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科技新进展：无底层绿色环保涂层高磁感取向硅钢的开发及规模化制造
发布时间：
2022-05-10 09:04
一、研究的背景与问题
取向硅钢被誉为钢铁中的“工艺品”，其制造技术和产品质量反映了一个国家特殊钢的生产技术水平。取向硅钢工业生产中钢板经过H2-N2-H2O气氛中连续脱碳退火将基体中碳脱到0.003%以下，并在钢带表面形成合适氧化层，然后表面涂布MgO隔离剂防止钢带成卷高温退火时粘接，在高温退火过程中MgO与钢板表面氧化层发生固态扩散反应2MgO+SiO2→Mg2SiO4，形成Mg2SiO4玻璃膜底层。硅酸镁底层硬度高，导致传统取向硅钢的加工性能差，不管是规模化的轧制还是冲制，对工装和工具都消耗极大，严重影响了加工效率，增加了制造成本，且底层与基体的粗糙界面对磁畴移动具有阻碍作用，不利于铁损降低。
研发无硅酸镁底层取向硅钢，可有效解决取向硅钢加工性能差的行业难题，无底层取向硅钢能直接用于轧制极薄规格取向硅钢（厚度≤0.12mm）。极薄规格取向硅钢是将传统的取向硅钢成品经过冷轧和退火而获得，主要用作高频变压器、大功率磁放大器、脉冲变压器、脉冲发电机、通讯的轭流圈、电感、储存和记忆元件，以及在振动和辐射条件下工作的变压器，在频率为400Hz～1000Hz范围显示出极低的铁损，被视为较高频率用的变压器铁芯材料，当前国内高端极薄取向硅钢带材仍以进口为主。采用无底层取向硅钢成品制作极薄规格取向硅钢减少去除硅酸镁底层工序，大大降低生产成本，提高生产效率。
无硅酸镁底层绿色环保涂层取向硅钢应用于大型电机，可在解决玻璃膜底层带来的加工成本和加工效率难题的同时，提升大型电机制造过程中产品的绿色环保水平。旋转电机铁芯材料要求使用高磁通密度、高磁导率并且铁损低的材料，常规旋转电机主要使用无取向硅钢，但对于磁负荷、热负荷特别高的大型高端电机产品，无取向硅钢性能已无法满足需求，需要使用取向硅钢作为铁芯材料。特别作为大国重器的超大型电机的铁芯重量往往达到数百吨，需要数十万片铁芯冲片进行叠装，因此硅钢片的冲片加工性能对于冲片制造具有决定性作用。常规取向硅钢硅酸镁底层硬度高，冲片掉渣、毛刺大、精度差，模具损耗严重，冲片加工效率极低，大型电机制造厂家纷纷寻求冲片加工性优良的取向硅钢产品替代常规取向硅钢，但一直未能实现。无底层绿色环保涂层取向硅钢的研发与应用，系统解决了取向硅钢用作铁芯制造的成本效率问题和环保问题，向绿色产品迈出了一大步。
二、解决问题的思路与技术方案
针对上述问题，本项目开发了无硅酸镁底层高磁感取向硅钢、无硅酸镁底层绿色环保涂层高磁感取向硅钢。其中无硅酸镁底层绿色环保涂层高磁感取向硅钢产品主要用作大型发电机铁芯，兼具取向硅钢电磁性能和无取向硅钢加工性能，与传统取向硅钢产品相比绝缘性、附着性等级更高，表面硬度更低（适合于冲片加工），涂层体系中完全不含铬（实现绿色环保），且产品工序更长，成分、工艺更复杂，特别是冶炼过程中的铋元素添加、稳定热轧等工序生产难度大，是取向硅钢中的“专精特新”产品，拓展了取向硅钢新用途，具有广阔的应用前景。项目主要技术方案包括：
1、针对低成本、批量稳定制造无硅酸镁底层取向硅钢的技术要求，通过冶金法无硅酸镁底层取向硅钢制造技术研究，开发出炼钢加铋无硅酸镁底层取向硅钢批量制造技术，实现了无硅酸镁底层取向硅钢的批量稳定生产，创新了无硅酸镁底层取向硅钢制备工艺（与日本新日铁、JFE、美国Armco、国内钢厂等无底层取向硅钢制备工艺完全不同）。
2、针对无硅酸镁底层取向硅钢的磁性能要求，通过铋对取向硅钢二次再结晶的影响机理研究，开发出无硅酸镁底层高磁感取向硅钢批量稳定制造技术，产品性能优于同厚度规格常规取向硅钢，各项磁性指标均满足供货协议，部分性能参数远高于用户技术要求。
3、针对无硅酸镁底层绿色环保涂层高磁感取向硅钢的应用要求，通过对绿色环保涂层和无底层取向硅钢基板结合机理及涂布工艺的研究，开发出无硅酸镁底层绿色环保涂层高磁感取向硅钢稳定制造技术，实现了获得无硅酸镁底层取向硅钢后的工序延伸，项目产品与传统高磁感取向硅钢相比绝缘性、附着性等级更高，表面硬度更低（适合于冲片加工），涂层体系中完全不含铬，完全实现了绿色环保。
4、针对取向硅钢添加铋合金的技术难题，通过对炼钢加铋、热轧，以及相配套的硅钢后工序批量稳定制造工艺研究，开发出适用于大型电机铁芯制造的高磁感取向硅钢全工序批量稳定制造技术，实现了取向硅钢铋合金添加、及添加后的批量稳定生产，降低了综合制造成本。
图3 无底层绿色环保涂层高磁感取向硅钢钢卷及冲制的扇形片
三、主要创新性成果
通过项目实施，取得如下创新成果：
1. 发明了一种新的含铋及独有脱碳退火工艺生产高磁感取向硅钢的制造技术，可抑制取向硅钢硅酸镁底层的生成，生产出可满足于电机行业使用的新型无底层涂层高磁感取向硅钢，该技术独创了无底层涂层取向硅钢制备工艺，为全球领先技术；
2.攻克了含铋无底层涂层取向硅钢的铋元素添加、稳定热轧技术，解决了铋元素的均匀、稳定添加，以及热轧板边裂的控制难题，全球首次实现了含铋无底层涂层取向硅钢的稳定、批量生产；
3.以含铋无底层取向硅钢为基材，创新了表面处理技术，研制出一种新型低表面硬度、附着性等级高的绿色环保涂层取向硅钢产品，并实现全球首发，该产品可有效解决电机行业采用取向硅钢制作电机铁芯时存在的冲片毛剌大、模具损耗严重的老大难问题；
4.以含铋无底层取向硅钢为基材，创新了表面处理技术，研制出另一种新型可自粘接成型的绿色环保涂层取向硅钢产品，并实现全球首发，该产品可有效解决风电电机铁芯粘接端板不能用取向硅钢制造（无法整体成型）的传统难题，可大幅降低电机损耗。
四、应用情况与效果
作为国家“十三五”重点研发计划项目子课题，本项目开发出性能符合要求的无硅酸镁底层取向硅钢，解决了大功率电力电子装备用中、高频磁性元件阳极饱和电抗器铁芯材料原料的国产化问题，为国家重点研发计划项目“大功率电力电子装备用中高频磁性元件关键技术”（项目编号2017YFB0903900）的完成提供了支撑（该项目已完成由工信部组织的验收评审）。
图4 大型火力发电机定子铁心叠装图
同时，本项目开发出适用于大型发电机铁芯制造的0.35mm厚度规格无硅酸镁底层绿色环保涂层高磁感取向硅钢的批量产出能力，首次成功实现无底层绿色环保涂层加铋高磁感取向硅钢的大批量生产及应用，产品通过东方电机火电（核电）、中车株洲电机风电产品质量认证，累计销售2万余吨，使用效果受到用户的高度好评。项目获发明专利33项（授权22项），论文10篇，核心技术秘密2项，行业标准1项，开发出5个牌号新产品，其中2项全球首发。
图5 1000MW级大型火力发电机定子装配图
无底层绿色环保涂层高磁感取向硅钢产品应用于东方电机“大国重器”项目—1000兆瓦级大型火电发电机组，中车株洲电机海外风电项目，彻底解决了困扰电机行业多年取向硅钢制作电机铁芯冲片毛剌大、加工成本高的“卡脖子”问题，经济和社会效益显著。项目产品助力电机企业满足电机能效的更高要求，可更好的实现技术降本与产品创新，为我国“双碳”目标推进提供有力支撑，为国家和社会绿色低碳发展作出贡献。
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