高硅钢Fe-6.5%Si薄带连铸组织控制

在先进电工材料领域，高硅钢因其优异的软磁性能，尤其是低铁损和高磁导率，成为电力变压器、电机和高效电子器件中的关键材料。其中，Fe-6.5%Si合金因硅含量接近理论最优值，磁致伸缩系数趋近于零，磁晶各向异性显著降低，从而大幅提升了材料的磁性能。然而，随着硅含量的增加，材料的脆性急剧上升，传统热轧工艺难以实现薄带的高效制备，尤其在厚度小于0.3mm的薄带生产中面临严重开裂、边裂和表面缺陷等问题。因此，开发适用于高硅钢的新型制备工艺，尤其是连铸技术，成为突破材料应用瓶颈的关键。

连铸技术因其连续化、高效化和组织可控性优势，近年来在高硅钢薄带制备中展现出巨大潜力。与传统热轧-退火-酸洗-冷轧多道次工艺相比，薄带连铸（Strip Casting）通过将钢液直接浇铸成2~5mm厚的薄带，再经1~2次热轧或直接冷轧至目标厚度，可显著缩短工艺流程，降低能耗与成本。对于Fe-6.5%Si合金而言，连铸过程中的冷却速率高达10²~10⁴ K/s，远高于传统铸锭的冷却条件，这为凝固组织的调控提供了新的物理基础。

在连铸过程中，组织控制的核心在于抑制脆性相的析出并促进有利织构的形成。Fe-6.5%Si合金在高温下易形成B2和DO3有序相，这些有序结构在冷却过程中会显著降低材料的塑性，导致后续加工开裂。研究表明，通过调控连铸过程中的凝固路径，可有效抑制有序相的生成。例如，采用超快冷（Ultra-Rapid Cooling）技术，在凝固初期即实现高过冷度，使奥氏体相以非平衡方式凝固，推迟B2相的析出温度区间，从而在后续冷却中避免其大量形成。此外，通过优化中间包温度、拉速和冷却水流量等参数，可进一步控制柱状晶与等轴晶的比例，获得细密、均匀的初始凝固组织，为后续轧制提供良好的塑性基础。

织构控制是提升高硅钢磁性能的另一个关键环节。理想的磁性能要求材料在轧制方向上形成{100}<001>立方织构或{110}<001>戈斯织构，以降低磁各向异性。在连铸薄带中，凝固初期的取向生长对最终织构具有决定性影响。实验发现，当拉速控制在1.5~2.5 m/min范围内，并配合定向冷却策略，可促进<001>取向的柱状晶沿拉坯方向生长，形成初步的立方织构倾向。同时，通过控制二次冷却区的冷却速率，可调控晶粒的再结晶行为，在后续退火过程中实现织构的优化。例如，在600~800℃区间进行短时退火，可促进{100}取向晶粒的异常长大，形成强立方织构，显著提升磁导率。

此外，微合金化与控氧技术也在组织调控中发挥重要作用。向Fe-6.5%Si中添加微量的Nb、V或B等元素，可细化凝固组织，抑制晶粒异常长大，同时提高再结晶温度，为后续织构优化提供窗口。同时，控制钢液中的氧含量在10~30 ppm范围内，可形成细小弥散的AlN或SiO₂析出相，起到钉扎晶界的作用，防止晶粒粗化。值得注意的是，过高的氧含量会形成粗大夹杂物，反而损害材料的磁性能和表面质量，因此需结合真空脱气与保护浇铸技术，实现洁净钢冶炼。

近年来，双辊薄带连铸技术在高硅钢制备中取得显著进展。该技术通过两个反向旋转的冷却辊将钢液直接凝固成薄带，冷却速率可达10³ K/s以上，有效抑制了脆性相析出。结合后续的温轧与连续退火工艺，已成功制备出厚度为0.1~0.2mm的Fe-6.5%Si薄带，其铁损值（P1.5T/50Hz）低于2.0 W/kg，达到国际先进水平。更重要的是，该工艺实现了组织-织构-性能的协同调控，为高硅钢的工业化应用开辟了新路径。

综上所述，高硅钢Fe-6.5%Si薄带的连铸组织控制是一项涉及凝固动力学、相变行为、织构演化和工艺参数协同优化的系统工程。未来，随着数值模拟、原位表征与智能控制技术的发展，连铸工艺将更加精准地调控微观组织，推动高硅钢在高效能源转换与智能电力系统中的广泛应用。