我國(guó)非晶合金產(chǎn)品開發(fā)現(xiàn)狀及應(yīng)用前景展望

張敬芝

(棗莊學(xué)院機(jī)電學(xué)院，山東 棗莊 277100)

我國(guó)非晶合金產(chǎn)品開發(fā)現(xiàn)狀及應(yīng)用前景展望

張敬芝

(棗莊學(xué)院機(jī)電學(xué)院，山東 棗莊 277100)

介紹了我國(guó)非晶合金產(chǎn)品的研制情況，分析了我國(guó)非晶合金產(chǎn)品研發(fā)中存在的問題，對(duì)我國(guó)非晶合金產(chǎn)品的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

高效節(jié)能材料；非晶合金；軟磁材料

非晶合金是利用快速(即106℃/s的冷卻速度)凝固技術(shù)形成的特殊材料，與傳統(tǒng)合金相比較，其中間工序及流程大大減少，節(jié)省了大量能源，生產(chǎn)成本大為降低，而且生產(chǎn)過(guò)程無(wú)污染物排放[1]。同時(shí)，作為軟磁材料，非晶合金具有高飽和磁感及低損耗的特點(diǎn)。由于具有上述優(yōu)良特性，世界各國(guó)投入大量人力物力進(jìn)行研究并實(shí)現(xiàn)了非晶合金產(chǎn)品的商品化。下面，筆者詳細(xì)闡述我國(guó)非晶合金產(chǎn)品開發(fā)現(xiàn)狀并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

1 我國(guó)非晶合金產(chǎn)品研制情況

20世紀(jì)70年代中期，在國(guó)家發(fā)改委和科技部的長(zhǎng)期支持下，我國(guó)開始對(duì)非晶合金材料進(jìn)行研究。首先是以鋼鐵研究總院和安泰科技股份有限公司為核心骨干研發(fā)的新型軟磁電工材料非晶合金帶材產(chǎn)業(yè)化獲得成功。目前，在基礎(chǔ)研究、材料研究、工藝裝備、應(yīng)用開發(fā)等核心技術(shù)和相關(guān)配套技術(shù)方面取得了重大的進(jìn)展，已獲得近200項(xiàng)科研成果[2-3]?！熬盼濉逼陂g建成的千噸級(jí)非晶帶材及制品生產(chǎn)線實(shí)際年產(chǎn)出非晶合金產(chǎn)品數(shù)千噸，已經(jīng)應(yīng)用于電力電子變壓器等多種領(lǐng)域，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。隨著2009年9月萬(wàn)噸級(jí)非晶帶材生產(chǎn)線正式投產(chǎn)，安泰科技股份有限公司成為繼日本日立金屬公司之后全球第2個(gè)實(shí)現(xiàn)非晶合金帶材產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)，從而使我國(guó)基本具備了大規(guī)模推廣非晶合金產(chǎn)品的原材料保障能力，到2010年年底，該公司已經(jīng)具備非晶合金帶材4×104t的年產(chǎn)能[4]。目前，我國(guó)利用非晶合金材料研制的產(chǎn)品主要包括帶材制品、鐵芯制品和元件制品。

1.1 非晶合金帶材制品

非晶合金帶材制品分為鐵基非晶帶材及鐵基納米晶帶材2種類型，主要用于制備各種非晶及納米晶鐵芯、非晶絲材以及磁粉芯等。

1.2 非晶合金鐵芯制品

非晶合金鐵芯制品主要包括以下類型[5]：①采用鐵基非晶帶材制造并應(yīng)用于高頻大功率開關(guān)電源及太陽(yáng)能逆變器中的輸出濾波電抗器及電感鐵芯；②采用鐵基納米晶帶材制造的具有共模噪聲抑制作用EMC共模電感環(huán)形鐵芯；③采用鐵基納米晶帶材制造并用于電力系統(tǒng)的中高壓電流互感器鐵芯；④采用鐵基非晶或納米晶帶材制造并應(yīng)用于電子電度表、精密功率表中的精密電流小互感器鐵芯；⑤采用鐵基納米晶帶材制造并用于大功率開關(guān)電源主變壓器的大功率開關(guān)電源變壓器環(huán)形鐵芯；⑥用于漏電保護(hù)開關(guān)中的A型抗直流漏電鐵芯；⑦采用鐵基非晶帶材制造并用于直流變頻空調(diào)、等離子電視等產(chǎn)品中PFC的環(huán)形開口電感鐵芯；⑧采用鐵基納米晶帶材制造并應(yīng)用于主變壓器、脈沖變壓器、控制變壓器中的小型開關(guān)變壓器環(huán)形鐵芯；⑨采用鐵基非晶帶材制造并用于航空變壓器、鐵路控制系統(tǒng)變壓器、機(jī)械零件淬火設(shè)備變壓器中的各種中頻變壓器鐵芯。

1.3 非晶合金元件制品

非晶合金元件制品主要為大功率高頻變壓器，其應(yīng)用于高頻開關(guān)電源變壓器中。

2 我國(guó)非晶合金產(chǎn)品研發(fā)中存在的問題

2.1 非晶合金帶材產(chǎn)能不足

由于節(jié)能效果顯著的非晶合金產(chǎn)品的應(yīng)用前景非常廣闊，因而對(duì)非晶合金材料的需求量巨大。雖然安泰科技股份有限公司已經(jīng)具有4×104t非晶合金帶材的年產(chǎn)能，但仍無(wú)法滿足國(guó)內(nèi)非晶節(jié)能變壓器等對(duì)非晶帶材原料的需求。行業(yè)專家預(yù)測(cè)，在未來(lái)5年內(nèi)，對(duì)于非晶帶材的年需求量將達(dá)到(1.0～1.5)×105t，這表明存在巨大供需缺口[6]。因此，目前擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)規(guī)模是我國(guó)非晶合金帶材制造企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。

2.2 非晶合金產(chǎn)品性能及穩(wěn)定性有待提高

目前，利用國(guó)產(chǎn)非晶帶材制造的非晶配電變壓器的性能及穩(wěn)定性還有待提高，因而改善帶材質(zhì)量性能是我國(guó)非晶產(chǎn)業(yè)需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。應(yīng)盡早開發(fā)具有更高飽和磁感的新一代鐵基非晶材料，并從合金組成和生產(chǎn)工藝2個(gè)方面進(jìn)一步減緩非晶帶材的退火脆性，改善其工藝加工性能，這對(duì)于拓寬非晶合金材料的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。

3 我國(guó)非晶合金應(yīng)用前景展望

非晶合金發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮?個(gè)領(lǐng)域分別是智能電網(wǎng)及新能源領(lǐng)域，非晶、納米晶產(chǎn)品主要應(yīng)用于智能電網(wǎng)中的智能電表、太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電的光伏逆變器和新能源汽車。非晶合金的未來(lái)研發(fā)新產(chǎn)品主要有第3代高性能納米晶薄帶(帶厚低于22μm)、高端共模電感鐵芯、高頻功率變壓器鐵芯、C型鐵芯和高效電機(jī)非晶定子鐵芯。

智能電表是實(shí)施智能電網(wǎng)不可或缺的重要組成部分，隨著智能電網(wǎng)的全面建設(shè)，智能電表將逐步替換傳統(tǒng)的普通電表，中國(guó)將成為全球最大智能電表消費(fèi)市場(chǎng)。精密電流互感器是智能電表中的關(guān)鍵元件，隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，預(yù)期10年內(nèi)每年需求關(guān)口智能電表和用戶端智能電表近億塊，而每塊電表需要3只精密電流互感器。因此，隨著智能電表的推廣和大量應(yīng)用，納米晶互感器鐵芯將面臨著巨大的市場(chǎng)需求。

在太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)中，非晶C型鐵芯主要用于光伏逆變器中的濾波電感，衡量非晶C型鐵芯性能的主要指標(biāo)是鐵芯損耗[7]，降低鐵芯損耗對(duì)提高光伏逆變器的轉(zhuǎn)換效率具有重要意義。

非晶材料應(yīng)用的另一個(gè)新興領(lǐng)域是非晶高效電機(jī)，非晶高效電機(jī)具有高扭矩密度、高效率、小體積、大功率等特點(diǎn)，因而開發(fā)非晶高效電機(jī)對(duì)于我國(guó)工業(yè)電機(jī)系統(tǒng)有著巨大的節(jié)能意義。在我國(guó)電力消費(fèi)結(jié)構(gòu)中電機(jī)系統(tǒng)用電所占比例高達(dá)60%以上，而我國(guó)現(xiàn)行主體系列電機(jī)的平均運(yùn)行效率僅為87.6%，而目前國(guó)際上采用非晶合金定子鐵芯開發(fā)研制的非晶高效電機(jī)，其運(yùn)行效率可達(dá)到95%[8]。由此可見，開發(fā)節(jié)能潛力巨大的非晶高效電機(jī)成為必然趨勢(shì)。由于非晶合金帶材薄、脆、硬，而且磁性能對(duì)應(yīng)力非常敏感，因而面臨的技術(shù)難題是研發(fā)一種經(jīng)濟(jì)的非晶鐵心加工方法或者設(shè)計(jì)出不用切割的非晶合金鐵心[9]。

[1]盧志超，李德仁，周少雄.非晶、納米晶合金的國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況及應(yīng)用展望[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2002(3):20-23.

[2]周少雄，陳文智.非晶態(tài)合金材料的發(fā)展現(xiàn)狀及在配電變壓器中的應(yīng)用[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2010(3)：39-43.

[3]張衛(wèi)國(guó).非晶合金變壓器鐵心技術(shù)及發(fā)展前景[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2011(7)：6-9.

[4]詹捷，孫智富，陳元芳.鐵基非晶態(tài)合金在制造業(yè)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程，2002(10)：5-6.

[5]魏丹丹，陳慶軍，高霽雯，等.鐵基大塊非晶合金的發(fā)展現(xiàn)狀[J] .稀有材料金屬與工程，2009，38(A1):80-85.

[6]朱英浩.推廣非晶鐵芯配電變壓器是節(jié)能的重大舉措[J].電力設(shè)備，2000,1(1)：7-8.

[7]李健靚，盧志超，李德仁,等.非晶態(tài)合金及其在配電變壓器中的應(yīng)用進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào),2007,25(2)：71-76.

[8]陳國(guó)鈞，涂國(guó)超，呂瑋.非晶納米晶軟磁材料在高效電機(jī)中的應(yīng)用[J].磁性材料及器件，2012,43(2)：1-5,7.

[9]張廣強(qiáng)，周少雄，王立軍,等.非晶電機(jī)的優(yōu)勢(shì)及其研究進(jìn)展[J].微特電機(jī)，2011,39(3)：73-75,78.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.10.042

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