5.5　高速靜音呼吸機電機用非晶材料產業發展的對策和建議

根據高速靜音呼吸機市場需求分析、我國非晶產業的發展現狀以及高速電機用非晶材料產業目標分析和技術壁壘分析，突破高速靜音呼吸機電機用非晶材料產業技術壁壘和關鍵技術難點的對策與建議如下。

　合金配方設計

開發擁有自主知識產權、性能優異、品種齊全的合金配方是我國非晶節能材料產業向強國發展必須具備的條件之一，其意義非常重大。由于非晶合金配方的開發需要各種樣品制備和性能檢測的設備，且實驗量大，人力和資金投入量大。另外，由于電子電力產品不斷升級換代，要求根據需要不斷開發滿足需要的新型合金配方，合金配方的開發是一項長期、持續的工作。非晶合金配方的開發超出了目前國內單個企業的承受能力，必須發揮產業群的優勢，集中力量并爭取國家的支持。因此非晶合金配方的開發模式以技術合作開發為最佳。

目前，市場上大規模生產銷售的鐵基非晶帶材牌號為1K101，針對高速靜音呼吸機應用需求設計開發，直接應用于電機鐵芯雖然可以顯著降低電機鐵損，但存在飽和磁感應強度低、超薄難以加工成型和退火后高脆性三大技術難題。1K101非晶帶材的飽和磁感應強度為1.56T，比硅鋼材料約低20%，導致非晶電機在較低頻率（400Hz以下）的功率密度低于硅鋼電機，增加制造成本。提高非晶材料的飽和磁感應強度，可以使非晶鐵芯具有更高的工作磁密，進而提高非晶電機的功率密度，即實現小體積、大功率，減少鐵芯、銅線、機殼等材料的用量，降低生產成本，擴大應用領域。一般非晶材料的飽和磁感應強度提高5%，可以降低體積和成本10%以上。基于此，世界發達國家都在努力開發高飽和磁感應強度的鐵基非晶材料，日立金屬開發出了牌號2605HB1的高飽和磁感應強度（Bs=1.64T）非晶材料，并通過注冊專利對我國形成了新的技術壁壘。2605HB1非晶帶材應用于高效電機，功率密度可比應用1K101材料的非晶電機提升5%～10%。為了突破國外專利及技術封鎖，必須開展如下工作：

① 工藝性優異的新型高飽和磁感應強度、低磁致伸縮系數、低鐵損納米晶合金配方開發。

② 工藝性能優異的高磁導率、高飽和磁感強度非晶納米晶合金配方開發。

③ 鑄造成型用高形成能力、優異磁性能非晶納米晶合金配方開發。

　非晶專用設備設計和加工技術

高水平的設備是高質量非晶合金帶材生產的基本條件，是企業擴大產能，保證產品質量和利潤空間的關鍵。由于國內沒有高水平的非晶節能材料專用設備供應商，設備設計和加工需各企業自己解決，這不僅造成了重復投入和大量的資源浪費，而且不利于關鍵技術的突破和產業整體設備水平提高。國外尤其是日本的非晶專用設備的設計和加工技術遠比中國成熟，應集中企業和科研單位力量，爭取國家的支持，通過人員和技術交流，借鑒國外先進技術，重點突破設備設計制造關鍵技術。因此設備設計和加工技術開發的模式以技術引進發展為最佳。

（1）銅套水路優化設計方案研究

此項工作需要國內一流設備設計企業和研究人員參與，通過理論模擬銅套中的熱量傳導等工作，對銅套的水路設計進行優化。

（2）降低銅輥跳動方案研究

此項工作需要國內一流設備設計企業和研究人員參與，通過提高銅輥的軸承強度和加工精度，提高動平衡水平等途徑，極大地降低銅輥的跳動。

（3）提高噴嘴包架穩定性和升降機構自動調控靈敏度方案研究

此項工作需要國內一流設備設計企業和研究人員參與，通過提高碰嘴包架的設計合理性和伺服電機的精度，提高噴嘴包升降的穩定性和靈敏度。

（4）噴嘴包結構優化設計方案研究

此項工作的難點在于耐火材料和對非晶形成過程的理解，需要一流的耐火材料生產和加工企業以及研究人員、非晶合金材料生產技術人員共同參與，通過提高噴嘴包的設計合理性和耐火材料質量，優化噴嘴包的設計方案。

（5）噴嘴包三維、兩軸自動控制機構設計方案研究

此項工作需要自動化控制專業人員參與，通過提高設計合理性和伺服電機的靈敏度及精度，優化設計方案。

（6）感應熔煉爐和澆鑄爐研究

感應熔煉爐和澆鑄爐設計制造技術非常成熟，此項工作需要了解非晶合金材料生產技術的感應熔煉爐和澆鑄爐設計制造專業人員參與，通過提高爐體的熔煉、功率、熔化速度等設計合理性和耐火材料選擇的針對性，優化設計方案。

（7）自動收帶裝置優化設計方案研究

自動收帶裝置已經由安泰科技研制完成，并獲得了國家科技成就大獎，但是此項技術的推廣范圍很小，大部分企業仍然不具備這項技術。

　精密監測和控制裝置設計及加工技術

精密監測和控制裝置在日本的高水平的非晶節能材料生產線上已經應用非常成熟，但是國內的相關設計和加工技術都相對缺乏。完成此項技術研發工作，應集中企業和科研單位力量，通過人員和技術交流，借鑒國外先進技術，重點突破精密監測和控制裝置設計及加工技術。因此設備設計和加工技術開發的模式以技術引進發展為最佳。

（1）鋼液溫度實時監測和自動控制裝置研發

此項工作需要了解精確測溫和控溫裝置的企業和研究人員參與，通過選擇適當的測溫方式和信號反饋方式，提高鋼液溫度監測和控制的準確性和實效性。

（2）噴嘴包內液位高度實時監測和自動調控裝置研發

此項工作可以借鑒鋼鐵廠連鑄設備的結晶器液位控制系統，通過選擇適當的監測方式和信號反饋方式，提高液位監測和控制的準確性和實效性。

（3）輥面狀態實時監測和自動修磨裝置研發

國內沒有輥面狀態實時監測裝置，修磨裝置也比較簡易，運行效果不理想。此項工作需專業人員，通過選擇適當的監測方式和修磨方式，提高銅輥表面質量。

（4）輥溫實時監測和自動控制裝置研發

國內沒有輥溫實時監測裝置，此項工作需專業人員，通過選擇適當的監測方式和反饋方式，控制冷卻水流量等來保持輥溫穩定。

（5）噴嘴與輥面間距實時監測和自動控制裝置研究

國內少數企業有噴嘴與輥面間距監測裝置，但是其監測精度不夠高，無法完成根據反饋信號自動控制。此項工作需通過進一步改善監測方式和信號處理方式，提高監測精度。

（6）帶材厚度在線監測和自動控制裝置研發

國內少數企業有在線測厚裝置，但是其監測精度不夠，無法達到替代人工質檢要求，更無法根據反饋信號自動控制。此項工作需通過進一步改善監測方式和信號處理方式，提高監測精度。

（7）帶材力學性能在線評價裝置研發

國內少數企業有帶材力學性能評價裝置，但是基本無法實現在線100%評價，需通過進一步改善評價裝置和評價方式，提高評價精度。

　原材料雜質評價和遴選技術

原材料的雜質是相對于合金體系中的固有元素來說的，因此原材料的雜質評價和遴選技術研究是與非晶合金體系配套的。由于非晶合金體系眾多，且研究需要各種樣品制備和性能檢測的設備，所以雜質評價和原材料遴選工作量大，人力和資金投入多。另外，由于新型合金配方不斷開發，原材料的雜質評價和遴選技術開發是一項長期、持續的工作。原材料的雜質評價和遴選技術開發成果是全行業共享的，應集中力量并爭取國家的支持。因此雜質評價和遴選技術開發的模式以技術合作開發為最佳。

（1）原材料固有雜質元素對不同配方非晶節能材料生產工藝性和產品性能影響研究

研發內容包括雜質對合金配方的工藝性和磁性能影響。工藝性指標是以國內先進生產線的設備工藝參數為參照的并需在實際生產中驗證，需要國內一流生產企業參與；雜質對工藝性和磁性能的影響的初期研究工作在實驗室進行更加便利，需要國內磁性非晶合金研究實力較強的科研單位參與。此項工作需要得到國家項目經費支持。

（2）不同配方非晶節能材料對原材料雜質元素含量容忍度研究

此項工作與原材料固有雜質元素對不同配方非晶節能材料生產工藝性和產品性能影響研究是一體的，根據雜質對工藝性和磁性能的影響規律，探索不同雜質元素的可容忍范圍。

（3）定向降低原材料雜質元素含量方法研究

定向降低原材料雜質元素含量方法在鋼鐵和有色冶金中使用非常普遍，有大量技術可供參考。但是由于合金配方不同，其定向降低原材料雜質元素含量的方法需要做針對性的改進。該項工作主要涉及冶金行業專業技術人員和企業。

　合金冶煉技術

雖然各企業的熔煉工藝因生產的合金配方、選取的原材料和熔煉設備不同而做了各種調整，但是其冶煉技術本身差別不大，合金冶煉技術研究還是具有廣泛適用性的。項目研發需要的幾項冶煉技術開發成果是全行業共同受益的。因此合金冶煉技術開發的模式以技術合作開發為最佳。

（1）雜質含量控制技術研究

此項技術在冶金行業中非常常見且很成熟，非晶節能材料產業只需借鑒并進行針對性調整即可。非晶合金熔煉過程中雜質含量控制技術涉及耐火材料選取，熔煉工藝優化等方面，主要由冶金專業人員參與。

（2）煉鐵廠輸出熔融鐵水直接熔煉母合金技術研究

此項技術在非晶節能材料生產中的應用處于起步階段，尚未投入工業應用，但是在傳統冶金行業中，此項技術應用廣泛，成熟度高，非晶節能材料需借鑒并進行針對性研究。煉鐵廠輸出熔融鐵水直接熔煉母合金技術開發主要由冶金專業人員和企業參與。

（3）合金元素揮發控制技術研究

此項技術在冶金行業中非常常見且很成熟，非晶節能材料產業只需借鑒并進行針對性調整即可。非晶合金熔煉過程中合金元素揮發控制技術主要與熔煉工藝有關，主要由冶金專業人員參與開發。

（4）熔煉成分均勻性和溫度均勻性控制技術研究

此項技術在冶金行業中非常常見且很成熟，非晶節能材料產業只需借鑒并進行針對性調整即可。非晶合金熔煉過程中熔煉成分均勻性和溫度均勻性控制技術主要與熔煉工藝有關，主要由冶金專業人員參與開發。

　耐火材料選擇和加工技術

耐火材料選擇和加工技術在傳統冶金行業非常成熟，但是針對非晶節能材料產業應用的改善技術明顯不足。此項工作主要涉及耐火材料領域的企業和技術人員，但是目前無開展此項工作的高水平企業，應爭取國家的支持，并集中力量聯合耐火材料企業開展。此項技術國外發展比中國領先，可以通過人員和技術交流的形式借鑒。因此，耐火材料選擇和加工技術開發的模式以技術引進發展為最佳。

（1）熔煉爐、噴嘴包用耐火材料研發

此項技術在傳統冶金行業中非常常見且很成熟，但是由于非晶節能材料對雜質更加敏感，且不同的合金配方對耐火材料的要求不同，需借鑒并針對性開發非晶節能材料專用的耐火材料。

（2）噴嘴用耐火材料研發

此項技術傳統冶金行業用得很少，中國在這方面的技術能力薄弱，國外的技術可以借鑒，但是依然需要長期、大力投入研發。

（3）噴嘴加工技術研發

此項技術與噴嘴用耐火材料研發配套，需要長期、大力投入研發。

　生產工藝設計技術

生產工藝與技術的成熟度和設備的技術水平相關，需要根據企業自身的情況開發和調整。因此，生產工藝設計技術開發的模式以自主研發發展為最佳。

（1）煉鐵廠輸出熔融鐵水直接熔煉母合金工藝開發

此項技術在非晶節能材料生產中的應用處于起步階段，尚未投入工業應用，但是在傳統冶金行業中，此項技術應用廣泛、成熟度高，非晶節能材料需借鑒并進行針對性調整。煉鐵廠輸出熔融鐵水直接熔煉母合金生產工藝開發主要由冶金專業人員和企業參與。

（2）熔融母合金直接制帶工藝開發

熔融母合金直接制帶工藝與設備的技術水平和生產運行狀況相關，本身并不復雜，但此工藝應用對生產過程節能降耗意義重大。熔融母合金直接制帶工藝開發主要由企業的冶金和工藝設計人員參與。

（3）不同非晶節能材料配方生產工藝研究

非晶節能材料配方不斷更新，要求其配套的生產工藝不斷改進，因此是一項長期的工作。

　非晶節能材料應用選擇和熱處理工藝設計技術

隨著非晶節能材料合金配方種類的不斷增加，市場應用領域逐漸擴大，下游產品的種類增多，非晶節能材料應用選擇技術將隨著產業的發展越來越重要。此項技術開發的目的是便于材料生產企業根據下游用戶需要提出適當的性能指標，并選擇適當的合金配方和工藝生產；或下游器件生產企業根據自身需要，選購市場供應的非晶節能材料。

（1）不同應用領域的非晶節能材料性能要求研究

此項技術是根據應用領域對軟磁材料的性能要求，參考非晶節能材料可達到的性能范圍，提出合理的具體性能指標。由于非晶節能材料的性能不斷優化，電力電子產品更新換代對軟磁材料的性能要求不斷提高，因此此項工作是一項長期、持久的工作，主要由非晶生產技術人員和非晶產品設計技術人員參與。

（2）不同性能要求的非晶節能材料配套熱處理工藝研究

此項技術是根據下游用戶提出的具體性能指標，非晶節能材料生產企業選擇適當的合金配方生產帶材，并選擇配套的熱處理工藝進行生產。熱處理工藝種類很多，且其工藝參數對材料的性能影響很大，通過選擇熱處理工藝可對非晶節能材料的性能進行調控，拓展了非晶節能材料的性能范圍。

　高速電機非晶定子鐵芯配套的設計加工技術

磁芯的配套設計加工技術的成熟度直接影響非晶節能材料市場的釋放速度。由于非晶節能材料的一系列區別于傳統軟磁材料的性能，磁芯設計加工技術必須進行針對性的改進。磁芯配套的設計加工技術的種類多，每個不同的應用環境都有不同要求 ，高速電機鐵芯生產企業應跨領域合作，共同開發磁芯配套的設計加工技術。

鐵基非晶帶材厚度僅為20～25μm、維氏硬度超過900，沖片加工時存在對沖床和模具精度要求過高、沖模磨損嚴重、自動送料難度大等技術難題。所以，非晶電機定子鐵芯的加工一般采用電火花線切割，存在加工效率低、成本高的問題，難以實現產業化。鑒于此，日本日立金屬發明了采用卷繞模塊開氣隙后組合構成軸向磁場非晶定子鐵芯的技術，并成功應用于軸向磁場非晶電機；美國萊特電氣發明了銑削加工非晶定子鐵芯的技術，但其應用也僅限于軸向氣隙磁場電機。

高速靜音呼吸機電機用非晶電機定子和轉子磁芯設計加工技術也面臨非晶節能材料應力敏感、脆性大、硬度高的問題，而且由于非晶電機定子和轉子的結構復雜，切割已經成為主要的技術障礙。

（1）高精度連續沖片及同步碼落成型制造技術

帶材超薄、高硬度、磁性能對應力敏感，因而高性能鐵芯的高效率、低成本產業化制備技術成為世界難題。國際上具備鐵芯制造技術的僅有美國萊特電氣和日本日立金屬，均采用樹脂鑄型后切削加工的方式，存在成品率低、加工應力影響鐵芯性能等共性問題。應開發低成本、高效連續沖片及同步碼落成型制造技術。

（2）調控磁疇取向的復合磁場熱處理技術

在保護氣氛下，采用程控多階梯復合磁場退火處理，實現鐵芯的磁疇沿磁路方向的擇優取向排列，進而提升磁導率、降低損耗，顯著改善鐵芯的綜合性能。

（3）高效真空壓力浸漆技術

制造鐵芯的最后一步工藝是樹脂鑄型處理，將碼落整齊經退火處理的沖片整體浸入在環氧樹脂中，反復進行抽真空和加壓處理，使其充分浸透，再固化鑄型即完成鐵芯的制作。

周少雄，凝聚態物理專業，理學博士、教授級高級工程師。長期從事金屬磁性材料研發及工程化。現任江蘇集萃安泰創明先進能源材料研究院有限公司董事長/院長、國家新材料產業發展專家咨詢委員會委員、國家非晶微晶合金工程技術研究中心主任、國家非晶節能材料產業技術創新戰略聯盟常務副理事長、亞洲磁學聯盟副主席、中國材料研究學會副理事長，曾任中國鋼研科技集團有限公司副總工程師，安泰科技股份有限公司副總裁、技術總監等職位。獲國家科技進步一等獎1項、二等獎3項及多項省部級獎勵。獲批專利111項，發表論文229篇。

張廣強，凝聚態物理專業，理學博士、高級工程師。現任江蘇集萃安泰創明先進能源材料研究院有限公司副院長，兼任華北電力大學新材料研究院學術委員會委員和中國金屬學會新材料標準化技術委員會委員，長期從事非晶/納米晶軟磁材料及應用技術開發工作。作為項目負責人主持或者作為主要完成人參與國家及地方科研項目10余項，相關技術申報國家發明專利25項，其中授權發明專利16項，發表學術論文20余篇。研究成果獲得2017年北京市科學技術一等獎1項（3/15）、2018年國家科技進步二等獎1項（3/10）。

李宗臻，材料物理與化學專業，工學博士、高級工程師，江蘇集萃安泰創明先進能源材料研究院有限公司高級研發經理，長期從事鐵基非晶、納米晶軟磁合金新成分及產業化技術開發。作為負責人或項目骨干承擔國家和地方科研項目10余項。在Journal of Alloys and Compounds、Intermetallics等國際著名期刊發表SCI論文11篇，申請國家發明專利29項，其中國際發明1項。獲評2018年國家科技進步二等獎1項，2017年北京市科學技術獎一等獎1項。先后獲得江蘇省“雙創計劃”企業創新類、常州市領軍型創新人才引進培育項目資助。