无底层取向硅钢工艺与进展.pdf

1 8 宝钢技术 2 0 0 9年第 5期 无底层取向硅钢工艺与进展 吉亚明，杨勇杰，许云鹏，李 国保(宝山钢铁股份有限公 司硅钢部，上海2 0 0 9 4 1)摘要：介绍无底层取向硅钢的优点、制备工艺及发展 情况，论述 了无底层取向硅钢的工艺 难点和应用前景。无底层取向硅钢具有良好的磁性能和加 工性能，已在大型旋转电机领域获 得应用；具有超低铁芯损耗的镜面无底层取向硅钢，如在张力涂层技术与工艺方面获得 突破，在超低损耗和低噪音变压器等领域具有广阔的应用前景。关键词：取向硅钢；底层；磁性能；冲片性 中图分类号：T G 3 3 7 3 文献标志码：B 文章编号：1 0 0 8 0 7 1 6(2 0 0 9)0 5 0 0 1 8 0 4 Fa br i c a t i o n a nd Pr o g r e s s o f Gl a s s l e s s Gr a i n-o r i e nt e d Si l i c o n St e e l J Y a rni n g，Y A NG Y o n g i e，XU Y u n p e n g a n d L I G u o b a o (S i l i c o n S t e e l De p a r t me n t，B a o s h a n I r o n&S t e e l C o ，L t d ，S h a n g h a i 2 0 0 9 4 1，C h i n a)Ab s t r a c t：Th e a d v a n t a g e s o v e r c o mmo n g r a i n-o r i e n t e d s i l i c o n s t e e l，f a b r i c a t i o n a n d p r o g r e s s o f g l a s s l e s s g r a i n o r i e n t e d s i l i c o n s t e e l a r e r e v i e we dI t s c ha l l e n g e s a n d a p p l i c a t i o n s a r e a l s o d i s c us s e d W i t h e x c e l l e n t ma g n e t i c p r o p e r t i e s a n d p u n c h a b i l i t y，t h e g l a s s l e s s g r a i n o r i e n t e d s i l i c o n s t e e l h a s b e e n u s e d i n l a r g e r o t a r y ma c h i n e s An d mi no r g l a s s l e s s g r a i n o r i e n t e d s i l i c o n s t e e l wi t h u l t r a l o w i r o n l o s s h a s f 0 u n d i t s a t t r a c t i v e a p p l i c a t i o ns i n ma n u f a c t u r e o f u l t r a-l o w l o s s a nd l o w u o i s e t r a ns f o r me r s，Ke y wor d s：g r a i n o r i e n t e d s i l i c o n s t e e l；g l a s s fil m；ma g ne t i c p r o p e rty；wo r k a b i l i t y 0 引言 传统取向硅钢工业生产中钢板经过 H 一N 一H O气 氛 中连续 脱 碳退 火将 基 体 中碳 脱 到 0 0 0 3 0 以下，并在钢板表 面形成合适 氧化层，然后表面涂布 Mg O隔离剂，在高温退火过程 中 M g O与钢板表面氧化层发生 固态扩散反应：2 M g O +S i O 2 一Mg 2 S i O 4，形成 Mg 2 S i O 4 玻璃膜底层。玻 璃膜底层硬度高，导致取向硅钢的冲片性能差；底 层与基体的粗糙界面对磁畴移动具有阻碍作用，不利于铁损降低。为了提高取 向硅钢加工性能，并进一步降低铁芯损耗，开发 了无底层取向硅钢。1 玻璃膜底层对取向硅钢性能影响 取向硅钢底层结构由表面连续层和嵌入近表 吉亚明 博士1 9 7 7年生2 O O 6年毕业于中科院上海硅酸盐研究所 现从 事硅钢研究 电话2 6 6 4 7 3 4 3 E ma i l j i y a m i n g b a o s t e e 1 c 0 m 面离散氧化物所组成(图 l所示)。底层的这种 结构对磁畴具有钉扎作用，阻碍磁畴移动使铁损 升 高。取 向硅钢表面玻璃膜底层硬度高，冲片时会 严重磨损模具，冲片毛刺较高。一般带底层取 向 硅钢冲片性只有几千次，而无底层取 向硅钢 的冲 片性可提高到数万次(见图 2)。为了改善取 向硅钢 冲片加工性能，获得超低 铁芯损耗取 向硅钢，对无底层取 向硅钢工艺开展 了大量的研究工作。2 无底层取 向硅钢制备工艺 无底层取向硅钢的炼钢、热轧、常化、冷轧等 前工序与传统取向硅钢制造工艺相 同，其他工艺 流程见图 3。一般无底层和镜面取向硅钢工艺轻酸洗后直 接涂布张力涂层，而 J F E开发的双涂层镜面取 向 硅钢，需要轻酸洗后在钢板表面沉积一层玻璃膜 或金属膜再涂布绝缘涂层，下文分别予以论述。驴 护 痧 护 护 一 驴 驴 驴 驴 旷 吉亚明等无底层取 向硅钢工艺与进展19(a)S E M，硅酸 镁底 联_-0-，i一一一i二_3S i_ e气-=：一(b)光学截面照片图1底层(a)SE M和(b)光学截面 照片Fig1(a)SEMand(b)opticalcr osssectionofthelassfilm6050吕40三篷30蔟御20lO图3无底层取向硅钢工艺流 程Fig3Processoftheglasslessgr ainorientedsiliconsteel21一般无底层取 向硅钢最初JFE通过酸洗掉底层再施加张力涂层或绝缘涂层 的方法来提高取向硅钢冲片性能。要完全洗掉底层包括嵌入式夹杂物，需要强酸中长时间浸泡洗掉约10灿m厚度，制造成本 高，并在药剂管理和环境污染等方面存在较大问题。为了高温退 火直接 获得无底层产品，对 高温退火隔离剂进行了广泛的研究。圳，总结于表1。表1无底层取 向硅钢使用的高温退火隔离剂与机理Table1Hightemper atu r ean nealingseparatorsu sedinmanufactureofglasslessgrainorientedsiliconsteelandtheir m echanism主成分添加剂机理Si 02、硅酸盐 和A1203不发生底层反应碱金属化合物等CaC l2、MgCl2等氯化物氯化物腐蚀层界面MgO或A 1203去除已形成的底层MgO25 一45 S i0，形成容易刷除的疏松底层JF E最先采用不与钢板表面起反应 的氧化铝作为隔离剂，但净化效果不理想 J。为了提高钢质净化效果，JF E采用高纯粗大A1：O，作为隔离剂，但粗大会造成钢板表面产生点状压痕或凹坑。通 过控制 粉体粒 径、比表面积并使用粗细 混合A1：O。作为高温 退 火隔离 剂，可以部分 克服单独使用粗大A1：O，存在 的上述不 足。采用A1：O，作为高温退火隔离剂涂敷性能和产品性能的稳 定性较差。为了解决这一问题，JF E通过A1：O，中混合MgO、Si02、硅酸盐和碱金属化合物等方法对隔离剂性能进行改进。新日铁采用氧化镁 中添加CaCl：，MgC l：等氯化物作为 隔离剂，在高温退火 过 程先形成底层：2MgO+Si02一Mg2Si04，接着在形成的底层与基体界面发生化学 反应：MCl：+Fe+(12)02一MO+FeC l，T，将形成底层膜 去除并阻止其进一步形成，此方法净化效果好，获得高温退火产品表面粗糙，施加张力涂层可以获得具 有良好冲片性能 的取 向硅钢产品-。Armco公 司通过在氧化镁 中加入25 一4 5SiO，的方法获得无底层 取向硅钢一0。通过添加的SiO，与MgO反应，在 钢板表面形成通气性良好的易刷除疏 松硅酸镁，有利于H：进入钢板 问消除内氧化物夹杂和净化钢质。22镜面取向硅钢通过一般无底层工艺获得 的取向硅钢经化学抛 光或电解 抛 光可以获得光洁 表面(表面呈镜面状)的取 向硅钢，施加张力涂层可获得镜面取 向硅钢。但是化学电解抛光 的方法在药剂的管理、环境污染等方面存在较大问题，达不到实用化水平。20宝钢技术2009年第5期采用A1：0，作为隔离剂的方法不能有效消除内氧化物夹杂，难以获得光洁表面，对铁损降低的效果不明显，JF E通过严格控制脱碳露点，在脱碳退火时不形成铁系氧化物(Fe：SiO。，FeO等)，以达到有效消除表面氧化物夹杂物，并严格控制隔离剂带人的水汽量怛J，直接获得表面呈镜面状取向硅钢。新日铁采用氧化镁 中添加10左右CaC l：，MgCl：等氯化物作为隔离剂的方法获得无底层取向硅钢 J，但表面粗糙不平(见图4(a)；通过添加A1：O，粉末可以改善表面光洁度直接获得镜面状取向硅钢(见图4(b)。(8)Mgo+CaC l2(b)MgO+CaC Iz+A120图4无底层样品截面光学截面照片Fig4Opticalsections ofglasslessgrainorientedsiliconsteel在镜面状取向硅钢表面施加张力涂层并进行磁畴细化，可 以将铁损降低20，获 得铁损为062065Wkg的023m m规格取向硅钢垆0。23双涂层镜面取 向硅钢在镜面状取向硅钢表面施加张力涂层并进行磁畴细化可获得超低铁损取向硅钢，但表面光洁直接施加张力涂层，附着性和张力效果差。为解决这一难题，JF E在镜面状表面沉积一层陶瓷膜或金属镀层再施加张力或绝缘涂层。JF E首先利用C VD或P VD在钢板表面沉 积一层氮化物或碳 化物陶瓷膜，再施加绝缘涂层，通过此方法可以将铁损降低4 0，获得铁损只有055Wkg的023mm规格超低取向硅钢J，但工序复杂、成本高，达不到实用化水平。通过表面镀一层金属涂层也可以提高张力涂层的附着性，增大拉应力，但工序长、成本高，消除应力退火时金属扩散到钢中使磁性恶化旧。通过表面沉积一层陶瓷膜或金属镀层，再施加张力绝缘涂层的方法可 以获得附着性优良的超低铁损取向硅钢，但是工序复杂、成本高，尚达不到实用化水平。3无底层取 向硅钢工艺难点31脱碳退火为获得性能优良成品，传统取向硅钢经脱碳退火在钢板表面形成具有合适 比例的SiO：(内氧化层)和Fe：S iO。(外 氧化层)为主氧化层。无底层取 向硅钢生产工艺中要完全消除脱碳退火形成的氧化物，需要控制脱碳退火工艺，在钢板表面形成不含铁系氧化物的外氧化层，以获得表面光洁的高温退 火成品。高温退火过程 中不 形成底层，表面SiO：的形貌将影响抑制剂分解的速率和二次再结晶0，在钢板表面形成致密的外氧化层将影响脱碳效果和低温工艺的渗氮效率。因此要获得表面光洁和磁性能优良的无底层 取向硅钢，需要严格控制脱碳退火工艺，将氧化膜控制在1m以下。32高温退火为使二次再结晶稳定，需要严格控制隔离剂带入水分以及成品退火中的水蒸气分压。为了减少隔离剂带人的水分，可以采用非水介质或者静电喷涂的方法涂布高温退 火隔离剂。由于不形成底层，高温退火过程中抑制剂不稳定，容易分解，导致二次再结晶不稳定。以MnS等硫化物为抑制剂 的取向硅钢，为了防止高温退火过程中脱硫，需要在隔离剂中加入硫酸盐；以A1N为抑制剂的取向硅钢，需要在二次再结晶前严格控制N，分压，降低抑制剂分解速率，保持二次再结 晶稳定。33涂层表面粗糙的一般无底层取 向硅钢，可直接使用含磷酸盐和二氧化硅的张力涂层；对于表面光洁的镜面取向硅钢可以采用低张力涂层，但是附着性和张力效果不良。通过在镜面状表面沉积一层陶瓷膜或金属镀层，再 施加张力绝缘涂层，可以改善涂层附着性 和张力效果，但是工艺设备复杂、成本高昂，难以实现规模化生产，目前无底层取向硅钢涂层技术仍需要进一步突破。4无底层取 向硅钢应用前景目前，新日铁生产050mm厚规格 的一般无底层取向硅钢产品已经获得了实际应用。通常用07 彤1550+03 形15 50fT D参数评价电机铁芯损耗，可以看出无底层产品(50G)铁 芯损耗与吉亚明等无底层取向硅钢工艺与进展 2 1 3 5 Z 1 3 5一 般 取 向 硅 钢 产 品 相 当，大 大 低 于 5 0 H 2 3 0高牌号无取 向硅钢产品(见表 2)引，而冲 片 和 叠 片 性 能 远 优 于 一 般 取 向 硅 钢 产 品。0 3 5 I l l m和 0 5 0 mm厚规格一般无底层取向硅钢 可替代相应规格高牌号无取 向硅钢用于对磁滞伸 缩无严格要求的大型旋转电机领域。表 2 0 5 0 mm 规格无底层取 向硅钢性能 及 其对 比 Ta b l e 2 Ty p i c a l ma g n e t i c pr o p e r t i e s o f t he 5 0 G(0 5 0 ll l l n)a n d t h e c o n t r a s t b e t w e e n t h e m 5 OG 3 5 Zl 3 5 5 0H2 3 0 B8 T 19l 1 8 4 l 7 5 0 r R D(W k g 。)1 5 3 1 3 3 l 5 5 o R D 一(W k g 一 )1 1 3 0 9 4 2 0 0 W1 5 5 0 T D (W。k g。)3 3 3 3 5 0 2 5 2 W1 5 5 0 T D1 Wi 5 5 0 R D 29 5 3 7 2 1 2 6 0 7Wi 5 5 0 F R D+0 3Wt 5 5 0 F 1 _D 1 7 9 1 71 21 6 采用镜面取 向硅钢工 艺可将 铁损降低 2 0 4 0 ，获得超低铁损取 向硅钢 产 品，在超低 损 耗、低噪音变压器领域具有 良好应 用前 景。无底 层产品可直接用于轧制超薄规格取向硅钢，减少去 除底层工序，大大降低生产成本，提高生产效率。5 结语 经过近 2 0年的努力，无底层取向硅钢已在 大 型旋转电机领域获得一定应用，但总的来说，无底 层取 向硅钢仍处 于研发和小规模 生产 阶段，在大 型变压器等领域获得应用，需要在涂层技术上获 得突破。无底层取向硅钢兼具取向硅钢性能和无 取向硅钢加工性能，具有广阔的应用前景，是取 向 硅钢 的发展方 向。参考文献 1 Mo r r i s W，S h i l l i n g J，F e c i c h D，e t a 1 E f f e c t o f f o r s t e r it e c o a t i n g s o n t h e d o ma i n s t r u c t u r e o f g r a i n-o r i e n t e d 3-p e r c e n t S i-F e J I E E E T r a n s a c t i o n s o n Ma g n e t i c s，1 9 7 8，1 4(1)：1 4 1 7 2 何忠治电工钢 M 北京：冶金工业 出版社，1 9 9 7：9 1 6 9 3 0 3 Y o s h i t o mi Y，T a k a h a s h i N，T a n a k a O，e t a 1 U h r a t h i c k g l a s s-l e s s h i g h p e r me a b i l it y，g r a i n o rie n t e d s i l i c o n s t e e l s h e e t s w i t h h i g h w o r k a b i l i t y J J o u rna l o f ma g n e t i s m a n d m agn e t i c ma t e ri a l S，1 9 9 6，1 6 0：1 2 3 1 2 4 4 Mu sh y R A Ma g n e s i a c o a t i n g a n d p r o c e s s f o r p r o d u c i n g g r a i n o r i e n t e d e l e c t ri c a l s t e e l fo r p u n c h i n g q u a l i t y P ，U S P a t e n t U$5 5 4 7 5 1 9 A 5 U s h i g a m i a Y，Mi z o k a mi a M，F u j i k u r a M，e t a 1 R e c e n t d e v e l-o p m e n t o f l o w l o s s g r a i n o ri e n t e d s i l i c o n s t e e l J J o u rna l o f ma g n e t i s m a n d ma g n e t i c ma t e r i a l s，2 0 0 3，2 5 4 2 5 5：3 0 7 31 4 6 I n o k u t i YS t mc t u r e a t n e a r-s t l n e a e e o f T i N c o a t e d g r a i n o r i e n t e d s i l i c o n s t e e l s h e e t c h a r a c t e ri z e d b y u l t r a l o w i r o n l o s s J Ma t e r i a l s t r a n s a c t i o n s，1 9 9 7，3 8(3)：2 6 62 7 4 (收稿 日期：2 0 0 9 0 3 0 5)!j i|i；ij|!；=i!；!ii!i；!i ：i!i!-z!j !；!t!i i E!；!；i!i !；!；!(上接第 4页)表 3 新 旧轴承对 比 Ta b l e 3 Co mp a r i s o n be t we e n t he o l d a n d n e w be a r i n g s 型号 构造 轴承宽度 mm 额定静载：k N 额定动载荷 k N 质量，k g 旧轴承(I N A)B F 1 2 0 4 0 2 2 8 单列 4 0 0 1 3 0 2 5 9 1 1 1 9 7 新轴承(I B C)3 X L K F l 2 2 7 _ 0 2 2 8 双列 7 9 5 2 5 2 5 l 1 2 0 0 1 1 O 4 结语 通过改进轴承 的结构设计 并重新选 型后，新 轴承在使用性能等各方面较旧轴承都有所提高和 改善，强度校核更进一步论证 了选用新轴承的合 理 I生，但是对于轴承的具体使用寿命，考虑到实际 操作情况的差异性 和特殊性，并不能保证免维护 及免更换的可靠性，因此建议每年至少对轴承进 行一次全面检查，直至把握其使用寿命，掌握更换 周期。(收稿 日期：2 0 0 9 0 71 7)