特高压高能效输变电装备用超低损耗取向硅钢开发与应用

2021年，由中国钢铁工业协会提名、宝钢牵头完成的“特高压高能效输变电装备用超低损耗取向硅钢开发与应用”项目获2020年度国家科学技术进步奖二等奖。

项目背景

能源是我国经济发展和国防建设的命脉，资源与人口逆向分布是我国能源分布的重要特征。该项目立项初期，我国输变电损耗约占发电总量的6.6%，总损耗约3840亿千瓦时，相当于三峡电站年发电量的4倍。因此，特高压及高能效输变电成为国家实施西电东输和节能减排战略的重要举措，关键制约瓶颈之一是超低损耗取向硅钢。

取向硅钢被誉为“钢铁皇冠上的明珠”，由于制造流程长、技术十分复杂、工艺窗口极为狭窄，制造取向硅钢在一定程度上代表了一个国家钢铁制造业的综合技术水平。我国取向硅钢生产水平长期落后于输变电行业发展的需求。该项目立项初期，我国取向硅钢制造技术与国外存在代际差距，高等级取向硅钢产品完全依赖进口，特别是在三峡电站、灵绍特高压直流等重大工程建设期间，曾遭遇国外企业大幅涨价、限量供应、断供等“卡脖子”事件，危及国家电力安全。

超低损耗取向硅钢是特高压、高能效输变电变压器的核心材料之一，也是世界各国在取向硅钢领域竞相角逐的技术制高点，一旦抢占，将拥有市场主导地位。因此，在复杂的国际形势下，独立自主开发超低损耗取向硅钢材料及其核心制造技术具有重大的战略意义。

取向硅钢制造原理是通过二次再结晶过程，使仅占初次再结晶约1%的高斯取向发展成100%，以获得轧制方向优良导磁性能。取向硅钢总损耗由磁滞、涡流及反常损耗3个部分组成，取向偏离角、硅含量、厚度及磁畴宽度是降低取向硅钢损耗的关键控制要素。对于超低损耗取向硅钢而言，核心的技术要素是高硅薄规格化、取向偏离角≤4.5度的控制、优良底层和磁畴细化。这些要素已远超出原有的低温高磁感取向硅钢制造技术体系和产线装备的能力极限。以减小取向偏离角控制为例，国际上在一般取向硅钢和高磁感取向硅钢制造水平上分别停留了30年和50年之久。此外，超低损耗取向硅钢应用于特高压、高能效输变电装备，工况高度复杂，变压器设计依据缺乏。因此，超低损耗取向硅钢研究与应用难度巨大，必须从材料设计、制造工艺、产线开发、科学应用4个方面入手，进行全产业链系统性创新予以突破：一是二次再结晶要求苛刻，必须开辟新的技术路径，突破抑制剂设计与组织控制瓶颈；二是工艺窗口狭窄、装备功能特殊，必须构建完备的工艺技术体系、开发关键专用产线；三是特高压工况复杂，必须创立材料使用与铁芯优化设计技术体系。

该项目团队围绕特高压及高能效输变电重大需求，以形成世界最高水平技术为目标，组建产学研用联合团队，开展“材料设计—制造工艺—产线开发—科学使用”系统性创新，实现超低损耗取向硅钢批量制造与广泛应用。

项目主要创新

一是发明了超低损耗取向硅钢技术新路径。取向硅钢工艺技术的核心目标是，通过二次再结晶过程最终形成单一高斯织构{110}<001>，以获得沿钢板轧制方向优良导磁特性。高斯晶粒<001>轴与钢板轧制方向的偏离角决定了取向硅钢的电磁性能，超低损耗取向硅钢要求高斯晶粒轧向偏离角更加狭小，必须开辟新型技术路径，通过抑制剂、初次再结晶组织织构等多参数最佳匹配，实现对二次再结晶高斯晶粒轧向偏离角的精细控制。

高硅薄规格化是实现超低损耗取向硅钢主要途径，其核心技术是抑制剂体系。为了解决高硅薄规格取向硅钢初次再结晶退火过程中有效抑制剂缺失、初次晶粒尺寸与离散度大，导致二次再结晶组织中高斯晶粒比例低、达不到超低损耗要求等难题，该项目团队创造性地设计了由低固溶温度碳氮化物、ε-Cu及其包覆的复合析出相、渗氮产物构成的新型复合抑制剂体系。在此基础上，该项目突破了初次再结晶织构及组织最佳化控制技术，揭示了完善二次再结晶的多参数耦合规律并实现了最佳匹配，实现板坯中尺寸大于0.5μm的夹杂物数量降低一个数量级，初次晶粒尺寸离散度减小3μm，初次再结晶织构精细控制，产品磁感提高100高斯、铁损降低5%~8%，系列首发产品领先国际1个~2个牌号。

二是构建了超低损耗取向硅钢完备的制造工艺体系。虽然高硅薄规格化是降低铁损的有效手段，但制造难度会显著增大。针对制约超低损耗取向硅钢批量制造的主要技术难题，该项目开发出多项关键制造技术，形成了完备的制造工艺体系；系统剖析了冶炼流程产生铝损的机理及其影响要素，提出了Als控制新理念，建立铝控关键技术体系，改变了以往成分控制完全依赖真空处理工序的观念，按工序特点分解Als控制目标，形成全流程综合铝控新技术，解决了抑制剂关键形成元素Als±10ppm高精度控制，控制精度较传统取向硅钢提高1倍。

另外，该项目还针对高硅板坯强冷易出现角部横裂纹、纵裂、振痕及气泡等缺陷，建立了连铸关键参数匹配模型，使铸坯缺陷发生率降到0.2%以下；开发出新型保护浇铸精确控制系统，解决了气泡缺陷对表面质量的影响。针对高硅取向硅钢轧制遇到的热轧板边部锯齿状缺陷和冷轧板形控制难度大、易发生脆断，难以形成批量生产能力等难题，开发出热轧板边部形状控制及冷轧防脆断关键控制技术，首次实现高硅薄规格取向硅钢不切边冷轧，断带率低于每千吨钢0.35次，达到国际领先水平。针对超低损耗取向硅钢底层露晶缺陷发生率达到10%以上，严重影响产品成材率及用户使用的问题，创立了氧化能精细控制模型，底层缺陷率降到2.5%以下，达到世界最佳水平。针对现有绝缘涂层容易出现微观裂纹、锈蚀及涂层花纹等缺陷，成功开发了高张力绝缘涂层配方及其涂覆技术，涂层张力提高25%，铁损降低0.03W/kg。

三是开发了全球首套超低损耗取向硅钢关键专用产线。超低损耗取向硅钢工艺控制要求超出了原有装备实现能力，没有可供参考的经验和数据，必须自主进行特殊功能装备开发。在相当长的一段时间里，由于缺乏专用功能装备和专用产线，无法实现超低损耗取向硅钢的经济生产，导致二次再结晶不完善、电磁性能不稳定、工艺窗口狭窄、表面缺陷多、制造难度大、生产成本高等。在发明超低损耗取向硅钢技术路径、构建超低损耗取向硅钢制造工艺体系的基础上，该项目自主设计了快速加热、高速在线激光刻痕等14台特殊功能装备，开发了新型森吉米尔轧机、脱碳退火、高温环形炉及热拉伸平整等4条关键专用机组。

该项目所设计的快速加热装备有效保证了初次再结晶组织织构的最佳化控制，是制造超低损耗取向硅钢的另一项核心工艺需求，采用了两项创新设计：将加热频率提高，提高加热速度，确保0.20毫米以下薄规格产品加热效率及速率；采用两段串联式配置加热装备，低温侧与高温侧加热功率的分配实现最佳化，同步解决了加热速度均匀性及居里点附近加热速度急剧下降的难题。在线快速激光刻痕装备属世界首创，开发出3项核心技术：扩展式多振镜扫描盒光路系统及低转动惯量振镜，解决激光高速扫描问题；高精度聚焦系统，防控低频震动、带钢抖动及板形缺陷对刻痕的干扰；开发出刻痕工艺参数与刻痕效果反馈控制关键技术，实现了吨钢降本200元。

高硅薄规格取向硅钢硬度高、脆性大，传统产线生产稳定性差、工艺控制精度低、作业效率低等问题十分突出。根据高硅薄规格取向硅钢材质及工艺特点，开发了全球首套超低损耗取向硅钢关键专用产线，其中4条关键专用机组功能及技术水平显著优于国际竞争对手，全球领先。森吉米尔轧机自动换辊系统、厚度精度及板形自动控制功能，代表了当今可逆轧机发展的最高成就；脱碳退火机组高氢高露点保护气氛的高精度控制、高速通板等设计技术，突破了现有脱碳退火炉的设计极限；高温环形炉生产效率比国外同类机组高约8%、灵活控制保护气体组分功能，为降低制造成本及提高品质奠定了重要基础；热拉伸平整机组在线高速激光刻痕、在线边部质量控制及缺陷智能控制等全新功能配置，树立了该领域行业新标杆。

四是创立了超低损耗取向硅钢特高压工况使用技术体系。特高压输变电距离远、容量大，输变电装备故障造成大面积停电将导致巨大经济损失及安全事故，但是国内外没有评估特高压复杂工况下取向硅钢材料及变压器铁芯状态的检测技术。该项目自主发明打造了全套取向硅钢及铁芯电磁性能模拟测试平台，国际上首次实现硅钢及铁芯在直流偏磁、谐波及高过载等复杂工况的模拟测试，建立了评价方法体系，解决了特高压工况下材料及铁芯可靠性无法评价的难题。此外，准确输出±1100kV特高压直流换流变压器铁芯设计参数，确保复杂工况下电网安全稳定运行，全球也没有可以借鉴的经验。该项目建立了复杂工况下超低损耗取向硅钢电磁特性数据库；针对不同的铁芯设计方案进行仿真验证，发现在1.70T和1.78T两种设计磁密下，变压器运行时的损耗相当，但后者铁芯重量减少了25吨，颠覆了以往直流换流变压器采用低磁密设计保证可靠性的认知。同时，针对高能效配变铁芯进行了结构优化设计，发现取向硅钢每提高一个牌号，变压器制造成本降低约5%；采用0.20毫米及0.18毫米超低损耗取向硅钢（B20R065、B18R060）产品，成功批量制造了S15配电变压器，成为制定国家新能效标准的依据。针对特高压输变电变压器对取向硅钢材料综合性能和一致性极高的要求，制定了全球唯一的特高压变压器铁芯用超低损耗取向硅钢专用标准。通过对50多台特高压变压器铁芯指标与材料参数进行系统分析，确定了专用标准的指标体系，首次将直流偏磁、谐波工况下材料损耗、噪声等性能纳入标准，层间电阻、叠片系数等重要指标大幅提高，有力保障了特高压变压器高质量与安全性。

该项目获授权发明专利37项（其中国际专利4项）、实用新型15项，软件著作权1项，发表论文29篇，核心技术秘密235件，参与制定国家标准1项、企业标准2项；获省部级及行业科技奖一等奖3项。中国金属学会成果评价委员会一致认为项目科技成果达到国际领先水平。

该项目经济效益和社会效益特别显著，解决了我国在超低损耗取向硅钢技术领域“卡脖子”问题，实现了我国取向硅钢技术的全球引领；开发出18个牌号超低损耗取向硅钢新产品，其中10个牌号全球首发，领先国际同行1至2个牌号，8个牌号填补国内空白，达到国际同等水平。

项目成果应用广泛

该项目促进了我国钢铁行业高质量发展，实现了我国取向硅钢从大量进口向批量出口的转变，年进口总量从2010年该项目立项时30万吨左右至目前对日韩高端取向硅钢产品实施反倾销，节约外汇超50亿美元，年出口总量从1万吨提升至15万吨以上，出口世界20多个国家及地区，获得国际著名企业西门子、ABB及东芝等广泛应用；开发的关键专用产线带动了我国钢铁装备设计制造水平迈上新台阶。

该项目为特高压及高能效输变电技术全球领先奠定了重要基础，对中国电力高质量发展意义重大。超低损耗取向硅钢开发成功之后，中国电力行业安全得到保证，产品先后应用于三峡工程以及昌吉-古泉±1100kV、白鹤滩-江苏±800kV等大型特高压直流工程。2017年以来，宝钢取向硅钢在特高压交、直流变压器市场占比高达95%以上。2021年6月份投产的白鹤滩水电站，宝钢股份为其供应取向硅钢1.4万吨，直流送出换流变压器等关键设备用钢占有率达100%，彻底告别进口取向硅钢。与此同时，宝钢取向硅钢也伴随着我国特高压这张“名片”走向世界，在巴西美丽山±800kV特高压直流工程中的应用占比达到78%以上，在巴基斯坦默拉±660kV直流工程中的应用占比达到100%，成为“一带一路”的重要实践。

该项目还为国家节能降耗做出了重要贡献。超低损耗取向硅钢属于绿色环保新材料，采用其制造新一级能效（S15）变压器替代我国现有配电网高耗能变压器，年节电可达845亿千瓦时，与2015年三峡电站的发电总量相当，潜在节能效益巨大。

时至今日，中国电力工程用取向硅钢被国外厂商“卡脖子”的情况已经不复存在。中国特高压电网、大型电力项目工程迅猛发展，一件件“大国重器”闪耀问世，其背后，正是宝钢超低损耗取向硅钢批量供应保障能力。依靠自主创新，宝钢取向硅钢不仅圆满地完成了“国家任务”，而且还凭借着一项项首发技术和一个个首发牌号，将自身打造成为“国之重器”“镇国之宝”的有力铸造者。

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