干貨|聊一聊鋼鐵中的工藝品—硅鋼

1.?什么是硅鋼

硅鋼是指Fe-Si軟磁合金，又稱電工鋼。硅鋼Si的質量百分數為0.4%~6.5%，具有高磁導率、低鐵損值的優良磁性，具有鐵芯損耗低，磁感應強度高，沖片性良好，鋼板表面質量好，絕緣薄膜性能好等優點。硅鋼主要用于制備各種電動機、發電機和變壓器等電力設備的鐵芯，是電力、電子和軍事工業中必不可或缺的金屬功能材料，也是電力設備提高效率、降低能耗的關鍵材料。電工鋼作為用量最大的軟磁合金，廣泛應用于實體經濟中的各個方面，提高其整體性能和制造水平在國民經濟發展中具有非常重要的作用和意義。

2.?硅鋼發展歷程

在硅鋼出現以前，鐵芯一直是用工業純鐵制造的。1886年美國Westinghouse電氣公司用雜質含量約0.4%的熱軋低碳鋼板制成變壓器疊片鐵芯，但低碳鋼的電阻率低，鐵芯損耗大，碳和氮的含量高，磁時效嚴重。1902年德國古姆利奇發現添加硅能使鐵的電阻率增高，渦流損耗和磁滯損耗降低，磁導率增高，磁時效現象減輕。

1882~1995年主要是熱軋硅鋼的發展階段。1903年美國和德國首先開始生產熱軋硅鋼。1905年美國（英國在1906年）已經大規模生產，在很短的時間內全部替代了普通低碳鋼板制造電機和變壓器。由于冷軋無取向硅鋼的磁感、鐵損、沖剪加工性、表面質量和絕緣涂層等質量性能都大大優于熱軋硅鋼，并且熱軋產品不能成卷生產，降低了沖片效率，60年代主要的工業發達國家都陸續停止生產熱軋硅鋼。1957年，前西德阿什姆斯在實驗室內生產出了雙取向硅鋼片（立方織構的硅鋼）。沿軋向和橫向都有很高的磁性，但尚在實驗室階段，未投入工業生產。

1930~1967年主要是冷軋普通取向硅鋼（CGO）板的發展階段。1933年高斯采用兩次冷軋和退火方法制成沿軋向磁性高的3%Si鋼。1935年美國的Armco鋼鐵公司利用高斯專利技術與Westinghouse公司合作開始了冷軋取向硅鋼的生產。經20年不斷發展，Armco公司于50年代中期完善成二次冷軋法晶粒取向硅鋼生產工藝，即Armco工藝，此后，Armco工藝長期壟斷了世界冷軋取向硅鋼生產，普通取向硅鋼（CGO）產量約80%都是按照Armco專利生產的。

1961~1994年主要是高磁感取向硅鋼（Hi-B）的發展階段。1953年，日本新日鐵公司田中悟等證明以AIN為主要抑制劑和一次大壓下率冷軋工藝方案有可能制成更高磁性的取向硅鋼。1961年在引進Armco專利基礎上，首先試制AlN+MnS綜合抑制劑的高磁感取向硅鋼。1964年開始生產并命名為Hi-B，但磁性不穩定。自1968年新日鐵公司開發高磁感取向硅鋼產品后，日本冷軋電工鋼在產品質量、制造技術和設備、新技術開發、實驗研究及測試技術等方面都已超過美國，在世界上處于絕對領先地位。

我國太原鋼鐵廠于1952年首先試制熱軋低硅鋼板（1%~2%Si），1954年正式生產。1957年由鋼鐵研究總院研制成功3%Si冷軋取向硅鋼，到1973年我國已掌握Armco技術專利要點，鞍鋼進行試制但未能生產。1974年武漢鋼鐵公司從日本新日鐵引進冷軋取向硅鋼制造裝備和專利。1976~1977年，鋼鐵研究總院在驗證和消化日本專利的基礎上開發了Hi-B取向硅鋼。1979年武鋼正式生產取向硅鋼，到目前為止武鋼仍是我國取向硅鋼的主要生產基地。

3.?硅鋼的分類與用途

3.1 Si質量分數

硅鋼按Si質量分數分類分為Si<0.5%的電工鋼和0.5~4.5%Si的硅鋼兩類，兩者通稱為電工鋼板。前者在制造電磁性能要求不高的民用小型電器領域有著廣泛的需求，此類硅鋼片的特點在于硅含量明顯低于常規電工鋼，制備工藝流程簡單，成本較低，與普碳鋼類似。后者包含的種類、牌號極為復雜。

高硅鋼是指4.5%~6.7%Si的Si-Fe合金，具有在高頻下鐵損明顯降低、最大磁導率高、矯頑力低、磁性能極為優異的特點，主要用來制造高頻電機、高頻變壓器、扼流線圈和高頻磁屏蔽等。但由于Si含量過高，室溫條件下塑性極差，無法軋制成形。6.5%Si因為其獨特的磁性能而自成體系，目前僅有少量通過滲硅工藝制備的無取向6.5%Si-Fe合金材料可以成卷供應，更具性能優勢的取向6.5%Si-Fe合金制備則更為困難。

3.2 生產工藝

根據生產方式可分為熱軋電工鋼和冷軋電工鋼。熱軋硅鋼片因其性能落后近年已經逐步淘汰。

根據晶體取向聚集程度將硅鋼分為無取向和取向是最為廣泛接受的方法。冷軋無取向硅鋼是指0.5%~4.0%(Si+Al)的合金，冷軋至0.65mm、0.5mm和0.35mm后經退火涂層后制成。相比取向硅鋼，其晶粒織構類型較為漫散，各個方向上具有較為均勻的磁性能，而且磁各向異性較低，主要用作各類型電機和發電機的鐵芯疊片。冷軋產品厚度精度，尺寸公差等級，表面光滑度都達到較高水平，從而提高了產品疊片系數和材料的磁性能。冷軋無取向硅鋼生產工藝流程圖如圖1所示。

圖1無取向硅鋼生產工藝流程圖

單取向電工鋼指Goss取向，雙取向特指立方取向電工鋼。后者制備工藝極為復雜，目前難以工業化，所以取向硅鋼廣泛意義上指Goss取向。取向硅鋼在易磁化的<001>方向上具有高磁導率與低損耗特性，符合變壓器等靜態電力裝備的導磁能力要求。單取向硅鋼根據抑制劑和磁感的不同又可以分為CGO鋼和Hi-B鋼，具體如表1所示。其中，CGO鋼的晶粒平均取向偏離角約為7^°，飽和磁感值B₈在1.82Tesla以上，主要用于中小型變壓器的制造。Hi-B鋼的晶粒平均取向偏離角約為3^°，B₈值在1.90Tesla以上，主要用于電力工業中的各種大型變壓器、扼流圈等高端電磁元件的制造。

表1 硅鋼分類表

硅鋼的應用情況如圖2所示。

圖2 硅鋼的應用情況

4.?硅鋼性能指標

電工鋼疊片鐵芯與銅線通過電磁感應做功，鐵芯通過形成交變磁場發揮作用。鐵芯運行過程中自身耗能和鐵芯磁化能力決定電器設備核心性能，如功率、體積、效率、質量以及綜合運行成本。所以，電工鋼的性能指標要求有下列幾項：

1) 鐵芯損耗P：

電工鋼鐵芯在勵磁與退磁過程中額外消耗電能轉化成熱量稱為鐵損，單位為W/kg，是劃分產品牌號的主要依據。鐵損由磁滯損耗P_h、渦流損耗P_e和反常損耗P_a組成。三種鐵損分別與晶粒尺寸、有利織構比例和板帶質量對應。所以，取向和無取向電工鋼中這三種損耗占比不同，如無取向硅鋼的鐵損以P_h為主，取向硅鋼中則以P_e為主。根據使用條件不同，無取向硅鋼的鐵損保證值取P_1.5/50，即硅鋼片在50Hz交變磁場下磁化到1.5T時所消耗的電能，而取向硅鋼相應的鐵損保證值為P_1.7/50。

2) 磁感應強度B

磁感應強度又稱磁通密度，是衡量磁性材料單位面積磁化能力的技術指標。磁感應強度提高，意味著鐵芯的相同條件下形成的磁場加強，從而降低激磁電流、銅損和鐵損，提高能量轉化效率。而且，鐵芯總磁化強度為其磁感與面積的乘積，所以鐵芯B_m提高，截面積可相應縮小，這使鐵芯、銅線質量減輕，從而降低電器的鐵損和成本。無取向硅鋼的磁感保證值取B₅₀，即5000A/m磁場下的磁感強度，而取向硅鋼磁感則取B₈，磁感單位為Tesla。不同電工鋼的采用的磁感應強度標準不同，如表2所示。

表2 不同品種硅鋼的磁感保證值

上述兩項指標與電工鋼生產流程的成分設計、核心工藝設計及控制水平等條件密切相關，是電工鋼性能最核心的要求。而電工鋼的熱/冷軋加工精度、絕緣涂層質量等因素也是高品質電工鋼的必要條件。此外，無取向電工鋼還要求磁各向異性，即縱橫向鐵損差值≤8%，磁感差值≤10%。

5.?硅鋼牌號表示方法

圖3 硅鋼牌號表示方法

6.?硅鋼發展方向

近20年來，我國硅鋼產業取得了長足的進步，這其中以首鋼、武鋼和寶鋼為代表。得益于我國鋼鐵行業全流程的技術進步，這些企業在控制無取向硅鋼整體質量穩定性和取向硅鋼方面已經具有較高技術實力。2014年我國硅鋼生產達到823萬噸，高端產品有20~30萬噸的進口量，2015年，我國共生產電工鋼約836萬噸，進口量進一步下降到14萬噸。但是，與日本相比我國在高端電工鋼領域仍有不小的差距，這集中體現在高磁感無取向硅鋼、超低鐵損Hi-B取向硅鋼和高硅鋼等產品上。例如，新日鐵公司(現新日鐵住金)能夠實現0.15~0.35mm系列厚度規格極低鐵損Hi-B取向電工鋼的穩定供貨，引領取向硅鋼工藝發展。在特殊用途硅鋼方面，日本鋼管公司(現JFE)通過氣相沉積法(CVD)滲硅的方式實現了高硅鋼薄帶的供貨。隨著我國裝備制造業的產業升級，高端硅鋼產品的需求會越來越迫切。我國與日韓等鋼鐵強國在這一領域的競爭將會更加激烈，這就要求我國相關科研人員通過革命性創新進行下一代硅鋼生產技術的研發，引領世界電工鋼技術的發展。

低鐵損、高磁感高效電機用無取向硅鋼、薄規格超低鐵損高磁感取向硅鋼和中高頻節能電器用高硅鋼是電工鋼產業的發展方向。

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[12]???? 材易通. 一張圖讀懂硅鋼.( 本文部分數據、圖表或其他內容來源于網絡或其他公開資料，版權歸屬原作者、原出處所有。)

本文由材料人編輯部學術干貨組deer供稿，材料牛編輯整理。

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