磁g腺化細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，腕流損失可分為經典渦流損失和異常室內空氣損失。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為基礎的渦流損失,與磁疇壁的移動速率成正比,在相同頻率下,疇壁的移動速率與移動距離成正比,所以磁疇寬度越大,渦流損失越大。磁疇細化技術就是通過減小取向硅鋼主疇寬度來降低其渦流損耗的物理處理方法。磁疇細化技術可以使取向硅鋼鐵損降低10%～20%,很多鋼鐵企業或科研院所對該項技術展開了研究。日本新日鐵公司采用激光照射技術使Hi-B鋼鐵損降低15%左右,牌號為ZDKH的磁疇細化硅鋼片于1983年投入市場。日本JFE公司開發了一種耐熱型的磁疇細化技術,其0.23mm和0.27mm的產品以JGSD的名稱商品化。在歐洲和美國的專利中,也報道了通過局部熱變形或軋輥形成溝槽的磁疇細化方法。而在我國,該項技術研究尚處于起步階段,僅東北大學、大連理工大學和航空部五零一所有相關研究的報道。廣泛研究國外細化磁疇的方法,深入研究細化磁疇的理論,并以此為鑒,對于開發出適合我國硅鋼生產實際情況的磁疇細化技術具有很大的意義。1磁體的改進方法磁疇細化技術按照其是否能經受800℃以上消除應力退火處理分為耐熱和非耐熱兩種。1.1非特異性磁極細化技術(1)鋼帶不能再涂層通過移動大量的直徑較大的有一定間距的球使之與鋼片接觸,在鋼片表面施加強的局部壓力以產生塑性形變線,這些線垂直于軋向,間隔約5mm,壓力為20～60N。經過這種處理后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動機構,可通過移動直接接觸鋼帶表面。轉動機構由一個與大量小球接觸的大球構成,大球彈性的偏離支撐機構并與鋼帶接觸,所有的球都是由堅硬耐磨的材料做成。(2)鋼帶表面磁聯反應的機理用照射能量為幾個mJ的半寬脈沖式或連續式激光束以點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生一彈性-塑性形變區域。磁疇可能是通過在彈塑性形變區產生的壓應力和刻痕間的張應力來細化的。激光刻痕后鐵損可降低10%左右,當硅鋼片在不小于500℃退火時,激光刻痕的效果就基本消失,如果變壓器制造過程中包括有消除應力退火工序,如卷繞式鐵心變壓器,采用這種方法就沒有意義了。(3)表面放電掃描放電處理法是一種沿橫向經放電處理局部產生塑性變形來細化磁疇的方法。通過絕緣涂層鋼板表面與電極接觸放電進行掃描。放電處理間距為1～30mm,放電痕跡寬度或直徑為0.004～2mm,線與線或點與點間距為0.1～0.8mm,沿鋼帶橫向裝一排放電電極。P17降低約0.1W/kg,B8無變化,絕緣膜層間電阻高。(4)鋼板表面等離子體流的應用將等離子強制冷卻,接著經噴嘴口約束成為高速氣流,以射流形式離開噴嘴,中心區溫度超過10000℃,這種高溫、高能等離子流垂直于軋向短時間照射在鋼板表面上,實現磁疇細化,而絕對不損壞鋼板表面涂層。由于等離子流引入應變的結果,在承受等離子流照射的鋼板區域中的磁疇轉變成為“應力圖樣磁疇”,降低了在應力圖樣與180°疇相交處產生的自由磁極引起的靜磁能,使180°疇壁間距減小。經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高頻感應或電阻加熱,使初次晶粒尺寸比其他區域大于50%,以后二次晶粒長大受到抑制,二次晶粒尺寸減小,磁疇細化,局部加熱區間隔不小于2mm,寬度小于1.5mm,處理時間不小于0.5s。如果高溫退火后沿橫向局部加熱到不小于800℃,同時加2.5MPa以上壓力,也使磁疇細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體經(1×10-5)～(1×10-1)kg·m/s運動量往返運動,通過產生的沖擊力沿橫向局部線狀破壞玻璃膜,同時不影響玻璃膜產生的拉應力作用,即在鋼板中產生不均勻彈性應變,當振動頻率f在超聲波范圍內時,沖擊力為2mfL,當f大于10Hz和2mfL大于5×10-6kg·m/s時,玻璃膜完全去掉,P17降低約0.1W/kg,同時,疊片系數不降低。玻璃膜去除區由于受塑性應變而新產生的拉力與損失掉的拉力相等。處理后經平整拉伸退火和涂絕緣膜,燒結溫度小于700℃,否則處理效果消失。1.2可靠性磁極薄技術(1)鋼架齒的制作對有玻璃膜的硅鋼片,局部應變用齒狀輥壓入,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。應變引入后涂上張力涂層,然后在850℃涂層燒結,接著進行850℃,4h消除應力退火。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生了可逆亞磁疇,其長度為2～3mm,這使磁疇細化和鐵損明顯降低。齒狀輥引入應變后,P17明顯增高,但850℃退火后P17顯著降低,并且疊片系數不降低。(2)蝕坑與磁織化先經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,適當深度的蝕坑以及重新涂應力涂層膜填滿蝕坑時產生的局部應力使磁疇細化。經過850℃,2h消除應力退火后P17降低8%～10%。(3)-fe含量的影響沿橫向經機械加工或激光照射等方法使鋼板產生微小的形變,再在此局部區域鍍上Sb,Sb沿激光照射區擴散進硅鋼片,以一定間隔形成無磁化區,擴散進硅鋼片中的Sb和鋼中的Fe起反應,生成Sb-Fe合金,退火使滲Sb硅鋼片鐵損降低,在800～850℃消除應力退火后鐵損保持穩定。在滲Sb區磁力線被迫偏離板面,自由磁極在此處產生,形成了包括大部分90°的亞磁疇,當施加9.807N/mm2張力時,90°疇消失,180°疇細化。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小于45°點線狀照射,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,依靠玻璃膜產生的拉力細化磁疇,這種拉力在退火時不會消除。(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行電解蝕刻形成溝,溝寬約為150μm,深20μm,軋向間隔3～4mm。接著進入堿溶槽中浸漬,剝離抗蝕劑,經脫碳退火,最終高溫退火,平坦化退火及涂布絕緣膜制成成品。經800℃,3h消除應力退火后,鐵損降低10%～15%。2磁體薄擴展機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。按照經典的渦流損耗公式,板材的經典渦流損耗可用Pce表示為:Pce=π2d2f2B2m6ρ(1)Ρce=π2d2f2Bm26ρ(1)式中:d為板厚,f為頻率,Bm為飽和磁感應強度,ρ為電阻率。在此公式的推導中,曾假定鐵磁體各處的磁導率相同。事實上,當磁場不太強時,磁化過程主要是疇壁位移過程,dB/dt僅限于局部區域。故渦流電流密度I也應當是局域分布的。由于電功率與I2成比例,因而將產生額外的能量損耗。即所謂的反常渦流損耗。考慮反常渦流損耗后,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)磁滯損耗來自不可逆的磁化過程(不可逆的疇壁位移過程或不可逆的磁化矢量轉動過程)。在直流磁化過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為磁場強度,B為磁感應強度。取向硅鋼是軟磁材料,其矯頑力非常小,其磁滯回線窄而長,并且對于理想化的取向硅鋼在立方晶系的易磁化方向磁化時,Br=Bs,這樣,高斯織構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為飽和磁感應強度,T,Hc為矯頑力,A/m。根據上述公式,利用反磁化核的成核和長大模型,葉曦等人推導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算公式為:Ph=Pe+Ph=1.628π2f2B2mdL6ρ+288fγ2C11λ2100L2(9)Ρh=Ρe+Ρh=1.628π2f2B2mdL6ρ+288fγ2C11λ1002L2(9)從(9)式可見,減小沿〈001〉方向的晶粒平均尺寸而細化180°主疇寬可降低渦流損耗,同時也使磁滯損耗增加。為簡化起見,將其他量看作是常數,Pt是L的函數,由極值法可知,在駐點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,可以通過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磁通物質的變化影響磁疇寬度的主要因素是晶粒尺寸和受力狀態,可表示為:L0=[4γ0L0/(C11λ2100+32λ100σr)]1/2L0=[4γ0L0/(C11λ1002+32λ100σr)]1/2上式說明沿軋向施加張應力或減小晶粒尺寸可以細化磁疇。當通過激光或機械等方法在硅鋼片表面刻痕時,在刻痕所產生的彈-塑性形變區內存在壓應力,此壓應力提高了磁彈性能,所以形成了橫向亞磁疇,另一方面,由于刻痕線及殘余應力的存在,產生了表面自由磁極,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力,施加張應力會使橫向亞磁疇的磁彈性能增加,施加壓應力,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定的,張應力的出現降低了磁彈性能,使橫向亞磁疇減少,尖釘狀亞磁疇長大,并在某些情況下轉變為180°主磁疇,180°主疇壁間距因此被細化。由于刻痕主要是殘余應力引起的,經過消除應