线材铁心在变压器上的应用
2010-04-30 11:36:52
来源：《磁性元件与电源》2010年5月刊
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0 前言
众所周知，电力从发电机发出以后，通过升压变压器送到电网，再经几次降压后才至用户，其间通过变压器4~5次，甚至8~9次。所以一般每1KW的发电设备就相应需要5~9KVA的变压器。变压器的用途很广，在国民经济的各个部门，都十分广泛地应用着各种各样的变压器。就电力系统而言，变压器就是一个主要的设备。变压器几乎在所有的家电、电子产品中都要用到。我国年均生产配电变压器约2.4亿kVA。十一五期间，随我国城市及农村电网改造投资力度的加大，配电变压器的需求量仍有望保持10%-15%的增长。
铁心的重量在变压器各部件中占有绝对优势，在普通变压器中占总重的60%左右，铁心的材料主要是硅钢片。早在六十年代，发达国家已经淘汰了热轧硅钢，其原因是热轧硅钢的损耗太大。我国在十五期间也明令淘汰热轧硅钢，但由于冷轧硅钢的产量不能满足需要，至今部分机电产品仍在使用热轧硅钢。冷轧硅钢依然缺口很大，粗略估算，我国变压器企业一年的取向硅钢片需求量在60万~70万吨，而武钢年生产量远远不能满足这一需求，市场缺口巨大。每年要从日本等国家进口30万吨的取向硅钢片。目前宝钢研制的变压器所用的冷轧取向硅钢片尚处于试产阶段，实际上只有武钢一家生产变压器用冷轧取向硅钢片。 取向硅钢的生产技术目前国内钢铁企业尚未完全掌握，全世界能够生产高牌号取向硅钢的只有日、美、德等国的少数几家大公司，而且这几家公司的生产能力目前已经饱和。最近国外大的钢铁公司有一种新的动向：不愿把取向硅钢卖给中国。他们在打着自己的小算盘：与其把取向硅钢卖给中国企业去做大型变压器，不如自己做，然后向中国卖变压器。
市场是选取发展的决定性因素，又是推动发展的主要力量。经过这么多年改革开放之后。计划经济时期的一些思想和方法，还或多或少的残留下来。有些人总想按规定的路线和方式来决定变压器的技术创新和发展，但是实际证明这往往是行不通的。例如：上世纪80 年代到90年代，R型变压器风行一时。本世纪初，立体三角形结构铁心变压器被有关行政部门大力提倡，在电力变压器领域时髦一阵。现在，随着薄取向冷轧硅钢带的价格飞涨，R 型变压器与环形变压器的成本相比失去了优越性，立体三角形结构铁心变压器的成本远大于平面结构铁心变压器，不得不面临着更换和淘汰。虽然各种规划、咨询和建议，可以供企业考虑，但是，真正起作用的还是市场，由企业根椐当时的市场情况来决策。
那么，为什么不同的企业对竞争有不同的感受呢？说到底，由于多年的发展，变压器生产企业越来越多，技术发展没有跟上，而最根本的是产品的差异化没有形成，市场上的产品从外观到内在几乎一致，没有自己独特、用户独爱的产品。同质化竞争现象日益严重，市场上同技术的产品比比皆是，导致用户失去了选择的余地，在看了一家企业的产品后就可以不看别的厂家产品了。这种现象长期存在，近年来有所改进，但仍很普遍。在同质化的竞争下，企业只有用价格的差异来吸引用户，这虽然对用户有利，但不利于生产企业，也不利于技术的发展。
从前面谈到的市场竞争中的几个问题，应该使我们认识到自主创新，已成为全行业刻不容缓的重要任务。
1 线材铁心的特点
铁心的磁导体是变压器的磁路。它把初级电路的电能转换成磁能，又由自己的磁能转换为次级电路的电能，是能量转换的媒介。铁心的重量在变压器各部件中占有绝对优势，在普通变压器中占总重的60%左右。变压器铁心主要使用硅钢片和非晶合金。
研究表明：含硅量在6%~8%的硅钢有最优异的软磁特性，这是因为合金中随着硅的增加，铁素体的发育得到促进，因而钢的初始导磁率和最大导磁率也逐渐增强，并在6%~8%处出现峰值，使得磁滞损耗大为降低；硅含量在7%~12%时，硅钢的电阻率也达到最大值，与非晶合金相当，这使得涡流损耗降至最低；硅含量的增加，还使硅钢的磁致伸缩率减小，并在6.5%时降为零。
但是，随着硅含量的提高，硅钢的屈服强度和抗拉强度明显增高，在硅含量>2.5%时，伸长率急剧下降，硅含量>4.5%时伸长率迅速降到零，硬度随硅含量增加而继续提高。因此，硅含量>4.5%时，材料既硬又脆而无法冷加工。由于这个原因，热轧硅钢片的硅含量上限定为4.5%，冷轧硅钢片则定为3.3%。使得硅钢的含硅量达不到最佳，限制了其最优异软磁特性的发挥。
线材铁心克服上述现有技术的缺陷，提供一种新型变压器铁心的制造方法，解决硅钢含硅量达不到最佳的问题。
其技术方案是用含硅量<2.5%的，具有规则几何横断面的低硅线材或低碳钢丝进行渗硅处理，使含硅量控制在最佳，即8%左右，然后进行绝缘涂布，并绕在预先加工好的绕模上，脱模后用胶合剂定型，即成为成品铁心。
采用线材变压器铁心，可省去硅钢片轧制，开料，剪切等多道工序，使变压器制造工艺简化，并不存在边角废料；由于铁心材料的硅含量控制在最佳，使得导磁率提高，磁滞损耗降低，提高了铁心的品质；由于绕制铁心没有接缝气隙损耗，进一步提高了导磁率，可相对于叠片铁心减小铁心截面积心柱体，节约绕制线圈用的铜材及降低变压器铜损。
3 线材变压器铁心的工艺流程
a. 备料：准备具有规则几何断面的低硅线材或低碳钢丝。
b. 上机放线：把备好的线材安放在放线设备上。
c. 清洗：除去线材表面的有害杂质。
d. 气体渗硅：让线材通过连续加热炉，在不氧化气氛中加热至1000℃，再进入渗硅区以>50℃/min速度加热到1050~1200℃，通入四氯化硅或者硅烷气体，使低硅线材含硅量达到8%左右，渗硅后的线材通过扩散均热区，在约1200℃不氧化气氛中进行扩散匀化处理。
e. 绝缘涂布：通过电泳氧化镁涂层工艺在线材上面涂上一层5~8μm的氧化镁绝缘层。
f. 铁心绕制：根据变压器的设计要求，制造线材铁心绕模，把带有绝缘涂层的线材紧密的线在绕模上。
g. 脱模定型：把绕制好的线材铁心从模具上取下来，采用环氧树脂一酚醛清漆的浸渍工艺，把铁心胶合定型。
h. 检验包装：胶合定型后的铁心烘干后即可进行检验包装。
3 线材铁心应用于焊接变压器的依据
制造变压器铁心用的硅钢片，实际上就是电工纯铁中加入了1~4.5%的硅原素。纯铁饱和磁通密度为2.2T，其含杂质量：碳为0.03~0.04%，硅为0.2~0.5%。低硅线材已符合上述要求；而低碳钢丝用的1# 乙类钢，国标规定，其含碳量为0.06~0.12%，硅为0.12~0.30%。也就是说其含杂量以相当接近纯铁，通过渗硅处理，即为理想导磁材料。低硅线材或低碳钢丝绕制成变压器铁心后，不需要再进行过多的机械加工。所以为了降低铁损、提高铁心的电磁性能，可以尽量提高铁心的含硅量，使之达到8%左右（现有渗硅工艺可使表层形成14.3%的富硅层，通过扩散处理，使铁心达到工艺要求）。
早在上世纪初（1900年）英国人荷德菲尔就提出了将硅渗入钢中的方法。近几年来这种方法又被用于低碳钢薄板上。因薄板经渗硅后，具有低铁损、高磁感、低噪声，用以取代昂贵的高硅钢片。
在低碳钢中加入硅原素，硅溶入铁中形成置换固溶体，引起点阵畸变，使电阻率增大，涡流损耗减少。点阵畸变也使矫顽力增大，但因硅钢在高温下可获得粗大晶粒，且冷却无相变引起的晶粒细化，所以总结果仍使矫顽力下降。
在液态时，铁原子的热振动特别强烈，因此铁原子只能在很小范围内作有规则的排列，随着缓慢冷却，液体温度下降，原子活动能力减弱，原子间互相吸引力逐渐增强，当温度降低到纯铁凝固点摄氏1533℃以下时，活动能力较弱的铁原子先形成晶核，其它铁原子便围绕着晶核进行有规则的排列，直到所有的液体完全转变为固体。结晶过程是在一定冷却速度下进行的，冷却速度愈大，形成的晶核数目就愈多，所得的晶粒也愈细其机械性能愈高；反之，晶粒越大，机械性能越差。但是晶粒大，可使电磁材料的矫顽力降低提高电磁性能。
因此在铁心进行渗硅和热处理的时侯不可冷却过快，一般应在保温以后，以不大于每小时50摄氏度的速度冷却至700摄氏度，这时才可停火，让铁心随炉温降至室温。这是因为纯铁在结晶成固态后，如果继续冷却，晶体内部的原子还要重新排列，即发生晶格的转变。如纯铁在摄氏1533℃结晶为面心立方晶格，冷却到摄氏910℃时又排列成体心立方晶格。纯铁由于机械性能低，工业上应用大多为铁与碳的合金，称为碳素钢。制造低碳钢丝用的乙类钢也是碳素钢的一种。铁碳合金在加热或冷却时侯，都会在特定的温度下发生体心立方晶格和面心立方晶格的转换，工程上称为同素异晶转变，这也是铁碳合金能够进行热处理的主要依据。碳可以溶解在铁中形成固溶体，也可以结合成化合物，所以碳素钢的基本组织有下列几种：
⑴ 奥氏体 铁碳合金在摄氏1390~910℃的情况下，内部形成面心立方晶格，每个晶面中心有一个原子，周围四个原子之间的间隙较大，故对进行化学热处理需要渗入的元素，具有较大的吸收能力。所以化学热处理都在奥氏体中进行。
⑵ 铁素体 铁碳合金由奥氏体的体心立方晶格转向面心立方晶格的状况，其原子间的空隙较小，在铁素体状态下，组织可溶入碳和硅等其它元素，但溶解度很小。由于原子直径的差异，其它（碳以外）元素溶入铁素体晶格中会引起晶格畸变。
碳是硅铁软磁材料中最有害的原素，它可使磁滞损耗和矫顽力大幅度增加，加大铁心损耗。由于硅与碳的化学亲合力小于铁与碳的亲合力，所以硅在钢中不与碳生成化合物。在含硅量少于10%的硅钢中，硅不与铁生成化合物，硅以固溶体的形态存在于铁素体和奥氏体中，硅降低钢的导热系数，造成加热时脱碳倾向比较严重，强烈地促使钢中的碳以自由碳的形态析出（即称之为石墨化）。这正是我们制造低碳钢丝变压器铁心，渗硅热处理过程中所希望的。因为同时在低碳钢丝中，既析出了对磁性能危害很大的碳，又渗入了对磁性非常有利的硅。我们已经用这种方法制造出制造线材铁心焊接变压器样机，通过测算，磁感B50可达1.7T，铁损P17/50为1.26W/Kg。达到代替冷轧取向硅钢的水平。
4 线材铁心在焊接变压器上的应用的优势
⑴ 用廉价的低碳钢丝线材取代紧缺的硅钢片，综合成本不足硅钢片的三分之一，生产铁心不必剪切和冲片。
⑵ 可节省一大笔资金和厂房，缩短建厂周期，加快资金回笼。由于有较低的建厂及生产投入和较高的利润空间，产品有较强市场竟争力，可给企业创造可观经济效益。
⑶ 传统叠片式三相变压器铁心在一个平面上，这种结构的缺点是在三相磁回路不平衡，A相、C相的磁回路比较长，B相的磁回路比较短，这样会导致三相电流不平衡，采用本专利技术生产铁心的磁路长度三相完全相等，并且最短，降低了变压器的高次谐波，提高了供电质量。
众所周知，电力从发电机发出以后，通过升压变压器送到电网，再经几次降压后才至用户，其间通过变压器4~5次，甚至8~9次。所以一般每1KW的发电设备就相应需要5~9KVA的变压器。变压器的用途很广，在国民经济的各个部门，都十分广泛地应用着各种各样的变压器。就电力系统而言，变压器就是一个主要的设备。变压器几乎在所有的家电、电子产品中都要用到。我国年均生产配电变压器约2.4亿kVA。十一五期间，随我国城市及农村电网改造投资力度的加大，配电变压器的需求量仍有望保持10%-15%的增长。
铁心的重量在变压器各部件中占有绝对优势，在普通变压器中占总重的60%左右，铁心的材料主要是硅钢片。早在六十年代，发达国家已经淘汰了热轧硅钢，其原因是热轧硅钢的损耗太大。我国在十五期间也明令淘汰热轧硅钢，但由于冷轧硅钢的产量不能满足需要，至今部分机电产品仍在使用热轧硅钢。冷轧硅钢依然缺口很大，粗略估算，我国变压器企业一年的取向硅钢片需求量在60万~70万吨，而武钢年生产量远远不能满足这一需求，市场缺口巨大。每年要从日本等国家进口30万吨的取向硅钢片。目前宝钢研制的变压器所用的冷轧取向硅钢片尚处于试产阶段，实际上只有武钢一家生产变压器用冷轧取向硅钢片。 取向硅钢的生产技术目前国内钢铁企业尚未完全掌握，全世界能够生产高牌号取向硅钢的只有日、美、德等国的少数几家大公司，而且这几家公司的生产能力目前已经饱和。最近国外大的钢铁公司有一种新的动向：不愿把取向硅钢卖给中国。他们在打着自己的小算盘：与其把取向硅钢卖给中国企业去做大型变压器，不如自己做，然后向中国卖变压器。
市场是选取发展的决定性因素，又是推动发展的主要力量。经过这么多年改革开放之后。计划经济时期的一些思想和方法，还或多或少的残留下来。有些人总想按规定的路线和方式来决定变压器的技术创新和发展，但是实际证明这往往是行不通的。例如：上世纪80 年代到90年代，R型变压器风行一时。本世纪初，立体三角形结构铁心变压器被有关行政部门大力提倡，在电力变压器领域时髦一阵。现在，随着薄取向冷轧硅钢带的价格飞涨，R 型变压器与环形变压器的成本相比失去了优越性，立体三角形结构铁心变压器的成本远大于平面结构铁心变压器，不得不面临着更换和淘汰。虽然各种规划、咨询和建议，可以供企业考虑，但是，真正起作用的还是市场，由企业根椐当时的市场情况来决策。
那么，为什么不同的企业对竞争有不同的感受呢？说到底，由于多年的发展，变压器生产企业越来越多，技术发展没有跟上，而最根本的是产品的差异化没有形成，市场上的产品从外观到内在几乎一致，没有自己独特、用户独爱的产品。同质化竞争现象日益严重，市场上同技术的产品比比皆是，导致用户失去了选择的余地，在看了一家企业的产品后就可以不看别的厂家产品了。这种现象长期存在，近年来有所改进，但仍很普遍。在同质化的竞争下，企业只有用价格的差异来吸引用户，这虽然对用户有利，但不利于生产企业，也不利于技术的发展。
从前面谈到的市场竞争中的几个问题，应该使我们认识到自主创新，已成为全行业刻不容缓的重要任务。
1 线材铁心的特点
铁心的磁导体是变压器的磁路。它把初级电路的电能转换成磁能，又由自己的磁能转换为次级电路的电能，是能量转换的媒介。铁心的重量在变压器各部件中占有绝对优势，在普通变压器中占总重的60%左右。变压器铁心主要使用硅钢片和非晶合金。
研究表明：含硅量在6%~8%的硅钢有最优异的软磁特性，这是因为合金中随着硅的增加，铁素体的发育得到促进，因而钢的初始导磁率和最大导磁率也逐渐增强，并在6%~8%处出现峰值，使得磁滞损耗大为降低；硅含量在7%~12%时，硅钢的电阻率也达到最大值，与非晶合金相当，这使得涡流损耗降至最低；硅含量的增加，还使硅钢的磁致伸缩率减小，并在6.5%时降为零。
但是，随着硅含量的提高，硅钢的屈服强度和抗拉强度明显增高，在硅含量>2.5%时，伸长率急剧下降，硅含量>4.5%时伸长率迅速降到零，硬度随硅含量增加而继续提高。因此，硅含量>4.5%时，材料既硬又脆而无法冷加工。由于这个原因，热轧硅钢片的硅含量上限定为4.5%，冷轧硅钢片则定为3.3%。使得硅钢的含硅量达不到最佳，限制了其最优异软磁特性的发挥。
线材铁心克服上述现有技术的缺陷，提供一种新型变压器铁心的制造方法，解决硅钢含硅量达不到最佳的问题。
其技术方案是用含硅量<2.5%的，具有规则几何横断面的低硅线材或低碳钢丝进行渗硅处理，使含硅量控制在最佳，即8%左右，然后进行绝缘涂布，并绕在预先加工好的绕模上，脱模后用胶合剂定型，即成为成品铁心。
采用线材变压器铁心，可省去硅钢片轧制，开料，剪切等多道工序，使变压器制造工艺简化，并不存在边角废料；由于铁心材料的硅含量控制在最佳，使得导磁率提高，磁滞损耗降低，提高了铁心的品质；由于绕制铁心没有接缝气隙损耗，进一步提高了导磁率，可相对于叠片铁心减小铁心截面积心柱体，节约绕制线圈用的铜材及降低变压器铜损。
3 线材变压器铁心的工艺流程
a. 备料：准备具有规则几何断面的低硅线材或低碳钢丝。
b. 上机放线：把备好的线材安放在放线设备上。
c. 清洗：除去线材表面的有害杂质。
d. 气体渗硅：让线材通过连续加热炉，在不氧化气氛中加热至1000℃，再进入渗硅区以>50℃/min速度加热到1050~1200℃，通入四氯化硅或者硅烷气体，使低硅线材含硅量达到8%左右，渗硅后的线材通过扩散均热区，在约1200℃不氧化气氛中进行扩散匀化处理。
e. 绝缘涂布：通过电泳氧化镁涂层工艺在线材上面涂上一层5~8μm的氧化镁绝缘层。
f. 铁心绕制：根据变压器的设计要求，制造线材铁心绕模，把带有绝缘涂层的线材紧密的线在绕模上。
g. 脱模定型：把绕制好的线材铁心从模具上取下来，采用环氧树脂一酚醛清漆的浸渍工艺，把铁心胶合定型。
h. 检验包装：胶合定型后的铁心烘干后即可进行检验包装。
3 线材铁心应用于焊接变压器的依据
制造变压器铁心用的硅钢片，实际上就是电工纯铁中加入了1~4.5%的硅原素。纯铁饱和磁通密度为2.2T，其含杂质量：碳为0.03~0.04%，硅为0.2~0.5%。低硅线材已符合上述要求；而低碳钢丝用的1# 乙类钢，国标规定，其含碳量为0.06~0.12%，硅为0.12~0.30%。也就是说其含杂量以相当接近纯铁，通过渗硅处理，即为理想导磁材料。低硅线材或低碳钢丝绕制成变压器铁心后，不需要再进行过多的机械加工。所以为了降低铁损、提高铁心的电磁性能，可以尽量提高铁心的含硅量，使之达到8%左右（现有渗硅工艺可使表层形成14.3%的富硅层，通过扩散处理，使铁心达到工艺要求）。
早在上世纪初（1900年）英国人荷德菲尔就提出了将硅渗入钢中的方法。近几年来这种方法又被用于低碳钢薄板上。因薄板经渗硅后，具有低铁损、高磁感、低噪声，用以取代昂贵的高硅钢片。
在低碳钢中加入硅原素，硅溶入铁中形成置换固溶体，引起点阵畸变，使电阻率增大，涡流损耗减少。点阵畸变也使矫顽力增大，但因硅钢在高温下可获得粗大晶粒，且冷却无相变引起的晶粒细化，所以总结果仍使矫顽力下降。
在液态时，铁原子的热振动特别强烈，因此铁原子只能在很小范围内作有规则的排列，随着缓慢冷却，液体温度下降，原子活动能力减弱，原子间互相吸引力逐渐增强，当温度降低到纯铁凝固点摄氏1533℃以下时，活动能力较弱的铁原子先形成晶核，其它铁原子便围绕着晶核进行有规则的排列，直到所有的液体完全转变为固体。结晶过程是在一定冷却速度下进行的，冷却速度愈大，形成的晶核数目就愈多，所得的晶粒也愈细其机械性能愈高；反之，晶粒越大，机械性能越差。但是晶粒大，可使电磁材料的矫顽力降低提高电磁性能。
因此在铁心进行渗硅和热处理的时侯不可冷却过快，一般应在保温以后，以不大于每小时50摄氏度的速度冷却至700摄氏度，这时才可停火，让铁心随炉温降至室温。这是因为纯铁在结晶成固态后，如果继续冷却，晶体内部的原子还要重新排列，即发生晶格的转变。如纯铁在摄氏1533℃结晶为面心立方晶格，冷却到摄氏910℃时又排列成体心立方晶格。纯铁由于机械性能低，工业上应用大多为铁与碳的合金，称为碳素钢。制造低碳钢丝用的乙类钢也是碳素钢的一种。铁碳合金在加热或冷却时侯，都会在特定的温度下发生体心立方晶格和面心立方晶格的转换，工程上称为同素异晶转变，这也是铁碳合金能够进行热处理的主要依据。碳可以溶解在铁中形成固溶体，也可以结合成化合物，所以碳素钢的基本组织有下列几种：
⑴ 奥氏体 铁碳合金在摄氏1390~910℃的情况下，内部形成面心立方晶格，每个晶面中心有一个原子，周围四个原子之间的间隙较大，故对进行化学热处理需要渗入的元素，具有较大的吸收能力。所以化学热处理都在奥氏体中进行。
⑵ 铁素体 铁碳合金由奥氏体的体心立方晶格转向面心立方晶格的状况，其原子间的空隙较小，在铁素体状态下，组织可溶入碳和硅等其它元素，但溶解度很小。由于原子直径的差异，其它（碳以外）元素溶入铁素体晶格中会引起晶格畸变。
碳是硅铁软磁材料中最有害的原素，它可使磁滞损耗和矫顽力大幅度增加，加大铁心损耗。由于硅与碳的化学亲合力小于铁与碳的亲合力，所以硅在钢中不与碳生成化合物。在含硅量少于10%的硅钢中，硅不与铁生成化合物，硅以固溶体的形态存在于铁素体和奥氏体中，硅降低钢的导热系数，造成加热时脱碳倾向比较严重，强烈地促使钢中的碳以自由碳的形态析出（即称之为石墨化）。这正是我们制造低碳钢丝变压器铁心，渗硅热处理过程中所希望的。因为同时在低碳钢丝中，既析出了对磁性能危害很大的碳，又渗入了对磁性非常有利的硅。我们已经用这种方法制造出制造线材铁心焊接变压器样机，通过测算，磁感B50可达1.7T，铁损P17/50为1.26W/Kg。达到代替冷轧取向硅钢的水平。
4 线材铁心在焊接变压器上的应用的优势
⑴ 用廉价的低碳钢丝线材取代紧缺的硅钢片，综合成本不足硅钢片的三分之一，生产铁心不必剪切和冲片。
⑵ 可节省一大笔资金和厂房，缩短建厂周期，加快资金回笼。由于有较低的建厂及生产投入和较高的利润空间，产品有较强市场竟争力，可给企业创造可观经济效益。
⑶ 传统叠片式三相变压器铁心在一个平面上，这种结构的缺点是在三相磁回路不平衡，A相、C相的磁回路比较长，B相的磁回路比较短，这样会导致三相电流不平衡，采用本专利技术生产铁心的磁路长度三相完全相等，并且最短，降低了变压器的高次谐波，提高了供电质量。
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