一、研究的背景与问题
《“十四五”现代能源体系规划》指出，能源攸关国计民生和国家安全，加快构建现代能源体系是保障国家能源安全，力争如期实现碳达峰、碳中和的内在要求。新能源汽车及输变电装备是我国现代能源体系的重要支柱产业，国家陆续出台政策，推动两产业的高质量发展。
高牌号硅钢是新能源汽车及输变电装备的核心软磁材料，其中无取向硅钢是制造新能源汽车驱动电机的核心材料，取向硅钢是制造电网关键装备变压器铁心的核心材料。在新能源汽车及输变电装备产业的高质量发展的背景下，高牌号硅钢市场呈爆发式增长。
图1 中国新能源汽车销量及新能源车驱动电机用硅钢使用量发展趋势
图2 中国取向硅钢使用量发展趋势
新能源汽车行业与输变电装备的高质量发展，对高牌号硅钢质量提出新要求，即进一步降低单位损耗及提高产品尺寸精度。根据涡流损耗等经典理论，铁损与厚度的平方成正比，与电阻率成反比，因此降低铁损主要有两个方向：减薄厚度，厚度由0.35mm减薄至0.3mm以下；提高电阻率，新能源汽车驱动电机用无取向硅含量提升至3.1%以上，使“薄、硬、脆”成为高牌号硅钢的显著特点。
图3 铁损与厚度、电阻率关系
一直以来，高牌号硅钢一直采用二十辊轧机轧制，且需配备轧前准备机组辅助生产。世界最高水平的二十辊轧机技术指标是：最大轧制速度1000mpm，年产能9万吨，断带率1%，横向厚差均值6um，板形合格率98.2%。二十辊轧机的生产效率和产能无法满足高牌号硅钢快速增长的市场需求。轧制工序已成为限制高牌号硅钢快速增量的瓶颈。
连轧机相较二十辊轧机具有不可比拟的效率及成本优势，日本制铁、宝武等多年来持续进行冷连轧工艺研究，硅含量极限到3.1%，厚度最薄至0.3mm。现有连轧工艺装备不具备新能源汽车及输变电行业对厚度0.3mm以下高牌号硅钢的生产能力。
首钢2015年开始在二十辊和五机架酸连轧机组上开展系列高牌号硅钢轧制试验，实现了硅含量3.1%厚度0.3mm的五机架连轧量产；基于大量试验和理论计算研究成果，决定从辊径、润滑、温轧等几大方面创新连轧工艺装备技术，以实现高牌号无取向硅钢和取向硅钢的冷连轧突破，引领硅钢冷轧行业发展。
二、解决问题的思路与技术方案
高牌号硅钢“薄、硬、脆”，采用现有的冷连轧工艺装备存在轧制减薄能力不足、断带率高、产品尺寸精度低等问题，无法得到根本解决。
本项目构建新一代高牌号硅钢冷连轧工艺装备，开发配套的规模化生产技术，实现高牌号硅钢在冷连轧机高效轧制的工艺突破。具体研究内容：
1、提出设计并建设六机架六辊连轧机组生产高牌号硅钢的新构想，设计兼具薄规格及高效率轧制的临界尺寸辊系，开发复合润滑系统及出口大张力控制系统，解决轧制减薄与生产效率的矛盾，改变高牌号硅钢的单机架轧制模式。
2、揭示温度对高牌号硅钢力学性能和轧制裂纹的影响规律，发明冷连轧温度预报模型，开发温轧控制技术，解决轧制脆断问题，实现稳定连轧。
3、发明匹配式全能辊型用于冷轧凸度和边降控制，开发首机架出口板形耦合板廓控制技术及多机架协同板形控制技术，解决轧制边裂与边降控制的矛盾，实现高精度尺寸及板形控制。
项目研发思路具体如下图所示：
图4 技术思路
三、主要创新性成果
1、根据自主创新的工艺思想，首次设计并建成了高牌号硅钢用六机架六辊连轧机组，开发了兼具薄规格及高效轧制的六机架轧机新辊系、高润滑性复合润滑系统以及出口大张力控制等系统装备，解决了轧制减薄能力提升与横向厚差和板形精度降低的矛盾，实现了0.3mm高牌号硅钢1500mpm高速稳定轧制。获得授权专利3项，发表学术论文1篇。
本项目立项之初，高牌号硅钢必须采用二十辊辊轧机生产，轧制效率和产能无法满足高牌号硅钢快速增长的市场需求。国内外先进硅钢企业采用连轧机生产高牌号无取向硅钢开展了大量研究，目前最高水平企业也仅能稳定连轧硅含量3.1%、厚度0.3mm的高牌号硅钢，不能轧制更高硅及更薄规格。
（1）轧制临界尺寸辊系设计
基于工程实践和理论计算，针对高牌号硅钢连轧，本项目提出了“工作辊辊径300-340mm”高牌号硅钢轧制临界辊系，如图5所示，工作辊窜辊行程达到150mm，最大轧制速度达到1500mpm。
图5 兼具薄规格及高效率的轧制临界尺寸辊系
本项目研发的轧制临界辊系，较传统五机架辊径轧制力下降22%，有效解决了传统轧机轧制能力不足的问题。
（2）复合润滑系统、大张力系统的设计及应用技术
本项目率先将直喷系统应用于硅钢轧制，如图6所示，开发了由直喷与循环使用共同构成的复合润滑系统和3个系统组成的多模式智能润滑方式，复合润滑系统应用后，如图7所示，轧制力降低1.7%-10.3%，摩擦系数降低30%-40%，满足多钢种生产需求。
图6 直喷系统设计参数
图7 轧制力
本项目在轧机出口引入张力辊组，如图8所示，使末机架前张力与卷取张力形成两段式控制，末机架前张力提高3倍以上，轧制力下降约6%，进一步支撑了临界尺寸辊系对薄硬高牌号硅钢的轧制能力，实现了0.19mm超薄规格的高速稳定轧制；同时，两段式张力控制解决了剪切瞬间末机架出口失张问题，带头厚度波动在±3um内，厚度不合的长度为0米，提高了成材率。
图8 张力辊组的布置简图
（3）达到的技术指标
本项目基于自主的工艺构想，按工艺需要定制设备及设备功能，建成了生产高牌号硅钢的六机架六辊冷连轧机组（图9），引领了全球硅钢轧制装备技术的发展。
图9 本项目
本项目实现了最大硅含量3.75%、最小厚度0.19mm产品的冷连轧，轧制效率提升8倍以上，产能如图10所示。
图10 本项目产量能力
2、揭示了温度对高牌号硅钢力学性能和轧制裂纹的影响规律，开发了连轧机升温轧制温度控制模型和温轧控制技术，解决了高牌号硅钢冷轧塑性极差的难题，实现了硅含量3.75%的高牌号硅钢稳定连轧，首次实现取向硅钢一轧程连轧，断带率0.6%以下。获得授权专利11项，发表学术论文2篇。
高牌号硅钢轧制脆断是行业共性难题，传统连轧机组无温轧模型及控制技术，因此频繁断带无法轧制。
（1）温度对高牌号硅钢力学性能和轧制裂纹的影响规律研究
本项目研究了Si%=3.75%温度对带钢力学性能和轧制裂纹的影响规律。如图11所示，加热温度提升到110℃及以上时，材料由脆性转变为塑性；与120℃相比，200℃时屈服强度降低约3.3%，提高温度可有效降低轧制力;温度提升，轧制边裂显著改善。
图11 温度影响规律
（2）开发冷连轧温度预报模型
本项目发明了一种硅钢冷连轧轧制过程温度获取方法及装置，通过获取生产过程的参数及初始温度，得到各机架变形区至下一机架变形区入口之间的预测温度数据，从而实现了冷连轧温度预报（图12）。
图12 轧制过程温度
（3）研发连轧温轧技术
①温轧装备开发
本项目独创了乳化液流量板宽分段控制系统和密封式防缠导板，如图13所示，解决了边裂频繁断带问题以及温轧与轧辊冷却的矛盾，为提升高牌号硅钢的轧制稳定性提供了装备支撑。
图13 乳化液流量板宽控制和密封式防缠导板
②温轧工艺控制
轧制脆性断带占断带率的90%以上。本项目采用直喷技术既提高了润滑性又避免了过度冷却，开发了电磁感应加热温度、乳化液流量与轧制速度耦合控制技术，如图14所示，实现了温轧且良好润滑，大幅降低了断带率。
图14 温轧工艺控制
（4）达到的技术指标
本项目实现了高牌号硅钢连轧温轧，连轧最大硅含量3.75%的高牌号硅钢一次轧至0.2mm；高牌号硅钢连轧断带率0.6%以下。
图15 带钢温度
图16 硅含量和断带率指标
3、发明了六机架六辊新辊系150mm大行程窜辊控制装备技术和匹配式全能辊型，开发了首机架出口板形耦合板廓控制技术及多机架协同板形控制技术，解决了边裂与边降控制的矛盾，实现了横向厚差≤5um比例99.2%。获得授权专利4项，发表学术论文1篇。
横向厚差是硅钢的关键质量指标，高牌号无取向硅钢横向厚差控制的难点是：边降控制造成边部延伸率减小，形成紧边轧制工艺，当带钢边部拉应力大于抗拉强度时断带概率激增，边降控制与边裂存在矛盾。
（1）大行程窜辊控制技术
基于创新的临界工作辊辊径，本项目将工作辊窜辊行程由50mm提升至150mm，解决了原设计横向厚差控制能力不足导致频繁换辊的问题。
新能源汽车用硅钢对应的冷轧带钢宽度范围为850-1350mm，UCWS=-60mm，根据工作辊横移量公式计算，如图17所示，当工作辊横移量为150mm时，使用2个辊形可以满足需求。
图17 工作辊横移量与带钢宽度
（2）发明匹配式全能辊型
本项目结合实测板廓，发明了匹配式“1+1+2”（1套支承辊辊型+1套中间辊辊型+2套工作辊辊型）全能辊型用于冷轧凸度和边降控制，满足全部产品的轧制能力。
图18 板廓 图19 辊型优化前后辊缝形状
(3)独创首机架出口板形耦合板廓控制技术及多机架协同板形控制技术
传统连轧的边降控制是依据机组出口边降仪进行反馈控制，存在严重的滞后性。本项目通过及时控制首机架出口板形来提升产品横向厚差，独创首机架出口板形耦合边降控制技术：将中间辊窜辊置于0位，控制首机架入口带钢温度；调节首机架的弯辊力和窜辊量控制首机架出口带钢平直度，以此为依据进行横向厚差的高效控制，同时避免首机架出口边裂断带；由后向前依次调节2-4#机架的弯辊力和窜辊量直至横向厚差达到要求。
针对高牌号薄规格硅钢轧制普遍存在的边浪问题，本项目开发多机架协同板形控制技术，充分发挥S6-S5机架工作辊倒角对边部辊缝形状的控制作用，由后向前依次调节各机架的弯辊力和工作辊窜辊量直至S6出口板形达到目标曲线。
图20 板廓板形控制
(4)达到的技术指标
本项目产品横向厚差：≤5μm比例由14.8%提升至99.2%，≤3μm比例提升至82.3%（图21）。
图21 横向厚差合格率
本项目彻底消除了薄规格碎边浪，板形5IU合格率达到99.8%，板形平直（图22）。
图22 板形
四、应用情况与效果
采用连轧生产硅含量≥3.2%的高牌号硅钢，国内外无先例。本项目建成了世界首条用于高牌号硅钢轧制的六机架六辊冷连轧机组，实现了无取向硅钢和Hi-B取向硅钢的冷连轧，轧制最大硅含量3.75%，最高轧制速度1500mpm；实现了20W1200、20QGD070等高端牌号全覆盖，替代二十辊轧机，生产效率是二十辊的8倍以上，首钢高牌号硅钢产能显著提升，进一步发挥了首钢产品、技术的优势，同时有效化解了新能源产业快速发展导致的高牌号硅钢供需矛盾。本项目已经在首钢智新迁安电磁材料有限公司应用，六机架六辊连轧机2022-2023年轧制高牌号硅钢（厚度≤0.3mm）产品共计32.3万吨，项目直接经济利润5.15亿元。
本项目高牌号无取向硅钢实现全球新能源汽车销量前10品牌首钢批量供货8家，新能源汽车销量前十品牌市场占有率第一，独家供货特斯拉、大众MEB；取向硅钢产品广泛应用于特变电工、保变电气、中国西电、日立能源、西门子能源等输变电龙头企业。
新能源汽车及输变电行业均评价首钢产品的尺寸精度、电磁性能等优异，特别是厚度一致性优于日本制铁等先进企业，应用首钢材料制做的新能源驱动电机及变压器整机性能稳定完全满足设计要求。
2022年我国新能源汽车年产量约700万辆，其中使用首钢产品生产的新能源汽车产量约261.5万辆，每年可节电9.81亿千瓦时，减少碳排放97.77万吨；本项目高端取向硅钢年产20.6万吨，每年可节电11.1亿千瓦时，减少二氧化碳排放110.7万吨；本项目合计每年可节电20.91亿千瓦时，每年可减少二氧化碳排放208.47万吨，相当于塞罕坝百万亩人工森林年吸收二氧化碳量的2.8倍。
图23 项目产品应用（部分）
本项目开发的六机架六辊冷连轧机组的建成投产，促进了高牌号硅钢轧制技术进步，引领了钢铁行业的装备技术发展，可推广应用到其他同类硅钢制造企业。
来源：首钢智新电磁材料（迁安）股份有限公司
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