近日，2021年中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會、中國金屬學會冶金科學技術(shù)獎（簡稱冶金科學技術(shù)獎）揭曉，安泰科技股份有限公司作為第一完成單位，聯(lián)合青島云路先進材料技術(shù)股份有限公司、江蘇集萃安泰創(chuàng)明先進能源材料研究院有限公司等6家單位共同完成的“寬幅超薄鐵基納米晶帶材工程化技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用”項目榮獲冶金科學技術(shù)特等獎。
一、項目背景
鐵基納米晶合金是當今綜合性能最優(yōu)的金屬軟磁材料，具有高飽和磁感應(yīng)強度、高磁導率、低損耗等特性，且具有制備和應(yīng)用雙節(jié)能的優(yōu)勢，是提升電能傳輸效率、實現(xiàn)電控/電訊/電磁屏蔽的核心基礎(chǔ)材料，廣泛應(yīng)用于電力電子、新能源汽車、智能電網(wǎng)、信息通訊等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。
鐵基納米晶合金作為關(guān)鍵戰(zhàn)略材料，被列入《中國制造2025》、“十三五國家重點專項”和“國家自然科學基金”等計劃中，也是《面向2035年的材料領(lǐng)域科技發(fā)展戰(zhàn)略研究》和“十四五國家重點專項”支持的重點新材料之一。
在電力工業(yè)，從電能產(chǎn)生（發(fā)電機）、傳輸（變壓器）到利用（電動機）的過程中，軟磁材料起能量轉(zhuǎn)換作用。在電子工業(yè)，從5G通訊（無線充電）、自動控制（繼電器、磁放大器、變換器）到廣播電視和電影（聲音圖像的錄、放、抹磁頭），再到電子計算技術(shù)（各種鐵磁性微波器件），軟磁材料起著信息變換、傳遞與存儲等重要作用，如圖1所示。
圖1 （a）變壓器/電磁器件工作原理 （b）無線充電工作原理
在能源日趨緊缺和環(huán)境問題日趨嚴重的今天，降低軟磁材料的損耗，提高磁芯效率，對節(jié)約能源及抑制電磁污染具有重大意義。同時，隨著第三代半導體材料和器件的發(fā)明，電子元器件日益向高頻、大功率方向發(fā)展，這就要求軟磁材料盡可能集高飽和磁感、高導磁、高頻低損耗、高穩(wěn)定性、低成本于一身。新興應(yīng)用領(lǐng)域的不斷涌現(xiàn)，為軟磁材料的發(fā)展提供了廣闊的應(yīng)用前景。
軟磁材料在工業(yè)中的應(yīng)用始于19世紀末。隨著電力工業(yè)的興起，人們開始使用低碳鋼制造電機和變壓器。到20世紀初，研制出了硅鋼片代替低碳鋼，提高了變壓器的效率，降低了損耗，直到今天硅鋼片在電力工業(yè)用軟磁材料中仍居首位。到20年代，無線電技術(shù)的興起，促進了高導磁材料的發(fā)展，出現(xiàn)了坡莫合金。40年代到60年代，是科學技術(shù)飛速發(fā)展的時期，雷達、電視廣播、集成電路的發(fā)明等，對軟磁材料提出了更高的要求，軟磁合金薄帶應(yīng)運而生。70年代以后，隨著電訊、自動控制、計算機等行業(yè)的發(fā)展，新型軟磁材料——鐵基非晶合金、納米晶合金相繼出現(xiàn)并快速實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，如圖2所示。
圖2（a）硅鋼/非晶/納米晶合金發(fā)展歷程-最佳使用頻率圖
（b）硅鋼/非晶/納米晶合金頻率-損耗圖
相比較而言，低碳鋼加工性能好，但渦流損耗大，只宜用于直流鐵芯；硅鋼具有高飽和磁感應(yīng)強度，在不超過1kHz的頻率下應(yīng)用優(yōu)勢顯著，尤其適用于低頻、大功率電磁裝備，而在更高頻下應(yīng)用損耗急劇增加；坡莫合金具有很高的磁導率，但成本很高，主要用于精密儀表、記錄磁頭等或要求體積小的場合；鐵基非晶合金具有較高飽和磁感應(yīng)強度和較低中頻損耗特性，適合在50Hz-10kHz頻率范圍應(yīng)用，在更高頻率應(yīng)用時磁導率快速下降；納米晶合金因其具有獨特的非晶/納米晶雙相復合結(jié)構(gòu)，兼?zhèn)涓哳l高磁導率和高頻低損耗特性，在50Hz-100kHz頻率范圍應(yīng)用具有顯著優(yōu)勢，如表1所示。
表1 典型軟磁材料磁性能對比
近年來，隨著第三代寬禁帶半導體的發(fā)明和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用技術(shù)的突破，高頻大功率、低損耗電磁元器件的設(shè)計與推廣應(yīng)用成為可能，納米晶軟磁合金兼?zhèn)涓唢柡痛鸥小⒏叽艑?、低損耗等優(yōu)點，作為目前3kHz-100kHz頻段綜合性能最為優(yōu)異的金屬軟磁材料，已成為助推電力電子、新能源汽車、智能電網(wǎng)、信息通訊等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)向高頻、高效、小型化、輕量化和低能耗方向發(fā)展的核心基礎(chǔ)材料。電子元器件、信息通訊、新能源汽車和消費電子領(lǐng)域提出了超?。ā?8μm）、高頻磁導率（μ100kHz>3萬）、低損耗（P0.5T、10kHz≤3W/kg）的性能要求；智能電網(wǎng)、軌道交通領(lǐng)域大功率高頻變壓器對納米晶材料提出了寬幅（≥100mm）、超?。?4-18μm）、低損耗（P0.5T、10kHz≤3W/kg）的發(fā)展要求。
圖3 （a）常見軟磁材料飽和磁密-磁導率圖 （b）納米晶材料重要應(yīng)用
本項目立項之前，國內(nèi)外帶材生產(chǎn)均采用非連續(xù)性的單包法工藝，單爐鋼水僅200-300kg，年產(chǎn)能不足300噸，生產(chǎn)效率低。國內(nèi)供應(yīng)的納米晶帶材幅寬均在60mm以下、帶材厚度20μm以上，損耗高（P0.5T、20kHz＞30W/kg），一致性差、成本高等問題亟待解決。我國寬幅超薄納米晶帶材“無材可用”的問題十分突出，制約了我國電力電子、信息通訊、新能源汽車等產(chǎn)業(yè)的高級化和產(chǎn)業(yè)鏈的現(xiàn)代化。
為了突破寬幅納米晶帶材制備技術(shù)，德國VAC公司曾嘗試采用增大單爐容量的技術(shù)路線，但因壓力補償澆鑄帶來的裝備系統(tǒng)穩(wěn)定性差、產(chǎn)品收得率低、生產(chǎn)成本居高不下而放棄。
立項之初，項目承擔單位借鑒已經(jīng)取得的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的萬噸級非晶帶材連續(xù)化生產(chǎn)技術(shù)，包括大容量感應(yīng)底注中間包、熔潭保護等系列關(guān)鍵工藝技術(shù)，并基于發(fā)明的納米晶合金熔體原子團簇性能調(diào)控理論，在國內(nèi)外率先提出了寬幅超薄納米晶帶材的高效連續(xù)化制造技術(shù)路線。
二、主要技術(shù)創(chuàng)新點
納米晶帶材運用平面流高速連鑄工藝、以106℃/s的冷卻速率從鋼液直接凝固形成厚度小于0.018mm的薄帶，鑄帶速度高達1500m/min。與傳統(tǒng)的硅鋼材料相比，制造過程省去了軋制、再結(jié)晶退火、表面絕緣處理等諸多工序，成為了冶金領(lǐng)域最短的工藝流程，可以節(jié)省約80%的生產(chǎn)能耗。
圖4 平面流鑄示意圖
平面流制備工藝中，冷卻輥位于噴嘴正下方，坩堝內(nèi)母合金在惰性氣體保護下進行感應(yīng)加熱熔化，并通過熱電偶對溫度進行實時監(jiān)控。當熔體溫度達到預(yù)設(shè)噴帶溫度時，坩堝內(nèi)合金熔體在壓力作用下從狹長噴嘴噴出，與高速旋轉(zhuǎn)的冷卻輥接觸，并在熔體與輥面接觸區(qū)域擴展形成一穩(wěn)定的熔潭。合金熔體經(jīng)冷卻輥激冷，快速凝固成金屬帶材，經(jīng)自動卷取裝置收集成卷，如圖4所示。該技術(shù)具有流程短、產(chǎn)量大、成本低的特點。
項目承擔單位歷經(jīng)多年在基礎(chǔ)理論研究、納米晶合金成分開發(fā)、寬幅超薄連續(xù)化制帶技術(shù)、鐵芯及元器件應(yīng)用技術(shù)等方面，開展了全創(chuàng)新鏈科學研究和技術(shù)開發(fā)工作，形成的主要創(chuàng)新如下：
1、從理論角度揭示了微觀原子團簇對于納米晶合金熔體、前驅(qū)體玻璃形成能力、納米晶晶化過程的影響規(guī)律，為納米晶合金成分開發(fā)、鋼水熔煉工藝技術(shù)及鐵芯軟磁性能調(diào)控奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。
2、發(fā)明了低損耗、高磁導率新型鐵基納米晶合金成分綜合軟磁性能最優(yōu)，實現(xiàn)了納米晶成分的自主可控。該成分兼具優(yōu)異軟磁性能和強玻璃形成能力，綜合性能優(yōu)勢明顯，該創(chuàng)新為我國寬幅超薄納米晶帶材連續(xù)化生產(chǎn)提供了自主可控的新合金成分體系。
3、發(fā)明了寬幅超薄鐵基納米晶帶材連續(xù)化制造技術(shù)，實現(xiàn)了高品質(zhì)寬幅（≥120mm）超?。ā?8μm）納米晶帶材的連續(xù)化生產(chǎn)，建成了我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的寬幅超薄納米晶連續(xù)化生產(chǎn)線，單線產(chǎn)能達到4000噸/年，整體技術(shù)國際領(lǐng)先，引領(lǐng)了我國納米晶帶材產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展。
4、發(fā)明了納米晶帶材非晶前驅(qū)體納米晶化熱處理技術(shù)和高頻低損耗、磁導率可調(diào)控納米晶鐵芯制造及應(yīng)用技術(shù)；解決了因納米晶化放熱和應(yīng)力敏感導致的軟磁性能和損耗惡化，使系列化納米晶鐵芯的性能均達到國際領(lǐng)先。
通過本項目的順利實施，項目團隊開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型納米晶合金成分體系，突破了日立金屬的專利封鎖，實現(xiàn)了納米晶成分的自主可控。該成分體系納米晶合金具有優(yōu)異的軟磁性能，飽和磁感應(yīng)強度可調(diào)范圍廣，還具有低矯頑力和低損耗特性，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
基于開發(fā)的新型合金成分，通過寬幅超薄納米晶帶材工藝裝備和連續(xù)化制造技術(shù)集成創(chuàng)新，項目單位實現(xiàn)了高品質(zhì)寬幅超薄納米晶帶材連續(xù)化生產(chǎn)，比傳統(tǒng)的單包壓力補償非連續(xù)化生產(chǎn)方式效率提升8倍以上，單線產(chǎn)能提升至4000噸/年。納米晶帶材連續(xù)化生產(chǎn)技術(shù)優(yōu)勢顯著，由于高效節(jié)能、高自動化、高成品率等特點，可使納米晶帶材制造成本降低40%以上；同時，連續(xù)化生產(chǎn)的工藝特點使納米晶帶材的幅寬拓展至120mm以上、厚度可以穩(wěn)定控制在18μm以下、橫向偏差小于±1μm，滿足了高頻大功率器件的應(yīng)用需求，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在智能電網(wǎng)、新能源汽車、信息通訊、電力電子等領(lǐng)域。該成果于2021年1月通過了中國金屬學會冶金工業(yè)科學技術(shù)成果鑒定，專家委員會認為本項目成果總體達到國際領(lǐng)先水平。
項目獲授權(quán)專利29項，發(fā)表論文27篇，培養(yǎng)了一支鐵基納米晶成分體系開發(fā)、納米晶帶材制備、鐵芯及器件應(yīng)用的國家級高水平技術(shù)團隊。
三、技術(shù)的市場應(yīng)用情況
項目團隊通過近10年的聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，完成了納米晶合金新型成分體系、寬幅超薄納米晶帶材連續(xù)化制造裝備及工藝、低損耗大功率鐵芯等方面的技術(shù)攻關(guān)，其中帶材連續(xù)化制造技術(shù)在安泰科技股份有限公司、青島云路先進材料技術(shù)股份有限公司和江蘇集萃安泰創(chuàng)明先進能源材料研究院有限公司轉(zhuǎn)化應(yīng)用，成功實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；納米晶帶材及鐵芯應(yīng)用技術(shù)在青島云路新能源科技有限公司和江西大有科技有限公司轉(zhuǎn)化應(yīng)用，成功實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
項目開發(fā)的納米晶合金帶材，因其具有低損耗、高磁導、寬幅超薄等性能優(yōu)勢得到高端市場的高度認可，已廣泛應(yīng)用于新能源汽車、5G通訊、軌道交通和無線充電等新興產(chǎn)業(yè)；由于連續(xù)化生產(chǎn)的制造成本優(yōu)勢，項目磁元件產(chǎn)品還被廣泛應(yīng)用于家電（微波爐、空調(diào)、冰箱、洗衣機、LED電視、空氣凈化器、洗碗機、烤箱、熱水器等）、各類電源（UPS、PC電腦、服務(wù)器、醫(yī)療等）、焊機和光伏逆變器等傳統(tǒng)行業(yè)，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。
項目成果還可應(yīng)用于中大容量的電力電子高頻變壓器，支撐解決智能電網(wǎng)中風能、太陽能等可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)等難題，滿足我國對清潔能源高效利用的需要，對加速我國能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型、推進生態(tài)文明建設(shè)和環(huán)境保護具有重要意義。
該項目的成功實施，迫使進口納米晶軟磁合金帶材價格降低約50%；推動納米晶帶材市場規(guī)模迅速攀升，2020年國產(chǎn)納米晶帶材市場規(guī)模達到2.1萬噸，約占全球市場（2.5萬噸）份額80%，如圖5所示。
圖5 納米晶帶材國內(nèi)市場規(guī)模逐年攀升
項目技術(shù)開發(fā)的寬幅超薄納米晶帶材及鐵芯制品，作為關(guān)鍵戰(zhàn)略材料廣泛應(yīng)用于新一代信息技術(shù)、智能電網(wǎng)、軌道交通、新能源汽車等領(lǐng)域，將支撐數(shù)千億元的產(chǎn)業(yè)群，如圖6所示。
圖6 納米晶帶材重要應(yīng)用領(lǐng)域
