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国产非晶合金带材变压器铁心制造技术

主题:立体卷铁心 非晶合金 下载地址:论文doc下载 原创作者:原创作者未知 评分:9.0分 更新时间: 2024-02-14

简介:关于本文可作为铁心合金方面的大学硕士与本科毕业论文铁心合金论文开题报告范文和职称论文论文写作参考文献下载。

铁心合金论文范文

立体卷铁心 非晶合金论文

目录

  1. 一、国产非晶合金带材铁心的几个关键制造技术
  2. 1.铁心的层间结构设计
  3. 2.带材的剪切与成型技术
  4. 3.铁心的热处理退火工艺
  5. 4.铁心的封装技术
  6. 二、国产非晶合金带材铁心的运用与改进
  7. 1.取长补短,优化设计
  8. 2.完善工艺,谨慎装配
  9. 三、结语
  10. 1.0.3969/j.issn.1008-892X.2012.06.002
  11. 立体卷铁心 非晶合金:非诚勿扰[110116 可爱胖男打动“铁心”女!]

特种金属功能材料被列为《新材料产业“十二五”发展规划》6大重点发展方向之首,在400项新材料产业“十二五”重点产品目录中,特种金属功能材料有128种,其重要性不言而喻!稀土功能材料、铜铟镓硒等新型薄膜光伏材料、铁基非晶合金带材、软磁材料、大尺寸单晶硅等均被纳入其中.128种重点产品的主要性能指标、关键技术装备、主要应用领域的集中发布,为产业进一步发展明确了重点方向,也为企业及投资者提供了更确切的参考.

一时间,众多证券分析机构及媒体等随即纷纷对此给出了独到的分析与评估.有的指出,政策暖风有望支撑金属新材料行业处于持续景气周期;在2015年前,各新材料领域龙头企业将面临历史性的发展契机;有的认为,战略性新兴产业发展都难以离开稀土,稀土的重要性显而易见,在永磁、发光、储氢、催化4大应用领域中,稀土永磁又是其中规模最大、潜力最大的部分;有的分析指出,金属产品将向深加工方向发展,需重点关注产业链下游企业等.多方利好政策将引导着特种金属功能材料健康、快速发展,使之对材料工业结构调整和升级换代的带动作用进一步增强.

在我国材料工业由大变强的关键时期,如何踏着政策的春风,提高特种金属功能材料的自主创新能力,加强与下游产业的融合发展,提高资源利用效率等,将成为特种金属功能材料产业的发展主脉络.

面对种类繁多的特种金属功能材料,本刊“以管窥天”,组织本期特种金属功能材料专题,展示部分特种金属功能材料的研究及应用成果,并将持续关注、报道更多特种金属功能材料的进展及亮点.

文/张卫国北京中机联供非晶科技股份有限公司

非晶合金材料具有高饱和磁感应强度、矫顽力小、损耗低的优点,运用于电力变压器中,其高效、节能、环保的效果已经被电力行业所认可.但在2009年前,我国整个行业市场上非晶合金变压器用的非晶合金带材,几乎全部是日本的日立金属公司所生产.2010年,我国安泰科技公司具有自主知识产权的万吨级非晶合金带材生产线建设投产,成为世界上第2家具有万吨级非晶合金带材生产能力的制造企业,彻底打破了非晶原材料依赖进口的被动局面,加快了我国电力行业低碳经济、绿色经济的发展和建设.

由于国产非晶合金带材的成分、制造设备、工艺技术等与日立金属公司的有较大不同,因此,相同规格非晶合金带材的外观板型、机械特性、电磁特性等存在着较大的差异.非晶合金铁心,是非晶合金变压器的关键部件,在非晶合金原材料和非晶合金变压器之间起着承上启下的重要作用.研究适用国产非晶合金带材的铁心制造技术和工艺,以及改进和优化国产非晶合金带材铁心的性能和质量水平,将直接影响下游用户的变压器制造和上游国产非晶合金材料的推广与运用.

本文是针对国产非晶合金带材1K101运用于非晶合金变压器铁心制造的几个关键技术,进行了许多研究与试验后所获的经验.

一、国产非晶合金带材铁心的几个关键制造技术

安泰科技公司所提供的非晶合金带材1K101,与日立金属公司的非晶合金带材2605S A1的性能对比见表1.由于国内外非晶合金带材特性的差异,对于国产非晶合金带材铁心的制造,以下几个方面是保证铁心性能指标和质量水平的关键技术:

1.铁心的层间结构设计

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.根据目前国产非晶合金带材情况,采用了多种设计方案来对比国内外非晶合金带材:①每组10片;②每组15片;③每组20片;④每组30片;⑤每组40片.

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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片的片间结构,铁心的剪切质量和成品性能都有较大改善;尤其是降低了片数,可减小铁心搭接处的接头气隙,也可降低铁心运行时产生的噪声,只是材料剪切的生产效率较低.

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,是最佳的设计.组间增量(指每组非晶合金带材加工长度由铁心内部向外逐渐增加的递增量)控制在4.90 ~5.10m m,这种片间结构设计所得到的最终铁心性能可优于进口带材的铁心.如再增加每组片数,铁心搭接处的气隙会增大,那么铁心运行时的空载电流和噪声都会有所增加.

2.带材的剪切与成型技术

国产非晶合金带材与进口非晶合金带材的外观区别之一是:前者带材横向有一定的弧形,尤其是1K101-A2带材比较明显,1K101- A1带材较轻微.非晶合金带材是非常柔软的带状材料,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、并在剪切机出料口装配两根截面弧形托架支撑的方式来实现非晶合金带材的送料.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,带材容易从托架上侧滑,很难正常输送.而且非晶合金带材在剪切机上堆叠时也容易滑落,横向和纵向都容易错位,在铁心成型时必须需要重新整理.其次,在铁心成型时,两端的带材容易倾倒,不易直立在操作台上盘绕,生产效率较低.即使成型完带着模板的铁心,铁心的边缘仍呈弧形,平整度差,铁心的物理尺寸较难控制和保证,尤其是对铁心搭接部位的接头进行整平时容易损伤带材,给后续的铁心加工和变压器装配带来难度.

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;落料堆叠时,不会侧滑,且容易弯曲.

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很多,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,恢复国产非晶合金带材的磁特性.

3.铁心的热处理退火工艺

由于受非晶合金原材料物理特性的影响,目前的非晶合金铁心都是采用近似矩形的搭接式卷绕结构.铁心内部窗口4个角呈圆弧型,圆弧半径约6.4m m.因此,成型的铁心内在应力非常大,磁特性被严重破坏,必须通过热处理退火才能消除这些应力.所以,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.

国产非晶合金带材本身横向呈弧形,其内在应力比进口带材更大.再加上国产非晶合金带材成分与日立金属公司的2605S A1有所不同,对热处理时温度的敏感性更强一些,因此,制定适宜的热处理退火工艺,是对最终国产非晶合金带材铁心性能和质量至关重要的保障.

(1)热处理退火温度

日立金属公司非晶合金带材2605S A1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.

①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.

②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.

③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.

④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.

⑤退火炉的炉况要求

退火炉的炉况是确保非晶合金铁心热处理效果的必要条件,炉温均匀性、炉体的密封效果、炉体的保温效果,都对批次性退火的铁心性能有重要影响.经验表明:炉温的均匀性,会影响整炉铁心性能的离散性;炉体的密封性,会影响铁心退火时气氛保护的效果,直接影响铁心的部分磁特性;炉体的保温效果,不仅影响批次热处理铁心的性能离散性,而且也会影响整个热处理的周期,影响生产效率和生产成本.相比进口非晶合金带材铁心,国产非晶合金带材铁心对热处理退火炉的炉温均匀性、炉体密封性和保温效果的要求更高一些.试验表明:在环境温度较高、环境湿度较大的气候条件下(如夏季、雨季)热处理国产非晶合金带材铁心,对退火炉的上述技术要求较高,否则直接影响铁心热处理后的磁性能.

4.铁心的封装技术

半成品的铁心,必须根据变压器用户的结构设计要求,在铁心的2个端面涂敷必要的绝缘材料,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2种封装用绝缘材料是环氧树脂和胶水,这与非晶合金变压器的设计和装配工艺技术有关.由于国产非晶合金带材的板型横向呈一定的弧形,虽然在铁心成型工艺中使用板型模具将其挤压平整,但在带材的边缘部分还是会有轻微的弧形.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,对铁心的直接影响就是会增加铁心的空载损耗和激磁功率,尤其是对铁心激磁功率的影响更大些.而涂敷胶水的铁心,明显不存在上述情况.因此,根据目前国产非晶合金带材的品质情况,建议变压器制造企业优先选择涂敷胶水的铁心.如果一定要使用涂敷环氧树脂的铁心,则建议选择有一定韧性的环氧树脂作为封装材料,这对于降低树脂对铁心边缘带材的影响会有明显的效果.

二、国产非晶合金带材铁心的运用与改进

根据上述对国产非晶合金带材铁心制造技术的研究,使用国产非晶合金带材制作的铁心,完全可以满足目前国家标准S H15型非晶变压器的设计和装配要求.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.

但根据铁心批量生产和变压器装配后的统计数据分析,目前,国产非晶合金带材存在2个较普遍的问题:①在铁心性能相似的情况下,国产非晶合金带材铁心的成品变压器在运行时的噪声水平比进口材料的要略大些;②国产非晶合金带材比进口材料更脆.因此,在实际生产运用中,铁心制造企业和变压器制造企业可以考虑以下建议:

1.取长补短,优化设计

由于国产非晶合金带材1K101-A1比进口带材更薄,因此材料的涡流损耗会更低.现有的经验证明:在同等的设计和测试条件下,以现有的非晶合金铁心制造技术,国产非晶合金带材铁心的空载损耗比进口非晶合金带材铁心要低15%左右,而铁心的激磁功率水平相当.国产非晶合金带材1K101-A1制成的铁心,与进口2605SA1非晶合金带材铁心的单位空载损耗和单位激磁功率对比分别见图2、图3.

根据图3的曲线数据分析:对于单个铁心的激磁功率,在磁通密度为1.35T以下时,国产非晶合金带材铁心的性能与进口非晶合金带材铁心相当,但在1.35T之后,国产非晶合金带材铁心的激磁功率有明显上升的趋势.因此,对于三相五柱式的非晶合金铁心结构,当变压器铁心心柱的磁通密度取值达到1.35T时,铁轭的磁通密度会达到1.54T,接近材料本身的,由此可能会造成变压器噪声的增加.

因此,根据国产非晶合金带材铁心的性能特点,变压器设计者需要在设计上做更多的研究和优化,以保证铁心和变压器的性能水平符合标准要求,并能控制变压器的成本最经济最合理.

2.完善工艺,谨慎装配

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,首先要控制铁心打开和闭合接头时对带材的损伤,防止带材受机械损坏而脆裂,影响铁心的性能.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,这对变压器运行是非常危险的.

其次,国产非晶合金带材更薄,如果非晶合金铁心在装配时受力,就会对最终变压器的性能有很大影响.因此,变压器制造企业必须制定一套切实有效的装配工艺方法,以及加强变压器线圈的尺寸控制,确保铁心装配安全可靠,才能保证成品变压器的质量.

三、结语

目前,日立金属公司已经推出了高磁感的2605HB1M非晶合金带材,其饱和磁通密度达到了1.63T以上,可大大降低非晶合金变压器的材料成本.这给国产非晶合金带材制造企业、非晶合金铁心制造企业以及变压器制造企业又提出了新的课题.不过,国产非晶合金带材铁心制造技术的不断改进和提高,非晶合金变压器制造企业的设计和装配工艺的不断优化和完善,能带动国产非晶合金材料制造技术的发展和提高,进一步提升国产非晶合金带材的性能和品质,为发展我国节能、低碳、环保型的电力系统作最有力的支持和保障.

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总结:本文是一篇关于铁心合金论文范文,可作为相关选题参考,和写作参考文献。

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