废旧电力变压器铁心再生
2011-11-01 11:44:55
来源：《磁性元件与电源》2011年11月刊
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摘要： 本文针对废旧电力变压器铁心失效的原因和不经根本改造就重新制造变压器的危害进行了分析，并提出了一种废旧变压器铁心的改造方法。
关键字： 废旧变压器铁心，硅钢片，渗硅，化学热处理
在能源、资源日趋紧张的今天，国家鼓励应用可再生资源，提高能源、资源利用效率，这对于保障我国经济健康发展意义重大。在变压器制造领域，由于取向硅钢片原材料价格大涨，导致对废旧电力变压器铁心的利用趋热。但是，利用从废旧变压器中拆除的硅钢片再次制造成变压器铁心，并被以次充好使用到电网中，对电网的安全可靠性带来极大隐患。铁磁材料的磁特性随使用时间而变化的现象称为磁时效。这种现象主要是材料中碳和氮等杂质元素引起的，硅钢片在高温下碳和氮的固溶度高，从高温较快冷却时多余的碳和氮来不及析出而形成过饱和固溶体。铁心在长期运转时，特别是在温度升高到50~80℃时，多余的碳和氮原子就以细小弥散的碳化物Fe16N4质点析出，从而使矫顽力(Hc)和铁损(PT)增高。
在铁磁材料中，影响磁特性最大的元素是碳，是有害元素。一般地说，随着含碳量的增加，磁性将“硬化”。它们在磁特性曲线变化上主要有以下特点：
(1)最大磁导率µm下降；
(2)出现最大磁导率所对应的磁场强度Hµm值增大；
(3)矫顽力Hc增大；
(4)最大磁感应强度Bm有下降趋势；
(5)最大磁能积(BH)max 有增大趋势；
(6) B-H曲线在“膝弯点”以前的上升阶段，斜率有减小趋势；
(7) µ-H曲线的上升阶段，斜率有减小趋势；
(8)磁滞回线向“肥大”方向变化。
这些从废旧变压器上拆下的硅钢片已经使用多年，由于磁时效现象的作用，矫顽力(Hc)和铁损(PT)的增高，磁特性已由优异变为低劣；在使用过程中铁心所产生的温度一定程度上也会使硅钢片表面绝缘层老化；更有部分硅钢片铁心本来可能就是变压器烧毁时高温已对涂层产生破坏；甚至有的废旧硅钢片在被加工过程中，用干沙来擦拭附着于其表面的油污等杂物，这必然会对涂层造成破坏。这类硅钢片被再次应用于变压器后，虽然硅钢片之间涂有绝缘漆，但其绝缘电阻很小，只能隔断涡流而不能阻止高压感应电流。当硅钢片表面上的绝缘漆因运行年久，绝缘自然老化或伤损后，将产生很大的涡流损耗，导致铁心局部发热，使绕组温升加剧，铁心绝缘击穿，最终造成变压器绕组绝缘击穿短路而烧毁甚至爆炸。
自2004起欧美、日本向中国输出的报废电力变压器铁心硅钢片每年递增，加上国内淘汰的变压器拆卸出的硅钢片再次利用，2006年废旧取向硅钢的供应量就达到了6~7万吨。虽然这些硅钢片仅供中小变压器使用，但其数量占到国内市场需求的约12%。庞大的需求市场及较高的利润使全球各地的废旧硅钢片集中向中国供应。
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。
制造电力变压器铁心用的取向硅钢的制造工艺和设备复杂，成分控制严格，制造工序长，而且影响性能的因素多，因此常把取向硅钢产品质量看作是衡量一个国家特殊钢制造技术水平的重要标志，并获得特殊钢中“艺术产品”美称。
资料表明，我国变压器企业一年的取向硅钢片需求量在60万~70万吨，而我国产取向硅钢片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。制造变压器用的硅钢片短缺这一重大问题，不是短期内能轻易解决的。利用从废旧变压器中拆除的硅钢片再次制造成变压器铁心，也不失是一种方法，但若如前述，把废旧铁心只简单地除油刷漆、或以大改小并被以次充好使用到电网中，是绝对不可取的，笔者认为应该对废旧变压器铁心彻底改造，使其变废为宝，其方法是对废旧硅钢片实施渗硅处理。
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。渗硅技术能克服了上述现有技术的缺陷，解决硅钢含硅量达不到最佳的问题。
如前所述，碳是硅钢等软磁材料中最有害的元素，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。在含硅量少于是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）。这正是我们在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。
对废旧硅钢片实施渗硅处理后，不光除掉了因磁时效现象析出的对磁性能有害的碳化合物，而且又渗入了能使其磁性能提高的硅元素，能使其硅含量达到最佳状态。并有以下优点：
(1)能使废旧硅钢片恢复并超过原硅钢片的磁性能；
(2)经渗硅处理后的硅钢片周边没有影响磁性能的毛刺；
(3)经渗硅处理后的硅钢片不用剪切就可以组装成原型号变压器铁心；
(4)旧变压器改造中，对于铁心品质差，而线圈没问题的变压器只需把铁心渗硅处理后重新组装即可；
(5)与把废旧硅钢片回炉炼钢重轧相比，节约十几道工艺复杂、成分控制严格的制造工序；
(6)节能减排、变废为宝、提高资源、能源利用率；
(7)工艺简单，具备热处理技术和设备的企业都可进行；
渗硅的工艺分为固体渗硅、液体渗硅、气体渗硅等。固体渗硅工艺简便，适应于小规模生产。固体渗硅是在固态渗硅剂中进行的，它包括粉末渗硅、真空和流态床渗硅。
粉末渗硅一般是装箱进行。粉末渗剂一般用硅铁粉或硅粉作供硅剂、氯化铵作催渗剂，用石墨作隔离剂和保持渗剂不板结，渗后硅钢片便于和渗剂分离并使其表面光洁。
真空渗硅是将待渗硅钢片和硅粉置于刚玉坩埚内，在0.001~0.133Pa的真空条件下加热至1200℃，使硅粉产生硅蒸气沉积在工件表面上，硅沉积层的硅原子与硅钢中的铁原子发生相向扩散，形成渗层。真空渗硅对渗层有良好的保护作用，渗剂中硅粉的杂质会降低渗层的形成速度，影响渗层的厚度，故真空渗硅一般用高纯度硅粉。
流态床渗硅是将硅粉作为流态化粒子，用氯气作为载体将碘蒸气输入流态床，同硅（高温下）反应生成硅的碘化物气体。碘化物气体与工件接触，活性硅沉积于待渗硅钢片表面并渗入其内部。
液体渗硅是依靠盐浴中产生的活性硅原子进行的。渗硅过程中，硅原子被待渗硅钢片的表面吸附，与铁反应形成渗硅层。
非电解液体渗硅多以碱金属硅酸盐为基并加入硅粉、硅铁粉、硅钙粉末、碳化硅组成渗剂。渗硅过程中有气体析出，因此盐浴炉上方应当加抽风装置。
电解液体渗硅采用碱金属硅酸盐，但往往加入碱金属和碱土金属或其它物质的氯化物，以提高硅酸盐的流动性，电流密度一般为0.1~0.3A/cm2。
气体渗硅应用于生产的时间较长，它可以在密封的或井式气体渗碳炉内进行，所采用的渗剂是四氯化硅(SiCI4)。因此人们也常常称之为四氯化硅气体渗硅。
采用化学方法使反应气体在基体材料表面发生化学反应，并形成覆盖层的方法称为化学气相沉积(CVD)。
CVD快速连续渗硅，此方法设备较复杂，工艺要求高，但生产效率高，适应于工厂化流水线生产。
CVD法是将废旧硅钢片在不氧化气氛中快速加热到约1000℃，再进入渗硅区以>50℃/min速度快速加热到1050℃-1200℃，通过喷嘴向废旧硅钢片表面喷射含5%-30%SiCI4气体的N2、H2或Ar气氛。喷嘴间隔<1m，一个喷嘴流量为1.5-2.5立方/小时。气氛流速为0.5-3.5m/s。废旧硅钢片运行方向与气氛流方向相反。渗硅化学反应式为：SiCl4+5Fe→Fe3Si+2FeCl2↑。产生的FeCl2气体（沸点为1023℃）迅速跑掉。1050-1200℃时渗硅速度快，在1250℃时Fe3Si分解，渗硅速度变慢。按CVD法表层形成<14.3%Si的富Si层，附着性好，SiCl4沸点为57℃，很容易获得需要的SiCl4分压值。SiCl4分压愈高和气氛流速愈快，渗硅速度也愈快。连续渗硅时间为3-10min。渗硅后废旧硅钢片通过扩散均热区，在不氧化气氛中约1200℃扩散均匀化处理5-10min，使硅向中心扩散，消除渗硅在富硅层引起的残余空洞，并使晶粒长大，提高磁性。
按一般SiCl4气体渗硅法，根据上述化学反应式表层形成Fe3Si(14.3%Si)富Si层，在它基体形成的界面处Si原子代替了Fe原子位置，从而形成几个μm尺寸的许多空洞，以后扩散处理难以消除，磁性会降低。按上述CVD快速渗硅法可控制表层不形成Fe3Si，而形成<14.3% Si的富硅层，基本上消除空洞。既使存在残余空洞，扩散处理时也可消除。由上述渗硅反应式也可看出，进入1个Si原子就有2个Fe原子跑掉，因此废旧硅钢片渗硅后重量减轻和厚度减小。
市场是选取发展的决定性因素，又是推动发展的主要力量。由于废旧硅钢片再利用有相当大的市场，单靠行政命令禁止不是行之有效的办法，相当于古人治水，宜疏不宜堵。事实上，资源再生产业不仅事关中国的资源战略，也是中国搞循环经济所无法绕开的必然选择。没有资源的再生，循环经济就无从谈起。找到变废为宝的好方法，也是利国利民的善举。笔者以此文抛砖引玉希望得到高手指点，不当之处希望各位同仁赐教。
参考文献
[1] 何忠治编著.电工钢.北京：冶金工业出版社，1997
[2] 蒋国昌等著.钢铁冶金及材料制备新技术.北京：冶金工业出版社，2006
[3] 潘邻主编.化学热处理应用技术. 北京：机械工业出版社，2004
[4] 吴银川. 被忽视的隐患:电力变压器用可再生硅钢片铁心.电力设备.2008.9
作者简介
郭清林，男，1952年6月生于河南省确山县，工程师，技师，中国管理科学研究院学术委员会特约研究员，现任郑州新郑国际机场工程师。长期从事变压器教学和研究工作，申请并获得过“电感器铁心制造方法”、“低碳钢丝变压器铁心”、“电焊机自动安全节能器”、“自动式门底密封条”、“可调式推门窗密封件”、“变压器线材铁心”、“电焊机遥控调流安全节能装置”等发明和实用新型专利。
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