能源汽车用超薄无取向硅钢退火炉技术创新与应用

一、研究的背景与问题

硅钢是电力、电子和军事工业不可缺少的重要软磁性材料。受国家政策推动，新能源汽车产业发展迅猛，新能源汽车用无取向硅钢需求呈现爆发式增长。据统计，2017年之前新能源汽车硅钢的年需求量均在10万吨以下，2018~2020年的年需求量维持在~13万吨，2021年达到35万吨，相比2020年增幅高达169%。按照工信部《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》中的数据，2025年，新能源汽车新车销量占比将达到20%左右。中汽协据此测算，到2025年我国新能源汽车产量将达到800万辆，与之对应的新能源汽车用无取向硅钢需求量将达到约80-100万吨，比2021年增长220%以上。

本项目研发前，新能源汽车用超薄无取向硅钢与高牌号无取向硅钢使用相同的退火炉生产，没有专业化的薄带生产退火炉，产量较低，产品性能（如铁损）与国外先进水平（如日本）存在一定差距且性能不稳定问题突出。主要问题有：（1）高牌号无取向硅钢退火炉通常采用全辐射管加热或明火加热+辐射管加热的方式，在生产超薄无取向硅钢时存在加热速率较低、带钢弱氧化、加热均匀性较差的问题；（2）对控冷段设备的冷却特性缺乏研究、冷却调节手段少，无法实现超薄硅钢精确控冷的要求，带钢边浪问题突出；（3）炉压波动大，气氛无法精确控制，冷却段不能通氢气。因此，亟待开发新的退火炉技术与装备，实现更严苛的退火工艺要求，破解新能源汽车用超薄无取向硅钢生产的瓶颈。

中冶南方（武汉）热工有限公司与太钢不锈钢股份有限公司和新钢南方新材料有限公司合作，于2017年开始进行超薄无取向硅钢退火炉关键技术研究及装备开发，以满足全系列新能源汽车硅钢产品的生产需求，实现新能源汽车用硅钢的高质量、高效率、绿色化、智能化生产。

二、解决问题的思路与技术方案

针对现有退火炉在新能源汽车用硅钢生产时存在的加热速率较低、均匀性较差，冷却调节手段少、无法实现超薄硅钢精确控冷，炉压波动大、气氛无法精确控制的技术难题，中冶南方热工公司从“快速加热及控制技术”、“均匀加热及控制技术”、“控制冷却技术”、“炉压控制装备和技术”四个方面进行理论研究和试验测试，开发“带气氛高频感应加热装备技术”、“绿色、高效间接加热装备技术与控制系统”、“高精度控冷装备技术和气氛精准控制技术”，最终形成具有自主知识产权的新能源汽车用超薄无取向硅钢退火炉技术及装备，实现新能源汽车用硅钢的高质量、高效率、绿色化、智能化生产。项目技术路线如图1所示。

图 1技术路线图

三、主要创新性成果

1、创新性提出一种新炉型，满足加热速率≥30℃/s、控冷速率≤10℃/s、炉内氢气比例90%、冷却段通氢的工艺要求，可以稳定生产全系列电动汽车用硅钢产品。其中开发的基于串联电源技术和智能闭环控制技术的带保护气氛高温高频感应加热技术及装备，打破国外垄断，带钢温度偏差控制在±5℃。

（1）针对电压串联电源技术和电流并联电源技术的深入对比研究，差异性提出电压串联电源技术并开发配套逆变侧匹配技术，打破了国外在并联技术的垄断。

（2）创建电源系统、测温系统、水冷系统智能准确感知系统，基于功率数学模型技术和自学习优化技术建立双闭环智能控制技术，实现带钢温度稳定控制，温度偏差控制在±5℃。

图2 带感应加热的退火炉及感应加热控制画面

2、开发了绿色、高效间接加热装备技术，高温（1050℃）条件下，辐射管烧嘴的热效率提升5%，达到65~70%；氮氧化物排放值降低50mg/Nm3，稳定在150~180mg/Nm3(8%基氧）以下，实现绿色、低碳生产；首次将弥散式燃烧技术引入辐射管间接加热系统，开发连续比例+脉冲燃烧控制技术，炉温控制精度稳定在±4℃以内。解决新能源汽车用硅钢需要快速、均匀加热的难题。

（1）对辐射管烧嘴换热器结构进行创新：针对W和U型辐射管烧嘴，首次将喷流多级换热、内置喷流、外置翅片结合应用；针对I型辐射管烧嘴，首次采用多管束薄壁管换热器结构。与现有加热装备相比较，空气预热温度提高100-150℃，辐射管热效率提升5%以上，达到65~70%，高于引进烧嘴5%，吨钢CO2减排5kg/t。

（2）开发烟气卷吸回流结合MNOx燃烧技术，NOx排放指标比仅采用烟气回流单项技术下降30%-35%，在1050℃炉温条件下，NOx排放试验数据为119mg/Nm3，生产应用可稳定在150~180mg/Nm3以下。

图3 绿色、高效间接加热装备技术及控制系统

3、针对新能源汽车用硅钢需要精确控冷和气氛精准控制的难题，开发基于在线智能优化控制系统的精确控冷技术，消除带钢边浪缺陷、提高产品磁性；创新炉压控制装备技术，炉压控制精度提高50%，炉压波动可控制在-3Pa~4Pa，适用于90%氢气气氛。

（1）开展间接冷却特性研究，确定冷却管内流速范围，同时采用辅助电加热的方式降低了冷却速率的下限，结合退火炉在线优化控制技术，可以实现10℃/s甚至更低的精确控冷，板型明显改善。

（2）创新隔离器炉压控制技术，研究以PID为内核的新型控制器，实现PID参数的自整定；研究放散阀控制修正系数，提出使用正态系数计算修正系数，炉压控制精度提高了50%，炉压波动可控制在-3Pa~4Pa。

图4 高精度控冷装备技术和气氛精准控制技术

项目成果授权发明专利3件，授权实用新型专利8件，申请发明专利4件，申请实用新型专利1件，授权软件著作权2件，发表论文4篇。

四、应用情况与效果

通过上述带气氛高频感应加热装备技术，绿色、高效间接加热装备技术，高精度控冷装备技术、气氛精准控制技术等关键技术的集成创新，开发了新能源汽车用超薄无取向硅钢退火炉技术及装备，技术指标如下：

使用燃气加热时退火炉吨钢能耗仅为1.3GJ/t（基于板温1000℃），NOx排放值在150-180mg/Nm3（基于炉温1050℃，8%基准氧），辐射管加热段炉温控制精度可控制在±4℃之内，炉压波动控制在-3~4Pa。

感应加热电源技术方面：创新开发电压串联电源技术并开发配套逆变侧匹配技术，带钢触碰感应器无触电危险，安全性更高，电源采用串联谐振，开路和短路保护容易。核心逆变模块可维护性强，备件成本低。

感应加热无功补偿谐波治理方面：全面配置感应加热无功补偿谐波治理，确保较高功率因素和谐波水平，提升设备功率输出可靠性和设备稳定运行可靠性。

图 5 新能源汽车用超薄无取向硅钢退火炉技术工程应用

本项目成果推广应用总计10余项，先后在新钢、鞍钢、武钢、太钢等国内硅钢生产第一梯队企业得到应用。其中较典型的有：国内第一条产品大纲中包含新能源汽车用硅钢产品的退火炉（新钢南方新材料有限公司）；国内率先投产的新能源汽车用硅钢专业化生产退火炉（太钢不锈钢股份有限公司）。此外得益于本项目的研发成果，公司承接了俄罗斯最大钢铁联合企业新利佩茨克钢铁公司(NLMK)的硅钢退火炉项目，该项目是国内硅钢退火炉技术首次向海外输出，最薄厚度仅为0.1mm，为目前已知的最薄规格。

本项目成果的成功研发及实施，极大程度地促进和引领了我国硅钢退火炉技术的迭代升级，提升了我国冶金工程成套装备在国际上的竞争力，同时也为开拓我国冶金工程设备“一带一路”市场创造了有利条件。

来源：中冶南方（武汉）热工有限公司