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联盟喜报|宽幅超薄铁基纳米晶项目荣获冶金科学技术特等奖
08/16/2021
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       近日,2021年中国钢铁工业协会、中国金属学会冶金科学技术奖(简称冶金科学技术奖)揭晓,由非晶联盟常务副理事长、安泰科技首席科学家周少雄教授为第一完成人,联盟理事长单位安泰科技股份有限公司作为第一完成单位,联合联盟副理事长单位青岛云路先进材料技术股份有限公司、常务理事单位江苏集萃安泰创明先进能源材料研究院有限公司、副理事长单位华北电力大学等6家单位共同完成的宽幅超薄铁基纳米晶带材工程化技术开发及应用项目荣获【冶金科学技术特等奖】。

      项目核心团队来源于国家非晶节能材料产业技术创新战略联盟的优势单位,在高性能非晶节能材料的研究开发及生产方面汇聚了30余年的技术经验,并拥有一支集材料、装备、工艺、生产的高素质团队。项目攻关得益于国家非晶节能材料产业技术创新战略联盟国家非晶微晶合金工程技术研究中心中国金属学会非晶合金分会全链条的创新协同。 

      非晶产业联盟凝聚了国内“产学研用”方面90%的优势单位,其组建和运行,对满足我国电力系统发展和节能减排对非晶纳米晶合金材料及制品的需求,提升非晶纳米晶节能材料产业链自主创新能力和核心竞争力及打破发达国家的长期垄断具有重要意义。非晶合金分会汇聚了国内非晶行业的骨干企业,组建了以应用为导向、以产业为主体、以高校和科研院所为支撑的产学研用创新联合体。

       自2009年以来,团队一直开展非晶纳米晶节能材料及电力电子器件等领域的集成化产业技术的研发和应用推广工作,牵头承担了多项国家科技支撑计划、国家863计划及重点研发计划项目,搭建了技术水平国际先进/国内领先的非晶纳米晶节能材料、铁芯及器件应用的全链条研发和产业化平台,包括非晶纳米晶新成分开发、带材制备、非晶纳米晶铁芯生产、电力电子器件和模组开发及生产等。

      该荣誉是非晶联盟优势单位继2017年荣获北京市科学技术奖一等奖、2018年荣获国家科学技术进步奖二等奖以来,又一项受到行业肯定和嘉奖的科技创新硕果。

一、项目背景

铁基纳米晶合金是当今综合性能最优的金属软磁材料,具有高饱和磁感应强度、高磁导率、低损耗等特性,且具有制备和应用双节能的优势,是提升电能传输效率、实现电控/电讯/电磁屏蔽的核心基础材料,广泛应用于电力电子、新能源汽车、智能电网、信息通讯等战略新兴产业。

铁基纳米晶合金作为关键战略材料,被列入《中国制造2025》、“十三五国家重点专项”和“国家自然科学基金”等计划中,也是《面向2035年的材料领域科技发展战略研究》和“十四五国家重点专项”支持的重点新材料之一。

在电力工业,从电能产生(发电机)、传输(变压器)到利用(电动机)的过程中,软磁材料起能量转换作用。在电子工业,从5G通讯(无线充电)、自动控制(继电器、磁放大器、变换器)到广播电视和电影(声音图像的录、放、抹磁头),再到电子计算技术(各种铁磁性微波器件),软磁材料起着信息变换、传递与存储等重要作用,如图1所示。

1 a)变压器/电磁器件工作原理  b)无线充电工作原理

在能源日趋紧缺和环境问题日趋严重的今天,降低软磁材料的损耗,提高磁芯效率,对节约能源及抑制电磁污染具有重大意义。同时,随着第三代半导体材料和器件的发明,电子元器件日益向高频、大功率方向发展,这就要求软磁材料尽可能集高饱和磁感、高导磁、高频低损耗、高稳定性、低成本于一身。新兴应用领域的不断涌现,为软磁材料的发展提供了广阔的应用前景。

软磁材料在工业中的应用始于19世纪末。随着电力工业的兴起,人们开始使用低碳钢制造电机和变压器。到20世纪初,研制出了硅钢片代替低碳钢,提高了变压器的效率,降低了损耗,直到今天硅钢片在电力工业用软磁材料中仍居首位。到20年代,无线电技术的兴起,促进了高导磁材料的发展,出现了坡莫合金。40年代到60年代,是科学技术飞速发展的时期,雷达、电视广播、集成电路的发明等,对软磁材料提出了更高的要求,软磁合金薄带应运而生。70年代以后,随着电讯、自动控制、计算机等行业的发展,新型软磁材料——铁基非晶合金、纳米晶合金相继出现并快速实现了产业化,如图2所示。

2a)硅钢/非晶/纳米晶合金发展历程-最佳使用频率图

b)硅钢/非晶/纳米晶合金频率-损耗图

相比较而言,低碳钢加工性能好,但涡流损耗大,只宜用于直流铁芯;硅钢具有高饱和磁感应强度,在不超过1kHz的频率下应用优势显著,尤其适用于低频、大功率电磁装备,而在更高频下应用损耗急剧增加;坡莫合金具有很高的磁导率,但成本很高,主要用于精密仪表、记录磁头等或要求体积小的场合;铁基非晶合金具有较高饱和磁感应强度和较低中频损耗特性,适合在50Hz-10kHz频率范围应用,在更高频率应用时磁导率快速下降;纳米晶合金因其具有独特的非晶/纳米晶双相复合结构,兼备高频高磁导率和高频低损耗特性,在50Hz-100kHz频率范围应用具有显著优势,如表1所示。

1 典型软磁材料磁性能对比

近年来,随着第三代宽禁带半导体的发明和产业应用技术的突破,高频大功率、低损耗电磁元器件的设计与推广应用成为可能,纳米晶软磁合金兼备高饱和磁感、高磁导率、低损耗等优点,作为目前3kHz-100kHz频段综合性能最为优异的金属软磁材料,已成为助推电力电子、新能源汽车、智能电网、信息通讯等战略新兴产业向高频、高效、小型化、轻量化和低能耗方向发展的核心基础材料。电子元器件、信息通讯、新能源汽车和消费电子领域提出了超薄(≤18μm)、高频磁导率(μ100kHz>3万)、低损耗(P0.5T10kHz3W/kg)的性能要求;智能电网、轨道交通领域大功率高频变压器对纳米晶材料提出了宽幅(≥100mm)、超薄(14-18μm)、低损耗(P0.5T10kHz3W/kg)的发展要求。

3 a)常见软磁材料饱和磁密-磁导率图 (b)纳米晶材料重要应用

本项目立项之前,国内外带材生产均采用非连续性的单包法工艺,单炉钢水仅200-300kg,年产能不足300吨,生产效率低。国内供应的纳米晶带材幅宽均在60mm以下、带材厚度20μm以上,损耗高(P0.5T20kHz30W/kg),一致性差、成本高等问题亟待解决。我国宽幅超薄纳米晶带材“无材可用”的问题十分突出,制约了我国电力电子、信息通讯、新能源汽车等产业的高级化和产业链的现代化。

为了突破宽幅纳米晶带材制备技术,德国VAC公司曾尝试采用增大单炉容量的技术路线,但因压力补偿浇铸带来的装备系统稳定性差、产品收得率低、生产成本居高不下而放弃。

立项之初,项目承担单位等借鉴已经取得的具有自主知识产权的万吨级非晶带材连续化生产技术,包括大容量感应底注中间包、熔潭保护等系列关键工艺技术,并基于发明的纳米晶合金熔体原子团簇性能调控理论,在国内外率先提出了宽幅超薄纳米晶带材的高效连续化制造技术路线。

二、主要技术创新点

纳米晶带材运用平面流高速连铸工艺、以106/s的冷却速率从钢液直接凝固形成厚度小于0.018mm的薄带,铸带速度高达1500m/min。与传统的硅钢材料相比,制造过程省去了轧制、再结晶退火、表面绝缘处理等诸多工序,成为了冶金领域最短的工艺流程,可以节省约80%的生产能耗。

4 平面流铸示意图

平面流制备工艺中,冷却辊位于喷嘴正下方,坩埚内母合金在惰性气体保护下进行感应加热熔化,并通过热电偶对温度进行实时监控。当熔体温度达到预设喷带温度时,坩埚内合金熔体在压力作用下从狭长喷嘴喷出,与高速旋转的冷却辊接触,并在熔体与辊面接触区域扩展形成一稳定的熔潭。合金熔体经冷却辊激冷,快速凝固成金属带材,经自动卷取装置收集成卷,如图4所示。该技术具有流程短、产量大、成本低的特点。

项目承担单位历经多年在基础理论研究、纳米晶合金成分开发、宽幅超薄连续化制带技术、铁芯及元器件应用技术等方面,开展了全创新链科学研究和技术开发工作,形成的主要创新如下:

1、从理论角度揭示了微观原子团簇对于纳米晶合金熔体、前驱体玻璃形成能力、纳米晶晶化过程的影响规律,为纳米晶合金成分开发、钢水熔炼工艺技术及铁芯软磁性能调控奠定了坚实的理论基础。

2、发明了低损耗、高磁导率新型铁基纳米晶合金成分综合软磁性能最优,实现了纳米晶成分的自主可控。该成分兼具优异软磁性能和强玻璃形成能力,综合性能优势明显,该创新为我国宽幅超薄纳米晶带材连续化生产提供了自主可控的新合金成分体系。

3、发明了宽幅超薄铁基纳米晶带材连续化制造技术,实现了高品质宽幅(≥120mm)超薄(≤18μm)纳米晶带材的连续化生产,建成了我国具有自主知识产权的宽幅超薄纳米晶连续化生产线,单线产能达到4000/年,整体技术国际领先,引领了我国纳米晶带材产业跨越式发展。

4、发明了纳米晶带材非晶前驱体纳米晶化热处理技术和高频低损耗、磁导率可调控纳米晶铁芯制造及应用技术;解决了因纳米晶化放热和应力敏感导致的软磁性能和损耗恶化,使系列化纳米晶铁芯的性能均达到国际领先。

通过本项目的顺利实施,项目团队开发了具有自主知识产权的新型纳米晶合金成分体系,突破了日立金属的专利封锁,实现了纳米晶成分的自主可控。该成分体系纳米晶合金具有优异的软磁性能,饱和磁感应强度可调范围广,还具有低矫顽力和低损耗特性,具有广泛的应用领域。

基于开发的新型合金成分,通过宽幅超薄纳米晶带材工艺装备和连续化制造技术集成创新,项目单位实现了高品质宽幅超薄纳米晶带材连续化生产,比传统的单包压力补偿非连续化生产方式效率提升8倍以上,单线产能提升至4000/年。纳米晶带材连续化生产技术优势显著,由于高效节能、高自动化、高成品率等特点,可使纳米晶带材制造成本降低40%以上;同时,连续化生产的工艺特点使纳米晶带材的幅宽拓展至120mm以上、厚度可以稳定控制在18μm以下、横向偏差小于±1μm,满足了高频大功率器件的应用需求,已经广泛应用在智能电网、新能源汽车、信息通讯、电力电子等领域。该成果于20211月通过了中国金属学会冶金工业科学技术成果鉴定,专家委员会认为本项目成果总体达到国际领先水平。

项目获授权专利29项,发表论文27篇,培养了一支铁基纳米晶成分体系开发、纳米晶带材制备、铁芯及器件应用的国家级高水平技术团队。

三、技术的市场应用情况

项目团队通过近10年的联合技术攻关,完成了纳米晶合金新型成分体系、宽幅超薄纳米晶带材连续化制造装备及工艺、低损耗大功率铁芯等方面的技术攻关,其中带材连续化制造技术在安泰科技股份有限公司、青岛云路先进材料技术股份有限公司和江苏集萃安泰创明先进能源材料研究院有限公司转化应用,成功实现产业化;纳米晶带材及铁芯应用技术在青岛云路新能源科技有限公司和江西大有科技有限公司转化应用,成功实现产业化。

项目开发的纳米晶合金带材,因其具有低损耗、高磁导、宽幅超薄等性能优势得到高端市场的高度认可,已广泛应用于新能源汽车、5G通讯、轨道交通和无线充电等新兴产业;由于连续化生产的制造成本优势,项目磁元件产品还被广泛应用于家电(微波炉、空调、冰箱、洗衣机、LED电视、空气净化器、洗碗机、烤箱、热水器等)、各类电源(UPSPC电脑、服务器、医疗等)、焊机和光伏逆变器等传统行业,取得了良好的经济和社会效益。

项目成果还可应用于中大容量的电力电子高频变压器,支撑解决智能电网中风能、太阳能等可再生能源大规模并网等难题,满足我国对清洁能源高效利用的需要,对加速我国能源战略转型、推进生态文明建设和环境保护具有重要意义。

该项目的成功实施,迫使进口纳米晶软磁合金带材价格降低约50%;推动纳米晶带材市场规模迅速攀升,2020年国产纳米晶带材市场规模达到2.1万吨,约占全球市场(2.5万吨)份额80%,如图5所示。

5 纳米晶带材国内市场规模逐年攀升

项目技术开发的宽幅超薄纳米晶带材及铁芯制品,作为关键战略材料广泛应用于新一代信息技术、智能电网、轨道交通、新能源汽车等领域,将支撑数千亿元的产业群,如图6所示。

6 纳米晶带材重要应用领域



(来源:中国钢铁新闻网 2021-08-13