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)與應用

發(fā)布日期：2023-09-26 瀏覽次數(shù)：3770

一、研究的背景與問題
在“雙碳”目標的戰(zhàn)略指引下，我國新能源行業(yè)蓬勃發(fā)展，但其遠距離傳輸和并網(wǎng)消納成為技術瓶頸，構建以特高壓輸電線路為骨干載體的新型能源電力網(wǎng)絡迫在眉睫，實現(xiàn)以核心材料引領高端電工裝備技術革新，大幅提升新能源匯集、遠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)達國家壟斷，成為我國先進電工裝備技術提升的“卡脖子”問題。為此，在“十三五”國家重點研發(fā)計劃及國家電網(wǎng)公司重大項目支持下，項目組突破了中頻超薄取向硅鋼從母材到成品的基礎理論及核心技術，實現(xiàn)高端材料自主研發(fā)及工程應用。
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口，價格高達15~30萬元/噸，同時限制了其在國內(nèi)軍工、國防、交通等領域的應用，年需求量超過3000噸，高端產(chǎn)品亟待攻關實現(xiàn)國產(chǎn)化。但是，國內(nèi)僅有個別民企采用常規(guī)取向硅鋼作為母材的生產(chǎn)路線，長期缺乏針對母材、超薄軋制、張力退火及絕緣涂層等關鍵環(huán)節(jié)基礎理論與技術系統(tǒng)研究，材料性能和生產(chǎn)技術顯著落后國外，無法滿足電網(wǎng)、交通、軍工等領域高端應用快速發(fā)展的需求。

制約我國高端超薄取向硅鋼開發(fā)的技術瓶頸體現(xiàn)在以下幾個方面：
（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)外通用的技術路線，但常規(guī)取向硅鋼做母材有兩個困局：①組織形態(tài)（晶粒尺寸及分布）不利于超薄取向硅鋼組織、織構均勻性，尤其難以獲得易磁化織構鋒銳化，導致?lián)p耗與磁感呈現(xiàn)“倒置”關系，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械的方法去除表面附帶的絕緣涂層和硅酸鎂底層，嚴重污染環(huán)境和損傷鋼板表面，惡化超薄硅鋼質量。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難題。
（2）超薄取向硅鋼基礎研究薄弱。中頻用超薄取向硅鋼應兼?zhèn)滗h銳的易磁化織構（{0kl}<100>）和均勻細小的晶粒尺寸，但超薄厚度下易磁化取向晶粒競爭長大機制復雜，易磁化織構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，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耐800℃高溫和A級附著性。因此，如何突破超薄取向硅鋼磁感與損耗“倒置”關系、耐高溫高附著性絕緣涂層體系成為技術難題。
（3）工業(yè)化生產(chǎn)線技術及裝備落后。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、波動大、成材率低。因此，如何在理論和核心技術突破的基礎上進行產(chǎn)線升級和改造集成，實現(xiàn)高性能超薄取向硅鋼批量穩(wěn)定生產(chǎn)成為技術難題。
（4）材料及鐵心復雜工況應用評價技術空白?，F(xiàn)有的評價技術為正弦磁化測試，無法有效評價特高壓輸電、新能源并網(wǎng)等服役工況下材料及鐵心的應用可靠性，制約了國產(chǎn)材料服役性能提升及應用。因此，如何構建復雜磁場、溫升、應力等多工況耦合條件下應用可靠性評價方法，提升復雜工況測量精度成為技術難題。
項目組集中了取向硅鋼研發(fā)及應用領域最頂尖的研究與生產(chǎn)機構，在取向硅鋼基礎理論、母材及超薄取向硅鋼研發(fā)、應用技術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)及應用領域已達國際領先水平，并對≤0.10mm超薄取向硅鋼進行了系列的實驗室和工業(yè)試制研究，具備實現(xiàn)國產(chǎn)高端超薄取向硅鋼從“0”到“1”突破的理論和實踐基礎。

二、解決問題的思路與技術方案
1、解決問題的思路
本項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-多工況應用評價體系創(chuàng)建-鐵心與裝備研制及工程應用開展研究，突破專用母材與超薄取向硅鋼微觀組織演變機制、Goss晶粒競爭長大機制、易磁化織構鋒銳化控制、磁性能與組織形態(tài)匹配機制等基礎理論，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平臺及評價方法，攻克鐵心及裝備設計制造關鍵技術，解決專用母材缺失、磁性能與組織調(diào)控基礎理論和關鍵技術薄弱的難題，最終實現(xiàn)國產(chǎn)材料、鐵心、裝備批量生產(chǎn)及工程應用，解決核心材料“卡脖子”問題。項目總體思路如圖1所示。

2、技術方案
基于項目總體思路，依據(jù)以下技術方案，開展高性能專用母材、超薄取向硅鋼、工業(yè)化生產(chǎn)技術及集成產(chǎn)線、材料及鐵心多工況耦合試驗評價、鐵心與裝備制造及應用等研究工作。
（1）專用母材組織與織構調(diào)控理論及制備工藝研究
開展母材組織對超薄取向硅鋼組織、織構及磁性能的影響研究，提出超薄取向硅鋼用母材技術要求，指導高性能母材開發(fā)及生產(chǎn)；設計專用母材新型抑制劑成分體系，抑制非Goss晶粒二次再結晶長大能力和調(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晶粒形成及演化機制、組織分布特征等理論研究，解決低再結晶比例及大壓下率變形易導致Goss晶粒占比急劇降低、二次再結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晶Goss晶粒競爭長大行為研究，解決Goss晶粒異常長大難、二次再結晶晶粒取向度和組織分布不理想的技術難題；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，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調(diào)控理論及制備工藝研究
開展軋制工藝對薄軋過程中組織、織構演變機制的影響研究，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；開展退火制度對組織、易磁化η線織構（{0kl}<100>）演變機制的影響研究，解決η線織構組分比例與晶粒尺寸不平衡導致磁感應強度與中頻損耗“倒置”關系的難題；開發(fā)超薄取向硅鋼專用耐高溫張應力絕緣涂層，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、耐高溫張應力絕緣涂層成分配方等核心技術，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)技術及集成產(chǎn)線研究
在母材織構、組織形態(tài)調(diào)控理論研究基礎上，開展冶煉、熱軋、?；?、冷軋、脫碳退火、滲氮、高溫退火等環(huán)節(jié)關鍵技術研究，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，實現(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制、晶粒組織調(diào)控、絕緣涂層配方等研究基礎上，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，實現(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平臺及評價體系建設及工程應用
特高壓及新能源裝備服役工況復雜，創(chuàng)建材料及鐵心多工況耦合試驗平臺，開展復雜工況條件下材料及鐵心服役性能評價方法、鐵心損耗仿真計算模型研究，提升復雜工況條件下材料磁性能測量及鐵心仿真計算精度，編制特高壓輸電裝備用超薄取向硅鋼技術標準，解決母材、超薄取向硅鋼、鐵心應用性能無法評價的技術難題。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，通過型式試驗及特高壓換流閥平臺服役工況測試評價，實現(xiàn)在特高壓輸電等重大工程中的國產(chǎn)化應用。

三、主要創(chuàng)新性成果
1、開發(fā)了超薄取向硅鋼母材組織與織構調(diào)控新方法。發(fā)明了添加Cu、Sn、Mo、Sb等元素的新型增強抑制劑成分體系，構建了抑制劑有序彌散析出、Goss晶粒競爭生長、織構鋒銳化聯(lián)動調(diào)控技術，實現(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爭長大機制，開發(fā)了{0kl}<100>織構鋒銳化與合理晶粒尺寸協(xié)同控制技術，發(fā)明了800℃耐熱、厚度＜3μm張應力A級附著性絕緣涂層，實現(xiàn)了高磁感應強度與低鐵心損耗的協(xié)同提升。
3、建立了千噸級超薄取向硅鋼工業(yè)集成產(chǎn)線。突破了首道次大壓下率軋制、薄軋防斷帶、一次再結晶帶張力氣氛退火等系列關鍵技術，磁感應強度B800大于1.82T，損耗P1.5T/400Hz小于10.9W/kg，極薄帶成材率達到78%，實現(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雜工況應用技術體系。發(fā)明了復雜磁場、應力、溫升等耦合工況下材料及鐵心電磁特性測試系統(tǒng)，提出了服役特性應用技術指標和評價方法，制定了特高壓換流閥用超薄取向硅鋼技術標準，設計開發(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)材料工程應用難題。
四、應用情況與效果
項目開發(fā)的高性能母材應用于超薄取向硅鋼及其他領域變壓器用取向硅鋼的制備，超薄取向硅鋼產(chǎn)品應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域實現(xiàn)了推廣應用，母材及超薄取向硅鋼累計應用超60萬噸，近三年新增銷售額達76.2億元以上，利潤達9.8億元以上。項目成果實現(xiàn)了在特高壓工程首次國產(chǎn)化應用，支撐了“先進輸電技術國家重點實驗室”中標德國北海BorWin6海上風電柔性直流輸電工程，我國高端輸電裝備技術首次進入西方發(fā)達國家。

寶鋼、太鋼、包鋼等應用高性能母材生產(chǎn)技術形成了萬噸級母材產(chǎn)能，包頭威豐公司應用本項目母材、薄帶軋制與氣氛張力退火技術、極薄耐高溫高附著性絕緣涂層技術等形成了千噸級高性能超薄取向硅鋼帶材產(chǎn)能；北京設備電力總廠有限公司應用國產(chǎn)超薄取向硅鋼帶材及鐵心批量化制造了超1500臺/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用了國產(chǎn)超薄取向硅鋼鐵心3840個、陽極飽和電抗器384臺；在葛洲壩-上海南高壓直流改造工程應用了國產(chǎn)超薄取向硅鋼陽極飽和電抗器96臺；合肥華耀電子工業(yè)有限公司采用本項目研制的超薄取向硅鋼帶材在軍工領域實現(xiàn)應用，用于制備脈沖變壓器鐵心和某型高新技術裝備關鍵部件的制造。

“十四五”期間，我國規(guī)劃建設14條特高壓直流輸電工程，本項目開發(fā)的超薄取向硅鋼材料與陽極飽和電抗器將繼續(xù)應用于后續(xù)直流工程建設。單條±800kV特高壓直流輸電工程應用約3840個鐵心和384臺陽極飽和電抗器。同時，隨著國家“一帶一路”戰(zhàn)略穩(wěn)步推進，項目研制的超薄取向硅鋼材料及器件、開發(fā)的評估技術、制定的標準以及推廣應用經(jīng)驗等，可在德國、巴西、巴基斯坦、土耳其等國家中標的直流工程中進行應用，確保工程質量安全，提升國際競爭力。同時，產(chǎn)品可廣泛應用于新能源并網(wǎng)裝備用中頻變壓器、軌道交通中頻變壓器、航天、軍工等領域高端裝備，預計未來5年需求總量超10萬臺。

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