專業(yè)論文丨特高壓及新能源裝備用超薄取向硅鋼開發(fā)與應(yīng)用

發(fā)布日期：2023-09-26 瀏覽次數(shù)：3666

一、研究的背景與問題
在“雙碳”目標(biāo)的戰(zhàn)略指引下，我國新能源行業(yè)蓬勃發(fā)展，但其遠(yuǎn)距離傳輸和并網(wǎng)消納成為技術(shù)瓶頸，構(gòu)建以特高壓輸電線路為骨干載體的新型能源電力網(wǎng)絡(luò)迫在眉睫，實(shí)現(xiàn)以核心材料引領(lǐng)高端電工裝備技術(shù)革新，大幅提升新能源匯集、遠(yuǎn)距離輸送及高效并網(wǎng)消納能力具有重要意義。厚度≤0.10mm超薄取向硅鋼適用于100~1000Hz中頻工況，是特高壓輸電及新能源并網(wǎng)裝備核心材料，但長期被發(fā)達(dá)國家壟斷，成為我國先進(jìn)電工裝備技術(shù)提升的“卡脖子”問題。為此，在“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃及國家電網(wǎng)公司重大項(xiàng)目支持下，項(xiàng)目組突破了中頻超薄取向硅鋼從母材到成品的基礎(chǔ)理論及核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高端材料自主研發(fā)及工程應(yīng)用。
目前，我國特高壓輸電及新能源并網(wǎng)陽極飽和電抗器、中頻變壓器等電工裝備鐵心用材料超薄取向硅鋼長期依賴日本進(jìn)口，價(jià)格高達(dá)15~30萬元/噸，同時(shí)限制了其在國內(nèi)軍工、國防、交通等領(lǐng)域的應(yīng)用，年需求量超過3000噸，高端產(chǎn)品亟待攻關(guān)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。但是，國內(nèi)僅有個(gè)別民企采用常規(guī)取向硅鋼作為母材的生產(chǎn)路線，長期缺乏針對(duì)母材、超薄軋制、張力退火及絕緣涂層等關(guān)鍵環(huán)節(jié)基礎(chǔ)理論與技術(shù)系統(tǒng)研究，材料性能和生產(chǎn)技術(shù)顯著落后國外，無法滿足電網(wǎng)、交通、軍工等領(lǐng)域高端應(yīng)用快速發(fā)展的需求。

制約我國高端超薄取向硅鋼開發(fā)的技術(shù)瓶頸體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）超薄取向硅鋼專用母材缺失。采用工頻變壓器用常規(guī)取向硅鋼作為母材制備超薄取向硅鋼是國內(nèi)外通用的技術(shù)路線，但常規(guī)取向硅鋼做母材有兩個(gè)困局：①組織形態(tài)（晶粒尺寸及分布）不利于超薄取向硅鋼組織、織構(gòu)均勻性，尤其難以獲得易磁化織構(gòu)鋒銳化，導(dǎo)致?lián)p耗與磁感呈現(xiàn)“倒置”關(guān)系，無法制備出高性能超薄取向硅鋼；②常規(guī)取向硅鋼做母材需要酸洗或機(jī)械的方法去除表面附帶的絕緣涂層和硅酸鎂底層，嚴(yán)重污染環(huán)境和損傷鋼板表面，惡化超薄硅鋼質(zhì)量。因此，如何改善母材組織形態(tài)、開發(fā)超薄取向硅鋼適用的綠色環(huán)保型高性能母材成為技術(shù)難題。
（2）超薄取向硅鋼基礎(chǔ)研究薄弱。中頻用超薄取向硅鋼應(yīng)兼?zhèn)滗h銳的易磁化織構(gòu)（{0kl}<100>）和均勻細(xì)小的晶粒尺寸，但超薄厚度下易磁化取向晶粒競(jìng)爭(zhēng)長大機(jī)制復(fù)雜，易磁化織構(gòu)與晶粒尺寸匹配窗口窄，高磁感與低損耗協(xié)同提升難度極大；同時(shí)，國內(nèi)缺乏適用于超薄取向硅鋼的絕緣涂層體系，現(xiàn)有絕緣涂層無法同時(shí)耐800℃高溫和A級(jí)附著性。因此，如何突破超薄取向硅鋼磁感與損耗“倒置”關(guān)系、耐高溫高附著性絕緣涂層體系成為技術(shù)難題。
（3）工業(yè)化生產(chǎn)線技術(shù)及裝備落后。從母材到超薄取向硅鋼成品生產(chǎn)工序長，控制難度大，工藝窗口窄，工序協(xié)同要求極高，現(xiàn)有的產(chǎn)線設(shè)備精度、工藝控制無法完全滿足制備要求，產(chǎn)品磁性能差、波動(dòng)大、成材率低。因此，如何在理論和核心技術(shù)突破的基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)線升級(jí)和改造集成，實(shí)現(xiàn)高性能超薄取向硅鋼批量穩(wěn)定生產(chǎn)成為技術(shù)難題。
（4）材料及鐵心復(fù)雜工況應(yīng)用評(píng)價(jià)技術(shù)空白?，F(xiàn)有的評(píng)價(jià)技術(shù)為正弦磁化測(cè)試，無法有效評(píng)價(jià)特高壓輸電、新能源并網(wǎng)等服役工況下材料及鐵心的應(yīng)用可靠性，制約了國產(chǎn)材料服役性能提升及應(yīng)用。因此，如何構(gòu)建復(fù)雜磁場(chǎng)、溫升、應(yīng)力等多工況耦合條件下應(yīng)用可靠性評(píng)價(jià)方法，提升復(fù)雜工況測(cè)量精度成為技術(shù)難題。
項(xiàng)目組集中了取向硅鋼研發(fā)及應(yīng)用領(lǐng)域最頂尖的研究與生產(chǎn)機(jī)構(gòu)，在取向硅鋼基礎(chǔ)理論、母材及超薄取向硅鋼研發(fā)、應(yīng)用技術(shù)等方面已開展了系統(tǒng)的研究工作，在電力變壓器用0.18mm~0.35mm規(guī)格取向硅鋼研發(fā)、生產(chǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域已達(dá)國際領(lǐng)先水平，并對(duì)≤0.10mm超薄取向硅鋼進(jìn)行了系列的實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)試制研究，具備實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)高端超薄取向硅鋼從“0”到“1”突破的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案
1、解決問題的思路
本項(xiàng)目采用從專用母材到超薄取向硅鋼一貫式研發(fā)及生產(chǎn)的技術(shù)路線如圖1所示，圍繞高性能母材開發(fā)-超薄取向硅鋼制備-全流程工業(yè)化產(chǎn)線集成-多工況應(yīng)用評(píng)價(jià)體系創(chuàng)建-鐵心與裝備研制及工程應(yīng)用開展研究，突破專用母材與超薄取向硅鋼微觀組織演變機(jī)制、Goss晶粒競(jìng)爭(zhēng)長大機(jī)制、易磁化織構(gòu)鋒銳化控制、磁性能與組織形態(tài)匹配機(jī)制等基礎(chǔ)理論，開發(fā)高性能母材及超薄取向硅鋼全流程工業(yè)化生產(chǎn)工藝，創(chuàng)建材料與鐵心多工況耦合試驗(yàn)平臺(tái)及評(píng)價(jià)方法，攻克鐵心及裝備設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)，解決專用母材缺失、磁性能與組織調(diào)控基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)薄弱的難題，最終實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)材料、鐵心、裝備批量生產(chǎn)及工程應(yīng)用，解決核心材料“卡脖子”問題。項(xiàng)目總體思路如圖1所示。

2、技術(shù)方案
基于項(xiàng)目總體思路，依據(jù)以下技術(shù)方案，開展高性能專用母材、超薄取向硅鋼、工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)及集成產(chǎn)線、材料及鐵心多工況耦合試驗(yàn)評(píng)價(jià)、鐵心與裝備制造及應(yīng)用等研究工作。
（1）專用母材組織與織構(gòu)調(diào)控理論及制備工藝研究
開展母材組織對(duì)超薄取向硅鋼組織、織構(gòu)及磁性能的影響研究，提出超薄取向硅鋼用母材技術(shù)要求，指導(dǎo)高性能母材開發(fā)及生產(chǎn)；設(shè)計(jì)專用母材新型抑制劑成分體系，抑制非Goss晶粒二次再結(jié)晶長大能力和調(diào)控晶粒尺寸；開展基于新成分體系的母材熱軋-?；?冷軋工藝條件下Goss晶粒形成及演化機(jī)制、組織分布特征等理論研究，解決低再結(jié)晶比例及大壓下率變形易導(dǎo)致Goss晶粒占比急劇降低、二次再結(jié)晶組織不完善的難題；開展母材脫碳退火-滲氮-高溫退火工藝條件下抑制劑特征及二次再結(jié)晶Goss晶粒競(jìng)爭(zhēng)長大行為研究，解決Goss晶粒異常長大難、二次再結(jié)晶晶粒取向度和組織分布不理想的技術(shù)難題；開發(fā)去硅酸鎂底層新型隔離劑，研制無硅酸鎂底層的母材。最終攻克母材的新型抑制劑成分體系及隔離劑、全流程制備工藝等核心技術(shù)，為超薄取向硅鋼專用母材工業(yè)化生產(chǎn)提供支撐。
（2）超薄取向硅鋼組織與織構(gòu)調(diào)控理論及制備工藝研究
開展軋制工藝對(duì)薄軋過程中組織、織構(gòu)演變機(jī)制的影響研究，解決超薄軋制形變組織均勻性差、剪切帶密度低，并因此導(dǎo)致易磁化晶粒形核長大困難、分布不均的難題；開展退火制度對(duì)組織、易磁化η線織構(gòu)（{0kl}<100>）演變機(jī)制的影響研究，解決η線織構(gòu)組分比例與晶粒尺寸不平衡導(dǎo)致磁感應(yīng)強(qiáng)度與中頻損耗“倒置”關(guān)系的難題；開發(fā)超薄取向硅鋼專用耐高溫張應(yīng)力絕緣涂層，解決極薄絕緣涂層耐高溫性、電阻及附著力低的難題。最終攻克高性能超薄取向硅鋼冷軋-退火-涂層涂覆全流程制備工藝、耐高溫張應(yīng)力絕緣涂層成分配方等核心技術(shù)，為高性能超薄取向硅鋼工業(yè)化生產(chǎn)提供支撐。
（3）全流程工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)及集成產(chǎn)線研究
在母材織構(gòu)、組織形態(tài)調(diào)控理論研究基礎(chǔ)上，開展冶煉、熱軋、?；⒗滠?、脫碳退火、滲氮、高溫退火等環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)研究，確定工業(yè)化生產(chǎn)工藝參數(shù)，建立工業(yè)化集成產(chǎn)線，攻克母材全流程工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高性能專用母材批量化生產(chǎn)。在超薄取向硅鋼易磁化晶粒取向演變機(jī)制、晶粒組織調(diào)控、絕緣涂層配方等研究基礎(chǔ)上，開展工業(yè)化軋制、退火、絕緣涂層涂覆工藝研究，建立工業(yè)化集成產(chǎn)線，攻克高性能超薄取向硅鋼全流程工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高性能超薄取向硅鋼批量化生產(chǎn)。
（4）材料及鐵心多工況耦合試驗(yàn)平臺(tái)及評(píng)價(jià)體系建設(shè)及工程應(yīng)用
特高壓及新能源裝備服役工況復(fù)雜，創(chuàng)建材料及鐵心多工況耦合試驗(yàn)平臺(tái)，開展復(fù)雜工況條件下材料及鐵心服役性能評(píng)價(jià)方法、鐵心損耗仿真計(jì)算模型研究，提升復(fù)雜工況條件下材料磁性能測(cè)量及鐵心仿真計(jì)算精度，編制特高壓輸電裝備用超薄取向硅鋼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，解決母材、超薄取向硅鋼、鐵心應(yīng)用性能無法評(píng)價(jià)的技術(shù)難題。開展特高壓直流輸電用陽極飽和電抗器鐵心及裝備制造研究，通過型式試驗(yàn)及特高壓換流閥平臺(tái)服役工況測(cè)試評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)在特高壓輸電等重大工程中的國產(chǎn)化應(yīng)用。

三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1、開發(fā)了超薄取向硅鋼母材組織與織構(gòu)調(diào)控新方法。發(fā)明了添加Cu、Sn、Mo、Sb等元素的新型增強(qiáng)抑制劑成分體系，構(gòu)建了抑制劑有序彌散析出、Goss晶粒競(jìng)爭(zhēng)生長、織構(gòu)鋒銳化聯(lián)動(dòng)調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超薄取向硅鋼用母材組織與性能的定向調(diào)控。
2、發(fā)明了中頻高性能超薄取向硅鋼及耐高溫絕緣涂層。揭示了易磁化取向“種子”（{0kl}<100>）在超薄空間中遺傳和競(jìng)爭(zhēng)長大機(jī)制，開發(fā)了{(lán)0kl}<100>織構(gòu)鋒銳化與合理晶粒尺寸協(xié)同控制技術(shù)，發(fā)明了800℃耐熱、厚度＜3μm張應(yīng)力A級(jí)附著性絕緣涂層，實(shí)現(xiàn)了高磁感應(yīng)強(qiáng)度與低鐵心損耗的協(xié)同提升。
3、建立了千噸級(jí)超薄取向硅鋼工業(yè)集成產(chǎn)線。突破了首道次大壓下率軋制、薄軋防斷帶、一次再結(jié)晶帶張力氣氛退火等系列關(guān)鍵技術(shù)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B800大于1.82T，損耗P1.5T/400Hz小于10.9W/kg，極薄帶成材率達(dá)到78%，實(shí)現(xiàn)了我國高端電工裝備用超薄取向硅鋼從“0”到“1”的突破。
4、建立了超薄取向硅鋼復(fù)雜工況應(yīng)用技術(shù)體系。發(fā)明了復(fù)雜磁場(chǎng)、應(yīng)力、溫升等耦合工況下材料及鐵心電磁特性測(cè)試系統(tǒng)，提出了服役特性應(yīng)用技術(shù)指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法，制定了特高壓換流閥用超薄取向硅鋼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了6250A、5000A國產(chǎn)鐵心材料特高壓飽和電抗器，解決了國產(chǎn)材料工程應(yīng)用難題。
四、應(yīng)用情況與效果
項(xiàng)目開發(fā)的高性能母材應(yīng)用于超薄取向硅鋼及其他領(lǐng)域變壓器用取向硅鋼的制備，超薄取向硅鋼產(chǎn)品應(yīng)用于陽極飽和電抗器、中頻變壓器、脈沖變壓器等高端電工裝備，在±800kV特高壓直流輸電工程、±500kV超高壓直流輸電工程及軍工領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了推廣應(yīng)用，母材及超薄取向硅鋼累計(jì)應(yīng)用超60萬噸，近三年新增銷售額達(dá)76.2億元以上，利潤達(dá)9.8億元以上。項(xiàng)目成果實(shí)現(xiàn)了在特高壓工程首次國產(chǎn)化應(yīng)用，支撐了“先進(jìn)輸電技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”中標(biāo)德國北海BorWin6海上風(fēng)電柔性直流輸電工程，我國高端輸電裝備技術(shù)首次進(jìn)入西方發(fā)達(dá)國家。

寶鋼、太鋼、包鋼等應(yīng)用高性能母材生產(chǎn)技術(shù)形成了萬噸級(jí)母材產(chǎn)能，包頭威豐公司應(yīng)用本項(xiàng)目母材、薄帶軋制與氣氛張力退火技術(shù)、極薄耐高溫高附著性絕緣涂層技術(shù)等形成了千噸級(jí)高性能超薄取向硅鋼帶材產(chǎn)能；北京設(shè)備電力總廠有限公司應(yīng)用國產(chǎn)超薄取向硅鋼帶材及鐵心批量化制造了超1500臺(tái)/套中頻變壓器、電抗器，其中在陜北—湖北±800kV特高壓直流工程武漢換流站、雅中—江西±800kV特高壓直流工程南昌換流站應(yīng)用了國產(chǎn)超薄取向硅鋼鐵心3840個(gè)、陽極飽和電抗器384臺(tái)；在葛洲壩-上海南高壓直流改造工程應(yīng)用了國產(chǎn)超薄取向硅鋼陽極飽和電抗器96臺(tái)；合肥華耀電子工業(yè)有限公司采用本項(xiàng)目研制的超薄取向硅鋼帶材在軍工領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，用于制備脈沖變壓器鐵心和某型高新技術(shù)裝備關(guān)鍵部件的制造。

“十四五”期間，我國規(guī)劃建設(shè)14條特高壓直流輸電工程，本項(xiàng)目開發(fā)的超薄取向硅鋼材料與陽極飽和電抗器將繼續(xù)應(yīng)用于后續(xù)直流工程建設(shè)。單條±800kV特高壓直流輸電工程應(yīng)用約3840個(gè)鐵心和384臺(tái)陽極飽和電抗器。同時(shí)，隨著國家“一帶一路”戰(zhàn)略穩(wěn)步推進(jìn)，項(xiàng)目研制的超薄取向硅鋼材料及器件、開發(fā)的評(píng)估技術(shù)、制定的標(biāo)準(zhǔn)以及推廣應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)等，可在德國、巴西、巴基斯坦、土耳其等國家中標(biāo)的直流工程中進(jìn)行應(yīng)用，確保工程質(zhì)量安全，提升國際競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于新能源并網(wǎng)裝備用中頻變壓器、軌道交通中頻變壓器、航天、軍工等領(lǐng)域高端裝備，預(yù)計(jì)未來5年需求總量超10萬臺(tái)。

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