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、鎮流器、放大器、穩壓器、繼電器、整流器、電磁開關等定向磁場電器產品制作鐵芯的核心材料。利用Goss取向晶粒在軋向上優異的磁化性能，取向電工鋼主要應用于制作定向磁場的鐵芯，以降低磁致損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、發電機和電動機鐵芯不可或缺的材料，具有節能并大幅度減小體積和質量的優點，可滿足大型核電站、水電站和火電站的需要。近年來，中國發電量較大幅度的增長和制造業的興起，帶動了取向電工鋼的強勁需求，為中國研究、生產和開發取向電工鋼帶來了良好的發展機遇。
本文將圍繞取向電工鋼的生產和開發，著重闡述其生產中的難點和重點以及取向電工鋼的生產工藝和產品的發展趨勢。
1、取向電工鋼的發展概述
1934年美國的高斯(Goss)發表了取向電工鋼片的生產方法的專利，這種方法的主要特點是采用MnS作為抑制劑，利用二次冷軋法。這種方法的難點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現的。由于熱軋事故，鑄坯在爐內時間延長，板坯溫度上升，結果發現這批料的磁性好且穩定。可以說，Goss取向電工鋼的生產方法是由經驗與努力而得來的技術訣竅。
在取向電工鋼的生產開發中，具有劃時代意義的是高磁感取向電工鋼(Hi-B)的生產。在Hi-B的研究開發中，必須提及東京大學宇航研究所的本多光太
2、取向電工鋼的現行生產工藝
冷軋取向電工鋼生產的首要目標是保證產品的質量，獲得符合質量要求和技術要求的產品。電工鋼生產的另一任務是努力提高產量，這一任務的完成不僅取決于生產工藝過程的合理性，而且取決于時間和設備是否充分利用及操作者的技術素質。此外，在提高產量和質量的同時，還要努力降低成本。
取向電工鋼的生產組織包括原材料的組織與準備，設備的使用與維護以及技術規程的制定。各種冷軋取向電工鋼根據用途的不同，其生產工藝和操作方法也不同。下面主要就國內外冷軋取向電工鋼的現行生產工藝進行簡要介紹。
冷軋取向電工鋼的生產包括一次冷軋法和二次冷軋法。二次冷軋法一般用于生產一般牌號的取向電工鋼，它是由熱軋帶鋼冷軋至中間厚度并進行退火，然后經過二次冷軋成最終厚度后進行最終退火等工藝組成。其基本特點之一是以MnS或MnSe作為有利夾雜來抑制初次晶粒的長大;其基本特點之二是采用中等壓下率的冷軋來形成形變織構(111)[112]。一次冷軋法是用于生產高磁感取向電工鋼的方法。它是將熱軋帶鋼通過常化處理后一次冷軋至成品厚度，然后進行脫碳退火。其生產特點是：①以AlN+MnS(以AlN為主)作為有利夾雜來抑制初次晶粒的長大，促進(110)[001]晶粒長大;②以85%的大壓下率形成再結晶的(110)[001]的冷軋形變織構。
2.1、取向電工鋼的生產工藝流程
一般取向電工鋼的生產工藝流程參見原創圖1所示。新日鐵、川崎(現在為JFE公司)生產Hi-B鋼的工藝流程參見原創表1。
2.2、取向電工鋼生產過程中的難點和重點
1)冶煉方面的難點之一為成分控制范圍窄。成分允許波動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備和分析手段是難以達到的。成分的波動直接影響各個工藝過程和最終產品的性能。成分的控制主要是利用真空精煉裝置來進行，這涉及合金的稱量和成分的快速和準確分析等，減少成分的波動則涉及煉鋼和連鑄整個工藝過程，尤其是精煉和連鑄過程。
2)冶煉方面的難點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，必須加強這些原輔料的采購和管理。
3)冶煉方面的難點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，鑄坯容易產生內裂與偏析。解決的方法是采用低過熱度澆鑄、進行電磁攪拌和鑄坯輕壓下等措施，定期調節鑄機狀況，以減少由于硫高帶來的中心偏析與內裂，降低柱狀晶比率。
4)熱軋工藝的難點為鑄坯的高溫加熱。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間，因而容易造成鑄坯的氧化燒損。新日鐵公司在高于
5)冷軋工序的重點為高溫退火。對于一般取向電工鋼，為了取得好的(110)[001]晶粒取向，應采用較慢的加熱速度，以保證位向好的(110)[001]晶粒優先長大并發生二次再結晶。對于Hi-B鋼，必須控制好高溫退火工藝中各個階段的溫度和氣氛，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點。近年來，人們在研究板坯低溫加熱時，為保證抑制劑強度而加入了除硫化錳以外的其他物質，如氮化物和晶界析出元素等來強化抑制劑。
氮化鋁的固溶溫度比硫化錳的要低，則更適合實現低溫加熱。目前，工業上采用板坯低溫加熱工藝的生產方法是以氮化鋁為抑制劑，在二次再結晶開始前進行滲氮處理，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晶組織、高磁性和好的玻璃膜，還須進行相應的成分調整和工藝改進。新日鐵研究的Hi-B新工藝特點是：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氣氛中進行滲氮處理，采用一次冷軋法可生產0.18～0
3、取向電工鋼的工藝進展和發展趨勢
3.1、取向電工鋼的工藝進展
工業生產取向電工鋼一直采用鑄坯高溫加熱工藝，以保證獲得穩定的高磁性，但缺點是氧化渣多，燒損量可達5%，成材率低;要經常清理爐底，產量降低;燃料費用高;爐子壽命短;制造成本高;產品表面缺陷多。多年來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碳的新型簡單加工的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，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取向電工鋼
隨著世界經濟的發展，尤其是中國經濟的帶動，世界電工鋼的生產和消費量連年增長。與此同時，為了降低電器產品和設備的成本，企業也越來越重視低成本、高性能新型電工鋼產品的開發和研究。國內外已開始研究以薄板坯連鑄連軋短流程、低成本、高效率的方式發展取向電工鋼生產技術。薄板坯連鑄連軋技術是新型短流程、低成本的鋼鐵冶金生產技術。中國已經開展了薄板坯連鑄連軋技術生產無取向電工鋼的開發和研究。如果采用薄板坯連鑄連軋流程生產一般取向電工鋼，則不僅使開發研究的技術難度降低，而且也可以滿足不同質量和不同等級產品的需求。
薄帶鑄軋技術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，時間-溫度的關系是最關鍵的因素，因為抑制劑必須在約1min的時間內從結晶器出口到卷起機這一段析出，通過控制冷卻速度和在線形變，可以獲得均勻的抑制劑。為了穩定和改善抑制劑的狀態，還必須進行常化處理。為了獲得鋼帶更好的延展性和良好的冷加工性能，可以對鋼帶進行在線熱處理。在帶鋼外形、厚度公差和表面缺陷等方面還有待于深入開發和研究。
3.3、取向電工鋼連續退火取代罩式退火
用連續退火爐取代罩式退火爐完成二次再結晶和凈化鋼中的抑制劑已經成為生產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，大大縮短了退火時間。高溫連續退火不僅產量高，而且可以節能20%以上。連續退火機組向高速化和多功能化方向發展。
4、取向電工鋼的產品現狀與發展趨勢
取向電工鋼是各類變壓器、鎮流器、放大器、穩壓器、繼電器、整流器、電磁開關等定向磁場電器產品制作鐵芯的核心材料。目前，變壓器主要向2個方面發展：一是向特大型超高壓方面發展，電壓等級由220、330、500kV向750、1000kV發展;二是向節能化、小型化、低噪聲、高阻抗、防爆型發展，這些產品以中小型產品為主，如目前在城網、農網改造上被推薦采用的新S9型配電變壓器。據中國電氣工業協會變壓器分會統計，主流變壓器按電壓等級分為4個大類，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如下：
1）500kV級以上變壓器所用硅鋼片牌號為30ZH120、30ZH110、27ZH100;
2）±500kV級換流變壓器所用硅鋼片牌號為27ZDKH90、23ZDKH90;
3）110～220kV級變壓器所用硅鋼片牌號為30Q140、30Q130、30ZH120、30ZH110;
4）35kV級變壓器所用硅鋼片牌號為30Q130、30Q140;
5）S9型10kV配電變壓器所用硅鋼片牌號為30Q130，S11型10kV配電變壓器所用硅鋼片牌號為30ZH120。
但是，在取向硅鋼的品種開發方面，中國與國外先進企業尤其是日本的差距是比較大的，特別是部分日本已經投入工業化大生產的高牌號取向硅鋼品種和規格。
1）以新日鐵為代表的細化磁疇：主要用于高級大型變壓器鐵芯，激光刻痕的品種如23ZDKH90、85、80和27ZDKH95、90，機械刻痕的品種如23ZDMH90、85、80和27ZDMH95、90。
2）以新日鐵為代表的高品質取向硅鋼：目前國內一般取向硅鋼的主流牌號為30Q120，而更高品質的如23ZH100、95、90，27ZH100、95和30ZH100、095等品種還無法生產。
3）以JFE為代表的取向硅鋼中出現高磁感
4）以JFE為代表的取向硅鋼中出現高B8取向硅鋼JGS：JGS材的鐵損同正常規格產品，特別適用于制作噪聲低的變壓器，但B8≥1.92～1.93T(傳統Hi-B材B8≥1.89T)。
5）以JFE為代表的取向硅鋼中出現的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鐵芯產品。
目前取向硅鋼主要向低鐵損、高磁感和薄規格這幾個方面發展。
1）超低鐵損取向硅鋼。
①細化磁疇：磁疇細化技術可以使取向硅鋼鐵損降低10%～20%，很多鋼鐵企業或科研院所對該項技術展開了研究。日本新日鐵公司采用激光照射技術使Hi-B鋼鐵損降低15%左右，牌號為ZDKH的磁疇細化硅鋼片于1983年投入市場。日本JFE公司開發了一種耐熱型的磁疇細化技術，其
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，其機制是硅鋼片經過高溫退火處理后，由于涂層與硅鋼片的熱膨脹系數差別較大，在冷卻時兩者收縮率不同，涂層收縮相對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制備氧化鋁薄膜，可以使鐵損降低。
③減薄厚度(
2)超高磁感取向硅鋼：采用加Bi或三次再結晶，或高溫梯度退火工藝，均可取得B8>1.95～2.0T的性能。
3)細晶粒雙取向硅鋼：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1.85～1.90T，P1.7/50小于1.02W/kg(
4)6.5%Si的取向鋼：目前世界范圍內，大批量生產的硅鋼片中硅質量分數大都控制在4%以內。當硅鋼片中硅質量分數達到6.5%時，磁致伸縮系數趨于零，電阻率增大，渦流損失減小，從而在較高頻率下表現出優良的磁性。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注。目前，住友金屬和新日鐵均在研制高硅硅鋼片，其B8可達1.62～1.65T，P10/50為0.15W/kg(
5)無抑制劑取向硅鋼：不用抑制劑生產取向硅鋼已部分用于生產(如JGE有此產品)，還在進一步擴大應用研究，已可采用低板坯加熱溫度，無需脫碳。
6)開發特殊用途電工鋼板，如厚
5、結語
1)冷軋取向電工鋼，尤其是高磁感取向電工鋼，是鋼鐵生產企業中的精品，享有“藝術產品”的美稱，具有很高的附加值。
2)取向電工鋼的制造工藝和設備復雜，成分控制嚴格，制造工序長，影響性能的因素多。工藝方面的難點和重點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、低溫加熱工藝的開發、薄板坯連鑄連軋和薄帶鑄軋、連續退火等為取向電工鋼的主要工藝發展趨勢。
4)取向硅鋼的生產管理和產品質量代表了一個企業的質量和管理水平。充分發揮和利用中國先進的鋼鐵工業技術裝備來生產、研究和開發高質量冷軋取向硅鋼，必將帶動中國取向電工鋼及其制品等相關領域的發展，為中國的國民經濟和國防建設服務。
(關鍵字：取向電工鋼 生產工藝)
