陳圣林，李 準(zhǔn)，馬文超，葉 飛，駱忠漢，李大明

（武漢鋼鐵有限公司，武漢 430080）

薄板坯連鑄連軋是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)鋼鐵生產(chǎn)工藝流程.1989年，美國紐柯鋼鐵公司克勞福茲維爾鋼廠的第一條CSP（compact strip production，CSP）生產(chǎn)線建成投產(chǎn)，標(biāo)志著薄板坯連鑄連軋技術(shù)在世界上首次實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn).該技術(shù)具有工藝流程短、生產(chǎn)周期短、能耗低和成材率高等優(yōu)勢，且生產(chǎn)出的產(chǎn)品尺寸精度高、性能均勻，因此在全球范圍得到推廣.目前，薄板坯連鑄連軋采用的技術(shù)主要有CSP，F(xiàn)TSCR，CONROLL，ISP，QSP，ASP，ESP及MCCR等，其中CSP工藝的應(yīng)用最為普及，約占全球市場份額的50%.近年來，以ESP為代表的無頭軋制技術(shù)也得到快速發(fā)展［1-7］.

帶鋼性能的均勻性在很大程度上取決于生產(chǎn)過程中帶鋼溫度的均勻性，而薄板坯連鑄連軋工藝最大的優(yōu)勢就是可以給熱軋機(jī)提供全長溫度均勻的帶坯.以CSP工藝為例，當(dāng)帶坯頭部進(jìn)入精軋機(jī)進(jìn)行熱軋時，帶坯其他部分還在隧道爐內(nèi)均熱，故熱軋時帶坯頭尾的溫差較小.這不僅易于控制帶鋼的溫度，還為熱軋過程中的板形控制及厚度精度控制提供了很好的前提保障［8］.

中低牌號無取向硅鋼主要用于各種中小電機(jī)、壓縮機(jī)等設(shè)備.但由于小微型電機(jī)主要采用自動高速沖片及疊鉚的方式進(jìn)行生產(chǎn)加工，因此不僅要求硅鋼成品板的磁性均勻，還要求硅鋼成品板的同板差很小.采用薄板坯連鑄連軋工藝生產(chǎn)無取向硅鋼，具有性能均勻、板形好的優(yōu)勢，還能同時實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)熱軋工藝較難完成的低溫加熱、高溫終軋的工藝要求.目前，國內(nèi)外已有多家鋼廠采用薄板坯連鑄連軋工藝生產(chǎn)無取向硅鋼，如德國TKS、墨西哥Hylsa，以及國內(nèi)的武鋼、馬鋼、漣鋼等［9-14］.

在利用薄板坯連鑄連軋工藝進(jìn)行無取向硅鋼相關(guān)品種開發(fā)的生產(chǎn)實(shí)踐過程中，武鋼也遇到了許多問題，如磁性波動、氧化鐵皮缺陷讓步率高、瓦楞狀缺陷嚴(yán)重及連鑄生產(chǎn)效率低等.因此，本文中將重點(diǎn)介紹武鋼采用CSP工藝消除瓦楞狀缺陷和提升連鑄生產(chǎn)效率的相關(guān)工作.

1 武鋼CSP產(chǎn)線生產(chǎn)中低牌號無取向硅鋼的總體情況

武鋼薄板坯連鑄連軋采用CSP工藝，該產(chǎn)線于2007年6月18日破土動工，2009年5月20日全線一次熱試通板成功.設(shè)計(jì)年產(chǎn)熱軋材248萬t，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以硅鋼、薄材等高端產(chǎn)品為主導(dǎo)，產(chǎn)品厚度為 0.8～12.7 mm、寬度為900～1 600 mm［15-16］.

2009年5月，該產(chǎn)線開始試制無取向硅鋼.隨著鋼種的開發(fā)及工藝的不斷改進(jìn)，生產(chǎn)過程趨于穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量逐漸提高，硅鋼產(chǎn)量也隨之增加，現(xiàn)已批量穩(wěn)定生產(chǎn)50WW1300，50WW800，50WW600等牌號的無取向硅鋼.2010年11月，無取向硅鋼產(chǎn)量達(dá)到1萬t／月.2012年10月，該產(chǎn)線硅鋼原料供應(yīng)量達(dá)到5萬t／月.在僅有一臺RH真空精煉爐的情況下，2013年和2014年無取向硅鋼年產(chǎn)量均超過60萬t［11］.2015年，該產(chǎn)線2＃RH真空精煉爐投產(chǎn)，無取向硅鋼產(chǎn)量明顯提升，總量達(dá)到83.67萬t，其中單月最高為7.8萬t，當(dāng)年硅鋼成品量占武鋼中低牌號硅鋼總量的82.1%.此后，該產(chǎn)線成為武鋼中低牌號無取向硅鋼原料供給的主要產(chǎn)線，2020年產(chǎn)量達(dá)96.5萬t.圖1示出了2010—2020年武鋼薄板坯連鑄連軋產(chǎn)線生產(chǎn)的中低牌號無取向硅鋼產(chǎn)量.

圖1 2010—2020年薄板坯連鑄連軋產(chǎn)線生產(chǎn)的中低牌號無取向硅鋼產(chǎn)量Fig.1 The output of medium-low grade NGO steel produced by thin slab process from 2010 to 2020

CSP工藝生產(chǎn)硅鋼雖然具有性能均勻、板形好的先天優(yōu)勢，但在利用該產(chǎn)線生產(chǎn)硅鋼的實(shí)際過程中，發(fā)現(xiàn)還存在著許多問題，如成品磁性不穩(wěn)定、氧化鐵皮缺陷讓步率高、瓦楞狀缺陷嚴(yán)重，以及連鑄生產(chǎn)效率低等.因此，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)踐情況，本文中提出上述問題的解決方案，以期為該產(chǎn)線批量化的生產(chǎn)提供參考.

2 武鋼采用CSP工藝生產(chǎn)硅鋼實(shí)踐

2.1 硅鋼成品瓦楞狀缺陷的解決

武鋼CSP產(chǎn)線在生產(chǎn)50WW600無取向硅鋼時，初期采用與常規(guī)流程相同的成分，結(jié)果發(fā)現(xiàn)成品存在大量的瓦楞狀缺陷.表1列出了CSP工藝初期生產(chǎn)的無取向硅鋼表面缺陷改判情況.從表1中可以看出，初期生產(chǎn)的無取向硅鋼成品表面缺陷率居高不下，主要為瓦楞狀缺陷，其讓步率為55.73%.

表1 CSP工藝初期生產(chǎn)的50WW600無取向硅鋼表面缺陷改判情況Table 1 The defects ratio of 50WW600 steel at the trial stage of CSP process %

瓦楞狀缺陷是指硅鋼成品表面沿軋向出現(xiàn)的一種凹凸不平的缺陷.它不僅會降低疊片系數(shù)，還會降低絕緣膜間的層間電阻.其產(chǎn)生的原因如下：當(dāng)硅含量較高且碳含量很低時，硅鋼在熱軋過程中沒有發(fā)生γ→α相變，或者發(fā)生相變的量較少；鑄坯中的（100）柱狀晶由于動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶緩慢而不能徹底破碎，故在熱軋板板厚方向中心附近形成粗大的形變晶粒，且主要是｛100｝＜011＞纖維織構(gòu)；這些粗大晶粒在隨后的冷軋和成品退火過程中難以發(fā)生再結(jié)晶，最終導(dǎo)致成品產(chǎn)生瓦楞狀缺陷.

與常規(guī)傳統(tǒng)工藝相比，CSP工藝生產(chǎn)中低牌號無取向硅鋼主要存在以下差異：

（1）鑄坯組織不同.由于冷卻速度快，CSP鑄坯的柱狀晶特別發(fā)達(dá)，在鑄坯組織中占比可高達(dá)70%左右.圖2示出了CSP生產(chǎn)的中低牌號50WW800無取向硅鋼鑄坯的低倍照片.由圖可知，除表面有少量等軸晶外，其他基本上是柱狀晶.在熱軋過程中，這些發(fā)達(dá)的柱狀晶組織如果不能發(fā)生完全的動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶，將會導(dǎo)致熱軋板厚度方向中部存在粗大的帶狀組織.這些帶狀組織遺傳至成品，最終形成瓦楞狀缺陷.

圖2 50WW800鑄坯低倍照片F(xiàn)ig.2 The macrostructure of slab of 50WW800 by CSP process

（2）鑄坯熱歷史不同.與常規(guī)傳統(tǒng)工藝相比，CSP工藝生產(chǎn)的無取向硅鋼鑄坯未經(jīng)歷大幅度的降溫和升溫，而是在較高溫度下（如700～1 000℃），直接進(jìn)入隧道爐加熱，故柱狀晶會進(jìn)一步長大，這將更不利于熱軋過程中柱狀晶的破碎、變形和再結(jié)晶.

（3）熱軋壓下量不同.武鋼CSP工藝生產(chǎn)的鑄坯厚度為70～90 mm，約為常規(guī)工藝鑄坯厚度的1／3.在生產(chǎn)相同厚度的熱軋板時，CSP鑄坯的總壓下量要遠(yuǎn)低于常規(guī)工藝鑄坯，這導(dǎo)致CSP生產(chǎn)的鋼帶熱軋時形變儲能較小，再結(jié)晶動力不足.在傳統(tǒng)熱軋粗軋的過程中，晶粒會發(fā)生破碎、塑性變形和再結(jié)晶.粗軋后，由于板坯的溫度較高且在高溫下停留時間相對較長，晶粒可以充分回復(fù)和再結(jié)晶.而武鋼CSP產(chǎn)線沒有粗軋工序，這會導(dǎo)致發(fā)達(dá)的柱狀晶破碎、再結(jié)晶變得相對困難.

綜上可知，在成分和后續(xù)工序工藝均相同的條件下，CSP工藝生產(chǎn)的無取向硅鋼比傳統(tǒng)工藝的產(chǎn)品更容易出現(xiàn)瓦楞狀缺陷.

目前，已有多種方法可有效降低甚至消除無取向硅鋼的瓦楞狀缺陷.其主要原理是通過減少熱軋板厚度方向中心的粗大形變帶，阻斷｛100｝＜011＞粗大纖維織構(gòu)在各工序的遺傳.比如，可利用電磁攪拌或低溫澆鑄的方法，提高鑄坯中的等軸晶比例，為后續(xù)生產(chǎn)提供良好的原始鑄坯組織；也可通過優(yōu)化成分，使生產(chǎn)過程中發(fā)生鐵素體α與奧氏體γ的相互轉(zhuǎn)變，利用相變促進(jìn)動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶，消除粗大形變帶；還可以采用常化工藝，增加熱軋板中的再結(jié)晶率，減小熱軋板中心部位未再結(jié)晶粗大帶狀組織的比例［17-18］.

但采用電磁攪拌及?；に?，需要增加設(shè)備投入或拉長工序流程，這會大幅提高生產(chǎn)成本，削弱中低牌號無取向硅鋼的市場競爭力.而低溫澆鑄方法對鋼水過熱度范圍的要求極其苛刻，難以實(shí)現(xiàn)大批量的穩(wěn)定生產(chǎn).因此，武鋼通過重新設(shè)計(jì)成分體系，使鑄坯均熱時（如1 100～1 300℃）全部在奧氏體相區(qū)（見圖3），實(shí)現(xiàn)完全奧氏體化；同時，優(yōu)化熱軋工藝，提高熱軋板的再結(jié)晶程度，消除粗大形變帶，獲得良好的熱軋板組織，最終達(dá)到控制瓦楞狀缺陷的目的.

圖3 成分優(yōu)化前后不同溫度下的奧氏體比例Fig.3 The percent of austenite phase at different temperatures before and after composition optimization

圖4 為優(yōu)化前后50WW600無取向硅鋼的熱軋板金相組織.從圖中可以看出，在優(yōu)化成分及工藝后，熱軋板厚度方向的中心部位不再有粗大的形變帶，這說明已從源頭上控制住了瓦楞狀缺陷.

圖4 50WW600熱軋板組織Fig.4 The microstructures of 50WW600 hot rolled plate

表2列出了不同的鋼種及產(chǎn)線生產(chǎn)的50WW600無取向硅鋼的磁性能結(jié)果.由表可知，CSP產(chǎn)線生產(chǎn)的50WW600無取向硅鋼，瓦楞狀缺陷率由原先的55.73%降至0.48%，與常規(guī)產(chǎn)線產(chǎn)品的水平相當(dāng).可見，武鋼開發(fā)的適應(yīng)CSP產(chǎn)線的50WW600鋼種及工藝技術(shù)，成功控制了瓦楞狀缺陷，同時還獲得了良好的磁性能.

表2 50WW600無取向硅鋼的磁性能和瓦楞狀缺陷率（在不同的鋼種及產(chǎn)線下）Table 2 Magnetic properties and corrugated defect rates of 50WW600（at different steel compositions and processes）

2.2 連鑄生產(chǎn)效率的提升

連鑄拉速是限制薄板坯廠產(chǎn)量提升的重要瓶頸之一.作為澆鑄的重要工藝參數(shù)，拉速不僅影響爐機(jī)節(jié)奏，還會影響CSP的二冷水工藝、加熱工藝及熱軋工藝參數(shù)的匹配.對于硅鋼而言，拉速還會對成品的微觀結(jié)構(gòu)和最終磁性能產(chǎn)生顯著的影響.而生產(chǎn)中低牌號無取向硅鋼的相關(guān)薄板坯廠對拉速數(shù)據(jù)的公布程度是有限的［9-14］.在公開報道資料中，薄板坯產(chǎn)線生產(chǎn)無取向電工鋼的連鑄拉速如表3所列.可以看到，國內(nèi)外各鋼廠的拉速相差不大，均為4.0 m／min左右，部分廠還低于4.0 m／min.

表3 2018年及以前各薄板坯廠生產(chǎn)無取向電工鋼牌號及拉速Table 3 The grades and cast speeds of NGO steel produced by thin slab plant

對于中低牌號無取向硅鋼，國內(nèi)許多大型與中小型鋼鐵企業(yè)均能批量生產(chǎn)，但下游用戶對價格比較敏感，故其生產(chǎn)成本決定了市場的競爭力.武鋼批量生產(chǎn)中低牌號無取向硅鋼的總體拉速不高，50WW1300和50WW800的平均拉速為4.0～4.2 m／min，與國內(nèi)各鋼廠的平均拉速基本相當(dāng).為進(jìn)一步降低薄板坯的生產(chǎn)成本，提高中低牌號無取向硅鋼的連鑄生產(chǎn)效率，武鋼的研究人員對相關(guān)的工序工藝進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究.研究內(nèi)容涵蓋了冶煉效率的提升、鋼液中夾雜物總量的控制，以及高拉速下的保護(hù)渣匹配和二冷水匹配.除此之外，還涉及了調(diào)整板坯入爐溫度、在爐時間及溫度、均熱工藝制度和硅鋼工序各工藝等.以轉(zhuǎn)爐為例，CSP產(chǎn)線采用硅鋼冶煉專用模型，在使用大流量氧槍條件下進(jìn)行高效吹煉，并結(jié)合適當(dāng)?shù)牧粼僮?，?shí)現(xiàn)終點(diǎn)的穩(wěn)定控制.這樣既能縮短單爐吹煉的時間，又能保證轉(zhuǎn)爐冶煉及出鋼的溫度，滿足了無取向硅鋼高拉速生產(chǎn)的需求.同時根據(jù)高拉速的特點(diǎn)，還開發(fā)并應(yīng)用了具有低熔點(diǎn)、低黏度、低熔化速度，以及合理的熔融特性和熱流密度等優(yōu)勢的保護(hù)渣.

在表面質(zhì)量讓步率受控的情況下，優(yōu)化全工序工藝可解決磁性波動的問題，實(shí)現(xiàn)50WW1300和50WW800連鑄生產(chǎn)效率的大幅提升，以及CSP產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)行.CSP工藝的拉速一般約為常規(guī)連鑄拉速的4倍，這導(dǎo)致鋼水中的細(xì)小夾雜物在結(jié)晶器內(nèi)沒有足夠的時間進(jìn)行上浮，最終都將進(jìn)入鑄坯并遺傳至成品板.另外，拉速快還會使析出物更加細(xì)小彌散.這些夾雜物和析出物不僅會阻礙晶粒的正常長大，還會使夾雜物周圍存在比其體積大許多倍的應(yīng)力場，引起靜磁能與磁彈性能的增高，導(dǎo)致局部磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生變化.而疇壁由于不容易移動與轉(zhuǎn)動，會形成疇壁釘扎，從而惡化成品磁性.不同拉速下的鋼中夾雜物分布表明，隨著拉速的提升，鋼中細(xì)小夾雜物數(shù)量明顯增多［見圖5（b）和（d）］.為了使成品磁性不發(fā)生惡化，在保證成品表面質(zhì)量的前提下，采用優(yōu)化熱軋工藝及后續(xù)工序工藝后，可發(fā)現(xiàn)成品板晶粒尺寸沒有明顯的變化（見圖6）.這也說明：如果需要進(jìn)一步提高拉速，則鋼水的純凈度也需要進(jìn)一步改善，才能保證成品磁性不惡化.

圖5 提速前后50WW800和50WW1300熱軋板中夾雜物狀態(tài)Fig.5 The inclusions of 50WW800 and 50WW1300 hot rolled plates with different cast speeds

圖6 不同拉速的50WW1300成品板組織對比Fig.6 The microstructures of 50WW1300 final strip with different cast speeds

3 總結(jié)與展望

通過成分優(yōu)化及工藝改進(jìn)，武鋼消除了CSP產(chǎn)線生產(chǎn)無取向硅鋼50WW600的瓦楞狀缺陷，實(shí)現(xiàn)了其批量穩(wěn)定生產(chǎn)；同時還大幅提升了50WW1300和50WW800的連鑄生產(chǎn)效率，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本.CSP產(chǎn)線成為中低牌號無取向硅鋼熱軋板原料的主要供給產(chǎn)線.

如何進(jìn)一步提升鋼水純潔度，提高連鑄生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，挖掘CSP產(chǎn)線生產(chǎn)薄帶鋼的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，是CSP產(chǎn)線未來工作的重點(diǎn).如何面對薄板坯連鑄連軋工藝其他技術(shù)的競爭，如ESP技術(shù)、MCCR技術(shù)生產(chǎn)無取向硅鋼，以及薄帶鑄軋技術(shù)生產(chǎn)無取向硅鋼，也是接下來需要進(jìn)一步思考的問題.