硅钢基础知识.docx

硅钢基础知识.docx

《硅钢基础知识.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《硅钢基础知识.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

硅钢基础知识

硅钢基础知识

硅钢带的生产

    1903年美国和德国首先生产了热轧硅钢。

美国阿姆柯钢公司于1935年开始生产冷轧

取向硅钢，20世纪40年代初生产无取向硅钢。

50年代主要工业发达国家陆续引进阿姆柯

技术专利。

70年代前，世界约80％取向硅钢都按此专利生产。

1968年日本新日铁正式生

产高磁感取向硅钢（Hi-B钢）。

从1971年开始，美国等6个国家引进了日本Hi—B钢专利。

从1968年开始，日本在冷轧电工钢产品质量、制造技术和装备、开发新产品和新技术、科研和测试技术各方面都远超过美国，处于领先地位。

    我国太原钢铁（集团）公司于1954年首先生产热轧硅钢。

1957年钢铁研究总院研制成功

冷轧取向硅钢，到1973年已掌握阿姆柯技术专利要点。

1974年武汉钢铁（集团）公司从日本新日铁引进冷轧硅钢制造装备和专利，1979年正式生产11个牌号的冷轧取向及无取向硅钢。

4．1  电工钢的分类及性能

    4．1．1  电工钢的分类

    电工钢按其成分分为低碳低硅（碳含量很低，硅的质量分数小于0．5％）电工钢和硅钢

两类；按最终加工成形的方法分为热轧硅钢和冷轧硅钢两大类；按其磁各向异性分为取向电

工钢和无取向电工钢。

    热轧硅钢板均系无取向硅钢，硅钢的磁各向异性是在冷轧后通过二次再结晶过程发展

而成的，因此只有冷轧电工钢才有取向与无取向之分。

由于产品的用途不同对磁各向异性

的要求不同。

在旋转状态下工作的电机要求电工钢磁各向同性，用无取向电工钢制造；变压

器在静止状态下工作，要求沿一个方向磁化（轧制方向），用冷轧取向硅钢制造，因此取向硅

钢又称变压器钢。

    我国电工用热轧硅钢薄板的国家标准号为GB5212—85；从20世纪60年代开始，主要

工业发达国家陆续停止了热轧硅钢板的生产。

    我国冷轧晶粒取向、无取向磁性钢带（片）的国家标准号为GB2521—1996。

    标准中的牌号表示方法为：

以字母W表示无取向钢带（片）；以字母Q表示取向钢带

（片）；以字母G表示取向钢中的高磁感材料。

    在一些资料、书籍中，称普通取向硅钢为GO钢，高磁感取向硅钢为Hi-B钢，

    电工钢分类见表3—1。

4．1．2  电工钢的性能要求

4．1．2．1  磁性能

    电工钢是以其铁损和磁感应强度作为产品磁性保证值的。

用户对电工钢的磁性能要求

如下：

（1）低的铁损。

铁损（尸t）是由磁滞损耗（Ph）、涡流损耗（Pe）和反常损耗（Pa）三部分组成的。

铁损低可节省大量电力、延长电机和变压器工作时间并简化冷却装置。

因电工钢的铁损造成的电量损失占一个国家年发电量的2．5％一4．5％，其中变压器约占50％，小电机占30％，镇流器占15％。

因此，各国生产电工钢板总是千方百计地降低铁损，并以铁损作为考核产品磁性能的最重要的指标，按铁损值作为划分牌号的依据。

（2）高的磁感应强度。

磁感应强度高，铁芯激磁电流（空载电流）降低，导线电阻引起的

铜损和铁芯铁损降低，可节省电能。

当电机或变压器容量不变时，磁感应强度高可使铁芯体

积缩小和质量减轻，节省电工钢板、导线等的用量，并使铁芯铁损和制造成本降低，有利于制造、安装和运输。

（3）  对磁各向异性的要求。

硅钢是体心立方晶体结构，其晶轴不同，磁化特性也不同。

三个主轴方向的磁性，[100]方向为易磁化轴，[110]方向为次易磁化轴，[111]方向为难磁化轴。

这种磁化特性称为磁各向异性。

    电工钢的用途不同，要求磁各向异性不同。

电机在旋转状态下工作，要求电工钢磁各向

同性，用无取向电工钢制造；变压器在静止状态下工作，要求磁各向异性，用冷轧取向硅钢制造。

    （4）  磁时效小。

铁芯的磁性随使用时间而变化的现象叫磁时效。

磁时效主要是由于过

饱和碳和氮析出微小碳化物和氮化物而引起的。

所以要求电工钢产品中碳含量（质量分数）

和氮含量（质量分数）分别小于0．0035％和0．005％。

    4．1．2．2  加工性能

    由于电工钢还需要进一步加工成形，用户对电工钢的加工性能也有一定的要求：

（1）  好的冲片性。

电工钢成形的冲剪工作量很大，特别是微、小电机，所以要求电工钢板的冲片性好。

冲片性好能够提高冲剪片的尺寸精度，延长冲剪工具的使用寿命。

（2）  表面光滑平整，厚度偏差小和均匀。

这项要求主要是为了提高产品的叠片系数（铁

芯有效利用空间），保证冲剪片尺寸精度和便于铁芯装配。

电工钢板的叠片系数降低1％，相当于铁损增高2％和磁感强度降低1％。

    4．1．2．3  好的绝缘膜．

    冷轧电工钢产品表面涂有无机盐或半有机盐绝缘薄膜，以防止铁芯叠片间发生短路而增高涡流损耗。

对绝缘膜的要求是：

（1）耐热性好；

（2）膜薄且均匀；（3）层间电阻高；（4）附着性好；（5）冲片性好；（6）耐腐蚀性和防锈性好。

高磁感取向硅钢表面涂以应力涂层，使钢板中产生拉应力，通过细化磁畴使铁损和磁致伸缩明显降低。

    不同用途的电工钢，对磁性、冲片性和绝缘性有不同的要求。

    不同的最终加工成形方法，对磁性和加工性有不同影响。

冷轧电工钢比热轧电工钢具有如下优点：

（1）磁性高，可节省大量电能；

（2）表面光滑，叠片系数高；（3）冲片性好；（4）表面

涂绝缘膜，便于使用；（5）成卷供应，适用于高速冲床，利用率高。

4．1．3  影响电工钢性能的因素

磁感应强度和铁损是电工钢磁性的根本特性。

    4．1．3．1  影响磁感应强度的因素

    影响磁感应强度的因素有：

（1）  无取向电工钢的磁感应强度主要与硅含量和晶体织构有关。

硅含量提高，磁感应

强度月50值降低。

    无取向电工钢基本为混乱织构，但调整成分和改善制造工艺，可使织构中（100）和（110）

位向组分加强，（111）组分减弱，Bso值提高

    钢中杂质和夹杂物含量增高，以及成品晶粒尺寸增大，也使B．so值降低。

（2）冷轧取向硅钢的硅含量（质量分数）基本不变（在2．9％一3．5％Sl的范围内变化），

所以磁感应强度只随（110）[001]晶粒取向度提高或（110）[001]位向偏离角减小而增高。

    4．1．3．2  影响铁损的因素

    影响铁损Pt的因素多且复杂，因为影响组成Pt的磁滞损耗Ph涡流损耗Pe和反常损

耗Pa的因素各不相同，而且其中一些因素对这三种铁损组分具有完全相反的影响，只能最

终看表现在Pt值上的综合效果。

    无取向电工钢铁损Pt中，Ph占60％一80％，主要是降低Ph。

    取向硅钢铁损Pt中，Ph仅占大约30％，Pe十Pa约占70％，而Pa又比Pe大1～2倍，

因此降低铁损主要应降低Pa和Pe，特别是Pa。

    A  影响磁致损耗Ph的因素

    影响几的因素就是影响磁畴壁移动的因素，它们是：

（1）  晶体织构。

取向硅钢（110）[001）取向度提高或无取向电工钢中（100）位向组分增高，则Ph降低。

（2）  杂质、夹杂物和内应力。

它们使晶格发生畸变，位错密度增高，阻碍磁畴壁移动，所以Ph增高。

    （3）  晶粒尺寸。

晶界的晶格是畸变的，晶体缺陷多，使磁畴壁移动阻力增大，所以晶粒小晶界面大，Ph增高。

    （4）板厚。

成品厚度减薄，表面自由磁极能量（静磁能）增大，磁畴壁移动阻力增加，Ph增高。

    （5）表面状态。

钢板表面平滑，表面自由磁极减少，磁畴壁移动阻力减小，Ph降低。

    B  影响涡流损耗Pe和反常损耗Pa的因素

    Pe与电工钢的电阻率  （取决于硅含量）成反比关系；与板厚t的平方成正比关系。

    Pa与电工钢的磁畴结构有关。

    日本近十年降低取向硅钢铁损的三个主要措施（提高硅含量、减薄成品厚度和细化磁畴）就是以此理论为依据的。

    影响磁畴尺寸的主要因素是：

（1）  晶粒尺寸。

晶粒粗大，磁畴尺寸增大，畴壁移动速度加快，而Pa与畴壁移动速度平方成正比关系，所以Pa增大。

（2）  （110）[001]位向偏离角。

取向硅钢[001]位向对轧制面的倾角时，1800主磁

畴尺寸减小，Pa降低。

    （3）  拉应力效应。

沿轧制方向加拉应力，1800磁畴细化和900亚磁畴减少，Pa减低。

应

力涂层就是据此效应开发的。

（4）  刻痕效应。

取向硅钢表面沿横向刻度可使磁畴细化，降低Pa。

但刻度使钢板表面

  不平和叠片系数降低，故无实用价值。

4．1．3．3  硅的作用  

    硅是影响电工钢磁性、力学性能最基本的因素。

    在电工钢中加硅主要是提高电阻率，降低涡流损耗，同时使矫顽力和磁滞损耗也降低，

从而使铁损下降，但磁感应强度和饱和磁感应强度也降低，随着硅含量增高，钢的屈服强度

和抗拉强度明显提高，但硅含量（质量分数）大于3．5％时的屈服强度和硅含量（质量分数）

大于4．0％时的抗拉强度又迅速降低，随着硅含量增高，伸长率显著降低，硬度迅速增高。

  因此，热轧硅钢的硅含量（质量分数）上限约为4．5％，冷轧硅钢约为4．5％，随着硅含量增高，钢的热导率下降，铸造晶粒粗大。

4．2硅钢生产工艺  

    4．2．1  生产硅钢的理论依据  

    在冶金生产过程中，影响磁性能的冶金因素是制定各类磁性锅合理生产工艺的主要依据。

    3．2．1．1  取向硅钢生产的理论依据

硅钢和铁一样都是体心立方晶体结构，其晶轴不同，磁化特性不同。

图3•1为体心立方晶格结构示意图，[100]方向为易磁化轴

晶格结构示意图，（100）方向为易磁化轴，（110）方向为次易磁化轴，（111）方向为难化轴。

这种磁化特性称为磁各向异性。

取向硅钢就是利用这种磁各向异性原理制造出来的。

图3—2为取向硅钢的晶粒位向示意图。

[100]轴平行轧向（即钢板的长度方向），（110）面平行轧面（即钢板表面），这种位向称为高斯织构，表示为（110）（001）。

高斯织构是通过二次再结晶过程发展面成的。

为了获得优良的高斯织构必须具备三个条件。

（1）  热轧板中必须存在（110）（001）晶粒

（2）  基体中必须含有细小并且均匀弥散分布的第二相质点，也称抑制剂（如MnS、AIN

等）。

二次再结晶的驱动力是晶界能，抑制剂的作用是阻碍初次再结晶晶粒长大，促进二次再结晶发展，使（110）（001）位向的初次晶敞通过二次再结晶吞食其他位向的初次晶粒而迅速长大。

抑制初次再结晶晶粒长大的能力，与抑制剂质点尺寸成反比关系，与抑制剂质点数量成正比关系。

    （3）要求初次晶粒均匀细小

    因此，在钢水成分、热轧工艺、冷轧及热处理工艺等方面均需保证上述条件的实现。

    取向硅钢根据机理及生产工艺不取向硅钢有普通取向硅钢（GO钢）和高磁感取向硅钢（Hi-B钢）之分。

    普通取向硅钢以MnS作为抑制剂，采用二次冷轧工艺生产，进行一次中间退火，产品易磁化轴[001]偏离轧制方向的平均角在70左右；晶粒尺寸平均为3—5mm。

    高磁感取向硅钢以MnS+AlN作为抑制剂。

采用一次冷轧工艺生产，产品易磁化轴

[001]偏离轧制方向的平均角在30以内，因此磁感应强度更高（Hi-B名由此而来），而铁损

更低，晶粒尺寸平均为10mm一20mm。

    4．2．1．2  无取向硅钢的生产特点

    无取向硅钢有普通无取向硅钢和高级无取向硅钢之分。

    普通无取向硅钢，w（Si）<1．5％，生产牌号相当于50W540、50W600；高级无取向硅钢

w（Si）>2.0％