低溫高磁感取向硅鋼與hib鋼的晶粒結(jié)構(gòu)比較

低溫高磁感取向硅鋼與hib鋼的晶粒結(jié)構(gòu)比較

硅鋼（hgo）廣泛應(yīng)用于各種大型和中型壓力機的制造中。與普通硅鋼相比，具有低鐵損失低、磁感應(yīng)強、磁致伸長等優(yōu)點。由于其制造的壓力壓縮性低、噪聲低、體積小，具有較低的負(fù)荷損失、低噪聲和低體積等特點。因此高磁感取向硅鋼越來越多地受到用戶的歡迎,使用量逐年加大。高磁感取向硅鋼有兩種截然不同的生產(chǎn)方式,一種是在熱軋工序采用板坯高溫加熱熱軋;另一種是采用低溫加熱熱軋+后工序滲氮處理。前一種工藝由日本新日鐵公司發(fā)明,產(chǎn)品被命名為HiB鋼(高溫高磁感取向硅鋼);后一種工藝也由新日鐵公司發(fā)明,產(chǎn)品被稱為低溫高磁感取向硅鋼,國內(nèi)有人稱為低溫HiB鋼。與HiB硅鋼工藝相比,低溫工藝由于顯著地降低了生產(chǎn)難度和能耗,近年來已成為高磁感取向硅鋼開發(fā)的熱點。國際上,日本新日鐵公司広畑廠生產(chǎn)HiB高磁感取向硅鋼,而八幡廠生產(chǎn)低溫高磁感取向硅鋼,美國AK公司生產(chǎn)HiB鋼,韓國浦項公司則生產(chǎn)低溫高磁感取向硅鋼。國內(nèi)方面,在2009年以前,高磁感取向硅鋼在國內(nèi)一直由武鋼獨家生產(chǎn),品種為高溫高磁感取向硅鋼(HiB鋼),至2010年HiB鋼年產(chǎn)量已達(dá)到16萬噸,在HiB鋼生產(chǎn)的同時,武鋼充分認(rèn)識到低溫加熱熱軋生產(chǎn)高磁感取向硅鋼可以明顯降低生產(chǎn)成本,符合國家節(jié)能減排的要求,2005年將低溫高磁感取向硅鋼課題列為公司的重大項目開展研究與開發(fā),并于2008年7月在生產(chǎn)線上成功地試制出磁性能滿足高磁感取向硅鋼要求的整卷產(chǎn)品并逐步實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。寶鋼2008年7月第一卷合格的高磁感取向硅鋼NSGO成功下線,到2010年寶鋼的取向硅鋼年產(chǎn)量已達(dá)到10萬噸,其主要產(chǎn)品為高磁感取向硅鋼。圍繞著低溫和高溫加熱方式生產(chǎn)高磁感取向硅鋼磁性能的差異爭論由來已久,部分學(xué)者認(rèn)為低溫高磁感取向硅鋼一次軋制法生產(chǎn)產(chǎn)品厚度變寬(0.18~0.5mm),二次再結(jié)晶時,抑制劑較高溫高磁感取向硅鋼更強和穩(wěn)定,特別是具備由于熱軋加熱溫度降低使得生產(chǎn)制造成本大幅降低等優(yōu)點。但部分文獻(xiàn)表明,低溫高磁感取向硅鋼磁感值較傳統(tǒng)的HiB鋼低約200Gs,而且由于抑制劑在二次再結(jié)晶退火時受氣氛干擾較大,存在產(chǎn)品磁性能波動較大等缺點。本文將從兩種產(chǎn)品的成品晶粒大小及磁性均勻性、成品晶粒位向、磁致伸縮、產(chǎn)品實際應(yīng)用等方面分析兩者差異及改進方法。1材料的金相、低磁感取向的鐵芯樣品b賦予金屬酶試驗材料選取武鋼生產(chǎn)的磁性能基本相同的0.27mmHiB鋼和低溫高磁感取向硅鋼。用愛普斯坦方圈法測量試樣的磁性能,HiB鋼B800=1.920T(B800表示在800A/m磁場下的磁感應(yīng)強度),P1.7/50=0.967W/kg(P1.7/50表示鐵芯在50Hz交變磁場下磁化到1.7T時所消耗的無效電能,簡稱鐵損);低溫高磁感取向硅鋼B800=1.919T,P1.7/50=0.962W/kg。晶粒大小測量:試樣沿鋼板軋制方向取樣,酸洗后觀察低倍組織,并按GB/T6394—2002《金屬平均晶粒度測定法》標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為晶粒尺寸大小;對32片愛普斯坦方圈試樣沿板寬方向測量單片磁性能比較磁性均勻性;在愛普斯坦方圈試樣中分別選取磁性能相同的四片試樣用Quanta400掃描電鏡所帶EBSD附件對試樣上所有450個晶粒的取向進行標(biāo)定,并計算出各晶粒與理想的高斯取向偏離角,即與軋向偏離角α和與軋面傾角β,同時采用圖像儀測算出各晶粒的面積,并統(tǒng)計分析成品晶粒位向。磁致伸縮試驗采用30mm×300mm試樣。2試驗結(jié)果與討論2.1不同規(guī)格材料的磁性能HiB鋼和低溫高磁感取向硅鋼低倍組織如圖1所示,從圖1低倍組織來看,HiB鋼沿板寬方向晶粒較為均勻,平均晶粒大小為10.29mm。低溫高磁感取向硅鋼邊部存在較大的晶粒,而中部則較小,同時中部存在較多細(xì)小的晶粒,晶粒分布沿板寬方向存在不均勻性,平均晶粒大小為19.05mm,如果不考慮邊部特大晶粒則為16.41mm,低溫高磁感取向硅鋼明顯比HiB鋼晶粒大。在相同磁感值前提條件下,取向硅鋼晶粒越大其激光刻痕細(xì)化磁疇效果越好,低溫高磁感取向硅鋼在激光刻痕產(chǎn)品方面應(yīng)該具備優(yōu)勢。但激光刻痕效果與磁感值關(guān)系更大,磁感高時激光刻痕降低鐵損效果更加顯著?，F(xiàn)階段,武鋼生產(chǎn)的HiB鋼產(chǎn)品磁感值仍明顯高于低溫產(chǎn)品,因此,HiB鋼產(chǎn)品激光刻痕降低鐵損效果優(yōu)于低溫產(chǎn)品。而晶粒越小,磁疇間距越小,渦流損耗也越小,因此在不刻痕條件下,如產(chǎn)品應(yīng)用于卷繞式鐵芯則是HiB鋼占據(jù)優(yōu)勢。沿板寬方向的磁性能如圖2所示。從圖2來看,HiB鋼沿板寬方向磁性能較為均勻,磁性能指標(biāo)與平均值的偏離值ΔB800=182Gs,ΔP1.7/50=0.025W/kg;低溫高磁感取向硅鋼則差異較大,ΔB800=227Gs,ΔP1.7/50=0.038W/kg,鐵損偏離值大約是HiB鋼的1.5倍。造成這種差異的原因是兩者選用的抑制劑完全不同,從而決定了生產(chǎn)方式的不同。HiB鋼生產(chǎn)方式:轉(zhuǎn)爐復(fù)吹→真空精煉→連鑄→熱送→熱軋加熱軋制(加熱溫度約1380~1400℃)→?；嵯础滠埜邷剀堉啤撎纪嘶?涂MgO)→高溫退火→拉伸平整退火→(激光刻痕)→檢驗判級→剪切包裝。低溫高磁感取向硅鋼生產(chǎn)方式:轉(zhuǎn)爐復(fù)吹→真空精煉→連鑄→熱送→熱軋加熱軋制(加熱溫度約1100~1180℃)→?；嵯础滠埜邷剀堉啤撎纪嘶?滲氮(涂MgO)→高溫退火→拉伸平整退火→(激光刻痕)→檢驗判級→剪切包裝。從生產(chǎn)方式比較來看,HiB鋼抑制劑是通過煉鋼過程中化學(xué)元素的添加就已經(jīng)給定的,只要熱軋加熱溫度和時間適當(dāng),受后工序影響較小,穩(wěn)定性高。低溫高磁感取向硅鋼需要在脫碳工序過程中進行滲氮處理,鋼帶表面存在氮含量分布的不均勻性,同時抑制劑(Al,Si)N是在高溫退火工序過程中通過氮的擴散而形成的,同樣也存在不均勻性,反映在產(chǎn)品方面表現(xiàn)為沿板寬方向上的晶粒大小和磁性能不均勻。2.2偏性分析在愛普斯坦方圈試樣中分別選取四片磁性能基本相同的HiB鋼和低溫高磁感取向硅鋼試樣(30mm×300mm)。HiB鋼B800=1.919T,P1.7/50=0.973W/kg;低溫高磁感取向硅鋼B800=1.918T,P1.7/50=0.968W/kg。對8片試樣上的450個晶粒取向進行標(biāo)定。計算和統(tǒng)計分析表明,HiB鋼試樣中α角、β角、(α+β)/2角在低偏離角范圍內(nèi)(0°~3°)晶粒所占面積百分?jǐn)?shù)分別為61.4%、64.8%、55.8%,而低溫高磁感取向硅鋼試樣中則分別為57.9%、55.9%、47.2%,HiB鋼試樣中低偏離角晶粒所占比例比低溫高磁感取向硅鋼試樣大?！?01〉與軋向的平均偏離角(α+β)/2與B800有明顯的關(guān)系,圖3為HiB鋼和低溫高磁感取向硅鋼試樣中所有不同(α+β)/2角區(qū)間晶粒所占面積百分?jǐn)?shù)對比圖,從圖3可以看出,兩者在0°~6°范圍內(nèi)晶粒所占比例總和分別為91.6%、90.0%,基本相同,但HiB鋼試樣在0°~2°范圍內(nèi)晶粒所占比例明顯較大,而低溫高磁感取向硅鋼試樣在2°~3°和4°~6°范圍內(nèi)晶粒所占比例較大,HiB鋼晶粒明顯比低溫高磁感取向硅鋼鋒銳?；谏鲜鲈?低溫高磁感取向硅鋼應(yīng)以改善晶粒位向,減小與高斯位向的偏離角為主要研究方向,尤其是需要增加在0°~2°范圍內(nèi)晶粒的比例。提高低溫高磁感取向硅鋼整體磁感值是有效的方法。近年來,研究者也提出了各種解決方案,如快速加熱以及低溫高磁感取向硅鋼中添加Bi元素等,相信經(jīng)過研究者的不斷努力將逐步解決這一問題。2.3磁致撕裂性能測試磁致伸縮是指鐵磁材料在居里溫度以下磁化時,其長度和體積發(fā)生的微小變化,主要與晶粒的取向度和應(yīng)力大小有關(guān),磁致伸縮是引起變壓器噪聲的主要原因。本試驗對HiB鋼和低溫高磁感取向硅鋼產(chǎn)品0.27mm×30mm×300mm試樣進行磁致伸縮測試,設(shè)備采用日本理研電子公司生產(chǎn)的MST-400C磁致伸縮測試儀。表1為HiB鋼和低溫高磁感取向硅鋼試樣磁致伸縮特征值λ1.5,λ1.7和λ1.9的測量平均值。從表1結(jié)果看,在磁通密度為1.5T和1.7T條件下,HiB鋼和低溫高磁感取向硅鋼磁致伸縮值無明顯差異,但在1.9T條件下,HiB鋼磁滯伸縮測量值略小,表明HiB鋼生產(chǎn)的變壓器在高磁場條件下噪聲和震動偏小。3解決變壓器熱性能與耗、靜態(tài)電流率的問題2010~2011年,國內(nèi)某大型變壓器制造廠采用HiB鋼和低溫高磁感取向硅鋼制造的用于三峽工程的500kV電壓級別特大容量電力變壓器,設(shè)計參數(shù)及制造過程完全相同,牌號均為0.27mm厚高磁感取向硅鋼激光刻痕產(chǎn)品,產(chǎn)品磁性能要求B800≥1.90T,P1.7/50≤0.88W/kg,所生產(chǎn)的變壓器性能對比如表2所示。由表2可以看出,HiB鋼在空載損耗、空載電流率和噪聲方面明顯比低溫HiB鋼占優(yōu),尤其是在負(fù)載率超過100%時,HiB鋼體現(xiàn)出較高的抗過載能力,空載損耗最大相差9.45%,空載電流率最大相差18.92%,噪聲相差2.89%。這一結(jié)果還表明,單純檢測產(chǎn)品B800、P1.7/50等磁性能還不能夠足以說明產(chǎn)品的實際使用情況。特別是隨著我國交直流混合輸電模式逐漸形成,交直流系統(tǒng)互相干擾的問題也隨之出現(xiàn)。當(dāng)變壓器出現(xiàn)直流偏磁時,使勵磁電流增加從而使變壓器鐵芯工作磁感向磁化曲線的飽和區(qū)轉(zhuǎn)移。因此,提高取向硅鋼磁感值,確切地說是減小產(chǎn)品晶粒位向與高斯位向的偏離角具有重要的意義,取向硅鋼生產(chǎn)商應(yīng)與變壓器廠家攜手研究HiB鋼與低溫高磁感取向硅鋼產(chǎn)品在直流偏磁方面的不同之處,使得兩種產(chǎn)品都能夠更好地應(yīng)用于大型變壓器。在高端產(chǎn)品應(yīng)用方面,HiB鋼目前仍占有一定優(yōu)勢,但從生產(chǎn)方面來看,由于HiB鋼加熱溫度高,不但能源消耗大,還會對產(chǎn)品的成材率和表面質(zhì)量帶來不利的影響,因此HiB鋼制造過程中要重點解決的是成材率、表面質(zhì)量、板形等方面的問題。低溫高磁感取向硅鋼由于熱軋加熱溫度與普鋼一樣,能源消耗較低,同時邊裂減少,成本顯著下降,但需要解決成品晶粒位向問題,以減小成品晶粒與高斯位向的偏離角,同時還需要解決磁性不均勻問題。4在作用下,角區(qū)間晶粒所占面積和比例1)HiB鋼產(chǎn)品平均晶粒尺寸比低溫高磁感取向硅鋼小,低溫高磁感取向硅鋼沿板寬方向的磁性能不均勻性大于HiB鋼。2)HiB鋼與低溫高磁感取向硅鋼晶粒結(jié)構(gòu)有明顯差異,對于(α+β)/2角區(qū)間晶粒所占面積百分?jǐn)?shù),HiB鋼試樣在0°~2°范圍內(nèi)所占比例較大,而低溫HiB鋼試樣在2°~3°和