取向硅钢制备工艺及其发展趋势

宁旭，王艳丽，梁永锋，林均品

新金属材料专题

取向硅钢制备工艺及其发展趋势

宁旭，王艳丽，梁永锋，林均品

（北京科技大学 新金属材料国家重点实验室，北京 100083）

取向硅钢作为一种重要的铁芯材料，在电力行业中有着广泛的应用。基于生产工艺及技术特点，取向硅钢的制备工艺可以分为传统厚板坯工艺、薄板坯连铸连轧工艺及双辊薄带连铸工艺。传统的厚板坯工艺是工业生产取向硅钢的主要方法，其按加热温度又可分为板坯高温加热、板坯中温加热以及板坯低温加热工艺，其中板坯低温加热工艺具有加热温度低、能耗少、生产成本低等优点，是目前工业生产高磁感取向硅钢的主流技术。根据取向硅钢的发展历史，对取向硅钢的制备工艺进行了较为全面的综述。较为详细地概述了传统板坯高温加热、中温加热和低温加热工艺制备取向硅钢的成分体系以及工艺特点，重点综述了板坯低温渗氮工艺，并对取向硅钢的发展趋势进行了展望。

普通取向硅钢；高磁感取向硅钢；抑制剂；磁感应强度；铁损

取向硅钢，亦指取向电工钢，是一种重要的软磁合金，主要用于制造大中型变压器和大型电机。取向硅钢因其制造工艺复杂，成分控制严格，影响性能因素众多，核心技术保密，其产品质量是衡量一个国家特殊钢制造水平的重要标志，被誉为钢材中的“艺术品”[1]。取向硅钢按易磁化方向可分为单取向硅钢和双取向硅钢。单取向硅钢，也称Goss织构取向硅钢，一般指硅的质量分数为2.8%～3.4%的Si-Fe合金，其择优取向为Goss取向（{110}<001>），即几乎所有晶粒的{110}晶面都平行于轧制平面，<001>晶向平行于轧制方向[2]。双取向硅钢，也称立方织构（{100} <001>）取向硅钢，硅的质量分数一般为1.8%～3.4%，其特点是钢板轧向和横向均为易磁化的<100>方向[3]。双取向硅钢由于制备工艺极其复杂，目前尚未有工业化生产的报道，所以文中提到的取向硅钢均指广泛意义上的单取向硅钢。

目前取向硅钢的制备工艺主要有传统厚板坯工艺、薄板坯连铸连轧工艺以及双辊薄带连铸工艺。传统厚板坯工艺按板坯加热温度，又可以分为板坯高温加热工艺、板坯中温加热工艺以及板坯低温加热工艺[4-6]。不同的制备方法，在成分、工艺路径和抑制剂的选择上有着很大的区别。文中根据取向硅钢的发展历史，总结了取向硅钢的制备工艺，并对其发展趋势及方向进行了探讨。

1 取向硅钢制备工艺

取向硅钢按制备工艺和磁性能可分为普通取向硅钢（Conventional grain-oriented silicon steel，CGO）和高磁感取向硅钢（High permeability grain-oriented silicon steel，Hi-B）[7-10]，表1为二者的主要性能指标。

1.1 传统厚板坯工艺制备取向硅钢

1.1.1 高温加热取向硅钢

1933年，美国学者G. P. Goss在铁单晶体磁各向异性实验结果的启发下，采用热轧板经2次冷轧和高温退火方法制成了沿轧向具有较优异磁感的硅质量分数为3%的硅钢，并于1934年申请了专利[11]，美国Armco钢铁公司于次年按Goss专利进行了工业化生产，标志着取向硅钢进入了大规模应用的时代。美国Armco钢铁公司此后对CGO钢的制备工艺进行了完善，并于1952年申请了专利，其主要特点是以MnS为抑制剂，板坯高温加热后热轧，通过2次冷轧、脱碳退火和高温退火，制备了磁性能优异的普通取向硅钢[12]。1964年，日本八幡厂（现新日铁）以AlN+MnS为抑制剂，开始工业化试制高磁感取向硅钢（Hi-B），并于1968年成功生产了Z8H牌号[4,13-14]。1973年日本川崎钢铁（现JFE）采用MnSe+Sb作为抑制剂，采用2次冷轧法，也制备了高磁感取向硅钢，并命名为RG-H牌号[4,14-15]。上述CGO钢及Hi-B钢均采用板坯高温加热，以使粗大的抑制剂颗粒完全固溶，在后续的热轧过程中再弥散析出并保持到二次再结晶开始，该时期取向硅钢的主要工艺以及典型产品性能如表2所示，其中8为磁感应强度，17/50为铁损。

表1 CGO和Hi-B钢性能指标[8-10]

表2 CGO和Hi-B钢板坯高温加热制造方法[1,4,14-16]

20世纪八九十年代，新日铁和川崎钢铁（现JFE）通过优化成分和调整工艺，在降低取向硅钢铁损方面进行了如下的工作：①新日铁在CGO钢中加入质量分数为0.17%的Cu，通过在精轧阶段析出大量细小的(Cu,Mn)1.8S，提高了抑制能力，使冷轧二次压下率从50%～55%提高到60%～70%，成功生产了0.18 mm厚度的普通取向硅钢，其铁损17/50从1.06 W/kg（0.3 mm厚度），降低到0.95 W/kg（0.18 mm厚度）[17]；②川崎[18]在MnSe+Sb抑制剂的基础上，通过添加质量分数为0.010%～0.080%（Sb+As+Bi+Sn）中的一种或几种，采用二次冷轧法生产了0.16 mm的Hi-B钢，其磁感应强度8约1.92 T，铁损17/50小于0.9 W/kg，新日铁[19-20]在AlN+MnS为抑制剂的基础上添加0.06%～0.20%Cu+ 0.05%～0.15%Sn（质量分数），采用二次冷轧法生产了0.15 mm的Hi-B钢，其磁感应强度8约1.92 T，铁损17/50约0.77 W/kg；③由于Hi-B钢二次晶粒粗大，使磁畴尺寸也增大，从而增大了反常涡流损耗，新日铁和川崎先后开发了细化磁畴技术，新日铁采用激光照射法，使17/50降低了约0.1 W/kg[21]，川崎钢铁采用等离子喷射法，使17/50降低了0.1～0.2 W/kg[22]。

板坯高温加热法制备取向硅钢，其产品磁性能比较稳定，但由于加热温度过高，一方面增大了燃料消耗，缩短了加热炉寿命，增加了加热炉的维护周期和检修成本；另一方面使铸坯过氧化烧损量相对于普碳钢大量增加，并增加了表面缺陷，降低了产品的成材率和表面质量[23]。新日铁[24]和川崎钢铁[25]开发了普通步进式加热炉加热+高频感应炉高温短时加热方式，替代了高温加热炉加热方式，在一定程度上减少了能源消耗，降低了生产成本。目前新日铁广畑厂、JFE以及首钢等采用该方法生产Hi-B钢。

1.1.2 中温加热取向硅钢

20世纪七八十年代，苏联新利佩茨克钢厂和上依谢特斯基钢厂自主开发了中温含铜取向硅钢[26-27]，在成分设计上采用低碳含量、高锰含量、低铝含量以及质量分数约为0.5%的Cu，以Cu2S（或ε-Cu）+AlN为抑制剂，板坯经1250～1300 ℃加热，热连轧之后采用二次冷轧法，中间退火时进行脱碳，二次冷轧后进行550～600 ℃回复处理再涂MgO进行高温退火，或二次冷轧后直接涂MgO进行高温退火。其制造工艺流程如图1所示，该中温含铜CGO钢制备方法也称为俄罗斯法。

图1 中温含铜CGO钢制造工艺流程

含铜CGO钢相对于传统的CGO钢，其加热温度低，省略了热轧板常化工艺，其磁感应强度略高于普通取向硅钢，但脱碳退火之后进行二次冷轧，破坏了均匀致密的SiO2，使高温退火过程中形成的底层质量较差，影响绝缘涂层对钢板的张力效果，从而使铁损增加。韩国浦项钢铁公司、中国武钢、宝钢对中温含铜CGO钢回复退火工艺和隔离剂进行了优化。浦项[28]在二次冷轧后在600～750 ℃下进行回复退火，气氛分压比为(H2O)/(H2)=0.62～0.88，回复时间为45～ 120 s，涂MgO后进行高温退火，400～700 ℃升温时，升温速率大于20 ℃/h但低于50 ℃/h，0.3 mm成品磁性能8≈1.85 T，17/50≈1.20 W/kg；武钢[29]在一次冷轧脱碳退火后控制钢板内氧质量分数为300×10−6～ 750×10−6，二次冷轧至所需厚度，在400～595 ℃，(H2O)/(H2)<0.61的氮氢气氛下进行5 min以内的回复退火，再涂布以MgO为主要成分的隔离剂，进行高温退火，0.27 mm成品磁性能8≈1.88 T，17/50≈ 1.07 W/kg；宝钢[30]在一次冷轧脱碳后再进行喷丸、酸洗，控制氧的质量分数在500×10−6以下，进行二次冷轧，不进行回复退火，高温退火隔离采用ZrO陶瓷细粉或Al2O3+SiO2或Al2O3+SiO2+ZrO陶瓷细粉，严格控制退火气氛，脱碳退火时形成的表面氧化物被还原，高温退火过程中不形成底层，获得无玻璃膜的镜面状成品，显著降低了铁损，其0.3 mm成品磁性能8≈1.89 T，17/50≈1.03 W/kg。

近几年来，刘恭涛、杨平等[31-32]对含铜CGO钢的组织和织构进行了研究，结果表明，相比传统CGO钢，其初次再结晶后高斯晶粒的种子数比CGO钢低，有利的{111}织构比CGO钢强，不利的{100}织构比CGO钢弱；在氮氢气氛高氮比例的情况下，可制备出0.18 mm的薄规格CGO钢，磁感应强度8可达1.95 T，但其晶粒尺寸比Hi-B钢中的高斯晶粒尺寸更大，导致其铁损较高。

蒂森克虏伯在中温含铜CGO钢的基础上进行了一些改进，降低钢中的Cu和Mn含量，采用Cu2S+ AlN作为抑制剂，其典型成分为：Si=3%～3.3%，C= 0.05%～0.065%，Mn=0.07%～0.1%，S=0.02%～0.027%，Als=0.02%～0.026%，N=0.007%～0.009%，Cu= 0.06%～0.08%，控制Mn×Cu/S＝0.1～0.4，铸坯加热温度为1260～1280 ℃，使Cu2S完全固溶，精轧温度为990～1030 ℃，终轧温度为920～960 ℃，卷取温度为620～650 ℃，热轧板经（1080～1120） ℃×4 min常化，经一次大压下冷轧后，在750～1150 ℃高温退火阶段采用（5%～10%）H2+N2气氛时，制备的Hi-B钢磁性能最好，0.3 mm产品8≈1.93 T，17/50≈ 0.93 W/kg[33-34]。

日本川崎钢铁以高能晶界理论为基础[35]，不采用抑制剂制备了Hi-B钢。其典型成分（质量分数）为：Si=3%～3.3%，C=0.03%～0.07%，Mn=0.06%～0.1%，Als<0.01%，S<0.005%，Se<0.005%，N<0.005%，氮化物形成元素Ti，Nb，B，Ta以及V的质量分数均在0.005%以下，铸坯加热温度为1200～1250 ℃，2.1～2.2 mm热轧板经1000 ℃×60 s常化后一次冷轧至0.28 mm，经840 ℃×2 min脱碳退火后，涂上90%MgO+10%TiO2（质量分数）的隔离剂后，进行850 ℃×50 h的二次再结晶退火，再以25 ℃/h速度升温至1050 ℃，退火气氛为H2+Ar，其中(H2)=0～ 0.06 MPa（全压为0.1 MPa），最后在1160～1180 ℃保温5 h进行高温退火，其产品8约1.90 T，17/50约1.18 W/kg[36-37]。

宝钢通过降低钢中Mn和S的含量，使钢中不产生MnS，并加入一定量的Cu和Sn，以Cu2S（或ε-Cu）+AlN+Sn为抑制剂，铸坯在1200～1250 ℃保温60～ 120 min后，终轧温度为1000～1020 ℃，卷取温度为680～730 ℃，省略了常化工艺，2.5 mm热轧板经酸洗后冷轧到0.3 mm，经850 ℃×140 s脱碳退火，涂MgO后进行1200 ℃×25 h高温退火后，其Hi-B钢磁性能8≈1.91 T，17/50≈1.10 W/kg[38]。

1.1.3 低温加热取向硅钢

新日铁在1987年申请的专利中指出[39]，铸坯经1100～1200 ℃加热，经常化退火、一次大压下冷轧和脱碳退火后，在MgO涂层中加入质量分数约为5%的氮化锰作为渗氮剂，在高温退火（H2+N2气氛）过程中实现渗氮，制备的成品磁性能与高温法制备的Hi-B钢相当。但该方法在实际生产中渗氮效率低，并且可能会使厚度方向氮含量不均匀，导致性能不稳定，在实际生产中往往作为辅助的渗氮方法。随后新日铁提出在75%H2+25%N2（体积分数）的气氛（(H2O)/(H2)=0.15～0.35）中，在830～850 ℃下进行约70 s脱碳退火，再在上述条件下通入体积分数大于0.2%的NH3，进行约30 s渗氮，渗氮后钢中氮质量分数为150×10−6～180×10−6，经高温退火后，底层质量良好，0.3 mm成品的8可达1.94 T，17/50为0.97 W/kg[40]；新日铁八幡厂在1996年实现了低温渗氮的Hi-B钢工业化生产。低温渗氮Hi-B钢工艺流程如图2所示。

图2 低温渗氮Hi-B钢制造工艺流程[41]

板坯低温加热渗氮工艺制备Hi-B钢，作为当前的热点技术，是目前世界各大取向硅钢生产厂和科研机构研究最多的一种技术，其加热温度（1100～ 1200 ℃）低，具有节能、环保等优点，并能降低生产成本。自日本新日铁之后，日本JFE、韩国浦项、中国宝钢、武钢、首钢等均对低温渗氮Hi-B钢进行了大量的研究，日本新日本、韩国浦项、中国宝钢、武钢已将该技术应用到工业化生产。各厂家的脱碳渗氮技术特点见表3[42-49]。

目前渗氮工艺基本都是非平衡渗氮，即氮氢气氛中混入少量的氨气，在一定温度下氨气会分解产生活性氮原子和氢气，从而在较短时间内完成渗氮。从表3可知，除浦项采用同步脱碳渗氮工艺外，其余厂家均采用先脱碳再渗氮的工艺。有研究表明[50-51]，在700～750 ℃低温渗氮时，表层会形成细小棒状的Si3N4和粗大菱形状的MnSiN2以及少量的(Si,Mn)N等不稳定氮化物。高温退火过程中，这些不稳定的氮化物在750～900 ℃固溶并且氮往内部扩散，析出稳定性更高的(Al,Si)N，(Al,Si)N能有效阻止初次晶粒的长大，从而实现二次再结晶。当渗氮温度升高，750～850 ℃渗氮时，析出粒子以规则方形Si3N4为主；而950 ℃渗氮时，Si3N4粒子大部分转化为(Al,Si)N，渗氮量、粒子尺寸和密度都有所下降，导致抑制力不足且初次再结晶晶粒过大，最终二次再结晶出现细晶[52]。

1.2 薄板坯连铸连轧工艺制备取向硅钢

20世纪80年代末，美国纽柯（Nucor）钢铁公司成功进行了薄板坯连铸连轧（Thin slab continuous casting and rolling，TSCR）工业化生产，开启了薄板坯连铸连轧生产钢板的序幕。由于薄板坯连铸连轧工艺具有流程短、生产工艺紧凑、投资少、成材率高等优点，在后续的几十年得到了快速的发展[53]。意大利AST（Acciai Speciali Terni）钢铁公司在特尼尔（Terni）建成的CSP（Compact strip production）生产线2001年开始生产普通取向硅钢和高磁感取向硅钢，并申请了一系列的专利[54-56]。AST钢铁公司CSP工艺生产普通取向硅钢采用AlN+Cu2S作为抑制剂，生产Hi-B钢时采用AlN+Cu2S+Sn作为抑制剂并后续渗氮，40～70 mm薄板坯直接热装到均热炉进行加热，均热温度为1180～1230 ℃，经30 min保温后进行热轧，其工艺流程如图3所示，其中CGO钢脱碳退火后不需渗氮。

表4为AST钢铁公司生产的0.3 mm厚CGO和Hi-B钢典型成分及性能，其CGO钢磁感8=1.85～ 1.89 T，铁损17/50=1.03～1.09 W/kg；Hi-B钢磁感8=1.91～1.93 T，铁损17/50=0.9～0.98 W/kg。由于生产成本问题，2005年10月，特尼尔工厂停止了电工钢的生产[57]。国内唐钢[58]采用Si质量分数为3%的CGO化学成分，以MnS抑制剂，采用薄板坯连铸连轧，经二次冷轧和高温退火，工业化试制生产了0.3 mm的CGO钢，其磁感应强度8=1.83 T，铁损17/50=1.39 W/kg，但后续未见批量生产的报道。

与传统厚板坯工艺相比，薄板坯连铸连轧工艺具有以下优点[59]：①相对于200～250 mm的常规板坯，40～70 mm的薄板坯凝固和二次冷却速度提高，铸坯中的抑制剂粒子未发生明显粗化，并且低温短时加热就可保证铸坯温度的均匀性，减弱了传统厚板坯流程高温加热带来的一系列问题；②薄板坯凝固速度快，其铸态组织相比厚板坯更加细小均匀，同时其宏观偏析相对轻微，有助于抑制剂粒子的均匀分布；③薄板坯热轧过程省略了粗轧，并且热轧板厚度更薄（1.5～2.0 mm），采用一次冷轧法可生产0.23 mm规格以及更薄的产品。基于薄板坯连铸连轧生产取向硅钢的优势，国内外科研单位和钢铁企业进行了大量研究工作。德国蒂森克虏伯[60]研究了热轧道次压下率对磁性能的影响，当第1道次压下率大于40%，第2道次压下率大于30%，最后一道次压下率小于30%时，磁性能较好，8≈1.88 T，17/50≈1.18 W/kg；宝钢[61]采用低碳、低铝的合金设计成分，热轧后可不进行常化直接采用二次冷轧法，制备的成品磁性能8≈1.87 T，17/50≈1.20 W/kg；钢铁研究总院[62]采用AlN为主要抑制剂，Cu2S和晶界偏聚元素Sn为辅助抑制剂，采用一次冷轧法制备了Hi-B钢，其磁感应强度8≈1.91 T，铁损17/50≈1.17 W/kg。

表3 低温渗氮Hi-B钢脱碳渗氮工艺特点及产品性能

图3 AST薄板坯连铸连轧取向硅钢制造工艺流程

表4 AST钢铁公司CGO及Hi-B钢成分及性能

1.3 双辊薄带连铸工艺制备取向硅钢

双辊薄带连铸（Twin roll strip casting，TRSC）工艺，具有低能耗、短流程、绿色环保、节省投资的特点，全球大型钢铁企业如日本新日铁、德国蒂森克虏伯、韩国浦项、美国纽柯、中国宝钢均对该工艺进行了大量研究，各自建成了带有自身特色的工业化示范生产线。目前只有美国纽柯和中国宝钢成功实现了工业化生产，主要用于生产低碳钢[63-64]。在取向硅钢方面，日本新日铁、美国AK钢铁公司、意大利AST钢铁公司采用传统工艺成分，采用双辊薄带连铸工艺制备了取向硅钢。新日铁[65]以MnS+AlN为抑制剂，在铸坯凝固后，通过调控铸坯冷却速度，2 mm铸坯经一次冷轧法或二次冷轧法得到厚度为0.3 mm的成品，其8可达1.94 T；美国AK钢铁公司[66]采用(Mn,Cu)S为抑制剂，采用二次冷轧法制备了厚度为0.27 mm的成品，当二次冷轧压下率在50%～55%时，磁感应强度8较好，可达1.87 T；意大利AST钢铁公司[67]采用AlN+Cu2S为抑制剂，工艺特点是连铸之后的薄带，在1100～1300 ℃时进行一道次压下率大于20%的热轧并在1100～1200 ℃保温5 s，之后经一次冷轧法获得0.3 mm的成品，8达到1.92 T。国内东北大学在上述研究的基础上，在实验室对双辊薄带连铸制备取向硅钢进行了试验，其实验室制备取向硅钢工艺流程如图4所示[68]。

东北大学采用双辊薄带连铸工艺制备取向硅钢时，考虑到双辊薄带连铸工艺可以取消热轧工序，在成分上采用了超低碳设计，冷轧之后无需进行脱碳退火。在抑制剂的选择上，东北大学[69]发现细小的NbN在铸带的晶界以及晶内呈弥散析出，对基体晶粒也有一定的细化作用，而AlN在双辊连铸过程中析出受到了抑制，并且在高温退火过程中，NbN比AlN有更强的钉扎作用和稳定性，在生产质量分数为4.5%的Si-Fe合金时采用了MnS+NbN为抑制剂。当Si的质量分数进一步提升至6.5%时，选择了MnS+(Nb,V) N作为复合抑制剂。表5为东北大学实验室双辊薄带连铸法制备3%～6.5%（质量分数）的Si-Fe取向硅钢主要工艺及产品性能。

图4 东北大学实验室双辊薄带连铸工艺制备取向硅钢流程[68]

表5 东北大学实验室双辊薄带连铸法制备3%～6.5%的Si取向硅钢主要工艺及产品性能

2 取向硅钢的发展趋势

未来变压器制造将朝着耗电少、噪音低、体积小的趋势发展，需要更低铁损、更高磁感以及环保型的取向硅钢，因而更高磁感应强度和更低铁损的Hi-B钢逐渐取代CGO钢是必然的趋势。对于大中型变压器和大型电机来说，铁损比例明显高于铜损，因而降低高磁感取向硅钢的铁损更为重要，是未来取向硅钢发展的主要目标。

基于取向硅钢的铁损由磁滞损耗、涡流损耗和反常损耗3部分构成，文中认为继续降低Hi-B钢铁损可以从下途径考虑：①进一步减薄带钢产品厚度，厚度减薄可以有效降低铁损，但厚度减薄时，二次再结晶退火时表层抑制剂更容易熟化分解，会导致二次再结晶不完全，生产更薄厚度的产品技术难度更大，需要优化化学成分以及更严格地控制工艺参数，宝武钢铁目前已实现了0.15 mm取向硅钢的工业化生产，后续可能开发生产0.12 mm甚至0.1 mm的产品；②细化磁畴技术可以降低铁损，在工业生产中广泛应用激光刻痕细化磁畴，铁损可以降低10%以上，但是激光刻痕的产品不具有耐热性，其刻痕产品如卷铁心变压器无法应用于较高温度的退火处理，导致产品应用受到一定的限制，对激光刻痕装置及激光工艺不断进行改进及优化，开发耐热性激光刻痕技术是主要硅钢厂家的重点发展技术之一；③目前生产的Hi-B钢硅的质量分数在3%左右，若将硅的质量分数提升至4.5%甚至6.5%，则同厚度产品铁损相比，Fe-3%Si（质量分数）能进一步降低，尤其是高频铁损将大幅降低，但提高硅含量，会使钢带的冷加工性变差，需要通过温轧工艺改善基体塑性，Fe-4.5%Si（质量分数）相较于Fe-6.5%Si（质量分数），不含有B2以及DO3等有序硬脆相，轧制工艺相对简单，只需较低的温轧温度便可实现顺利轧制，更有可能实现工业化生产。

Fe-3%Si（质量分数）取向硅钢的饱和磁感应强度是2.03 T，目前工业化生产Hi-B钢的8值最高可达1.95 T，继续通过提高高斯晶粒的取向度来提高磁感应强度在技术上遇到的瓶颈。文中从高斯晶粒二次再结晶过程的角度分析，认为提高高斯晶粒的取向度可以从以下2个方面考虑：①初次再结晶过程中采用快速加热技术，可以得到细小的初次再结晶晶粒以及位向准确的高斯晶粒，并在一定程度上改善初次再结晶织构，这为后续的二次再结晶过程提供了良好的初始组织和织构；②开发抑制力更强的抑制剂（晶界偏聚元素或化合物），在初次晶粒细小的情形下，二次再结晶温度将会提高，二次再结晶完成时可以得到更加粗大以及位向更准确的二次再结晶晶粒。

3 结语

工业化制备取向硅钢的制备工艺流程虽已清晰明确，但由于取向硅钢制备工序长且复杂，工艺与性能的对应关系复杂交织，部分机理性问题如二次再结晶机理还存在争议，还需要继续深入地对这些问题进行分析研究。取向硅钢的工业化生产经过近90年的发展，经历了板坯高温加热、板坯中温加热，到现在的板坯低温加热技术，在减少能源消耗、节约资源、降低生产成本上已取得了巨大进步。低温渗氮工艺作为目前工业化生产Hi-B钢的主流技术，代表着高磁感取向硅钢的发展方向，在全球节能降耗、低碳环保的形式下，继续降低铁损、提升磁感应强度仍是Hi-B钢当前和未来研究的主要方向；同时降低Hi-B噪音、开发环保的无铬涂层也是Hi-B钢研发的重点方向之一。薄板坯连铸连轧和双辊薄带连铸工艺在制备取向硅钢方面，具有流程短、占地少、生产工艺紧凑等优点，尤其是双辊薄带连铸技术，作为钢铁生产中的近终成形技术，已在实验室成功制备Fe-（3%～6.5%）Si（质量分数）取向硅钢，若能实现工业化生产，将会是一项颠覆性的技术。

[1] 何忠治, 赵宇, 罗海文．电工钢[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2012: 7.

HE Zhong-zhi, ZHAO Yu, LUO Hai-wen. Electrical Steel[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2012: 7.

[2] NAKASHIMA S, TAKASHIMA K, HARASE J. Effect of Si Concentration on Secondary Recrystallization of Grain Oriented Electrical Steel Produced by Single Stage Cold Rolling Process[J]. ISIJ, 1991, 4: 552-557.

[3] HASHI S, ISHIYAMA K, AGATSUMA S, et al. Domain Structure and Magnetostriction in Single Crystals of Cube-Textured Silicon Steel[J]. Journal of the Magnetics Society of Japan, 1997, 21(4_2): 597-600.

[4] TAKAHASHI N, SUGA Y, KOBAYASHI H. Recent Developments in Grain-Oriented Silicon-Steel[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 1996, 160: 98-101.

[5] KUBOTA T, FUJIKURA M, USHIGAMI Y. Recent Progress and Future Trend on Grain-Oriented Silicon Steel[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2000, 215/216: 69-73.

[6] KUMANO T, HARATANI T, FUJII N. Effect of Nitriding on Grain Oriented Silicon Steel Bearing Aluminum[J]. ISIJ International, 2005, 45(1): 95-100.

[7] TAGUCHI S, SAKAKURA A. Characteristics of Magnetic Properties of Grain-Oriented Silicon Iron with High Permeability[J]. Journal of Applied Physics, 1969, 40(2): 1539-1541.

[8] 田口悟. 高磁束密度方向性珪素鋼板の開発[J]. 日本金属学会会報, 1974, 13(1): 49-57.

[9] 田口悟. 新しい方向性けい素鋼板の開発[J]. 日本機械学会誌, 1978, 81(710): 46-51.

[10] MATSUO M. Texture Control in the Production of Grain Oriented Silicon Steels[J]. ISIJ International, 1989, 29(10): 809-827.

[11] GOSS N P. Electrical Sheet and Method and Apparatus for Its Manufacture and Test: USA, 1965559[P]. 1934- 07-03.

[12] LITTMANN M F, MONROE J E. Process of Increasing the Permeability of Oriented Silicon Steels: USA, 2599340[P]. 1952-06-03.

[13] TAGUCHI S, SAKAKURA A, TAKASHIMMA H. Process for Producing Single-Oriented Silicon Steel Sheets Having a High Magnetic Induction: USA, 3287183[P]. 1966-11-22.

[14] 田口悟. 珪素鋼板における最近の進歩[J]. 鉄と鋼, 1975, 7: 905-915.

[15] IMANAKA T, KAN T, OBATA Y. Method for Manufacturing Single-Oriented Electrical Steel Sheets Comprising Antimony and Having a High Magnetic Induction: USA, 3932234[P]. 1976-01-13.

[16] SHIMIZU Y, IIDA Y, GOTO T. Method for Producing Grain-Oriented Electrical Steel Sheets or Strips Having a High Magnetic Induction: USA, 4212689[P]. 1980-06-15.

[17] 酒井知彦, 岛津高英, 筑摩顯太郎, 等. 低鉄損一方向性電磁鋼板の製造方法: 日本, 昭61-12822[P]. 1986-01-21.

[18] SHIMIZU Y, SHISHIDO H, SHIMANAKA H. Grain- Oriented Silicon Steel Sheets Having a Very Low Iron Loss and Methods for Producing the Same: USA, 4579608[P]. 1986-04-01.

[19] 黑木克朗, 和田敏哉, 中島正三郎. 鉄損の優れた高磁束密度一方向性電磁鋼板及びその製造方法: 日本, 昭58-23414[P]. 1983-02-12.

[20] 吉富康成, 黑木克朗, 岩山健三. 鉄損の少ない一方向性電磁鋼板の製造方法: 日本, 平3-219021[P]. 1991-09-26.

[21] 山口重裕, 井内徹, 中村元治, 等. 方向性電磁鋼板及の鉄損改善方法: 日本, 昭59-229419[P]. 1984-12-22.

[22] 佐藤圭司, 本田厚人, 福田文二郎, 等. 方向性けい電磁鋼板の鉄損改善方法: 日本, 昭62-151517[P]. 1987-07-06.

[23] 仇圣桃, 付兵, 项利, 等. 高磁感取向硅钢生产技术与工艺的研发进展及趋势[J]. 钢铁, 2013, 48(3): 1-8. QIU Sheng-tao, FU Bing, XIANG Li, et al. Recent Research Trends and Developments of Production Process and Technology for High Magnetic Induction Grain-Oriented Silicon Steel[J]. Iron and Steel, 2013, 48(3): 1-8.

[24] 平世和雄, 酒井知彦, 堀内弘雄, 等. 一方向性電磁鋼連續鑄造スラフの加熱方法: 日本, 昭61-69927[P]. 1986-04-10.

[25] SHIMIZU Y, NISHIDE T. Method for Manufacturing Grain-Oriented Electrical Steel Sheets: USA, 4588453 [P]. 1986-05-13.

[26] M.ЛВ, 张德春. 俄罗斯电工钢-工艺和质量[J]. 国外钢铁, 1995, 12: 54-58.

M.ЛВ, ZHANG De-chun. Russian Electrical Steel- Craftsmanship and Quality[J]. Foreign Iron and Steel, 1995, 12: 54-58.

[27] 牛琳霞.俄罗斯新利佩茨克钢铁公司取向电工钢研发进展[C]// 第十届全国电工钢专业学术年会论文, 2008: 166-171.

NIU Lin-xia. Research and Development Progress of Grain-Oriented Electrical Steel in New Lipetsk Iron and Steel Company of Russia[C]// The 10th National Annual Academic Conference on Electrical Steel, 2008: 166- 171.

[28] CHOI G S, LEE C S, WOO J S, et al. Method for Manufacturing Oriented Electrical Steel by Heating Slab at Low Temperature: USA, 5653821[P]. 1997-08-05.

[29] 应宏, 邓崎琳, 毛炯辉, 等. 提高含铜取向硅钢电磁性能和底层质量的生产方法: 中国, CN1786248A[P]. 2006-06-14.

YING Hong, DENG Qi-lin, MAO Jiong-hui, et al. Production Method for Improving the Electromagnetic Properties and Bottom Quality of Copper-Containing Oriented Silicon Steel: China, CN1786248A[P]. 2006- 06-14.

[30] 吉亚明, 孙焕德, 杨国华, 等. 一种含铜取向硅钢的方法: 中国, CN101643881A[P]. 2010-02-10.

JI Ya-ming, SUN Huan-de, YANG Guo-hua, et al. A Method for Copper-Containing Oriented Silicon Steel: China, CN101643881A[P]. 2010-02-10.

[31] 刘恭涛, 李海蛟, 杨平, 等. 中温含铜取向硅钢的形变和再结晶织构特征[J]. 工程科学学报, 2016, 38(6): 812-819.

LIU Gong-tao, LI Hai-jiao, YANG Ping, et al. Deformation and Recrystallization Texture Features of Medium Temperature Reheated Grain Oriented Silicon Steel Containing Copper[J]. Chinese Journal of Engineering, 2016, 38(6): 812-819.

[32] 刘恭涛, 杨平, 毛卫民. 高温退火气氛对薄规格中温取向硅钢二次再结晶行为的影响[J]. 金属学报, 2016, 52(1): 25-32.

LIU Gong-tao, YANG Ping, MAO Wei-min. Effect of Final Annealing Atmosphere on Secondary Recrystallization Behavior in Thin Gauge Medium Temperature Grain Oriented Silicon Steel[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2016, 52(1): 25-32.

[33] BOLLING F, BOTTCHER A, ESPENHAHN M, et al. Process for the Production of Grain Oriented Magnetic Steel Sheets Having Improved Magnetization Losses: USA, 5711825[P]. 1998-01-27.

[34] ESPENHAHN M, BOTTCHER A, GUNTHER K. Process for the Producing a Grain-Oriented Electrical Steel Sheet: USA, 6153019[P]. 2000-11-28.

[35] HAYAKAWA Y, SZPUNAR J A, PALUMBO G, et al. The Role of Grain Boundary Character Distribution in Goss Texture Development in Electrical Steels[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 1996, 160: 143-144.

[36] 早川康之, 黑沢光正. 方向性電磁鋼板の製造方法: 日本, 2000-129356[P]. 2000-05-09.

[37] 寺岛敬, 高岛稔, 早川康之. 方向性电磁钢板的制造方法以及方向性电磁钢板: 中国, CN1708594A[P]. 2005-12-14.

TERASHIMERA T, TAKASHIMA M, HAYAKAWA Y. Manufacturing Method of Grain-Oriented Electrical Steel Sheet and Grain-Oriented Electrical Steel Sheet: China, CN1708594A[P]. 2005-12-14.

[38] 胡卓超, 李国保, 孙焕德. 一种高磁感取向硅钢及其生产方法: 中国, CN101353760A[P]. 2009-01-28.

HU Zhuo-chao, LI Guo-bao, SUN Huan-de. A High Magnetic Induction Oriented Silicon Steel and Its Production Method: China, CN101353760A[P]. 2009- 01-28.

[39] 小松肇, 谷野满, 菅洋三, 等. 磁束密度の高い一方向性珪素鋼板の製造方法: 日本, 昭62-40315[P]. 1987-05-21.

[40] KOBAYASHI H, KUROKI K, TANAKA O. Process for Producing Grain-Oriented Electrical Steel Sheet Having Superior Magnetic and Surface Film Characteristics: USA, 4979997[P]. 1990-12-25.

[41] 佚名. 宝武取向电工钢产品手册(青山基地)[M]. 武汉: 宝钢股份, 2018: 7.

None. BaoWu Steel Group Corporation Limited Oriented Electrical Steel Product Manual (Qingshan Base)[M]. Wuhan: Baoshan Iron & Steel, 2018: 7.

[42] USHIGAMI Y, NAKAMURA S, MURAKAMI K, et al. Method for Produce Grain-Oriented Electrical Steel Sheet Having High Magnetic Flux Density: USA, 6613160B2[P]. 2003-09-02.

[43] IWANGAGA I, USHIGAMI Y, FUJII N, et al. Method of Manufacturing Grain-Oriented Electrical Steel Sheet: USA, 8778095B2[P]. 2014-07-15.

[44] MATSUDA H, TAKAHASHI H, YAMAGUCHI H, et al. Apparatus and Method for Nitriding Grain-Oriented Electrical Steel Sheet: USA, 10066286B2[P]. 2018-09-04.

[45] SHINGAKI Y, INOUE H. Method for Manufacturing Grain-Oriented Electrical Steel Sheet, and Nitriding Apparatus: USA, 10900113B2[P]. 2021-01-26.

[46] JOO H D, KIM C S, PARK J T, et al. Method for Manufacturing Grain-Oriented Electrical Steel Sheet Having Excellent Magnetic Properties: USA, 9663839B2 [P]. 2017-05-30.

[47] 黄杰, 孙焕德, 吉亚明, 等. 一种高磁感取向硅钢及其制造方法:中国, CN110318005A[P]. 2019-06-28.

HUANG Jie, SUN Huan-de, JI Ya-ming, et al. A High Magnetic Induction Oriented Silicon Steel and Its Manufacturing Method: China, CN110318005A[P]. 2019- 06-28.

[48] 高洋, 郭小龙, 骆忠汉, 等. 一种厚度≤0.20 mm低温高磁感取向硅钢的生产方法: 中国, CN107974543B[P]. 2019-06-28.

GAO Yang, GUO Xiao-long, LUO Zhong-han, et al. A Production Method of Low Temperature High Magnetic Induction Oriented Silicon Steel with Thickness ≤ 0.20 mm: China, CN107974543B[P]. 2019-06-28.

[49] 黎先浩, 马家, 骥龚坚, 等. 一种高磁感取向硅钢的生产方法: 中国, CN107699670A[P]. 2018-02-16.

LI Xian-hao, MA Jia, JI Gong-jian, et al. A Production Method of High Magnetic Induction Oriented Silicon Steel: China, CN107699670A[P]. 2018-02-16

[50] USHIGAMI Y, KUROSAWA F, MASUI H, et al. Precipitation Behaviors of Injected Nitride Inhibitors during Secondary Recrystallization Annealing in Grain Oriented Silicon Steel[J]. Materials Science Forum, 1996, 204/205/206: 593-598.

[51] LIAO C C, HOU C K. Effect of Nitriding Time on Secondary Recrystallization Behaviors and Magnetic Properties of Grain-Oriented Electrical Steel[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2010, 322: 434- 442.

[52] 王瑞, 杨平, 刘恭涛. 渗氮温度对获得抑制剂取向硅钢粒子析出及退火组织的影响[J]. 中国体视学与图像分析, 2016, 21(3): 272-278.

WANG Rui, YANG Ping, LIU Gong-tao. Effect of Nitriding Temperature on Inhibitor Precipitation and the Annealed Microstructure of Grain-Oriented Silicon Steel Produced by Acquired Inhibitor Method[J]. Chinese Journal of Stereology and Image Analysis, 2016, 21(3): 272-278.

[53] 毛新平, 高吉祥, 柴毅忠. 中国薄板坯连铸连轧技术的发展[J]. 钢铁, 2014, 49(7): 49-60.

MAO Xin-ping, GAO Ji-xiang, CHAI Yi-zhong. Development of Thin Slab Casting and Direct Rolling Process in China[J]. Iron and Steel, 2014, 49(7): 49-60.

[54] 佛尔图纳蒂 S, 西卡利 S, 阿布鲁泽瑟 G. 由薄板坯生产晶粒取向电工钢带的方法: 中国, CN1231703A [P]. 1999-10-13.

FORTUNATI S, CIRCALE S, ABBRUZZESE G. Method for Producing Grain-Oriented Electrical Steel Strip from Thin Slabs: China, CN1231703A[P]. 1999-10-13.

[55] FORTUNATI S, CIRCALE S, ABBRUZZESE G. Process for the Production of Grain Oriented Electrical Steel Strip Starting from Thin Slabs: USA, 6273964B1[P]. 2001-08-14.

[56] FORTUNATI S, CIRCALE S, ABBRUZZESE G. Process for the Production of Grain Oriented Electrical Steel Strip Having High Magnetic Characteristics, Starting from Thin Slabs: USA, 6296719B1[P]. 2001-10-02.

[57] 卢风喜, 何敏. 国内外电工钢产销分析及发展预测[J]. 电器工业, 2006(5): 28-30.

LU Feng-xi, HE Min. Production and Sales Analysis and Development Forecast of Electrical Steel at Home and Abroad[J]. Electrical Appliance Industry, 2006(5): 28-30.

[58] 安治国, 李阳, 朱国辉, 等. 工业化研制薄板坯连铸连轧取向电工钢的组织和性能[J]. 北京科技大学学报, 2009, 31(4): 530-532.

AN Zhi-guo, LI Yang, ZHU Guo-hui, et al. Microstructure and Properties of Grain Oriented Electrical Steel Produced Commercially by Compact Strip Processing on Production Lines[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2009, 31(4): 530-532.

[59] 黎先浩, 孟小涛, 赵鹏飞, 等. 高磁感取向硅钢研发现状与展望[J]. 中国冶金, 2019, 29(1): 1-7.

LI Xian-hao, MENG Xiao-tao, ZHAO Peng-fei, et al. Present Status and Future Prospect of High Permeability Grain-Oriented Silicon Steel[J]. China Metallury, 2019, 29(1): 1-7.

[60] 京特. K, 拉恩. L, 普洛赫. A, 等. 生产晶粒取向的电工带钢的方法: 中国, CN101238226A[P]. 2008-08-06.

KLAUS G, LUNDGER L, ANDREAS P, et al. Method for Producing a Grain-Oriented Electrical Steel Strip: China, CN101238226A[P]. 2008-08-06.

[61] 孙焕德, 李国保, 路林林. 一种基于薄板坯连铸连轧的取向硅钢及其制造方法: 中国, CN1978691A[P]. 2007-06-03.

SUN Huan-de, LI Guo-bao, LU Lin-lin. Oriented Silicon Steel Based on Continuous Casting and Rolling of Thin Slab and Its Manufacturing Method: China, CN1978691A[P]. 2007-06-03.

[62] 仇圣桃, 周明伟, 贾友生, 等. 一种薄板坯连铸连轧高磁感取向硅钢及其制造方法: 中国, CN103774042A [P]. 2014-05-07.

QIU Sheng-tao, ZHOU Ming-wei, JIA You-sheng, et al. Thin Slab Continuous Casting and Rolling High Magnetic Induction Oriented Silicon Steel and Its Manufacturing Method: China, CN103774042A[P]. 2014-05-07.

[63] MAHAPATRA R, BLEJDE W, FUKASE H, et al. Commercial Production of Thin-Strip by Twin-Roll Strip Casting-Castrip(R)Process[C]// TMS2013 Annual Meeting Supplemental Proceedings, 2013: 431-438.

[64] 方园, 张健. 双辊薄带连铸连轧技术的发展现状及未来[J]. 宝钢技术, 2018(4): 2-6.

FANG Yuan, ZHANG Jian. Development Status and Future of Twin Roll Strip Casting & Rolling[J]. Bao Steel Technology, 2018(4): 2-6.

[65] IWANAGA I, IWAYAMA K, MIYAZAWA K, et al. Process for Producing a Grain-Oriented Electrical Steel Sheet by Means of Rapid Quench-Solidification Process: USA, 5049204[P]. 1991-09-17.

[66] SCHOEN J W, HUPPI G S. Method of Producing (110)[001] Grain Oriented Electrical Steel Using Strip Casting: USA, 6749693B2[P]. 2004-06-15.

[67] FORTUNATI S, CICALE S. Process for the Production of Grain Oriented Electrical Steel Strips: USA, 6964711B2[P]. 2005-12-15.

[68] 张元祥. 双辊薄带连铸电工钢组织、织构析出演化与磁性能研究[D]. 沈阳: 东北大学, 2017: 43-44.

ZHANG Yuan-xiang. Study of the Microstructure, Texture, Precipitation and Magnetic Properties of Electrical Steels Produced by Twin Roll Strip Casting[D]. Shenyang: Northeastern University, 2017: 43-44.

[69] FANG F, LAN M F, LU X, et al. The Impact of Niobium on the Microstructure, Texture and Magnetic Properties of Strip-Cast Grain Oriented Silicon Steel[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2017, 442: 1-7.

[70] WANG Y, XU Y B, ZHANG Y X, et al. Development of Microstructure and Texture in Strip Casting Grain Oriented Silicon Steel[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2015, 379: 161-166.

[71] LU X, XU Y B, FANG F, et al. Characterization of Microstructure and Texture in Grain-Oriented High Silicon Steel by Strip Casting[J]. Acta Metall Sin, 2015, 28(11): 1394-1402.

[72] LU X, FANG F, ZHANG Y X, et al. Influence of Rolling Reduction on Secondary Recrystallization and Magnetic Properties in Strip-Cast Grain-Oriented 4.5%Si Steel[J]. Steel Research International, 2017, 88(4): 1-10.

[73] LU X, FANG F, ZHANG Y X, et al. Microstructure and Magnetic Properties of Strip-Cast Grain-Oriented 4.5%Si Steel Under Isochronal and Isothermal Secondary Annealing[J]. Metal, 2018, 53: 2928-2941.

[74] LU X, FANG F, ZHANG Y X, et al. Evolution of Microstructure and Texture in Grain-Oriented 6.5%Si Steel Processed by Strip-Casting[J]. Materials Characterization, 2017, 126: 125-134.

Preparation Technology and Development Trend of Grain-Oriented Silicon Steel

NING Xu, WANG Yan-li, LIANG Yong-feng, LIN Jun-pin

(State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

As an important iron core material, grain-oriented silicon steel is widely used in power industry. Based on the process and technical characteristics, the preparation process of grain-oriented silicon steel can be divided into traditional thick slab process, thin slab continuous casting, rolling process and twin roll strip casting process. The traditional thick slab process is the main method for industrial production of grain-oriented silicon steel at present, which can be divided into slab high-temperature heating, slab medium temperature heating and slab low-temperature heating according to the heating temperature. And slab low-temperature heating has the advantages of low heating temperature, low energy consumption, and low production cost and is currently the mainstream technology for industrial production of high magnetic permeability grain-oriented silicon steel. According to the development of grain-oriented silicon steel, the preparation process of grain-oriented silicon steel was comprehensively reviewed. The composition system and process characteristics of grain-oriented silicon steel prepared by traditional slab high temperature heating, medium temperature heating and low temperature heating were summarized in detail, focusing on the slab low temperature nitriding process. Finally, the development trend of grain-oriented silicon steel is prospected.

conventional grain-oriented silicon steel; high permeability grain-oriented silicon steel; inhibitor; magnetic flux density; iron loss

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.01.001

TG142.7

A

1674-6457(2022)01-0001-10

2021-11-18

国家自然科学基金创新研究群体科学基金（51921001）

宁旭（1986—），男，博士生，主要研究方向为硅钢组织织构及磁性能的优化调控。

王艳丽（1964—），女，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为高性能不锈钢结构材料及核电关键部件材料。