取向硅钢磁性能的影响因素.docx

1、取向硅钢磁性能的影响因素首 钢 工 学 院毕 业 论 文（设 计）题 目： 取向硅钢磁性能影响因素 系 别： 建筑与环保工程系 专 业： 班 级： 姓 名： 指导教师： 目 录摘要 1ABSTRACT 2绪论 31 取向硅钢 41.1 取向硅钢发展概况 41.1.1国外取向硅钢发展状况 41.1.2国内取向硅钢发展状况 51.2 取向硅钢生产工艺 71.3 取向硅钢的性能 71.3.1取向硅钢产品特点 71.3.2取向硅钢磁性能 91.4取向硅钢的磁性能的应用 101.5 取向硅钢的发展展望 102 磁性能的影响因素 112.1某些元素对硅钢磁性能的影响 112.1.1基本合金元素的作用 12

2、2.1.2杂质元素的影响 142.1.3特殊用途的合金元素 152.2取向度对磁性能的影响 162.3铁损对取向硅钢磁性能的影响 162.3.1铁损 172.3.2影响取向硅钢铁损（PT）的因素 173 取向硅钢磁性能的改善 253.1添加抑制剂 253.1.1硫化锰(MnS) 253.1.2氮化铝( AlN) 253.1.3其它抑制剂 263.2细化磁畴 263.2.1磁畴细化的机理 263.2.2细化磁畴技术 273.3薄带生产技术 273.4其它改善取向硅钢磁性能的方法 28结束 29参考文献 31致谢 33摘要本论文以影响取向硅钢磁性能的影响因素为课题，探究了影响磁性能的因素。本课题以

3、内部组织结构及铁损损失为根源，逐步探究影响磁性能的因素。论文主要分为三部分:第一部分介绍了取向硅钢的一些简单知识及磁性能的一些知识；第二部分研究了取向硅钢磁性能的影响因素；第三部分介绍了一些改善磁性能的技术和方法。通过研究得出影响磁性能的因素主要为：一些化学元素、板坯厚度、晶粒度及杂质等。关键词：取向硅钢，化学元素，铁损损失，磁性能ABSTRACTIn this paper, based on the influence factors of silicon steel magnetic influence orientation issue, explores the factors aff

4、ecting magnetic performance. This topic to internal organization structure and the iron loss of the loss for the root cause, step by step to explore the factors that affect magnetic. Thesis mainly is divided into three parts: The first part introduces some simple knowledge of oriented silicon steel

5、and some knowledge of the magnetic; Second part studied the influence factors of oriented silicon steel magnetic; The third part introduces some techniques and methods to improve magnetic. Through the study indicates that the factors affecting magnetic can mainly Some chemical element, the slab thic

6、kness, grain size and impurity and so on.Keywords: Oriented silicon steel, chemical elements, Iron loss damage, magnetic property绪论目前,为了达到节能和保护环境的目的,全球都将关注的重点放在取向硅钢生产工艺上,取向硅钢( GO) 低铁损(W17/ 50 = 0. 75 W/ kg) 是适应当前市场的要求的,通过提高硅的质量分数、改进精轧技术的方法生产低铁损、超薄硅钢片。而Hi2B 钢只占全球取向硅钢产量的20 % ,就是这占极小比率的Hi2B 钢为变压器低噪音化作出

7、了巨大的贡献。所以,近年来美、日等国也致力于开发和生产高磁感、低铁损、磁致伸缩小、表面质量好冷轧取向硅钢,技术日趋完善。为了获得高磁感应的取向硅钢片各国家不断的研究新技术，本轮就取向硅钢磁感应方面加以研究。介绍影响取向硅钢的磁性能的因素，以及取向硅钢的一些简单知识和改善磁性能的方法。1 取向硅钢晶粒取向硅钢(Grain.oriented Silicon Steel，简称取向硅钢)是一种硅含量为3的电工用钢，是电力、电子等行业不可或缺的软磁材料。取向硅钢主要用于制造各种型号的变压器，是一种重要的节能功能材料1。硅钢实质是高硅及低碳的铁素体钢，由硅钢和有关元素配合，通过较复杂、要求严格的炼钢、热轧

8、、冷轧、热处理工艺获得晶粒状取向一致排列在易磁化方向的高斯织110，得到良好的、不同等级的电磁性能，晶粒在易磁化方向取向程度越高，则磁导率越高，铁损越低，这样可大大减少铁损，降低能耗，提高电器寿命2。 图1-1冷轧无取向硅钢组织结构 图1-2冷轧取向硅钢组织结构1.1 取向硅钢发展概况1.1.1国外取向硅钢发展状况1.1.1.1普通取向硅钢(CGO)的发展1930-1967年主要是冷轧普通取向(CGO)板的发展阶段。1930年美国高斯(N.P.Goss)在1926年本多光太郎等已发表的Fe单晶体磁各向异性实验结果的启发下采用冷轧和退火的方法开始实验。1933年高斯采用两次冷轧和退火方法制成沿轧

9、向磁性高(具有110织构)的3%硅钢(此硅钢也称单取向或Goss取向冷轧硅钢)，1934年申请专利并公开发表。同一年Armco钢公司按高斯专利技术与Westinghouse电气公司合作组织生产。其后Armco公司采用快速分析微量碳等技术和不断改进制造工艺及设备，产品质量逐步提高并申请了一系列专利3。逐渐垄断了这个时期CGO钢的发展。表1-1 为Armco 公司普通取向硅钢发展情况。表1-1 Armco 公司在普通取向硅钢生产工艺和原班方面的发展情况1.1.1.2 高磁感应取向硅钢(Hi-B)的发展1961一1994年期间高磁感应取向硅钢迅速发展。1953年日本新日铁公司(前八幅厂)田中悟等发现

10、含0.05%C，2.94% Si，0.02%AI和0.0062%N的249号一炉钢经过一次大压下率冷轧和退火后110取向度和磁性明显高于普通取向硅钢。1961年在引进Armco 专利基础上首先试制AIN+MnS综合抑制剂的高磁感应取向硅钢。1964年开始生产并命名为Hi-B，但磁性不稳定。在以后的短短几十年内以日本为主的Hi-B生产发展迅速。表1-2是高磁感应取向硅钢的发展情况。表1-2高磁感应取向硅钢的生产技术进展1.1.2国内取向硅钢发展状况我国取向硅钢的研究工作起步于上世纪中叶4。1957年，冶金部钢铁研究院开始试制3硅冷轧取向硅钢，确定了两次冷轧和退火的合适工艺以及慢升温的高温退火工艺

11、，制成了110取向硅钢，但由于对抑制剂和高温加热热轧的前工序认识不足，磁性不稳定。1959年太原钢铁厂和鞍山钢铁公司先后开始试生产取向硅钢。1964年，采用MnS为抑制剂、连续炉脱碳退火、涂MgO隔离剂、罩式炉高温退火和涂绝缘膜工艺使取向硅钢磁性和磁稳定性明显提高。1973年，开始研究取向硅钢中锰、硫和碳的合适含量以及残余铝含量的有利作用，特别是板坯加热温度和加热制度。1977年，在验证和消化日本专利的基础上制成了Hi-B钢。1987-1989年，在Hi-B钢中加入锡和铜，采用两段式高温常化处理和冷轧时效工艺制成Z7H高牌号。表1-3和统计表代表了我国取向硅钢的发展和成就。表1-3国内生产取向

12、硅钢的钢铁公司国内钢铁公司成 就武钢1.1974年，从日本新日铁引进，1978年投产2.2006、07年产量分为20.799万t和27.398万t3.2008年年底三硅钢投产，总产量达160万t，取向硅钢总产能将达到40万t，预计Hi-B钢将占取向硅钢总量的40。鞍钢1.2009年一期建成，取向硅钢4万吨、高牌号无取向硅钢6万吨。2.2010年二期竣工，调试投产，月产2000吨。宝钢1.1996年，取向硅钢工程列入公司发展战略。2.1997年，启动取向硅钢制造技术自主研发项目。3.2004年，实验室稳定试制出合格产品，决策自主建设取向硅钢生产线4.2007年，完成9000吨的取向硅钢大生产验证

13、。5.2008年，取向硅钢产线全面投产。6.2008年5月15日，第一卷合格普通取向硅钢下线。7.2008年7月29日，第一卷合格NSGO高磁感取向硅钢下线。8.2008年12月12日，第一卷合格激光刻痕NSGO产品下线。9.2009年一期工程达到10万t太钢取向硅钢产能达15万t首钢迁钢1.2011年首钢迁钢开始投产取向硅钢。2.2012年3月7日第一卷高磁感取向硅钢成功下线，同年6月下旬迁钢取向硅钢累计生产600吨，9月下旬激光刻痕机组投入使用。2006-2010 取向电工钢产量变化统计表1.2 取向硅钢生产工艺取向硅钢按工艺特点和磁性高低分为普通取向硅钢(CGO)和高磁感应取向硅钢(Hi

14、-B)两类。CGO钢的特点是以MnS(或MnSe)为抑制剂和采用二次中等压下率冷轧法进行生产。Hi-B按采用的抑制剂和制造工艺上不同可分为3种方案：(1)日本新日铁发展的以A1N为主，并以MnS为辅的抑制剂和一次大压下率冷轧法，其磁性高且稳定，是最通用的Hi-B产品制造工艺。(2)日本川崎发展的以MnSe(或MnS)+Sb为抑制剂和二次中等压下率冷轧，最终退火经二次再结晶和高温净化二段式退火工艺，其磁性略低于(1)方案且较不稳定。(3)美国GE和ALC公司发展的以N+B+S晶界偏聚元素为抑制剂和一次大压下率冷轧法。下面是取向硅钢的通用生产工艺流程，见图1-3所示5。图1-3 典型取向硅钢生产工

15、艺流程1.3 取向硅钢的性能1.3.1取向硅钢产品特点1.3.1.1铁芯损耗（PT）低铁芯损耗是指铁芯在50Hz交变磁场下磁化时所消耗的无效电能，简称铁损，也称交变损耗，其单位为W/Kg。这种由于磁通变化受到各种阻碍而消耗的无效电能，通过铁芯发热既损失掉电能，又引起电机和变压器的升温。电工钢的铁损（PT）包括磁滞损耗，涡流损耗(Pe)和反常损耗（Pa）三部分。电工钢板铁损低，既可节能大量电能，又可延长电机和变压器工作转换时间，并简化冷却装置。由于电工钢板的铁损所造成的电量损失占各国全年发电量的2.5%-4.5%，因此各国生产电工钢板以铁损作为考核产品磁性的最重要指标，按产品的铁损值作为划分产品

16、牌号的依据。图1-4为历年来取向硅钢铁损降低的情况图。图1-4 历年来取向硅钢铁扭降低情况1.3.1.2磁感应强度（B）高磁感应强度是铁芯单位截面积上通过的磁力线数，也称磁通密度，它代表材料的磁化能力，单位为T。取向硅钢的磁感应强度高铁芯的激磁电流（也称空载电流）低，铜损和铁损都下降，可节省电能。当电机和变压器功率不变时，磁感应强度高，设计Bm可提高，铁芯截面积可缩小，这使铁芯体积减小和重量减轻，从而节省电工钢板、导线、绝缘材料和结构材料用量，可降低电机和变压器的总损耗和制造成本，有利于大变压器和大电机的制造、安装和运输。取向硅钢设计Bm高达1.7-1.80T，接近B8值，因此以B8作为磁感保

17、证值。1.3.1.3磁各向异性变压器是在静止状态下工作，大中型变压器铁芯是用条片叠成，一些配电变压器、电流和电压互感器以及脉冲变压器是用卷绕铁芯制造，这样保证沿电工钢板轧制方向下料和磁化，因此都用冷轧取向硅钢制造。1.3.1.4磁时效现象小铁磁材料的磁性随使用时间而变化的现象称磁时效。这种现象主要是材料中碳和氮等杂志元素引起的。取向硅钢中碳和氮含量小于0.0035%时，磁时效明显减小。1.3.1.5良好的机械加工性，较高的充烦系数，经冷轧后高达96%如表所示为取向硅钢几种典型的机械性能表1-4典型取向硅钢的机械性能1.3.2取向硅钢磁性能由于取向硅钢中存在织构故而取向硅钢具有明显的磁各向异性，

18、在易磁化的轧制方向上具有优越的高磁导率与低损耗特性。取向钢带在轧制方向的铁损仅为横向的1/3，磁导率之比为6:1，其铁损约为热轧带的1/2，磁导率为后者的2.5倍。带钢在轧向上有优良的磁性，它的易磁化方向与轧制方向一致，理想的取向硅钢产品的织构110 。取向硅钢可根据磁感的不同分为高磁感取向电工钢（B81.88T，记为HiB或SGO）和一般取向电工钢（B81.88T，记为CGO）两种。表1-5为典型的电磁性能表1-5典型取向硅钢电磁性能1.4取向硅钢的磁性能的应用根据取向硅钢的磁性能的高低他们应用在不同的地方，高磁性的电工钢主要应用在大型变压器上如表为不同磁性的取向硅钢的应用。表1-6不同磁性

19、取向硅钢的应用1.5 取向硅钢的发展展望由于我国目前变压器主要向两个方面发展:一是向特大型超高压方面发展，电压等级由220V、330V和500kV向75OkV，1000kV发展;二是向节能化、小型化、低噪音、高阻抗、防爆型发展。这些产品以中小型产品为主，如目前在城网、农网改造上被推荐采用的新S9型配电变压器6。相应的取向硅钢的发展也是向着这个方向发展，逐步提高产品的产是和质量.满足市场的需求。在发达的工业国家，因变压器硅钢片铁损而耗费的电能，约占总发电电盆的4%左右。为此，降低取向硅俐片的铁损一直是国内外硅钢企业长期致力研究的重要课题。故在今后较长的一段时间内还是围绕提高磁感、降低铁损来做文章

20、。一般常用的措施有：提高110 晶粒去向度.增加硅含量，减薄板厚，细化磁畴等。2 磁性能的影响因素由图2-1可以看出，硅铁单晶体的磁性是各向异性的，其中方向是最易磁化的方向。因此工业上往往追求电工钢板内各晶粒的方向尽可能平行于板面。对于取向电工钢人们希望获得强110织构。图2-1 铁单晶体的磁各向异性图2-2 （110）001取向硅钢中晶粒排列（a）和晶粒取向硅钢板（b）示意图电工钢种类较多，取向电工钢分为普通取向电工钢（CGO）和高磁感取向电工钢（Hi-B）。取向电工钢的晶粒取向特征为110晶面平行于轧面，方向平行于轧向，即呈现110织构。通常提到的取向电工钢指单取向电工钢，也称作高斯织构电

21、工钢。如图2-2（a）所示的规则排列，其110晶面平行于轧制平面，易磁化方向晶向平行于轧制方向，沿轧向磁化时磁性高，而横向为较难磁化的方向。图2-2（b）为取向硅钢板示意图。2.1某些元素对硅钢磁性能的影响硅钢和其他金属材料一样，其磁性性能主要由其内部组织结构所控制，众所周知，组织结构的确立又与其合金元素密切相关，织构、金属间化合物的形成及析出，合金元素的偏析等将对硅钢的铁损和磁感应强度产生重要影响。硅钢的牌号不同，其化学组成也不同，但其基本组成包括三大类元素。第一类为其基本合金元素即：、等；第二类为杂志元素：、等；第三类为特殊用途合金元素如：、等。2.1.1基本合金元素的作用2.1.1.1碳

22、元素首先应考虑硅钢中含碳引起的严重现象，若成品中残余留碳，则出现磁时效，磁时效的发生取决于碳含量。如果磁时效在马达或其它电气设备中产生，那么铁损就可增加到初始值的二倍，设备就会受到损坏，因此碳对软磁材料的磁性极为有害。碳会增大-Fe的矫顽力，加大磁滞损失，降低磁感应强度，所以高级优质硅钢片中碳含量要求在0.020%，甚至0.010%以下。一般说来7，碳对磁性的影响程度随钢中硅含量的不同而不同；碳存在的形态不同，对磁性的影响也不同。有人认为8晶界上渗碳体对磁性影响较晶粒内部小，但会使硅钢片塑性显著变坏。碳使硅钢片磁导率降低，而且又是形成磁时效应的主要元素之一。2.1.1.2 硅的作用硅能显著减少

23、硅钢内的涡流损失，从而总铁芯损失减少（表2-1）。硅还可以提高相图中A3线和降低A4线临界温度，在Fe-S相图中形成闭合的圈。当含2.5%-15%S时为单相-Fe。所以高硅硅钢片多经高温退火来使组织均匀，晶粒粗化，夹杂聚集。硅可以减少晶体性，使磁化容易，磁阻减少。硅对电阻率及其它固有磁性的影响如图2-19。硅能显著提高-Fe比电阻，因而减少涡流损失。在强磁场作用下，硅使硅钢片的磁导率下降。还能减轻钢中其它杂质的危害，使碳石墨化，降低对磁性的有害影响。硅和氧有强亲和力，起脱氧作用。硅可减少碳、氧和氮在-Fe中脱溶引起的磁时效现象。硅还能与氮化合成氮化硅，硅高时氮在钢中的溶解度可降低。表2-1 硅

24、含量对各种损失的影响硅除对电工钢上述有利作用外，硅也会使钢变脆。目前以研究成功含硅6.5%的硅钢片，高硅硅钢导热性低，钢带冷却和加热时容易发生内裂。随着硅含量的增加，硅钢片的硬度也随之升高，且易氧化生锈，在其表面形成氧化膜，结果导致硅钢用户冲片用的模具变得容易损坏。图2-1硅含量对硅钢电阻率和其它固有磁性的影响表2-2为含3-4%取向硅钢的饱和磁感（Bs），电阻率（），比重（D），膨胀系数和导热系数（）的实测结果表2-2 3-4%Si-Fe的物理参数上表结果表明，含4%Si比3%Si钢的饱和磁感应强度和比重分别下降2%和0.5%左右，电阻率几乎增加近1/3，随含Si量的增加合金导热性能有所降低

25、，但是随着加热温度的提高，3%与4%Si-Fe合金的导热性能的差距缩小。2.1.1.3锰的作用新日本钢铁会社研究了非常洁净的低硅高锰钢，试验发现，高的锰含量可以改善晶体结构，加1.0%Mn后，带钢晶体组织中（100）和（110）晶面增加，（111）晶面减少，磁性显著改善。一般认为10，过多的锰会对磁性产生有害的影响，这是因为它使织构变坏，并且形成不需要的沉淀物MnS，但当在生产过程中，利用十分洁净的钢，就可以使锰对组织结构控制起有利作用。另外，锰是防止热脆不可缺少的元素，其含量应控制在0.1%以上，锰会提高碳在铁中的溶解度，扩大相区，与碳化合成渗碳体，故锰的含量也不宜过高，一般不超过1.5%。

26、2.1.2杂质元素的影响2.1.2.1磷元素低碳电工钢板主要用来制造微电机（1kw）和小型电机（100kw）。由于这种材料比较软，冲片性能差，因此常加入磷（0.08%-0.15%）来强化铁素体，提高硬度，改善冲片性。磷会增加硅钢的冷脆性，使冷加工困难，原因是在晶界处形成脆的磷化铁。在室温时钢中相可溶解1.2%的磷，呈置换固溶体。磷会改变铁原子间结合力和激活能，故对再结晶过程和晶粒长大有影响。磷的影响超过同样硅含量影响的4-5倍，磷还可以提高比电阻，降低涡流损失；由于磷促使晶粒增大，故亦可使矫顽力和磁滞损失降低。随磷含量增加，在弱和中磁场下的磁感应强度提高；而在强磁场下，由于磷使晶粒粗化而磁感应

27、强度(B100)略有减少。同时，磷是一种界面活性元素，偏聚于晶界会导致严重的晶界脆化，从而使成品钢板变得极脆。2.1.2.2铝元素铝的作用与硅相近，可以提高钢的比电阻，减少铁芯损失（图2-2），并降低磁感应强度，铝含量达到一定数量会使晶粒粗化并促使碳石墨化。铝还能减少钢中氧含量，减少磁时效现象。铝使相区缩小。虽然铝对磁性有利，但钢中铝氧化物又会使磁性变坏。铝又是冷轧硅钢脱氧所需成分，加铝还可获得高纯度钢，使钢可连续浇注。图2-2铝对硅钢铁芯损失的影响铝和硅一样，能使材料变脆，铝含量大于0.5%时硅钢变脆更见突出，但与高硅钢比较则仍显有较好的塑性。有人试以Fe-Al-Mn合金作变压器钢片，铝的含

28、量2倍于锰，在3.25%-6.45%范围，电磁性能与含4%Si的硅钢相近，但塑性明显优于后者。铝含量太高的其它有害影响是大的长条形铝化合物析出相在晶界上形成会阻碍晶粒粗化11。2.1.2.3铜元素小于0.7%的铜溶于-Fe中，会促使碳石墨化，对磁性无大影像；硅钢含0.5%Cu时，防锈能力可提高15倍，故硅钢中有时故意加入铜。硅钢中含铜大于0.7%时，在热轧过程中会形成大量（CuMn）1.8S和（Mn，Cu）S质点，使硅钢矫顽力和磁滞损失增加并使钢变脆，一般硅钢铜含量控制为0.2%-0.3%。2.4氮、硫、砥等合金元素的作用无论是全硬钢、全加工或半加工硅钢，氮对磁性都有害。氮是通过生成有害的Al

29、N沉淀发生影响的。表2-3列出了含1.3%（Si+Al）的脱碳半加工硅钢在1.5T下测定的磁性。当氮含量从0.006%降至0.002% 时，其铁损与磁导率都可进一步改善。表2-3 脱碳半加工硅钢1.3%（Si+Al）在1.5T下的磁性和晶粒度硫在硅钢中对磁性有害影响均与基体中存在硫化锰的微细质点及晶界上存在自由硫有关。计算指出，当硫在0.005%-0.030%范围内，对于含0.3%Mn、0.6%Si和0.2%Al的半加工硅钢，每增加0.02%S可使铁损提高0.33W/Kg。硼加到半加工铝镇静电工钢中，可以抑制退火时的AlN沉淀。因为在退火时所生成的AlN沉淀会抑制某些结晶方向的晶粒长大，从而产

30、生对磁性不利的织构。硼与氮结合成为氮化硼，在热轧时沉淀于奥氏体中。若硼超过0.003%，则对磁性有害，这是因为又生成另一些含硼的化合物（如F23(BC)6），使晶粒细化。2.1.3特殊用途的合金元素2.1.3.1锡元素的作用近几年，大量研究工作证明，在高磁感取向硅钢中加入0.05%-0.10%Sn可明显改善磁性。多数学者认为，锡可在第二相质点MnS和AlN（成为抑制剂）与基体界面处偏聚，阻碍它们的Ostwald长大，使其更加细小、弥散，从而增强对晶粒正常长大的抑制能力，减小初次晶粒尺寸，在最终高温退火后得到更完善的110二次再结晶组织，提高了取向度和磁性；此外，锡还使常化退火时相的分布更均匀，

31、常化后珠光体的分散更均匀，从而增大了铁素体晶粒尺寸，冷轧时形成更多的形变带，使二次晶粒尺寸减小，铁损进一步降低。由于锡是一种表面活性元素，因此亦有可能在最终高温退火的升温阶段在晶界发生偏聚，加强对晶粒正常长大的抑制能力，减小初次晶粒尺寸，从而起到铺助抑制剂的作用。何忠治等人12研究了锡元素对硅钢二次再结晶的影响。根据其试验结果可知：从550开始锡在取向硅钢中的晶界偏聚浓度随温度的升高而下降，在二次再结晶起始温度950，锡在晶界仍有一定的偏聚量；锡在取向硅钢中的晶界偏聚行为与纯铁中相似，没有表现出多元系统中各元素间发生强烈交互作用时的典型特征，但由于取向硅钢的初步再结晶织构较强，数据的分散度明显高于纯铁的情况；锡通过在取向硅钢中的晶界偏聚起了铺助抑制剂的作用，并可降低二次再结晶温度，这些均有利于发展更完善的110二次再结晶，增大二次再结晶晶粒尺寸，提高磁性。2.2取向度对磁性能的影响因为硅含量基本不变（在2.93.5