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2605SA1日立金属公司非晶合金带材、国产非晶合金带材1K101-A1\1K101-A2
随着国产非晶合金带材制造技术的不断改进,其性能得到进一步提升,这为其应用推广打下了良好基础。实践证明,变压器制造企业在不修改任何设计方案沿用传统变压器装配工艺的情况下,可完全使用国产非晶合金带材铁心替代进口非晶合金带材铁心。由于国内外非晶合金带材特性的某些差异,在推广国产非晶合金带材应用中,以下一些保证铁心性能指标和质量水平的关键点需要重视。
目前国内生产非晶合金带材铁心的剪切机,均是采用双滚轮挤压输送。如果带材的弧口向下,带材边缘在托架上不易滑行;如果带材的弧口面向上,带材又容易从托架上侧滑;而且非晶合金带材在剪切机上堆叠时也容易滑落或错位。根据试验,国产非晶合金带材的最佳剪切方案是:每2卷或3卷需要剪切的带材中,下层1卷带材弧口向上,上层带材(1卷或2卷)弧口向下。此送料方式,可确保带材在剪切机出料口呈一定刚性,在两根托架上平稳输送;且落料堆叠时,不会侧滑。铁心成型时,由于国产非晶合金带材呈弧形,必须增大模板对铁心侧面的压紧力,保证铁心的物理尺寸达到设计要求。带模板成型后的铁心,可采用适当的方法整平端面。虽然由此产生的铁心内在应力比进口非晶合金带材大一些,但通过后续合理的热处理工艺技术,可以完全消除这些应力,恢复其磁特性。
另外,由于国产非晶合金带材的脆性比进口带材要大,因此在变压器装配过程中,要控制铁心打开和闭合接头时对带材的损伤,防止带材脆裂;而且,装配过程中形成的碎片必须严格清除干净,防止进入线圈和变压器油箱,否则,对变压器运行非常危险。
半成品的铁心,需要在铁心的两个端面涂敷绝缘材料,加以形状的固定和保护,以适合非晶合金铁心的包装、运输、储存和变压器的装配。这看似简单的要求,却对于国产非晶合金带材铁心的最终性能有着很大的影响。目前用户常用的两种封装用绝缘材料是环氧树脂和胶水。由于国产非晶合金带材的板型横向呈一定的弧形,涂敷环氧树脂固化后,在铁心边缘的带材会造成新的局部机械应力,由此会增加铁心的空载损耗和激磁功率。而涂敷胶水的铁心,明显不存在上述情况。因此,建议优先选择涂敷胶水。
还有,关于铁心的层间结构设计。经试验验证:对于国产1K101-A2类材料,由于材料厚度较大,采用每组20片的结构,铁心的剪切质量和成品性能都有较大改善;由于减少了片数,可减小铁心搭接处的接头气隙,也可降低铁心运行时的噪声。对于国产1K101-A1类材料,其带材比进口带材更薄,每组30片的片间结构是最佳设计。组间增量控制在4.90~5.10mm,所得到的最终铁心性能可优于进口带材。
非晶合金带材的特点是:带材非常薄,硬度大,机械加工控制难度大,且相关材料特性的离散性大。非晶合金铁心的片间结构设计、使用条件设计、质量计算,都跟非晶合金带材的厚度、叠片系数、平整度、硼含量有着密切的关系。铁心的结构设计合理与否,不仅影响到生产制造技术,而且也影响到批量生产的效率、铁心的质量稳定性等问题。
因此,合理、优化的结构设计,是开发和推广国产化非晶合金带材铁心的重要前提。热处理退火工艺是非晶合金铁心整个制作过程中最关键也是最难控制的工序,涉及的工艺要素也最多,包括退火温度点、升温速度、降温速度、保温时间、气氛保护、直流磁场大小、退火炉的炉况要求等。(1)热处理退火温度日立金属公司非晶合金带材2605SA1的硼元素含量在2.4%以下,铁心最佳的最高常规热处理退火温度控制范围在340~355℃,甚至可以更宽些。国产非晶合金带材
1K101-A1的硼含量在2.4%~2.5%,1K101-A2的硼含量在2.5%~2.6%,因此,铁心的热处理退火温度适宜在370~380℃之间。由于非晶合金带材经热处理退火后呈脆性,退火温度越高,材料脆性越强,因此,热处理后的铁心,在搬运、吊装、储存、运输,以及变压器装配过程中容易形成碎片。如碎片控制不合理,这对变压器运行是非常危险的。因此,适宜的铁心退火温度,不仅要保证消除铁心的内在应力,恢复其磁特性,而且要能够尽量降低非晶合金带材的脆性,减少在铁心后续操作中形成碎片的风险。试验表明:国产非晶合金带材铁心最终的退火温度控制在375~380℃为最佳。(2)保温时间铁心到达最佳退火温度后,必要的保温时间,对于调整铁心磁性能,尤其是降低铁心的激磁功率起关键作用。非晶合金铁心的热处理退火温度、退火保温时间和铁心最终性能(单位空载损耗和单位激磁功率水平)的关系如图1所示。单位空载损耗和单位激磁功率是铁心的2个主要性能指标。单位空载损耗大小,决定着非晶变压器最终的空载损耗是否能符合变压器的空载损耗标准;而单位激磁功率的大小,会影响非晶合金变压器运行时的噪声水平。以目前对非晶合金铁心热处理退火工艺的研究,在整个退火过程中,经过最佳退火温度后,铁心的单位空载损耗随着退火温度的提高和退火
时间的延长而增大,但单位激磁功率仍随着退火温度的提高和退火时间的延长而降低。而且,铁心带材的脆性,也是随着退火时间的增加、退火温度的提高而增大。因此,铁心制造者必须根据用户对铁心性能的要求,选择最佳的退火温度和最适宜的保温时间。(3)气氛保护非晶合金带材是铁基的合金材料,铁的成分占了90%以上,因此,铁心在高温热处理退火
时很容易受温度和湿度的影响而被氧化。铁心表面被氧化后,除了表面有锈迹,更主要的是表面氧化层会导致铁心的空载损耗明显增大。因此,铁心在整个热处理退火过程中必须采用气氛保护,减少和防止铁心表面被氧化。与日立金属公司的非晶合金带材相比,根据现有的试验数据,国产非晶合金带材被氧化的程度更明显。因此,国产非晶合金带材铁心在热处理时更需加强气氛保护。目前常用的工艺保护气体为氮气或氩气,保护气的纯度可根据当地气候环境、湿度情况等选择。(4)升温和降温速度非晶合金铁心的升温速度和降温速度,对铁心性能也有着重要影响。由于铁心在批量生产时都是多个装载、批次性热处理,所以,合理的升温和降温速度,不仅影响非晶合金铁心的性能结果,而且也影响到生产效率和生产成本。升温速度的快慢,会影响同炉次非晶合金铁心的温度离散性,也会影响到铁心性能的离散性,升温速度越快,离散性越大。对比国产和进口非晶合金带材铁心在升温过程中的情况,进口非晶合金带材铁心在低温段的温度离散性较小,但到达高温区时会增大;而国产非晶合金带材铁心在到达高温区并接近最佳退火温度点时的温度离散性更小,几乎可以控制
在3℃之内。因此,在升温阶段,国产非晶合金带材铁心可以直接进行快速升温,而进口非晶合金带材铁心需要采用消除温差的工艺。降温速度的快慢,也直接影响铁心的内在性能。试验证明:降温速度快,对于降低铁心的空载损耗是有益的,但同时会增大铁心的激磁功率。因此,国产非晶合金带材铁心的最佳降温速度,需根据热处理设备的特点、铁心最终所要达到的性能指标来选择,这需要一定的经验数据来支持,对于不同的铁心制造者来说,这不会是唯一的。(5)直流磁场成型后的非晶合金铁心,在退火时需附加直流磁场来改善其磁特性。其原理是:将非晶合金铁心沿带材长度方向放在磁场中,引起非晶合金带材单轴各向异性的磁畴排列,以此获得良好的磁畴取向。场强的大小,是改善非晶合金铁心磁特性
的关键。当采用的场强大于非晶合金铁心材料磁性能的最小饱和值时,该磁场不会对铁心最终的磁特性产生有益或有害影响。因此,铁心退火时常用的场强与非晶合金材料磁性能的饱和值保持一致或略大即可。由于成分、电磁特性等不同,
国产与进口非晶合金带材铁心退火时的场强有明显差异。试验表明:进口非晶合金带材铁心退火时的场强为800A/m,或磁场电流大小在500~800A,可保证退火时铁心材料饱和;而国产非晶合金带材铁心退火时的场强需2000A/m左右,
或磁场电流大小在1400A时可保证退火时铁心材料饱和,才能达到最佳的退火效果。
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