RAL薄带连铸取向硅钢研究进展

　　1薄带连铸的特点

　　薄带连铸（也称薄带铸轧）技术是以液态金属为原料、以两个旋转的冷却辊为结晶器，用液态金属直接生产薄带材的技术，是将快速凝固与轧制变形融为一体的短流程、近终形成形加工工艺。自1857年亨利·贝塞麦提出双辊薄带连铸理论以来，这种技术已经在铝合金、镁合金的商业化生产上取得了巨大成功。利用此技术生产薄带钢也一直是钢铁工作者梦寐以求的目标。2002年5月，美国Nucor钢铁公司第一条商业化薄带连铸生产线的成功运行在世界范围内引发了薄带钢连铸技术的新一轮研究热潮。

　　利用薄带连铸技术可直接生产出1-5mm厚的热轧板卷。实践表明，薄带连铸技术具有如下优势：①流程短，投资少，生产成本低。传统厚板坯连铸-热轧厂的长度约为600m，薄板坯连铸连轧厂的长度约为370m。薄带连铸厂完全省略了板坯加热和热连轧过程，长度仅为100m左右，所以，采用薄带连铸技术生产热轧板卷的总投资比传统工艺流程要低得多，每吨板卷的成本降低40%左右。②节能降耗，绿色环保。与连铸连轧生产流程相比，每吨钢可节省能源达800kJ，CO2排放量降低约85%，NOX排放量降低约90%，SO2排放量降低约70%。另一方面，薄带连铸技术能够有效抑制Cu、S、P等夹杂元素在钢材基体中的偏析，从而可实现劣质矿资源（如高磷、高硫、高铜矿或废钢等）的有效综合利用，节省宝贵资源，是钢铁工业实现可持续发展的重要内容。③带材微观组织特殊，性能优越。薄带连铸所具有的独特的亚快速（100-1000℃/s）凝固特性使铸带的微观组织显著不同于传统带材，如晶粒得到显著细化，成分偏析很小，第二相的析出被抑制等，从而使材料的性能得到大幅改善。所以，薄带连铸技术在生产某些高性能材料上具有优势。④适宜于生产某些低塑性材料、难加工材料及功能材料。由于薄带连铸技术具有亚快速凝固和近终形优势，所以，它非常适合生产某些利用传统工艺难以生产的钢铁材料，如工具钢、耐热钢、不锈钢、高速钢和硅钢等。

　　2薄带连铸生产取向硅钢的优势

　　取向硅钢（包括普通取向硅钢和高磁感取向硅钢）是一种含硅约3％的软磁材料，主要用于制造变压器铁芯。取向硅钢由于具有强烈的{110}<001>高斯织构，从而沿轧制方向具有非常低的铁损和非常高的磁感应强度。它是钢铁工业中唯一运用二次再结晶现象生产的产品，是织构控制技术在工业化生产中较为成功的应用。取向硅钢的传统生产流程为：冶炼→连铸→高温加热→热轧→（常化处理）→酸洗→冷轧→（中间退火）→（二次冷轧）→脱碳退火→涂MgO隔离层→高温退火→拉伸平整退火→涂绝缘层→（激光处理）→剪切、包装。取向硅钢的生产工艺和设备复杂，制造工序多，成分控制严格，影响性能的因素多，因此，被称为“钢铁工业的艺术品”。如何简化取向硅钢生产工艺，降低生产成本，成为冶金工作者追求的目标。与传统厚板坯连铸和薄板坯连铸工艺相比，由于薄带连铸工艺具有流程短，单位投资低，能耗低，劳动生产率高等特点，取向硅钢被认为是薄带连铸工艺中最具有发展前途的钢种之一。

　　传统的取向硅钢制造流程设计和工艺参数调控的目标是在高温退火过程中通过二次再结晶过程形成强高斯织构，其核心是抑制剂控制技术。为了获得具有合适数量和尺寸的细小、弥散分布的抑制剂粒子，通常需要在炼钢时加入抑制剂形成元素。为了保证获得稳定的高磁感，必须在热轧前对铸坯进行高温（350-1400℃）加热固溶处理，以使连铸后缓冷过程中变粗的硫化物和氮化物重新固溶。在热轧或热带退火阶段，又希望硫化物和氮化物以弥散状态析出，这些析出物必须保持至冷轧后二次再结晶开始。即使在罩式炉退火过程中，也必须避免抑制剂因过早固溶或粗化而导致抑制作用降低。但是，在1400℃左右的高温加热板坯会产生许多问题：如氧化铁皮多、烧损大、成材率低；修炉频率高、产量降低；燃料消耗多、炉子寿命短、制造成本高、产品表面缺陷增多等。而薄带连铸技术具有亚快速凝固特性，借助其较快的冷却速率，可以获得较之常规连铸坯更加均质、细晶的取向硅钢铸带坯，并使抑制剂形成元素最大程度地处于固溶状态，无需再经过高温加热工序，这为后续处理过程中抑制剂的调控提供了极大便利。可见，与目前传统厚板坯和薄板坯连铸工艺相比，薄带连铸工艺流程在生产取向硅钢上具有无可比拟的优越性，因而具有广阔的推广应用前景。

　　3薄带连铸取向硅钢需攻克的关键问题及RAL的研究进展

　　近3年来，东北大学RAL薄带连铸课题组与钢铁研究总院一起以国家自然科学基金重点项目“基于双辊薄带连铸的高品质硅钢织构控制理论与工业化技术研究（No.50734001）”、“Fe-Cr、 Fe-Si系BCC钢薄带连铸

　　成形组织性能控制机理（No.51004035）”为契机和依托，系统开展了薄带连铸取向硅钢的应用基础研究和工业化技术开发。

　　要引发取向硅钢二次再结晶必须满足三个前提条件：①具有合适数量和尺寸的弥散分布的抑制剂；②初次再结晶组织中具有足够强度的Goss取向晶粒作为二次再结晶晶核；③具有可促进Goss取向晶粒异常长大的环境，如细小的初次再结晶晶粒等。薄带连铸工艺与传统工艺流程相比，由于采用薄带连铸+“一道次”热轧代替传统的板坯连铸+高温加热+粗轧+热精轧工艺，在凝固、热轧以及热履历等方面具有明显差异，所以，薄带连铸工艺流程条件下的组织控制、织构控制、抑制剂控制存在特殊性。

　　目前，课题组在关键原理和工艺控制上取得了一系列研究进展，主要包括以下几方面：

　　◆亚快速凝固组织控制关键技术

　　在取向硅钢的传统工艺流程中，二次再结晶形成的全高斯织构继承于热轧板表层1/4到1/5处的高斯晶粒，而其形成是由于热轧时板面与轧辊之间强烈的摩擦作用所产生的剪切应变而引起的。在薄带连铸工艺流程条件下，不可能实现传统工艺那种大变形量的热轧，所以，必须从薄带连铸阶段就该着手对高斯织构进行控制。铸带坯通常包括发达的{001}<0vw>柱状晶组织以及少量的晶体取向混乱的细小等轴晶组织。为此，如何提高铸带坯中具有混乱织构的等轴晶组织比率和细化初始晶粒尺寸，为形成高斯织构提供便利，成为薄带连铸取向硅钢亟需解决的一个关键问题。

　　课题组经过大量的实验研究发现，铸带坯的凝固组织具有可控性，通过调整浇铸工艺参数可以得到不同类型的凝固组织（见图1）。经过反复的实验摸索，课题组分别确定了浇铸温度、出带速度、熔池高度、初始辊缝等关键工艺窗口，在亚快速凝固条件下实现了对铸带坯初始凝固组织、织构的有效控制，制备出一系列具有不同的等轴晶率的原型铸带坯，为后续加工过程的组织、织构、抑制剂控制奠定了基础。

　　◆抑制剂控制关键技术

　　在传统的工艺流程条件下，取向硅钢采用的抑制剂获得方式是：对铸坯进行长时间高温（>1350℃）加热使其在之前凝固过程中析出的粗大MnS和AlN固溶，再在热精轧或常化退火过程中弥散析出。但是，在薄带连铸条件下，由于省略了高温加热及相对较长时间的热轧工序，所以，对抑制剂的控制思路明显不同于传统方法。

　　在薄带连铸条件下，时间-温度关系是影响抑制剂尺寸及分布的最关键因素。课题组发现，通过对铸带坯进行精确的二次冷却控制可使抑制剂形成元素基本固溶却很少析出，而对抑制剂形态和分布状态的控制则主要通过随后的常化处理进行调控。结果表明，二次冷却工艺及匹配的常化处理工艺对抑制剂的尺寸及分布具有决定性的影响（见图2）。课题组经过近一年的努力，成功将抑制剂AlN粒子的尺寸控制在25-50nm之间（见图3），分布密度达到（5.8-18.2）×108个/cm2。这样的抑制剂粒子尺寸及分布状态完全能够满足二次再结晶的需要。

　　◆微观组织控制关键技术

　　在脱碳退火后形成细小的初次再结晶晶粒是发生二次再结晶的一个基本条件。尽管薄带连铸的亚快速凝固特性可使铸带坯具有细晶、均质的初始凝固组织，但与传统工艺流程条件下的热轧板相比，组织仍过于粗大，这增大了组织控制的难度。所以，如何获得细小的初次再结晶组织成为薄带连铸取向硅钢亟需解决的一个难点。

　　在对合金成分进行优化设计的基础上，课题组通过对凝固、相变、变形、再结晶、抑制剂的耦合控制，成功使脱碳退火后的初次再结晶晶粒的平均尺寸降至7-12μm（见图4），远远小于厚板坯连铸工艺流程的18-20μm和薄板坯连铸工艺流程的14-17μm。

　　◆晶体织构控制关键技术

　　取向硅钢二次再结晶高斯织构源于热轧板的次表层的高斯晶粒，换言之，热轧高斯晶粒是引发二次再结晶的“种子”。但是，如前所述，在薄带连铸工艺流程条件下，不可能实现传统工艺那种大变形量的热轧剪切变形，而只能施加“一道次”小形变量的热轧变形。很显然，这严重不利于热轧高斯“种子”的形成和发展。因此，通过“一道次”热轧变形能否获得足够数量的高斯“种子”就显得尤为重要，成为薄带连铸取向硅钢亟需解决的又一个关键问题。

　　课题组开展了大量的探索研究，在对铸带坯初始凝固组织和织构进行精确控制的基础上，通过对细晶铸带坯“一道次”热轧变形温度、变形速度、变形程度的严格控制，成功在热轧板的次表层获得了明显的高斯织构（见图5），解决了薄带连铸取向硅钢高斯织构的“种子”问题。

　　◆晶体塑性控制关键技术

　　与传统工艺流程条件下的热轧板相比，铸带坯的初始凝固组织过于粗大，导致脆性高、冷加工性能不好，轧制过程中常出现严重的裂纹、断带等问题。为了获得更好的延展性和良好的冷加工性能，经过课题组的努力，在不影响组织、织构、抑制剂控制的前提下，确立了一条热轧、温轧、冷轧相结合的轧制工艺路线，完全解决了裂纹、断带问题，为大批量工业化生产扫清了障碍。

　　◆薄带连铸取向硅钢原型钢

　　课题组通过对薄带连铸全流程条件下的微观组织、晶体织构、抑制剂、晶体塑性等的探索研究，系统掌握了取向硅钢组织、织构演变和抑制剂的演化规律及控制原理，打通了引发二次再结晶的工艺控制路线，获得了强烈的二次再结晶高斯织构，成功制备出0.27mm厚的取向硅钢薄板，磁感应强度B8达到1.85T，与国内外现有硅钢制造企业的CGO产品相当。值得一提的是，经过努力，课题组目前也已成功制备出0.27mm厚的高磁感取向硅钢薄板，磁感应强度B8最高达到1.94 T。该项研究填补了我国在此领域的空白，标志着RAL的薄带连铸取向硅钢研究已经处于国际前列。

　　4 RAL薄带连铸取向硅钢的研发目标

　　取向硅钢是一种生产工艺复杂、成本高、生产周期长达15天左右的产品。如何简化取向硅钢生产工艺，降低生产成本，成为取向硅钢研发人员的一个永恒的奋斗目标。研究结果表明，薄带连铸技术在生产取向硅钢上具有得天独厚的先天性优势。大力开展薄带连铸取向硅钢的应用基础研究及工业化技术开发，对于丰富薄带连铸理论和硅钢织构控制理论，发展我国具有自主知识产权的薄带连铸技术，促进硅钢薄带连铸产业化具有重要的现实意义，为打破发达国家硅钢生产技术的长期垄断局面开辟了新的途径，对于我国国民经济可持续发展和国家安全具有重大意义。

　　今后课题组将继续就薄带连铸取向硅钢的基础理论问题和工业化技术问题开展深入研究，全面解决包括带钢板形、厚度公差、表面缺陷及材料的均匀性等方面的难题，形成完善的薄带连铸取向硅钢理论体系和完备的工业化系统技术，形成具有中国自主知识产权的取向硅钢制造技术和工艺装备，与相关钢铁企业一起，为推动我国薄带连铸取向硅钢的产业化进程而努力。

信息来源：《世界金属导报》