一、研究背景与问题
1、产品及技术背景
电工钢是电力、电子和军事工业不可缺少的重要软磁合金，也是产量最大的金属功能材料，主要用作各种电机、发电机和变压器的铁芯。它的应用领域涉及发电及输变电工程、家用电器及工业电机、新能源汽车和无人机等众多关系国计民生的产业，是电力产生、运输、电磁能转化的核心材料。它的生产工艺复杂，制造技术严格，关键生产技术被国际化专利的形式保护，其制造技术和产品质量是衡量一个国家特殊钢生产和科技发展水平的重要标志之一。
电工钢不仅是钢铁业高质量发展的标志性产品，已成为引领行业绿色低碳转型的绿色名片。一台家用变频空调使用首钢电工钢每年节电36度，一辆新能源轿车使用首钢电工钢每年可节电375度，国家绿色电网建设中的一台变压器使用首钢电工钢每年可降低电力损耗7600度，作为绿色高效节能材料的电工钢在工业领域、日常生活中广泛应用，对于国家的节能降碳起到不可估量的作用。
我国无取向电工钢主市场主要集中于家电、工业电机、大电机以及新兴的新能源和薄规格微特电机领域。目前普通工业电机、大电机以及定频家电领域主要应用中低牌号无取向电工钢，产品附加值相对不高，市场同质化竞争较大。新能源汽车、薄规格特殊领域以及能效提升后的新能效变频家电领域，主要使用高牌号高性能无取向硅钢，是首钢近年来高性能无取向电工钢开发的目标应用领域。
新能源汽车领域：近年来，新能源汽车正以前所未有的速度、深度、广度改变着全球汽车产业。不仅为全球汽车产业发展赋予了新动能，也带来了重塑世界汽车能源格局、应对全球气候变化、实现汽车产业可持续发展的历史性机遇。对中国而言，大力发展新能源汽车产业和普及新能源汽车应用成为我国的既定发展战略，该战略的成功实施对提升我国工业化水平、改善我国能源结构、防治大气污染等问题均具有不可估量的意义。为此，我国政府自2014年陆续出台了《关于加快新能源汽车推广应用的指导意见》、《智能汽车创新发展战略》、《新能源汽车产业发展规划》等一系列产业发展政策，在政策、车企和用户的共同努力下，目前，我国新能源汽车迎来了飞跃的发展，新能源汽车销量超过全球的50%。驱动电机作为新能源汽车的心脏，其性能直接关系到新能源汽车的续航和行驶性能，行业研究表明，驱动电机平均效率提升1%，一辆车的全生命周期可节电400度。电工钢是驱动电机中实现电能与机械能相互转换的关键功能材料，由于汽车行驶过程涉及启动、加速、超车、高速行驶等复杂工况，驱动电机需具备效率高、转速高、转矩大等特点，尤其是电机转子所用的无取向电工钢片，磁性能决定了电机的转矩和效率，如图1所示。新能源汽车对电工钢材料要求主要为：低铁损（提高能源转换效率降低损耗）、高磁感（良好的驾驶体验快速启动）、高强度（高速运转需要足够高的强度抵抗离心力）。国外新能源汽车领先企业丰田等均采用新日铁、台湾中钢等生产的0.27mm、0.25mm超低铁损高强度电工钢材料；而国内造车厂大多还在使用0.35/0.30mm的一般高牌号无取向产品，高频铁损（P1.0/400）相差达到3-5W/kg。与全球领先的新能源汽车企业相比，我国新能源汽车企业应用的电工钢产品电磁性能相对偏低，导致同样的电机设计下，电机平均效率相差1-2%。
新能效家电领域：我国是家电制造及消费大国，占据世界70%以上的产能和40%以上的消费份额；今年来，国家发展改革委、国家质检总局和国家认监委制定发布并多次更新了《中华人民共和国实行能源效率标识的产品目录》以及几点能源效率标识实施规则。2019年家电新能效国家标准《房间空气调节器能效限定值及能效等级》（GB 21455-2019）发布，新标准对变频空调和定频空调能效标准进行统一：如图3以空调CC≤4500W为例，2022年1月1日起，新标准要求空调能效不低于3级能效。目前高效节能变频空调用电工钢主要以0.35mm及以上高牌号为主，用量较大产品包括首钢35SW300-MZ、宝钢B35AY-1-H、B30A230等牌号，随着家电新国家标准的颁布与实施，0.35mm规格及产品的用量势必增大，产品牌号逐渐从35W300→35W250→35W230/30W230发展，同时要求电工钢材料性能提升和牌号升级。
无人机及超薄规格特殊应用领域：进入21世纪，随着轻型复合材料和无线电控制技术的发展，无人机、微特电机等超薄规格电工钢特殊应用领域逐渐扩大，在航拍测绘、农林植保、灾害救援、环境监测等领域应用日益广泛，逐渐成为影响人民生活以及国家信息安全的重要产业。目前民用消费级无人机已呈现指数型增长，而工业和军工领域正在加速突破；2025年预计产值达到2000亿元，作为高端制造的代表，未来发展市场广阔。电工钢是无人机驱动系统的核心材料，是决定无人机性能和技术水平的关键，我国薄规格电工钢材料与国外差距明显，无人机用电工钢严重依赖JFE超薄规格的电工钢进口；关键材料卡脖子风险大，自主开发无人机专用超薄规格电工钢产品，打破市场垄断实现国产化的需求紧迫。
综上，我国的电工钢行业经过40余年的快速发展，已经形成1300万吨的产能规模，产量居世界第一，支撑了我国变压器、家电、工业电机等行业的发展。尤其是近十年来，以首钢和宝武集团为代表的国内电工钢企业，以国家节能降耗、双碳战略为政策指引，自主研发技术创新，重点开发适用于家电、汽车以及新兴特殊领域的高端高性能电工钢产品，实现我国高端高性能电工钢的全系列产品覆盖，打破了此前高端产品JFE、新日铁等国外领先企业的技术垄断。开发的高性能电工钢在铁损、强度、尺寸等性能方面超越国外领先企业，并广泛应用于我国新能源汽车、新能效家电、新兴微特电机等领域，推动这些影响国计民生的重要行业的高质量发展。
2、技术难点
高性能无取向电工钢应用领域广、磁性能和力学性能要求高，在用户使用、产品开发和工业制造等方面存在技术难点，主要体现在：
（1）无取向电工钢应用领域广，制造流程长，不同类型驱动电机的磁特性和加工特性缺少针对性及系统性应用技术研究；
（2）极低铁损及对应的高纯净度冶炼和热处理工艺技术难度大；
（3）高磁感及对应的组织和织构系统控制技术目前未完全掌握；
（4）高强度及强度与电磁性能的矛盾持续存在；
（5）高合金化、高规格化带来的制造难度增大，批量高效稳定生产难度大；
（6）高合金化高强度对于高尺寸精度的控制要求越来越高。
二、解决问题的思路与技术方案
高性能电工钢的开发涉及到冶金学、材料学、电磁学等多学科及其交叉领域，各产品特性的影响因素错综复杂，需要综合考虑各影响因素对不同产品特性的影响。
在用户技术端：首钢高性能无取向产品开发真正以市场为导向，以不同领域和类型的磁特性应用技术为出发点，建设高质量的电机仿真及测试实验室，形成了新能源电机、无人机电机、新能效家电和变压器等多领域的电机测试台架，通过电机仿真计算和台架测试的结合，全面深入地掌握用户需求，提升新产品开发的目标导向，同时形成市场引领性、前沿性材料的开发指导。
在产品设计端：以电工钢的核心特性—铁损极低化作为出发点，通过研究影响铁损特别是高频铁损的因素，重点解决高合金化带来的残余元素增多、二相析出物增多及高纯净化冶炼等问题。其次，为实现高磁感控制，从组织织构的系统化控制、热处理过程组织和织构的遗传演变规律等角度解决磁感应强度提升困难大和高合金降低磁感的问题。最后，为了实现电工钢的高强度要求，在Si、Al高合金固溶强化前提下进一步开展多元合金固溶强化和复合强化技术研究，实现1000MPa以下系列高性能电工钢开发。
在产线制造端：为解决高合金化带来材料塑韧性变化导致边裂和断带等生产难题，通过材料机理研究、轧制工艺创新及退火张力控制等技术创新和工艺优化，实现高性能电工钢的批量稳定生产；并通过连轧工艺技术创新实现高效高尺寸精度的稳定制造。
三、主要创新性进展
首钢于2005年建立电工钢联合研发平台，分别于2010年和2012年实现无取向电工钢和高磁感取向电工钢产业化，历经近多年自主研发突破了电工钢技术瓶颈，产品质量得到了国内外用户的广泛认可，达到国际先进水平，对中国电力、电子行业的发展提供了有力支撑。在高性能无取向电工钢研发及产业化制造方面形成以下关键技术创新：
1、不同类型驱动电机的磁特性应用技术研究
成立硅钢工程技术中心，建立了完备的电机测试平台，通过EVI技术先期研究，形成针对不同领域用途和类型的电机材料磁特性适用性技术。结合不同类型驱动电机电磁仿真分析和台架测试分析，将不同类型驱动电机的应用需求转化为对电工钢材料的性能要求，明确了不同类型电机的核心运行要求和电工钢产品开发指标，解决了产品需求不明的问题。例如针对新能源领域明确了高频低铁损的开发需求，针对无人机明确了两类高低场强低铁损需求，针对新能效家电明确低频低场强下低铁损的产品需求。
2、极低铁损对应高纯净冶炼和热处理控制技术
针对电工钢夹杂物和纯净度影响电磁性能的复杂机制，研究开发杂质元素控制技术，实现钢中杂质元素的低水平控制；探索高纯净钢冶炼工艺，降低钢中全氧和钢中夹杂物。开发针对高级别无取向硅钢的硫化物稀土改性控制技术，研制RH真空高效循环脱氮及密封控氮工装设备，实现氮、硫析出物的无害化控制。
3、高磁感及对应组织及织构系统控制技术
针对常规织构优化技术实现高{100}织构实现难度大的问题，提出织构细分提升磁感应强度的技术思路，研究强化{114}织构组分、稳定{100}织构组分的技术方案和工艺解决措施。
（1）复合强化控制技术。发明了兼顾强度、磁性能和韧塑性的电工钢强化技术，构建多元合金强化模型，综合利用多元素合金固溶强化和位错强化复合强化技术，开发出磁性与强度兼顾的高强低铁损产品。
（2）高合金薄规格产品的轧制及热处理关键技术。突破高合金薄规格电工钢塑韧性严重恶化造成的轧制退火生产瓶颈，开发高合金电工钢轧制防断带技术以及退火炉微张力控制技术，实现(Si+Al)＞4.3%、厚度0.20mm电工钢产品高效稳定生产，并有效控制轧制边裂导致的断带发生率。
（3）高合金酸连轧的稳定生产和尺寸精度控制技术。基于高硅材料高速轧制的负荷理论计算，提出了利用张力控制、压下率分配模式、乳化液浓度控制策略结合轧辊参数状态控制的高速轧制负荷和板形控制技术；开发了边部应力控制模式创新、月牙剪切工艺优化和酸洗工艺优化等高合金电工钢酸连轧边裂控制集成技术；结合轧前电磁感应加热、轧制过程控温控冷以及恒定轧制力启车模式等创新技术，解决了高合金酸连轧轧制能力不足以及高速轧制面临的边裂、焊缝断带等难题，实现了酸连轧生产Si 3.3%高合金电工钢高速稳定轧制。
针对连轧机组生产高Si产品轧制稳定性差和尺寸精度控制难度大的问题，在酸连轧产线开发边部厚度多点综合评估控制技术，并开发创新酸连轧1-3#机架工作辊自动窜辊功能，以提高轧制稳定性和尺寸控制精度。
四、新产品开发及应用
1、新产品开发
（1）新能源汽车用高性能产品
高性能0.25mm电工钢产品广泛应用与丰田等高端用户。
0.20mm电工钢产品引领下一代驱动电机，性能突破强度极限，引领行业发展。
首钢新能源用高性能无取向电工钢于2021年10月通过了中国金属学会组织组织的科技成果鉴定，专家委员会认为项目技术达到了国际领先水平
（2）高能效家电用高性能电工钢产品
首钢超高效变频铁心材料35SW300材料磁性能及尺寸精度明显优于对标企业。超高效节能压缩机用35SW300产品先后获得冶金行业品质卓越产品证书、北京市新技术新产品（服务）证书。
（3）无人机和特殊领域用超薄规格高性能电工钢产品
首钢无人机产品在高频低铁损、不同场强磁感及尺寸精度等方面显著优于国内外先进对标企业。
2、产品应用
（1）新能源领域应用。首钢新能源汽车用高性能电工钢批量应用于大众、比亚迪、日产、本田、沃尔沃、长城、蔚来、理想、长安、北汽新能源等国内外知名新能源汽车企业，以及联合电子、法雷奥西门子、舍弗勒、北京精进、华为、日电产、卧龙、汇川等国内外新能源汽车行业主要驱动系统供应商，主要应用于新能源汽车的驱动电机、混动汽车的驱动电机和发电机。2020年全球新能源乘用车销量排行榜前5名车企中有4家车企批量应用首钢高性能电工钢产品；2020年中国新能源乘用车销量排行榜前10名车企中有9家车企批量应用首钢高性能电工钢产品。
2018年至2021年8月首钢该类产品产量累计7.85万吨，累计141万辆新能源汽车应用首钢电工钢，累计节电8.1亿度，减少二氧化碳排放81万吨。
（2）新能效家电领域应用。首钢超高效变频压缩机用铁芯材料35SW300/30SW250批已经在松下、格力、美的、日立等世界顶级家电制造商得到批量应用，并占据50%以上的供货份额，成为这些高端变频家电领军企业的主流供应商，并深受用户好评。自2012年至今累计供货近百万吨，制作超高效空调压缩机约17520万台，年节约用电量228亿千瓦时，节约标准煤280万吨，减排CO2约732万吨，对经济建设、环境保护、节能减排发挥不可替代作用。
（3）无人机及微特领域应用。0.20mm规格无取向电工钢产品无人机市场全球占有率30%以上。项目开发的产品在无人机、航天、氢能源等高端领域广泛认可，打破了高端电工钢材料市场垄断，填补了国内无人机专用电工钢产品空白，助力中国无人机等高端制造水平提升。
来源：北京首钢股份有限公司
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