不同连铸工艺生产电工钢的工艺技术比较.pdf

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不同连铸工艺生产电工钢的工艺技术比较1 不同连铸工艺生产电工钢的工艺技术比较2 不同连铸工艺生产电工钢的工艺技术比较3 不同连铸工艺生产电工钢的工艺技术比较4 不同连铸工艺生产电工钢的工艺技术比较5
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不同连铸工艺生产电工钢的工艺技术比较25不同连铸工艺生产电工钢的工艺技术比较TechnicalComparisononProductionofElectricalSteelswithDifferentContinuousCastingProcess吴开明(武汉科技大学冶金工业过程系统科学湖北省重点实验室钢铁新材料与焊接技术研究所,武汉430081)—WUKaiming(InstituteofAdvancedSteelsandWeldingTechnology,HubeiProvinceKeyLaboratoryofSystemsScienceinMetallurgicalProcess,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430081,China)摘要:结合常规厚板坯工艺、中等厚度板坯工艺和薄板坯工艺生产电工钢的工艺技术特点、板坯铸态组织、析出物的分布和大小、铸坯表面质量等方面进行了工艺技术比较,为电工钢的生产工艺选择和铸坯质量控制提供技术参考。关键词:薄板坯工艺;厚板坯工艺;电工钢;工艺技术比较中图分类号:TG111;TG142文献标识码:A———文章编号:10014381(2010)09002504Abstract:Fortheproductionofelectricalsteelswiththinslab,mediumthinslabandconventionalcontinuouscastingprocess,technicalcomparisonsweremadeontheirtechnologicalaspectssuchasslabcastmicrostructures,distributionandsizeofprecipitates,slabsurfacequality,whichcanprovidetechnicalconsiderationsinchoosingproductionrouteandslabqualitycontrolforelectricalsteels.Keywords:thinslabprocess;thickslabprocess;electricalsteel;technicalcomparison电工钢,包括取向电工钢和无取向电工钢,是制造电机、变压器和镇流器铁芯以及各种电器元件用以节能的最重要的金属功能材料。据统计,一个国家的6O以上的电量都是由这些电工钢制造的电机、变压器和电器消耗掉的。近年来我国的发电量以较大的幅度增长,特别是随着三峡水电工程的投入运行和长江上游大型水力发电系统以及其他大型核电、火电发电系统的建设,我国的发电量将大幅度增加,因此必将带动电工钢的强劲需求。随着国民经济的健康快速发展,国内电能以及电器的消费量不断增加。另外,我国各类电器的出口量也逐年大幅度增加。因此,冷轧电工钢的生产和消费在我国还有较大的发展空间。冷轧电工钢在国内和国际上主要是采用常规厚板坯工艺生产,如国内最早生产冷轧电工钢的武钢公司和在国际冷轧电工钢方面享有盛名的新日铁公司。随着冶金技术的进步,近年来由于成本和工艺优势,薄板坯连铸连轧工艺获得了飞速发展。到目前为止,薄板坯连铸连轧工艺几乎可以生产常规厚板坯工艺的所有品种。比如,德国的蒂森公司和意大利的Terni公司已经利用薄板坯连铸连轧技术商业生产电工钢和不锈钢等高难品种[1],美国Armco公司的中等厚度铸坯的连铸连轧工艺生产少量电工钢]。本工作主要就三种工艺流程(常规厚板坯连铸连轧工艺、中等厚度薄板坯连铸连轧工艺、薄板坯连铸连轧工艺)生产电工钢(包括低碳低硅电工钢、无取向硅钢和取向硅钢)的工艺技术特点、板坯铸态组织、析出物的分布和大小、板坯表面质量、成材率以及生产操作等方面及其对电工钢铸坯产量和质量的影响进行综合分析和技术比较。1三种工艺的冷却制度对氧化物和硫化物析出的影响对于薄板坯连铸工艺和中等厚度铸坯连铸工艺,冷却强度大,冷却速率快。在快速凝固过程中析出的氧化物多且细小。后滕裕规等的实验研究表明,当快速凝固时的冷却速率为100K/s时,氧化物以0.35~O.75m的粒径为主。北京科技大学的周德光等和柳得鲁等对珠江钢厂的紧凑式热轧带钢生产(CompactStripProduction,CSP)工艺中的Q235钢的氧化物和硫化物析出行为的研究表明,铸坯中的氧化物主要为氧化铝和铝酸盐,尺寸在10tLm以内,大部分在2 ̄5,um,硫化物为30 ̄200nm的细小析出物]。26材料工程/2010年9期对于取向硅钢,析出的MnS和AlN等析出物应细小和均匀。对于无取向硅钢,在铸坯中尽量避免存在这样细小的夹杂物,必须采取相应的措施使这些夹杂物粗化。据日本西本昭彦的专利介绍_6],铸坯采用℃直接热轧法,铸坯冷到1000以上(铸坯内部温度为℃110041150),先经大于10的压下率粗轧到30~℃40mm的薄板坯,并在表面温度大于950时保持30s后再进行精轧,目的就是使铸坯中的夹杂物粗化。对于厚铸坯连铸工艺,冷却强度小,冷却速率慢,厚铸坯的凝固冷却速率约为10K/s。在慢速凝固过程中析出的氧化物数量少但粗大。黄宗泽等口对宝钢二炼钢的低碳铝镇静钢中的夹杂物的研究表明,尺寸1~10m。的夹杂物约占60,10~20/ ̄m的夹杂物约占2O,20~50m的夹杂物约占20(表1)。对于厚铸坯连铸机,铸坯中夹杂物粗大,与薄板坯连铸工艺相比,对无取向硅钢的生产有利。但是对于取向硅钢,厚板坯中的夹杂物尺寸过大。为了使铸坯中的MnS和AlN溶解,需要采取高温加热工艺。表1三种工艺铸坯中夹杂物的析出行为比较Table1Comparisonofprecipitationbehaviorofinclusionsforthreedifferentprocesses2三种工艺连铸坯的铸态和轧态组织及其对电工钢铸坯质量的影响由于薄板坯和中等厚度板坯连铸连轧与传统厚板坯工艺在铸坯的冷却制度存在显著不同,连铸板坯的原始铸态组织与厚板坯工艺相比具有较大的差别[8,93。由于薄板坯连铸过程中冷却强度大以及带液芯压下,减少了粗大的一次枝晶并使二次枝晶破碎,从而得到形状较规则、晶粒尺寸较细小的铸态组织。文献报道I4],其一次枝晶宽度为0.25~1.83mrn,二次枝晶宽度为52~18Oml4],靠近铸坯表面层和中心层的差另0很,J、¨8j。对于厚板坯连铸工艺,由于冷却强度小,连铸板坯的原始铸态组织粗大,柱状晶发达,一次柱状晶可达几百微米至几毫米,二次枝晶为200~500/ ̄m口。同时,在柱状晶之间存在着显微偏析,中心等轴晶区偏析也较严重(表2)。因此,在厚板坯连铸工艺中,铸态组织粗大和不均匀。厚板坯连铸带材的力学性能不如薄板表2三种工艺的铸态与轧态组织比较—Table2Comparisonofcastandhotrolledmicrostructuresandpropertiesforthreedifferentprocesses坯连铸连轧带材的性能均匀稳定口。图1(a)为传统厚板坯工艺和薄板坯工艺生产的3(质量分数,下同)Si取向硅钢的铸态组织。由图1可以看出,传统厚板坯工艺生产铸坯的铸态组织的柱状晶发达,等轴晶比例较小(约309/6);薄板坯连铸连轧工艺生产铸坯的铸态组织看不出明显的柱状晶,等轴晶比例较大(约80)。图2(a)为传统厚板坯工艺生产的1.45Si无取向硅钢的铸态组织(过热度℃20~3O),图2(b)为薄板坯连铸连轧工艺生产的1.4OSi的无取向硅钢的铸态组织[1。由图2可以看出,传统厚板坯工艺生产的无取向硅钢铸坯的等轴晶比例小,薄板坯连铸连轧工艺生产的无取向硅钢铸坯的等轴晶比例大。图3为薄板坯和传统厚板坯铸坯中碳和硫的偏析对比口。由图3可以看出,薄板坯比传统厚板坯铸坯的成分偏析小。由于上述这些变化,薄板坯连铸连轧不同连铸工艺生产电工钢的工艺技术比较27图1传统厚板坯工艺和薄板坯连铸连轧工艺生产取向硅钢的铸态组织(a)传统工艺210mm厚铸坯;(b)实验室模拟薄坯工艺50ram厚铸坯Fig.1Caststructuresoforientedsiliconsteelproducedbyconventionalcontinuouscastingprocessandthinslabcontinuouscasting(a)210mm-thickslabproducedbyconventionalcontinuouscastingprocess;(b)50r—amthickthinslabcontinuouscastingproducedinlaboratory图2传统厚板坯工艺和薄板坯连铸连轧工艺生产无取向电工钢的铸态组织(a)传统工艺生产的Si为1.45的无取向电工钢的铸态组织;(b)薄板坯工艺生产的si为1.40的无取向电工钢的铸态组织Fig.2Caststructuresofnon-orientedsiliconsteelproducedbyconventionalcontinuouscastingprocessandthinslabcontinuouscasting(a)conventionalcontinuouscastingprocess(1.45Si);(b)thinslabcontinuouscasting(1.40Si)图3薄板坯和厚板坯连铸坯中的成分偏析对比Fig.3Comparisonofsegregationbetweenthinslabandconventionalcontinuouscasting…带材的力学性能较传统工艺带材的性能均匀稳定,屈服强度和伸长率有较大幅度的提高(对于Q235屈Ⅲ服强度提高约1倍)。图4为薄板坯连铸连轧产品与传统热轧产品各20个普碳钢带卷力学性能的比较m]。图4说明,薄板坯连铸连轧带材的力学性能较传统工艺带材的力学性能均匀。图5为传统工艺和薄板坯工艺生产的1.2Si的无取向硅钢的热轧态组织m]。从图5可以看出,对于传统工艺,热轧板中心存在少量的带状组织;对于薄板坯工艺,热轧板组织均匀。图4薄板坯与传统热轧产品的力学性能比较Fig.4Comparisonofmechanicalpropertiesbetweenthinslabandconventionalcontinuouscastingproducts)(o口昌盘0口付_I力28材料工程/2010年9期图5传统工艺(a)和薄板坯工艺(b)生产的1.2si的无取向电工钢的热轧态组织—Fig.5Hotrolledstructuresof1.2Sinonorientedelectricalsteelproducedbydifferentprocesses(a)conventionalcontinuouscasting;(b)thinslabcontinuouscasting从以上分析可以看出,由于薄板坯连铸工艺,铸态组织晶粒尺寸细小,一次枝晶宽度为0.25~1.83mm,二次枝晶宽度为52~180t ̄m_4],靠近铸坯表面层和中心层的差别很小¨8],偏析也少,热轧板组织均匀。对于厚板坯连铸工艺,铸态组织粗大,热轧板组织不均匀,导致厚板坯连铸带材的力学性能不如薄板坯连铸连轧带材的性能均匀稳定。3三种工艺的铸坯表面质量对于薄板坯工艺,由于采用漏斗型结晶器和强制冷却制度以及高拉速生产铸坯,铸坯表面容易造成卷渣和夹渣等形成表面缺陷。铸坯温度较高,形成的二次铁皮比传统板坯工艺要稍厚,氧化铁皮压入可造成表面缺陷。总的来说,薄板坯铸坯表面质量不如厚板坯好。但是,经过对薄板坯工艺的不断完善与发展,表面质量不断提高,可达03板的要求(标准表面质量,较小暴露件)。由于表面质量的提高,薄板坯工艺生产的热轧板可替代部分冷轧板。德国的蒂森公司已经采用薄板坯商业生产硅钢,2002年生产了3O万吨无取向硅钢]。意大利的Terni公司也已经采用薄板坯商业生产无取向和取向硅钢,在2002年的产量中,硅钢的产量占12%,无取向和取向硅钢各占一半。对于中等厚度规格的薄板坯,由于铸坯厚度增加以及采用直型铜板结晶器,保护渣的卷入及纵裂缺陷减少,表面质量提高。其次,中等厚度的铸坯在凝固过程中避免了强制变形,有利于减少内部和表面裂纹。由于上述特点,中等规格的薄板坯的表面质量几乎可以满足各种钢的要求。但到目前为止,只有美国的Armco公司(世界上第一家生产取向硅钢的企业)1996年生产了0.1的硅钢(其余为55.6的低碳钢和35.1的不锈钢等)_】。对于厚板坯工艺,由于采用直型结晶器和缓慢冷却制度以及低拉速生产硅钢,铸坯表面质量好。同时,铸坯通过在线或离线的表面清理,可以生产各种优质产品,如硅钢、汽车板、不锈钢等。基于对上述三种工艺的分析,薄板坯连铸机已经能生产电工钢,其表面质量能满足电工钢的质量要求。除了半工艺电工钢外,取向电工钢和无取向电工钢都有涂层工艺,薄板坯的表面质量对成品的表面质量影响不明显。此外,由于薄板坯连铸连轧工艺生产的产品板形好,比常规厚板坯工艺生产的产品更能满足用户对产品表面平整度的要求。4结论(1)由于薄板坯连铸工艺冷却强度大、冷却速率快,铸态组织晶粒尺寸细小,一次枝晶宽度为0.25~1.83mm,二次枝晶宽度为52~180 ̄m,靠近铸坯表面层和中心层的差别很小,偏析少。对于薄板坯连铸工艺,由于铸坯温度较高,形成的二次铁皮比传统板坯工艺要稍厚,氧化铁皮压入可造成表面缺陷,总的来说,薄板坯铸坯表面质量不如厚板坯好。(2)由于厚板坯连铸工艺冷却强度小、冷却速率慢,铸态组织粗大,热轧板组织不均匀,导致厚板坯连铸带材的力学性能不如薄板坯连铸连轧带材的性能均匀稳定。对于厚板坯工艺,由于采用直型结晶器和缓慢冷却制度以及低拉速生产硅钢,铸坯表面质量好。同时,铸坯通过在线或离线的表面清理,可以生产各种优质产品,如硅钢、汽车板、不锈钢等。参考文献r1]BRASCUGLIG,MASCANZONIA,QUIXF,eta1.FirstCSPplantforstainlesssteelatAST,Italy[A].Proceedingsofthe“SteelConferenceStahl2000一TalkaboutSteel,I[c].Dusseldorf,Germany:TheGermanIronandSteelInstitute(VDEh),2000.[2]阿姆科.Conroll连铸一连轧厂的运行效果[J].国际钢时代,1998,9:8一I2.—r3]OOTOHIR0KI,YAMAGUCHIKOICHI,OGIBAYASHISHIGEAKI,eta1.Behaviorofoxideprecipitationduringrapidsolidification——ofsteel[J].Tetsuto-Hagane,1997,83(12):833837.[4]周德光,傅杰,王中丙,等.CSP薄板坯的铸态组织特征[A].2002年薄板坯连铸连轧国际研讨会[c].广州:中国金属学会,2002.—E5]柳得鲁,陈南京,霍向东,等.EAFCSP工艺低碳钢中的纳米级沉淀粒子研究[A].2002年薄板坯连铸连轧国际研讨会[c].广州:中国金属学会,2002.(下转第32页)32材料工程/2010年9期20/(。1图5铜含量为58.O5%的C镀层不同温度下的XRD图谱Fig.5XRDpatternsofplatingCwith58.o6%Cuatdifferenttemperatures3结论—(1)焦磷酸盐SnCu合金镀液中焦磷酸铜和焦磷—酸钾浓度对SnCu合金镀层组成影响显著,二者浓度提高,合金镀层中铜含量显著增加。当镀液中焦磷酸铜浓度从10g・L增加到30g・Lu。,焦磷酸钾由110g・L增加至161g・L时,镀层中铜含量由20.18提高到58.05。(2)实验范围内,合金镀层镀态结构受电化学过程控制,与镀层铜含量无关,主要物相为T)一Cusn。—(3)不同组成的SnCu合金镀层在300,400,℃500不同温度下热处理1h后,均能发生相变,相对于镀态,析出电子化合物中铜含量趋于增加。温度变化对铜含量为20.18%和58.05的镀层影响较小;铜含量为3l_01的合金镀层,温度升高,其组织结构向着铜含量降低的物相结构转变,有新相生成。参考文献—Eli任建国,何向明,姜长印,等.锂离子电池中纳米CuSn合金负极—材料的制备与性能研究[J].金属学报,2006,42(7):727732.[2]BAZINL,MITRAS,TABERNAPL,eta1.Highratecapability——pureSn-basednanoarchitecturedelectrodeassemblyforrecharge—ablelithiumbatteries[J].PowerSources,2009,1889(2):578582.—[3]HUANGLing,ZHENGXiao-mei,wuYun-shi,eta1.Electrodeposi—tionandlithiumstorageperformanceofnovelthreedimensional——porousFeSbPamorphousalloyelectrode[J].Electrochemistry—Communications,2009,11(3):585588.———[4]KEFusheng,HUANGLing,JIANGHonghong,eta1.Fabrica—tionandpropertiesofthree-dimensionalmacroporousSnNialloyelectrodesofpreferential(110)orientationforlithiumionbatter—ies[J].ElectrochemistryCommunications,2007,9(2):228232.[5]赵海鹏,何向明,姜长印,等.锂离子电池锡基合金体系负极研究—[J].化学进展,2006,18(12):17101718.[6]关云山,张爱华,李晓昆,等.锂离子二次电池合金负极材料的研—究进展[J].化学世界,2007,(11):689693.——[7]JIANGTao,ZHANGShiehao,QIUXinping,eta1.Preparation——andcharacterizationoftinbasedthreedimensionalcellularanod—forlithiumionbattery[J].PowerSources,2007,166(2):503508.———E8]PUWeihua,HEXiangming,RENJianguo,eta1.Electrodeposi—tionofSnCualloyforlithiumbatteries[J].ElectrochimicaActa,—2005,50(20):41404145.[9]蒲薇华,任建国,万春荣,等.电沉积制备锂离子电池Sn-Cu合金—负极及性能研究[J].无机材料学报,2004,19(I):8692.[103王祝堂,田荣璋.铜合金及其加工手册[M].长沙:中南工业大学—出版社,2002.2331.基金项目:山东省自然科学基金资助项目(ZR2009FM021);山东省高等学校科技计划项目(J09D03)———收稿日期:2010一O129;修订日期:20100629作者简介:冯立明(1965),男,硕士,副教授,主要从事材料表面处理及新能源材料领域教学与研究,联系地址:济南市临港开发区凤鸣路山东建筑大学材料学院(250101),E-mail:flm@sdjZU.edu.cn米{l÷米米米米米米米米来米米柴米米米米米米米米米来米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米(上接第28页)’[6]西本昭彦,细谷佳弘,占部俊明.无方向性电磁钢板的制造方法——[P].日本专利:平3-260017,19911120.[7]黄宗泽,唐海波,郑建忠.镀锡板用低碳铝镇静钢钙处理的实验研究JR].上海:宝钢技术中心,2002.[8]康永林,柳得橹,傅杰,等.薄板坯连铸连轧CSP生产低碳钢的—组织特征[J].钢铁,2001,36(6):4043.[9]于浩,康永林,王克鲁,等.CSP低碳钢薄板连铸坯的连续冷却—转变及显微组织细化[J].钢铁研究学报,2002,14(1):4246.[1O]刘中柱.冷轧硅钢中非金属夹杂物及第二相粒子行为研究[D].北京:北京科技大学,2001.[11]黄刚,吴开明,焦国华,等.薄板坯连铸连轧低碳微合金高强度钢—的力学性能与组织控制[J].世界钢铁,2009,9(2):3739.[12][13]吴开明.武汉科技大学研究报告[R].武汉:武汉科技大学,2008.谢泰丰,梁永林.不同流程连铸连轧工艺的综合经济比较与选—择[J].轧钢,2001,2(18):2527.—基金项目:教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-050680);湖北省自然科学基金计划青年杰出人才基金项目(2OO6ABBO37)————收稿日期:20100131;修订日期:20100602作者简介:吴开明(1966一),男,教授,博士,博士生导师,主要从事钢铁新材料与焊接技术研究,联系地址:湖北省武汉市青山区和平大道947—号武汉科技大学8信箱(430081),Email:wukaiming@wust.edu.cn,wukaiming2000@yahoo.corn
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