M270硅鋼片檢測(cè)不合格的原因分析

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(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

硅鋼片作為電機(jī)的核心原材料之一，其磁性能的高低對(duì)電機(jī)性能的影響至關(guān)重要。硅鋼片鐵損低，既可節(jié)省大量電能，又可延長(zhǎng)電機(jī)工作運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，且較強(qiáng)磁場(chǎng)下磁感應(yīng)強(qiáng)度(磁感)高，在空載時(shí)顯然空載電流小，有利減小發(fā)熱和改善溫升。

近兩年，在對(duì)M270硅鋼片的檢查測(cè)試中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多次硅鋼片的磁性能不合格情形，主要體現(xiàn)為硅鋼片的比總損耗超標(biāo)。這種情況不但有損于對(duì)M270硅鋼片質(zhì)量的評(píng)價(jià)，也引起了供應(yīng)商對(duì)檢測(cè)結(jié)果的質(zhì)疑，對(duì)正常的生產(chǎn)也造成了很大程度的影響。所以，對(duì)M270硅鋼片的檢測(cè)不合格的原因進(jìn)行科學(xué)有效的分析變得至關(guān)重要。

1 取樣檢測(cè)過程中影響檢測(cè)結(jié)果的因素

1.1 環(huán)境溫度

GB/T 3655—2008《用愛潑斯坦方圈測(cè)量電工鋼片(帶)磁性能的方法》中，規(guī)定測(cè)量時(shí)環(huán)境溫度為23±5 ℃，這個(gè)測(cè)量溫度的范圍是比較大的，不同的溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果有一定的影響，比總損耗隨溫度升高而降低。

1.2 試樣尺寸

GB/T 3655—2008《用愛潑斯坦方圈測(cè)量電工鋼片(帶)磁性能的方法》中，規(guī)定樣片應(yīng)使用不產(chǎn)生明顯邊緣毛刺的方法剪切，樣片應(yīng)平直，其寬度b=30 mm±0.2 mm；長(zhǎng)度為280 mm≤L≤320 mm，樣片長(zhǎng)度的公差為±0.5 mm。對(duì)于無取向電工鋼片，規(guī)定方向和實(shí)際剪切方向之間的角度不超過±5°，當(dāng)試樣剪切不規(guī)范時(shí)也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。

1.3 試樣質(zhì)量

GB/T 3655—2008《用愛潑斯坦方圈測(cè)量電工鋼片(帶)磁性能的方法》中，規(guī)定試樣需進(jìn)行稱量，稱量誤差在±0.1%以內(nèi)。必須確保天平秤的精度符合要求，不同質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)試樣，比總損耗隨試樣質(zhì)量的降低而降低。即使是同一試樣，其質(zhì)量不同，測(cè)試結(jié)果也不同。

1.4 取樣部位

在GB/T 2521.1—2016中明確規(guī)定，取樣應(yīng)從每一個(gè)驗(yàn)收組批上切取，鋼卷的最內(nèi)圈和最外圈應(yīng)視為包裝材，試樣不應(yīng)從這部分截取。通常做法是在鋼卷的內(nèi)圈和外圈不小于3 m處截取，取樣部位對(duì)硅鋼片磁性能測(cè)試結(jié)果有著明顯的影響，對(duì)冷軋硅鋼片來說，鋼帶的頭部和尾部的磁性能也有很大的差別。

1.5 測(cè)試設(shè)備

即使是同一單位研制生產(chǎn)的設(shè)備，在不同的使用、保養(yǎng)以及計(jì)量標(biāo)定的情況下，測(cè)量結(jié)果也存在著差別。對(duì)于測(cè)量結(jié)果處于合格范圍卻又在臨界點(diǎn)附近的，將會(huì)得到兩個(gè)不同牌號(hào)的判定結(jié)果。

1.6 人為因素

當(dāng)從鋼卷內(nèi)圈取樣時(shí)，必須一邊抽拉一邊翻展硅鋼帶，這時(shí)會(huì)不可避免地產(chǎn)生一些大小不一的折印或受力。這些折印分布隨機(jī)且不規(guī)則，而受力會(huì)使硅鋼帶形成內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致晶粒變形磁導(dǎo)率下降，比總損耗增加。另外，從鋼卷內(nèi)圈裁取的硅鋼片樣片從倉庫搬運(yùn)到分廠進(jìn)行剪切試樣的過程中，也有可能因搬運(yùn)不當(dāng)而產(chǎn)生折印或受力。

2 與第三方檢測(cè)的比對(duì)

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件，上電在倉庫對(duì)硅鋼卷取樣時(shí)，采用的是硅鋼卷內(nèi)圈取樣，這種方式只需檢驗(yàn)人員即可完成，不占用其他資源。當(dāng)上電檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)不合格，并且經(jīng)加倍復(fù)試仍判定為不合格的，上電聯(lián)合供應(yīng)商一起送第三方進(jìn)行測(cè)試。為了保證試樣的可靠性，上電通過開料機(jī)對(duì)硅鋼卷進(jìn)行外圈剪片“寬度×900 mm”，每卷取三片，然后送第三方，由第三方進(jìn)行試樣的制備并完成檢測(cè)。

經(jīng)比對(duì)，上電和第三方的測(cè)試環(huán)境溫度、試樣尺寸和試樣質(zhì)量，都滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3655—2008的要求。上電的測(cè)試設(shè)備為NIM-2000E磁性測(cè)量?jī)x，而第三方的測(cè)試設(shè)備為Brockhaus MPG 100D交直流磁性測(cè)量?jī)x，兩者都是磁性能測(cè)量的常用設(shè)備。但第三方作為具備CNAS認(rèn)證資質(zhì)的測(cè)試單位，其整體的測(cè)量精度等級(jí)高于上電也屬正常。

而人為因素與取樣部位是密切相關(guān)的，當(dāng)采用內(nèi)圈取樣的方式時(shí)，人為因素即不可控因素明顯增加，當(dāng)采用外圈取樣的方式時(shí)，開料機(jī)運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn)，幾乎不會(huì)對(duì)硅鋼片產(chǎn)生劃傷、折印等損傷，表面缺陷的排除率也更高。通過對(duì)同期數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，上電初次取樣測(cè)試與第三方測(cè)試的差異如表1所示。

表1 初次取樣測(cè)試與第三方測(cè)試的差異

這里的初試偏差的基準(zhǔn)是硅鋼片生產(chǎn)廠家的質(zhì)量證明書上的比總損耗數(shù)據(jù)，也就是說，同一個(gè)硅鋼卷，上電從內(nèi)圈取樣測(cè)得的比總損耗數(shù)據(jù)與質(zhì)量證明書上的比總損耗數(shù)據(jù)的差值，跟從外圈取樣在第三方測(cè)得的比總損耗數(shù)據(jù)與質(zhì)量證明書上的比總損耗數(shù)據(jù)的差值相比，兩者之間的偏差還是比較大的。為了更客觀、準(zhǔn)確的比對(duì)上電與第三方的測(cè)試數(shù)據(jù)，從送第三方進(jìn)行初試的硅鋼片卷號(hào)中隨機(jī)抽取1/3的卷號(hào)，在上電重新采用外圈取樣的方式，保持與第三方取樣一致，然后按標(biāo)準(zhǔn)要求裁切試樣后測(cè)試。上電再次取樣測(cè)試與第三方測(cè)試的差異如圖1所示。

圖1 外圈取樣比總損耗測(cè)試差異

由此可見，在同樣采用外圈取樣的方式進(jìn)行測(cè)試，上電與第三方測(cè)得的比總損耗之間的偏差已經(jīng)明顯縮小，且測(cè)試合格率也有了明顯提高，說明外圈取樣或者說人為因素對(duì)于測(cè)試結(jié)果具有明顯的影響。

3 試樣的裁切毛刺對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

過去我們一直認(rèn)為試樣剪切后的毛刺，對(duì)測(cè)試結(jié)果有著明顯影響，甚至是決定作用，所以也有了減小毛刺的產(chǎn)生或者進(jìn)行去除毛刺的想法，即通過刃磨刀具或用砂紙手工去毛的方法盡可能的避免毛刺的影響。但是，從太鋼的研究中了解到，剪切毛刺并不在影響比總損耗檢測(cè)結(jié)果的考察因素之內(nèi)。

剪切硅鋼片的過程中會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力(外應(yīng)力)，而剪切毛刺就是這種殘余應(yīng)力的表現(xiàn)形式，但只要毛刺不是很明顯，對(duì)測(cè)試結(jié)果幾乎沒影響。而對(duì)于人為去除檢測(cè)試樣上存在的毛刺，影響并不明顯，有時(shí)反而會(huì)因?yàn)槿ッ划?dāng)造成比總損耗的明顯增加，如圖2。

圖2 M270硅鋼片測(cè)試中比總損耗與剪切毛刺的關(guān)系

4 硅鋼片原始磁性能對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

上電公司生產(chǎn)大型汽輪發(fā)電機(jī)用的M270硅鋼卷，是法國的Arcelor Mittal公司生產(chǎn)的，已經(jīng)使用了很多年，產(chǎn)品質(zhì)量方面一直比較穩(wěn)定。但是最近兩年來，我們?cè)谌霃S檢驗(yàn)中多次發(fā)現(xiàn)M270硅鋼卷的磁性能不合格，而且都是比總損耗超標(biāo)，即使經(jīng)過加倍抽樣以及委托第三方測(cè)試，依然會(huì)有不合格情況出現(xiàn)。

4.1 2011年—2019年硅鋼片比總損耗數(shù)據(jù)分布

通過對(duì)2011年以來使用的M270硅鋼卷的質(zhì)量證明書上磁性能數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)“比總損耗P1.5≤2.70 W/kg”而言，M270硅鋼卷的磁性能一直在靠近標(biāo)準(zhǔn)的下限，呈現(xiàn)一種緩慢下降的過程，特別是最近三年非常明顯，見表2。

表2 2011年—2019年M270質(zhì)量證明書上比總損耗數(shù)據(jù)分布 (%)

4.2 2011年—2019年比總損耗測(cè)試偏差數(shù)據(jù)

在入廠檢驗(yàn)的過程中，經(jīng)過測(cè)試得到的比總損耗數(shù)據(jù)與M270硅鋼卷的質(zhì)量證明書上的磁性能數(shù)據(jù)總會(huì)有偏差，而且有時(shí)這種偏差也不小。通過對(duì)每批硅鋼卷的質(zhì)量證明書的梳理發(fā)現(xiàn)，通常一批硅鋼卷有十幾個(gè)爐號(hào)，而一個(gè)爐號(hào)中通常又有幾個(gè)甚至十幾個(gè)硅鋼卷。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，同一個(gè)爐號(hào)下面不同卷號(hào)的比總損耗數(shù)據(jù)相差也很大。為了使這個(gè)情況顯性化，提取初次測(cè)試中偏差最大的數(shù)據(jù)與該批次硅鋼卷中同爐偏差最大的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，M270硅鋼卷的生產(chǎn)商同爐最大偏差明顯高于上電初次測(cè)試的最大偏差，見圖3。

圖3 2011年—2019年M270比總損耗最大偏差

這說明在檢測(cè)中出現(xiàn)比總損耗數(shù)據(jù)的偏差是一種正常情況，會(huì)受到許多因素的影響，即使材料生產(chǎn)商也無法避免。從測(cè)試偏差的穩(wěn)定性來看，上電的波動(dòng)比較明顯，但整體測(cè)試偏差的平均值非常的接近，說明上電的測(cè)試能力與M270的材料生產(chǎn)商相當(dāng)，見圖4。

圖4 2011年—2019年M270比總損耗平均偏差

4.3 2011年—2019年同卷硅鋼片檢測(cè)結(jié)果分析

對(duì)2011年—2019年的M270硅鋼卷的抽檢測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總發(fā)現(xiàn)，檢測(cè)不合格的情況主要出現(xiàn)在質(zhì)量證明書中硅鋼卷的比總損耗值≥2.60 W/kg的硅鋼卷上，見圖5。抽檢不合格的分布及占比情況，見圖6。比總損耗測(cè)試的不合格情況主要集中在2018年和2019年，所有測(cè)試不合格的硅鋼卷的質(zhì)量證明書上比總損耗的分布范圍及占比，見圖7。

5 提高M(jìn)270硅鋼片比總損耗檢測(cè)合格率的措施

5.1 提高硅鋼片原始磁性能

從生產(chǎn)商的同爐偏差可知冶煉或生產(chǎn)過程對(duì)成品硅鋼卷的比總損耗數(shù)據(jù)的影響還是比較大的，生產(chǎn)商應(yīng)提高冶煉和生產(chǎn)工藝水平；從質(zhì)保書比總損耗數(shù)據(jù)看出，當(dāng)比總損耗數(shù)據(jù)集聚于2.60 W/kg及以上區(qū)間時(shí)，抽檢不合格率也隨之明顯上升，生產(chǎn)商的同爐平均偏差和上電的初試平均偏差均在0.07 W/kg左右，據(jù)此，供應(yīng)商供貨時(shí)應(yīng)盡量剔除比總損耗≥2.63 W/kg的硅鋼卷。

圖5 2011年—2019年M270硅鋼卷比總損耗抽檢數(shù)據(jù)

圖6 2011年—2019年M270比總損耗抽檢數(shù)據(jù)

圖7 比總損耗不合格分布區(qū)間與占比

5.2 改變?nèi)臃绞?/p>

從實(shí)際檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)可見，采取外圈取樣(上開料機(jī))的意義明顯，測(cè)試合格率將提升20%以上，該取樣方式很大程度上減少了人為因素的影響。

5.3 減少人為因素影響

在入廠檢驗(yàn)過程中，還需注意包括取樣、搬運(yùn)樣片、裁切試樣、試樣質(zhì)量、測(cè)試設(shè)備的標(biāo)定以及測(cè)試環(huán)境等整個(gè)過程的合規(guī)性和有效性，盡量避免人為因素使試樣產(chǎn)生偏差而造成測(cè)試數(shù)據(jù)的波動(dòng)。

6 結(jié)論

(1)測(cè)試中集中出現(xiàn)不合格的情況，與M270硅鋼卷的比總損耗原值在近兩年大量積聚于標(biāo)準(zhǔn)值的下限有明顯因果關(guān)系。

(2)目前M270硅鋼卷的磁性能已經(jīng)下降到標(biāo)準(zhǔn)值的極限水平，即使是第三方的測(cè)試條件也無法滿足和保證M270的比總損耗數(shù)據(jù)一定是合格的。

(3)M270的硅鋼卷生產(chǎn)商要意識(shí)到這個(gè)問題的嚴(yán)重性，一旦失控，那么所生產(chǎn)的硅鋼卷就面臨著降級(jí)(降牌號(hào))的風(fēng)險(xiǎn)，而對(duì)材料的使用方而言也是一種潛在的風(fēng)險(xiǎn)，所以盡力提高和改善比總損耗的有效值方為上策。