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从依赖进口到全球领先,宝钢攻克“钢铁之心”获国家科技进步奖|新科普
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来源:上观新闻 作者:侍佳妮 2022-01-05 17:16
摘要:如今以宝钢硅钢为代表的中国取向硅钢技术,与国外技术相比,已经领先半个身位。

在三峡水电站、西电东输的各种大型变压器中,有一种特殊的钢铁产品:取向硅钢。它是变压器里的核心制造材料,被称为钢铁产品中“皇冠上的明珠”。2008年之前,世界上只有少数国家的钢铁企业有能力制造取向硅钢。当时,我国是世界上最大的取向硅钢进口国,尤其是用于高性能变压器的高等级取向硅钢,几乎全部依赖进口。

可喜的是,短短十几年间,中国在这一领域的发展可谓突飞猛进。如今以宝钢硅钢为代表的中国取向硅钢技术,与国外技术相比,已经领先半个身位。2021年11月3日,2020年度国家科学技术奖励大会召开。宝山钢铁股份有限公司(简称“宝钢股份”)牵头的“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”项目荣获“国家科技进步奖”二等奖。

硅钢是一种什么样的材料?宝钢这一获奖项目,在硅钢生产方面做出了哪些贡献?解放日报·上观新闻记者采访了宝钢股份参与项目的专家,他们详细介绍了相关情况。

“钢铁之心”为何神奇

硅钢是含硅为1.0~4.5%,含碳量小于0.08%的硅合金钢,主要用作电机、变压器、电器以及电工仪表中的磁性材料。它具有导磁率高、矫顽力低、电阻系数大等特性,因而磁滞损失和涡流损失都小,降低电力运输过程中的电能损耗。简而言之,就是省电。

作为硅钢的一种,取向硅钢因为晶粒取向与轧制方向高度一致而得名,含硅量在3%左右。晶粒取向偏离越小,硅钢的电磁性能就越高;含硅量高,则意味着电磁特性、特别是损耗特性优异。据悉,变压器铁芯损耗约占输变电损耗的20%至30%,在同等条件下,采用更低损耗的取向硅钢,可以降低变压器空载损耗。因此,取向硅钢成了各类变压器不可或缺的“钢铁之心”。

从外观来看,洗去涂层的取向硅钢表面结构分布着一块块拼接起来的“地图”,专家介绍:“这一块块不规则的‘地图’就是取向硅钢的晶粒,经过酸洗处理后在显微镜观测下会发现一种呈菱形的蚀坑,可以观察到方向与钢板轧制方向完全一致。”

十余年磨一剑,宝钢对制造取向硅钢的关键技术进行了长期钻研。作为中国钢铁业的领军者,宝钢股份经得起千锤百炼。

据悉,用传统高温制造工艺生产硅钢非常困难,要求近1400℃的再加热温度,钢坯熔化,出现“挂渣”,像北方冬天屋檐上挂的一排排冰凌一般。宝钢人深入研究,经过成百上千次试验探索,独辟蹊径,自主创新出一种低温制造工艺,将传统加热炉温度降低了200℃以上,大大降低了取向硅钢的制造难度。

2008年下半年,低温高磁感取向硅钢、激光刻痕取向硅钢产品在宝钢相继下线,并实现批量生产。此后8年,宝钢高端取向硅钢新产品全面替代进口产品,突破了曾经被“卡脖子”的困境,我国高端取向硅钢进口量下降50%以上,均价降低约60%。宝钢“低温高磁感取向硅钢研发与产业化”项目获得2013年度国家科技进步一等奖。

突破传统再获大奖

尽管已经获得国家科技进步一等奖,宝钢人并没有止步于此,仍然对取向硅钢生产技术进行不断改进。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的导磁性能,这一次要攻破的难题正在于此。

“超低损耗取向硅钢的技术要素是取向偏离角≤4.5°、含硅3.5%、薄规格化,以及优良底层和磁畴细化,控制要求极为苛刻。其中如何降低取向偏离角是全世界都头疼的难题,各国卡在8°和6°水平,分别停留了30年和50年之久。”专家表示,这些要素远超出原有的技术体系和产线装备的能力极限,因此必须从材料设计、制造工艺、产线开发、科学应用四个方面入手,进行全产业链系统创新,予以突破。

从材料设计入手,宝钢在国际上首次提出新型复合抑制剂体系,创建了初次再结晶织构调控模型与多因素耦合二次再结晶动力学模型,实现了取向偏离角的精确控制;在制造工艺方面,宝钢系统突破了关键工艺瓶颈,率先实现了关键元素精确控制、高硅取向硅钢的轧制及在线高速刻痕。

科学应用方面,针对特高压变压器工况复杂、没有系统设计数据与成熟经验等情况,宝钢与用户联合发明了模拟特高压工况的测试平台,建立了超低损耗取向硅钢工况性能数据库,成功优化了±1100KV特高压变压器设计,建立了全球唯一的特高压超低损耗取向硅钢标准。

产线开发方面,宝钢开发出全球首套、唯一一条0.18mm和0.20mm的专用产线,装备技术水平及规模化制造能力国际领先,具有高效化、高精度化、智能化等优点。高效化,是指整条产线从冷轧工序到热拉伸涂层刻痕工序,所有机组速度均为世界最高,平均生产效率较国外水平提高近20%;高精度化,是指轧制厚度、退火机组气氛控制、涂层厚度等关键工艺指标控制精度均达到世界最高水平;智能化,即产线具备轧机板形全自动控制、涂料自动配液、带钢缺陷智能识别和判定功能。

根据测算,如果采用该产线生产的超低损耗取向硅钢新产品,制造新一级能效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。这个数字相当惊人,相当于2020年上海全年用电量(1575.96亿千瓦时)的一半!

产品助力重点项目

宝钢全球首套超低损耗取向硅钢高效专用产线生产出的产品,已经应用于国内外多个重点工程,其中就有全世界唯一的、电压等级最高、输电容量最大、输送距离最远、技术水平最先进的±1100kV昌吉-古泉特高压直流工程。

横跨三千多公里,穿越大半个中国,昌吉-古泉特高压直流工程起于新疆准东(昌吉)换流站,止于安徽宣城(古泉)换流站,途经新疆、甘肃、宁夏、陕西、河南、安徽六省区,饱览祖国的幅员辽阔和壮丽河山。

与常规特高压直流工程相比,昌吉至古泉工程从电压等级±800千伏上升至±1100千伏,输送容量从640万千瓦上升至1200万千瓦,经济输电距离提升至3000至5000公里。专家表示:“该工程刷新了世界电网技术的新高度,开启了特高压输电技术发展的新纪元,对于全球能源互联网的发展具有重大的示范作用。”

中国特高压技术“走出去”的处女作——巴西美丽山特高压输电项目,也使用了宝钢新产线所生产的取向硅钢。美丽山二期项目北起“地球之肺”亚马逊雨林的美丽山水电站,南达“上帝之城”里约热内卢,工程总长超过2500千米。

“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”项目由宝钢股份牵头,与东北大学、全球能源互联网研究院有限公司、保定天威保变电气股份有限公司共同合作完成。

栏目主编:黄海华 题图来源:IC photo 图片编辑:邵竞
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