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2605SA1日立金屬公司非晶合金帶材、國產非晶合金帶材1K101-A1\1K101-A2
隨著國產非晶合金帶材制造技術的不斷改進,其性能得到進一步提升,這為其應用推廣打下了良好基礎。實踐證明,變壓器制造企業在不修改任何設計方案沿用傳統變壓器裝配工藝的情況下,可完全使用國產非晶合金帶材鐵心替代進口非晶合金帶材鐵心。由于國內外非晶合金帶材特性的某些差異,在推廣國產非晶合金帶材應用中,以下一些保證鐵心性能指標和質量水平的關鍵點需要重視。
目前國內生產非晶合金帶材鐵心的剪切機,均是采用雙滾輪擠壓輸送。如果帶材的弧口向下,帶材邊緣在托架上不易滑行;如果帶材的弧口面向上,帶材又容易從托架上側滑;而且非晶合金帶材在剪切機上堆疊時也容易滑落或錯位。根據試驗,國產非晶合金帶材的最佳剪切方案是:每2卷或3卷需要剪切的帶材中,下層1卷帶材弧口向上,上層帶材(1卷或2卷)弧口向下。此送料方式,可確保帶材在剪切機出料口呈一定剛性,在兩根托架上平穩輸送;且落料堆疊時,不會側滑。鐵心成型時,由于國產非晶合金帶材呈弧形,必須增大模板對鐵心側面的壓緊力,保證鐵心的物理尺寸達到設計要求。帶模板成型后的鐵心,可采用適當的方法整平端面。雖然由此產生的鐵心內在應力比進口非晶合金帶材大一些,但通過后續合理的熱處理工藝技術,可以完全消除這些應力,恢復其磁特性。
另外,由于國產非晶合金帶材的脆性比進口帶材要大,因此在變壓器裝配過程中,要控制鐵心打開和閉合接頭時對帶材的損傷,防止帶材脆裂;而且,裝配過程中形成的碎片必須嚴格清除干凈,防止進入線圈和變壓器油箱,否則,對變壓器運行非常危險。
半成品的鐵心,需要在鐵心的兩個端面涂敷絕緣材料,加以形狀的固定和保護,以適合非晶合金鐵心的包裝、運輸、儲存和變壓器的裝配。這看似簡單的要求,卻對于國產非晶合金帶材鐵心的最終性能有著很大的影響。目前用戶常用的兩種封裝用絕緣材料是環氧樹脂和膠水。由于國產非晶合金帶材的板型橫向呈一定的弧形,涂敷環氧樹脂固化后,在鐵心邊緣的帶材會造成新的局部機械應力,由此會增加鐵心的空載損耗和激磁功率。而涂敷膠水的鐵心,明顯不存在上述情況。因此,建議優先選擇涂敷膠水。
還有,關于鐵心的層間結構設計。經試驗驗證:對于國產1K101-A2類材料,由于材料厚度較大,采用每組20片的結構,鐵心的剪切質量和成品性能都有較大改善;由于減少了片數,可減小鐵心搭接處的接頭氣隙,也可降低鐵心運行時的噪聲。對于國產1K101-A1類材料,其帶材比進口帶材更薄,每組30片的片間結構是最佳設計。組間增量控制在4.90~5.10mm,所得到的最終鐵心性能可優于進口帶材。
非晶合金帶材的特點是:帶材非常薄,硬度大,機械加工控制難度大,且相關材料特性的離散性大。非晶合金鐵心的片間結構設計、使用條件設計、質量計算,都跟非晶合金帶材的厚度、疊片系數、平整度、硼含量有著密切的關系。鐵心的結構設計合理與否,不僅影響到生產制造技術,而且也影響到批量生產的效率、鐵心的質量穩定性等問題。
因此,合理、優化的結構設計,是開發和推廣國產化非晶合金帶材鐵心的重要前提。熱處理退火工藝是非晶合金鐵心整個制作過程中最關鍵也是最難控制的工序,涉及的工藝要素也最多,包括退火溫度點、升溫速度、降溫速度、保溫時間、氣氛保護、直流磁場大小、退火爐的爐況要求等。(1)熱處理退火溫度日立金屬公司非晶合金帶材2605SA1的硼元素含量在2.4%以下,鐵心最佳的最高常規熱處理退火溫度控制范圍在340~355℃,甚至可以更寬些。國產非晶合金帶材
1K101-A1的硼含量在2.4%~2.5%,1K101-A2的硼含量在2.5%~2.6%,因此,鐵心的熱處理退火溫度適宜在370~380℃之間。由于非晶合金帶材經熱處理退火后呈脆性,退火溫度越高,材料脆性越強,因此,熱處理后的鐵心,在搬運、吊裝、儲存、運輸,以及變壓器裝配過程中容易形成碎片。如碎片控制不合理,這對變壓器運行是非常危險的。因此,適宜的鐵心退火溫度,不僅要保證消除鐵心的內在應力,恢復其磁特性,而且要能夠盡量降低非晶合金帶材的脆性,減少在鐵心后續操作中形成碎片的風險。試驗表明:國產非晶合金帶材鐵心最終的退火溫度控制在375~380℃為最佳。(2)保溫時間鐵心到達最佳退火溫度后,必要的保溫時間,對于調整鐵心磁性能,尤其是降低鐵心的激磁功率起關鍵作用。非晶合金鐵心的熱處理退火溫度、退火保溫時間和鐵心最終性能(單位空載損耗和單位激磁功率水平)的關系如圖1所示。單位空載損耗和單位激磁功率是鐵心的2個主要性能指標。單位空載損耗大小,決定著非晶變壓器最終的空載損耗是否能符合變壓器的空載損耗標準;而單位激磁功率的大小,會影響非晶合金變壓器運行時的噪聲水平。以目前對非晶合金鐵心熱處理退火工藝的研究,在整個退火過程中,經過最佳退火溫度后,鐵心的單位空載損耗隨著退火溫度的提高和退火
時間的延長而增大,但單位激磁功率仍隨著退火溫度的提高和退火時間的延長而降低。而且,鐵心帶材的脆性,也是隨著退火時間的增加、退火溫度的提高而增大。因此,鐵心制造者必須根據用戶對鐵心性能的要求,選擇最佳的退火溫度和最適宜的保溫時間。(3)氣氛保護非晶合金帶材是鐵基的合金材料,鐵的成分占了90%以上,因此,鐵心在高溫熱處理退火
時很容易受溫度和濕度的影響而被氧化。鐵心表面被氧化后,除了表面有銹跡,更主要的是表面氧化層會導致鐵心的空載損耗明顯增大。因此,鐵心在整個熱處理退火過程中必須采用氣氛保護,減少和防止鐵心表面被氧化。與日立金屬公司的非晶合金帶材相比,根據現有的試驗數據,國產非晶合金帶材被氧化的程度更明顯。因此,國產非晶合金帶材鐵心在熱處理時更需加強氣氛保護。目前常用的工藝保護氣體為氮氣或氬氣,保護氣的純度可根據當地氣候環境、濕度情況等選擇。(4)升溫和降溫速度非晶合金鐵心的升溫速度和降溫速度,對鐵心性能也有著重要影響。由于鐵心在批量生產時都是多個裝載、批次性熱處理,所以,合理的升溫和降溫速度,不僅影響非晶合金鐵心的性能結果,而且也影響到生產效率和生產成本。升溫速度的快慢,會影響同爐次非晶合金鐵心的溫度離散性,也會影響到鐵心性能的離散性,升溫速度越快,離散性越大。對比國產和進口非晶合金帶材鐵心在升溫過程中的情況,進口非晶合金帶材鐵心在低溫段的溫度離散性較小,但到達高溫區時會增大;而國產非晶合金帶材鐵心在到達高溫區并接近最佳退火溫度點時的溫度離散性更小,幾乎可以控制
在3℃之內。因此,在升溫階段,國產非晶合金帶材鐵心可以直接進行快速升溫,而進口非晶合金帶材鐵心需要采用消除溫差的工藝。降溫速度的快慢,也直接影響鐵心的內在性能。試驗證明:降溫速度快,對于降低鐵心的空載損耗是有益的,但同時會增大鐵心的激磁功率。因此,國產非晶合金帶材鐵心的最佳降溫速度,需根據熱處理設備的特點、鐵心最終所要達到的性能指標來選擇,這需要一定的經驗數據來支持,對于不同的鐵心制造者來說,這不會是唯一的。(5)直流磁場成型后的非晶合金鐵心,在退火時需附加直流磁場來改善其磁特性。其原理是:將非晶合金鐵心沿帶材長度方向放在磁場中,引起非晶合金帶材單軸各向異性的磁疇排列,以此獲得良好的磁疇取向。場強的大小,是改善非晶合金鐵心磁特性
的關鍵。當采用的場強大于非晶合金鐵心材料磁性能的最小飽和值時,該磁場不會對鐵心最終的磁特性產生有益或有害影響。因此,鐵心退火時常用的場強與非晶合金材料磁性能的飽和值保持一致或略大即可。由于成分、電磁特性等不同,
國產與進口非晶合金帶材鐵心退火時的場強有明顯差異。試驗表明:進口非晶合金帶材鐵心退火時的場強為800A/m,或磁場電流大小在500~800A,可保證退火時鐵心材料飽和;而國產非晶合金帶材鐵心退火時的場強需2000A/m左右,
或磁場電流大小在1400A時可保證退火時鐵心材料飽和,才能達到最佳的退火效果。
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