一、項目研究背景

建設低碳社會時代背景下，綠色發(fā)展已成全球共識。構建綠電體系是我國發(fā)展低碳循環(huán)經濟、實現(xiàn)雙碳戰(zhàn)略重要舉措。節(jié)能變壓器是構建綠色低碳電網關鍵裝備，為降低輸變電損耗，我國持續(xù)發(fā)布強制性國家標準GB 20052-200620132020《變壓器能效限定值及能效等級》，三次提升變壓器能效標準。與2000年相比，我國輸變電線損率降低3.3%年節(jié)電3340億度，相當于個三峽電站年發(fā)電量。但比國際領先國家仍高1%，節(jié)能降耗空間較大。作為變壓器鐵心核心材料，取向硅鋼技術進步對輸變電損耗降低起到了基礎性的支撐作用。

我國與世界領先國家輸變電線損率變化

變壓器可分為卷鐵心和疊鐵心兩種，卷鐵心變壓器因其性能優(yōu)良、制造成本低等優(yōu)勢，符合電網節(jié)能技術的發(fā)展方向。與傳統(tǒng)疊鐵心相比，卷鐵心因其特殊磁路結構，空載損耗降7-10%，噪聲降5-10dB，節(jié)材25-30%在卷鐵心制造過程中，取向硅鋼卷繞時會產生變形和應力，進行800℃以上消除應力退火，以降低卷鐵心損耗，這對取向硅鋼產品提出了更高要求。

疊鐵心和卷鐵心變壓器鐵心制造過程

刻痕細化磁疇是取向硅鋼產品高端化重要手段常規(guī)激光刻痕可提升取向硅鋼個牌號，但磁疇細化效果耐熱性，高溫下鐵損改善效果失效。2011年立項時，我國卷鐵心變壓器主要使用未細化磁疇的取向硅鋼產品，最高等級僅為080水平。采用同牌號取向硅鋼，卷鐵心變壓器成本同比降低6%。但080牌號制造的卷鐵心變壓器成本比常規(guī)激光刻痕055牌號制造的疊鐵心變壓器高11%，必須開發(fā)耐熱細化磁疇取向硅鋼，發(fā)揮卷鐵心變壓器優(yōu)勢。

常規(guī)激光刻痕取向硅鋼產品，磁疇細化降低鐵損是由線狀熱應力區(qū)導入附加能量實現(xiàn)。但溫度400℃以上時，熱應力區(qū)消散，磁疇細化效果消失，無法滿足卷鐵心制造要求。耐熱刻痕技術在硅鋼表面刻劃出物理溝槽，導入靜磁能細化磁疇。消除應力退火改變溝槽形態(tài)，刻痕效果保持，這也是耐熱刻痕常規(guī)激光刻痕技術本質區(qū)別。

常規(guī)激光刻痕與耐熱刻痕技術差異

立項初，國際僅兩家企業(yè)采用齒輪輥與電化學蝕刻技術實現(xiàn)耐熱刻痕取向硅鋼批量制造，但缺點明顯。齒輪輥刻痕質量會因齒輥磨損劣化，且壽命短、成本高細化磁疇效果不穩(wěn)定。化學蝕刻工序復雜、不環(huán)保、溝槽形態(tài)無法精確控制制約產品質量及生產能力。兩耐熱刻痕取向硅鋼技術產能和產品等級長期停滯，難以迭代創(chuàng)新。

齒輪輥與電化學蝕刻技術示意圖

激光是最具潛力的耐熱刻痕技術，具有高精度、高分辨率、非接觸、高靈活性、高效率及材料適應性廣等特性。自上世紀80年代，國外同行便開展了激光刻痕技術研究，但限于激光加工易產生鋼板變形、熔渣殘留及凸起等缺陷，可能導致變壓器爆炸和擊穿等安全隱患，長期得不到解決而停留在實驗室階段。

可見，激光耐熱刻痕原理與技術突破對于激光精密微加工技術領域意義重大，尤其實現(xiàn)激光耐熱刻痕技術與產品規(guī)?；?、產業(yè)化的突破具有重大價值。是挑戰(zhàn)也是契機，寶鋼迎難而上，以自主開發(fā)成套關鍵技術為目標，摸索超短脈沖激光誘導取向硅鋼庫爆炸機制和規(guī)律，破解激光加工熱效應關鍵難題在國家重點研發(fā)計劃支持下，歷時12年進行產線設計、工藝及應用技術研究，完成了系統(tǒng)性創(chuàng)新工程。

寶鋼耐熱刻痕取向硅鋼技術總體創(chuàng)新思路

二、關鍵技術內容與創(chuàng)新點

創(chuàng)新成果：全球首次采用超短脈沖激光誘導晶格庫侖爆炸原理，破解了激光熱熔效應造成金屬熔渣污染帶鋼及刻槽邊緣凸起等嚴重影響取向硅鋼使用的固有瓶頸，定制專用超短脈沖激光源，實現(xiàn)了超短脈沖激光耐熱刻痕產品的規(guī)?；a。

對于激光技術而言，熱熔效應易導致取向硅鋼表面熔渣污染及刻槽邊緣凸起降低耐熱刻痕產品的疊片系數(shù)、破壞層間絕緣嚴重影響使用特性。同時，溝槽內物質的去除效率受激光特征參數(shù)的影響，必須對激光特性進行系統(tǒng)研究和設計，以達到耐熱刻痕取向硅鋼高品質、規(guī)?；洕a的目的。

超短脈沖激光照射取向硅鋼表面，光子、電子和聲子交互作用，引發(fā)光子激發(fā)隧穿激發(fā)超熱電子效應。項目通過合理簡化，計算出電子平均溫度，發(fā)現(xiàn)激光脈沖寬度爆炸發(fā)生的臨界條件同時，脈沖寬度越低，電子吸收能量占比越大，刻痕效率越高經大量試驗研究，優(yōu)化了取向硅鋼實現(xiàn)庫侖爆炸的激光參數(shù)，消除了熔渣及凸起缺陷發(fā)現(xiàn)飛秒激光峰值效率是皮秒激光的倍。相應的產能1.5萬噸產線激光配置減少74%，制造效率提高約倍。

傳統(tǒng)連續(xù)和長脈沖激光與本項目超短脈沖激光實施效果比較

超短脈沖激光在半導體、太陽能電池等領域的應用方式是原位靜態(tài)加工方式。而連續(xù)產線必須動態(tài)一次成型。項目開發(fā)了DOE分光技術，將一束激光分成能量均等的一百個子束，以最佳效率一次掃描精確成型，開拓了超短脈沖激光全新的應用場景。

創(chuàng)新成果：突破了飛秒激光因焦深短刻痕作業(yè)易受環(huán)境影響的技術難題，自主設計并建成了全球首條激光耐熱刻痕產線，關鍵產線精度達到微米級：激光焦平面全頻譜振幅≤±5μm、帶鋼抖動≤±10μm、帶鋼跑偏≤±100μm；刻槽精度高深度≤±1μm，間距≤±50μm；產品表面無金屬熔渣污染、刻痕邊緣凸起＜3μm；產能約為傳統(tǒng)耐熱刻痕產線的倍。

飛秒激光因焦深短刻痕作業(yè)易受環(huán)境影響，需開發(fā)連續(xù)加工控制技術專項設計有效控制環(huán)境振動、粉塵污染及帶鋼抖動、跑偏、產線速度波動等不利影響滿足飛秒激光系統(tǒng)穩(wěn)定運行需求產線設計精度必須由毫米級提高微米級顛覆了對傳統(tǒng)鋼廠產線精度設計的認知在線微米級深度檢測是世界性難題，國外廠家只能離線檢測。

項目突破微米級產線設計40臺激光精準協(xié)同控制在線質量檢測與控制三大技術。自主設計五輥焦平面控制模塊及糾偏系統(tǒng)、VC-B級高精度減震系統(tǒng)、自適應光束準直系統(tǒng)，焦平面控制精度達到±40μm、產線跑偏量≤±100μm，實現(xiàn)了產線精度的微米級設計。激光器以4×10的矩陣布局，開發(fā)分區(qū)掃描及視覺觸發(fā)技術，整個系統(tǒng)精準協(xié)同，實現(xiàn)線間距和橫向拼接精度≤±50μm項目研究發(fā)現(xiàn)了槽深和槽寬的線性關系，將深度檢測轉化為寬度檢測，開發(fā)出在線反饋控制模型，槽深精度達到±1μm

寶鋼耐熱刻痕產線與傳統(tǒng)產線的控制精度差異

創(chuàng)新成果：開發(fā)出基于kerr效應的精細化磁疇結構設計核心技術，揭示了刻痕關鍵工藝參數(shù)、基板組織及涂層張力與刻痕效果的映射關系，鐵損改善了10%，產品提升了兩個牌號，研制出10項新產品填補國內空白，其中項全球首發(fā)。

取向硅鋼磁疇結構復雜，基板取向偏離角、涂層張力、刻痕參數(shù)等多重因素存在交互作用，必須突破磁疇設計與控制、流程設計、工藝參數(shù)確定等關鍵技術，才能制造性能穩(wěn)定的高端耐熱刻痕產品。

項目基于Kerr效應，研究了取向硅鋼磁疇結構，構建總磁能計算模型，獲得了綜合性能最佳的工藝控制范圍。摸索出最佳工藝及流程，構建了完整的工藝技術體系。

磁疇結構示意圖及總磁能最優(yōu)化計算與設計思路

創(chuàng)新成果4:建立了完善的耐熱刻痕取向硅鋼使用技術體系，開發(fā)出服役磁性能測量系統(tǒng)和鐵心工藝系數(shù)量化表征方法，研究了復雜工況下諧波、噪聲、損耗的關聯(lián)規(guī)律，建立了卷鐵心退火三維溫度場仿真計算模型，全球率先制造出超一級能效卷鐵心變壓器。

我國高能效低噪聲立體卷鐵心變壓器技術缺乏從變壓器設計、選材、工藝控制到服役性能的系統(tǒng)研究，業(yè)內長期受到變壓器合格率低、單框無法測量、設計優(yōu)化依據(jù)欠缺等問題的困擾，卷繞鐵心變壓器的固有優(yōu)勢難以發(fā)揮。

項目構建了服役性能數(shù)據(jù)庫，開發(fā)出鐵心加工和退火工藝，國際率先研制出超一級能效卷鐵心變壓器，制定了項團體標準和項企業(yè)標準。

本項目產品所制造的超一級能效卷鐵心變壓器實績

三、技術先進性

硅鋼技術領域有超高磁感、耐熱刻痕、6.5%Si硅鋼三大難以攀登的高峰。寶鋼歷經12，開辟了激光耐熱刻痕取向硅鋼制造技術新路徑，占據(jù)了技術制高點。本項目產線裝備及產品質量優(yōu)勢明顯，單條產線制造能力是國際同行的溝槽尺寸控制精準，無凸起、無飛濺，實物質量及穩(wěn)定性領先。用戶使用結果表明，項目產品電磁性能優(yōu)勢明顯。研發(fā)出10項新產品，項全球首發(fā)，領先國際一個牌號。獲發(fā)明專利36項，其中國際專利19項；發(fā)表論文篇。中國金屬學會成果評價委員會一致認為，本項目是一項獨創(chuàng)性科技成果，達到國際領先水平。獲中國寶武技術創(chuàng)新重大成果獎特等獎項；獲上海市高新技術成果轉化項目百佳項。中國計量科學研究院等第三方檢測表明，本項目產品均優(yōu)于性能指標要求。

四、推廣應用和經濟社會效益

得益于項目成果，寶鋼級以上卷鐵心變壓器國內市場占有率100%。出口10余個國家，用戶包括西門子能源、GE等。產品廣泛應用于江門中微子實驗室等標志性工程。三年新增產值13.28億元，新增利稅2.87億元，創(chuàng)收外匯4863萬元。

本項目開辟了耐熱刻痕技術新路徑，引領行業(yè)高質量發(fā)展，社會效益巨大。據(jù)測算，電網全部采用超一級能效卷鐵心變壓器，年節(jié)電可達900億千瓦時，減排二氧化碳近億噸。本項目為下一代高效激光耐熱刻痕技術的開發(fā)奠定了基礎。

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