高磁感取向硅钢（HGO）广泛应用于各种大、中型变压器的制造，与一般取向硅钢相比具有铁损低、磁感应强度高、磁致伸缩小等优点，用它制作的变压器产品具有空载损耗低、噪声低、体积小等特点。因此高磁感取向硅钢越来越多地受到用户的欢迎，使用量逐年加大。
高磁感取向硅钢有两种截然不同的生产方式，一种是在热轧工序采用板坯高温加热热轧；另一种是采用低温加热热轧+后工序渗氮处理。前一种工艺由日本新日铁公司发明，产品被命名为HiB钢（高温高磁感取向硅钢）；后一种工艺也由新日铁公司发明，产品被称为低温高磁感取向硅钢，国内有人称为低温HiB钢。与HiB硅钢工艺相比，低温工艺由于显著地降低了生产难度和能耗，近年来已成为高磁感取向硅钢开发的热点。
国际上，日本新日铁公司広畑厂生产HiB高磁感取向硅钢，而八幡厂生产低温高磁感取向硅钢，美国AK公司生产HiB钢，韩国浦项公司则生产低温高磁感取向硅钢。
国内方面，在2009年以前，高磁感取向硅钢在国内一直由武钢独家生产，品种为高温高磁感取向硅钢（HiB钢），至2010年HiB钢年产量已达到16万吨，在HiB钢生产的同时，武钢充分认识到低温加热热轧生产高磁感取向硅钢可以明显降低生产成本，符合国家节能减排的要求，2005年将低温高磁感取向硅钢课题列为公司的重大项目开展研究与开发，并于2008年7月在生产线上成功地试制出磁性能满足高磁感取向硅钢要求的整卷产品并逐步实现了产业化。宝钢2008年7月第一卷合格的高磁感取向硅钢NSGO成功下线，到2010年宝钢的取向硅钢年产量已达到10万吨，其主要产品为高磁感取向硅钢。
围绕着低温和高温加热方式生产高磁感取向硅钢磁性能的差异争论由来已久，部分学者认为低温高磁感取向硅钢一次轧制法生产产品厚度变宽（0.18~0.5mm），二次再结晶时，抑制剂较高温高磁感取向硅
钢更强和稳定，特别是具备由于热轧加热温度降低使得生产制造成本大幅降低等优点。但部分文献表明，低温高磁感取向硅钢磁感值较传统的HiB钢低约200Gs，而且由于抑制剂在二次再结晶退火时受气氛干扰较大，存在产品磁性能波动较大等缺点。本文将从两种产品的成品晶粒大小及磁性均匀性、成品晶粒位向、磁致伸缩、产品实际应用等方面分析两者差异及改进方法。
1、试验材料及方法
试验材料选取武钢生产的磁性能基本相同的0.27mmHiB钢和低温高磁感取向硅钢。用爱普斯坦方圈法测量试样的磁性能，HiB钢B800=1.920T（B800表示在800A/m磁场下的磁感应强度），P1.7/50=0.967W/kg（P1.7/50表示铁芯在50Hz交变磁场下磁化到1.7T时所消耗的无效电能，简称铁损）；低温高磁感取向硅钢B800=1.919T，P1.7/50=0.962W/kg。晶粒大小测量：试样沿钢板轧制方向取样，酸洗后观察低倍组织，并按GB/T6394—2002《金属平均晶粒度测定法》标准转换为晶粒尺寸大小；对32片爱普斯坦方圈试样沿板宽方向测量单片磁性能比较磁性均匀性；在爱普斯坦方圈试样中分别选取磁性能相同的四片试样用Quanta400扫描电镜所带EBSD附件对试样上所有450个晶粒的取向进行标定，并计算出各晶粒与理想的高斯取向偏离角，即与轧向偏离角α和与轧面倾角β，同时采用图像仪测算出各晶粒的面积，并统计分析成品晶粒位向。磁致伸缩试验采用30mm×300mm试样。
2、试验结果及讨论
2.1、晶粒大小及磁性均匀性
HiB钢和低温高磁感取向硅钢低倍组织如图1所示，从图1低倍组织来看，HiB钢沿板宽方向晶粒较为均匀，平均晶粒大小为10.29mm。低温高磁感取向硅钢边部存在较大的晶粒，而中部则较小，同时中部存在较多细小的晶粒，晶粒分布沿板宽方向存在不均匀性，平均晶粒大小为19.05mm，如果不考虑边部特大晶粒则为16.41mm，低温高磁感取向硅钢明显比HiB钢晶粒大。
图1：HiB钢（a）和低温高磁感取向硅钢（b）低倍组织（边部→中心，480mm×100mm）
在相同磁感值前提条件下，取向硅钢晶粒越大其激光刻痕细化磁畴效果越好，低温高磁感取向硅钢在激光刻痕产品方面应该具备优势。但激光刻痕效果与磁感值关系更大，磁感高时激光刻痕降低铁损效果更加显著。现阶段，武钢生产的HiB钢产品磁感值仍明显高于低温产品，因此，HiB钢产品激光刻痕降低铁损效果优于低温产品。而晶粒越小，磁畴间距越小，涡流损耗也越小，因此在不刻痕条件下，如产品应用于卷绕式铁芯则是HiB钢占据优势。
沿板宽方向的磁性能如图2所示。从图2来看，HiB钢沿板宽方向磁性能较为均匀，磁性能指标与平均值的偏离值ΔB800=182Gs，ΔP1.7/50=0.025W/kg；低温高磁感取向硅钢则差异较大，ΔB800=227Gs，ΔP1.7/50=0.038W/kg，铁损偏离值大约是HiB钢的1.5倍。
图2：沿板宽方向的磁性能
造成这种差异的原因是两者选用的抑制剂完全不同，从而决定了生产方式的不同。HiB钢生产方式：转炉复吹→真空精炼→连铸→热送→热轧加热轧制（加热温度约1380~1400℃）→常化酸洗→冷轧高温轧制→脱碳退火（涂MgO）→高温退火→拉伸平整退火→（激光刻痕）→检验判级→剪切包装。低温高磁感取向硅钢生产方式：转炉复吹→真空精炼→连铸→热送→热轧加热轧制（加热温度约1100~1180℃）→常化酸洗→冷轧高温轧制→脱碳退火+渗氮（涂MgO）→高温退火→拉伸平整退火→（激光刻痕）→检验判级→剪切包装。
从生产方式比较来看，HiB钢抑制剂是通过炼钢过程中化学元素的添加就已经给定的，只要热轧加热温度和时间适当，受后工序影响较小，稳定性高。低温高磁感取向硅钢需要在脱碳工序过程中进行渗氮处理，钢带表面存在氮含量分布的不均匀性，同时抑制剂（Al，Si）N是在高温退火工序过程中通过氮的扩散而形成的，同样也存在不均匀性，反映在产品方面表现为沿板宽方向上的晶粒大小和磁性能不均匀。
2.2、晶粒位向
在爱普斯坦方圈试样中分别选取四片磁性能基本相同的HiB钢和低温高磁感取向硅钢试样（30mm×300mm）。HiB钢B800=1.919T，P1.7/50=0.973W/kg；低温高磁感取向硅钢B800=1.918T，P1.7/50=0.968W/kg。对8片试样上的450个晶粒取向进行标定。计算和统计分析表明，HiB钢试样中α角、β角、（α+β）/2角在低偏离角范围内（0°~3°）晶粒所占面积百分数分别为61.4%、64.8%、55.8%，而低温高磁感取向硅钢试样中则分别为57.9%、55.9%、47.2%，HiB钢试样中低偏离角晶粒所占比例比低温高磁感取向硅钢试样大。
〈001〉与轧向的平均偏离角（α+β）/2与B800有明显的关系，图3为HiB钢和低温高磁感取向硅钢试样中所有不同（α+β）/2角区间晶粒所占面积百分数对比图，从图3可以看出，两者在0°~6°范围内晶粒所占比例总和分别为91.6%、90.0%，基本相同，但HiB钢试样在0°~2°范围内晶粒所占比例明显较大，而低温高磁感取向硅钢试样在2°~3°和4°~6°范围内晶粒所占比例较大，HiB钢晶粒明显比低温高磁感取向硅钢锋锐。
图3：不同（α+β）/2角区间HiB钢和低温高磁感取向硅钢晶粒所占面积百分数
基于上述原因，低温高磁感取向硅钢应以改善晶粒位向，减小与高斯位向的偏离角为主要研究方向，尤其是需要增加在0°~2°范围内晶粒的比例。提高低温高磁感取向硅钢整体磁感值是有效的方法。近年来，研究者也提出了各种解决方案，如快速加热以及低温高磁感取向硅钢中添加Bi元素等，相信经过研究者的不断努力将逐步解决这一问题。
2.3、磁致伸缩
磁致伸缩是指铁磁材料在居里温度以下磁化时，其长度和体积发生的微小变化，主要与晶粒的取向度和应力大小有关，磁致伸缩是引起变压器噪声的主要原因。本试验对HiB钢和低温高磁感取向硅钢产品0.27mm×30mm×300mm试样进行磁致伸缩测试，设备采用日本理研电子公司生产的MST-400C磁致伸缩测试仪。表1为HiB钢和低温高磁感取向硅钢试样磁致伸缩特征值λ1.5，λ1.7和λ1.9的测量平均值。
表1：HiB钢和低温高磁感取向硅钢磁致伸缩特征值
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产品
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λ/×10–6
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λ1.5
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λ1.7
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λ1.9
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HiB钢
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0.16
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0.30
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0.38
|
|
低温高磁感取向硅钢
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0.16
|
0.31
|
0.41
|
从表1结果看，在磁通密度为1.5T和1.7T条件下，HiB钢和低温高磁感取向硅钢磁致伸缩值无明显差异，但在1.9T条件下，HiB钢磁滞伸缩测量值略小，表明HiB钢生产的变压器在高磁场条件下噪声和震动偏小。
3、产品应用
2010~2011年，国内某大型变压器制造厂采用HiB钢和低温高磁感取向硅钢制造的用于三峡工程的500kV电压级别特大容量电力变压器，设计参数及制造过程完全相同，牌号均为0.27mm厚高磁感取向硅钢激光刻痕产品，产品磁性能要求B800≥1.90T，P1.7/50≤0.88W/kg，所生产的变压器性能对比如表2所示。
由表2可以看出，HiB钢在空载损耗、空载电流率和噪声方面明显比低温HiB钢占优，尤其是在负载率超过100%时，HiB钢体现出较高的抗过载能力，空载损耗最大相差9.45%，空载电流率最大相差18.92%，噪声相差2.89%。这一结果还表明，单纯检测产品B800、P1.7/50等磁性能还不能够足以说明产品的实际使用情况。
表2：HiB钢和低温高磁感取向硅钢制造的大型变压器性能
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测试项目
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设计值
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负载率/%
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HiB钢
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低温高磁感取向硅钢
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空载损耗/kW
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≤229
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90
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170.4
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178.7
|
–4.64
|
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100
|
222.7
|
233.5
|
–4.63
|
||
|
110
|
308.7
|
324.3
|
–4.81
|
||
|
115
|
381.4
|
421.2
|
–9.45
|
||
|
空载电流率/%
|
≤0.035
|
90
|
0.028
|
0.028
|
0.00
|
|
100
|
0.031
|
0.031
|
0.00
|
||
|
110
|
0.060
|
0.074
|
–18.92
|
||
|
115
|
0.32
|
0.33
|
–3.03
|
||
|
噪声/dB
|
≤80
|
|
67
|
69
|
-2.89
|
注：数据来源于某变压器制造厂质检报告。
特别是随着中国交直流混合输电模式逐渐形成，交直流系统互相干扰的问题也随之出现。当变压器出现直流偏磁时，使励磁电流增加从而使变压器铁芯工作磁感向磁化曲线的饱和区转移。因此，提高取向硅钢磁感值，确切地说是减小产品晶粒位向与高斯位向的偏离角具有重要的意义，取向硅钢生产商应与变压器厂家携手研究HiB钢与低温高磁感取向硅钢产品在直流偏磁方面的不同之处，使得两种产品都能够更好地应用于大型变压器。
在高端产品应用方面，HiB钢目前仍占有一定优势，但从生产方面来看，由于HiB钢加热温度高，不但能源消耗大，还会对产品的成材率和表面质量带来不利的影响，因此HiB钢制造过程中要重点解决的是成材率、表面质量、板形等方面的问题。低温高磁感取向硅钢由于热轧加热温度与普钢一样，能源消耗较低，同时边裂减少，成本显著下降，但需要解决成品晶粒位向问题，以减小成品晶粒与高斯位向的偏离角，同时还需要解决磁性不均匀问题。
4、结论
1）HiB钢产品平均晶粒尺寸比低温高磁感取向硅钢小，低温高磁感取向硅钢沿板宽方向的磁性能不均匀性大于HiB钢。
2）HiB钢与低温高磁感取向硅钢晶粒结构有明显差异，对于（α+β）/2角区间晶粒所占面积百分数，HiB钢试样在0°~2°范围内所占比例较大，而低温HiB钢试样在2°~3°和4°~6°范围内所占比例相对较大。
3）在1.9T条件下，HiB钢磁致伸缩测量值略小，在产品应用时HiB钢噪声略小。
4）HiB钢在高磁场条件下占有一定优势，抗过载能力强，安全系数较高，但应提高生产过程控制水平，减少成品孔洞、划伤、板形不良带来的使用性问题，同时还需要解决热轧边裂大造成的成本偏高问题。
5）低温高磁感取向硅钢产品应以减小成品晶粒与高斯位向的偏离角为主要研究方向，同时通过有效的细化磁畴方法来控制磁畴结构，以达到HiB钢同样的应用效果。
收稿时间：2011年12月
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