一、研究的背景與問題

取向硅鋼被譽(yù)為鋼鐵中的“工藝品”，其制造技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量反映了一個(gè)國(guó)家特殊鋼的生產(chǎn)技術(shù)水平。取向硅鋼工業(yè)生產(chǎn)中鋼板經(jīng)過H2-N2-H2O氣氛中連續(xù)脫碳退火將基體中碳脫到0.003%以下，并在鋼帶表面形成合適氧化層，然后表面涂布MgO隔離劑防止鋼帶成卷高溫退火時(shí)粘接，在高溫退火過程中MgO與鋼板表面氧化層發(fā)生固態(tài)擴(kuò)散反應(yīng)2MgO+SiO2→Mg2SiO4，形成Mg2SiO4玻璃膜底層。硅酸鎂底層硬度高，導(dǎo)致傳統(tǒng)取向硅鋼的加工性能差，不管是規(guī)?；能堉七€是沖制，對(duì)工裝和工具都消耗極大，嚴(yán)重影響了加工效率，增加了制造成本，且底層與基體的粗糙界面對(duì)磁疇移動(dòng)具有阻礙作用，不利于鐵損降低。

圖1 無硅酸鎂底層取向硅鋼

研發(fā)無硅酸鎂底層取向硅鋼，可有效解決取向硅鋼加工性能差的行業(yè)難題，無底層取向硅鋼能直接用于軋制極薄規(guī)格取向硅鋼（厚度≤0.12mm）。極薄規(guī)格取向硅鋼是將傳統(tǒng)的取向硅鋼成品經(jīng)過冷軋和退火而獲得，主要用作高頻變壓器、大功率磁放大器、脈沖變壓器、脈沖發(fā)電機(jī)、通訊的軛流圈、電感、儲(chǔ)存和記憶元件，以及在振動(dòng)和輻射條件下工作的變壓器，在頻率為400Hz～1000Hz范圍顯示出極低的鐵損，被視為較高頻率用的變壓器鐵芯材料，當(dāng)前國(guó)內(nèi)高端極薄取向硅鋼帶材仍以進(jìn)口為主。采用無底層取向硅鋼成品制作極薄規(guī)格取向硅鋼減少去除硅酸鎂底層工序，大大降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

圖2 無底層綠色環(huán)保涂層高磁感取向硅鋼沖片加工

無硅酸鎂底層綠色環(huán)保涂層取向硅鋼應(yīng)用于大型電機(jī)，可在解決玻璃膜底層帶來的加工成本和加工效率難題的同時(shí)，提升大型電機(jī)制造過程中產(chǎn)品的綠色環(huán)保水平。旋轉(zhuǎn)電機(jī)鐵芯材料要求使用高磁通密度、高磁導(dǎo)率并且鐵損低的材料，常規(guī)旋轉(zhuǎn)電機(jī)主要使用無取向硅鋼，但對(duì)于磁負(fù)荷、熱負(fù)荷特別高的大型高端電機(jī)產(chǎn)品，無取向硅鋼性能已無法滿足需求，需要使用取向硅鋼作為鐵芯材料。特別作為大國(guó)重器的超大型電機(jī)的鐵芯重量往往達(dá)到數(shù)百噸，需要數(shù)十萬片鐵芯沖片進(jìn)行疊裝，因此硅鋼片的沖片加工性能對(duì)于沖片制造具有決定性作用。常規(guī)取向硅鋼硅酸鎂底層硬度高，沖片掉渣、毛刺大、精度差，模具損耗嚴(yán)重，沖片加工效率極低，大型電機(jī)制造廠家紛紛尋求沖片加工性優(yōu)良的取向硅鋼產(chǎn)品替代常規(guī)取向硅鋼，但一直未能實(shí)現(xiàn)。無底層綠色環(huán)保涂層取向硅鋼的研發(fā)與應(yīng)用，系統(tǒng)解決了取向硅鋼用作鐵芯制造的成本效率問題和環(huán)保問題，向綠色產(chǎn)品邁出了一大步。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

針對(duì)上述問題，本項(xiàng)目開發(fā)了無硅酸鎂底層高磁感取向硅鋼、無硅酸鎂底層綠色環(huán)保涂層高磁感取向硅鋼。其中無硅酸鎂底層綠色環(huán)保涂層高磁感取向硅鋼產(chǎn)品主要用作大型發(fā)電機(jī)鐵芯，兼具取向硅鋼電磁性能和無取向硅鋼加工性能，與傳統(tǒng)取向硅鋼產(chǎn)品相比絕緣性、附著性等級(jí)更高，表面硬度更低（適合于沖片加工），涂層體系中完全不含鉻（實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保），且產(chǎn)品工序更長(zhǎng)，成分、工藝更復(fù)雜，特別是冶煉過程中的鉍元素添加、穩(wěn)定熱軋等工序生產(chǎn)難度大，是取向硅鋼中的“專精特新”產(chǎn)品，拓展了取向硅鋼新用途，具有廣闊的應(yīng)用前景。項(xiàng)目主要技術(shù)方案包括：

1、針對(duì)低成本、批量穩(wěn)定制造無硅酸鎂底層取向硅鋼的技術(shù)要求，通過冶金法無硅酸鎂底層取向硅鋼制造技術(shù)研究，開發(fā)出煉鋼加鉍無硅酸鎂底層取向硅鋼批量制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無硅酸鎂底層取向硅鋼的批量穩(wěn)定生產(chǎn)，創(chuàng)新了無硅酸鎂底層取向硅鋼制備工藝（與日本新日鐵、JFE、美國(guó)Armco、國(guó)內(nèi)鋼廠等無底層取向硅鋼制備工藝完全不同）。

2、針對(duì)無硅酸鎂底層取向硅鋼的磁性能要求，通過鉍對(duì)取向硅鋼二次再結(jié)晶的影響機(jī)理研究，開發(fā)出無硅酸鎂底層高磁感取向硅鋼批量穩(wěn)定制造技術(shù)，產(chǎn)品性能優(yōu)于同厚度規(guī)格常規(guī)取向硅鋼，各項(xiàng)磁性指標(biāo)均滿足供貨協(xié)議，部分性能參數(shù)遠(yuǎn)高于用戶技術(shù)要求。

3、針對(duì)無硅酸鎂底層綠色環(huán)保涂層高磁感取向硅鋼的應(yīng)用要求，通過對(duì)綠色環(huán)保涂層和無底層取向硅鋼基板結(jié)合機(jī)理及涂布工藝的研究，開發(fā)出無硅酸鎂底層綠色環(huán)保涂層高磁感取向硅鋼穩(wěn)定制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了獲得無硅酸鎂底層取向硅鋼后的工序延伸，項(xiàng)目產(chǎn)品與傳統(tǒng)高磁感取向硅鋼相比絕緣性、附著性等級(jí)更高，表面硬度更低（適合于沖片加工），涂層體系中完全不含鉻，完全實(shí)現(xiàn)了綠色環(huán)保。

4、針對(duì)取向硅鋼添加鉍合金的技術(shù)難題，通過對(duì)煉鋼加鉍、熱軋，以及相配套的硅鋼后工序批量穩(wěn)定制造工藝研究，開發(fā)出適用于大型電機(jī)鐵芯制造的高磁感取向硅鋼全工序批量穩(wěn)定制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了取向硅鋼鉍合金添加、及添加后的批量穩(wěn)定生產(chǎn)，降低了綜合制造成本。

圖3 無底層綠色環(huán)保涂層高磁感取向硅鋼鋼卷及沖制的扇形片

三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果

通過項(xiàng)目實(shí)施，取得如下創(chuàng)新成果：

1. 發(fā)明了一種新的含鉍及獨(dú)有脫碳退火工藝生產(chǎn)高磁感取向硅鋼的制造技術(shù)，可抑制取向硅鋼硅酸鎂底層的生成，生產(chǎn)出可滿足于電機(jī)行業(yè)使用的新型無底層涂層高磁感取向硅鋼，該技術(shù)獨(dú)創(chuàng)了無底層涂層取向硅鋼制備工藝，為全球領(lǐng)先技術(shù)；

2.攻克了含鉍無底層涂層取向硅鋼的鉍元素添加、穩(wěn)定熱軋技術(shù)，解決了鉍元素的均勻、穩(wěn)定添加，以及熱軋板邊裂的控制難題，全球首次實(shí)現(xiàn)了含鉍無底層涂層取向硅鋼的穩(wěn)定、批量生產(chǎn)；

3.以含鉍無底層取向硅鋼為基材，創(chuàng)新了表面處理技術(shù)，研制出一種新型低表面硬度、附著性等級(jí)高的綠色環(huán)保涂層取向硅鋼產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)全球首發(fā)，該產(chǎn)品可有效解決電機(jī)行業(yè)采用取向硅鋼制作電機(jī)鐵芯時(shí)存在的沖片毛剌大、模具損耗嚴(yán)重的老大難問題；

4.以含鉍無底層取向硅鋼為基材，創(chuàng)新了表面處理技術(shù)，研制出另一種新型可自粘接成型的綠色環(huán)保涂層取向硅鋼產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)全球首發(fā)，該產(chǎn)品可有效解決風(fēng)電電機(jī)鐵芯粘接端板不能用取向硅鋼制造（無法整體成型）的傳統(tǒng)難題，可大幅降低電機(jī)損耗。

四、應(yīng)用情況與效果

作為國(guó)家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目子課題，本項(xiàng)目開發(fā)出性能符合要求的無硅酸鎂底層取向硅鋼，解決了大功率電力電子裝備用中、高頻磁性元件陽極飽和電抗器鐵芯材料原料的國(guó)產(chǎn)化問題，為國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“大功率電力電子裝備用中高頻磁性元件關(guān)鍵技術(shù)”（項(xiàng)目編號(hào)2017YFB0903900）的完成提供了支撐（該項(xiàng)目已完成由工信部組織的驗(yàn)收評(píng)審）。

圖4 大型火力發(fā)電機(jī)定子鐵心疊裝圖

同時(shí)，本項(xiàng)目開發(fā)出適用于大型發(fā)電機(jī)鐵芯制造的0.35mm厚度規(guī)格無硅酸鎂底層綠色環(huán)保涂層高磁感取向硅鋼的批量產(chǎn)出能力，首次成功實(shí)現(xiàn)無底層綠色環(huán)保涂層加鉍高磁感取向硅鋼的大批量生產(chǎn)及應(yīng)用，產(chǎn)品通過東方電機(jī)火電（核電）、中車株洲電機(jī)風(fēng)電產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證，累計(jì)銷售2萬余噸，使用效果受到用戶的高度好評(píng)。項(xiàng)目獲發(fā)明專利33項(xiàng)（授權(quán)22項(xiàng)），論文10篇，核心技術(shù)秘密2項(xiàng)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)，開發(fā)出5個(gè)牌號(hào)新產(chǎn)品，其中2項(xiàng)全球首發(fā)。

圖5 1000MW級(jí)大型火力發(fā)電機(jī)定子裝配圖

無底層綠色環(huán)保涂層高磁感取向硅鋼產(chǎn)品應(yīng)用于東方電機(jī)“大國(guó)重器”項(xiàng)目—1000兆瓦級(jí)大型火電發(fā)電機(jī)組，中車株洲電機(jī)海外風(fēng)電項(xiàng)目，徹底解決了困擾電機(jī)行業(yè)多年取向硅鋼制作電機(jī)鐵芯沖片毛剌大、加工成本高的“卡脖子”問題，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。項(xiàng)目產(chǎn)品助力電機(jī)企業(yè)滿足電機(jī)能效的更高要求，可更好的實(shí)現(xiàn)技術(shù)降本與產(chǎn)品創(chuàng)新，為我國(guó)“雙碳”目標(biāo)推進(jìn)提供有力支撐，為國(guó)家和社會(huì)綠色低碳發(fā)展作出貢獻(xiàn)。