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(kāi)關(guān)等定向磁場(chǎng)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(chǎng)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(dòng)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(lái)，中國(guó)發(fā)電量較大幅度的增長(zhǎng)和制造業(yè)的興起，帶動(dòng)了取向電工鋼的強(qiáng)勁需求，為中國(guó)研究、生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)取向電工鋼帶來(lái)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(kāi)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(shì)。

1、取向電工鋼的發(fā)展概述

1934年美國(guó)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(shí)間延長(zhǎng)，板坯溫度上升，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這批料的磁性好且穩(wěn)定。可以說(shuō)，Goss取向電工鋼的生產(chǎn)方法是由經(jīng)驗(yàn)與努力而得來(lái)的技術(shù)訣竅。

在取向電工鋼的生產(chǎn)開(kāi)發(fā)中，具有劃時(shí)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(kāi)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(cāng)昭研究員，他們經(jīng)過(guò)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(shí)間。雖然新日鐵公司1958年從美國(guó)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(guò)程的合理性，而且取決于時(shí)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(shí)，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(guó)內(nèi)外冷軋取向電工鋼的現(xiàn)行生產(chǎn)工藝進(jìn)行簡(jiǎn)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(hào)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(guò)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(lái)抑制初次晶粒的長(zhǎng)大;其基本特點(diǎn)之二是采用中等壓下率的冷軋來(lái)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(guò)常化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(lái)抑制初次晶粒的長(zhǎng)大，促進(jìn)(110)[001]晶粒長(zhǎng)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(jiàn)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(jiàn)原創(chuàng)表1。

2.2、取向電工鋼生產(chǎn)過(guò)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(dòng)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(dòng)直接影響各個(gè)工藝過(guò)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(lái)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(dòng)則涉及煉鋼和連鑄整個(gè)工藝過(guò)程，尤其是精煉和連鑄過(guò)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(gòu)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(guò)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(lái)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(shí)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(duì)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(zhǎng)大并發(fā)生二次再結(jié)晶。對(duì)于Hi-B鋼，必須控制好高溫退火工藝中各個(gè)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(lái)，人們?cè)谘芯堪迮鞯蜏丶訜釙r(shí)，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(lái)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(kāi)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(wú)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(lái)降低板坯加熱溫度。韓國(guó)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(shì)

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(lái)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(wú)碳的新型簡(jiǎn)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(lái)，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(duì)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(kāi)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(guó)經(jīng)濟(jì)的帶動(dòng)，世界電工鋼的生產(chǎn)和消費(fèi)量連年增長(zhǎng)。與此同時(shí)，為了降低電器產(chǎn)品和設(shè)備的成本，企業(yè)也越來(lái)越重視低成本、高性能新型電工鋼產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和研究。國(guó)內(nèi)外已開(kāi)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(guó)已經(jīng)開(kāi)展了薄板坯連鑄連軋技術(shù)生產(chǎn)無(wú)取向電工鋼的開(kāi)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(kāi)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(jí)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(shí)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(shí)間內(nèi)從結(jié)晶器出口到卷起機(jī)這一段析出，通過(guò)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(duì)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(kāi)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(shí)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(shì)

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(kāi)關(guān)等定向磁場(chǎng)電器產(chǎn)品制作鐵芯的核心材料。目前，變壓器主要向2個(gè)方面發(fā)展：一是向特大型超高壓方面發(fā)展，電壓等級(jí)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(guó)電氣工業(yè)協(xié)會(huì)變壓器分會(huì)統(tǒng)計(jì)，主流變壓器按電壓等級(jí)分為4個(gè)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(hào)如下：

1）500kV級(jí)以上變壓器所用硅鋼片牌號(hào)為30ZH120、30ZH110、27ZH100;

2）±500kV級(jí)換流變壓器所用硅鋼片牌號(hào)為27ZDKH90、23ZDKH90;

3）110～220kV級(jí)變壓器所用硅鋼片牌號(hào)為30Q140、30Q130、30ZH120、30ZH110;

4）35kV級(jí)變壓器所用硅鋼片牌號(hào)為30Q130、30Q140;

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

但是，在取向硅鋼的品種開(kāi)發(fā)方面，中國(guó)與國(guó)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(hào)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(jí)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(guó)內(nèi)一般取向硅鋼的主流牌號(hào)為30Q120，而更高品質(zhì)的如23ZH100、95、90，27ZH100、95和30ZH100、095等品種還無(wú)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(gè)牌號(hào)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(gè)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(duì)該項(xiàng)技術(shù)展開(kāi)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(hào)為ZDKH的磁疇細(xì)化硅鋼片于1983年投入市場(chǎng)。日本JFE公司開(kāi)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(guó)的專利中，也報(bào)道了通過(guò)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(guò)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(shí)兩者收縮率不同，涂層收縮相對(duì)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(chǎng)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。縱橫向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(shí)，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(wú)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(wú)需脫碳。

6)開(kāi)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(wú)公害絕緣涂層及黏結(jié)性涂層也是亟待解決的問(wèn)題。

5、結(jié)語(yǔ)

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(zhǎng)，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(kāi)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(shì)。

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