取向硅钢简介

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取向硅钢也称冷轧变压器钢,是一种应用于变压器(铁芯)制造行业的重要硅铁合金。它的生产工艺复杂,制造技术严格,主要分为普通取向硅钢(CGO)和好磁感应取向硅钢(Hi-B)。取向硅钢是1930年美国的高斯(N.P.Goss)首次发现的。普通取向硅钢硅含量2.9%-3.3%,公称厚度0.20 mm,0.23 mm,0.27 mm,主要应用在制造变压器;高磁感取向硅钢硅含量2.9%-3.3%,公称厚度0.30 mm,0.35 mm,主要应用在制造电信与仪表工业中的各种变压器、扼流圈等电磁元件。

1.取向硅钢的国内外发展情况

(1)普通取向硅钢(CGO)的发展

1930- 1967年主要是冷轧普通取向(GO)板的发展阶段。1930年美国的高斯(N.P.Goss)在1926年本多光太郎(K.Honda)等已发表的Fe单晶体磁各向异性实验结果的启发下,采用冷轧和退火的方法开始实验。1933年高斯采用两次冷轧和退火方法制成沿轧向磁性高(具有{110}〈 001〉织构)的3%硅钢(此硅钢也称单取向或Goss取向冷轧硅钢),1934年申请专利并公开发表。同一年Armco钢公司按高斯专利技术与Westinghouse电气公司合作组织生产。随后Allegheny Ludlum(ALC)钢公司与General Electric电气公司合作也开始生产。其后Armco公司采用快速分析微量碳等技术和不断改进制造工艺及设备,产品质量逐步提高,并申请了一系列专利。Armco钢公司的冷轧普通取向硅钢专利技术先后卖给美国ALC(1955年)、USS(1953年)、英国BSC(1956年)、日本八幡(1958年)、法国Chatillon、比利时Cockerill、前西德Thyssen、瑞典Surshammar和意大利Terni等公司,长期垄断了世界冷轧取向硅钢的生产。普通取向硅钢产量的80%都是按Armco专利生产的;其他20%也是采用类似的两次冷轧法生产的(如前苏联);随后美国ALC公司协助加拿大Dofasco、韩国浦项和波兰Huta等公司生产。

取向硅钢

(2)高磁感应取向硅钢(Hi-B)的发展

从1958年到1967年期间,普通取向硅钢的磁性基本处于稳定状态。产品铁损P15值下降到不足0.05 W/k,只相当于提高半个牌号,在生产工艺方面没有很大的进展。从1961- 1994年期间高磁感应取向硅钢迅速发展。1953年日本新日铁公司(前八幡厂)田中悟等发现含0.05%C,2.94%Si,0.02%Al和0.006 2%N的249号一炉钢经过一次大压下率冷轧和退火后,{110}〈001〉取向度和磁性明显高于普通取向硅钢。1961年在引进Armco专利基础上,首先试制AlN+ MnS综合抑制剂的高磁感应取向硅钢。1964年开始生产并命名为Hi-B,但磁性不稳定。新日铁的Hi-B专利先后卖给美国Armco(1971年)、前西德THyssen(1972年)、中国武钢、比利时Cockerill和法国Chatillon(1974年)及英国BSC(1975年)等钢铁公司。在以后的短短几十年内以日本为主的Hi-B生产发展迅速。

(3)我国取向硅钢的起步及发展

1952年太原钢铁厂首先试制热轧低硅钢板(1%~ 2%)试制3%Si冷轧取向硅钢材,采用两次冷轧和退火的合适工艺以及慢升温高温退火工艺制成了{110}〈 001〉取向硅钢。1959年太原钢铁厂和鞍山钢铁公司先后开始试生产取向硅钢。1964年钢铁研究院采用MnS抑制剂,使取向硅钢磁性和磁稳定性明显提高。武钢是当时我国唯一一家能够生产冷轧取向钢片的企业,1974年与日本新日铁公司签订年产量6.8万t(取向硅钢占2.8万t)和11个牌号冷轧硅钢专利技术及制造设备协议。1979年武汉钢铁公司按日本专利正式生产11个牌号冷轧硅钢。1982年对专利进行考核成才率到80%~ 85%,牌号合格率在80%以上,已达到国际水平,产品优于欧洲同类产品。到2005年,武钢股份国内独家生产的取向硅钢产量达到13.21万t,无取向高牌号硅钢产量达到6.08万t。取向硅钢和无取向高牌号硅钢的市场份额得到巩固和提高,分别达到30.27%和10%以上。武钢2006年全年硅钢产量预计可达100万t,其中20万t为取向硅钢。2007第二硅钢厂的建成,已经具备了28万t/a的生产能力。近年来,随着我国钢铁工业生产技术的进步,已经有十余家企业具备取向硅钢生产能力,其中武钢、宝钢、首钢具备高磁感取向硅钢全流程生产能力,且产品质量水平进步很快;广东盈泉、山东以利奥林、福建新万鑫等民营企业也通过购入热轧板甚至冷轧板进行后工序生产的方式进入了取向硅钢市场,其中多家企业准备进一步扩大产能。近期,还有若干企业正在或计划上马取向硅钢生产项目,且设计产能很大。可以说,曾经皇帝女儿不愁嫁、被称为“钢铁工业的工艺品”的取向硅钢的市场前景颇为严峻。

2.取向硅钢的生产工艺及其发展

取向硅钢的制造工艺和设备复杂,对化学成分的要求极严格,规定的成分范围很窄,要求极低杂质含量,影响性能因素很多。目前,取向硅钢的生产基本上都是采用冷轧的工艺方法。取向硅钢的生产特点是以MnS(MnSe)为抑制剂和二次中等压下率冷轧法。G9以上高牌号加少量铜。Hi-B按采用的抑制剂和制造工艺不同可分为3种方案:(1)日本新日铁发展的以AlN为主并以MnS为辅的抑制剂和一次大压下率冷轧法,其磁性高且稳定,是最通用的Hi-B产品制造工艺。G7H以上0.30- 0.18mm厚高牌号加少量铜和锡(或锑),部分产品经激光照射细化磁畴。(2)日本川崎发展的以MnSe(或MnS)+ Sb为抑制剂和二次中等压下率冷轧,最终退火经二次再结晶和高温净化二段式退火工艺,其磁性略低于(1)方案且不稳定。高牌号中常加入少量钼。(3)美国GE和AlC公司发展的以N+ B+ S晶界偏聚元素为抑制剂和一次大压下率冷轧法,因为固溶硫含量比较高,锰含量较低,MnS≤ 2.1,热轧板边裂严重,其磁性也比较低且不稳定,现已很少用。用MnS或MnSe抑制剂时,铸坯必须经1 350-1 400℃高温加热使粗大MnS或MnSe固溶。用AlN抑制剂时,最终冷轧前必须经高温常化处理析出细小AlN。单独用AlN或晶界偏聚元素抑制剂时,铸坯加热温度可降到1 200- 1 250℃。

3.取向硅钢的性能

由于取向硅钢中存在织构故而取向硅钢具有明显的磁各向异性。取向硅钢最典型的特点是铁损低、磁导率高,轧向与其他方向相比具有极低的铁损。取向硅钢的发展也就是铁损降低的发展过程。铁损取向硅钢除了具有上述的非常优秀的磁性能以外,还有良好的机械加工性,充填系数也非常高,经冷轧后高达96%。

4.取向硅钢的研究进展

自从1933年高斯通过冷轧和退火成功研制出取向硅钢以来,各国的科研工作者就致力于取向织构异常长大的研究。Dunn指出高斯织构是由二次再结晶形成的。Beck认为初次再结晶由于抑制剂的存在,抑制其正常长大,为二次再结晶创造条件。Deter,walter和Dunn提出第三种机制,认为取向织构的异常长大是由于厚度限制作用和表面自由能差异产生的。从工艺角度来说,采用了异步轧制、连铸连轧、快凝法、CVD法和常规工艺,制造出高质量的取向硅钢。另外,在退火过程中,外加场(如电场、磁场)的施加,改变了取向硅钢初次再结晶的晶粒尺寸并造成了织构的变化。在国内东北大学首先将电场引用到取向硅钢中去,应用激光细化磁畴,对最终获得高磁感应取向硅钢具有重要意义。该校还对异步轧制剪切变形条件下再结晶织构进行了模拟比较。钢铁研究院对不同抑制剂下取向硅钢的再结晶行为进行了分析,并研究了二次再结晶织构形成,对二次再结晶进行探究。对于织构的形成原理尚没有确定理论。一些学者认为重位晶界(Coincidence Site Latice,CSL)具有高的移动性,导致晶粒异常长大。Harase和他的合作者认为,在各种CSL晶界中∑ 9对于(110)〈 001〉织构的形成起着重要的作用。Lin等试验观察认为初次再结晶基体中∑ 3- ∑ 9晶界占13%,这些晶界具有高的可动性。另有学者认为,差取向范围再20- 45℃之间的晶界,高能晶界(High Energy,HE)对于晶粒异常长大起重要的作用。Engler提出了“取向钉扎”(Orientation Pinning,OP)理论:小角度晶界和孪生晶界不利于长大,其理论基础与高能界模型关于晶界迁移相类似。

高斯织构形成机理虽不确定,但有几个必要条件已确定:

(1)冷轧织构的(111)〈112〉组分必须保留,生产工艺重的两次冷轧和中间退火可满足这一要求。

(2)一次再结晶中已存在Goss取向的亚晶,它将在二次再结晶中起形核核心作用。

(3)合金中弥散的MnS,AlN等微细质点抑制一次再结晶晶粒的长大,在二次再结晶过程中有利于Goss取向晶粒的选择生长,且高于一定的温度后弥散的质点逐渐溶解。