什么是硅钢？

什么是硅钢？

硅钢是指铁硅软磁合金，也称为电工钢。硅钢中硅（Si）的质量百分比从0.4％到6.5％不等。它的特点是高磁导率和低磁芯损耗，具有优异的磁性能，例如低铁芯损耗、高磁感应强度、良好的冲孔质量、高质量的钢板表面和有效的绝缘薄膜涂层。硅钢主要用于制备各种电气设备的磁芯，包括电机、发电机和变压器。它是电力、电子和军事工业中不可或缺的金属功能材料，是提高电力设备效率和降低能耗的关键材料。作为体积最大的软磁合金，电工钢被广泛应用于实体经济的各个领域。提高其整体绩效和制造水平起着非常重要的作用，对国民经济的发展具有重要意义。

电磁转换的本质

电磁感应是指当导体穿过磁场或磁场变化时在导体中产生电动势（EMF）的现象。根据法拉第电磁感应定律，当导体穿过磁场线时，导体的末端会产生电动势，这可以在闭合的电路中产生电流。相反，如果电流穿过导体，它会在磁场中产生力，导致导体移动，从而将电能转化为机械能。

电磁转换的应用

该原理广泛应用于许多电气设备和机器，例如发电机、电机和变压器。例如，发电机利用磁场中导体的旋转来产生电动势，将机械能转化为电能。另一方面，电动机利用磁场中电流产生的力来旋转转子，将电能转化为机械能。

‍电工钢在电磁转换中的价值

电工钢，也称为硅钢或电磁钢，是一种特殊类型的钢，其特点是高磁导率和低滞后损失，因此非常适合于电磁设备。电工钢在电磁感应中的作用主要体现在以下几个方面：

• 减少滞后损耗：电工钢具有较低的滞后损失，这意味着在反复磁化和消磁过程中，较少的电能转化为热量。这对于提高电磁设备的效率至关重要。
• 增强磁导率：电工钢具有很高的磁导率，因此更容易磁化并有效地传导磁场。这有助于在电磁设备中建立和维持强磁场。
• 减少涡流损耗：电工钢通常具有带有绝缘涂层的薄层压结构，这有助于减少涡流（导体中导致能量损失的循环电流）。在电机和变压器等设备中，减少涡流损耗可以提高整体效率。
• 稳定磁场：在发电机和变压器中，电工钢板堆叠形成塑造磁路径的磁芯。这确保了设备内磁场的有效传输，减少了能量损失。

硅钢的发展历史

在硅钢问世之前，铁芯传统上由工业纯铁制成。1886年，美国西屋电气公司使用杂质含量约为0.4％的热轧低碳钢板来制造变压器层压铁芯。但是，低碳钢的低电阻率会导致高磁芯损耗、高碳和氮含量以及严重的磁老化。1902 年，德国的古姆利希发现，添加硅可以增加铁的电阻率，减少涡流和滞后损失，增强磁导率，缓解磁老化现象。

从1882年到1995年，这主要是热轧硅钢的开发阶段。1903 年，美国和德国开始生产热轧硅钢。到1905年，美国（其次是1906年的英国）已开始批量生产，在很短的时间内，它在电机和变压器的制造中完全取代了普通的低碳钢板。由于冷轧非取向硅钢具有优异的磁感应、铁芯损耗、切割加工性、表面质量和绝缘涂层质量，加上热轧产品无法成卷生产，降低了冲孔效率，主要工业化国家在1960年代逐渐停止了热轧硅钢的生产。

从1930年到1967年，它主要是冷轧普通晶粒取向硅钢（CGO）板的开发阶段。1933 年，高斯使用双重冷轧和退火方法生产了沿轧方向具有高磁性能的 3% 硅钢。1935年，美国阿姆科钢铁公司利用高斯的专利技术与西屋电气合作，开始生产冷轧晶粒取向硅钢。经过二十年的持续发展，Armco在1950年代中期完善了双冷轧晶粒取向硅钢生产工艺，即Armco工艺。从那时起，Armco工艺一直主导着全球冷轧晶粒取向硅钢的生产，大约80％的普通晶粒取向硅钢（CGO）产量是根据Armco的专利生产的。

从1961年到1994年，它主要处于高磁感应晶粒取向硅钢（Hi-B）的开发阶段。1953年，日本新日铁公司的田中聪证明，使用氮化铝作为主要抑制剂并采用大幅还原冷轧工艺可以生产出磁性更高的晶粒取向硅钢。1961年，根据Armco的专利，首次试生产含有Aln+MnS复合抑制剂的高磁感应晶粒取向硅钢。生产始于1964年，被命名为Hi-B，尽管最初的磁性不稳定。自1968年日本制铁开发出高磁感应晶粒取向硅钢产品以来，日本的冷轧电工钢在产品质量、制造技术和设备、新技术开发、实验研究和测试技术方面已经超过了美国，确保了全球绝对的领先地位。

中国于1952年首次试产热轧低硅钢板（硅含量为1％至2％），并于1954年正式开始生产。1957 年，中国钢研院成功开发出 3% 硅冷轧取向硅钢。1974年，武汉钢铁公司引进了日本新日铁的冷轧晶粒取向硅钢制造设备和专利。1976年至1977年间，钢铁研究所根据日本专利的验证和吸收开发了Hi-B晶粒取向硅钢。1979年，武汉钢铁正式开始生产晶粒取向硅钢，至今仍是中国主要的晶粒取向硅钢生产基地之一。

定向电工钢：

• 材料特性：取向电工钢具有很高的各向异性，这意味着其在一个方向上的磁性能明显优于其他方向的磁性能。这种钢在晶粒取向方向上具有极高的磁导率和较低的滞后损失。
• 制造工艺：在取向电工钢的生产过程中，对钢的晶粒进行了处理，以确保板材平面的高度对齐。这种处理使钢在特定方向上具有最佳的磁性能。
• 应用场景：由于其高磁导率和低滞后损失，取向电工钢主要用于需要高效率和高磁导率的应用，例如变压器和电抗器的磁芯。

非取向电工钢：

• 材料特性：无取向电工钢不表现出显著的各向异性，这意味着其磁性能在各个方向上都相对均匀。这种钢在各个方向上均具有平均的磁导率和滞后损耗。
• 制造工艺：在无取向电工钢的生产中，晶粒未经过定向处理，因此在各个方向上均具有稳定的磁性能。
• 应用场景：由于其均匀的磁性能，无取向电工钢适用于需要在多个方向上具有良好磁性能的应用，例如旋转机器的磁芯（如电机和发电机）。

总而言之，取向电工钢和非取向电工钢的区别主要在于晶粒的取向和磁特性的各向异性。这些差异导致它们适用于不同的电磁应用场景。取向电工钢适用于单向磁场应用，例如变压器，而非取向电工钢适用于多向磁场应用，例如电机和发电机。

硅钢的分类和应用

硅质量分数

硅钢根据硅质量分数分为两种类型：硅含量小于0.5％的电工钢和硅含量为0.5％至4.5％的硅钢。两者统称为电工钢板。前者广泛用于电磁性能要求不高的民用小型电器的制造。与传统的电工钢相比，这种类型的硅钢片的特点是硅含量明显降低，制备过程简单，成本更低，与普通碳钢类似。后者包括各种各样的类型和等级。

高硅钢表示含有 4.5% 至 6.7% 硅的硅铁合金。它具有显著减少高频下的铁损失、高的最大磁导率、低矫顽力和优异的磁性能。它主要用于制造高频电动机、高频变压器、扼流线圈和高频磁屏蔽。但是，由于硅含量高，它在室温下的可塑性极差，无法轧制成型。6.5% 的硅由于其独特的磁性特性而形成了自己的类别。目前，只有有限数量的通过硅渗透工艺制备的非取向6.5％的Si-Fe合金材料可以成卷获得，而制备更具性能优势的6.5％Si-Fe合金则更具挑战性。

制作流程

硅钢根据生产方法可分为热轧和冷轧电工钢。近年来，由于性能过时，热轧硅钢板已逐步淘汰。最广泛接受的对硅钢进行分类的方法是基于晶体取向聚合程度分为非取向和取向类型。冷轧无取向硅钢是指含有 0.5% 至 4.0%（Si+Al）的合金，冷轧至0.65mm、0.5mm和0.35mm的厚度，然后在退火和涂层后制造。与取向硅钢相比，它具有更分散的晶粒纹理，各方向的磁性能更均匀，磁各向异性更低，主要用作各种类型的电机和发电机的层压磁芯。冷轧产品的厚度精度、尺寸公差等级和表面光滑度已达到很高的标准，从而提高了材料的层压系数和磁性能。取向硅钢在易于磁化的方向上表现出高磁导率和低损耗的特性，满足变压器等静态电力设备的磁导要求，主要用于制造电力行业中的各种大型变压器、扼流圈和其他高端电磁元件。

硅钢的性能指标

电工钢的层压芯和铜线通过电磁感应运行，铁芯形成交变磁场。运行期间内核自身的能耗和磁化能力决定了电气设备的核心性能，包括功率、体积、效率、质量和总体运营成本。因此，电工钢所需的性能指标包括以下内容：

1) 磁芯激发电流、铜损耗和磁芯损耗，并提高能量转换的效率。此外，磁芯的总磁化强度是其磁感应和面积的乘积。因此，磁通密度（Bm）的增加可以相应地减少横截面积，这反过来又减少了芯线和铜线的质量，从而降低了电器的铁损耗和成本。非取向硅钢的磁感应保证值为B50，即在5000 A/m的磁场下的磁感应强度，而取向硅钢的磁感应被视为B8，磁感应单位为特斯拉。不同类型的电工钢采用不同的磁通密度标准。

这两个指标与电工钢生产过程中的成分设计、核心工艺设计和控制水平密切相关，是电工钢性能的最基本要求。热/冷轧的精度和绝缘涂层的质量也是高质量电工钢的必要条件。此外，无取向电工钢还需要磁各向异性，这意味着纵向和横向之间的铁损耗差异应≤8％，磁感应差异应≤10％。

硅钢等级指示方法

硅钢等级的指示方法已标准化，以确保行业的清晰度和一致性。

国内电工钢制造商和市场洞察

中国电工钢的生产主要由国有企业主导，宝钢和首钢是该行业的主要参与者。截至2020年，宝钢在非取向电工钢市场中占有28.42％的份额，首钢占14.05％，太原钢铁占11.53％。在定向电工钢领域，宝钢以 53.04% 的份额占据主导地位，其次是首钢。2023年上半年，中国生产了725.12万吨电工钢，其中包括122.95万吨取向电工钢，同比增长16.98％；非取向电工钢602.17万吨，同比增长7.23％。电工钢的主要应用包括新能源汽车，超高压项目、轨道交通、大型电机、智能家电、光伏发电、风力发电，以及物联网。无取向电工钢主要用于制造电机、变压器、电器和电气仪器中的磁性材料，而取向电工钢主要用于电力变压器行业。对电工钢的需求与电力设备行业的发展密切相关。随着国家对能源效率和环境保护的重视，对高性能电工钢的需求预计将继续增长。在销售方面，电工钢的市场需求与宏观经济、行业政策和技术发展密切相关。由于电工钢行业存在较高的技术和资本壁垒，新进入者面临一定的挑战。此外，电工钢的质量认证程序非常严格，与下游客户建立稳定的合作关系对电工钢制造商至关重要。因此，尽管电工钢市场存在竞争，但国有企业仍然在高端产品领域占据主导地位。

硅钢的未来

在过去的20年中，中国的硅钢产业取得了重大进展，首钢、武汉钢铁（武钢）和宝钢等公司处于领先地位。但是，与日本相比，在高端电工钢领域仍然存在相当大的差距，特别是在高磁感应无取向硅钢、超低铁损耗Hi-B取向硅钢和高硅钢等产品方面。例如，新日铁住友金属株式会社可以稳定地提供一系列厚度规格在0.15至0.35mm之间的超低铁损耗Hi-B取向电工钢，从而引领取向硅钢技术的发展。在特殊用途硅钢领域，日本JFE通过化学气相沉积（CVD）硅渗透法实现了高硅钢薄带的供应。随着中国装备制造业的产业升级，对高端硅钢产品的需求将变得越来越迫切。中国与日本和韩国等钢铁强国在这一领域的竞争将变得更加激烈。电工钢行业的未来包括低铁损耗、使用无取向硅钢的高效电机的高磁感应、薄规格超低的铁损失、取向硅钢的高磁感应以及用于中高频节能电器的高硅钢。

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