自1974年武钢冷轧硅钢片厂破土动工、1978年生产出第一卷冷轧硅钢片以来,我国冷轧硅钢经历了引进吸收到自主创新的蜕变。目前,我国硅钢在产能和产量上均居世界首位,硅钢从生产工艺、装备到产品开发等均取得巨大进步。本文总结了近10年我国硅钢的发展情况,为今后的发展提供参考。
1 我国冷轧硅钢十年发展现状
1.1 产量发展及现状
图1为我国硅钢近10年产量推移图。可以看出,自2017年突破千万吨级后,到2021年突破1300万t,2023年达到了1470万t。与2013年相比,增加了681.12万t,提升了86.3 %。取向硅钢自2014年突破100万t后,到2022年突破200万t,2023年达到263.7万t,与2013年相比,增加量169.61万t,提升了180.26 %。
1.2 硅钢进出口量变化
图2为我国硅钢近10年进、出口量推移图。可以看出,2013年我国硅钢进口量67.13万t,出口量27.81万t,进口量比出口量多出39.32万t；到2017年电工钢进出口量分别为42.89万t、45.68万t,出口量首次超过进口量；2021年以后,出口量高速增长,进口量缓慢下滑,到2023年出口量高达121.34万t、进口量28.06万t,出口量高出进口量93.28万t,相当于2002年全国硅钢总产量(96.48万t)。
1.3 产品结构变化
图3为我国硅钢近10年高磁感取向硅钢占取向硅钢比例推移图。可以看出,随着取向硅钢产量的不断提高,高磁感取向硅钢的产量也不断提高,与2013年相比,2023年高磁感取向硅钢的产量增加了114.56万t,提升了195.7%,高磁感取向硅钢占取向硅钢比例出有所提高,其中2017年、2018年、2021年和2022年均超过了70%。
图4为我国硅钢近10年高牌号、高效占无取向硅钢的比例推移图。可以看出,随着无取向硅钢产量的不断提高,高牌号、高效产品产量也不断提高,与2013年相比,2023年高牌号、高效产品的产量增加了306.92万t,提升了477.47 %,近乎5倍。到2023年高牌号、高效占无取向硅钢的比例达到了30.76 %。
图1 我国硅钢近10年产量推移图
图2 我国硅钢近10年进、出口量推移图
图3 我国硅钢近10年高磁感取向硅钢占取向硅钢比例推移图
图4 我国硅钢近10年高牌号、高效占无取向电工钢的比例推移图
1.4 冷轧硅钢标准、牌号及磁感变化
图5为我国无取向硅钢标准、牌号及磁感变化推移图。可以看出：
1)国标在不断发展,国标中规定的最高牌号不断提高,如0.35mm厚的产品,牌号从GB2521-1981的DW270-35发展到GB2521-2016的35W210牌号;
2)国标中规定的最大铁损不断降低,如0.35mm厚的产品,铁损从GB2521-1981的P1.5/50≤2.70W/kg降低到GB2521-2016的P1.5/50≤2.10W/kg;
3)国标中规定的最小磁感(B50)不断提高,如0.35mm厚的产品,磁感从GB2521-1981的B50≥1.58T提高到GB2521-2016的B50≥1.62T;
4)随着硅钢制造技术的发展,实物质量不断提高,如0.35mm厚的产品,实物质量的最小磁感不断提高,从GB2521-1981的B50≥1.59T提高到GB2521-2016的B50≥1.64T;
5)到GB/T34215-2017标准,对于0.27mm厚的新能源汽车电机用硅钢,标准规定的最小磁感B50≥1.65T,实物质量的最小磁感B50≥1.68T。
图6为我国一般取向硅钢标准、牌号及磁感变化推移图。可以看出(GB2521-1981、GB2521-1988中最小磁感用B10表示,在此不作说明):
1)国标在不断发展,国标中规定的最高牌号不断提高,GB2521-1996中的最高牌号27Q120,到GB2521-2016的23Q110和23Q095*(刻痕产品);
2)国标中规定的最小磁感(B8)不断提高,如0.23mm厚的产品,磁感从GB2521-2008的B8≥1.78T提高到GB2521-2016的B8≥1.82T;
3)随着硅钢制造技术的发展,实物质量的最小磁感不断提高,从1996年27Q120的B8≥1.78T提高到2016年的B8≥1.88T。
图5我国无取向硅钢标准、牌号及磁感变化推移图
图6我国一般取向硅钢标准、牌号及磁感变化推移图
图7为我国高磁感取向硅钢标准、牌号及磁感变化推移图。可以看出(GB2521-1981、GB2521-1988中最小磁感用B10表示,在此不作说明):
1)国标在不断发展,国标中规定的最高牌号不断提高,GB2521-1996中的最高牌号27QG100,到GB2521-2016的23QG085和18QG065*(刻痕产品);
2)国标中规定的最小磁感(B8)不断提高,如0.23mm厚的产品,磁感从GB2521-2008的B8≥1.85T提高到GB2521-2016的B8≥1.88T;
3)随着硅钢制造技术的发展,实物质量的最小磁感不断降低,从1996年27QG100的B8≥1.92T降低到2016年23QG085的B8≥1.90T,2018年以后已降低到B8≥1.89T。见图7中的线性(实物质量最小磁感(B8)绿实线),B8逐步下降。
图7我国高磁感取向硅钢标准、牌号及磁感变化推移图
2我国冷轧硅钢近两年价格指数分析
图8为近两年我国无取向硅钢价格指数走势推移图。可以看出:
1)高牌号无取向硅钢价格指数一路狂降,300牌号从2022年初的11000降到年底的8000左右,2023年初稍稍有点抬头,4月份后继续下降,到年底降到7000左右,经过2024年2个月的平稳期,3月又开始了小幅下降,到4月底降到了6500上下。从2022年初到2024年4月,价格指数降低了4500左右,跌幅约41%。
2)中低牌号无取向硅钢与高牌号无取向硅钢相似,价格指数也是一路狂降,800牌号从2022年1月的6500开始上长,5月份接近6700,然后一路狂跌,到8月份降到了5000左右,再后来小幅震荡,2023年3月上长到约5800,到2024年4月基本维持在5200~5300之间,跌幅约20.9%。
图8我国近两年无取向硅钢价格指数走势推移图
图9近2年我国取向硅钢价格指数走势推移图
图9为近两年我国取向硅钢价格指数走势推移图。可以看出:
1)高磁感取向硅钢085牌号2022年4月价格指数高达30000以上,到9月份降到25000~26000,稳定到2023年的2月份以后,直线下降,到2023年底已跌到了15000,跌幅达50%。进入2024年以来,虽有小幅上长但尚未突破15500。
2)一般取向硅钢价格指数呈先长后降的趋势,120牌号自2022年初的17000长到年底的19500,并维持了半年后,开始急速下降,到2023年底降到了12000左右,进入2024年,小幅震荡,到4月底仍在12000以下徘徊。
在生产硅钢时,以普冷板为基准,根据牌号的难度、成本及利润,划分原则为:生产1t中低牌号无取向硅钢相当于2t普冷板,生产1t无取向高牌号硅钢相当于3t普板,生产1t一般取向硅钢相当于4t普板,而生产一吨高磁感取向硅钢相当于5~6t普板,是比较合理的价格体系。像2022年1吨高磁感取向硅钢可获利润1万多元,1t一般取向硅钢可获利润5000元以上,生产1t无取向高牌号硅钢可获利润2000元以上,而生产普冷板几乎没有利润,那种情况是暂时的,由于硅钢利润高,近两年大量资金投入到硅钢产线建设,符合正常的市场规律。
3硅钢产品发展方向
硅钢最主要的两个电磁参数:铁损和磁感。降低铁损和提高磁感是硅钢产品发展永恒的主题。
3.1无取向硅钢厚度减薄
无取向硅钢发展到现在,常规厚度产品的铁损和磁感均已接近极限,随着高频化、高效化、节能化、小型轻便化的发展要求,减薄厚度是这一要求的必然趋势。
3.2自粘接涂层无取向硅钢
自粘接涂层具有绝缘强度高、耐腐蚀性好、冲片性好等特点。用带有自粘接涂层的硅钢制成的铁心,固定牢靠,电机效率高,振动小,噪音低。德国蒂森公司、美国阿拉甘尼公司、日本川崎制铁公司以及中国宝武都对此作了很多的实验应用研究,效果很好。但因自粘接涂料需要进口,价格昂贵,应用领域受到一定限制。近期,湖北海特新材料有限公司自主开发成功了自粘接涂料,经多轮实验证明,各项技术指标均优于进口产品,用于硅钢薄带和极薄带效果更好,因此,自粘接涂层无取向硅钢产品即将迎来新的发展机遇。
3.3高磁感取向硅钢磁感提高
提高高磁感取向硅钢磁感是取向硅钢发展的主要方向。
张文辉、王若平等人对Hi-B钢(B800=1.92~1.94T)与低温高磁感取向硅钢(B800=1.90~1.91T)性能进行了实验和应用对比,Hi-B钢在空载损耗、空载电流率和噪声方面明显比低温高磁感取向硅钢占优,尤其是在负载率超过100%时,Hi-B钢体现出较高的抗过载能力,空载损耗最大相差9.45%,空载电流率最大相差18.92%,噪声相差2.89%。由于Hi-B钢的热轧加热温度高,成材率略低,但因生产稳定性好,而且不需要后序的渗氮处理,生产成本比低温高磁感取向硅钢高出300~400元/t,销售价格将提高600~800元/t,更受用户青睐,市场更广,利润率更高。
从前面分析可知,近年来高磁感取向硅钢实物质量的最小磁感不断降低,从1996年27QG100的B8≥1.92T降低到2016年23QG085的B8≥1.90T,2018年以后已降低到B8≥1.89T,这个问题急需得到解决。为此应从下列三个方面着手:
1)现有低温高磁感取向硅钢的磁性提升,磁感B800=1.90~1.91T。研究Als和[N]的最佳控制范围;优化板坯加热、粗轧工艺,提高F7出口温度;优化常化和渗氮工艺,从而减小平均晶粒尺寸,提高(α+β)/2角区间晶粒所占面积百分数,改善板宽方向的磁性能均匀性。使产品磁感达到更高水平(Hi-B),满足二级能效变压器的要求。
2)降低高温高磁感板坯加热温度研究,实现加热温度≤1310℃,磁感B800=1.92~1.94T。武钢通过在高磁感取向硅钢(Hi-B)中加入微量钼(0.01%~0.10%),将铸坯加热温度降低到1320℃左右。实验研究表明:①含钼钢在1310℃低温和不含钼钢在1380℃高温铸坯加热时,其热轧板表层织构特征相似,均为典型的剪切形变织构。②在热轧及脱碳板表层,最强位向组分分别为(110)和(111)。就其强度沿厚度的分布而言,含钼钢1310℃低温与不含钼钢1380℃高温铸坯加热的情况极为相似。③Hi-B取向硅钢加钼能够降低铸坯加热温度的机制是当含钼钢在1310℃低温铸坯加热时,其脱碳板表层仍能保证足够强的(111)位向组分。因此,通过优化常化工艺、高温轧制工艺等,开发中温高磁感取向硅钢技术和产品,使产品磁感达到高温Hi-B产品水平,B800=1.92~1.94T,满足一级能效变压器用材料的需求。
3)超高磁感(SupB)取向硅钢制造技术研究,实现加热温度≤1370℃,磁感B800≥1.95T。武钢在该方面已接近产业化,但因底层不良,镜面板生产未实现,建议进一步研究,以实现超高磁感(SupB)取向硅钢的产业化。
4硅钢工艺装备发展方向
4.1冶炼、热轧(前工序)
4.1.1常规流程按工艺技术发展方向
常规流程按工艺技术发展方向,建设(300~400)万t专业化硅钢冶炼热轧生产线,增加一座高温加热炉,为中温Hi-B钢、高温超高磁感SupB钢开发生产提供必要条件。
4.1.2近终形生产硅钢的绿色智能制造新流程
1)薄板坯连铸连轧流程。
①武钢CSP产线属于第二代薄板坯连铸连轧流程,年生产中低牌号无取向电工钢热卷近百万吨。2016年成功制备出了低温高磁感取向硅钢热卷,成品性能较好,但因表面缺陷较常规流程多,2023年加装了电磁搅拌装置。
图10 武钢 CSP产线装备布置图
②ESP(图11)、MCCR(图12)、DSCCR(图13)属于第三代薄板坯连铸连轧流程,其热履历更符合硅钢的生产特点,具有高钢通量、无头轧制、薄规格、横向温差小等技术特征,并且工序能耗低,相当于常规连铸—热连轧产线的50%;综合成材率高,与常规连铸—热连轧生产线提高1.2%,生产1.5mm薄规格产品成本比常规热连轧吨钢成本低50元以上。
由于硅钢对冶炼成分的精度及范围要求很高,希望MCCR、DSCCR增上RH真空精炼装置,开发生产高级别硅钢热轧卷,实现“绿色制造”“制造绿色”。
图11 日照钢铁 ESP产线装备布置图
图12 首钢京唐 MCCR 产线装备布置图
图13 唐山全丰 DSCCR 产线装备布置图
2)薄带连铸连轧流程。
到目前为止,沙钢已建成薄带连铸连轧生产线4条(图14),并成功试制出了SG50W440无取向硅钢产品。2015年,轧制技术及连轧自动化国家重点实验室(东北大学)王国栋院士团队介绍了ECO-ElectricSteelStripCasting技术,采用该技术制备出了无取向硅钢、高硅无取向硅钢、传统成分取向硅钢、超低碳成分取向硅钢、高硅取向硅钢,并进行了工业化技术装备开发,这是一项由RAL开发的颠覆性技术,具有我国自主知识产权,并将逐步实现产业化。
图14 沙钢 Castrip工艺流程
3)平面流铸流程。
“硅钢平面流铸带中试线研制与产品开发”课题于2021年列入国家十四五-高端功能与智能材料重大科技专项,课题号:2021YFB3800503。如图15所示,该课题的主要优势如下:
①以硅钢边角余料等废硅钢为主要原料,添加适量的金属硅,变废为宝,并省去了烧结、焦化、高炉等工序;
②以电为主要能源,将液态合金在1/1000s内快速凝固、在1/10s内快速冷却,合金钢液直接成为硅钢极薄带;
③流程缩短90%,跨跃连铸、热轧、冷轧和中间退火等工序,硅钢极薄带直接退火涂层成为0.03~0.15mm的最终产品,性能优异;
④建立了全流程的气体保护措施,避免了带材氧化,省去了热轧带钢的酸洗工序,流程更生态;
⑤研制出了硅钢极薄带的高温、高精度退火工艺,保证了产品的高质量、高性能和高稳定性,产品更绿色;
⑥本项目流程与常规流程相比,钢水后工序产线长度、能耗和水耗减少85%以上,碳排放量减少90%。
该项目2021年12月31日,获科技部火炬中心授予“全国颠覆性技术创新大赛优秀奖”,目前正在实施中。
图15平面流铸流程
4.2冷轧及后工序
4.2.1轧机机组
1974年武钢引进日本新日铁的硅钢工艺装备及专利技术时,各种规格牌号的轧制均采用20辊森吉米尔单机架可逆轧机,而当时的日本川崎基本采用的是五机架连轧技术。2007年武钢股份引进三菱日立公司的组合牌坊型HZ-MILL型20辊轧机用于硅钢生产,提高了产品的板形质量和横向厚度精度。2006年投产的武钢二硅钢六辊五机架酸轧机组,原设计只生产无取向中低牌号产品,2007年试轧的一般取向硅钢效果很好,2009年轧制的无取向高牌号产品,板形质量得到改善,与20辊轧机相比,吨钢轧制成本降低200元/t以上。2022年、2023年首钢迁钢、宝钢相继建成了小六辊6机架冷连轧机组,提高了产品质量和成材率,降低了生产成本。
因此,厚度≤0.20mm规格的产品,应选用20辊森吉米尔轧机或HZ-MILL;厚度≥0.20mm规格的产品,应选用小六辊6机架冷连轧机组。
4.2.2高温退火机组
常用高温退火机组经济技术指标对比如表1所示。从表中可以看出,产能(2~3)万t,宜选择单体燃气式罩式炉,与单体电热式罩式炉相比,投资成本增加约10%,生产运行成本降低约15%;产能(3~5)万t,宜选择隧道式高温退火炉,与单体燃气式罩式炉相比,投资成本增加26.37%,生产运行成本降低10%,维护成本降低16.67%;产能8万t以上,选择环形炉最佳,与隧道式高温退火炉相比,投资成本提高17.39%,生产运行成本与维护成本最低分别降低15%、40%,并且牌号合格率高,性能稳定性好,物流畅通,便于组织生产和管理。
表1常用高温退火机组经济技术指标对比
4.2.3建设智能制造与绿色工厂
建设智能制造与绿色工厂,主要涉及以下平台的建设:1)工艺质量智能管控平台;2)能源介质智能管控平台;3)设备智能运维平台;4)数字化工艺仿真及优化设计。
5关于电工钢标准的几点建议
1)国标中电工钢牌号的表示法不完整,需要加缀或完善。随着电工钢发展,国标也不断发展和修订,从GB/T2521-1981、GB/T2521-1988、GB/T2521-1996、GB/T2521-2008、GB/T2521-2016到GB/T34215-2017。但磁感(或磁极化强度)作为最主要的电磁参数之一,一直以来都是用一个“G”字表示,在向数字化的进展中,磁感(或磁极化强度)应该以数字形式表示出来,让用户和读者一目了然。如50W230应写成50W230-1.62,30WDG1500应写成30WD1500-1.66,23Q110应写成23Q110-1.82,23QG085应写成23Q085-1.88,23QH080应写成23QH080-1.88。
2)各企业所制订的企业标准应以国标为基础,保证国标的严肃性和权威性。宝钢用“A”表示无取向,如B50AH300可以写成B50W300-1.69;用“G”表示的普通型取向硅钢,如B23G110,可以写成B23Q110-1.85,用“P”高磁极化强度型取向硅钢,如B20P080可以写成B20G080-1.89,用“R”表示磁畴细化型取向硅钢,如B18R075可以写成B18QH075-1.88。其它企业也存在类似的问题,希望在产品手册或企业标准中统一到国标上来,不仅保证国标的严肃性和权威性,也为用户选材提供方便。
3)实物质量与标准规定的磁性能不符,形成恶性竞争,损害企业自身利益。为了抢占市场,一些企业降牌号促销,如50W470被当作50W800销售,50W290被当作SG50W350销售,这不仅违背了标准的严肃性和权威性,还引进了企业间的恶性竞争,损害了企业自身的利益。
来源：电工钢
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