无取向硅钢简介

苏晓瞳

摘要：无取向硅钢是电力、电器工业上重要的软磁材料，主要用于制造各类电动机、发动机等设备的铁芯。

关键词：电工钢；磁极化；多功能材料

1.电工钢简介

硅钢也称电磁钢或电工钢，是指含硅为0.5～4.5%，成品含碳量低于0.03%的硅合金钢。因其具有特殊的性能，即导磁率高、矫顽力低、电阻系数大、磁滞损失小，主要用于制作各种发電机、电动机的铁芯、变压器、继电器以及各种电工仪表等，是国家电力、电子和军事工业不可缺少的重要软磁合金，也是产量最大的金属功能材料，对电力工业发展、电器产品制造、科研、国防建设、能源节约等有着重要意义。

硅钢的生产集冶金工艺、金属物理、磁学、化学、检测等多项技术于一体，特别是取向硅钢的制造工艺和设备复杂，成分控制严格，制造工序长，影响性能的因素多，而且生产工艺保密性强，因此常把取向硅钢的产品质量看作是衡量一个国家特殊钢制造技术水平的重要标志，并称取向硅钢为特殊钢中“艺术品”。

电工钢板按硅含量不同可分为低硅和高硅两种。低硅片含硅2.8%以下，具有一定机械强度，主要用于制造电机，俗称电机硅钢片；高硅片含硅量为2.8%～4.8%，它磁性好，但较脆，主要用于制造变压器铁芯，俗称变压器硅钢片，两者在实际使用中并无严格界限，常用高硅片制造大型电机；按生产加工工艺，电工钢可分热轧和冷轧两种，热轧硅钢能耗大，产品质量差，国家己规定限时淘汰。冷轧电工钢板又可分无取向和取向两种，如表1.1所示。其中无取向硅钢主要被用作旋转电机如马达和发电机的铁芯，取向硅钢主要用于中、高频电机和变压器及脉冲变压器[1]。

太原钢铁公司于1954年正式生产硅含量为1～2%的热轧低硅钢板，同时又试制出硅含量为3～4%用于变压器铁芯的高硅钢板。随后在鞍钢第二薄板厂也生产出用于电机、变压器铁芯的热轧硅钢片。

此外还有一些特殊用途的电工钢板，如0.15mm和0.20mm厚3%Si冷轧无取向硅钢薄带和0.025、0.05及0.1mm厚3%Si冷轧取向硅钢薄带，用作中、高频电机和变压器以及脉冲变压器等；继电器和电力开关用的0.7mm厚3%Si高强度冷轧无取向硅钢板；新型高转速电机转子用高强度冷轧电工钢板；医用核磁共振断层扫捞仪等磁屏蔽和高能加速器电磁铁用的低碳电工钢热轧厚板和冷轧板；高频电机和变压器以及磁屏蔽用的4.5%～6.5%Si高硅钢板等。

2.电工钢的性能要求

工业上一般要求电机、变压器和其他电器部件效率高，耗电量少，体积小和重量轻。电工钢板通常是以比总损耗和磁极化强度作为产品磁性保证。除了机械特性外，主要磁性能要求为高导磁率、低损耗、低矫顽力以及在旋转磁通或谐波磁通磁化或出现机械应力下具有良好的特性。对电工钢板性能的要求如下：

（1）比总损耗（PT）低

当磁极化强度随时间按正弦规律变化，其峰值为某一标定值，变化频率为某一定频率（≥50Hz）时，单位质量的铁芯所消耗的功率为比总损耗，单位为瓦特每公斤（W/kg）。这种由于磁通变化受到各种阻碍而消耗的无效电能，通过铁芯发热既损失掉电能，又引起电机和变压器的温升。电工钢的铁损（PT）包括磁滞损耗、涡流损耗（Pe）和反常损耗（Pa）三部分。电工钢板比总损耗低，既可节省大量电能，又可延长电机和变压器工作运转时间，并简化冷却装置。由于电工钢板的比总损耗所造成的电量损失占各国全年发电量的2.5%～4.5%，因此各国生产电工钢板总是千方百计设法降低比总损耗，并以其作为考核产品磁性的最重要指标，产品牌号是按照以瓦特每公斤表示的比总损耗的最大值和材料的公称厚度分类的。

现在变压器铁芯设计选用的最大工作磁感（Bm）为1.7～1.8T。频率为50（或60）Hz，所以冷轧取向硅钢板规定的比总损耗保证值一般为P17/50。电机中定子铁芯轭部设计Bm值约为1.5T，频率为50（或60）Hz，所以冷轧无取向硅钢板的比总损耗一般为P15。中、高频电机和变压器的工作频率高于50Hz，所以对≤0.20mm厚的硅钢薄带要求400Hz或更高频率下的比总损耗作为保证值。

（2）磁极化强度（B）高

铁芯试样从退磁状态，在标定频率下磁极化强度按正弦规律变化，当交流磁场的峰值达到某一标定值时，铁芯试样所达到的磁极化强度的峰值称为磁极化强度，单位为特斯拉（T）。电工钢板的磁极化强度高，铁芯的激磁电流（也称空载电流）降低，铜和铁的损耗都下降，可节省电能。当电机和变压器功率不变时，磁极化强度高，设计Bm可提高，铁芯截面积可缩小，这使铁芯体积减小和重量减轻，并节省电工钢板、导线、绝缘材料和结构材料用量，可降低电机和变压器的总损耗和制造成本，并且有利于大变压器和大电机的制造、安装和运输。

取向硅钢设计Bm高达1.7～1.80T，接近B8值，因此以B8作为磁极化强度保证值。电机设计Bm约为1.5T，接近冷轧无取向电工钢B50值，因此冷轧无取向硅钢以B50作为磁极化强度保证值。热轧硅钢的磁极化强度更低，通常以B25作为保证值。

（3）对磁各向异性的要求

电机是在运转状态下工作，铁芯是用带齿圆形冲片叠成的定子和转子组成，要求电工钢板的磁各向异性小，因此用无取向冷轧电工钢或热轧硅钢制造。一般要求纵横向比总损耗差值<8%，磁感差值<10%。

变压器是在静止状态下工作。大中型变压器铁芯是用条片叠成，一些配电变压器、电流和电压互感器以及脉冲变压器是用卷绕铁芯制造，这样可保证沿电工钢板轧制方向下料和磁化，因此都用冷轧取向硅钢制造。

（4）冲片性良好

用户使用电工钢板时冲剪工作量很大，因此要求电工钢板应具有良好的冲片性，这对微、小型电机尤为重要。冲片性好可以提高冲模和剪刀寿命，保证冲剪片尺寸精确以及减小冲剪片毛刺。

影响冲片性的因素主要有：1）冲模或剪刀材料：如硬质合金冲模的冲片性比工具钢冲模提高一倍以上；2）冲头与冲模的间距：合适的间距一般为钢板厚度的5%～6%；3）冲片用润滑油种类；4）冲片形状；5）钢板表面绝缘膜种类和质量；6）钢板的硬度等。后两个因素与电工钢板质量有关。

（5）钢板表面光滑、平整和厚度均匀

要求电工钢板表面光滑、平整和厚度均匀，主要是为了提高铁芯的叠片系数。叠片系数高可使铁芯有效利用空间增大，空气隙减小，使激磁电流减小。电工钢板的叠片系数每降低1%相当于比总损耗增高2%和磁极化强度降低1%。

（6）绝缘薄膜性能好

为防止铁芯叠片间发生短路而增大涡流损耗，冷轧电工钢板表面涂一薄层无机盐或无机盐+有机盐混合的半有机绝缘膜。对绝缘膜有以下要求：1）耐热性好：在750～800℃消除应力退火时不会破坏；2）绝缘膜薄且均匀；3）层间电阻高；4）附着性好；5）冲片性好；6）耐蚀性和防锈性好；7）焊接性好。用途不同，对绝缘膜的要求也有差异。

（7）磁时效现象小

铁磁材料的磁性随使用时间而变化的现象称为磁时效。铁芯工作时温升达50～80℃，钢中碳和氮原子以细小弥散的碳化物和氮化物析出，这使铁损增高。因此要求电工钢板产品中碳和氮含量均小于0.0035%.

参考文献：

[1]朱长华.薄板坯连铸连轧技术[J].涟钢科技与管理，2000，4：33～38.