鋼鐵的藝術，電力的靈魂——冷軋取向硅鋼_風聞

马氏体-2021-08-27 22:12

2021-08-27

由於我國西北的煤電、風電、光電基地和西南的水電基地與東部沿海的用電中心距離遙遠，輸電需求巨大，我國大力發展特高壓輸電技術，已佔據世界領先地位。

（圖為四川雅中-江西±800千伏特高壓直流輸電工程鹽源換流站，負責提升交流電壓和實現交流到直流的變換。今年6月21日，雅中項目建成投運，為四川豐沛的水電提供了新的外送通道，助力東部地區節能減排）

變壓器是特高壓輸電所依賴的核心設備之一，而變壓器的心臟是鐵芯。這台雅中項目換流變壓器的鐵芯由5000層厚度僅0.27毫米的硅鋼片堆疊而成，宛如一座巨大而精細的雕塑。構成這件超級雕塑的硅鋼片本身，也稱得上是鋼鐵工業中的藝術品。

硅鋼是含硅為1.0～4.5%、含碳量很低的硅合金鋼，具有磁導率高、矯頑力低、電阻率大等特性，被用於變壓器、電動機和發電機中。其中，變壓器鐵芯要求定向導磁，使用的是硅含量約3%的取向硅鋼；磁性能各向同性的無取向硅鋼（硅含量較低）則被用於作旋轉運動的電動機、發電機中。

無論是取向硅鋼還是無取向硅鋼，高性能的硅鋼片都要求厚度要薄。這是因為線圈中的電流會在硅鋼片中感應出渦流，造成電能損耗。降低渦流損耗的重要手段之一是減小硅鋼片的厚度，從而限制渦流的發生。目前世界上最薄的取向硅鋼厚度僅0.18毫米，由我國鋼鐵龍頭企業——中國寶武鋼鐵集團有限公司創造。如此薄的鋼板，只能依靠冷軋來生產。

冷軋的原料是熱軋得到的厚度數毫米的熱軋鋼卷。普通鋼材熱軋前的加熱温度約1200℃，終軋温度（離開最後一道軋機時的温度）為800-850℃；但取向硅鋼的熱軋前加熱温度要提高到1400℃左右，進軋機的温度要約1200℃，終軋温度控制在950℃以上，隨後快速噴水冷卻到550℃以下（下圖為熱軋後的噴水冷卻過程）卷取為鋼卷。高温加熱是為了使鋼坯中的MnS和AlN第二相顆粒完全固溶，在熱軋過程中析出均勻細小的MnS質點，隨後快速冷卻抑制AlN的析出。取向硅鋼與一般鋼材生產工藝的差異和主要的難點，就圍繞MnS和AlN的控制。

（後面的重要環節，都圍繞“化腐朽為神奇”的MnS和AlN展開，其中S為鋼鐵中原有的雜質元素，Mn為原有的元素或鍊鋼中額外加入的元素，Al和N為鍊鋼中額外加入的元素，另有工藝是在連續退火過程中滲氮來增加N含量）

作為半成品的熱軋硅鋼卷被送到硅鋼廠後，重新展開並焊接成連續的鋼帶，第一步是常化處理，即加熱到約1100~900℃，使熱軋後卷取過程中析出的AlN完全固溶；隨後在幾秒內冷卻到550℃（上圖為中冶南方熱工公司研發的氣霧冷卻技術的試驗，依靠壓縮空氣把冷卻水霧化為微小的液滴，實現硅鋼的高速、均勻冷卻），重新析出細小、均勻而穩定的AlN質點。

常化處理後的鋼帶經酸洗，去除表面的氧化膜，冷軋到規定的厚度（上圖為武鋼一米七冷連軋機組）。

之前在介紹武鋼一米七軋機工程的時候，提到過高端的冷軋鋼板都要經過再結晶退火處理，提高冷軋板的塑性，從而利於後續的加工使用，這個過程主要是在連續退火爐中進行的。冷軋取向硅鋼也要在幾百米長的退火爐內進行連續退火，但目的不同。

硅鋼的軋製過程要求含有一定量的碳，但碳對硅鋼的磁性能不利。在連續退火過程中，於850℃左右、無氧氣的條件下對硅鋼進行脱碳處理，所用的脱碳劑是——水（上圖為向連續退火爐中加水）。在這個温度下，鋼中的滲碳體（Fe3C）分解，固溶的碳原子擴散到鋼帶表面，與水蒸氣發生反應（C + H2O → CO + H2），把硅鋼的碳含量降低到30ppm以下。

（在熱軋時，碳元素能夠促進奧氏體的形成，而硅元素能夠穩定鐵素體。例如0.07%的碳含量使硅鋼在熱軋温度下出現10%~25%的奧氏體，阻止鐵素體晶粒的長大，因而使熱軋得到的晶粒更加均勻細小。但是，碳的引入會降低硅鋼的磁導率、增大磁滯損耗，還會在再結晶退火過程中形成奧氏體、阻礙鐵素體的再結晶過程，故而要在軋製後充分脱碳。）

冷軋硅鋼中的變形晶粒在退火過程中也發生再結晶，但由於MnS和AlN分佈在晶界處，強烈地抑制了再結晶晶粒的長大，因而連續退火得到的是大量幾十微米尺寸的小晶粒。

連綿不斷的硅鋼帶穿過300米長的連續退火爐，經歷退火和冷卻過程，表面塗上氧化鎂塗層（在硅鋼表面形成硅酸鎂玻璃制塗層，防止硅鋼在高温退火時粘連，提高硅鋼表面電阻），重新裁斷，卷取為鋼卷。

這些鋼卷被放在環形退火爐上，蓋上內罩（裏面充入氮氣、氫氣等保護氣體，防止鋼材被氧化），等待最後的蜕變。

台車載着內罩和鋼捲進入環形退火爐，依次經過爐內的不同温區，緩緩旋轉一週完成高温退火。

在1250℃的高温退火温度下，硅鋼發生二次再結晶。

在如此高的温度下，分佈在{110}<001>取向（{110}面平行於鋼帶表面，<100>方向沿軋製方向）晶粒的晶界處的MnS和AlN析出物容易發生顆粒長大或固溶，喪失了抑制晶粒長大的作用，而在其他取向晶粒的晶界上仍然維持較強的抑制作用。因此，{110}<001>取向晶粒“吞吃”掉周圍取向不同的晶粒而異常長大。{110}<001>取向恰恰是硅鋼磁性能最高的取向，由美國人高斯（Goss）率先研製，故稱高斯取向。

經過持續數天的高温退火，高斯取向晶粒在硅鋼中佔據主導地位，且尺寸從最初的幾十微米長大到30-50毫米。從去除塗層的硅鋼片表面，可以看到斑駁的紋路，其中每一塊圖案都是一個巨大的晶粒，幾乎具有相同的取向。高斯取向度大於95%的硅鋼擁有最好的性能，被稱為高磁感取向硅鋼，是取向硅鋼中的高端產品。

最後，經過熱拉伸退火（消除高温退火導致的變形）、塗絕緣塗層等工序，冷軋取向硅鋼鋼卷產品被嚴密包裝起來，發往下游廠家。

高磁感冷軋取向硅鋼的生產流程環環相扣，難度很高，是鋼鐵行業的高端象徵，難怪被稱為鋼鐵工業中的“藝術品”。

硅鋼是電力和機械行業不可或缺的關鍵材料，作為“世界工廠”，也作為“基建狂魔”，我國是硅鋼消費量最大的國家，年消費量超過1000萬噸，其中高磁感取向硅鋼和高端無取向硅鋼的消費量約300萬噸。

由於早年間我國沒有掌握冷軋技術，冷軋硅鋼長期依賴進口。一直到1974年武鋼花費鉅額外匯從國外引進一米七軋機工程（連鑄-熱軋-冷軋-硅鋼的完整生產線，上圖），才具備冷軋硅鋼的生產能力，但產量很小，遠遠不能滿足國內需求。僅僅在二十年前，我國還不能生產高端取向硅鋼，完全依賴進口，極大地制約了我國電力行業的發展。

經過四十餘年的發展，我國硅鋼產業走出了引進、吸收、自主創新的逆襲之路。如今，我國的取向硅鋼技術已達到全球第一，覆蓋研發、設計、生產等各個環節，取向硅鋼產量佔世界總產量的42%，高磁感取向硅鋼的年產量（95.2萬噸）佔比更是超過60%。

目前我國電網中運行的變壓器共約1700萬台。如果這些變壓器都使用提高一個性能等級的取向硅鋼，每年可節電870億千瓦時，作為對比，三峽電站去年的發電量是1118億千瓦時，可見高性能取向硅鋼對降低電力傳輸損耗的貢獻有多大。在“碳達峯”、“碳中和”的宏偉目標下，提供更高性能的硅鋼產品，將是我國鋼鐵工業所做出的不可或缺的貢獻。

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