一、項(xiàng)目研究背景

建設(shè)低碳社會(huì)時(shí)代背景下，綠色發(fā)展已成全球共識(shí)。構(gòu)建綠電體系是我國(guó)發(fā)展低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)、實(shí)現(xiàn)雙碳戰(zhàn)略重要舉措。節(jié)能變壓器是構(gòu)建綠色低碳電網(wǎng)關(guān)鍵裝備，為降低輸變電損耗，我國(guó)持續(xù)發(fā)布強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 20052-200620132020《變壓器能效限定值及能效等級(jí)》，三次提升變壓器能效標(biāo)準(zhǔn)。與2000年相比，我國(guó)輸變電線損率降低3.3%年節(jié)電3340億度，相當(dāng)于個(gè)三峽電站年發(fā)電量。但比國(guó)際領(lǐng)先國(guó)家仍高1%，節(jié)能降耗空間較大。作為變壓器鐵心核心材料，取向硅鋼技術(shù)進(jìn)步對(duì)輸變電損耗降低起到了基礎(chǔ)性的支撐作用。

我國(guó)與世界領(lǐng)先國(guó)家輸變電線損率變化

變壓器可分為卷鐵心和疊鐵心兩種，卷鐵心變壓器因其性能優(yōu)良、制造成本低等優(yōu)勢(shì)，符合電網(wǎng)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展方向。與傳統(tǒng)疊鐵心相比，卷鐵心因其特殊磁路結(jié)構(gòu)，空載損耗降7-10%，噪聲降5-10dB，節(jié)材25-30%在卷鐵心制造過(guò)程中，取向硅鋼卷繞時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形和應(yīng)力，進(jìn)行800℃以上消除應(yīng)力退火，以降低卷鐵心損耗，這對(duì)取向硅鋼產(chǎn)品提出了更高要求。

疊鐵心和卷鐵心變壓器鐵心制造過(guò)程

刻痕細(xì)化磁疇是取向硅鋼產(chǎn)品高端化重要手段常規(guī)激光刻痕可提升取向硅鋼個(gè)牌號(hào)，但磁疇細(xì)化效果耐熱性，高溫下鐵損改善效果失效。2011年立項(xiàng)時(shí)，我國(guó)卷鐵心變壓器主要使用未細(xì)化磁疇的取向硅鋼產(chǎn)品，最高等級(jí)僅為080水平。采用同牌號(hào)取向硅鋼，卷鐵心變壓器成本同比降低6%。但080牌號(hào)制造的卷鐵心變壓器成本比常規(guī)激光刻痕055牌號(hào)制造的疊鐵心變壓器高11%，必須開(kāi)發(fā)耐熱細(xì)化磁疇取向硅鋼，發(fā)揮卷鐵心變壓器優(yōu)勢(shì)。

常規(guī)激光刻痕取向硅鋼產(chǎn)品，磁疇細(xì)化降低鐵損是由線狀熱應(yīng)力區(qū)導(dǎo)入附加能量實(shí)現(xiàn)。但溫度400℃以上時(shí)，熱應(yīng)力區(qū)消散，磁疇細(xì)化效果消失，無(wú)法滿足卷鐵心制造要求。耐熱刻痕技術(shù)在硅鋼表面刻劃出物理溝槽，導(dǎo)入靜磁能細(xì)化磁疇。消除應(yīng)力退火改變溝槽形態(tài)，刻痕效果保持，這也是耐熱刻痕常規(guī)激光刻痕技術(shù)本質(zhì)區(qū)別。

常規(guī)激光刻痕與耐熱刻痕技術(shù)差異

立項(xiàng)初，國(guó)際僅兩家企業(yè)采用齒輪輥與電化學(xué)蝕刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)耐熱刻痕取向硅鋼批量制造，但缺點(diǎn)明顯。齒輪輥刻痕質(zhì)量會(huì)因齒輥磨損劣化，且壽命短、成本高細(xì)化磁疇效果不穩(wěn)定。化學(xué)蝕刻工序復(fù)雜、不環(huán)保、溝槽形態(tài)無(wú)法精確控制制約產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)能力。兩耐熱刻痕取向硅鋼技術(shù)產(chǎn)能和產(chǎn)品等級(jí)長(zhǎng)期停滯，難以迭代創(chuàng)新。

齒輪輥與電化學(xué)蝕刻技術(shù)示意圖

激光是最具潛力的耐熱刻痕技術(shù)，具有高精度、高分辨率、非接觸、高靈活性、高效率及材料適應(yīng)性廣等特性。自上世紀(jì)80年代，國(guó)外同行便開(kāi)展了激光刻痕技術(shù)研究，但限于激光加工易產(chǎn)生鋼板變形、熔渣殘留及凸起等缺陷，可能導(dǎo)致變壓器爆炸和擊穿等安全隱患，長(zhǎng)期得不到解決而停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

可見(jiàn)，激光耐熱刻痕原理與技術(shù)突破對(duì)于激光精密微加工技術(shù)領(lǐng)域意義重大，尤其實(shí)現(xiàn)激光耐熱刻痕技術(shù)與產(chǎn)品規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化的突破具有重大價(jià)值。是挑戰(zhàn)也是契機(jī)，寶鋼迎難而上，以自主開(kāi)發(fā)成套關(guān)鍵技術(shù)為目標(biāo)，摸索超短脈沖激光誘導(dǎo)取向硅鋼庫(kù)爆炸機(jī)制和規(guī)律，破解激光加工熱效應(yīng)關(guān)鍵難題在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持下，歷時(shí)12年進(jìn)行產(chǎn)線設(shè)計(jì)、工藝及應(yīng)用技術(shù)研究，完成了系統(tǒng)性創(chuàng)新工程。

寶鋼耐熱刻痕取向硅鋼技術(shù)總體創(chuàng)新思路

二、關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)

創(chuàng)新成果：全球首次采用超短脈沖激光誘導(dǎo)晶格庫(kù)侖爆炸原理，破解了激光熱熔效應(yīng)造成金屬熔渣污染帶鋼及刻槽邊緣凸起等嚴(yán)重影響取向硅鋼使用的固有瓶頸，定制專用超短脈沖激光源，實(shí)現(xiàn)了超短脈沖激光耐熱刻痕產(chǎn)品的規(guī)?；a(chǎn)。

對(duì)于激光技術(shù)而言，熱熔效應(yīng)易導(dǎo)致取向硅鋼表面熔渣污染及刻槽邊緣凸起降低耐熱刻痕產(chǎn)品的疊片系數(shù)、破壞層間絕緣嚴(yán)重影響使用特性。同時(shí)，溝槽內(nèi)物質(zhì)的去除效率受激光特征參數(shù)的影響，必須對(duì)激光特性進(jìn)行系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)，以達(dá)到耐熱刻痕取向硅鋼高品質(zhì)、規(guī)?；?jīng)濟(jì)生產(chǎn)的目的。

超短脈沖激光照射取向硅鋼表面，光子、電子和聲子交互作用，引發(fā)光子激發(fā)隧穿激發(fā)超熱電子效應(yīng)。項(xiàng)目通過(guò)合理簡(jiǎn)化，計(jì)算出電子平均溫度，發(fā)現(xiàn)激光脈沖寬度爆炸發(fā)生的臨界條件同時(shí)，脈沖寬度越低，電子吸收能量占比越大，刻痕效率越高經(jīng)大量試驗(yàn)研究，優(yōu)化了取向硅鋼實(shí)現(xiàn)庫(kù)侖爆炸的激光參數(shù)，消除了熔渣及凸起缺陷發(fā)現(xiàn)飛秒激光峰值效率是皮秒激光的倍。相應(yīng)的產(chǎn)能1.5萬(wàn)噸產(chǎn)線激光配置減少74%，制造效率提高約倍。

傳統(tǒng)連續(xù)和長(zhǎng)脈沖激光與本項(xiàng)目超短脈沖激光實(shí)施效果比較

超短脈沖激光在半導(dǎo)體、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域的應(yīng)用方式是原位靜態(tài)加工方式。而連續(xù)產(chǎn)線必須動(dòng)態(tài)一次成型。項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了DOE分光技術(shù)，將一束激光分成能量均等的一百個(gè)子束，以最佳效率一次掃描精確成型，開(kāi)拓了超短脈沖激光全新的應(yīng)用場(chǎng)景。

創(chuàng)新成果：突破了飛秒激光因焦深短刻痕作業(yè)易受環(huán)境影響的技術(shù)難題，自主設(shè)計(jì)并建成了全球首條激光耐熱刻痕產(chǎn)線，關(guān)鍵產(chǎn)線精度達(dá)到微米級(jí)：激光焦平面全頻譜振幅≤±5μm、帶鋼抖動(dòng)≤±10μm、帶鋼跑偏≤±100μm；刻槽精度高深度≤±1μm，間距≤±50μm；產(chǎn)品表面無(wú)金屬熔渣污染、刻痕邊緣凸起＜3μm；產(chǎn)能約為傳統(tǒng)耐熱刻痕產(chǎn)線的倍。

飛秒激光因焦深短刻痕作業(yè)易受環(huán)境影響，需開(kāi)發(fā)連續(xù)加工控制技術(shù)專項(xiàng)設(shè)計(jì)有效控制環(huán)境振動(dòng)、粉塵污染及帶鋼抖動(dòng)、跑偏、產(chǎn)線速度波動(dòng)等不利影響滿足飛秒激光系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行需求產(chǎn)線設(shè)計(jì)精度必須由毫米級(jí)提高微米級(jí)顛覆了對(duì)傳統(tǒng)鋼廠產(chǎn)線精度設(shè)計(jì)的認(rèn)知在線微米級(jí)深度檢測(cè)是世界性難題，國(guó)外廠家只能離線檢測(cè)。

項(xiàng)目突破微米級(jí)產(chǎn)線設(shè)計(jì)40臺(tái)激光精準(zhǔn)協(xié)同控制在線質(zhì)量檢測(cè)與控制三大技術(shù)。自主設(shè)計(jì)五輥焦平面控制模塊及糾偏系統(tǒng)、VC-B級(jí)高精度減震系統(tǒng)、自適應(yīng)光束準(zhǔn)直系統(tǒng)，焦平面控制精度達(dá)到±40μm、產(chǎn)線跑偏量≤±100μm，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)線精度的微米級(jí)設(shè)計(jì)。激光器以4×10的矩陣布局，開(kāi)發(fā)分區(qū)掃描及視覺(jué)觸發(fā)技術(shù)，整個(gè)系統(tǒng)精準(zhǔn)協(xié)同，實(shí)現(xiàn)線間距和橫向拼接精度≤±50μm項(xiàng)目研究發(fā)現(xiàn)了槽深和槽寬的線性關(guān)系，將深度檢測(cè)轉(zhuǎn)化為寬度檢測(cè)，開(kāi)發(fā)出在線反饋控制模型，槽深精度達(dá)到±1μm

寶鋼耐熱刻痕產(chǎn)線與傳統(tǒng)產(chǎn)線的控制精度差異

創(chuàng)新成果：開(kāi)發(fā)出基于kerr效應(yīng)的精細(xì)化磁疇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)核心技術(shù)，揭示了刻痕關(guān)鍵工藝參數(shù)、基板組織及涂層張力與刻痕效果的映射關(guān)系，鐵損改善了10%，產(chǎn)品提升了兩個(gè)牌號(hào)，研制出10項(xiàng)新產(chǎn)品填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，其中項(xiàng)全球首發(fā)。

取向硅鋼磁疇結(jié)構(gòu)復(fù)雜，基板取向偏離角、涂層張力、刻痕參數(shù)等多重因素存在交互作用，必須突破磁疇設(shè)計(jì)與控制、流程設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)確定等關(guān)鍵技術(shù)，才能制造性能穩(wěn)定的高端耐熱刻痕產(chǎn)品。

項(xiàng)目基于Kerr效應(yīng)，研究了取向硅鋼磁疇結(jié)構(gòu)，構(gòu)建總磁能計(jì)算模型，獲得了綜合性能最佳的工藝控制范圍。摸索出最佳工藝及流程，構(gòu)建了完整的工藝技術(shù)體系。

磁疇結(jié)構(gòu)示意圖及總磁能最優(yōu)化計(jì)算與設(shè)計(jì)思路

創(chuàng)新成果4:建立了完善的耐熱刻痕取向硅鋼使用技術(shù)體系，開(kāi)發(fā)出服役磁性能測(cè)量系統(tǒng)和鐵心工藝系數(shù)量化表征方法，研究了復(fù)雜工況下諧波、噪聲、損耗的關(guān)聯(lián)規(guī)律，建立了卷鐵心退火三維溫度場(chǎng)仿真計(jì)算模型，全球率先制造出超一級(jí)能效卷鐵心變壓器。

我國(guó)高能效低噪聲立體卷鐵心變壓器技術(shù)缺乏從變壓器設(shè)計(jì)、選材、工藝控制到服役性能的系統(tǒng)研究，業(yè)內(nèi)長(zhǎng)期受到變壓器合格率低、單框無(wú)法測(cè)量、設(shè)計(jì)優(yōu)化依據(jù)欠缺等問(wèn)題的困擾，卷繞鐵心變壓器的固有優(yōu)勢(shì)難以發(fā)揮。

項(xiàng)目構(gòu)建了服役性能數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)出鐵心加工和退火工藝，國(guó)際率先研制出超一級(jí)能效卷鐵心變壓器，制定了項(xiàng)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)和項(xiàng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

本項(xiàng)目產(chǎn)品所制造的超一級(jí)能效卷鐵心變壓器實(shí)績(jī)

三、技術(shù)先進(jìn)性

硅鋼技術(shù)領(lǐng)域有超高磁感、耐熱刻痕、6.5%Si硅鋼三大難以攀登的高峰。寶鋼歷經(jīng)12，開(kāi)辟了激光耐熱刻痕取向硅鋼制造技術(shù)新路徑，占據(jù)了技術(shù)制高點(diǎn)。本項(xiàng)目產(chǎn)線裝備及產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)明顯，單條產(chǎn)線制造能力是國(guó)際同行的溝槽尺寸控制精準(zhǔn)，無(wú)凸起、無(wú)飛濺，實(shí)物質(zhì)量及穩(wěn)定性領(lǐng)先。用戶使用結(jié)果表明，項(xiàng)目產(chǎn)品電磁性能優(yōu)勢(shì)明顯。研發(fā)出10項(xiàng)新產(chǎn)品，項(xiàng)全球首發(fā)，領(lǐng)先國(guó)際一個(gè)牌號(hào)。獲發(fā)明專利36項(xiàng)，其中國(guó)際專利19項(xiàng)；發(fā)表論文篇。中國(guó)金屬學(xué)會(huì)成果評(píng)價(jià)委員會(huì)一致認(rèn)為，本項(xiàng)目是一項(xiàng)獨(dú)創(chuàng)性科技成果，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。獲中國(guó)寶武技術(shù)創(chuàng)新重大成果獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)項(xiàng)；獲上海市高新技術(shù)成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目百佳項(xiàng)。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院等第三方檢測(cè)表明，本項(xiàng)目產(chǎn)品均優(yōu)于性能指標(biāo)要求。

四、推廣應(yīng)用和經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益

得益于項(xiàng)目成果，寶鋼級(jí)以上卷鐵心變壓器國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率100%。出口10余個(gè)國(guó)家，用戶包括西門(mén)子能源、GE等。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)室等標(biāo)志性工程。三年新增產(chǎn)值13.28億元，新增利稅2.87億元，創(chuàng)收外匯4863萬(wàn)元。

本項(xiàng)目開(kāi)辟了耐熱刻痕技術(shù)新路徑，引領(lǐng)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，社會(huì)效益巨大。據(jù)測(cè)算，電網(wǎng)全部采用超一級(jí)能效卷鐵心變壓器，年節(jié)電可達(dá)900億千瓦時(shí)，減排二氧化碳近億噸。本項(xiàng)目為下一代高效激光耐熱刻痕技術(shù)的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

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