一、研究的背景与问题
建设低碳社会的时代背景下，绿色发展已成全球共识。我国电力行业碳排放占比超全国总量40%，是低碳发展的中心环节。构建绿电体系是我国发展低碳循环经济，实现“双碳”战略的关键。据统计我国输配电损耗占全国总发电量约6.6%，其中配电变压器占比近50%，年电能总损耗约1700亿kWh，相当于三峡电站年发电量的1.7倍，降碳技术及节能产品需求迫切。提升配电变压器能效等级，降低输变电损耗，是电网体系成本最低的降碳手段。为此，我国持续发布强制性国家标准GB 20052-2006、2013、2020、2024《(三相配电)变压器能效限定值及能效等级》。随着国家低碳政策不断深入，节能产品已成为主流。
卷铁心配电变压器因其性能优良、制造成本低等优势，成为低碳高能效配电变压器的重要发展方向之一,发展卷铁心变压器已成为国际共识。与传统叠铁心相比，卷铁心因其特殊的磁路结构，具有损耗低、噪声小、节材等显著优势，空载损耗降7%-10%，噪声降5dB-10dB,节材达25%-30%。另一方面，铁心用取向硅钢板表面刻痕细化磁畴降低铁损是取向硅钢生产的核心技术，目前硅钢生产企业主要采用在钢板表面引入规律分布的静磁能以达到细化磁畴效果的普通激光刻痕技术，可以耐受400℃以下热处理维持细化磁畴效果。
然而，卷铁心制造过程需800℃以上消除应力退火，普通刻痕取向硅钢的磁畴细化效果失效，耐热性缺失，无法满足卷铁心变压器的应用要求,导致我国卷铁心变压器发展面临技术瓶颈。因此，亟需开发耐热刻痕细化磁畴技术及实现高端耐热取向硅钢产品国产化，满足我国高能效卷铁心配电变压器快速发展需求。
开发耐热刻痕细化磁畴技术及耐热刻痕取向硅钢产品，主要面临以下问题：
1、国内技术空白，国外技术“先天”缺陷。2008年以来，我国取向硅钢总体上成功实现高端化，保障了国家电力安全，但耐热刻痕技术和产品一直空白。立项初，世界仅日本制铁（原新日铁）与JFE应用机械齿辊与电化学腐蚀技术实现耐热刻痕取向硅钢批量制造，但刻槽质量、环保、生产效能等都有明显缺点。(1)机械齿辊刻痕技术必须采用超硬、耐磨特殊材质的齿辊以克服取向硅钢表面高硬度的硅酸镁涂层的磨损，且需要特殊磨床修磨齿辊,一个齿辊仅能生产约1000吨就必须报废,技术成本极高、产能严重受限；同时，运行过程中，齿辊易发生不均匀磨损，造成细化磁畴效果不稳定。(2)电化学腐蚀刻痕技术需经覆膜、激光剥离待加工区域、电化学微区腐蚀形成沟槽、剥离剩余保护膜，才能完成刻痕，工序复杂、不环保、沟槽尺寸与形态无法精确控制等重大缺陷，制约了产品质量及生产能力。故此,两个先行者的耐热刻痕取向硅钢产能和产品等级长期停滞，技术难以迭代创新。
2、耐热刻痕精度要求高，控制技术难度极大。与非耐热刻痕技术相比，耐热刻痕技术是在取向硅钢表面沿钢带宽度方向上刻划出一定深度的永久性沟槽，沟槽几何尺寸和表面平整度达到微米级精度一致性，尤其在工业生产宽幅带钢表面稳定均匀地刻痕，且刻痕后取向硅钢的要求达到铁损改善率≥8%、叠片系数≥94.5%，尤其要求钢板表面洁净、刻痕无碎屑无凸起，导致耐热刻痕技术规模化难度极大。
3、激光耐热刻痕是最具潜力的刻痕技术，但激光耐热刻痕原理与技术国内外研究均不充分，且规模化、产业化无先例，未知难点多。激光刻痕属于激光微加工刻蚀技术，具有精度与分辨率高、非接触、灵活性高、效率高及材料适应性广等特性，应用于取向硅钢耐热刻痕有突出优势，因此吸引了国内外的学者和机构开展了大量激光耐热刻痕相关的研究，但是均停留在实验室研究。因此，激光耐热刻痕原理与技术突破对于激光精密微加工技术领域具有重大意义，尤其实现激光耐热刻痕技术与产品规模化、产业化“0”的突破具有重大价值，但技术难题众多且难以预测。
二、解决问题的思路与技术方案
1、解决问题的思路
本项目的总体思路如图1所示。
图1 项目总体思路与技术方案
2、主要技术方案
本项目通过产学研用联合攻关，利用先进的项目管理方法,打通了激光源选型、刻痕工艺控制、产线开发、产品研制和应用等全链条创新技术，实现了激光耐热刻痕取向硅钢技术全产业链的系统性突破,取得了颠覆性的创新成果。牵头单位宝钢率先突破低温高磁感取向硅钢制造技术并实现产业化，产能达到了120万吨/年,并保持着高磁感、传统激光刻痕及低噪声等产品的国际领先地位；钢研总院、东大和中国电科院在硅钢冶金理论、磁畴研究及复杂工况变压器服役等领域国内领先；吴变和特变电工在高能效低噪声配电变压器研制和铁心优化技术等领域国内前列。
项目团队对相关技术难题进行全面梳理和解析,采取各个击破策略：
（1）突破激光刻痕的固有瓶颈问题。针对激光热熔效应造成金属熔渣污染取向硅钢表面及刻槽边缘凸起等严重影响取向硅钢使用的固有缺陷问题，通过破解激光蚀刻原理,系统研究和筛选激光器的类型、性能参数及加工方式关联关系,确定具备刻痕质量及经济性要求的耐热刻痕激光选型。
（2）突破激光耐热刻痕工艺与控制技术。通过破解磁畴设计与控制原理、工序流程设计及刻痕关键工艺参数、刻痕质量的检测及控制技术等一系列难题,实现最佳化磁畴细化效果,保证铁损改善率。
（3）建成满足稳定批量制造要求的激光耐热刻痕产线。国际上超短脉冲激光精密加工均为原位、静态微加工方式，必须突破连续产线精密加工的技术瓶颈,实现产线稳定可靠。
（4）建立高端耐热刻痕产品应用技术体系。针对国际上对立体卷铁心变压器设计、制造及应用技术缺乏系统研究，开展耐热刻痕取向硅钢铁心制造应用技术体系研究。
本技术方案中涉及的相关术语与实物形态的对应关系如图2所示。
图2 耐热刻痕取向硅钢刻痕沟槽(a)及刻痕线示意图(b)
三、主要创新性成果
项目团队历时10余年,突破了激光耐热刻痕取向硅钢生产与应用各环节的原理与关键技术,取得了一系列重大创新性成果：
1、全球首次采用超短脉冲激光诱导晶格库仑爆炸原理,破解了激光热熔效应造成金属熔渣污染带钢及刻槽边缘凸起等严重影响取向硅钢使用的固有瓶颈,定制专用超短脉冲激光源,实现了超短脉冲激光耐热刻痕产品规模化生产。
针对传统激光刻痕时造成金属熔渣污染带钢及刻槽边缘凸起等严重影响取向硅钢使用的技术瓶颈，采用超短脉冲激光诱导晶格库仑爆炸原理的模拟研究，揭示了取向硅钢晶格热传导时间约10ps（10-11s），大量系列试验发现刻痕深度与脉冲宽度成反比关系，激光能流密度、光束质量、重复频率等特性对刻痕效率及质量存在多维影响，明确了激光脉冲宽度小于10ps、瞬时能量超过阈值的超短脉冲激光促发快速等离子体化，热传导效应弱，可实现无飞溅金属污染、刻槽边缘平滑的刻痕加工。项目团队结合模拟与试验确定了激光参数，定制了专用的飞秒（10-15s）激光器，实现刻槽边缘凸起<3μm稳定控制，建设成耐热刻痕产线产能1.5万吨/年，总装机功率仅为皮秒激光的1/4。
图3 专用超短脉冲激光沟槽形态
2、开发出基于kerr效应的精细化磁畴结构设计核心技术,揭示了刻痕关键工艺参数、基板组织及涂层张力与刻痕效果的映射关系,铁损改善了10%,产品提升了两个牌号,研制出10项新产品填补国内空白,其中4项全球首发。
针对激光刻痕沟槽两侧杂散磁场能降低取向硅钢磁性能的困局，通过构建以刻痕形态、晶粒取向偏差角、带钢表面绝缘涂层张力等关键因素为变量的磁畴结构总磁能表达式，首次推算出耐热刻痕取向硅钢磁畴结构特征参数，定量解析了主畴宽度和柳叶畴数量与刻痕形态、硅钢磁特性间的多维关联规律（如图4）。利用kerr效应证实刻痕工艺对主畴和柳叶畴影响规律，确定柳叶畴体积分数随刻痕参数的变化规律，实现刻痕工艺对磁畴结构精细化设计。
图4 耐热刻痕取向硅钢的磁畴结构：(a)沟槽深度与取向偏差角对主畴宽度的影响；(b)沟槽深度与绝缘涂层张力对柳叶畴体积的影响
提出以主畴宽度、柳叶畴体积、晶粒组织参量以及绝缘涂层张力为参数的耐热刻痕取向硅钢磁性能计算模型，揭示了刻痕后铁损、磁感、磁致伸缩系数与刻痕参数及带钢特征参量间的全谱依赖关系（如表1）。面向综合磁性能控制目标，提出了取向偏差角、涂层张力、沟槽形态等多因素匹配方案，开发出低噪声高能效取向硅钢磁畴结构设计与控制技术。
表1 不同性能指标的目标沟槽形态
项目团队充分考虑耐热刻痕的规模化制造综合平衡产品质量、物流及成本。针对0.23mm规格取向硅钢进行了40轮次的试验及验证，摸索耐热刻痕的最佳工序方案，分别在冷轧、脱碳退火、高温退火、热拉伸退火等关键工序验证刻痕效果，在兼顾产品质量和经济性共9个维度综合评估前提下，最终确定了高温退火板刻痕的新流程、新工艺，铁损降幅＞10%，刻痕取向硅钢产品牌号提升两个等级；累计开发出10项填补国内空白的耐热刻痕新产品（表2），其中4项新产品全球首发，领先一个牌号，覆盖了各规格国际最高等级，是全球唯一能制造0.18mm规格高端耐热刻痕取向硅钢供应商。
表2 宝钢耐热刻痕产品典型性能及保证值
2、突破了飞秒激光因焦深短刻痕作业易受环境影响的技术难题,自主设计并建成了全球首条激光耐热刻痕产线,关键产线精度达到微米级:激光焦平面全频谱振幅≤±5μm、带钢抖动≤±10μm、带钢跑偏≤±100μm;刻槽精度高:深度≤±1μm，间距≤±50μm;产品表面无金属熔渣污染、刻痕边缘凸起＜3μm;产能约为传统耐热刻痕产线的3倍。
针对飞秒激光因焦深短刻痕作业易受环境影响的技术难题，项目团队创造性地开发了衍射光学元件技术，将单台单束激光分为能量近于相等的百个固定间距的子束集合，以最佳能量效率束斑进行集合扫描，在带钢连续运行下，深度达10μm以上的沟槽一次扫描精确成型，一举改变了激光静态微加工的现状。
针对沟槽深度在线高速检测世界性难题，项目团队根据激光能量的高斯分布特征，（1）提出了将深度检测转换成宽度检测的技术方案，采用激光共聚焦3D检测进行了比对检测研究，发现了沟槽深度与宽度的线性关系，如图5所示；引入高清图像识别系统，动态采集沟槽宽度，如图6所示，建立了激光束斑放大倍数-焦点位置-沟槽宽度-沟槽深度的关联数学模型，据此设计出沟槽深度自反馈系统，沟槽深度精度达到了±1μm的水平。（2）开发了五辊焦平面防抖动模块及其控制系统，通过大张力运行、全被动工作辊和减震辊设计，将带钢振幅由±1mm控制到±10mm以内。开发了产线VC-B级高精度减震系统，采用千吨惯性质量块、弹簧隔振器和粘滞阻尼器相结合的方式，将结构振幅由500μm减小至5μm；为了消除厚度规格切换对刻痕深度的影响，开发出自适应光束准直聚焦系统技术，通过增减移动镜片间距来调节输出光束直径，自动调节焦点位置，沟槽深度得到精确控制。针对全板宽精确密排刻痕，开发出了分区扫描技术。（3）开发出模块化设计技术和高速摄像头视觉触发技术，形成全产线协调控制方案，线间距和横向拼接精度达到±0.5mm。为了降低多机协作中单机偶发故障导致刻痕线缺失的影响，开发了冗余补刻技术，刻痕的稳定性由86.1%提升至98%以上，如图7所示。2020年12月宝钢激光耐热刻痕产线投产，2021年实现0.18mm~0.23mm规格激光耐热刻痕取向硅钢产品的规模化生产。
图5 沟槽深度与宽度对应关系 图6 沟槽宽度动态采集图像
图7 冗余系统应用前后的刻痕稳定性对比
4、建立了完善的耐热刻痕取向硅钢使用技术体系,开发出服役磁性能测量系统和铁心工艺系数量化表征方法,研究了复杂工况下谐波、噪声、损耗的关联规律,建立了卷铁心退火三维温度场仿真计算模型,全球率先制造出“超一级”能效卷铁心变压器。
针对卷铁心变压器的设计及优化原理与技术研究缺乏系统性，（1）研制出立体卷铁心用取向硅钢服役磁性能测量系统（如图8），对谐波、直流偏磁、高低温等条件下的服役性能进行全面解析，建立用户使用技术数据库，如图9~图11所示。
图8 立体卷铁心用取向硅钢服役磁性能测量系统原理图
图9 工况对耐热刻痕产品损耗的影响 图10 工况对不同规格产品损耗的影响
图11 部分耐热刻痕产品与常规产品工况下服役损耗曲线对比
（2）系统解析卷铁心剪切、卷绕、消除应力退火等重要过程，开发出铁心工艺系数的量化表征方法，建立了卷铁心退火三维温度场仿真计算模型，优化了卷铁心制造及退火工艺。如图12所示。
图12 卷铁心退火过程中关键时间节点的内部温度分布云图（铁心1/6体积）
（3）建立了立体卷铁心电磁仿真模型，如图13所示；开发出“超一级”能效立体卷铁心配电变压器制造技术方案；建立了各能效等级的产品选材规范；完整构建了耐热刻痕产品用户使用技术体系，制定团体标准1项。
图13 立体卷铁心电磁仿真模型
表3 超1级能效立体卷铁心变压器（S24-M·RL-400/10）主要指标
四、应用情况与效果
本项目产品批量制造高能效、低噪声立体卷铁心变压器，应用于北京国家速滑馆、雄安新区、杭州亚运会馆等重大标志性绿色工程。近3年，新增产值13.28亿元，新增利税2.87亿元；远销欧美等高端市场，出口创汇4683万元。推广应用将使我国配网年节电900亿kWh，经济与社会效益巨大。
获发明专利36项（国际专利19项），发表论文9篇，技术秘密24项，制定团体标准1项，企业标准1项。研制出10项新产品填补国内空白，其中4项全球首发，领先1个牌号；获中国宝武重大技术创新成果奖特等奖1项，项目成果建立起了我国耐热刻痕技术世界领先地位。2025月1月8日中国金属学会组织专家组评价，一致认为该项成果是一项独创性科技成果，达到国际领先水平。
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