干货|聊一聊钢铁中的工艺品—硅钢

1. 什么是硅钢

硅钢是指Fe-Si软磁合金，又称电工钢。硅钢Si的质量百分数为0.4%~6.5%，具有高磁导率、低铁损值的优良磁性，具有铁芯损耗低，磁感应强度高，冲片性良好，钢板表面质量好，绝缘薄膜性能好等优点。硅钢主要用于制备各种电动机、发电机和变压器等电力设备的铁芯，是电力、电子和军事工业中必不可或缺的金属功能材料，也是电力设备提高效率、降低能耗的关键材料。电工钢作为用量最大的软磁合金，广泛应用于实体经济中的各个方面，提高其整体性能和制造水平在国民经济发展中具有非常重要的作用和意义。

2. 硅钢发展历程

在硅钢出现以前，铁芯一直是用工业纯铁制造的。1886年美国Westinghouse电气公司用杂质含量约0.4%的热轧低碳钢板制成变压器叠片铁芯，但低碳钢的电阻率低，铁芯损耗大，碳和氮的含量高，磁时效严重。1902年德国古姆利奇发现添加硅能使铁的电阻率增高，涡流损耗和磁滞损耗降低，磁导率增高，磁时效现象减轻。

1882~1995年主要是热轧硅钢的发展阶段。1903年美国和德国首先开始生产热轧硅钢。1905年美国（英国在1906年）已经大规模生产，在很短的时间内全部替代了普通低碳钢板制造电机和变压器。由于冷轧无取向硅钢的磁感、铁损、冲剪加工性、表面质量和绝缘涂层等质量性能都大大优于热轧硅钢，并且热轧产品不能成卷生产，降低了冲片效率，60年代主要的工业发达国家都陆续停止生产热轧硅钢。1957年，前西德阿什姆斯在实验室内生产出了双取向硅钢片（立方织构的硅钢）。沿轧向和横向都有很高的磁性，但尚在实验室阶段，未投入工业生产。

1930~1967年主要是冷轧普通取向硅钢（CGO）板的发展阶段。1933年高斯采用两次冷轧和退火方法制成沿轧向磁性高的3%Si钢。1935年美国的Armco钢铁公司利用高斯专利技术与Westinghouse公司合作开始了冷轧取向硅钢的生产。经20年不断发展，Armco公司于50年代中期完善成二次冷轧法晶粒取向硅钢生产工艺，即Armco工艺，此后，Armco工艺长期垄断了世界冷轧取向硅钢生产，普通取向硅钢（CGO）产量约80%都是按照Armco专利生产的。

1961~1994年主要是高磁感取向硅钢（Hi-B）的发展阶段。1953年，日本新日铁公司田中悟等证明以AIN为主要抑制剂和一次大压下率冷轧工艺方案有可能制成更高磁性的取向硅钢。1961年在引进Armco专利基础上，首先试制AlN+MnS综合抑制剂的高磁感取向硅钢。1964年开始生产并命名为Hi-B，但磁性不稳定。自1968年新日铁公司开发高磁感取向硅钢产品后，日本冷轧电工钢在产品质量、制造技术和设备、新技术开发、实验研究及测试技术等方面都已超过美国，在世界上处于绝对领先地位。

我国太原钢铁厂于1952年首先试制热轧低硅钢板（1%~2%Si），1954年正式生产。1957年由钢铁研究总院研制成功3%Si冷轧取向硅钢，到1973年我国已掌握Armco技术专利要点，鞍钢进行试制但未能生产。1974年武汉钢铁公司从日本新日铁引进冷轧取向硅钢制造装备和专利。1976~1977年，钢铁研究总院在验证和消化日本专利的基础上开发了Hi-B取向硅钢。1979年武钢正式生产取向硅钢，到目前为止武钢仍是我国取向硅钢的主要生产基地。

3. 硅钢的分类与用途

3.1 Si质量分数

硅钢按Si质量分数分类分为Si<0.5%的电工钢和0.5~4.5%Si的硅钢两类，两者通称为电工钢板。前者在制造电磁性能要求不高的民用小型电器领域有着广泛的需求，此类硅钢片的特点在于硅含量明显低于常规电工钢，制备工艺流程简单，成本较低，与普碳钢类似。后者包含的种类、牌号极为复杂。

高硅钢是指4.5%~6.7%Si的Si-Fe合金，具有在高频下铁损明显降低、最大磁导率高、矫顽力低、磁性能极为优异的特点，主要用来制造高频电机、高频变压器、扼流线圈和高频磁屏蔽等。但由于Si含量过高，室温条件下塑性极差，无法轧制成形。6.5%Si因为其独特的磁性能而自成体系，目前仅有少量通过渗硅工艺制备的无取向6.5%Si-Fe合金材料可以成卷供应，更具性能优势的取向6.5%Si-Fe合金制备则更为困难。

3.2 生产工艺

根据生产方式可分为热轧电工钢和冷轧电工钢。热轧硅钢片因其性能落后近年已经逐步淘汰。

根据晶体取向聚集程度将硅钢分为无取向和取向是最为广泛接受的方法。冷轧无取向硅钢是指0.5%~4.0%(Si+Al)的合金，冷轧至0.65mm、0.5mm和0.35mm后经退火涂层后制成。相比取向硅钢，其晶粒织构类型较为漫散，各个方向上具有较为均匀的磁性能，而且磁各向异性较低，主要用作各类型电机和发电机的铁芯叠片。冷轧产品厚度精度，尺寸公差等级，表面光滑度都达到较高水平，从而提高了产品叠片系数和材料的磁性能。冷轧无取向硅钢生产工艺流程图如图1所示。

图1无取向硅钢生产工艺流程图

单取向电工钢指Goss取向，双取向特指立方取向电工钢。后者制备工艺极为复杂，目前难以工业化，所以取向硅钢广泛意义上指Goss取向。取向硅钢在易磁化的<001>方向上具有高磁导率与低损耗特性，符合变压器等静态电力装备的导磁能力要求。单取向硅钢根据抑制剂和磁感的不同又可以分为CGO钢和Hi-B钢，具体如表1所示。其中，CGO钢的晶粒平均取向偏离角约为7^°，饱和磁感值B₈在1.82Tesla以上，主要用于中小型变压器的制造。Hi-B钢的晶粒平均取向偏离角约为3^°，B₈值在1.90Tesla以上，主要用于电力工业中的各种大型变压器、扼流圈等高端电磁元件的制造。

表1 硅钢分类表

硅钢的应用情况如图2所示。

图2 硅钢的应用情况

4. 硅钢性能指标

电工钢叠片铁芯与铜线通过电磁感应做功，铁芯通过形成交变磁场发挥作用。铁芯运行过程中自身耗能和铁芯磁化能力决定电器设备核心性能，如功率、体积、效率、质量以及综合运行成本。所以，电工钢的性能指标要求有下列几项：

1) 铁芯损耗P：

电工钢铁芯在励磁与退磁过程中额外消耗电能转化成热量称为铁损，单位为W/kg，是划分产品牌号的主要依据。铁损由磁滞损耗P_h、涡流损耗P_e和反常损耗P_a组成。三种铁损分别与晶粒尺寸、有利织构比例和板带质量对应。所以，取向和无取向电工钢中这三种损耗占比不同，如无取向硅钢的铁损以P_h为主，取向硅钢中则以P_e为主。根据使用条件不同，无取向硅钢的铁损保证值取P_1.5/50，即硅钢片在50Hz交变磁场下磁化到1.5T时所消耗的电能，而取向硅钢相应的铁损保证值为P_1.7/50。

2) 磁感应强度B

磁感应强度又称磁通密度，是衡量磁性材料单位面积磁化能力的技术指标。磁感应强度提高，意味着铁芯的相同条件下形成的磁场加强，从而降低激磁电流、铜损和铁损，提高能量转化效率。而且，铁芯总磁化强度为其磁感与面积的乘积，所以铁芯B_m提高，截面积可相应缩小，这使铁芯、铜线质量减轻，从而降低电器的铁损和成本。无取向硅钢的磁感保证值取B₅₀，即5000A/m磁场下的磁感强度，而取向硅钢磁感则取B₈，磁感单位为Tesla。不同电工钢的采用的磁感应强度标准不同，如表2所示。

表2 不同品种硅钢的磁感保证值

上述两项指标与电工钢生产流程的成分设计、核心工艺设计及控制水平等条件密切相关，是电工钢性能最核心的要求。而电工钢的热/冷轧加工精度、绝缘涂层质量等因素也是高品质电工钢的必要条件。此外，无取向电工钢还要求磁各向异性，即纵横向铁损差值≤8%，磁感差值≤10%。

5. 硅钢牌号表示方法

图3 硅钢牌号表示方法

6. 硅钢发展方向

近20年来，我国硅钢产业取得了长足的进步，这其中以首钢、武钢和宝钢为代表。得益于我国钢铁行业全流程的技术进步，这些企业在控制无取向硅钢整体质量稳定性和取向硅钢方面已经具有较高技术实力。2014年我国硅钢生产达到823万吨，高端产品有20~30万吨的进口量，2015年，我国共生产电工钢约836万吨，进口量进一步下降到14万吨。但是，与日本相比我国在高端电工钢领域仍有不小的差距，这集中体现在高磁感无取向硅钢、超低铁损Hi-B取向硅钢和高硅钢等产品上。例如，新日铁公司(现新日铁住金)能够实现0.15~0.35mm系列厚度规格极低铁损Hi-B取向电工钢的稳定供货，引领取向硅钢工艺发展。在特殊用途硅钢方面，日本钢管公司(现JFE)通过气相沉积法(CVD)渗硅的方式实现了高硅钢薄带的供货。随着我国装备制造业的产业升级，高端硅钢产品的需求会越来越迫切。我国与日韩等钢铁强国在这一领域的竞争将会更加激烈，这就要求我国相关科研人员通过革命性创新进行下一代硅钢生产技术的研发，引领世界电工钢技术的发展。

低铁损、高磁感高效电机用无取向硅钢、薄规格超低铁损高磁感取向硅钢和中高频节能电器用高硅钢是电工钢产业的发展方向。

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本文由材料人编辑部学术干货组deer供稿，材料牛编辑整理。

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