描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787502467081
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本书凝聚了作者多年的先进研究成果，技术领先，具有很大的参考价值
内容简介
本研究以双辊薄带连铸流程为基础，以高品质无取向和取向硅钢为对象，系统研究在亚快速凝固、二次冷却以及后续冷轧、退火条件下，Fe-Si合金全流程组织、织构、析出和磁性能演化的基础理论、影响因素和控制方法，成功制备了具有优异磁性能的高效电机用无取向硅钢。在薄带连铸硅钢和低温路线制备取向硅钢的基础上，提出了高磁感超低碳取向硅钢的制造理论与技术。本研究突破了采用薄带连铸生产高性能电工钢中的关键科学和技术问题，具有重要的理论意义和应用价值。
目 录
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 – 1 –
1.1 电工钢概述 – 1 –
1.1.1 电工钢的分类及用途 – 1 –
1.1.2 电工钢的发展历史 – 2 –
1.2 无取向硅钢 – 2 –
1.2.1 无取向硅钢的分类 – 3 –
1.2.2 无取向硅钢的性能要求 – 3 –
1.2.3 影响无取硅钢性能的因素 – 5 –
1.2.4 无取电工钢的研究进展 – 5 –
1.2.5 高效电机用无取向硅钢 – 7 –
1.3 取向硅钢 – 8 –
1.3.1 取向硅钢的分类 – 8 –
1.3.2 取向硅钢的影响因素 – 9 –
1.3.3 取向硅钢的发展方向 – 9 –
1.4 双辊薄带连铸技术 – 10 –
1.4.1 双辊薄带连铸生产硅钢的研究现状 – 11 –
1.4.2 双辊薄带连铸生产高效电机用钢的优势 – 12 –
1.4.3 双辊薄带连铸生产取向硅钢的优势 – 13 –
第2章 薄带连铸无取向硅钢典型组织、织构和磁性能 – 14 –
2.1前言 – 14 –
2.2实验材料和方法 – 14 –
2.2.1实验钢成分和铸轧工艺 – 14 –
2.2.2 样品检测 – 15 –
2.3不同二次冷却条件铸带组织和织构特征 – 16 –
2.3.1铸带宏观分析 – 16 –
2.3.2微观组织分析 – 17 –
2.3.3微观取向分析 – 18 –
2.3.4宏观织构分析 – 19 –
2.4过热度对组织、织构和磁性能的影响 – 21 –
2.4.1 过热度对铸带组织和织构的影响 – 22 –
2.4.2过热度对成品织构和磁性能的影响 – 23 –
2.5铸带的再结晶退火过程组织、织构演化 – 25 –
2.5.1铸带和热轧板组织和织构 – 25 –
2.5.2铸带组织对再结晶过程的影响 – 26 –
2.5.3铸带组织对再结晶织构和磁性能的影响 – 28 –
2.6退火对组织、织构和磁性能的影响 – 31 –
2.6.1退火工艺及磁性能比较 – 31 –
2.6.2退火过程中显微组织演化 – 33 –
2.6.3退火过程中微观取向演化 – 36 –
2.6.4退火过程中织构演化 – 41 –
2.7本章小结 – 45 –
第3章 薄带连铸高效电机用钢的开发 – 47 –
3.1 薄带铸轧参数 – 47 –
3.2 铸轧条件对薄带的影响 – 48 –
3.2.1 微观组织 – 49 –
3.2.2 铸带微观取向分析 – 51 –
3.2.3 宏观织构 – 55 –
3.2.4 力学性能分析 – 59 –
3.3 铸轧条件对薄带成品的影响 – 60 –
3.3.1 显微组织分析 – 60 –
3.3.2 微观取向分析 – 62 –
3.3.3 成品宏观织构分析 – 64 –
3.3.4 成品磁性能 – 68 –
3.4 析出物的形貌特征 – 69 –
3.4.1 铸带析出物的分析 – 70 –
3.4.2 薄带析出物分析 – 71 –
3.4.3 成品析出物分析 – 72 –
3.5 本章小结 – 75 –
第4章 低温取向硅钢的组织与织构 – 77 –
4.1 前言 – 77 –
4.2 实验材料和实验方法 – 77 –
4.3 结果与讨论 – 78 –
4.3.1 初次再结晶组织分析 – 78 –
4.3.2 初次再结晶的织构分析 – 79 –
4.3.3 取向硅钢的磁性能 – 82 –
4.4 本章小结 – 83 –
第5章 取向硅钢中的析出物 – 85 –
5.1 前言 – 85 –
5.2 析出物理论计算 – 85 –
5.2.1 热力学计算 – 86 –
5.2.2 动力学计算 – 87 –
5.3 热轧板中的析出物 – 90 –
5.4 常化板中的析出物 – 91 –
5.5 冷轧与退火中的析出物 – 92 –
5.5.1 一阶段冷轧后脱碳中的析出物 – 92 –
5.5.2 两阶段冷轧与脱碳中的析出物 – 93 –
5.6 高温退火中的析出物 – 94 –
5.7 CU的析出 – 94 –
5.8 本章小结 – 96 –
第6章 薄带连铸超低碳取向硅钢的开发 – 97 –
6.1 前言 – 97 –
6.2 实验材料和实验方法 – 97 –
6.2.1 成分设计 – 97 –
6.2.2 铸轧工艺 – 99 –
6.2.3 检测项目 – 102 –
6.3实验结果分析与讨论 – 104 –
6.3.1 铸带组织、织构和析出物分析 – 104 –
6.3.2 结晶退火过程中组织和织构和析出物 – 107 –
6.3.2 取向硅钢二次再结晶与磁性能 – 111 –
6.4本章小结 – 111 –
第7章 结论 – 113 –
参考文献 – 115 –
致 谢 – 120 –
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 – 1 –
1.1 电工钢概述 – 1 –
1.1.1 电工钢的分类及用途 – 1 –
1.1.2 电工钢的发展历史 – 2 –
1.2 无取向硅钢 – 2 –
1.2.1 无取向硅钢的分类 – 3 –
1.2.2 无取向硅钢的性能要求 – 3 –
1.2.3 影响无取硅钢性能的因素 – 5 –
1.2.4 无取电工钢的研究进展 – 5 –
1.2.5 高效电机用无取向硅钢 – 7 –
1.3 取向硅钢 – 8 –
1.3.1 取向硅钢的分类 – 8 –
1.3.2 取向硅钢的影响因素 – 9 –
1.3.3 取向硅钢的发展方向 – 9 –
1.4 双辊薄带连铸技术 – 10 –
1.4.1 双辊薄带连铸生产硅钢的研究现状 – 11 –
1.4.2 双辊薄带连铸生产高效电机用钢的优势 – 12 –
1.4.3 双辊薄带连铸生产取向硅钢的优势 – 13 –
第2章 薄带连铸无取向硅钢典型组织、织构和磁性能 – 14 –
2.1前言 – 14 –
2.2实验材料和方法 – 14 –
2.2.1实验钢成分和铸轧工艺 – 14 –
2.2.2 样品检测 – 15 –
2.3不同二次冷却条件铸带组织和织构特征 – 16 –
2.3.1铸带宏观分析 – 16 –
2.3.2微观组织分析 – 17 –
2.3.3微观取向分析 – 18 –
2.3.4宏观织构分析 – 19 –
2.4过热度对组织、织构和磁性能的影响 – 21 –
2.4.1 过热度对铸带组织和织构的影响 – 22 –
2.4.2过热度对成品织构和磁性能的影响 – 23 –
2.5铸带的再结晶退火过程组织、织构演化 – 25 –
2.5.1铸带和热轧板组织和织构 – 25 –
2.5.2铸带组织对再结晶过程的影响 – 26 –
2.5.3铸带组织对再结晶织构和磁性能的影响 – 28 –
2.6退火对组织、织构和磁性能的影响 – 31 –
2.6.1退火工艺及磁性能比较 – 31 –
2.6.2退火过程中显微组织演化 – 33 –
2.6.3退火过程中微观取向演化 – 36 –
2.6.4退火过程中织构演化 – 41 –
2.7本章小结 – 45 –
第3章 薄带连铸高效电机用钢的开发 – 47 –
3.1 薄带铸轧参数 – 47 –
3.2 铸轧条件对薄带的影响 – 48 –
3.2.1 微观组织 – 49 –
3.2.2 铸带微观取向分析 – 51 –
3.2.3 宏观织构 – 55 –
3.2.4 力学性能分析 – 59 –
3.3 铸轧条件对薄带成品的影响 – 60 –
3.3.1 显微组织分析 – 60 –
3.3.2 微观取向分析 – 62 –
3.3.3 成品宏观织构分析 – 64 –
3.3.4 成品磁性能 – 68 –
3.4 析出物的形貌特征 – 69 –
3.4.1 铸带析出物的分析 – 70 –
3.4.2 薄带析出物分析 – 71 –
3.4.3 成品析出物分析 – 72 –
3.5 本章小结 – 75 –
第4章 低温取向硅钢的组织与织构 – 77 –
4.1 前言 – 77 –
4.2 实验材料和实验方法 – 77 –
4.3 结果与讨论 – 78 –
4.3.1 初次再结晶组织分析 – 78 –
4.3.2 初次再结晶的织构分析 – 79 –
4.3.3 取向硅钢的磁性能 – 82 –
4.4 本章小结 – 83 –
第5章 取向硅钢中的析出物 – 85 –
5.1 前言 – 85 –
5.2 析出物理论计算 – 85 –
5.2.1 热力学计算 – 86 –
5.2.2 动力学计算 – 87 –
5.3 热轧板中的析出物 – 90 –
5.4 常化板中的析出物 – 91 –
5.5 冷轧与退火中的析出物 – 92 –
5.5.1 一阶段冷轧后脱碳中的析出物 – 92 –
5.5.2 两阶段冷轧与脱碳中的析出物 – 93 –
5.6 高温退火中的析出物 – 94 –
5.7 CU的析出 – 94 –
5.8 本章小结 – 96 –
第6章 薄带连铸超低碳取向硅钢的开发 – 97 –
6.1 前言 – 97 –
6.2 实验材料和实验方法 – 97 –
6.2.1 成分设计 – 97 –
6.2.2 铸轧工艺 – 99 –
6.2.3 检测项目 – 102 –
6.3实验结果分析与讨论 – 104 –
6.3.1 铸带组织、织构和析出物分析 – 104 –
6.3.2 结晶退火过程中组织和织构和析出物 – 107 –
6.3.2 取向硅钢二次再结晶与磁性能 – 111 –
6.4本章小结 – 111 –
第7章 结论 – 113 –
参考文献 – 115 –
致 谢 – 120 –
前 言
研究项目概述
1 项目研究背景
硅钢是电力、电子和军工等领域广泛应用的重要软磁材料，主要用于制造电动机、发电机、变压器的铁芯和各种电讯器材，按重量计占磁性材料用量的90%以上，是具有高附加值和战略意义的钢铁产品。
传统硅钢流程生产工艺复杂，制造难度大，技术严格苛刻，具有高度的保密性和垄断性。以传统的厚板坯连铸-常规热轧过程为例，由于厚板坯连铸参数可控性差，导致凝固组织粗大、分布不均匀，对析出物或抑制剂缺乏有效的调控手段。为破坏有害的铸造组织，需要经过9-10个机架组成的热连轧机，总压缩比高达100左右，这不仅导致生产线流程冗长、能耗高、稳定性差等问题影响生产效率，而且使硅钢组织、织构和磁性能的控制面临一系列非常棘手、甚至难以克服的工艺“瓶颈”限制。对于无取向硅钢（NGO）而言，大压缩比、多道次热轧过程中会出现大量不利于降低铁损的有害析出物和不利于提高磁感的γ织构组分；而在取向硅钢（GO）中，由于抑制剂在连铸过程被提前消耗，必须采用铸坯高温加热或低温加热-后渗氮工艺。铸坯高温加热温度接近1400℃，大幅度降低成材率；而低温加热技术在后续热处理过程中进行渗氮处理以补偿抑制剂，技术难度大，工艺复杂。另外，热轧过程会导致AlN、MnS等抑制剂提前析出并粗化，影响对初次再结晶晶粒的钉扎效果，从而造成二次再结晶不充分，严重损害材料的磁性能。
正是由于传统流程（包括薄板坯连铸连轧技术）固有的成分、工艺设计缺陷，使其在低成本高品质的新一代电工钢开发方面显得尤为困难。例如，高效电机用钢代表了新一代低铁损高磁感无取向硅钢的发展趋势，在节能高效等方面具有显著优势。然而，采用传统工艺生产该钢种，不仅工艺复杂、成本昂贵、技术难度大，而且降低铁损、提高磁感的幅度有限，同时不利于钢带的力学性能、饱和极化强度和导热性能的改善。再如，薄规格化是提高电工钢磁性能的重要途径之一，但是常规流程的热带规格和冷轧压下量限制超低铁损薄规格电工钢开发。冷轧压下量太大，NGO硅钢会产生大量不利织构（如α和γ织构），而GO硅钢则导致抑制剂和有利高斯晶核分布密度及均匀性大大下降，从而达不到所要求的磁性能水平。
我国自70年代从日本引进硅钢生产技术至今，已经突破了国外严格的技术封锁，基本掌握了厚板坯流程制备硅钢的核心技术。目前我国硅钢总体产能过剩，但生产成本高、成材率低，高性能产品的产量、质量和品种构成仍落后于发达国家，相同牌号实物质量与国际先进水平差距较大，无法满足快速发展的各工业领域的需求。例如，高牌号GO硅钢和NGO硅钢主要依赖进口（军工需要的高性能产品无法进口），B50高于1.80T的高效电机用钢产品仍是空白。
双辊薄带连铸技术(Twin Roll Strip Casting，TRSC)是连铸领域潜力的一项新技术，是当今世界上薄带钢生产的前沿技术，是世界各大钢铁企业纷纷投入巨资竞相开发的一种短流程、低能耗、投资省、成本低和绿色环保的新工艺。双辊薄带连铸工艺不同于传统薄带的生产方法，可以省去加热、热轧等生产工序，以转动的两个铸辊作为结晶器，将钢水直接注入铸轧辊和侧封板形成的熔池内，液态钢水在短时间（亚）快速凝固并承受塑性变形而直接生产出1~6mm薄带钢。
东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（RAL）在国内较早开始薄带连铸技术研究，经过多年工作积累深刻认识到，与传统厚板坯热轧流程相比，薄带连铸技术不仅具有流程紧凑、工序缩短、节省能源、降低投资等短流程优势，而且在微观组织和织构控制上也具有独特的优越性。例如，双辊薄带连铸凝固组织和织构的可控性，为硅钢获得有利的织构提供了柔性的工艺窗口；薄带连铸的快速凝固过程，可以保证抑制剂在铸带中以过饱和固溶形式存在，使得GO硅钢无需高温加热和后渗氮工艺；取消传统热连轧过程，可抑制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；通过提高NGO硅钢中有利织构比例，保证成品GO硅钢中抑制剂及高斯晶核数量、密度和均匀性，有望开发超薄规格电工钢，极大的降低铁损，进一步提高磁性能。
正式基于上述分析，RAL抓住国际上刚刚起步、尚未系统研究的历史机遇，在国家自然科学基金（钢铁联合研究基金重点支持项目）“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”、“凝固、冷却及热处理一体化柔性调控无取向硅钢夹杂物与析出物的基础研究”，国家十二五支撑计划项目“高品质硅钢铸轧生产流程关键技术集成及示范”等课题的支持下，对基于双辊薄带连铸的高品质硅钢基础理论与工业化技术进行了大量的研究和开发工作。本研究报告重点聚焦高效电机用钢、超低碳取向硅钢以及中温加热取向硅钢等内容，主要研究薄带连铸等短流程过程电工钢微观组织、织构和析出物演变的冶金学原理、影响因素和控制方法，实现超短流程制备高品质硅钢成分和工艺的精确设计，开发具有自主知识产权的新一代硅钢原型钢，储备薄带连铸创新技术、工艺和装备的研发能力，引领世界薄带连铸技术和硅钢生产技术的发展。
2 主要研究过程
2.1 双辊薄带连铸高效电机用钢
高效电机用钢是在低碳、低硅电工钢基础上发展而来的一种较好的兼顾铁损和磁感的钢种，解决或缓解了中低牌号无取向电工钢存在的铁损和磁感相互矛盾的问题。高效电机钢的使用可以有效提高电机效率，降低能源损耗，并可缩小铁芯截面积，满足了电器产品高效率、小型化的要求。
上世纪80年代以来，日本的新日铁、川崎、NKK、往友和德国EBG等公司都先后推出了高效电机用无取向电工钢系列。新日铁主要在纯净钢质的基础上降低Si含量提高Mn含量；JFE主要是调整Si、Al成分、降低夹杂物含量和控制冷轧前织构；住友主要是加入特殊元素、控制成品织构和减薄产品厚度；川崎则是添加Al和稀土元素、控制夹杂物大小及分布。
RAL通过减薄铸带厚度、优化浇注温度和调整铸辊转速等方法成功制备了具有优异磁性能的高效率高性能电机用NGO钢，中牌号（wt%(Al +Si)=1.5）无取向硅钢的磁性能分别达到如下指标：P15/50(W/kg)=4.3、B50(T)=1.84。日本JFE和新日铁同类产品的典型值分别为：P15/50(W/kg)=4.5、B50(T)=1.70。宝钢高磁感NGO钢的典型值分别为：P15/50(W/kg)=3.7、B50(T)=1.74。也就是说，磁性能较常规厚板坯连铸流程和薄板坯连铸流程产品有显著提升。在此基础上该课题组还系统研究了铸轧无取向硅钢组织和织构控制理论与技术，发现了双辊铸轧高性能无取向硅钢在微观结构和取向控制上特点和优势。
1）双辊薄带连铸由于冷却速度很快，凝固时首先迅速生成的即是均匀的{100}<0vw>位向柱状晶，从而使得γ织构很弱或几乎没有。利用织构的遗传性可以使无取向硅钢成品中的{100}或Goss组分增加，从而提高磁感；
2）薄带连铸的铸带组织比传统热轧组织的晶粒更加粗大、均匀（平均晶粒尺寸可达到300μm以上），其晶粒尺寸甚至远大于传统热轧后经过常化（或预退火）处理的冷轧坯料，这种粗大晶粒在冷轧中生成更多剪切带从而促进Cube和Goss取向晶粒生成，有利于减少热轧过程中形成的γ织构的遗传作用，提高磁性能；
3）减薄铸带厚度可以减小冷轧压下量，从而降低晶粒的偏转角度，减少有害织构的积累，增大再结晶晶粒尺寸，更大程度的保留铸带中的{100}织构，提高成品的磁感，降低铁损和磁各向异性。
由此看来，双辊薄带连铸不仅可以大大降低建设投资和生产成本，而且在生产高性能无取向硅钢方面具有独特的优势。该流程可以取消热轧和常化（预退火），并通过合理控制过热度、铸轧、二次冷却工艺，获得晶粒尺寸合适和有利织构较强的薄带坯，再结合后续冷轧及热处理工艺，能够获得具有优异磁性能的高效率电机用钢。
2.2 高性能中温取向硅钢
与无取向硅钢不同，取向硅钢是通过Goss晶粒发生二次再结晶形成的，在轧制方向具有高磁感、低铁损的优良磁性能，主要用于各种变压器的铁芯，是电力电子和军事工业中不可缺少的重要软磁合金，其制造工艺和设备复杂，成分控制严格，杂质含量要求极低，制造工序长和影响性能因素多，是技术难度大、水平高的特钢艺术产品。
取向硅钢抑制剂的控制是保证高斯晶粒发生二次再结晶的关键因素，直接影响产品的磁性能。采用以AlN及MnS为主要抑制剂生产取向硅钢时，铸坯需经过高温加热，使铸坯中的MnS和AlN重新固溶，并在后续热轧及常化过程中细小弥散析出，以抑制初次再结晶晶粒长大，促进二次再结晶的发生。普通取向硅钢（CGO）铸坯加热温度规定为1350～1370℃，高磁感取向硅钢（Hi-B）加热温度高达1400℃。如此高的加热温度带来了能耗高、成材率低等一系列的缺点。因此，本研究选择固溶温度较低的Cu2S为主要抑制剂，成功把铸坯加热温度降低到1300℃以下，并研究了与之相适应的的冷轧及退火工艺及中温加热取向硅钢全流程组织、织构、抑制剂演变规律，在实验室条件下成功制备了B8=1.91T的高磁感取向硅钢。其冶金学研究结果表明：
1）中温取向硅钢的初次再结晶晶粒尺寸约18μm，一阶段冷轧法生产取向硅钢的初次再结晶晶粒尺寸约19μm。两阶段冷轧中间退火发生初次再结晶而使晶粒得到细化。
2) 中等压下率冷轧可以获得更多高斯取向的再结晶晶粒。例如两阶段冷轧法生产的中温取向硅钢在初次再结晶基体中高斯晶粒的体积分数为0.6%左右，一阶段冷轧法中高斯晶粒的体积分数仅为约0.3%。
3) 两阶段冷轧过程取向硅钢初次再结晶基体上，重位点阵晶界（Σ5、Σ9）以及20~45°取向偏差角所占的比例均强于一阶段冷轧法，更有利于高斯晶粒发生二次再结晶。
2.3 双辊薄带连铸超低碳取向硅钢
在双辊薄带连铸条件下，取向硅钢组织、织构及抑制剂的控制与常规取向硅钢完全不同，如何在铸轧条件下获得细小均匀的初次再结晶组织，足够的高斯种子和细小弥散的抑制剂，以保证高斯晶粒发生完善的二次再结晶，这是制备铸轧取向硅钢关键所在。
由于薄带连铸的快速凝固/冷却特点可以使抑制剂充分固溶在铸坯当地，本课题开创性的提出了超低碳铸轧取向硅钢新成分和工艺体系。将碳含量控制在40ppm以下和在工艺上取消热轧和常化过程，在国际上首次成功制备出二次再结晶比率超过95%，晶粒尺寸10-30mm的0.27mm厚取向硅钢原型钢，磁感值B8在 1.94T以上，达到Hi-B钢磁性能水平。
1）通过改变过热度调控铸轧初始组织，获得尺寸较小的等轴晶，并采用两阶段冷轧工艺消除铸带组织的不均匀性，从而获得具有细小晶粒尺寸的初次再结晶组织。
2）铸带冷轧后退火过程中高斯晶粒在高密度剪切带上形核长大，可以保证二次再结晶所需高斯种子的数量，并实现高斯晶核在厚度方向上的均匀分布。
3）薄带连铸的快速凝固及灵活的二次冷却工艺为抑制剂提供了柔性化的控制手段。一方面，可以通过合理选择抑制剂及控制二次冷却路径，在铸带中获得细小弥散的析出物；另一方面，也可以利用快速凝固及冷却过程，抑制薄带连铸中第二相粒子的析出，以保证在后续冷轧退火过程中的大量析出。
3 研究成果及主要影响力
在2012年3月8日国家自然科学基金委员会工程与材料学部组织的关于“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”（批准号：50734001）重点项目验收评审会上，该项目相关研究成果受到与会专家高度评价，一致认为“在高品质硅钢制备技术上取得重要突破，研究成果达到国际领先水平”。
在本课题研究成果的基础上，RAL建议并承担了国家十二五支撑计划项目“高品质硅钢铸轧生产流程关键技术集成及示范”和863高技术项目“节能型电机用高硅电工钢”，分别在沙钢建立宽度1050－1250mm硅钢薄带连铸生产示范线和在武钢建立宽度400－550mm节能高效电机用高硅钢中试研究－生产示范线，科研成果正在转化为生产力，将为高性能、节约型、低成本硅钢工业化生产发挥重要的示范作用。
在本领域主流学术期刊上发表高水平论文20余篇，申报或授权发明专利6项，培养研究生和中青年人才10余人，为我国铸轧技术的发展起到了推动作用。
4 完成人员及执笔人
主要完成人员 职称 单位
王国栋 教授（院士） 东北大学
刘振宇 教授 东北大学
许云波 教授 东北大学
张晓明 教授 东北大学
曹光明 副教授 东北大学
刘海涛 副教授 东北大学
李成刚 工程师 东北大学
张元祥 博士生 东北大学
王洋 博士生 东北大学
吴立国 硕士生 东北大学
执笔人：许云波、张元祥、王洋
5 致谢
首先感谢国家自然科学基金（钢铁联合研究基金重点支持项目）“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（50734001）”、“凝固、冷却及热处理一体化柔性调控无取向硅钢夹杂物与析出物的基础研究（U1260204）”，以及国家十二五863高技术项目“节能型电机用高硅电工钢”和国家十二五支撑计划项目“高品质硅钢铸轧生产流程关键技术集成及示范”等项目对本工作给予的资助。
对给予本研究大力支持的袁国副教授、李海军副教授、赵文柱高工、崔海涛博士、邱以清副教授、李家栋博士、王贵桥博士等老师的大力帮助和耐心指导，感谢牟俊生、谢顺卿、方烽、卢翔、焦海涛、韩琼琼等各位同学的积极参与和无私奉献。感谢沙钢研究院李化龙博士、马建超博士提供的耐心指导！后，再次衷心感谢RAL各位老师以及所有给予支持、关心和帮助的老师、同学和朋友们！
1 项目研究背景
硅钢是电力、电子和军工等领域广泛应用的重要软磁材料，主要用于制造电动机、发电机、变压器的铁芯和各种电讯器材，按重量计占磁性材料用量的90%以上，是具有高附加值和战略意义的钢铁产品。
传统硅钢流程生产工艺复杂，制造难度大，技术严格苛刻，具有高度的保密性和垄断性。以传统的厚板坯连铸-常规热轧过程为例，由于厚板坯连铸参数可控性差，导致凝固组织粗大、分布不均匀，对析出物或抑制剂缺乏有效的调控手段。为破坏有害的铸造组织，需要经过9-10个机架组成的热连轧机，总压缩比高达100左右，这不仅导致生产线流程冗长、能耗高、稳定性差等问题影响生产效率，而且使硅钢组织、织构和磁性能的控制面临一系列非常棘手、甚至难以克服的工艺“瓶颈”限制。对于无取向硅钢（NGO）而言，大压缩比、多道次热轧过程中会出现大量不利于降低铁损的有害析出物和不利于提高磁感的γ织构组分；而在取向硅钢（GO）中，由于抑制剂在连铸过程被提前消耗，必须采用铸坯高温加热或低温加热-后渗氮工艺。铸坯高温加热温度接近1400℃，大幅度降低成材率；而低温加热技术在后续热处理过程中进行渗氮处理以补偿抑制剂，技术难度大，工艺复杂。另外，热轧过程会导致AlN、MnS等抑制剂提前析出并粗化，影响对初次再结晶晶粒的钉扎效果，从而造成二次再结晶不充分，严重损害材料的磁性能。
正是由于传统流程（包括薄板坯连铸连轧技术）固有的成分、工艺设计缺陷，使其在低成本高品质的新一代电工钢开发方面显得尤为困难。例如，高效电机用钢代表了新一代低铁损高磁感无取向硅钢的发展趋势，在节能高效等方面具有显著优势。然而，采用传统工艺生产该钢种，不仅工艺复杂、成本昂贵、技术难度大，而且降低铁损、提高磁感的幅度有限，同时不利于钢带的力学性能、饱和极化强度和导热性能的改善。再如，薄规格化是提高电工钢磁性能的重要途径之一，但是常规流程的热带规格和冷轧压下量限制超低铁损薄规格电工钢开发。冷轧压下量太大，NGO硅钢会产生大量不利织构（如α和γ织构），而GO硅钢则导致抑制剂和有利高斯晶核分布密度及均匀性大大下降，从而达不到所要求的磁性能水平。
我国自70年代从日本引进硅钢生产技术至今，已经突破了国外严格的技术封锁，基本掌握了厚板坯流程制备硅钢的核心技术。目前我国硅钢总体产能过剩，但生产成本高、成材率低，高性能产品的产量、质量和品种构成仍落后于发达国家，相同牌号实物质量与国际先进水平差距较大，无法满足快速发展的各工业领域的需求。例如，高牌号GO硅钢和NGO硅钢主要依赖进口（军工需要的高性能产品无法进口），B50高于1.80T的高效电机用钢产品仍是空白。
双辊薄带连铸技术(Twin Roll Strip Casting，TRSC)是连铸领域潜力的一项新技术，是当今世界上薄带钢生产的前沿技术，是世界各大钢铁企业纷纷投入巨资竞相开发的一种短流程、低能耗、投资省、成本低和绿色环保的新工艺。双辊薄带连铸工艺不同于传统薄带的生产方法，可以省去加热、热轧等生产工序，以转动的两个铸辊作为结晶器，将钢水直接注入铸轧辊和侧封板形成的熔池内，液态钢水在短时间（亚）快速凝固并承受塑性变形而直接生产出1~6mm薄带钢。
东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（RAL）在国内较早开始薄带连铸技术研究，经过多年工作积累深刻认识到，与传统厚板坯热轧流程相比，薄带连铸技术不仅具有流程紧凑、工序缩短、节省能源、降低投资等短流程优势，而且在微观组织和织构控制上也具有独特的优越性。例如，双辊薄带连铸凝固组织和织构的可控性，为硅钢获得有利的织构提供了柔性的工艺窗口；薄带连铸的快速凝固过程，可以保证抑制剂在铸带中以过饱和固溶形式存在，使得GO硅钢无需高温加热和后渗氮工艺；取消传统热连轧过程，可抑制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；通过提高NGO硅钢中有利织构比例，保证成品GO硅钢中抑制剂及高斯晶核数量、密度和均匀性，有望开发超薄规格电工钢，极大的降低铁损，进一步提高磁性能。
正式基于上述分析，RAL抓住国际上刚刚起步、尚未系统研究的历史机遇，在国家自然科学基金（钢铁联合研究基金重点支持项目）“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”、“凝固、冷却及热处理一体化柔性调控无取向硅钢夹杂物与析出物的基础研究”，国家十二五支撑计划项目“高品质硅钢铸轧生产流程关键技术集成及示范”等课题的支持下，对基于双辊薄带连铸的高品质硅钢基础理论与工业化技术进行了大量的研究和开发工作。本研究报告重点聚焦高效电机用钢、超低碳取向硅钢以及中温加热取向硅钢等内容，主要研究薄带连铸等短流程过程电工钢微观组织、织构和析出物演变的冶金学原理、影响因素和控制方法，实现超短流程制备高品质硅钢成分和工艺的精确设计，开发具有自主知识产权的新一代硅钢原型钢，储备薄带连铸创新技术、工艺和装备的研发能力，引领世界薄带连铸技术和硅钢生产技术的发展。
2 主要研究过程
2.1 双辊薄带连铸高效电机用钢
高效电机用钢是在低碳、低硅电工钢基础上发展而来的一种较好的兼顾铁损和磁感的钢种，解决或缓解了中低牌号无取向电工钢存在的铁损和磁感相互矛盾的问题。高效电机钢的使用可以有效提高电机效率，降低能源损耗，并可缩小铁芯截面积，满足了电器产品高效率、小型化的要求。
上世纪80年代以来，日本的新日铁、川崎、NKK、往友和德国EBG等公司都先后推出了高效电机用无取向电工钢系列。新日铁主要在纯净钢质的基础上降低Si含量提高Mn含量；JFE主要是调整Si、Al成分、降低夹杂物含量和控制冷轧前织构；住友主要是加入特殊元素、控制成品织构和减薄产品厚度；川崎则是添加Al和稀土元素、控制夹杂物大小及分布。
RAL通过减薄铸带厚度、优化浇注温度和调整铸辊转速等方法成功制备了具有优异磁性能的高效率高性能电机用NGO钢，中牌号（wt%(Al +Si)=1.5）无取向硅钢的磁性能分别达到如下指标：P15/50(W/kg)=4.3、B50(T)=1.84。日本JFE和新日铁同类产品的典型值分别为：P15/50(W/kg)=4.5、B50(T)=1.70。宝钢高磁感NGO钢的典型值分别为：P15/50(W/kg)=3.7、B50(T)=1.74。也就是说，磁性能较常规厚板坯连铸流程和薄板坯连铸流程产品有显著提升。在此基础上该课题组还系统研究了铸轧无取向硅钢组织和织构控制理论与技术，发现了双辊铸轧高性能无取向硅钢在微观结构和取向控制上特点和优势。
1）双辊薄带连铸由于冷却速度很快，凝固时首先迅速生成的即是均匀的{100}<0vw>位向柱状晶，从而使得γ织构很弱或几乎没有。利用织构的遗传性可以使无取向硅钢成品中的{100}或Goss组分增加，从而提高磁感；
2）薄带连铸的铸带组织比传统热轧组织的晶粒更加粗大、均匀（平均晶粒尺寸可达到300μm以上），其晶粒尺寸甚至远大于传统热轧后经过常化（或预退火）处理的冷轧坯料，这种粗大晶粒在冷轧中生成更多剪切带从而促进Cube和Goss取向晶粒生成，有利于减少热轧过程中形成的γ织构的遗传作用，提高磁性能；
3）减薄铸带厚度可以减小冷轧压下量，从而降低晶粒的偏转角度，减少有害织构的积累，增大再结晶晶粒尺寸，更大程度的保留铸带中的{100}织构，提高成品的磁感，降低铁损和磁各向异性。
由此看来，双辊薄带连铸不仅可以大大降低建设投资和生产成本，而且在生产高性能无取向硅钢方面具有独特的优势。该流程可以取消热轧和常化（预退火），并通过合理控制过热度、铸轧、二次冷却工艺，获得晶粒尺寸合适和有利织构较强的薄带坯，再结合后续冷轧及热处理工艺，能够获得具有优异磁性能的高效率电机用钢。
2.2 高性能中温取向硅钢
与无取向硅钢不同，取向硅钢是通过Goss晶粒发生二次再结晶形成的，在轧制方向具有高磁感、低铁损的优良磁性能，主要用于各种变压器的铁芯，是电力电子和军事工业中不可缺少的重要软磁合金，其制造工艺和设备复杂，成分控制严格，杂质含量要求极低，制造工序长和影响性能因素多，是技术难度大、水平高的特钢艺术产品。
取向硅钢抑制剂的控制是保证高斯晶粒发生二次再结晶的关键因素，直接影响产品的磁性能。采用以AlN及MnS为主要抑制剂生产取向硅钢时，铸坯需经过高温加热，使铸坯中的MnS和AlN重新固溶，并在后续热轧及常化过程中细小弥散析出，以抑制初次再结晶晶粒长大，促进二次再结晶的发生。普通取向硅钢（CGO）铸坯加热温度规定为1350～1370℃，高磁感取向硅钢（Hi-B）加热温度高达1400℃。如此高的加热温度带来了能耗高、成材率低等一系列的缺点。因此，本研究选择固溶温度较低的Cu2S为主要抑制剂，成功把铸坯加热温度降低到1300℃以下，并研究了与之相适应的的冷轧及退火工艺及中温加热取向硅钢全流程组织、织构、抑制剂演变规律，在实验室条件下成功制备了B8=1.91T的高磁感取向硅钢。其冶金学研究结果表明：
1）中温取向硅钢的初次再结晶晶粒尺寸约18μm，一阶段冷轧法生产取向硅钢的初次再结晶晶粒尺寸约19μm。两阶段冷轧中间退火发生初次再结晶而使晶粒得到细化。
2) 中等压下率冷轧可以获得更多高斯取向的再结晶晶粒。例如两阶段冷轧法生产的中温取向硅钢在初次再结晶基体中高斯晶粒的体积分数为0.6%左右，一阶段冷轧法中高斯晶粒的体积分数仅为约0.3%。
3) 两阶段冷轧过程取向硅钢初次再结晶基体上，重位点阵晶界（Σ5、Σ9）以及20~45°取向偏差角所占的比例均强于一阶段冷轧法，更有利于高斯晶粒发生二次再结晶。
2.3 双辊薄带连铸超低碳取向硅钢
在双辊薄带连铸条件下，取向硅钢组织、织构及抑制剂的控制与常规取向硅钢完全不同，如何在铸轧条件下获得细小均匀的初次再结晶组织，足够的高斯种子和细小弥散的抑制剂，以保证高斯晶粒发生完善的二次再结晶，这是制备铸轧取向硅钢关键所在。
由于薄带连铸的快速凝固/冷却特点可以使抑制剂充分固溶在铸坯当地，本课题开创性的提出了超低碳铸轧取向硅钢新成分和工艺体系。将碳含量控制在40ppm以下和在工艺上取消热轧和常化过程，在国际上首次成功制备出二次再结晶比率超过95%，晶粒尺寸10-30mm的0.27mm厚取向硅钢原型钢，磁感值B8在 1.94T以上，达到Hi-B钢磁性能水平。
1）通过改变过热度调控铸轧初始组织，获得尺寸较小的等轴晶，并采用两阶段冷轧工艺消除铸带组织的不均匀性，从而获得具有细小晶粒尺寸的初次再结晶组织。
2）铸带冷轧后退火过程中高斯晶粒在高密度剪切带上形核长大，可以保证二次再结晶所需高斯种子的数量，并实现高斯晶核在厚度方向上的均匀分布。
3）薄带连铸的快速凝固及灵活的二次冷却工艺为抑制剂提供了柔性化的控制手段。一方面，可以通过合理选择抑制剂及控制二次冷却路径，在铸带中获得细小弥散的析出物；另一方面，也可以利用快速凝固及冷却过程，抑制薄带连铸中第二相粒子的析出，以保证在后续冷轧退火过程中的大量析出。
3 研究成果及主要影响力
在2012年3月8日国家自然科学基金委员会工程与材料学部组织的关于“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”（批准号：50734001）重点项目验收评审会上，该项目相关研究成果受到与会专家高度评价，一致认为“在高品质硅钢制备技术上取得重要突破，研究成果达到国际领先水平”。
在本课题研究成果的基础上，RAL建议并承担了国家十二五支撑计划项目“高品质硅钢铸轧生产流程关键技术集成及示范”和863高技术项目“节能型电机用高硅电工钢”，分别在沙钢建立宽度1050－1250mm硅钢薄带连铸生产示范线和在武钢建立宽度400－550mm节能高效电机用高硅钢中试研究－生产示范线，科研成果正在转化为生产力，将为高性能、节约型、低成本硅钢工业化生产发挥重要的示范作用。
在本领域主流学术期刊上发表高水平论文20余篇，申报或授权发明专利6项，培养研究生和中青年人才10余人，为我国铸轧技术的发展起到了推动作用。
4 完成人员及执笔人
主要完成人员 职称 单位
王国栋 教授（院士） 东北大学
刘振宇 教授 东北大学
许云波 教授 东北大学
张晓明 教授 东北大学
曹光明 副教授 东北大学
刘海涛 副教授 东北大学
李成刚 工程师 东北大学
张元祥 博士生 东北大学
王洋 博士生 东北大学
吴立国 硕士生 东北大学
执笔人：许云波、张元祥、王洋
5 致谢
首先感谢国家自然科学基金（钢铁联合研究基金重点支持项目）“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（50734001）”、“凝固、冷却及热处理一体化柔性调控无取向硅钢夹杂物与析出物的基础研究（U1260204）”，以及国家十二五863高技术项目“节能型电机用高硅电工钢”和国家十二五支撑计划项目“高品质硅钢铸轧生产流程关键技术集成及示范”等项目对本工作给予的资助。
对给予本研究大力支持的袁国副教授、李海军副教授、赵文柱高工、崔海涛博士、邱以清副教授、李家栋博士、王贵桥博士等老师的大力帮助和耐心指导，感谢牟俊生、谢顺卿、方烽、卢翔、焦海涛、韩琼琼等各位同学的积极参与和无私奉献。感谢沙钢研究院李化龙博士、马建超博士提供的耐心指导！后，再次衷心感谢RAL各位老师以及所有给予支持、关心和帮助的老师、同学和朋友们！
媒体评论
本研究突破了采用薄带连铸生产高性能电工钢中的关键科学和技术问题，具有重要的理论意义和应用价值。
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