無取向硅鋼簡介

蘇曉瞳

摘要：無取向硅鋼是電力、電器工業上重要的軟磁材料，主要用于制造各類電動機、發動機等設備的鐵芯。

關鍵詞：電工鋼；磁極化；多功能材料

1.電工鋼簡介

硅鋼也稱電磁鋼或電工鋼，是指含硅為0.5～4.5%，成品含碳量低于0.03%的硅合金鋼。因其具有特殊的性能，即導磁率高、矯頑力低、電阻系數大、磁滯損失小，主要用于制作各種發電機、電動機的鐵芯、變壓器、繼電器以及各種電工儀表等，是國家電力、電子和軍事工業不可缺少的重要軟磁合金，也是產量最大的金屬功能材料，對電力工業發展、電器產品制造、科研、國防建設、能源節約等有著重要意義。

硅鋼的生產集冶金工藝、金屬物理、磁學、化學、檢測等多項技術于一體，特別是取向硅鋼的制造工藝和設備復雜，成分控制嚴格，制造工序長，影響性能的因素多，而且生產工藝保密性強，因此常把取向硅鋼的產品質量看作是衡量一個國家特殊鋼制造技術水平的重要標志，并稱取向硅鋼為特殊鋼中“藝術品”。

電工鋼板按硅含量不同可分為低硅和高硅兩種。低硅片含硅2.8%以下，具有一定機械強度，主要用于制造電機，俗稱電機硅鋼片；高硅片含硅量為2.8%～4.8%，它磁性好，但較脆，主要用于制造變壓器鐵芯，俗稱變壓器硅鋼片，兩者在實際使用中并無嚴格界限，常用高硅片制造大型電機；按生產加工工藝，電工鋼可分熱軋和冷軋兩種，熱軋硅鋼能耗大，產品質量差，國家己規定限時淘汰。冷軋電工鋼板又可分無取向和取向兩種，如表1.1所示。其中無取向硅鋼主要被用作旋轉電機如馬達和發電機的鐵芯，取向硅鋼主要用于中、高頻電機和變壓器及脈沖變壓器[1]。

太原鋼鐵公司于1954年正式生產硅含量為1～2%的熱軋低硅鋼板，同時又試制出硅含量為3～4%用于變壓器鐵芯的高硅鋼板。隨后在鞍鋼第二薄板廠也生產出用于電機、變壓器鐵芯的熱軋硅鋼片。

此外還有一些特殊用途的電工鋼板，如0.15mm和0.20mm厚3%Si冷軋無取向硅鋼薄帶和0.025、0.05及0.1mm厚3%Si冷軋取向硅鋼薄帶，用作中、高頻電機和變壓器以及脈沖變壓器等；繼電器和電力開關用的0.7mm厚3%Si高強度冷軋無取向硅鋼板；新型高轉速電機轉子用高強度冷軋電工鋼板；醫用核磁共振斷層掃撈儀等磁屏蔽和高能加速器電磁鐵用的低碳電工鋼熱軋厚板和冷軋板；高頻電機和變壓器以及磁屏蔽用的4.5%～6.5%Si高硅鋼板等。

2.電工鋼的性能要求

工業上一般要求電機、變壓器和其他電器部件效率高，耗電量少，體積小和重量輕。電工鋼板通常是以比總損耗和磁極化強度作為產品磁性保證。除了機械特性外，主要磁性能要求為高導磁率、低損耗、低矯頑力以及在旋轉磁通或諧波磁通磁化或出現機械應力下具有良好的特性。對電工鋼板性能的要求如下：

（1）比總損耗（PT）低

當磁極化強度隨時間按正弦規律變化，其峰值為某一標定值，變化頻率為某一定頻率（≥50Hz）時，單位質量的鐵芯所消耗的功率為比總損耗，單位為瓦特每公斤（W/kg）。這種由于磁通變化受到各種阻礙而消耗的無效電能，通過鐵芯發熱既損失掉電能，又引起電機和變壓器的溫升。電工鋼的鐵損（PT）包括磁滯損耗、渦流損耗（Pe）和反常損耗（Pa）三部分。電工鋼板比總損耗低，既可節省大量電能，又可延長電機和變壓器工作運轉時間，并簡化冷卻裝置。由于電工鋼板的比總損耗所造成的電量損失占各國全年發電量的2.5%～4.5%，因此各國生產電工鋼板總是千方百計設法降低比總損耗，并以其作為考核產品磁性的最重要指標，產品牌號是按照以瓦特每公斤表示的比總損耗的最大值和材料的公稱厚度分類的。

現在變壓器鐵芯設計選用的最大工作磁感（Bm）為1.7～1.8T。頻率為50（或60）Hz，所以冷軋取向硅鋼板規定的比總損耗保證值一般為P17/50。電機中定子鐵芯軛部設計Bm值約為1.5T，頻率為50（或60）Hz，所以冷軋無取向硅鋼板的比總損耗一般為P15。中、高頻電機和變壓器的工作頻率高于50Hz，所以對≤0.20mm厚的硅鋼薄帶要求400Hz或更高頻率下的比總損耗作為保證值。

（2）磁極化強度（B）高

鐵芯試樣從退磁狀態，在標定頻率下磁極化強度按正弦規律變化，當交流磁場的峰值達到某一標定值時，鐵芯試樣所達到的磁極化強度的峰值稱為磁極化強度，單位為特斯拉（T）。電工鋼板的磁極化強度高，鐵芯的激磁電流（也稱空載電流）降低，銅和鐵的損耗都下降，可節省電能。當電機和變壓器功率不變時，磁極化強度高，設計Bm可提高，鐵芯截面積可縮小，這使鐵芯體積減小和重量減輕，并節省電工鋼板、導線、絕緣材料和結構材料用量，可降低電機和變壓器的總損耗和制造成本，并且有利于大變壓器和大電機的制造、安裝和運輸。

取向硅鋼設計Bm高達1.7～1.80T，接近B8值，因此以B8作為磁極化強度保證值。電機設計Bm約為1.5T，接近冷軋無取向電工鋼B50值，因此冷軋無取向硅鋼以B50作為磁極化強度保證值。熱軋硅鋼的磁極化強度更低，通常以B25作為保證值。

（3）對磁各向異性的要求

電機是在運轉狀態下工作，鐵芯是用帶齒圓形沖片疊成的定子和轉子組成，要求電工鋼板的磁各向異性小，因此用無取向冷軋電工鋼或熱軋硅鋼制造。一般要求縱橫向比總損耗差值<8%，磁感差值<10%。

變壓器是在靜止狀態下工作。大中型變壓器鐵芯是用條片疊成，一些配電變壓器、電流和電壓互感器以及脈沖變壓器是用卷繞鐵芯制造，這樣可保證沿電工鋼板軋制方向下料和磁化，因此都用冷軋取向硅鋼制造。

（4）沖片性良好

用戶使用電工鋼板時沖剪工作量很大，因此要求電工鋼板應具有良好的沖片性，這對微、小型電機尤為重要。沖片性好可以提高沖模和剪刀壽命，保證沖剪片尺寸精確以及減小沖剪片毛刺。

影響沖片性的因素主要有：1）沖模或剪刀材料：如硬質合金沖模的沖片性比工具鋼沖模提高一倍以上；2）沖頭與沖模的間距：合適的間距一般為鋼板厚度的5%～6%；3）沖片用潤滑油種類；4）沖片形狀；5）鋼板表面絕緣膜種類和質量；6）鋼板的硬度等。后兩個因素與電工鋼板質量有關。

（5）鋼板表面光滑、平整和厚度均勻

要求電工鋼板表面光滑、平整和厚度均勻，主要是為了提高鐵芯的疊片系數。疊片系數高可使鐵芯有效利用空間增大，空氣隙減小，使激磁電流減小。電工鋼板的疊片系數每降低1%相當于比總損耗增高2%和磁極化強度降低1%。

（6）絕緣薄膜性能好

為防止鐵芯疊片間發生短路而增大渦流損耗，冷軋電工鋼板表面涂一薄層無機鹽或無機鹽+有機鹽混合的半有機絕緣膜。對絕緣膜有以下要求：1）耐熱性好：在750～800℃消除應力退火時不會破壞；2）絕緣膜薄且均勻；3）層間電阻高；4）附著性好；5）沖片性好；6）耐蝕性和防銹性好；7）焊接性好。用途不同，對絕緣膜的要求也有差異。

（7）磁時效現象小

鐵磁材料的磁性隨使用時間而變化的現象稱為磁時效。鐵芯工作時溫升達50～80℃，鋼中碳和氮原子以細小彌散的碳化物和氮化物析出，這使鐵損增高。因此要求電工鋼板產品中碳和氮含量均小于0.0035%.

參考文獻：

[1]朱長華.薄板坯連鑄連軋技術[J].漣鋼科技與管理，2000，4：33～38.