M270硅鋼片檢測不合格的原因分析

顧海空

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

0 引言

硅鋼片作為電機的核心原材料之一，其磁性能的高低對電機性能的影響至關(guān)重要。硅鋼片鐵損低，既可節(jié)省大量電能，又可延長電機工作運轉(zhuǎn)時間，且較強磁場下磁感應強度(磁感)高，在空載時顯然空載電流小，有利減小發(fā)熱和改善溫升。

近兩年，在對M270硅鋼片的檢查測試中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多次硅鋼片的磁性能不合格情形，主要體現(xiàn)為硅鋼片的比總損耗超標。這種情況不但有損于對M270硅鋼片質(zhì)量的評價，也引起了供應商對檢測結(jié)果的質(zhì)疑，對正常的生產(chǎn)也造成了很大程度的影響。所以，對M270硅鋼片的檢測不合格的原因進行科學有效的分析變得至關(guān)重要。

1 取樣檢測過程中影響檢測結(jié)果的因素

1.1 環(huán)境溫度

GB/T 3655—2008《用愛潑斯坦方圈測量電工鋼片(帶)磁性能的方法》中，規(guī)定測量時環(huán)境溫度為23±5 ℃，這個測量溫度的范圍是比較大的，不同的溫度對測量結(jié)果有一定的影響，比總損耗隨溫度升高而降低。

1.2 試樣尺寸

GB/T 3655—2008《用愛潑斯坦方圈測量電工鋼片(帶)磁性能的方法》中，規(guī)定樣片應使用不產(chǎn)生明顯邊緣毛刺的方法剪切，樣片應平直，其寬度b=30 mm±0.2 mm；長度為280 mm≤L≤320 mm，樣片長度的公差為±0.5 mm。對于無取向電工鋼片，規(guī)定方向和實際剪切方向之間的角度不超過±5°，當試樣剪切不規(guī)范時也會對測量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。

1.3 試樣質(zhì)量

GB/T 3655—2008《用愛潑斯坦方圈測量電工鋼片(帶)磁性能的方法》中，規(guī)定試樣需進行稱量，稱量誤差在±0.1%以內(nèi)。必須確保天平秤的精度符合要求，不同質(zhì)量的標準試樣，比總損耗隨試樣質(zhì)量的降低而降低。即使是同一試樣，其質(zhì)量不同，測試結(jié)果也不同。

1.4 取樣部位

在GB/T 2521.1—2016中明確規(guī)定，取樣應從每一個驗收組批上切取，鋼卷的最內(nèi)圈和最外圈應視為包裝材，試樣不應從這部分截取。通常做法是在鋼卷的內(nèi)圈和外圈不小于3 m處截取，取樣部位對硅鋼片磁性能測試結(jié)果有著明顯的影響，對冷軋硅鋼片來說，鋼帶的頭部和尾部的磁性能也有很大的差別。

1.5 測試設(shè)備

即使是同一單位研制生產(chǎn)的設(shè)備，在不同的使用、保養(yǎng)以及計量標定的情況下，測量結(jié)果也存在著差別。對于測量結(jié)果處于合格范圍卻又在臨界點附近的，將會得到兩個不同牌號的判定結(jié)果。

1.6 人為因素

當從鋼卷內(nèi)圈取樣時，必須一邊抽拉一邊翻展硅鋼帶，這時會不可避免地產(chǎn)生一些大小不一的折印或受力。這些折印分布隨機且不規(guī)則，而受力會使硅鋼帶形成內(nèi)應力，導致晶粒變形磁導率下降，比總損耗增加。另外，從鋼卷內(nèi)圈裁取的硅鋼片樣片從倉庫搬運到分廠進行剪切試樣的過程中，也有可能因搬運不當而產(chǎn)生折印或受力。

2 與第三方檢測的比對

根據(jù)實際生產(chǎn)條件，上電在倉庫對硅鋼卷取樣時，采用的是硅鋼卷內(nèi)圈取樣，這種方式只需檢驗人員即可完成，不占用其他資源。當上電檢測結(jié)果出現(xiàn)不合格，并且經(jīng)加倍復試仍判定為不合格的，上電聯(lián)合供應商一起送第三方進行測試。為了保證試樣的可靠性，上電通過開料機對硅鋼卷進行外圈剪片“寬度×900 mm”，每卷取三片，然后送第三方，由第三方進行試樣的制備并完成檢測。

經(jīng)比對，上電和第三方的測試環(huán)境溫度、試樣尺寸和試樣質(zhì)量，都滿足標準GB/T 3655—2008的要求。上電的測試設(shè)備為NIM-2000E磁性測量儀，而第三方的測試設(shè)備為Brockhaus MPG 100D交直流磁性測量儀，兩者都是磁性能測量的常用設(shè)備。但第三方作為具備CNAS認證資質(zhì)的測試單位，其整體的測量精度等級高于上電也屬正常。

而人為因素與取樣部位是密切相關(guān)的，當采用內(nèi)圈取樣的方式時，人為因素即不可控因素明顯增加，當采用外圈取樣的方式時，開料機運行相對平穩(wěn)，幾乎不會對硅鋼片產(chǎn)生劃傷、折印等損傷，表面缺陷的排除率也更高。通過對同期數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，上電初次取樣測試與第三方測試的差異如表1所示。

表1 初次取樣測試與第三方測試的差異

這里的初試偏差的基準是硅鋼片生產(chǎn)廠家的質(zhì)量證明書上的比總損耗數(shù)據(jù)，也就是說，同一個硅鋼卷，上電從內(nèi)圈取樣測得的比總損耗數(shù)據(jù)與質(zhì)量證明書上的比總損耗數(shù)據(jù)的差值，跟從外圈取樣在第三方測得的比總損耗數(shù)據(jù)與質(zhì)量證明書上的比總損耗數(shù)據(jù)的差值相比，兩者之間的偏差還是比較大的。為了更客觀、準確的比對上電與第三方的測試數(shù)據(jù)，從送第三方進行初試的硅鋼片卷號中隨機抽取1/3的卷號，在上電重新采用外圈取樣的方式，保持與第三方取樣一致，然后按標準要求裁切試樣后測試。上電再次取樣測試與第三方測試的差異如圖1所示。

圖1 外圈取樣比總損耗測試差異

由此可見，在同樣采用外圈取樣的方式進行測試，上電與第三方測得的比總損耗之間的偏差已經(jīng)明顯縮小，且測試合格率也有了明顯提高，說明外圈取樣或者說人為因素對于測試結(jié)果具有明顯的影響。

3 試樣的裁切毛刺對檢測結(jié)果的影響

過去我們一直認為試樣剪切后的毛刺，對測試結(jié)果有著明顯影響，甚至是決定作用，所以也有了減小毛刺的產(chǎn)生或者進行去除毛刺的想法，即通過刃磨刀具或用砂紙手工去毛的方法盡可能的避免毛刺的影響。但是，從太鋼的研究中了解到，剪切毛刺并不在影響比總損耗檢測結(jié)果的考察因素之內(nèi)。

剪切硅鋼片的過程中會產(chǎn)生殘余應力(外應力)，而剪切毛刺就是這種殘余應力的表現(xiàn)形式，但只要毛刺不是很明顯，對測試結(jié)果幾乎沒影響。而對于人為去除檢測試樣上存在的毛刺，影響并不明顯，有時反而會因為去毛不當造成比總損耗的明顯增加，如圖2。

圖2 M270硅鋼片測試中比總損耗與剪切毛刺的關(guān)系

4 硅鋼片原始磁性能對測試結(jié)果的影響

上電公司生產(chǎn)大型汽輪發(fā)電機用的M270硅鋼卷，是法國的Arcelor Mittal公司生產(chǎn)的，已經(jīng)使用了很多年，產(chǎn)品質(zhì)量方面一直比較穩(wěn)定。但是最近兩年來，我們在入廠檢驗中多次發(fā)現(xiàn)M270硅鋼卷的磁性能不合格，而且都是比總損耗超標，即使經(jīng)過加倍抽樣以及委托第三方測試，依然會有不合格情況出現(xiàn)。

4.1 2011年—2019年硅鋼片比總損耗數(shù)據(jù)分布

通過對2011年以來使用的M270硅鋼卷的質(zhì)量證明書上磁性能數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析發(fā)現(xiàn)，相對于標準“比總損耗P1.5≤2.70 W/kg”而言，M270硅鋼卷的磁性能一直在靠近標準的下限，呈現(xiàn)一種緩慢下降的過程，特別是最近三年非常明顯，見表2。

表2 2011年—2019年M270質(zhì)量證明書上比總損耗數(shù)據(jù)分布 (%)

4.2 2011年—2019年比總損耗測試偏差數(shù)據(jù)

在入廠檢驗的過程中，經(jīng)過測試得到的比總損耗數(shù)據(jù)與M270硅鋼卷的質(zhì)量證明書上的磁性能數(shù)據(jù)總會有偏差，而且有時這種偏差也不小。通過對每批硅鋼卷的質(zhì)量證明書的梳理發(fā)現(xiàn)，通常一批硅鋼卷有十幾個爐號，而一個爐號中通常又有幾個甚至十幾個硅鋼卷。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，同一個爐號下面不同卷號的比總損耗數(shù)據(jù)相差也很大。為了使這個情況顯性化，提取初次測試中偏差最大的數(shù)據(jù)與該批次硅鋼卷中同爐偏差最大的數(shù)據(jù)進行比較，M270硅鋼卷的生產(chǎn)商同爐最大偏差明顯高于上電初次測試的最大偏差，見圖3。

圖3 2011年—2019年M270比總損耗最大偏差

這說明在檢測中出現(xiàn)比總損耗數(shù)據(jù)的偏差是一種正常情況，會受到許多因素的影響，即使材料生產(chǎn)商也無法避免。從測試偏差的穩(wěn)定性來看，上電的波動比較明顯，但整體測試偏差的平均值非常的接近，說明上電的測試能力與M270的材料生產(chǎn)商相當，見圖4。

圖4 2011年—2019年M270比總損耗平均偏差

4.3 2011年—2019年同卷硅鋼片檢測結(jié)果分析

對2011年—2019年的M270硅鋼卷的抽檢測試數(shù)據(jù)進行匯總發(fā)現(xiàn)，檢測不合格的情況主要出現(xiàn)在質(zhì)量證明書中硅鋼卷的比總損耗值≥2.60 W/kg的硅鋼卷上，見圖5。抽檢不合格的分布及占比情況，見圖6。比總損耗測試的不合格情況主要集中在2018年和2019年，所有測試不合格的硅鋼卷的質(zhì)量證明書上比總損耗的分布范圍及占比，見圖7。

5 提高M270硅鋼片比總損耗檢測合格率的措施

5.1 提高硅鋼片原始磁性能

從生產(chǎn)商的同爐偏差可知冶煉或生產(chǎn)過程對成品硅鋼卷的比總損耗數(shù)據(jù)的影響還是比較大的，生產(chǎn)商應提高冶煉和生產(chǎn)工藝水平；從質(zhì)保書比總損耗數(shù)據(jù)看出，當比總損耗數(shù)據(jù)集聚于2.60 W/kg及以上區(qū)間時，抽檢不合格率也隨之明顯上升，生產(chǎn)商的同爐平均偏差和上電的初試平均偏差均在0.07 W/kg左右，據(jù)此，供應商供貨時應盡量剔除比總損耗≥2.63 W/kg的硅鋼卷。

圖5 2011年—2019年M270硅鋼卷比總損耗抽檢數(shù)據(jù)

圖6 2011年—2019年M270比總損耗抽檢數(shù)據(jù)

圖7 比總損耗不合格分布區(qū)間與占比

5.2 改變?nèi)臃绞?/p>

從實際檢測經(jīng)驗可見，采取外圈取樣(上開料機)的意義明顯，測試合格率將提升20%以上，該取樣方式很大程度上減少了人為因素的影響。

5.3 減少人為因素影響

在入廠檢驗過程中，還需注意包括取樣、搬運樣片、裁切試樣、試樣質(zhì)量、測試設(shè)備的標定以及測試環(huán)境等整個過程的合規(guī)性和有效性，盡量避免人為因素使試樣產(chǎn)生偏差而造成測試數(shù)據(jù)的波動。

6 結(jié)論

(1)測試中集中出現(xiàn)不合格的情況，與M270硅鋼卷的比總損耗原值在近兩年大量積聚于標準值的下限有明顯因果關(guān)系。

(2)目前M270硅鋼卷的磁性能已經(jīng)下降到標準值的極限水平，即使是第三方的測試條件也無法滿足和保證M270的比總損耗數(shù)據(jù)一定是合格的。

(3)M270的硅鋼卷生產(chǎn)商要意識到這個問題的嚴重性，一旦失控，那么所生產(chǎn)的硅鋼卷就面臨著降級(降牌號)的風險，而對材料的使用方而言也是一種潛在的風險，所以盡力提高和改善比總損耗的有效值方為上策。