薄帶連鑄作為當(dāng)今世界上薄帶鋼生產(chǎn)的前沿技術(shù),不經(jīng)厚板坯連鑄、加熱和熱軋等生產(chǎn)工序,由液態(tài)鋼水直接生產(chǎn)出厚度為1-5mm的薄帶坯。同傳統(tǒng)的薄帶生產(chǎn)流程相比,可節(jié)約設(shè)備投資約80%,降低生產(chǎn)成本30%-40%,能源消耗僅為傳統(tǒng)熱連軋生產(chǎn)流程的1/8。更重要的是其獨(dú)有的亞快速凝固過(guò)程,在獲得某些特殊性能方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),是實(shí)現(xiàn)高性能鋼材短流程生產(chǎn)的重要途徑。而針對(duì)硅鋼薄帶連鑄的研究目前還不深入,這為我國(guó)開展薄帶連鑄硅鋼的研究和引領(lǐng)世界硅鋼生產(chǎn)技術(shù)帶來(lái)了重要的歷史機(jī)遇。
東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(RAL)一直把雙輥薄帶連鑄技術(shù)作為一個(gè)前瞻性、儲(chǔ)備性和戰(zhàn)略性課題進(jìn)行研究。針對(duì)雙輥薄帶連鑄過(guò)程中存在的關(guān)鍵問(wèn)題,重點(diǎn)研究了如何發(fā)揮薄帶連鑄亞快速凝固特性和近終形成形過(guò)程特點(diǎn),生產(chǎn)一些常規(guī)流程無(wú)法生產(chǎn)或者生產(chǎn)難度較大的產(chǎn)品,并賦予產(chǎn)品以常規(guī)流程無(wú)法得到的特殊性能,從而為實(shí)現(xiàn)高性能鋼鐵材料的減量化生產(chǎn)提供了重要支撐。
1 薄帶連鑄技術(shù)應(yīng)用于硅鋼生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)
與傳統(tǒng)厚板坯熱軋流程相比,薄帶連鑄技術(shù)除了流程緊湊、工序縮短、節(jié)能降耗等短流程優(yōu)勢(shì)外,其亞快速冷卻過(guò)程在微觀組織和織構(gòu)控制上也具有獨(dú)特優(yōu)越性,將薄帶連鑄技術(shù)應(yīng)用于硅鋼生產(chǎn)具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì):
1)雙輥薄帶連鑄凝固組織和織構(gòu)的可控性。在研究體心立方結(jié)構(gòu)的金屬材料(鐵素體不銹鋼和硅鋼均為此種結(jié)構(gòu))時(shí)發(fā)現(xiàn),通過(guò)控制凝固的工藝條件,可以獲得不同的結(jié)晶組織,凝固組織具有極強(qiáng)的控制柔性。利用這一特點(diǎn),可以依據(jù)NGO和GO的織構(gòu)控制要求,控制澆鑄工藝,得到想要的初始凝固組織和織構(gòu),有利于提高材料的磁性能。
2)雙輥薄帶連鑄直接由鋼水凝固制備帶坯,采用固有抑制劑法生產(chǎn)取向硅鋼時(shí)無(wú)需高溫加熱,避免了常規(guī)流程高溫加熱的瓶頸問(wèn)題,更不需要后期滲氮處理。
3)薄帶連鑄為亞快速凝固過(guò)程,冷卻速度高達(dá)103℃/s以上,通過(guò)鑄后冷卻過(guò)程與后續(xù)的?;に嚺浜希梢造`活控制材料的晶粒尺寸和析出物尺寸,對(duì)于增強(qiáng)硅鋼有利織構(gòu)、提高材料的磁性能具有重要意義。
4)取消了傳統(tǒng)流程大壓縮比熱軋過(guò)程,抑制了NGO硅鋼有害的析出物和不利的γ-織構(gòu)的產(chǎn)生,避免了GO硅鋼中AlN的過(guò)早析出粗化現(xiàn)象,可以在單道次熱軋甚至無(wú)熱軋條件下生成位向準(zhǔn)確和數(shù)量足夠的高斯晶核。
5)薄帶連鑄提供了獲得薄規(guī)格鑄坯的可能性。通過(guò)減薄鑄帶厚度和優(yōu)化組織織構(gòu)控制,可以提高NGO硅鋼中有利織構(gòu)的比例,保證成品GO硅鋼中抑制劑及高斯晶核數(shù)量、密度和均勻性,有望開發(fā)(超)薄規(guī)格硅鋼,極大地降低鐵損,進(jìn)一步提高磁性能。
綜上所述,可以看出采用薄帶連鑄技術(shù)生產(chǎn)硅鋼極具發(fā)展?jié)摿?。在認(rèn)真分析目前國(guó)際上最先進(jìn)硅鋼生產(chǎn)技術(shù)的成分設(shè)計(jì)、組織與織構(gòu)控制原理以及存在的工藝技術(shù)難題的基礎(chǔ)上,結(jié)合薄帶連鑄亞快速凝固、短流程的特征優(yōu)勢(shì),RAL從2008年開始,以國(guó)家自然科學(xué)基金鋼鐵研究聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目為依托,開展了基于雙輥薄帶連鑄的硅鋼制造理論研究,并形成了系統(tǒng)的工藝和裝備技術(shù),旨在突破目前國(guó)際上現(xiàn)有硅鋼生產(chǎn)流程的限制,徹底解決其存在的問(wèn)題,開發(fā)出易控制、高效率、低成本、低消耗的綠色化短流程生產(chǎn)技術(shù),提供高性能、綠色化的硅鋼產(chǎn)品,為硅鋼生產(chǎn)開辟一條由中國(guó)領(lǐng)跑的特色化、綠色化創(chuàng)新發(fā)展道路。
2 薄帶連鑄高品質(zhì)硅鋼生產(chǎn)工藝的研發(fā)成果
目前,RAL正與我國(guó)鋼鐵企業(yè)密切合作開展薄帶連鑄GO、NGO、高硅鋼產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室條件下,系統(tǒng)開展薄帶連鑄硅鋼“化學(xué)成分—工藝—組織性能”演變及控制技術(shù)研究,開發(fā)出薄帶連鑄關(guān)鍵單體設(shè)備和核心控制系統(tǒng),形成了具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的薄帶連鑄高品質(zhì)硅鋼成套工藝與裝備技術(shù),為在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)薄帶連鑄硅鋼的工業(yè)化生產(chǎn)提供了重要支撐。薄帶鑄軋技術(shù)最本質(zhì)的問(wèn)題是,利用鑄坯成型過(guò)程不同的凝固冷卻速率,產(chǎn)生凝固組織的差異,并對(duì)其進(jìn)行有效控制,其特點(diǎn)為亞快速凝固。
1)解決了制約薄帶連鑄產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的一些瓶頸問(wèn)題,如研發(fā)出新型低成本—長(zhǎng)壽命—高換熱效率鑄輥、低成本—長(zhǎng)壽命側(cè)封板材料等。完成了關(guān)鍵裝備的研制和控制系統(tǒng)的開發(fā),實(shí)現(xiàn)了自主集成創(chuàng)新,具備了提供薄帶連鑄工業(yè)化產(chǎn)線成套裝備設(shè)計(jì)及系統(tǒng)技術(shù)的能力。
2)形成了薄帶連鑄高性能無(wú)取向硅鋼的全流程系統(tǒng)工藝技術(shù),成功制備出高磁感、高牌號(hào)無(wú)取向硅鋼原型產(chǎn)品,磁感指標(biāo)B50優(yōu)于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有產(chǎn)品0.03T以上。提供了一條無(wú)需加熱、無(wú)需常化處理、無(wú)需兩步冷軋和中間退火的短流程、低難度、低成本制造高效無(wú)取向硅鋼的全新工藝流程,為無(wú)取向硅鋼薄帶連鑄產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供了技術(shù)原型。
3)形成了薄帶連鑄高性能取向硅鋼的全流程系統(tǒng)工藝技術(shù),成功制備出0.27mm厚的普通取向硅鋼,磁感指標(biāo)B8達(dá)到1.85T,與國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有普通取向硅鋼(CGO)產(chǎn)品相當(dāng);成功制備出0.23mm厚的高磁感取向硅鋼,B8達(dá)到1.94T,優(yōu)于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有HiB產(chǎn)品。提供了一條無(wú)需高溫加熱、無(wú)需滲氮處理的短流程、低難度、低成本制造取向硅鋼的全新工藝流程,為取向硅鋼薄帶連鑄產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供了技術(shù)原型。
4)形成了基于超低碳成分設(shè)計(jì)制造取向硅鋼的全流程系統(tǒng)工藝,成功制備出0.18-0.27mm厚的高磁感取向硅鋼,B8達(dá)到1.94T,優(yōu)于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有HiB產(chǎn)品。提供了一條無(wú)需高溫加熱、無(wú)需脫碳、無(wú)需滲氮處理的短流程、低難度、低成本制造取向硅鋼的全新工藝流程,為取向硅鋼薄帶連鑄產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供了技術(shù)原型。
5)形成了基于超低碳成分設(shè)計(jì)制造高硅取向硅鋼的全流程系統(tǒng)工藝技術(shù),成功制備出0.18-0.23mm厚的4.5%Si、6.5%Si取向硅鋼,B8分別達(dá)到1.78T和1.74T,顯著優(yōu)于國(guó)外產(chǎn)品。提供了一條利用溫軋、冷軋技術(shù),無(wú)需高溫加熱、無(wú)需脫碳、無(wú)需滲氮處理的短流程、低難度、低成本制造4.5%Si、6.5%Si取向硅鋼的全新工藝流程,為高硅取向硅鋼薄帶連鑄產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供了技術(shù)原型。
東大通過(guò)多年的研究發(fā)現(xiàn),該工藝具有靈活的控制手段以生產(chǎn)不同品種的硅鋼,從而可得到不同品種所需的組織、織構(gòu)、抑制劑等,可為硅鋼生產(chǎn)提供優(yōu)質(zhì)熱軋卷。他們還特別強(qiáng)調(diào)該工藝用來(lái)生產(chǎn)硅鋼熱軋卷,具有得天獨(dú)厚、不可取代的優(yōu)勢(shì)。而且該工藝又是節(jié)能、減排、低成本的短流程工藝,大大節(jié)約了固定資產(chǎn)投入和廠房面積,被視為對(duì)傳統(tǒng)硅鋼生產(chǎn)技術(shù)的重大挑戰(zhàn)。
3 無(wú)取向硅鋼的開發(fā)
其提供的無(wú)取向鋼薄帶連軋技術(shù)原型為:形成了基于薄帶連鑄的全流程系統(tǒng)工藝技術(shù),成功制備出高磁感、高牌號(hào)無(wú)取向硅鋼,磁感指標(biāo)B50優(yōu)于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有產(chǎn)品0.03-0.04T以上。提供了一條原料更薄、無(wú)需?;幚怼o(wú)需兩步冷軋和中間退火的短流程、低難度、低成本制造高效無(wú)取向硅鋼的全新工藝流程,為無(wú)取向硅鋼薄帶連鑄產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供了技術(shù)原型。
4 常規(guī)取向硅鋼的開發(fā)
利用鋼水不同過(guò)熱度控制鑄帶的金相組織與織構(gòu)。在不同凝固條件下,采用不同抑制劑,對(duì)初次再結(jié)晶晶粒大小的影響與控制,以獲得促進(jìn)二次再結(jié)晶形成更大的驅(qū)動(dòng)力。
4.1 取向硅鋼的開發(fā)
E2Strip為制備取向硅鋼提供了一條無(wú)需高溫加熱、無(wú)需滲氮處理的短流程、低成本制造取向硅鋼的全新生產(chǎn)工藝,為產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供了技術(shù)原型。
目前,我國(guó)東北大學(xué)已在實(shí)驗(yàn)室成功制備出0.27mm厚度的普通取向硅鋼,磁感指標(biāo)B800達(dá)到1.85T,與國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有CGO產(chǎn)品性能相當(dāng);成功制備出0.23mm厚度的高磁感取向硅鋼,B800達(dá)到1.94T,優(yōu)于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有HiB產(chǎn)品。
4.2 超低碳取向硅鋼的開發(fā)
形成了基于超低碳成分設(shè)計(jì)的全流程系統(tǒng)工藝技術(shù)——E2Strip(如圖2),該工藝流程如實(shí)現(xiàn),意義將十分重大,在后工序大大簡(jiǎn)化了工藝,出現(xiàn)了一個(gè)后工序短流程的全新工藝,此工藝與前工序薄帶鑄軋工藝組合,真正實(shí)現(xiàn)了取向硅鋼生產(chǎn)工藝流程上的第四次革命。
取向硅鋼生產(chǎn)面臨的兩大難題
取向硅鋼生產(chǎn)為達(dá)到高質(zhì)、高效、節(jié)能、減排,在流程革命中面臨著兩大難題:一是在前工序利用薄帶鑄軋直接生產(chǎn)熱軋帶;二是后工序利用連續(xù)退火完成再結(jié)晶與鋼質(zhì)凈化。
5.1 節(jié)能降耗
分析取向硅鋼生產(chǎn)工藝流程的變化,影響生產(chǎn)效率與成本的兩大環(huán)節(jié),一個(gè)是前工序由鋼水→熱軋卷,二是由后工序冷軋后,經(jīng)脫碳退火涂MgO隔離層后,進(jìn)入高溫退火爐,如罩式爐,裝爐量24t,則需時(shí)間85h以上;若環(huán)形爐視裝入爐中的鋼卷數(shù)而定,目前,有的廠爐子直徑60m,裝120個(gè)卷,卷重在16t左右,則需要150h以上,簡(jiǎn)單的概念就是整個(gè)退火周期需要一個(gè)星期。前工序采用薄帶鑄軋,不僅縮短流程,而且大幅度節(jié)能,后工序真正影響時(shí)間與能耗的關(guān)鍵工序,就是鋼卷在爐中處理的時(shí)間,從不同工藝生產(chǎn)的坯料,在全流程主要工序排放的溫室氣體,可推算出對(duì)應(yīng)的能耗(見(jiàn)表3)。
5.2 退火工藝
要想提高效率,最好的辦法是開發(fā)用連續(xù)退火的方法,取代罩式爐退火或環(huán)形爐退火,這方面國(guó)外已進(jìn)行多年的探索,國(guó)內(nèi)還沒(méi)有開展研究。關(guān)鍵難點(diǎn)在于,一是二次再結(jié)晶從發(fā)生到完成所需的時(shí)間與溫度,二是抑制劑分解完成自身任務(wù)后,遺留下來(lái)的N、S等元素如何消除,即凈化需要高溫與較長(zhǎng)的時(shí)間。因此,研究的方向是,采用何種抑制劑或利用其他能量來(lái)作為二次再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力。國(guó)內(nèi)亦有人對(duì)現(xiàn)有工藝的產(chǎn)品進(jìn)行縮短二次再結(jié)晶的試驗(yàn),但是他們所采用的試驗(yàn)工藝線路模仿現(xiàn)場(chǎng),所需時(shí)間均超過(guò)1h,或板溫超過(guò)1100℃,這就導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)退火。
新日鐵公司曾以AlN作抑制劑,進(jìn)行過(guò)高溫連續(xù)爐試驗(yàn),不涂MgO,表面無(wú)底層,二次再結(jié)晶基本完成,但仍殘留更多的初次晶粒孤島,加上時(shí)間短,不易凈化除去N,因而磁性低,再說(shuō)板溫高于1000℃,成本高,如鋼帶運(yùn)行速度為50m/min,時(shí)間15min則爐長(zhǎng)750m,顯然工業(yè)化生產(chǎn)是不可能的。JFE公司采用不涂覆退火隔離劑生產(chǎn)取向鋼的新方法,要點(diǎn)是板坯加熱到1250℃熱軋,熱軋板坯經(jīng)800-1100℃退火處理,再經(jīng)二次冷軋工藝,在二次冷軋之間加中間脫碳(或不脫碳)退火,目的是首次再結(jié)晶處理,首次再結(jié)晶處理后,在700-1000℃進(jìn)行二次再結(jié)晶退火處理,但退火時(shí)間必須在5h以上,隨后不采用退火隔離劑進(jìn)行連續(xù)最終退火,處理溫度在1100℃以上,退火時(shí)間在10min以內(nèi)獲得優(yōu)良磁性,退火氣氛可用H2、Ar等,最終得到產(chǎn)品厚度0.20mm,其鐵損P17/50在0.584-0.648W/kg。
采用不加抑制劑生產(chǎn)取向鋼對(duì)采用連續(xù)高溫退火更有利,因?yàn)椴恍枰邷貎艋嘶?,最終退火溫度可降低到1050-1100℃。采用二次冷軋法,最終產(chǎn)品磁感B8=1.80-1.82T,鐵損P17/50=1.25W/kg(0.23mm),1.35-1.40W/kg(0.30mm),適合制造小變壓器和磁屏蔽。
意大利Terni公司提出,以AlN+滲氮方案,即:脫碳退火和900-1000℃滲氮后→在連續(xù)爐PH2O/PH2<0.01干的N2+H2氣氛下0.30mm,1100℃保溫15min,0.23mm保溫1min40s,進(jìn)行二次再結(jié)晶退火+涂MgO→進(jìn)罩式爐1200℃凈化約10h,最終產(chǎn)品0.23mm,B8=1.91T,P17/50=0.9W/kg,其所以能在連續(xù)爐完成二次再結(jié)晶主要理由是:由于高溫滲氮處理直接形成AlN,加強(qiáng)抑制力,阻礙初次晶粒長(zhǎng)大,所以不影響織構(gòu)形成。
6
薄帶鑄軋技術(shù)連續(xù)生產(chǎn)無(wú)取向硅鋼的可行性
6.1 難點(diǎn)
以東大提供的薄帶連軋技術(shù)為原型,開始無(wú)取向硅鋼全過(guò)程連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)的探索。
難點(diǎn):1)要求熱軋帶有良好的板型;2)不影響冷軋產(chǎn)品的表面質(zhì)量;3)進(jìn)入冷軋機(jī)前,熱軋卷無(wú)邊裂;4)冷軋機(jī)與熱軋帶生產(chǎn)間的能力平衡(涉及軋機(jī)配置架數(shù));5)冷軋機(jī)出口速度與連續(xù)退火間的能力平衡;6)萬(wàn)一某工序出現(xiàn)故障,會(huì)影響全線,特別對(duì)煉鋼和澆注影響更大。
6.2 目前常規(guī)無(wú)取向熱軋卷已實(shí)現(xiàn)的可連續(xù)化生產(chǎn)工序及品種
1)熱軋帶(2.0-2.5mm)→酸洗→冷連軋→卷取;
2)中低牌號(hào)50W470以下正常生產(chǎn)效率很高;
3)寶鋼2015年已成功用酸洗冷連機(jī)生產(chǎn)50W270高牌號(hào)無(wú)取向硅鋼。
7
建議
就冷軋硅鋼制造業(yè)來(lái)說(shuō),今后創(chuàng)新的方向肯定是要進(jìn)一步縮短工藝流程,因而東北大學(xué)E2Strip顛覆性的硅鋼生產(chǎn)技術(shù)符合“十三五”規(guī)劃要求,理應(yīng)成為首選,為此建議如下。
7.1 促進(jìn)東大技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的試驗(yàn)工作
1)通過(guò)產(chǎn)業(yè)化、大批量試驗(yàn),進(jìn)一步確認(rèn)磁性與鋼帶外觀質(zhì)量(如厚度差、表面、板型、邊裂等);
2)進(jìn)一步明確為適應(yīng)鑄軋薄帶后工序相對(duì)應(yīng)采取的工藝與設(shè)備,必須建設(shè)更有針對(duì)性的冷軋廠;
3)通過(guò)工業(yè)化試驗(yàn)確認(rèn)薄帶鑄軋工藝設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性(特別是三大件如:側(cè)封板、布流板、結(jié)晶輥的使用壽命和更換周期)。
7.2 寶武集團(tuán)青山基地最有條件采用本技術(shù)生產(chǎn)硅鋼
就目前各冷軋硅鋼生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō),最有條件建產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線的企業(yè)是中國(guó)最老的冷軋硅鋼生產(chǎn)企業(yè)——原武鋼,原因是原武鋼有4個(gè)冷軋硅鋼廠,2016年公司停止了一硅鋼廠生產(chǎn)。由于武鋼在2016年硅鋼總產(chǎn)量大幅下調(diào),因此,二煉鋼廠部分煉鋼爐將停產(chǎn)。如在二煉鋼廠現(xiàn)有車間,拆除一條厚板坯連鑄生產(chǎn)線,新建東北大學(xué)的薄帶連續(xù)鑄軋產(chǎn)線(帶兩臺(tái)卷取機(jī)),可形成年產(chǎn)40萬(wàn)噸1.5-2.0mm×1250mm×L的、全新技術(shù)的硅鋼前工序生產(chǎn)線。二煉鋼廠與一硅鋼廠結(jié)合,將成為世界上首條大型薄帶鑄軋硅鋼生產(chǎn)線,若取得成功,原武鋼的硅鋼生產(chǎn)將徹底改變面貌,或?qū)⒊蔀槭澜缟鲜鬃咂焚|(zhì)、高效率、低能耗、低成本、低排放的硅鋼生產(chǎn)企業(yè)。
7.3 以開發(fā)極薄帶優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步優(yōu)化磁性,有可能與非晶帶競(jìng)爭(zhēng)
東大開發(fā)的極薄帶(0.08mm)取得令人十分欣喜的結(jié)果,其指標(biāo)有可能與非晶帶競(jìng)爭(zhēng)。利用薄帶鑄軋的優(yōu)勢(shì),后續(xù)專門建設(shè)了一座極薄帶生產(chǎn)廠(厚度范圍在0.02-0.10mm)含分條、酸洗、軋制、熱處理與涂層等主要工序。
7.4 支持具有創(chuàng)新精神的民營(yíng)企業(yè)進(jìn)入
2016年5月,東北大學(xué)與河北敬業(yè)集團(tuán)正式簽訂E2strip薄帶鑄軋生產(chǎn)硅鋼技術(shù)轉(zhuǎn)讓合同,合同內(nèi)容包括:硅鋼品種、產(chǎn)能、成套設(shè)備及工藝技術(shù)。合同分兩期,第一期主要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)硅鋼不同品種的熱軋卷,工期限定在2017年底完成。該工藝如達(dá)到預(yù)定目標(biāo),將是中國(guó)硅鋼生產(chǎn)工藝流程的一場(chǎng)革命。
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