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取向硅钢:千锤百炼锻造的铮铮铁骨

在三峡水电站、西电东输的各种大型变压器中,有一种特殊的钢铁:取向硅钢。它是变压器里的“核心”制造材料,被称为“钢铁产品中的工艺品”。

在宝山钢铁股份有限公司中央研究院硅钢研究所,记者看到了一块取向硅钢的样品。钢板的表面结构像分布着块块拼接起来的地图。研究人员告诉记者,这一块块不规则的“地图”就是取向硅钢的晶粒,经过酸洗处理后在显微镜观测下会发现一种呈菱形的蚀坑,方向与钢板轧制方向完全一致。

原宝钢集团中央研究院院长、现宝武集团技术参事张丕军曾打了一个生动的比方:“就像一列整齐划一的队伍朝着一个方向前进,几乎所有的晶粒保持一个方向,偏离越小,电磁磁性能越高。”毫不夸张地说,取向硅钢是钢铁产品中制造难度最大的品种,因此它也被誉为钢铁产品“皇冠上的明珠”。取向硅钢的生产,是衡量一个国家、一个钢铁企业制造技术水平的重要标志。

独辟蹊径 低温制造颠覆传统工艺

2008年之前,世界上只有少数国家的钢铁企业有能力制造取向硅钢。我国是世界上最大的取向硅钢进口国,尤其是用于高性能变压器的高等级取向硅钢,几乎全部依赖进口。

对硅钢产品的攻关克难,宝钢经历了千锤百炼。传统高温制造工艺要求近1400℃的再加热温度,钢坯熔化,出现“挂渣”,像冬天屋檐上挂的冰凌一样,生产非常困难。在攻坚克难中,宝钢人深入研究传统高温工艺方法,经过成百上千次试验探索,独辟蹊径,自主创新出一种低温制造工艺,将传统的加热炉的温度降低了200℃以上,大大增强了取向硅钢的可制造性。

然而,技术工艺的突破只是到了山脚,在向山顶行进过程中,等待他们的还有自主研发生产装备、产线设计与建设、产业化试验等千难万险。实验室与量产之间也有着不小的差距。当时为了解决生产过程中的实际问题,时任硅钢部部长、现宝钢股份常务副总经理储双杰冒着失败的风险,向公司申请9000吨的原材料,实施前工序验证。尽管如此,大生产仍然遇到意想不到的问题。“第一轮试制取向硅钢就给了我们一个下马威。”国家重点研发计划硅钢项目负责人李国保回忆道:“炼制出来后,在运往热轧厂的时候铸坯发出了噼里啪啦的爆裂声、裂纹纵横交错,这是在场人员从未见过的情况。”

第一批的取向硅钢热轧卷的综合合格参数仅为2.4%,但宝钢人并不惊慌。正是因为敢于创新、计划在前、勇于实践,提前释放了技术风险,为取向硅钢的成功制造奠定了坚实的基础。

十年一剑 攀上高磁感取向硅钢新高峰

2008年下半年,低温高磁感取向硅钢、激光刻痕取向硅钢产品在宝钢相继下线,并实现批量生产。此后8年,宝钢高端取向硅钢新产品率先应用于“三峡”“西电东送”等国家重大工程,先后打破了进口产品在超高压、特高压交流和直流变压器领域的垄断地位;全面替代进口产品,突破了曾经被“卡脖子”的困境,我国高端取向硅钢进口量下降50%以上,均价降低约60%。

宝钢“低温高磁感取向硅钢研发与产业化”项目获得2013年度国家科技进步一等奖。

10年后,在“十三五”国家重点研发计划重点基础材料技术提升与产业化重点专项的支持下,经过不懈的努力,宝钢的取向硅钢终于攀上新高峰。2019年,宝钢研发出0.18毫米规格060等级的世界上损耗最低的取向硅钢新品,比目前国际最高等级高2个牌号。这10年间,宝钢已世界首发了8项取向硅钢新产品,30余项新产品填补国内空白,实现所有厚度规格取向硅钢最高等级全覆盖。新产品率先应用于制造超过目前国家1级能效标准的硅钢叠片铁心配电变压器和世界电压等级最高±1100kV特高压直流换流变压器。

据介绍,如果采用060等级产品制造超1级能效的变压器,替代我国高耗能变压器,那么每年将节电约900亿度,接近一个三峡电站的年发电量。

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