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国内外电工钢生产技术现状及发展趋势

发布者:重庆鼎星渗氮表面处理有限公司 发布时间:2017/12/5 10:53:42 阅读:次 【字体:

   

  国内外电工钢生产技术现状及发展趋势

  21世纪以来,虽然我国电工钢产业取得了长足的进步,但是在超低铁损取向电工钢、高牌号无取向电工钢、高效电机电工钢等领域仍有待提高。“十三五”期间,我国电工钢的发展应走绿色发展道路,在保证高质量水平前提下,在节能减排、降低生产成本上,进行电工钢生产工艺流程的革新,这对我国钢铁企业来说依然任重而道远,期望对我国电工钢的技术创新提供有益的参考和借鉴。

  1、电工钢在国民经济和社会发展中的作用和地位

  1.1 电工钢是电力生产到消费所有电工设备最重要的功能材料

  电工钢的功能水平主要以电磁性能铁芯损耗和磁感两大指标表示。电工钢分为两大类:晶粒取向电工钢(CGO和HiB)和无取向电工钢,其使用比例一般为1∶3-4。电工钢除用在大宗电工设备如:变压器、电动机、发电机外,还广泛用于通讯、仪表、电子、重大科研等设备上。因此,电工钢不仅在电力发展、同时还在涉及千家万户的家用电器工业和国防建设方面发挥着独特的重要作用。

  1.2 电工钢是世界用量最大的功能材料

  电工钢以其独特的良好电磁转换功能,伴随着电力工业的发展而同步增长,成为当今世界用量最大的功能材料,即使今天出现了诸如非晶态、微晶等电磁性能更为优良的材料,但由于其材料的特性不足及应用范围的限制、加工方式等问题,仍无法取代电工钢。

  1.3 电工钢的铁损是引起社会电能损失的重要因素

  一国的发电到消耗过程中,有大量的电能以热的形式被损耗,其中45%是由发电和消费的电工钢设备中的铁芯材料——电工钢所引起的。

  1.4 电工钢的功能水平是决定电工产品性能、效率、生产成本的关键

  电工钢具有低的损耗和高的磁感应强度,可使电工设备达到降低电能损耗和提高转换效率,减少原辅材料消耗、缩小体积、降低噪音等。

  2、电工钢的磁性能水平

  衡量电工钢质量优劣的重要指标是能量转换过程引起的损耗,因此,损耗PT(W/ kg)与磁感应强度B(T)就成为评价质量优劣的标准,降低铁损与提高磁感是世界电工钢技术研发的目标。

  2.1 铁损

  PT = Ph + Pe +Pa

  PT——总损耗;

  Ph——磁滞损耗 Ph ∝ Af A:磁滞回线面积 f:工作频率;

  Pe—— 涡流损耗 Pe∝B2t2f2/ρ B:磁感,t:钢板厚度,f:工作频率,ρ:电阻率;

  Pa——反常损耗 Pa = PT- Pe -Ph

  磁滞损耗:在磁化和反磁化过程中,由于磁性材料中夹杂物、晶体缺陷、内应力和晶体位向等因素,阻碍磁畴壁移动,磁通变化受阻,造成磁感应强度落后于磁场强度变化的磁滞现象而引起的能量损耗。

  涡流损耗:是磁性材料在交变磁化过程中,在磁通改变方向时,按照法拉第电磁感应定律,在磁通的周围感生出局部电动势而引起涡流所造成的能量损耗。

  反常损耗:是由于材料磁化时,由磁畴结构不同而引起的能量损耗。

  ◆无取向低碳电工钢和中低牌号电工钢Ph占75.80%;

  ◆无取向高牌号电工钢由于硅含量高和晶粒尺寸较大,Ph约占60%,Pa占10%-13%;

  ◆取向电工钢由于晶粒更大,Ph约占30%,Pe+Pa约占70%,Pa可比Pe大1-2倍。

  由于电机中定子铁芯轭部设计Bm值约为1.5T,频率50Hz(或60Hz),所以无取向钢的铁损保证值用P15/50(W/ kg)表示。变压器铁芯设计用工作磁感Bm一般为1.7-1.8 T,频率为50Hz(或60Hz),因此冷轧取向钢的铁损保证值一般用P17/50(W/kg)表示。

  2.2 磁感

  磁感是铁芯单位截面积上通过的磁力线数,也称磁通密度,代表材料的磁化能力,单位为T。无取向钢用于电机设计Bm约为1.5T,接近电工钢的B50值,因此,用B50作为磁感保证值。取向钢用于变压器设计选用Bm约为1.7-1.8 T,接近B8值,因此,用B8作为磁感保证值。

  3、世界电工钢制造工艺的发展及磁性改善趋势

  3.1 取向电工钢发展趋势

  目前,取向电工钢研究的主要方向是:

  (1)改善取向电工钢产品的磁性能,采用磁畴壁移动均匀化和细化磁畴等方法降低铁损、减小磁滞伸缩系数,减少能耗并降低变压器的噪声;

  (2)采用低温加热工艺和更紧凑的生产流程(如薄板坯连铸和双辊薄带连铸工艺生产取向电工钢等),降低生产成本,保持产品市场竞争力。

  取向电工钢生产技术发展趋势主要在以下四方面:

  1)提高(110)[001]晶粒取向度的研究。

  取向电工钢的磁感强度只与(110)[001]晶粒取向度或(110)[001]位向偏离角有关,为提高晶粒取向电工钢的取向度,选用对初次再结晶晶粒长大具有高抑制能力的抑制剂至关重要。美国首先采用MnS作抑制剂,后工序采用二次冷轧法制成了(110)[001]织构位向与轧向平均偏离角≤7°的普通取向电工钢。

  1968年日本新日铁公司开发了用AIN+MnS作抑制剂,高温常化后析出细小AIN粒子,对初次再结晶具有更强的抑制能力。后工序采用一次冷轧法,配合其他工序的特殊处理,使(110)[001]织构位向与轧向平均偏离角降低到≤3°,生产出铁损更低、磁感更高的HiB取向电工钢。

  近年来,新日铁住金公司采用AIN作抑制剂,脱碳退火后在>1000×10-6NH3的>75%H2+N2的连续炉内渗氮处理,控制PH2O/PH2≤0.04,渗氮量为(1 2 0 - 2 0 0)×1 0- 6,渗氮处理后在>10%H2+N2中,以15-25℃/h速度升温到(1000-1100℃)×(10-20h)退火,使二次再结晶完善后再升温至1200℃,0.2 mm厚板的达1.94-1.95T,该法生产的HiB钢中,AIN对初次再结晶晶粒长大的抑制能力较AIN+MnS抑制剂方案更强,磁感更高。

  2)降低取向电工钢铁损的研究。

  进一步降低取向电工钢铁损的措施主要有细化磁畴(这对降低HiB钢和≤0.23 mm厚产品的铁损更有效)、提高硅含量、减小钢板厚度以及减小二次再结晶晶粒尺寸等,由于电工钢中硅含量过高,易导致冷加工性变差,因此通过提高硅含量降低铁损程度有限,因而,降低铁损的主要目标在细化磁畴、减小钢板厚度及减小二次再结晶晶粒尺寸方面。

  通过在抑制剂中添加Sn、Sb等单质元素,冷轧过程中采用时效轧制工艺,可使HiB取向电工钢二次再结晶晶粒尺寸由10mm×20mm约减小至4mm×6mm,可以使涡流损耗P17/ 50下降0.1-0.2W/kg。

  减薄厚度的前提条件是应使二次再结晶发展稳定,减薄厚度可使经典涡流损耗下降,如HiB钢由0.30mm减薄到0.23mm,磁滞损耗与异常涡流损耗不变,但经典涡流损耗由0.36W/kg降到0.21W/kg,下降了41.7%。用物理及化学方法可使取向电工钢磁畴细化,明显降低异常涡流损失。如0.23mm HiB取向电工钢,经激光照射(ZDKH)处理,磁滞损耗与经典涡流损耗不变,而使异常涡流损耗由0.40W/kg降至0.30W/kg,下降25%,从而使总损耗降低。

  3)铸坯低温加热生产取向电工钢工艺。

  近年来,许多取向电工钢生产厂为降低生产成本,提高生产效率,竞相开发了多种低温加热(≤1 300℃)生产工艺,如:新日铁八幡厂抑制剂采用AIN(Al s0.025%-0.035%)为主,添加单元素Cr(0.15%-0.20%)、B(0.003%-0.004%)或Sn(0.05%-0.10%)、Bi(0.005%-0.10%)等方案生产HiB钢,铸坯加热温度降到1250℃以下。控制热轧最后3道次总压下率>40%,最后1道次压下率>20%,经常化后,采用80%-90% 压下率的一次冷轧法,冷轧过程中采用时效处理;脱碳退火后经渗氮处理(含NH3 的H2+N2混合气),控制初次晶粒的平均尺寸d=18-30μm,可生产厚0.18-0.50 mm产品,AIN的抑制作用比普通HiB钢中AIN的抑制作用更强,二次再结晶发展更稳定,适用于制造节能变压器,而且更有利于生产表面光滑(无玻璃膜)的取向电工钢,可使P17进一步降低。日本JFE公司不使用抑制剂,将钢中C和Al含量均控制在小于0.01%,S、N、O均控制在小于0.003%。铸坯加热温度降至1150-1250℃,热轧后经900-950℃、60 s常化处理,冷轧前晶粒尺寸控制在200μm以下,冷轧压下率控制在70%-91% ,在干的(H2+N2)混合气氛中,以950℃初次再结晶退火,省去

  脱碳退火并采用1050-1100℃低温最终退火(不需高温净化处理),制造成本明显降低,产品轧向磁性较低,但横向磁性有所提高,而且冲片性好,主要用于制作EI型变压器、镇流器及大型发电机。

  韩国浦项采用以Cu2S(Cu 0.3%-0.7%)和AIN(Als0.013%-0.019%)为主抑制剂,Ni(0.03%-0.07%)和Cr(0.03%-0.07%)的方案生产HiB钢,铸坯加热温度为1050-1250℃,热轧板经900-l 150℃常化后,进行一次冷轧(压下率为84%-90%),冷轧板厚度为0.23-0.35 mm,经脱碳退火后,再进行渗氮处理。钢中添加适量的B元素(0.0055%-0.0065%)可形成BN,进一步加强抑制能力。

  德国蒂森钢铁公司,采用Cu2S+AIN+Sn作抑制剂,控制(Mn)×(Cu)/(S)=0.1-0.4。铸坯加热温度为1050-1250℃,高温常化处理后,采用冷轧时效处理的一次大压下率冷轧。最终退火在<10% H2+N2混合气氛中缓慢升温,防止Cu2S过早分解,成品磁性良好。

  4)短流程生产取向电工钢工艺。

  继德国蒂森1999年首次利用CSP工艺生产无取向电工钢之后,意大利AST钢铁公司在特尔尼(TERNI)建成的CSP还生产过普通取向电工钢和高磁感取向电工钢。

  3.2 无取向电工钢发展趋势

  低铁损、高磁感是电工钢生产技术发展的大势所趋。在高品质的前提下,为进一步节能减排、降低成本,必须推动电工钢生产工艺流程的革命。特别应该指出,炼钢(含精炼技术)的进展,对电工钢成分控制起非常重要的作用,例如无取向电工钢冶炼要求的超纯净化,C+S+N+O≤60ppm,取向电工钢对抑制剂成分,如MnS、Al N等的控制,后工序获得高斯织构至关重要。

  4、抑制剂在取向电工钢生产中的重要作用

  4.1 厚板坯加热温度高、中、低与抑制剂的形成

  厚板坯加热温度与抑制剂的形成原因分析(略)。

  4.2 世界各国因采用不同抑制剂而使板坯加热温度不同

  通过以上工艺分析,其基本点在于抑制剂不同,造成板坯加热温度的不同,为避免板坯高温加热带来的缺陷,研究人员多年来一直在寻找可以降低板坯加热温度的抑制剂,因而在世界范围内出现了不同抑制剂与不同板坯加热温度。

  凡板坯加热温度在1400℃以上的,基本上是新日铁输出的HiB生产技术,抑制剂主要以Al N为主;凡是板坯加热温度小于1200℃的,基本上是20世纪80年代后开发的以Al N为主,且采用后工序渗氮技术的SL工艺;板坯加热温度在1280-1300℃可能大都采用俄罗斯的Cu2S和Al N为抑制剂的一般取向钢。

  4.3 中国取向电工钢生产的三种不同板坯加热温度

  目前,在中国板坯高、中、低温加热工艺生产一般取向钢与高磁感取向钢三种工艺并存,最典型的是武钢,既有原引进的日本新日铁的高温板坯加热工艺生产CGO和HiB,又有学习俄罗斯的中温板坯加热工艺(1280-1320℃)生产CGO及“十二五”期间开发的低温板坯加热(1100-1150℃)+渗氮工艺生产高磁感取向电工钢。

  5、电工钢产品质量水平(主要以磁性水平表示)

  中国电工钢生产从1952年算起已经历了64年,冷轧电工钢自1974年算起,亦经历了42年。中国电工钢是从无到有,从热轧电工钢起步到引进冷轧电工钢生产工艺与装备,期间经历了学习、消化、自主创新,以及工序配套及管理思想的转型。至今可以自豪地说,在产品磁性水平上,已处于国际领先水平,凡是新日铁住金公司可生产的牌号(包括取向与无取向钢),我国企业完全可以生产。目前,国家重大电力工程所需高磁感取向电工钢及低铁损大尺寸的无取向电工钢,均可立足国内生产,其他如民用家电、汽车电机等所需电工钢,亦可根据用户新品开发要求而予以满足。

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