磁g腺化細(xì)化硅鋼片的鐵損分析

磁g腺化細(xì)化硅鋼片的鐵損分析

硅鋼片的鐵損失包括磁阻損失和蠕變損失，腕流損失可分為經(jīng)典渦流損失和異常室內(nèi)空氣損失。在工頻下,異常渦流損耗約占鐵損的一半左右。異常渦流損耗是以磁疇壁的移動(dòng)為基礎(chǔ)的渦流損失,與磁疇壁的移動(dòng)速率成正比,在相同頻率下,疇壁的移動(dòng)速率與移動(dòng)距離成正比,所以磁疇寬度越大,渦流損失越大。磁疇細(xì)化技術(shù)就是通過(guò)減小取向硅鋼主疇寬度來(lái)降低其渦流損耗的物理處理方法。磁疇細(xì)化技術(shù)可以使取向硅鋼鐵損降低10%～20%,很多鋼鐵企業(yè)或科研院所對(duì)該項(xiàng)技術(shù)展開(kāi)了研究。日本新日鐵公司采用激光照射技術(shù)使Hi-B鋼鐵損降低15%左右,牌號(hào)為ZDKH的磁疇細(xì)化硅鋼片于1983年投入市場(chǎng)。日本JFE公司開(kāi)發(fā)了一種耐熱型的磁疇細(xì)化技術(shù),其0.23mm和0.27mm的產(chǎn)品以JGSD的名稱(chēng)商品化。在歐洲和美國(guó)的專(zhuān)利中,也報(bào)道了通過(guò)局部熱變形或軋輥形成溝槽的磁疇細(xì)化方法。而在我國(guó),該項(xiàng)技術(shù)研究尚處于起步階段,僅東北大學(xué)、大連理工大學(xué)和航空部五零一所有相關(guān)研究的報(bào)道。廣泛研究國(guó)外細(xì)化磁疇的方法,深入研究細(xì)化磁疇的理論,并以此為鑒,對(duì)于開(kāi)發(fā)出適合我國(guó)硅鋼生產(chǎn)實(shí)際情況的磁疇細(xì)化技術(shù)具有很大的意義。1磁體的改進(jìn)方法磁疇細(xì)化技術(shù)按照其是否能經(jīng)受800℃以上消除應(yīng)力退火處理分為耐熱和非耐熱兩種。1.1非特異性磁極細(xì)化技術(shù)(1)鋼帶不能再涂層通過(guò)移動(dòng)大量的直徑較大的有一定間距的球使之與鋼片接觸,在鋼片表面施加強(qiáng)的局部壓力以產(chǎn)生塑性形變線,這些線垂直于軋向,間隔約5mm,壓力為20～60N。經(jīng)過(guò)這種處理后P17最多可降低9.4%。處理后的鋼帶不需要再涂層。該裝置包括一排安裝在固定支架上的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu),可通過(guò)移動(dòng)直接接觸鋼帶表面。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由一個(gè)與大量小球接觸的大球構(gòu)成,大球彈性的偏離支撐機(jī)構(gòu)并與鋼帶接觸,所有的球都是由堅(jiān)硬耐磨的材料做成。(2)鋼帶表面磁聯(lián)反應(yīng)的機(jī)理用照射能量為幾個(gè)mJ的半寬脈沖式或連續(xù)式激光束以點(diǎn)狀或線狀沿與軋向垂直的方向以大約5mm的間距照射在帶有絕緣膜的成品鋼帶表面。激光束的熱量在鋼板的表面之下產(chǎn)生一彈性-塑性形變區(qū)域。磁疇可能是通過(guò)在彈塑性形變區(qū)產(chǎn)生的壓應(yīng)力和刻痕間的張應(yīng)力來(lái)細(xì)化的。激光刻痕后鐵損可降低10%左右,當(dāng)硅鋼片在不小于500℃退火時(shí),激光刻痕的效果就基本消失,如果變壓器制造過(guò)程中包括有消除應(yīng)力退火工序,如卷繞式鐵心變壓器,采用這種方法就沒(méi)有意義了。(3)表面放電掃描放電處理法是一種沿橫向經(jīng)放電處理局部產(chǎn)生塑性變形來(lái)細(xì)化磁疇的方法。通過(guò)絕緣涂層鋼板表面與電極接觸放電進(jìn)行掃描。放電處理間距為1～30mm,放電痕跡寬度或直徑為0.004～2mm,線與線或點(diǎn)與點(diǎn)間距為0.1～0.8mm,沿鋼帶橫向裝一排放電電極。P17降低約0.1W/kg,B8無(wú)變化,絕緣膜層間電阻高。(4)鋼板表面等離子體流的應(yīng)用將等離子強(qiáng)制冷卻,接著經(jīng)噴嘴口約束成為高速氣流,以射流形式離開(kāi)噴嘴,中心區(qū)溫度超過(guò)10000℃,這種高溫、高能等離子流垂直于軋向短時(shí)間照射在鋼板表面上,實(shí)現(xiàn)磁疇細(xì)化,而絕對(duì)不損壞鋼板表面涂層。由于等離子流引入應(yīng)變的結(jié)果,在承受等離子流照射的鋼板區(qū)域中的磁疇轉(zhuǎn)變成為“應(yīng)力圖樣磁疇”,降低了在應(yīng)力圖樣與180°疇相交處產(chǎn)生的自由磁極引起的靜磁能,使180°疇壁間距減小。經(jīng)等離子流照射后鐵損最大可降低約16%。(5)次晶粒尺寸冷軋帶沿橫向局部經(jīng)高頻感應(yīng)或電阻加熱,使初次晶粒尺寸比其他區(qū)域大于50%,以后二次晶粒長(zhǎng)大受到抑制,二次晶粒尺寸減小,磁疇細(xì)化,局部加熱區(qū)間隔不小于2mm,寬度小于1.5mm,處理時(shí)間不小于0.5s。如果高溫退火后沿橫向局部加熱到不小于800℃,同時(shí)加2.5MPa以上壓力,也使磁疇細(xì)化和防止因受熱而引起的鋼板不平。(6)玻璃膜的去除高溫退火后在玻璃膜表面用振動(dòng)體經(jīng)(1×10-5)～(1×10-1)kg·m/s運(yùn)動(dòng)量往返運(yùn)動(dòng),通過(guò)產(chǎn)生的沖擊力沿橫向局部線狀破壞玻璃膜,同時(shí)不影響玻璃膜產(chǎn)生的拉應(yīng)力作用,即在鋼板中產(chǎn)生不均勻彈性應(yīng)變,當(dāng)振動(dòng)頻率f在超聲波范圍內(nèi)時(shí),沖擊力為2mfL,當(dāng)f大于10Hz和2mfL大于5×10-6kg·m/s時(shí),玻璃膜完全去掉,P17降低約0.1W/kg,同時(shí),疊片系數(shù)不降低。玻璃膜去除區(qū)由于受塑性應(yīng)變而新產(chǎn)生的拉力與損失掉的拉力相等。處理后經(jīng)平整拉伸退火和涂絕緣膜,燒結(jié)溫度小于700℃,否則處理效果消失。1.2可靠性磁極薄技術(shù)(1)鋼架齒的制作對(duì)有玻璃膜的硅鋼片,局部應(yīng)變用齒狀輥壓入,輥上加有212～300kg的載荷,壓出的凹槽深10～25μm,裝置由齒輥和壓力輥組成,壓力輥由支撐輥加壓,齒輥與壓力輥相對(duì)。應(yīng)變引入后涂上張力涂層,然后在850℃涂層燒結(jié),接著進(jìn)行850℃,4h消除應(yīng)力退火。齒間距與齒條寬度分別為5mm和60μm,齒間形狀為平面,鋼板的凹槽線偏離軋向75°。凹槽附近產(chǎn)生約100μm小晶粒,其位向不是(110),在它們與二次晶粒形成的晶界上產(chǎn)生了可逆亞磁疇,其長(zhǎng)度為2～3mm,這使磁疇細(xì)化和鐵損明顯降低。齒狀輥引入應(yīng)變后,P17明顯增高,但850℃退火后P17顯著降低,并且疊片系數(shù)不降低。(2)蝕坑與磁織化先經(jīng)激光照射局部破壞涂層膜,使金屬基體裸露,然后將鋼片浸在硝酸中10～20s,形成約20μm的蝕坑,蝕坑形成后,鋼片用水沖洗,再涂層,適當(dāng)深度的蝕坑以及重新涂應(yīng)力涂層膜填滿蝕坑時(shí)產(chǎn)生的局部應(yīng)力使磁疇細(xì)化。經(jīng)過(guò)850℃,2h消除應(yīng)力退火后P17降低8%～10%。(3)-fe含量的影響沿橫向經(jīng)機(jī)械加工或激光照射等方法使鋼板產(chǎn)生微小的形變,再在此局部區(qū)域鍍上Sb,Sb沿激光照射區(qū)擴(kuò)散進(jìn)硅鋼片,以一定間隔形成無(wú)磁化區(qū),擴(kuò)散進(jìn)硅鋼片中的Sb和鋼中的Fe起反應(yīng),生成Sb-Fe合金,退火使?jié)BSb硅鋼片鐵損降低,在800～850℃消除應(yīng)力退火后鐵損保持穩(wěn)定。在滲Sb區(qū)磁力線被迫偏離板面,自由磁極在此處產(chǎn)生,形成了包括大部分90°的亞磁疇,當(dāng)施加9.807N/mm2張力時(shí),90°疇消失,180°疇細(xì)化。P17降低0.12～0.15W/kg,磁疇寬度減小約1/3。如果用脈沖激光沿橫向經(jīng)小于45°點(diǎn)線狀照射,形成?10～1mm,3～100μm深的三角錐形溝槽,0.23mm厚板的P17降低0.10～0.13W/kg并耐熱。照射后玻璃膜仍然存在,依靠玻璃膜產(chǎn)生的拉力細(xì)化磁疇,這種拉力在退火時(shí)不會(huì)消除。(4)電解蝕刻工藝在最終冷軋后的鋼板上局部涂布抗蝕劑,使未涂布部分與軋向垂直,接著,未涂布抗蝕劑基體顯露的部分進(jìn)行電解蝕刻形成溝,溝寬約為150μm,深20μm,軋向間隔3～4mm。接著進(jìn)入堿溶槽中浸漬,剝離抗蝕劑,經(jīng)脫碳退火,最終高溫退火,平坦化退火及涂布絕緣膜制成成品。經(jīng)800℃,3h消除應(yīng)力退火后,鐵損降低10%～15%。2磁體薄擴(kuò)展機(jī)2.1其他磁滯損耗公式通常硅鋼片的鐵損主要指渦流損耗和磁滯損耗。按照經(jīng)典的渦流損耗公式,板材的經(jīng)典渦流損耗可用Pce表示為:Pce=π2d2f2B2m6ρ(1)Ρce=π2d2f2Bm26ρ(1)式中:d為板厚,f為頻率,Bm為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度,ρ為電阻率。在此公式的推導(dǎo)中,曾假定鐵磁體各處的磁導(dǎo)率相同。事實(shí)上,當(dāng)磁場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí),磁化過(guò)程主要是疇壁位移過(guò)程,dB/dt僅限于局部區(qū)域。故渦流電流密度I也應(yīng)當(dāng)是局域分布的。由于電功率與I2成比例,因而將產(chǎn)生額外的能量損耗。即所謂的反常渦流損耗?？紤]反常渦流損耗后,總的渦流損耗Pe可用下式表示:pe=Pce·η(2),由Pry-Bean模型?η=1.628?Ld(3)??η=1.628?Ld(3)?L為主疇寬度。因此總的渦流損耗pe為:pe=1.628π2f2B2mdL6ρ(4)pe=1.628π2f2B2mdL6ρ(4)磁滯損耗來(lái)自不可逆的磁化過(guò)程(不可逆的疇壁位移過(guò)程或不可逆的磁化矢量轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程)。在直流磁化過(guò)程中的磁滯回線面積即代表了這一損耗的大小,即磁化一周的磁滯損耗能量為:Ph=HdB,H為磁場(chǎng)強(qiáng)度,B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。取向硅鋼是軟磁材料,其矯頑力非常小,其磁滯回線窄而長(zhǎng),并且對(duì)于理想化的取向硅鋼在立方晶系的易磁化方向磁化時(shí),Br=Bs,這樣,高斯織構(gòu)高磁感取向硅鋼的磁滯損耗可近似表示為:Ph=4fBsHc(5)式中f為頻率,Hz;Bs為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度,T,Hc為矯頑力,A/m。根據(jù)上述公式,利用反磁化核的成核和長(zhǎng)大模型,葉曦等人推導(dǎo)出了高磁感取向硅鋼的磁滯損耗公式:Ph=144γ?fD(6)Ρh=144γ?fD(6)式中γ為磁疇壁能量密度,D為晶粒沿軋制方向的平均尺寸。主疇寬L與晶粒尺度D有如下關(guān)系:D=0.498C11λ2100L2γ(7)D=0.498C11λ1002L2γ(7)將(7)式代入(6)式得:Ph=288fγ2C11λ2100L2(8)Ρh=288fγ2C11λ1002L2(8)因此,高磁感取向硅鋼的鐵損計(jì)算公式為:Ph=Pe+Ph=1.628π2f2B2mdL6ρ+288fγ2C11λ2100L2(9)Ρh=Ρe+Ρh=1.628π2f2B2mdL6ρ+288fγ2C11λ1002L2(9)從(9)式可見(jiàn),減小沿〈001〉方向的晶粒平均尺寸而細(xì)化180°主疇寬可降低渦流損耗,同時(shí)也使磁滯損耗增加。為簡(jiǎn)化起見(jiàn),將其他量看作是常數(shù),Pt是L的函數(shù),由極值法可知,在駐點(diǎn)L0處,Pt取得極小值。即令?Pt/?L=0,可得使Pt取極小值的L0為:L30=864γ2ρ1.628π2fB2mdC11λ2100(10)L03=864γ2ρ1.628π2fBm2dC11λ1002(10)由(10)可見(jiàn),可以通過(guò)物理方法減小主疇寬度,使其接近L0,從而降低鐵損,使其趨近于最小值。2.2磁通物質(zhì)的變化影響磁疇寬度的主要因素是晶粒尺寸和受力狀態(tài),可表示為:L0=[4γ0L0/(C11λ2100+32λ100σr)]1/2L0=[4γ0L0/(C11λ1002+32λ100σr)]1/2上式說(shuō)明沿軋向施加張應(yīng)力或減小晶粒尺寸可以細(xì)化磁疇。當(dāng)通過(guò)激光或機(jī)械等方法在硅鋼片表面刻痕時(shí),在刻痕所產(chǎn)生的彈-塑性形變區(qū)內(nèi)存在壓應(yīng)力,此壓應(yīng)力提高了磁彈性能,所以形成了橫向亞磁疇,另一方面,由于刻痕線及殘余應(yīng)力的存在,產(chǎn)生了表面自由磁極,為降低表面自由磁極所造成的靜磁能,形成了尖釘狀亞磁疇,垂直于軋向刻痕,在平行的刻痕線之間存在張應(yīng)力,施加張應(yīng)力會(huì)使橫向亞磁疇的磁彈性能增加,施加壓應(yīng)力,橫向亞磁疇的磁彈性能減少,主磁疇的磁彈性能剛好相反。180°主磁疇中的尖釘狀磁疇和橫向亞疇是不穩(wěn)定的,張應(yīng)力的出現(xiàn)降低了磁彈性能,使橫向亞磁疇減少,尖釘狀亞磁疇長(zhǎng)大,并在某些情況下轉(zhuǎn)變?yōu)?80°主磁疇,180°主疇壁間距因此被細(xì)化。由于刻痕主要是殘余應(yīng)力引起的,經(jīng)過(guò)消除應(yīng)