钢铁的艺术，电力的灵魂——冷轧取向硅钢

马氏体

2021-08-27 22:12

由于我国西北的煤电、风电、光电基地和西南的水电基地与东部沿海的用电中心距离遥远，输电需求巨大，我国大力发展特高压输电技术，已占据世界领先地位。

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（图为四川雅中-江西±800千伏特高压直流输电工程盐源换流站，负责提升交流电压和实现交流到直流的变换。今年6月21日，雅中项目建成投运，为四川丰沛的水电提供了新的外送通道，助力东部地区节能减排）

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变压器是特高压输电所依赖的核心设备之一，而变压器的心脏是铁芯。这台雅中项目换流变压器的铁芯由5000层厚度仅0.27毫米的硅钢片堆叠而成，宛如一座巨大而精细的雕塑。构成这件超级雕塑的硅钢片本身，也称得上是钢铁工业中的艺术品。

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硅钢是含硅为1.0～4.5%、含碳量很低的硅合金钢，具有磁导率高、矫顽力低、电阻率大等特性，被用于变压器、电动机和发电机中。其中，变压器铁芯要求定向导磁，使用的是硅含量约3%的取向硅钢；磁性能各向同性的无取向硅钢（硅含量较低）则被用于作旋转运动的电动机、发电机中。

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无论是取向硅钢还是无取向硅钢，高性能的硅钢片都要求厚度要薄。这是因为线圈中的电流会在硅钢片中感应出涡流，造成电能损耗。降低涡流损耗的重要手段之一是减小硅钢片的厚度，从而限制涡流的发生。目前世界上最薄的取向硅钢厚度仅0.18毫米，由我国钢铁龙头企业——中国宝武钢铁集团有限公司创造。如此薄的钢板，只能依靠冷轧来生产。

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冷轧的原料是热轧得到的厚度数毫米的热轧钢卷。普通钢材热轧前的加热温度约1200℃，终轧温度（离开最后一道轧机时的温度）为800-850℃；但取向硅钢的热轧前加热温度要提高到1400℃左右，进轧机的温度要约1200℃，终轧温度控制在950℃以上，随后快速喷水冷却到550℃以下（下图为热轧后的喷水冷却过程）卷取为钢卷。高温加热是为了使钢坯中的MnS和AlN第二相颗粒完全固溶，在热轧过程中析出均匀细小的MnS质点，随后快速冷却抑制AlN的析出。取向硅钢与一般钢材生产工艺的差异和主要的难点，就围绕MnS和AlN的控制。

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（后面的重要环节，都围绕“化腐朽为神奇”的MnS和AlN展开，其中S为钢铁中原有的杂质元素，Mn为原有的元素或炼钢中额外加入的元素，Al和N为炼钢中额外加入的元素，另有工艺是在连续退火过程中渗氮来增加N含量）

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作为半成品的热轧硅钢卷被送到硅钢厂后，重新展开并焊接成连续的钢带，第一步是常化处理，即加热到约1100~900℃，使热轧后卷取过程中析出的AlN完全固溶；随后在几秒内冷却到550℃（上图为中冶南方热工公司研发的气雾冷却技术的试验，依靠压缩空气把冷却水雾化为微小的液滴，实现硅钢的高速、均匀冷却），重新析出细小、均匀而稳定的AlN质点。

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常化处理后的钢带经酸洗，去除表面的氧化膜，冷轧到规定的厚度（上图为武钢一米七冷连轧机组）。

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之前在介绍武钢一米七轧机工程的时候，提到过高端的冷轧钢板都要经过再结晶退火处理，提高冷轧板的塑性，从而利于后续的加工使用，这个过程主要是在连续退火炉中进行的。冷轧取向硅钢也要在几百米长的退火炉内进行连续退火，但目的不同。

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硅钢的轧制过程要求含有一定量的碳，但碳对硅钢的磁性能不利。在连续退火过程中，于850℃左右、无氧气的条件下对硅钢进行脱碳处理，所用的脱碳剂是——水（上图为向连续退火炉中加水）。在这个温度下，钢中的渗碳体（Fe3C）分解，固溶的碳原子扩散到钢带表面，与水蒸气发生反应（C + H2O → CO + H2），把硅钢的碳含量降低到30ppm以下。

（在热轧时，碳元素能够促进奥氏体的形成，而硅元素能够稳定铁素体。例如0.07%的碳含量使硅钢在热轧温度下出现10%~25%的奥氏体，阻止铁素体晶粒的长大，因而使热轧得到的晶粒更加均匀细小。但是，碳的引入会降低硅钢的磁导率、增大磁滞损耗，还会在再结晶退火过程中形成奥氏体、阻碍铁素体的再结晶过程，故而要在轧制后充分脱碳。）

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冷轧硅钢中的变形晶粒在退火过程中也发生再结晶，但由于MnS和AlN分布在晶界处，强烈地抑制了再结晶晶粒的长大，因而连续退火得到的是大量几十微米尺寸的小晶粒。

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连绵不断的硅钢带穿过300米长的连续退火炉，经历退火和冷却过程，表面涂上氧化镁涂层（在硅钢表面形成硅酸镁玻璃制涂层，防止硅钢在高温退火时粘连，提高硅钢表面电阻），重新裁断，卷取为钢卷。

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这些钢卷被放在环形退火炉上，盖上内罩（里面充入氮气、氢气等保护气体，防止钢材被氧化），等待最后的蜕变。

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台车载着内罩和钢卷进入环形退火炉，依次经过炉内的不同温区，缓缓旋转一周完成高温退火。

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在1250℃的高温退火温度下，硅钢发生二次再结晶。

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在如此高的温度下，分布在{110}<001>取向（{110}面平行于钢带表面，<100>方向沿轧制方向）晶粒的晶界处的MnS和AlN析出物容易发生颗粒长大或固溶，丧失了抑制晶粒长大的作用，而在其他取向晶粒的晶界上仍然维持较强的抑制作用。因此，{110}<001>取向晶粒“吞吃”掉周围取向不同的晶粒而异常长大。{110}<001>取向恰恰是硅钢磁性能最高的取向，由美国人高斯（Goss）率先研制，故称高斯取向。

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经过持续数天的高温退火，高斯取向晶粒在硅钢中占据主导地位，且尺寸从最初的几十微米长大到30-50毫米。从去除涂层的硅钢片表面，可以看到斑驳的纹路，其中每一块图案都是一个巨大的晶粒，几乎具有相同的取向。高斯取向度大于95%的硅钢拥有最好的性能，被称为高磁感取向硅钢，是取向硅钢中的高端产品。

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最后，经过热拉伸退火（消除高温退火导致的变形）、涂绝缘涂层等工序，冷轧取向硅钢钢卷产品被严密包装起来，发往下游厂家。

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高磁感冷轧取向硅钢的生产流程环环相扣，难度很高，是钢铁行业的高端象征，难怪被称为钢铁工业中的“艺术品”。

硅钢是电力和机械行业不可或缺的关键材料，作为“世界工厂”，也作为“基建狂魔”，我国是硅钢消费量最大的国家，年消费量超过1000万吨，其中高磁感取向硅钢和高端无取向硅钢的消费量约300万吨。

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由于早年间我国没有掌握冷轧技术，冷轧硅钢长期依赖进口。一直到1974年武钢花费巨额外汇从国外引进一米七轧机工程（连铸-热轧-冷轧-硅钢的完整生产线，上图），才具备冷轧硅钢的生产能力，但产量很小，远远不能满足国内需求。仅仅在二十年前，我国还不能生产高端取向硅钢，完全依赖进口，极大地制约了我国电力行业的发展。

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经过四十余年的发展，我国硅钢产业走出了引进、吸收、自主创新的逆袭之路。如今，我国的取向硅钢技术已达到全球第一，覆盖研发、设计、生产等各个环节，取向硅钢产量占世界总产量的42%，高磁感取向硅钢的年产量（95.2万吨）占比更是超过60%。

目前我国电网中运行的变压器共约1700万台。如果这些变压器都使用提高一个性能等级的取向硅钢，每年可节电870亿千瓦时，作为对比，三峡电站去年的发电量是1118亿千瓦时，可见高性能取向硅钢对降低电力传输损耗的贡献有多大。在“碳达峰”、“碳中和”的宏伟目标下，提供更高性能的硅钢产品，将是我国钢铁工业所做出的不可或缺的贡献。