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电工钢

电工钢亦称硅钢片,是电力、电子和军事工业不可缺少的重要软磁合金,亦是产量最大的金属功能材料,主要用作各种电机、发电机和变压器的铁芯。它的生产工艺复杂,制造技术严格,国外的生产技术都以专利形式加以保护,视为企业的生命。电工钢板的制造技术和产品质量是衡量一个国家特殊钢生产和科技发展水平的重要标志之一。目前我国冷轧电工钢数量、质量、规格牌号,还不能满足能源(电力)工业发展的需求,在生产技术、设备、管理及科研等方面与日本相比,存在较大差距。

全世界电工钢的总产量约700万吨。当前,特别这几年随着中国电力、电器工业的迅猛发展,中国的硅钢片需求量快速增加,2004年的消费量几乎已占全世界硅钢片产量的一半,导致中国的硅钢产量进入了一个快速发展时期,但仍然无法满足国内需求,2004年进口硅钢片164万吨。

电工钢已有上百年的历史,电工钢包括Si<0.5-电工钢和Si含量 0.5~6.5-的硅钢两类,主要用作各种电机、变压器和镇流器铁芯,是电力、电子和军事工业中不可缺少的重要软磁合金。电工钢在磁性材料中用量最大,也是一种节能的重要金属功能材料。电工钢,特别是取向硅钢的制造工艺和设备复杂,成分控制严格,制造工序长,而且影响性能的因素多,因此常把取向硅钢产品质量看作是衡量一个国家特殊钢制造技术水平的重要标志,并获得特殊钢中“艺术产品”的美称。

热轧硅钢发展阶段(1882~1955年)

铁的磁导率比空气的磁导率高几千到几万倍,铁芯磁化时磁通密度高,可产生远比外加磁场更强的磁场。普通热轧低碳钢板是工业上最早应用的铁芯软磁材料。1886年美国Westinghouse电气公司首先用杂质含量约为0.4-的热轧低碳钢板制成变压器叠片铁芯。1890年已广泛使用0.35mm厚热轧低碳钢薄板制造电机和变压器铁芯。但由于低碳钢电阻率低,铁芯损耗大;碳和氮含量高,磁时效严重。1882年英国哈德菲尔特开始研究硅钢,1898年发表了4.4-Si-Fe合金的磁性结果。1903年美国取得哈德菲尔特专利使用权。同一年美国和德国开始生产热轧硅钢板。1905年美国已大规模生产。在很短时间内全部代替了普通热轧低碳钢板制造电机和变压器,其铁损比普通低碳钢低一半以上。1906~1930年期间,是生产厂与用户对热轧硅钢板成本、力学性能和电机、变压器设计制造改革方面统一认识、改进产品质量和提高产量的阶段。

冷轧电工钢发展阶段(1930~1967年) [1]

此阶段主要是冷轧普通取向硅钢(GO)板的发展阶段。1930年美国高斯采用冷轧和退火方法开始进行大量实验,摸索晶粒易磁化方向<001>平行于轧制方向排列的取向硅钢带卷制造工艺。1933年高斯采用两次冷轧和退火方法制成沿轧向磁性高的3-Si钢,1934年申请专利并公开发表。1935年Armco钢公司按高斯专利技术与Westinghouse电气公司合作进行生产。之后,Armco钢公司采用快速分析微量碳等技术和不断改进制造工艺及设备,使产品质量逐步提高。直到1958年在掌握MnS抑制剂和板坯高温加热两个前工序制造工艺后,制造取向硅钢的专利技术已基本完善,产品磁性大幅度提高且稳定。1959年开始生产0.30mm厚产品,1963年生产0.27mm产品。40年代初,Armco钢公司开始生产冷轧无取向硅钢板。1963~1967年期间,英国、日本等国家陆续停止生产热轧硅钢板。热轧硅钢板逐步被冷轧无取向电工钢和冷轧取向硅钢板所代替。

高磁感取向硅钢发展阶段(1961~1994年)

1961年,新日铁在引进Armco专利基础上,首先试制AlN+MnS综合抑制剂的高磁感取向硅钢。1964年开始试生产并命名为Hi-B,但磁性不稳定。经过15年的持续改进,Hi-B钢制造工艺已日臻完善,并于1968年正式生产Z8H牌号。从1979年开始,新日铁和川崎公司采用提高硅含量、减薄产品钢带厚度和细化磁畴技术,陆续生产了0.30、0.27、0.23及0.18mm高磁感取向硅钢新牌号。

类 别

硅含量,-

公称厚度,mm

热轧硅钢板

(无取向)

热轧低硅钢(热轧电机钢)

1.0~2.5

0.50

热轧高硅钢(热轧变压器钢)

3.0~4.5

0.35和0.50

冷轧电工钢板

无取向电工钢

(冷轧电机钢)

低碳电工钢

≤0.5

0.50和0.65

硅钢

>0.5~3.2

0.35和0.50

取向硅钢

(冷轧变压器钢)

普通取向硅钢

2.9~3.3

0.20,0.23,0.27

0.30和0.35

高磁感取向硅钢

2.9~3.3

电工钢除上表品种类别外,还有一些特殊用途的电工钢板,如0.15和0.20mm厚3-Si冷轧无取向硅钢薄带和0.025、0.05及0.1mm厚3-Si冷轧取向硅钢薄带,用作中、高频电机和变压器以及脉冲变压器等;继电器和电力开关用的0.7mm厚3-Si高强度冷轧无取向硅钢板;新型高转速电机转子用的高强度冷轧电工钢板;医用核磁共振断层扫描仪等磁屏蔽高能加速器电磁铁用的低碳电工钢热轧厚板和冷轧板;高频电机和变压器以及磁屏蔽用的4.5-~6.5-Si高硅钢板等。

一般要求电机、变压器和其他电器部件效率高,耗电量少,体积小和重量轻。电工钢板通常是以铁芯损耗和磁感应强度作为产品磁性保证值[1] [2] 。对电工钢板性能的要求如下:

铁芯损耗(PT)低

铁芯损耗是指铁芯在≥50Hz交变磁场下磁化时所消耗的无效电能,简称铁损,也称交变损耗,其单位为W/kg。这种由于磁通变化受到各种阻碍而消耗的无效电能,通过铁芯发热既损失掉电能,又引起电机和变压器的温升。电工钢的铁损(PT)包括磁滞损耗涡流损耗(Pe)和反常损耗(Pa)三部分。电工钢板铁损低,既可节省大量电能,又可延长电机和变压器工作运转时间,并简化冷却装置。由于电工钢板的铁损所造成的电量损失占各国全年发电量的2.5-~4.5-,因此各国生产电工钢板总是千方百计设法降低铁损,并以铁损作为考核产品磁性的最重要指标,按产品的铁损值作为划分产品牌号的依据 [3]

磁感应强度(B)高

磁感应强度是铁芯单位截面积上通过的磁力线数,也称磁通密度,它代表材料的磁化能力,单位为T。电工钢板的磁感应强度高,铁芯的激磁电流(也称空载电流)降低,铜损铁损都下降,可节省电能。当电机和变压器功率不变时,磁感应强度高,设计Bm可提高,铁芯截面积可缩小,这使铁芯体积减小和重量减轻,并节省电工钢板、导线、绝缘材料和结构材料用量,可降低电机和变压器的总损耗和制造成本,并且有利于大变压器和大电机的制造、安装和运输。

取向硅钢设计Bm高达1.7~1.80T,接近B8值,因此以B8作为磁感保证值。电机设计Bm约为1.5T,接近冷轧无取向电工钢B50值,因此冷轧无取向硅钢以B50作为磁感保证值。热轧硅钢的磁感更低,通常以B25作为保证值。

磁各向异性的要求

电机是在运转状态下工作,铁芯是用带齿圆形冲片叠成的定子和转子组成,要求电工钢板为磁各向同性,因此用无取向冷轧电工钢或热轧硅钢制造。一般要求纵横向铁损差值<8-,磁感差值<10-。

变压器是在静止状态下工作。大中型变压器铁芯是用条片叠成,一些配电变压器、电流和电压互感器以及脉冲变压器是用卷绕铁芯制造,这样可保证沿电工钢板轧制方向下料和磁化,因此都用冷轧取向硅钢制造。

冲片性良好

用户使用电工钢板时冲剪工作量很大,因此要求电工钢板应具有良好的冲片性,这对微、小型电机尤为重要。冲片性好可以提高冲模和剪刀寿命,保证冲剪片尺寸精确以及减小冲剪片毛刺。

影响冲片性的因素主要有:1)冲模剪刀材料。如硬质合金冲模的冲片性比工具钢冲模提高一倍以上。2)冲头与冲模的间距。合适的间距一般为钢板厚度的5-~6-。3)冲片用润滑油种类。4)冲片形状。5)钢板表面绝缘膜种类和质量。6)钢板的硬度等。后两个因素与电工钢板质量有关。

钢板表面光滑、平整和厚度均匀

要求电工钢板表面光滑、平整和厚度均匀,主要是为了提高铁芯的叠片系数。叠片系数高可使铁芯有效利用空间增大,空气隙减小,使激磁电流减小。电工钢板的叠片系数每降低1-相当于铁损增高2-,磁感降低1-。

绝缘薄膜性能好

为防止铁芯叠片间发生短路而增大涡流损耗,冷轧电工钢板表面涂一薄层无机盐或无机盐+有机盐的半有机绝缘膜。对绝缘膜有以下要求:1)耐热性好。在750~800℃消除应力退火时不会破坏。2)绝缘膜薄且均匀。3)层间电阻高。4)附着性好。5)冲片性好。6)耐蚀性和防锈性好。7)焊接性好。用途不同,对绝缘膜的要求也有差异。

磁时效现象小

铁磁材料的磁性随使用时间而变化的现象称为磁时效。这种现象主要是材料中碳和氮等杂质元素引起的。电工钢板中碳和氮含量小于0.0035-时,磁时效明显减小。

[4]

硅钢主要用氧气转炉冶炼(也可用电弧炉冶炼),配合钢水真空处理和AOD技术(见炉外精炼,采用模铸或连铸法。根据不同的用途,冶炼时改变硅(0.5~4.5-)和铝(0.2~0.5-)含量以满足不同磁性的要求。高牌号硅钢片的硅和铝量相应提高。碳、硫和夹杂物尽量减少。

冷轧硅钢片的磁性、表面质量、填充系数和冲片性比热轧硅钢片好,并可成卷生产,所以从60年代开始有些国家已停止生产热轧硅钢片。中国采用约 900℃低温一次快速热轧和氢气保护下成垛退火方法制造热轧硅钢片,成材率较高,成品表面质量和磁性都较好。

通过除鳞机与盐酸罐,除去热轧钢带的氧化物,以防止冷轧成品表面的缺陷。

为了确保不同用途的厚度与材质,将减速比例设在40--90-,并为实现自动厚度控制、自动形状控制等先进的控制设备。

是软化冷冲压工程中硬化了的钢带材质的工程。通过金属加热及急速冷却,生产深加工用钢及高张力钢,并采用装箱(罩退)退火与连续退火法。

将硅钢板加工成铁芯时,为改善其加工性能并防止相当于钢板厚度自乘的涡电流损失,采用连续涂镀设备,在钢板上下面喷射绝缘涂液。

化学成分的影响

电工钢成分组成基本包括三大类元素。第一类为基本合金元素,如Si、Al、Mn等;第二类为杂质元素,如C、S、N、O、Ti、Zr 等;第三类为微量元素如Sb、Sn等。

第一类元素的影响

Si、Al、Mn是有益的合金元素,可使铁的磁各向异性常数K1和饱和磁滞伸缩常数λs值降低,磁化更容易,所以Ph降低。另外这些元素还可提高电阻率,使Pe降低。因此提高第一类元素的含量可以明显降低铁损。但当这些元素含量太高时,材料变得既硬又脆而无法冷加工。

第二类元素的影响

C、S、N、O、Ti、Zr等为有害元素,这些元素的存在可在钢中形成细小弥散的碳化物、硫化物、氮化物及氧化物,阻碍成品退火晶粒长大,对磁性能不利,因此要求钢中这类元素的含量越低越好。

第三类元素的影响

无取向硅钢中添加少量的Sb、Sn,可以改善无取向电工钢再结晶退火后的织构,使(100)和(110)有利织构组分明显增加,使(111)不利织构组分明显减弱,从而降低铁损,提高磁感。添加少量的此类元素,还可以抑制内氧化层和氮化层的形成,改善磁性。

晶粒尺寸

晶粒尺寸大,晶界数量少,畴壁移动的阻力小,磁滞损耗降低。另一方面,晶粒尺寸大,磁畴尺寸增大,涡流损耗和反常损耗都增加。因此为了降低总铁损有一个合适的临界晶粒尺寸。

杂质、夹杂物和内应力

无取向电工钢中夹杂物和杂质元素应尽量降低,这是提高磁性的最重要措施。它们不仅阻碍畴壁移动使磁滞损耗和矫顽力增高,同时为了降低其周围静磁能而产生了闭合畴使磁化困难。它们对晶粒长大织构组分也有很坏的影响。电工钢板中存在任何内应力都使矫顽力增高。

晶体织构

取向硅钢中,提高B8使磁滞损耗明显降低。对无取向电工钢来说,(100)面织构高,磁滞损耗和P15最低,(110)织构次之,(111)织构最差。

钢板厚度

一般来说,钢板厚度减薄,磁滞损耗增高。但厚度减薄,涡流损耗明显降低。因此对总铁损来说也有一个合适的临界厚度。

钢板表面状态

钢板表面平整光洁,表面自由磁极减少,静磁能降低,畴壁移动阻力减小,则磁滞损耗和矫顽力降低。

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