JFE钢铁公司取向电工钢的最新进展

取向电工钢板主要用作变压器的铁芯材料，其铁损对变压器的能效有很大影响。因此，JFE钢铁公司一直大力推进取向电工钢板低铁损化技术的开发。

 

1取向电工钢的开发历程

 

1.1节能时代的要求

 

对变压器节能要求的提高始于1973年的第一次石油危机。近年来为了抑制地球温室化，日本的“最佳节能变压器”、美国能源部（DOE）法规、欧洲的生态设计指令（Ecodesign Directive）等涉及变压器效率的严格法规开始执行。日本节能法将必须提高能源利用效率的设备称为“特定设备”，并在“特定设备制造业提高特定设备性能的判定基准”中对“目标年度”和应达到的基准值“能耗效率” 做了规定。2002年12月日本发布的“第一次判断基准”规定，从2006年开始油浸式变压器纳入特定设备，从2007年开始，模型变压器纳入特定设备。按照这个法规，“第一次判断基准”规定的“最佳节能变压器”的能耗效率比传统变压器提高32.8%。为实现变压器的高效率化，取向电工钢板的低铁损是不可缺少的。取向电工钢板性能提高在“最佳节能变压器”中起了很大作用。在“第一次判断基准”的基础上，进一步对铁芯和和绕阻材料的高性能化和改进变压器加工技术进行了研究。2012年3月，日本发布了“第二次判断基准”。“第二次判断基准”规定的“最佳节能变压器2014”的铁损比“第一次判断基准”规定的最佳节能变压器降低12.5%，比传统变压器降低39.4%。这些高效率变压器对环境保护和节能作出了很大贡献。在最佳节能变压器2014中使用了进一步提高性能的取向电工钢板，在实现节能的同时，并控制了变压器外型扩大和重量增加。

 

最佳节能变压器的使用具有很大的CO2减排效果。日本电机工业协会（JEMA）会员变压器制造厂2012年的最佳节能变压器总产量为53.5万台，总容量为116GVA。相应的节能效果是18亿千瓦小时/年，相应的CO2减排量是100万吨/年。

 

JFE钢铁公司为应对变压器节能、CO2减排的社会需求，一直不断地进行取向电工钢板低铁损化技术的研究和开发。

 

1.2取向电工钢板的特点和降低铁损的原理

 

取向电工钢板是Si含量约为3%、厚度为0.20-0.35mm的钢板。取向电工钢板由取向接近{110}<001>方向（高斯取向）的晶粒构成。晶粒的易磁化轴集中在钢板的轧制方向。因此，取向电工钢板在轧制方向上具有优良的磁学特性。取向电工钢板表面施加了具有电绝缘性的绝缘皮膜。这种绝缘皮膜对钢板附加了张力，起着降低钢板铁损的作用。

 

取向电工钢板由叫做磁畴的具有相同方向自发磁化倾向的微小区域构成。磁畴与磁畴的边界叫做畴壁。

 

取向电工钢板的铁损有磁滞损耗（Wh）和涡流损耗（We）组成。涡流损耗又可分为经典涡流损耗（Wce）和反常涡流损耗（Wae）。

 

磁滞损耗（Wh）是因畴壁移动不可逆性产生的能量损失。钢中的微小析出物、夹杂物是畴壁移动的障碍，增加了畴壁移动的不可逆性，使磁滞损耗变大。因此，应将形成析出物、夹杂物的C、N、O、S等元素降低到极小程度。此外，铁晶粒在易磁化方向（<001>）上最容易被磁化，铁晶粒的<001>方向与磁化方向的夹角越小磁滞损耗越少。因此提高取向电工钢板晶粒的取向度是降低磁滞损耗的有效方法。

 

涡流损耗（We）是钢板被交流磁化时因电磁感应作用在钢板内产生涡电流引起的焦耳热。

 

经典涡流损耗（Wce）是假定钢板中的磁化均匀变化时的涡流损耗。经典涡流损耗（Wce）由（1）式计算。

 

Wce=K1Bm2d2f2/ρ （1）

 

式中，K1：常数；Bm：最大磁感应强度；d：钢板厚度；f：电流周波数；ρ：钢板的电阻。

 

由公式（1）可知，使钢板减薄、提高钢板的电阻是降低经典涡流损耗的有效方法。取向电工钢板中添加Si元素起着提高钢板的电阻、降低经典涡流损耗的作用。

 

反常涡流损耗（Wae）起因于畴壁移动，可用（2）式计算。

 

Wae= K2B2s V2d/ρ （2）

 

式中，K2：常数；Bs：饱和磁感应强度；V：畴壁移动速度。

 

减小磁畴宽度即增加磁畴数量，可以降低交流磁化时的畴壁移动速度，减小反常涡流损耗。减小磁畴宽度的有效方法是晶粒微细化和提高绝缘皮膜附加在钢板上的拉伸应力。减小磁畴宽度的物理方法是在钢板上引入局部应变和在钢板表面制造沟槽等磁畴细化方法。钢板在500℃以上退火时局部应变法产生的应变发生回复，磁畴细化效果消失。所以，局部应变法叫做非耐热型磁畴细化法。磁畴细化效果不因退火而消失的表面沟槽法叫做耐热型磁畴细化法。变压器有在制造过程中需要进行消除应变退火的卷铁芯变压器和不需要进行消除应变退火的叠铁芯变压器。非耐热型磁畴细化法可用于叠铁芯变压器。

 

1.3 JFE钢铁公司降低铁损的历程

 

1.3.1 “JGH”的开发

 

JFE钢铁的取向电工钢板开发始于其前身的川崎重工业时代的1948年。1958年取向电工钢板“RG”（现商品名“JG”）开始生产销售。1973年取向电工钢板“RGH”（现商品名“JGH”）开始生产销售。

 

为了提高取向电工钢板的晶粒取向度，在取向电工钢板生产中利用了二次再结晶的冶金学现象。二次再结晶是在10μm大小的一次再结晶晶粒中，仅使接近高斯取向的晶粒长大到5mm以上的工艺技术。为了提高晶粒的易磁化方向<100>对轧制方向的取向度，使用抑制非高斯取向晶粒长大的抑制剂非常重要。RGH在析出物微细化的基础上，并且利用偏析元素强化抑制剂的抑制作用，提高了晶粒的取向度、降低了磁滞损耗，其铁损比传统取向电工钢板约降低了10%。

 

由于提高晶粒取向度使磁滞损耗达到了一定程度，JFE钢铁公司将降低铁损的研究重点转向降低涡流损耗。1973年“RGH”商品化之后，相继发生了1973年和1979年的石油危机，引起能源价格飙升。在世界性节能要求高涨的形势下，JFE钢铁公司完成了对“RGH”的改进工作。在降低涡流损耗方面，进行了钢板减薄、提高Si含量、细化晶粒等措施的研究。在对取向电工钢板进行二次再结晶处理过程中，钢板表面的抑制剂会发生分解消失，当钢板减薄时，抑制剂分解消失的程

 

度增加，导致二次再结晶不稳定、钢板的晶粒取向度下降。因此，在20世纪80年代前，只能使用0.27mm以上的厚取向电工钢板。此外，Si含量的增加也导致二次再结晶不稳定。在开发困难的情况下，JFE钢铁公司采用了冶金学新技术，于1981年开发出厚度为0.23mm的薄型取向电工钢板“23RGH”，开始销售。此后，又进一步推进薄型化的研究，并于1983年开始销售厚度为0.20mm的薄型取向电工钢板“20RGH”。这些薄型取向电工钢板被许多变压器制造厂采用并受到好评。

 

1.3.2 磁畴细化取向电工钢板的开发

 

JFE钢铁公司对与上述的冶金方法不同的物理方法减小磁畴宽度、降低反常涡流损耗技术进行了开发。减小磁畴宽度的物理方法是在取向电工钢板表面导入局部应变，使磁畴细化的方法。所以，JFE钢铁公司对表面划痕法和激光照射法等物理方法进行了研究。并于1987年成功开发出工业用的细化磁畴的等离子喷射法。等离子喷射法磁畴细化取向电工钢板，以“RJHPJ”的商品名销售。当把气体加热到高温时，气体粒子间发生激烈碰撞，分解为电子和正离子。这种电子和正离子的混合状态叫做等离子体。等离子体用于磁畴细化时，用电弧放电使气体等离子化，通过喷嘴孔和高速气流对等离子体进行强制收敛，并经喷嘴喷射出来。这种等离子体的温度高达1万度以上，将这种高温等离子体照射到取向电工钢板上，可达到磁畴细化的目的。但是，当对取向电工钢板进行500℃以上的退火时，激光照射和等离子喷射等利用局部应变细化磁畴的效果会消失，所以，这类方法不能用于需要进行消除应变退火的卷铁芯变压器。

 

因此，JFE钢铁公司对耐热型磁畴细化取向电工钢板（消除应变退火不影响磁畴细化效果）进行了开发。1991年通过在钢板表面制做沟槽，利用沟槽侧面形成的磁极的反

 

磁场效应实现了磁畴细化。这种耐热型磁畴细化取向电工钢板的商品名是“RGHPD”。其优点是既可用于叠铁芯，也可用于卷铁芯。后来，将“RGHPJ”归纳到“RGHPD”。

 

1.3.3“JGS”的开发

 

利用磁畴细化技术降低了涡流损耗之后，JFE钢铁公司把降低铁损的研究再次转向提高晶粒取向度降低磁滞损耗的研究。为此，对“RGH”的全生产工艺进行冶金学改进。于1994年开发出“New RGH”（现商品名“JGS”）和对“New RGH”进行耐热型磁畴细化处理的“New RGHPD”（现商品名“JGSD”）。一次再结晶的晶粒取向对二次再结晶的晶粒取向有很大影响。因此，JFE钢铁公司在日本率先导入一次再结晶晶粒取向测定装置EBSD（背散射电子衍射），并建立了新的织构评价模型。利用这种新装置和模型，查明一次再结晶晶粒取向的情况，进一步提高了New RGH的特性。

 

1.3.4 进一步降低铁损

 

“JGSD”的铁损进一步降低，现在厚度为0.23mm、W17/50≤0.80W/kg的耐热型磁畴细化取向电工钢板“23JGSD080”已经销售。

 

此外，JFE钢铁公司还开发出与过去的等离子喷射法不同的非耐热型磁畴细化技术。利用该技术生产的“JGSE”系列产品于2014年开始销售。“JGSE”系列产品的最高级别是厚度为0.23mm、W17/50≤0.75W/kg的非耐热型磁畴细化取向电工钢板“23JGSE075”。该牌号用于叠铁芯变压器受到好评。

 

2 JFE钢铁取向电工钢板产品系列和变压器特性

 

2.1取向电工钢板产品系列

 

取向电工钢板一般分为CGO、HGO、磁畴细化材等3个类别。JFE钢铁为满足用户的多样性需求，生产供应“JG”、“JGH”、“JGS”、“JGSD”、“JGSE”等5个系列的取向电工钢板。1）“JG”系列中的厚度为0.27-0.35mm的钢板是普通取向电工钢板，相当于CGO。2）“JGH”系列中的厚度为0.20-0.35mm的钢板是高级取向电工钢板，相当于HGO，铁损小于“JG”系列。3）“JGS” 系列中的厚度为0.23-0.35mm的钢板是更高级取向电工钢板，相当于HGO，具有高磁感应强度和低铁损。此外，由于晶粒具有高取向度，有利于变压器的低噪音化。4）“JGSD”系列是钢板表面加工成沟槽的耐热型磁畴细化低铁损取向电工钢板，可用于进行消除应变退火的卷铁芯变压器。5）“JGSE”系列是钢板表面导入局部应变的非耐热型磁畴细化低铁损取向电工钢板，可用于叠铁芯变压器。

 

 “35JG135”表示厚度：0.35mm、种类：JG、铁损保证值：1.35W/ kg。

 

2.2使用“JGSE”的变压器特性

 

最高级别的非耐热型磁畴细化取向电工钢板“23JGSE075”和耐热型磁畴细化取向电工钢板“23JGSD080”用于叠铁芯油浸变压器的例子如下。

 

变压器额定容量1000kVA，铁芯是三相三柱式叠铁芯。使用“23JGSE075”、“23JGSD080”的变压器的铁损，小于使用“23JG”和“JGH”的变压器铁损。此外，在整个磁感应强度范围内，“23JGSE075”的铁损都小于“23JGSD080”。因此，“23JGSE075”是降低叠铁芯变压器铁损的最佳材料。

 

2.3取向电工钢板的发展展望

 

JFE钢铁公司已经开发出耐热型、非耐热型磁畴细化取向电工钢板等世界最高水平的取向电工钢板，满足用户的需求。但是，世界对节能和抑制地球温室化的要求越来越高。目前，JFE钢铁公司受新能源·产业技术综合开发机构（NEDO）的委托，正在进行新一代取向电工钢板的研究开发。该项研发的新一代取向电工钢板不同于传统的取向电工钢板，采用化学气相沉积（CVD）技术，在钢基体表面形成TiN膜，对钢板附加很大的张力。在样板试验中，开发材的铁损比基材23JGSD080的铁损W17/50=0.75W/kg降低了16%。与传统变压器铁损相比，用开发材制作的卷铁芯变压器在额定电压下（Bm=1.7T），铁损降低11%-12%，在110%额定电压下（Bm=1.91T），铁损降低21%-23%

 

今后将进一步推进磁畴细化技术改进、晶粒取向度提高、钢板电阻增加以及薄规格化等技术研发，制造出性能更加优良的取向电工钢板。