一、研究的背景与问题
构建新型电力系统是实现国家“双碳”目标的关键载体。随着新型电力系统建设，风电、光伏等新能源远距离输送与高效并网配电需求凸显。在输送侧，由于风、光的波动性与间歇性，其大规模接入给电网带来冲击，为缓解电网冲击，采用电力电子技术协同200Hz~400Hz变压器等中频电力装备的柔性输电技术成为主流发展趋势，但频率从工频50Hz提升至200Hz~400Hz后，变压器存在损耗高、温升高、体积大等诸多技术难题。同时，在配网侧，现役50Hz工频变压器普遍存在能效偏低的问题，随着国家对配网改造、能效提升政策的不断出台，变压器能效等级国家标准持续修订，能效要求提升20%~45%，作为配网核心装备的配电变压器技术升级迫在眉睫。
取向硅钢磁性能是决定变压器损耗、体积的核心因素。在中频输送侧，取向硅钢已成为制约200Hz~400Hz中频变压器容量大幅提升的技术瓶颈：常规≥0.20mm厚度取向硅钢中频损耗（P1.5/200≈5.0~6.5W/kg、P1.5/400≈14.5~17.0W/kg）较工频损耗（P1.7/50≈0.70~0.85W/kg）大幅增加，温升、体积问题突出；而≤0.10mm厚度极薄取向硅钢虽中频损耗较低（P1.5/200≈4.5~5.5W/kg、P1.5/400≈11.0~13.5W/kg），但其通过常规取向硅钢成品再次冷轧、退火获得，磁感为1.82T，且成本约为普通硅钢5-10倍，体积、成本、加工等问题突出。在工频配网侧，仍存大量三级及以下能效变压器，变压器年损耗超三峡发电量，电能浪费严重，其采用的取向硅钢多为0.23mm~0.30mm产品，铁心材料损耗高是导致变压器能效低的直接原因。亟需突破50Hz~400Hz宽频段低损耗高磁感取向硅钢批量稳定制造及应用技术，为我国新能源高效利用、电网升级改造提供核心材料支撑。
减薄是降低取向硅钢损耗的重要途径，将常规≥0.20mm厚度减薄至现有单次轧程工业生产极限厚度0.18mm、0.15mm，既降低工频损耗，也降低200Hz-400Hz中频损耗，同时具有磁感高、成本低的显著优势，满足电网装备发展对取向硅钢宽频段低损耗的需求，但单次轧程薄规格取向硅钢研制及应用仍存在诸多技术难题：
1）减薄至0.18mm、0.15mm会导致取向硅钢中杂散位向织构增多导致Goss竞争长大优势降低，表面效应强烈导致高温退火过程中抑制剂容易分解；
2）单次轧程工业化生产须更高精度和更高稳定的控制要求，制造难度极大，日本制铁（NSC）曾断言0.15mm取向硅钢因成分和工艺太窄，不可能实现工业化生产；
3）针对中频等新能源复杂工况的薄规格取向硅钢应用技术体系缺失，限制了材料与装备的技术发展。
为此，自2017年开始，在国家自然科学基金、首钢集团科技项目、国家电网公司科技项目等支持下，首钢联合中国电力科学研究院、钢铁研究总院、西安交通大学、海鸿电气有限公司等取向硅钢研发、制造及应用最顶尖的科研与生产机构，开展全产业链协同攻关，攻克0.15mm、0.18mm薄规格取向硅钢抑制剂体系与取向组织调控、工业化制备、评价仿真与应用等关键技术，并推动其在50Hz-400Hz新能源输配电变压器中的应用，降低变压器损耗、体积及成本，突破中频变压器技术瓶颈，这对于推动新能源汇集输送与并网配电技术发展，支撑新型电力系统建设具有重要意义。
二、解决问题的思路与技术方案
本项目基于新型电力系统对硅钢材料的要求，从冶金原理出发，全面剖析材料组织控制和制造的交互作用关系，创新设计制造工艺流程，解决了大量制造和应用技术难题，形成全产业链专有知识产权。开发出适应于中频薄规格高性能取向硅钢的工艺路线，实现产品的批量稳定大规模制造，并在国网的重大项目实现应用。
图1 项目思路
本项目整体思路如下：
1、针对表面效应致使抑制剂和组织控制困难的状况，研究连铸、常化和渗氮工艺的组织遗传规律，优化抑制剂和织构的种类，实现对二次再结晶的精准调控，确保产品具备优良的高频磁性能；
2、鉴于0.15mm及以下极薄规格在高速运行、氧化渗氮均匀性和高温退火稳定性等批量制造技术上的瓶颈，自主开发独有的涂布、保护气流场和精确的高稳定控制方法，以提升渗氮层的均匀性及高温退火过程的稳定性，保障产品批量稳定生产；
3、面对应用端中频变压器工况复杂、性能无法准确预测的问题，建立多物理场耦合仿真模型，并结合大量实际数据进行验证，从而显著提升对中频高性能取向硅钢材料在复杂工况下性能表现的预测准确性，为优化设计和实际应用提供支撑。
三、主要创新性成果
1、项目实现唯一单次轧程0.15mm低温高磁感取向硅钢工艺路线，开发产品15SQF1100，相比日本金属的GT-100，不仅工艺路线上省去了二次轧制和退火，成本下降90%。而且产品宽度、叠装系数、磁感和铁损远优于GT-100。
表1 工艺路线先进性对比
2、国际首创0.15mm取向电工钢组织性能一体化技术并实现批量化生产，建立了世界唯一0.15mm取向硅钢产线，引领全球取向硅钢技术发展。
2023年4月19日，首钢股份高性能取向电工钢项目投产，这是世界首条具备100%薄规格高磁感取向电工钢专业化生产线。项目实现首钢 0.18mm和0.15mm规格产品国内市场占有率连续8年占优，为新型电力系统建设和变压器能效提升发挥重要作用。其中变压器头部企业国网宏源、特变电工等用户证明，0.18mm产品首钢市场供应量占优，0.15mm厚度产品仅首钢可批量供应。
3、开发的单轧程制造高磁感中频取向硅钢产品，填补了国际空白。研制出6项新产品，填补国内产品空白，其中15SQF1100~15SQF1250等4款产品全球首发。
表2 国内外中频高端取向电工钢牌号对比
表3 国内外工频高端取向电工钢牌号对比
本项目研制了世界首台200Hz、400Hz大容量中频变压器，达国际领先水平。
四、应用情况与效果
项目实现0.15mm取向硅钢全球独家批量供应，0.18mm市场占有率占优，并在福建平潭外海海上风电场、内蒙古赤峰100万千瓦荒漠风光储基地、陕西新能源风电基地等重大标志性工程及配网改造工程实现应用。项目成果广泛应用于新能效变压器和中频变压器等电工装备，全生命周期预计节电720亿kW·h，支撑了电网线损从6.72%降低至4.36%，促进了国家新能源发展战略实施。
信息来源：首钢集团有限公司
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