2025冶金科学技术奖简介 | 激光耐热刻痕取向硅钢制造技术开发与应用

一、项目研究背景

建设低碳社会时代背景下，绿色发展已成全球共识。构建绿电体系是我国发展低碳循环经济、实现双碳战略重要举措。节能变压器是构建绿色低碳电网关键装备，为降低输变电损耗，我国持续发布强制性国家标准GB 20052-200620132020《变压器能效限定值及能效等级》，三次提升变压器能效标准。与2000年相比，我国输变电线损率降低3.3%年节电3340亿度，相当于个三峡电站年发电量。但比国际领先国家仍高1%，节能降耗空间较大。作为变压器铁心核心材料，取向硅钢技术进步对输变电损耗降低起到了基础性的支撑作用。

我国与世界领先国家输变电线损率变化

变压器可分为卷铁心和叠铁心两种，卷铁心变压器因其性能优良、制造成本低等优势，符合电网节能技术的发展方向。与传统叠铁心相比，卷铁心因其特殊磁路结构，空载损耗降7-10%，噪声降5-10dB，节材25-30%在卷铁心制造过程中，取向硅钢卷绕时会产生变形和应力，进行800℃以上消除应力退火，以降低卷铁心损耗，这对取向硅钢产品提出了更高要求。

叠铁心和卷铁心变压器铁心制造过程

刻痕细化磁畴是取向硅钢产品高端化重要手段常规激光刻痕可提升取向硅钢个牌号，但磁畴细化效果耐热性，高温下铁损改善效果失效。2011年立项时，我国卷铁心变压器主要使用未细化磁畴的取向硅钢产品，最高等级仅为080水平。采用同牌号取向硅钢，卷铁心变压器成本同比降低6%。但080牌号制造的卷铁心变压器成本比常规激光刻痕055牌号制造的叠铁心变压器高11%，必须开发耐热细化磁畴取向硅钢，发挥卷铁心变压器优势。

常规激光刻痕取向硅钢产品，磁畴细化降低铁损是由线状热应力区导入附加能量实现。但温度400℃以上时，热应力区消散，磁畴细化效果消失，无法满足卷铁心制造要求。耐热刻痕技术在硅钢表面刻划出物理沟槽，导入静磁能细化磁畴。消除应力退火改变沟槽形态，刻痕效果保持，这也是耐热刻痕常规激光刻痕技术本质区别。

常规激光刻痕与耐热刻痕技术差异

立项初，国际仅两家企业采用齿轮辊与电化学蚀刻技术实现耐热刻痕取向硅钢批量制造，但缺点明显。齿轮辊刻痕质量会因齿辊磨损劣化，且寿命短、成本高细化磁畴效果不稳定。化学蚀刻工序复杂、不环保、沟槽形态无法精确控制制约产品质量及生产能力。两耐热刻痕取向硅钢技术产能和产品等级长期停滞，难以迭代创新。

齿轮辊与电化学蚀刻技术示意图

激光是最具潜力的耐热刻痕技术，具有高精度、高分辨率、非接触、高灵活性、高效率及材料适应性广等特性。自上世纪80年代，国外同行便开展了激光刻痕技术研究，但限于激光加工易产生钢板变形、熔渣残留及凸起等缺陷，可能导致变压器爆炸和击穿等安全隐患，长期得不到解决而停留在实验室阶段。

可见，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意义重大，尤其实现激光耐热刻痕技术与产品规模化、产业化的突破具有重大价值。是挑战也是契机，宝钢迎难而上，以自主开发成套关键技术为目标，摸索超短脉冲激光诱导取向硅钢库爆炸机制和规律，破解激光加工热效应关键难题在国家重点研发计划支持下，历时12年进行产线设计、工艺及应用技术研究，完成了系统性创新工程。

宝钢耐热刻痕取向硅钢技术总体创新思路

二、关键技术内容与创新点

创新成果：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的规模化生产。

对于激光技术而言，热熔效应易导致取向硅钢表面熔渣污染及刻槽边缘凸起降低耐热刻痕产品的叠片系数、破坏层间绝缘严重影响使用特性。同时，沟槽内物质的去除效率受激光特征参数的影响，必须对激光特性进行系统研究和设计，以达到耐热刻痕取向硅钢高品质、规模化经济生产的目的。

超短脉冲激光照射取向硅钢表面，光子、电子和声子交互作用，引发光子激发隧穿激发超热电子效应。项目通过合理简化，计算出电子平均温度，发现激光脉冲宽度爆炸发生的临界条件同时，脉冲宽度越低，电子吸收能量占比越大，刻痕效率越高经大量试验研究，优化了取向硅钢实现库仑爆炸的激光参数，消除了熔渣及凸起缺陷发现飞秒激光峰值效率是皮秒激光的倍。相应的产能1.5万吨产线激光配置减少74%，制造效率提高约倍。

传统连续和长脉冲激光与本项目超短脉冲激光实施效果比较

超短脉冲激光在半导体、太阳能电池等领域的应用方式是原位静态加工方式。而连续产线必须动态一次成型。项目开发了DOE分光技术，将一束激光分成能量均等的一百个子束，以最佳效率一次扫描精确成型，开拓了超短脉冲激光全新的应用场景。

创新成果：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倍。

飞秒激光因焦深短刻痕作业易受环境影响，需开发连续加工控制技术专项设计有效控制环境振动、粉尘污染及带钢抖动、跑偏、产线速度波动等不利影响满足飞秒激光系统稳定运行需求产线设计精度必须由毫米级提高微米级颠覆了对传统钢厂产线精度设计的认知在线微米级深度检测是世界性难题，国外厂家只能离线检测。

项目突破微米级产线设计40台激光精准协同控制在线质量检测与控制三大技术。自主设计五辊焦平面控制模块及纠偏系统、VC-B级高精度减震系统、自适应光束准直系统，焦平面控制精度达到±40μm、产线跑偏量≤±100μm，实现了产线精度的微米级设计。激光器以4×10的矩阵布局，开发分区扫描及视觉触发技术，整个系统精准协同，实现线间距和横向拼接精度≤±50μm项目研究发现了槽深和槽宽的线性关系，将深度检测转化为宽度检测，开发出在线反馈控制模型，槽深精度达到±1μm

宝钢耐热刻痕产线与传统产线的控制精度差异

创新成果：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，其中项全球首发。

取向硅钢磁畴结构复杂，基板取向偏离角、涂层张力、刻痕参数等多重因素存在交互作用，必须突破磁畴设计与控制、流程设计、工艺参数确定等关键技术，才能制造性能稳定的高端耐热刻痕产品。

项目基于Kerr效应，研究了取向硅钢磁畴结构，构建总磁能计算模型，获得了综合性能最佳的工艺控制范围。摸索出最佳工艺及流程，构建了完整的工艺技术体系。

磁畴结构示意图及总磁能最优化计算与设计思路

创新成果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。

我国高能效低噪声立体卷铁心变压器技术缺乏从变压器设计、选材、工艺控制到服役性能的系统研究，业内长期受到变压器合格率低、单框无法测量、设计优化依据欠缺等问题的困扰，卷绕铁心变压器的固有优势难以发挥。

项目构建了服役性能数据库，开发出铁心加工和退火工艺，国际率先研制出超一级能效卷铁心变压器，制定了项团体标准和项企业标准。

本项目产品所制造的超一级能效卷铁心变压器实绩

三、技术先进性

硅钢技术领域有超高磁感、耐热刻痕、6.5%Si硅钢三大难以攀登的高峰。宝钢历经12，开辟了激光耐热刻痕取向硅钢制造技术新路径，占据了技术制高点。本项目产线装备及产品质量优势明显，单条产线制造能力是国际同行的沟槽尺寸控制精准，无凸起、无飞溅，实物质量及稳定性领先。用户使用结果表明，项目产品电磁性能优势明显。研发出10项新产品，项全球首发，领先国际一个牌号。获发明专利36项，其中国际专利19项；发表论文篇。中国金属学会成果评价委员会一致认为，本项目是一项独创性科技成果，达到国际领先水平。获中国宝武技术创新重大成果奖特等奖项；获上海市高新技术成果转化项目百佳项。中国计量科学研究院等第三方检测表明，本项目产品均优于性能指标要求。

四、推广应用和经济社会效益

得益于项目成果，宝钢级以上卷铁心变压器国内市场占有率100%。出口10余个国家，用户包括西门子能源、GE等。产品广泛应用于江门中微子实验室等标志性工程。三年新增产值13.28亿元，新增利税2.87亿元，创收外汇4863万元。

本项目开辟了耐热刻痕技术新路径，引领行业高质量发展，社会效益巨大。据测算，电网全部采用超一级能效卷铁心变压器，年节电可达900亿千瓦时，减排二氧化碳近亿吨。本项目为下一代高效激光耐热刻痕技术的开发奠定了基础。

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