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電工鋼已有上百年的歷史,電工鋼包括Si<0.5%電工鋼和Si含量 0.5~6.5%的硅鋼兩類,主要用作各種電機(jī)、變壓器和鎮(zhèn)流器鐵芯,是電力、電子和軍事工業(yè)中不可缺少的重要軟磁合金。電工鋼在磁性材料中用量最大,也是一種節(jié)能的重要金屬功能材料。電工鋼,特別是取向硅鋼的制造工藝和設(shè)備復(fù)雜,成分控制嚴(yán)格,制造工序長(zhǎng),而且影響性能的因素多,因此常把取向硅鋼產(chǎn)品質(zhì)量看作是衡量一個(gè)國(guó)家特殊鋼制造技術(shù)水平的重要標(biāo)志,并獲得特殊鋼中"藝術(shù)產(chǎn)品"的美稱。

鐵的磁導(dǎo)率比空氣的磁導(dǎo)率高幾千到幾萬倍,鐵芯磁化時(shí)磁通密度高,可產(chǎn)生遠(yuǎn)比外加磁場(chǎng)更強(qiáng)的磁場(chǎng)。普通熱軋低碳鋼板是工業(yè)上最早應(yīng)用的鐵芯軟磁材料。1886年美國(guó)Westinghouse電氣公司首先用雜質(zhì)含量約為0.4%的熱軋低碳鋼板制成變壓器疊片鐵芯。1890年已廣泛使用0.35mm厚熱軋低碳鋼薄板制造電機(jī)和變壓器鐵芯。但由于低碳鋼電阻率低,鐵芯損耗大;碳和氮含量高,磁時(shí)效嚴(yán)重。1882年英國(guó)哈德菲爾特開始研究硅鋼,1898年發(fā)表了4.4%Si-Fe合金的磁性結(jié)果。1903年美國(guó)取得哈德菲爾特專利使用權(quán)。同一年美國(guó)和德國(guó)開始生產(chǎn)熱軋硅鋼板。1905年美國(guó)已大規(guī)模生產(chǎn)。在很短時(shí)間內(nèi)全部代替了普通熱軋低碳鋼板制造電機(jī)和變壓器,其鐵損比普通低碳鋼低一半以上。1906~1930年期間,是生產(chǎn)廠與用戶對(duì)熱軋硅鋼板成本、力學(xué)性能和電機(jī)、變壓器設(shè)計(jì)制造改革方面統(tǒng)一認(rèn)識(shí)、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量和提高產(chǎn)量的階段。

冷軋電工鋼發(fā)展階段(1930~1967年)

此階段主要是冷軋普通取向硅鋼(GO)板的發(fā)展階段。1930年美國(guó)高斯采用冷軋和退火方法開始進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn),摸索晶粒易磁化方向<001>平行于軋制方向排列的取向硅鋼帶卷制造工藝。1933年高斯采用兩次冷軋和退火方法制成沿軋向磁性高的3%Si鋼,1934年申請(qǐng)專利并公開發(fā)表。1935年Armco鋼公司按高斯專利技術(shù)與Westinghouse電氣公司合作進(jìn)行生產(chǎn)。之后,Armco鋼公司采用快速分析微量碳等技術(shù)和不斷改進(jìn)制造工藝及設(shè)備,使產(chǎn)品質(zhì)量逐步提高。直到1958年在掌握MnS抑制劑和板坯高溫加熱兩個(gè)前工序制造工藝后,制造取向硅鋼的專利技術(shù)已基本完善,產(chǎn)品磁性大幅度提高且穩(wěn)定。1959年開始生產(chǎn)0.30mm厚產(chǎn)品,1963年生產(chǎn)0.27mm產(chǎn)品。40年代初,Armco鋼公司開始生產(chǎn)冷軋無取向硅鋼板。1963~1967年期間,英國(guó)、日本等國(guó)家陸續(xù)停止生產(chǎn)熱軋硅鋼板。熱軋硅鋼板逐步被冷軋無取向電工鋼和冷軋取向硅鋼板所代替。

高磁感取向硅鋼發(fā)展階段(1961~1994年)

1961年,新日鐵在引進(jìn)Armco專利基礎(chǔ)上,首先試制AlN+MnS綜合抑制劑的高磁感取向硅鋼。1964年開始試生產(chǎn)并命名為Hi-B,但磁性不穩(wěn)定。經(jīng)過15年的持續(xù)改進(jìn),Hi-B鋼制造工藝已日臻完善,并于1968年正式生產(chǎn)Z8H牌號(hào)。從1979年開始,新日鐵和川崎公司采用提高硅含量、減薄產(chǎn)品鋼帶厚度和細(xì)化磁疇技術(shù),陸續(xù)生產(chǎn)了0.30、0.27、0.23及0.18mm高磁感取向硅鋼新牌號(hào)。

鐵芯損耗(PT)低

鐵芯損耗是指鐵芯在≥50Hz交變磁場(chǎng)下磁化時(shí)所消耗的無效電能,簡(jiǎn)稱鐵損,也稱交變損耗,其單位為W/kg。這種由于磁通變化受到各種阻礙而消耗的無效電能,通過鐵芯發(fā)熱既損失掉電能,又引起電機(jī)和變壓器的溫升。電工鋼的鐵損(PT)包括磁滯損耗、渦流損耗(Pe)和反常損耗(Pa)三部分。電工鋼板鐵損低,既可節(jié)省大量電能,又可延長(zhǎng)電機(jī)和變壓器工作運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間,并簡(jiǎn)化冷卻裝置。由于電工鋼板的鐵損所造成的電量損失占各國(guó)全年發(fā)電量的2.5%~4.5%,因此各國(guó)生產(chǎn)電工鋼板總是千方百計(jì)設(shè)法降低鐵損,并以鐵損作為考核產(chǎn)品磁性的最重要指標(biāo),按產(chǎn)品的鐵損值作為劃分產(chǎn)品牌號(hào)的依據(jù) 。

磁感應(yīng)強(qiáng)度(B)高

磁感應(yīng)強(qiáng)度是鐵芯單位截面積上通過的磁力線數(shù),也稱磁通密度,它代表材料的磁化能力,單位為T。電工鋼板的磁感應(yīng)強(qiáng)度高,鐵芯的激磁電流(也稱空載電流)降低,銅損和鐵損都下降,可節(jié)省電能。當(dāng)電機(jī)和變壓器功率不變時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度高,設(shè)計(jì)Bm可提高,鐵芯截面積可縮小,這使鐵芯體積減小和重量減輕,并節(jié)省電工鋼板、導(dǎo)線、絕緣材料和結(jié)構(gòu)材料用量,可降低電機(jī)和變壓器的總損耗和制造成本,并且有利于大變壓器和大電機(jī)的制造、安裝和運(yùn)輸。

取向硅鋼設(shè)計(jì)Bm高達(dá)1.7~1.80T,接近B8值,因此以B8作為磁感保證值。電機(jī)設(shè)計(jì)Bm約為1.5T,接近冷軋無取向電工鋼B50值,因此冷軋無取向硅鋼以B50作為磁感保證值。熱軋硅鋼的磁感更低,通常以B25作為保證值。

對(duì)磁各向異性的要求

電機(jī)是在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下工作,鐵芯是用帶齒圓形沖片疊成的定子和轉(zhuǎn)子組成,要求電工鋼板為磁各向同性,因此用無取向冷軋電工鋼或熱軋硅鋼制造。一般要求縱橫向鐵損差值<8%,磁感差值<10%。

變壓器是在靜止?fàn)顟B(tài)下工作。大中型變壓器鐵芯是用條片疊成,一些配電變壓器、電流和電壓互感器以及脈沖變壓器是用卷繞鐵芯制造,這樣可保證沿電工鋼板軋制方向下料和磁化,因此都用冷軋取向硅鋼制造。

沖片性良好

用戶使用電工鋼板時(shí)沖剪工作量很大,因此要求電工鋼板應(yīng)具有良好的沖片性,這對(duì)微、小型電機(jī)尤為重要。沖片性好可以提高沖模和剪刀壽命,保證沖剪片尺寸精確以及減小沖剪片毛刺。

影響沖片性的因素主要有:1)沖�；蚣舻恫牧稀Ｈ�硬質(zhì)合金沖模的沖片性比工具鋼沖模提高一倍以上。2)沖頭與沖模的間距。合適的間距一般為鋼板厚度的5%~6%。3)沖片用潤(rùn)滑油種類。4)沖片形狀。5)鋼板表面絕緣膜種類和質(zhì)量。6)鋼板的硬度等。后兩個(gè)因素與電工鋼板質(zhì)量有關(guān)。

鋼板表面光滑、平整和厚度均勻

要求電工鋼板表面光滑、平整和厚度均勻,主要是為了提高鐵芯的疊片系數(shù)。疊片系數(shù)高可使鐵芯有效利用空間增大,空氣隙減小,使激磁電流減小。電工鋼板的疊片系數(shù)每降低1%相當(dāng)于鐵損增高2%,磁感降低1%。

絕緣薄膜性能好

為防止鐵芯疊片間發(fā)生短路而增大渦流損耗,冷軋電工鋼板表面涂一薄層無機(jī)鹽或無機(jī)鹽+有機(jī)鹽的半有機(jī)絕緣膜。對(duì)絕緣膜有以下要求:
1、耐熱性好。在750~800℃消除應(yīng)力退火時(shí)不會(huì)破壞。
2、絕緣膜薄且均勻。
3、層間電阻高。
4、附著性好。
5、沖片性好。
6、耐蝕性和防銹性好。
7、焊接性好。用途不同,對(duì)絕緣膜的要求也有差異。

磁時(shí)效現(xiàn)象小

鐵磁材料的磁性隨使用時(shí)間而變化的現(xiàn)象稱為磁時(shí)效。這種現(xiàn)象主要是材料中碳和氮等雜質(zhì)元素引起的。電工鋼板中碳和氮含量小于0.0035%時(shí),磁時(shí)效明顯減小。

硅鋼主要用氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉(也可用電弧爐冶煉),配合鋼水真空處理和AOD技術(shù)(見爐外精煉,采用模鑄或連鑄法。根據(jù)不同的用途,冶煉時(shí)改變硅(0.5~4.5%)和鋁(0.2~0.5%)含量以滿足不同磁性的要求。高牌號(hào)硅鋼片的硅和鋁量相應(yīng)提高。碳、硫和夾雜物盡量減少。

軋制

冷軋硅鋼片的磁性、表面質(zhì)量、填充系數(shù)和沖片性比熱軋硅鋼片好,并可成卷生產(chǎn),所以從60年代開始有些國(guó)家已停止生產(chǎn)熱軋硅鋼片。中國(guó)采用約 900℃低溫一次快速熱軋和氫氣保護(hù)下成垛退火方法制造熱軋硅鋼片,成材率較高,成品表面質(zhì)量和磁性都較好。

酸洗

通過除鱗機(jī)與鹽酸罐,除去熱軋鋼帶的氧化物,以防止冷軋成品表面的缺陷。

冷軋

為了確保不同用途的厚度與材質(zhì),將減速比例設(shè)在40%-90%,并為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)厚度控制、自動(dòng)形狀控制等先進(jìn)的控制設(shè)備。

退火

是軟化冷沖壓工程中硬化了的鋼帶材質(zhì)的工程。通過金屬加熱及急速冷卻,生產(chǎn)深加工用鋼及高張力鋼,并采用裝箱(罩退)退火與連續(xù)退火法。

絕緣涂層

將硅鋼板加工成鐵芯時(shí),為改善其加工性能并防止相當(dāng)于鋼板厚度自乘的渦電流損失,采用連續(xù)涂鍍?cè)O(shè)備,在鋼板上下面噴射絕緣涂液。

電工鋼成分組成基本包括三大類元素。第一類為基本合金元素,如Si、Al、Mn等;第二類為雜質(zhì)元素,如C、S、N、O、Ti、Zr 等;第三類為微量元素如Sb、Sn等。

第一類元素的影響

Si、Al、Mn是有益的合金元素,可使鐵的磁各向異性常數(shù)K1和飽和磁滯伸縮常數(shù)λs值降低,磁化更容易,所以Ph降低。另外這些元素還可提高電阻率,使Pe降低。因此提高第一類元素的含量可以明顯降低鐵損。但當(dāng)這些元素含量太高時(shí),材料變得既硬又脆而無法冷加工。

第二類元素的影響

C、S、N、O、Ti、Zr等為有害元素,這些元素的存在可在鋼中形成細(xì)小彌散的碳化物、硫化物、氮化物及氧化物,阻礙成品退火時(shí)晶粒長(zhǎng)大,對(duì)磁性能不利,因此要求鋼中這類元素的含量越低越好。

第三類元素的影響

在無取向硅鋼中添加少量的Sb、Sn,可以改善無取向電工鋼再結(jié)晶退火后的織構(gòu),使(100)和(110)有利織構(gòu)組分明顯增加,使(111)不利織構(gòu)組分明顯減弱,從而降低鐵損,提高磁感。添加少量的此類元素,還可以抑制內(nèi)氧化層和氮化層的形成,改善磁性。

晶粒尺寸

晶粒尺寸大,晶界數(shù)量少,疇壁移動(dòng)的阻力小,磁滯損耗降低。另一方面,晶粒尺寸大,磁疇尺寸增大,渦流損耗和反常損耗都增加。因此為了降低總鐵損有一個(gè)合適的臨界晶粒尺寸。

雜質(zhì)、夾雜物和內(nèi)應(yīng)力

無取向電工鋼中夾雜物和雜質(zhì)元素應(yīng)盡量降低,這是提高磁性的最重要措施。它們不僅阻礙疇壁移動(dòng)使磁滯損耗和矯頑力增高,同時(shí)為了降低其周圍靜磁能而產(chǎn)生了閉合疇使磁化困難。它們對(duì)晶粒長(zhǎng)大和織構(gòu)組分也有很壞的影響。電工鋼板中存在任何內(nèi)應(yīng)力都使矯頑力增高。

晶體織構(gòu)

在取向硅鋼中,提高B8使磁滯損耗明顯降低。對(duì)無取向電工鋼來說,(100)面織構(gòu)高,磁滯損耗和P15最低,(110)織構(gòu)次之,(111)織構(gòu)最差。

鋼板厚度

一般來說,鋼板厚度減薄,磁滯損耗增高。但厚度減薄,渦流損耗明顯降低。因此對(duì)總鐵損來說也有一個(gè)合適的臨界厚度。

鋼板表面狀態(tài)

鋼板表面平整光潔,表面自由磁極減少,靜磁能降低,疇壁移動(dòng)阻力減小,則磁滯損耗和矯頑力降低。