變，可以獲得均勻的抑制劑。為了穩(wěn)定和改善抑制劑的狀態(tài)，還必須進(jìn)行常化處理。為了獲得鋼帶更好的延展性和良好的冷加工性能，可以對鋼帶進(jìn)行在線熱處理。在帶鋼外形、厚度公差和表面缺陷等方面還有待于深入開發(fā)和研究。

3.3、取向電工鋼連續(xù)退火取代罩式退火

用連續(xù)退火爐取代罩式退火爐完成二次再結(jié)晶和凈化鋼中的抑制劑已經(jīng)成為生產(chǎn)高端取向電工鋼的重要方法。這種退火工藝僅需幾分鐘，而非幾天，大大縮短了退火時間。高溫連續(xù)退火不僅產(chǎn)量高，而且可以節(jié)能20%以上。連續(xù)退火機(jī)組向高速化和多功能化方向發(fā)展。

4、取向電工鋼的產(chǎn)品現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

取向電工鋼是各類變壓器、鎮(zhèn)流器、放大器、穩(wěn)壓器、繼電器、整流器、電磁開關(guān)等定向磁場電器產(chǎn)品制作鐵芯的核心材料。目前，變壓器主要向2個方面發(fā)展：一是向特大型超高壓方面發(fā)展，電壓等級由220、330、500kV向750、1000kV發(fā)展;二是向節(jié)能化、小型化、低噪聲、高阻抗、防爆型發(fā)展，這些產(chǎn)品以中小型產(chǎn)品為主，如目前在城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)改造上被推薦采用的新S9型配電變壓器。據(jù)中國電氣工業(yè)協(xié)會變壓器分會統(tǒng)計，主流變壓器按電壓等級分為4個大類，即：500kV及以上變壓器、220～500kV變壓器、110～200kV變壓器以及小于110kV的變壓器，其使用取向硅鋼的牌號如下：

1）500kV級以上變壓器所用硅鋼片牌號為30ZH120、30ZH110、27ZH100;

2）±500kV級換流變壓器所用硅鋼片牌號為27ZDKH90、23ZDKH90;

3）110～220kV級變壓器所用硅鋼片牌號為30Q140、30Q130、30ZH120、30ZH110;

4）35kV級變壓器所用硅鋼片牌號為30Q130、30Q140;

5）S9型10kV配電變壓器所用硅鋼片牌號為30Q130，S11型10kV配電變壓器所用硅鋼片牌號為30ZH120。

但是，在取向硅鋼的品種開發(fā)方面，中國與國外先進(jìn)企業(yè)尤其是日本的差距是比較大的，特別是部分日本已經(jīng)投入工業(yè)化大生產(chǎn)的高牌號取向硅鋼品種和規(guī)格。

1）以新日鐵為代表的細(xì)化磁疇：主要用于高級大型變壓器鐵芯，激光刻痕的品種如23ZDKH90、85、80和27ZDKH95、90，機(jī)械刻痕的品種如23ZDMH90、85、80和27ZDMH95、90。

2）以新日鐵為代表的高品質(zhì)取向硅鋼：目前國內(nèi)一般取向硅鋼的主流牌號為30Q120，而更高品質(zhì)的如23ZH100、95、90，27ZH100、95和30ZH100、095等品種還無法生產(chǎn)。

3）以JFE為代表的取向硅鋼中出現(xiàn)高磁感0.20mm規(guī)格材：特別適合于制作卷鐵芯及高頻用，以20JGH090(B8>1.86T)和20JGH095(B8>1.86T)2個牌號為主。

4）以JFE為代表的取向硅鋼中出現(xiàn)高B8取向硅鋼JGS：JGS材的鐵損同正常規(guī)格產(chǎn)品，特別適用于制作噪聲低的變壓器，但B8≥1.92～1.93T(傳統(tǒng)Hi-B材B8≥1.89T)。

5）以JFE為代表的取向硅鋼中出現(xiàn)的JGE：JGE在縱、橫向均有良好磁性，使用效果好于GO鋼，特別適合于制作分割型鐵芯及高性能EI鐵芯產(chǎn)品。

目前取向硅鋼主要向低鐵損、高磁感和薄規(guī)格這幾個方面發(fā)展。

1）超低鐵損取向硅鋼。

①細(xì)化磁疇：磁疇細(xì)化技術(shù)可以使取向硅鋼鐵損降低10%～20%，很多鋼鐵企業(yè)或科研院所對該項(xiàng)技術(shù)展開了研究。日本新日鐵公司采用激光照射技術(shù)使Hi-B鋼鐵損降低15%左右，牌號為ZDKH的磁疇細(xì)化硅鋼片于1983年投入市場。日本JFE公司開發(fā)了一種耐熱型的磁疇細(xì)化技術(shù)，其0.23mm和0.27mm的產(chǎn)品以JGSD的名稱商品化。在歐洲和美國的專利中，也報道了通過局部熱變形或軋輥形成溝槽的磁疇細(xì)化方法。

②沉積張力涂層：硅鋼的張力涂層是日本新日鐵的研究人員在1973年提出的，其機(jī)制是硅鋼片經(jīng)過高溫退火處理后，由于涂層與硅鋼片的熱膨脹系數(shù)差別較大，在冷卻時兩者收縮率不同，涂層收縮相對較小而使硅鋼片基體受到一定的拉力，從而可降低硅鋼片單位質(zhì)量鐵損。日本川崎制鐵公司的研究表明，采用空心陰極放電技術(shù)在硅鋼表面制備TiN張力涂層，可以使硅鋼鐵損降低了40%。另外，在取向硅鋼表面利用溶膠凝膠技術(shù)制備氧化鋁薄膜，可以使鐵損降低。

③減薄厚度(0.15mm)：取向硅鋼厚度規(guī)格的發(fā)展歷史是由0.35mm→0.30mm→0.27mm→0.23mm→ 0.20mm→0.15mm發(fā)展。目前，0.20mm厚取向硅鋼薄帶是應(yīng)用在400Hz磁場下的一種軟磁材料，它具有磁感應(yīng)強(qiáng)度高、鐵損低等特性，是用于軍工雷達(dá)變壓器的理想鐵芯材料。

2)超高磁感取向硅鋼：采用加Bi或三次再結(jié)晶，或高溫梯度退火工藝，均可取得B8>1.95～2.0T的性能。

3)細(xì)晶粒雙取向硅鋼：用硅氧化物脫碳法制取具有{100}<001>立方織構(gòu)的雙取向硅鋼片，不僅具有高的磁感，而且在軋向和橫向均具有顯著低的鐵損和磁致伸縮�？v橫向B8可達(dá)1.85～1.90T，P1.7/50小于1.02W/kg(0.30mm)。

4)6.5%Si的取向鋼：目前世界范圍內(nèi)，大批量生產(chǎn)的硅鋼片中硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)大都控制在4%以內(nèi)。當(dāng)硅鋼片中硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到6.5%時，磁致伸縮系數(shù)趨于零，電阻率增大，渦流損失減小，從而在較高頻率下表現(xiàn)出優(yōu)良的磁性。所以，6.5%高Si硅鋼片是制作低噪音、低鐵損的理想鐵芯材料，其研制工作受到了廣泛的關(guān)注。目前，住友金屬和新日鐵均在研制高硅硅鋼片，其B8可達(dá)1.62～1.65T，P10/50為0.15W/kg(0.2mm)，可用于制造高頻電器鐵芯

5)無抑制劑取向硅鋼：不用抑制劑生產(chǎn)取向硅鋼已部分用于生產(chǎn)(如JGE有此產(chǎn)品)，還在進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用研究，已可采用低板坯加熱溫度，無需脫碳。

6)開發(fā)特殊用途電工鋼板，如厚0.1mm以下的三次再結(jié)晶取向硅鋼薄帶，具有高飽和磁感的取向純鐵板以及高絕緣性能無公害絕緣涂層及黏結(jié)性涂層也是亟待解決的問題。

5、結(jié)語

1)冷軋取向電工鋼，尤其是高磁感取向電工鋼，是鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)中的精品，享有“藝術(shù)產(chǎn)品”的美稱，具有很高的附加值。

2)取向電工鋼的制造工藝和設(shè)備復(fù)雜，成分控制嚴(yán)格，制造工序長，影響性能的因素多。工藝方面的難點(diǎn)和重點(diǎn)主要為精確成分控制、高純凈度控制、鑄坯成分偏析和鑄坯裂紋控制、鑄坯加熱和熱軋工藝以及冷軋工序的高溫退火。

3)取向電工鋼中的新型抑制劑的研究、低溫加熱工藝的開發(fā)、薄板坯連鑄連軋和薄帶鑄軋、連續(xù)退火等為取向電工鋼的主要工藝發(fā)展趨勢。

4)取向硅鋼的生產(chǎn)管理和產(chǎn)品質(zhì)量代表了一個企業(yè)的質(zhì)量和管理水平。充分發(fā)揮和利用中國先進(jìn)的鋼鐵工業(yè)技術(shù)裝備來生產(chǎn)、研究和開發(fā)高質(zhì)量冷軋取向硅鋼，必將帶動中國取向電工鋼及其制品等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，為中國的國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)服務(wù)。