取向電工鋼不同剪切角度的磁性能研究

陶 利 黃 雙 宋 剛 萬政武

(1.武漢鋼鐵有限公司硅鋼部 湖北 武漢：430083；2.武漢鋼鐵有限公司質檢中心 湖北 武漢：430083；3.寶鋼股份中央研究院硅鋼研究所(青山) 湖北 武漢：430080)

0 引言

隨著經濟的發(fā)展，國家對能源的需求特別是電力需求逐年大幅提升，各大火電、風力發(fā)電機制造廠通過技術創(chuàng)新，不斷追求電機效率最大化，通過提升發(fā)電機組發(fā)電性能以達到提高能源利用效率的目的。無取向電工鋼片具有較好的磁性各向異性、較低的鐵損等特點，主要用于發(fā)電機定子和轉子鐵芯的制作[1]。由于火電、風機發(fā)電機定子齒部面積較大，沖片基本平行軋制方向，考慮到取向電工鋼磁性能具備高磁感和低損耗的較強優(yōu)勢，正逐步推進火電、風電電機使用取向電工鋼產品替代無取向電工鋼，以提升發(fā)電效率。為了給用戶選材提供有力的參考數(shù)據(jù)，通過試驗研究了取向電工鋼不同角度下磁性能的變化。

1 試驗材料及檢測方法

分別選取某鋼廠厚度規(guī)格為0.35mm的35Q155與0.30mm的30QG120兩個不同牌號的取向電工鋼樣片，利用量角器、三角板、直尺及剪板機等輔助工具，以鋼板軋制方向為基準，沿順時針方向依次偏離0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、90°等11個角度進行裁剪，每個角度分別制取20個愛潑斯坦方圈試樣，具體尺寸規(guī)格要求為0.35mm(板厚)×30mm(沿軋向及其偏離角)×300mm(沿橫向及其偏離角)，角度控制精度為±0.5°。

磁性能測量方法為GB/T3655《用愛潑斯坦方圈測量電工鋼片(帶)磁性能的方法》，采用德國BROCKHAUS公司型號為MPG-100D交直流磁性測量儀對上述不同角度的試樣進行磁性能測試，包括最大鐵損P1.7/50和磁極化強度J800。其中，最大鐵損P1.7/50測試條件為磁感1.7T、頻率50Hz；磁極化強度J800測試條件為交變磁場(峰值)800A/m、頻率50Hz。待完成上述試樣的磁性能測試后，將其放入罩式爐內進行消除應力退火，退火工藝為800℃×2h，爐內氣氛為75%N2+25%H2保護性氣體，再次完成所有試樣的磁性能測試。

上述測試最終以每個角度20個愛潑斯坦方圈試樣的平均值作為檢測分析結果。

2 結果與討論

2.1 消除應力退火前磁性能統(tǒng)計

圖1分別是對35Q155、30QG120兩個牌號的取向電工鋼消除應力退火前不同剪切角度鐵損P1.7/50和磁極化強度J800統(tǒng)計對比圖。

圖1 35Q155、30QG120兩牌號取向電工鋼不同剪切角度磁性能變化圖

從圖1(a)可知，35Q155、30QG120兩個牌號取向電工鋼的鐵損均隨著剪切角度的增大而呈上升趨勢，垂直于鋼板軋制方向即90°剪切角度鐵損最差，均超過沿軋制方向剪切角度鐵損值的3倍以上。在剪切角度在10°以內的鐵損曲線上升均相對平緩，說明鐵損惡化趨勢較小；剪切角度在10°以外的鐵損惡化趨勢逐漸變大。30QG120牌號鐵損整體惡化趨勢35Q155要小。

從圖1(b)可知，35Q155、30QG120兩個牌號取向電工鋼的磁極化強度均隨著剪切角度的增大而呈下降趨勢。兩個牌號的取向電工鋼在剪切角度為10°以內磁極化強度可以保證在1.80T以上。30QG120牌號磁極化強度整體惡化趨勢35Q155要小。

從上述分析知，35Q155、30QG120兩個牌號的取向電工鋼在剪切角度為10°以內時，磁性能惡化趨勢較小，并且鐵損均可以保證在1.55W/kg以下，磁極化強度均可以保證在1.80T以上。這說明在較小的剪切角度范圍內取向電工鋼磁性能保持在較好水平上。

2.2 消除應力退火前后磁性能對比統(tǒng)計

試樣在剪切制樣過程中，因受剪切應力影響，磁性會有一定程度的下降。通過消除應力退火可以消除在加工過程中產生的機械應力和應變，從而避免產生磁性惡化。圖2、圖3分別是對35Q155、30QG120牌號取向電工鋼消除應力退火前后不同剪切角度鐵損P1.7/50和磁極化強度J800對比趨勢圖。

圖2 35Q155牌號取向電工鋼不同剪切角度消除應力退火前后磁性能對比趨勢圖

圖3 30QG120牌號取向電工鋼不同剪切角度消除應力退火前后磁性能對比趨勢圖

從圖2、圖3可知，上述兩個牌號的取向電工鋼經過退火處理消除了剪切應力的影響，對磁性能均有一定的改善作用。其中30QG120退火前后整體磁性能比35Q155優(yōu)良，但是兩個牌號的取向電工鋼在剪切角度20°以內退火前后磁性能變化均不大，特別是對鐵損的改善幅度較??；當剪切角度超過20°，鐵損改善幅度逐漸增加。因此，用戶在選用取向電工鋼材料時，剪切角度控制在20°以內時不需要考慮剪切應力對磁性能的影響。

2.3 不同剪切角度鐵損曲線變化

由于用戶在使用取向電工鋼材料制作電機定子鐵芯時，主要是為了充分利用沿軋制方向磁性能最優(yōu)的部分，同時也重點關注不同剪切角度下鐵損和磁密度變化情況，并據(jù)此在設計發(fā)電機組時作適當調整。結合前文分析，特選定剪切角度為0°、5°、10°時在不同磁密度下的鐵損變化進行分析比較。圖4即為35Q155、30QG120兩個牌號取向電工鋼剪切角度為0°、5°、10°時在不同磁密度下的鐵損曲線。

圖4 35Q155、30QG120牌號取向電工鋼剪切角度為0°、5°、10°時鐵損曲線

從圖4可知，35Q155、30QG120牌號取向電工鋼剪切角度為0°和5°時的鐵損曲線基本重合，變化很?。患羟薪嵌葹?0°時，磁密度在1.0T以下的鐵損曲線與剪切角度為0°和5°的鐵損曲線基本重合，在1.0T以上曲線呈上升趨勢，鐵損上升較大。

2.4 分析與討論

由于取向電工鋼具有典型的高斯織構，沿軋制方向施加外部磁場獲得的磁性能最好，當施加外部磁場越偏離軋制方向，磁疇在轉動過程中就會消耗更多的能量，導致磁滯損耗大幅增加，從而整體損耗增加[2]。從磁性能角度考慮，取向電工鋼鐵損均隨著剪切角度的增大而增加；剪切角度在20°以內時，退火前后磁性能變化不大，特別是對鐵損的改善幅度較?。患羟薪嵌仍?0°以內時，各角度的磁密度在1.0T以下的鐵損曲線變化區(qū)別不大。從牌號等級角度考慮，30QG120牌號等級高于35Q155，整體性能較優(yōu)，制造的定子鐵芯性能也會更優(yōu)。但是，隨著取向鋼厚度規(guī)格的減薄，取向鋼牌號等級越高，銷售單價越貴，其對用戶在沖剪、疊片等過程的設備精度及加工精度提出了更高的要求，加工和用材成本也會大幅增加。因此，用戶在設計電工鋼片選材時，會充分考慮取向鋼的磁性能、牌號等級及厚度規(guī)格等綜合因素。大型電機用取向電工鋼一般選用厚度規(guī)格0.35mm的35Q155牌號取向電工鋼。

設計人員在進行汽輪發(fā)電機設計時，要盡量降低鐵芯損耗和節(jié)約發(fā)電機尺寸。大型汽輪發(fā)電機若選用取向電工鋼片做定子鐵芯，因為其損耗隨著磁通與軋制方向之間的夾角增大而增加，一般選擇軛部順軋制方向。有的汽輪發(fā)電機定子鐵芯軛部重量比齒部大得多，為了減少鐵芯總損耗，取向電工鋼片盡量使沖片軛部與軋制方向一致，偏離角控制在10°以內。因此，在有效降低軛部損耗或損耗相同的情況下，可顯著提高磁通密度，節(jié)約電工鋼片的用量和縮小發(fā)電機外徑。兩級式汽輪發(fā)電機轉速達1500～3000r/min，其定子鐵芯通常用取向電工鋼制造，使軛部平行于軋制方向，沖成扇形片，扇形片軛部與齒部的面積比為5∶1，而其鐵損占比為1.15∶1。由于齒部是橫向的，磁性能比較差，所以，在設計最大工作磁密度時，齒部磁密度Bm設計約1.8T。某用戶應用35Q155牌號取向電工鋼制作的大型汽輪發(fā)電機組，應用于神華天明、福清核電、榆林橫山等發(fā)電機組。

3 結論

通過以上試驗分析可知，取向電工鋼鐵損P1.7/50隨著剪切角度的增大而呈上升趨勢；磁極化強度J800隨著剪切角度的增大而呈下降趨勢；將取向電工鋼在剪切角度控制在10°以內，剪切角度和剪切應力對磁性能影響較小。

從磁性能角度考慮，30QG120牌號整體性能優(yōu)于35Q155，但綜合考慮硅鋼片加工性能和用材成本等因素，大型電機用取向電工鋼一般選用厚度規(guī)格0.35mm的35Q155牌號取向電工鋼。用戶在使用35Q155牌號取向電工鋼時，可根據(jù)鋼廠提供的不同剪切角度磁化曲線，在鐵芯設計制作時進行適當調整，進一步提升發(fā)電機組效率。