变压器铁心材料的发展综述

1/19变压器铁心材料的发展第一节铁心用软磁材料铁心是电机、变压器的重要部件。电机、变压器铁心对材料的基本要求是，在一定频率及磁通密度下具有低的铁心损耗，和在一定磁场强度下具有高的磁通密度。在电机、变压器的发展过程中，曾经采用和目前应用的铁心材料有：1.纯铁、软钢和无硅钢；2.硅钢片；3.铁镍合金（坡莫合金）；4.铁铝合金；5.非晶态合金；6.微晶合金。下面分别介绍这些材料的发展情况。纯铁、软钢及无硅钢最早的电机铁心是直棒形或马碲形的纯铁棒。1837年，斯特金（W.Sturgeon，1783～1850）首先用纯铁丝制作电机铁心。1870年，A.佩勒斯等人首先用软铁片制作铁心。1879年，爱迪生发明软钢片叠成的铁心。最早的变压器铁心（感应线圈铁心）是用铁棒做成的，后来又改用铁丝制作铁心。1885年，匈牙利岗茨工厂开始采用薄铁带作变压器铁心；1887年，岗茨工厂出现用软铁片叠成的变压器铁心。19世纪90年代及以后，用软铁片叠成的变压器铁心逐渐推广。同时一些工厂用软钢片取代软铁片，制成变压器铁心。但是，在19世纪末及20世纪初，用软铁或软钢制造的铁心存在三大问题。一是当时薄铁片（薄钢片）的价格昂贵，制约了它的推广；二是铁心损耗大，发热严重；三是“铁心老化”问题曾使许多人伤透脑筋，人们发现，电机、变压器运行一段时间后，铁心损耗迅速增加，发热更为严重，迫使人们有时不得不更换铁心或整台电机、变压器，这一问题给当时迅速发展的交流系统投下了巨大的阴影。针对“铁心老化”问题，许多人进行了大量的研究、试验工作，直到1895年才基本搞清了它的机理，知道影响铁心老化的主要因素是运行温度。总之，由于软铁或软钢具有导磁性高，矫顽力低、价格低廉、工艺性好等优点，因此在1900年硅钢片发明前及20世纪初一段时间里，电机、变压器铁心多是采用热轧低碳软钢片或电磁纯铁片冲制而成的。但是，软铁及软钢存在电阻率低、涡流损耗大，特别是“铁心老化”严重等先天不足，因此在硅钢片实现工业化生产后，逐渐退出了大部分电机及变压器铁心领域。尽管如此，人类仍孜孜不倦地对软铁、软钢进行改进。特别是希奥弗（Cioffi）和因森（Yensen）研究发现，纯铁在高温氢中进行除杂质处理后可以显著改善磁性能，使纯铁的u0达到20000，um达到340000。1940年后许多国家又推广真空冶炼法，改进轧制和热处理工艺、使软铁、软钢的性能有所改善，使它们2/19在硅钢片风行全球的时候仍在某些小型电机变压器铁心中有所应用。特别是从50年代末期开始，情况开始发生变化。美、日、苏、英等从经济性和实际用途考虑，采用新的冶炼、轧制退火工艺，又开始大力发展冷轧无硅低碳电工钢片和电磁纯铁电工片。美国从50年代末期开始用无硅电工钢片取代一般的低硅钢片，用于生产日用电器、分马力电机和一部分小电机，1972年，美国无硅钢片的用量已占电工钢片总量的50%。苏联60年代后开发出ЭO00～ЭO300牌号的无硅钢片，推广用于小型电机、电器中；英国无硅钢片发展很快，80年代初的产量与硅钢片持平；日本无硅钢片使用较少，一些不太重要的产品则多采用低级硅钢片。无硅电工钢片具有价格低、冲制性能好、磁感高等优点，其最明显的缺点是损耗太高，从而大大限制了它的应用场合，所在在70年代能源危机后，无硅钢片的生产又逐渐回落。2硅钢片1822年，著名瑞典化学家伯尔瑟利乌斯（J.J.Berzelius，1778～1848）首先制取出了硅（Si）。1889年，英国人巴莱特（W.F.Barett）、布朗（W.Brown）和哈德菲尔德（R.A.Hadfield）开始研究各种二元系和三元系合金的磁性能和电气性能。他们在研究中发现，在软钢中加入硅（Si），可以提高钢的电阻系数，降低钢的涡流及磁滞损耗，而且钢片的衰老现象也有改善。1900年，他们在《Sci.Trans.Roy.DublinSoc.》上发表文章，介绍了研究成果，引起人们注意。1903年，美国开始生产这种加有硅的钢片，并称它为“Stalloy”（硅钢片）。同年，德国也开始生产硅钢片。不久，法国、英国、意大利等也开始生产硅钢片，苏联在1915年、日本在1924年开始生产硅钢片。2.1热轧硅钢片早期硅钢片是热轧硅钢片，含硅量较低，一般Si含量为1～2%（B级），多用于电动机中。以后硅含量增加，1929年日本开始生产变压器用T级硅钢片（Si含量4～4.5%）。由于早期生产工艺不成熟，硅钢片的损耗较高。图1为1932年热轧硅钢片的损耗-磁通密度（W-B）曲线。1954年，开始制造采用焊接工艺将硅钢板焊成卷状的硅钢片，从而使连续加工成为可能。3/19图11932年热轧硅钢片的损耗（W）-磁通密度（B）曲线（B级含Si1～2%；T级含Si4～4.5%）1954年后，随着冷轧硅钢片的出现，热轧硅钢片产量逐渐降低。美国60年代停止热轧硅钢片生产，1967年日本停止生产热轧硅钢片，英国、法国也于70年代淘汰了热轧硅钢片。美国、英国、日本30、40年代热轧硅钢片的性能比较见表1。4/19美国Alieg-henyArma-tureElect-ricalDynamoSuperDynamoDynamoSpecialTransfTransfTransfTransfTransfTransfDCBAA-1AAArmcoArma-tureElectricSpecialInterm-ediateTrancorTrancorTrancorTrancorElectricTransf2346AISIM-43M36M-27M-22M-19M-17M-15M-14铁损W10/502.252.041.781.681.441.361.271.151.030.930.93(0.35mm)W15/507.46.24.564.33.73.443.182.842.582.492.41磁化特性B2515,40015,30015,12015,05014,75014,45014,45014,000B5016,30014,30016,20015,85015,65015,15015,15014,780B10017,33016,60016,60015,600固有电阻率μΩcm2228455354656868含硅量%0.751.252.73.73.7555.25.2日本BCDT145T135T120铁损W10/502.32.11.81.451.351.2(0.35mm)W15/506.25.64.83.853.63.2磁化特性B2514,80014,70014,40013,90013,90013,900(0.35mm)B5015,80015,70015,40014,90014,90014,900B10016,90016,70016,40015,90015,90015,900B30019,20019,00018,70018,20018,20018,200英国CBA5/19铁损W10/501.41.251.15(0.35mm)W15/502.452.22.05磁化特性B2514,30014,30014,300B5015,20015,20015,200B10016,10016,10016,100B30018,70018,70018,7006/192.2冷轧无取向硅钢片美国AlleghenyLudlum公司20世纪40年代开始生产冷轧无取向硅钢片。1954年日本开始生产冷轧无取向硅钢片。由于冷轧硅钢片具有损耗低、质量可靠、厚度均匀、表面平整等优点，所以它一出现就得到了广泛的应用，在许多场合取代了热轧硅钢片。冷轧无取向硅钢片自诞生之日起，就沿两条技术路线发展：一是沿低价格、低Si含量方向发展，以取代热轧硅钢片；二是沿低损耗、高Si含量方向发展。70年代石油危机后，由于节能电机、高效率发电机的需要，使低损耗冷轧无取向硅钢片得到很大发展。日本1983年开发出当时世界最高水平的H6硅钢片。表2为几个国家冷轧无取向硅钢片的性能。表2冷轧无取向硅钢片性能比较厚度美国日本英国西德苏联mm牌号P15/50瓦/公斤牌号P15/50瓦/公斤牌号P15/50瓦/公斤牌号P15/50瓦/公斤牌号P15/50瓦/公斤0.35M-142.27M-152.5H92.4G2502.5M-192.86H102.65G2652.65V110-35A2.7M-223.08H123.1G3153.15M-363.74H143.6G3353.35V130-35A3.3M-434.7H184.4H205H235.50.5H92.9H103.1V135-50A3.3Э32003.4H123.6G3553.55V150-50A3.5Э31003.7H144G4004V170-50A4H184.7G4504.5V200-50A4.7H205.4V230-50A5.3H236.2V260-50A67/193取向硅钢片20年代初，威廉（Williams）对硅铁中单晶进行了研究，得到了在易磁化轴{100}方向um=1400000，认为在多晶粒板中在{100}轴向也应有极好的性能。1926年，日本人本多·茅发现，铁的结晶方向最容易磁化，或者说晶粒立方体棱边方向是最易磁化的方向。1934年，美国人戈斯（N.P.Goss）在试验室里研制成功取向硅钢片，他采用冷轧与高温热处理相结合的方法（表3），使硅钢片中晶粒沿轧制方向有序排列，具有优良的磁性。1935年，戈斯在《TransAmer.Soc.Metals》上发表文章，介绍研究成果，并申请获得了英国专利（No.442211）。同年，美国Armco公司开始工业化生产冷轧取向硅钢片。40年代，美国Armco公司和Allegheny公司都生产出了高质量的变压器用取向硅钢片。Armco公司的牌号为Tran-cor（西屋公司称为Hipersil）；Allegeny公司的牌号为Silectron（GE公司称为Corosil）。1953年，日本试制成冷轧取向硅钢片。1958年，日本引进Armco公司的专利技术，开始冷轧取向硅钢片的工业化生产，并在此基础上不断改进，使日本冷轧硅钢片的性能达到世界最高水平。图2是Z11取向硅钢片的磁性能与轧制方向的关系。表33～3.5%Si的硅钢片工艺温度（℃）板厚（mm）热轧650～8002中间退火9000.75第一次冷轧90～2000.3中间退火926第二次冷轧90～200涂绝缘层-最后退火1093～1200时效处理100单取向硅钢片在与轧制方向垂直方向的导磁性能较低，为克服这一缺点，德国真空熔炼公司在40年代发明了双取向硅钢片。1957年，美国GE公司和西屋公司也几乎同时制成双取向硅钢片，60年代日本川崎和八幡工厂也研制成功双取向硅钢片。它在轧制方向和垂直方向上的磁性能都与单取向硅钢片轧制方向的磁性能相近。这种硅钢片的晶粒呈立方体组织（图3）。单取向和双取向性硅钢片的性能比较见表4。8/19表4单取向和双取向硅钢片性能比较压延方向直角方向单取向双取向单取向双取向最大导磁率μm55,000116,0008,00065,000矫顽力HC（Oe）0.080.070.270.08剩余磁感应Br（G）9,50012,2001,75011,500磁感应B（G）16,30016,60011,00016,000（H=2Oe）0.60.561.60.65铁损耗15/60（W/磅）*（板厚0.3mm）图3取向硅钢片的组织（a）单取向（b）双取向1968年，日本新日铁工厂开始工业化生产高导磁密度取向硅钢片，它的商用名是“OrientcoreHi-B”，简称“Hi-B”；1972年，开发出大晶格高导磁取向硅钢片；1981年又进而开发出小晶格高导磁取向硅钢片；1982年，日本开始生产表面激光照射处理（ZDKH）的高导磁取向硅钢片，进一步降低了铁损。1988年，日本又开发出采用机械方法形成微小应力法（ADMH）的高导磁取向硅钢片。日本新日铁公司取向硅钢片的发展见图4。50年代，几个国家单取向硅钢片的性能见表5。1955～1975年间，日本取向硅钢片及无取向硅钢片的质量变迁见图5。