CN102737829A - 一种变压器用低损耗非晶合金铁芯热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压器用低损耗非晶合金铁芯热处理工艺，该工艺先将绕制好的铁芯放入热处理炉炉膛，关闭炉门，先对热处理炉抽初真空，然后用抽高真空，并保持真空；使热处理炉炉膛以大于等于15K/min的加热速率升温至650K，然后再使热处理炉炉膛以小于等于5K/min的加热速率升温至热处理温度；保温0.5~2h，并在保温过程中对热处理炉中放置所述铁芯的部分施加纵向磁场；保温结束后让铁芯随热处理炉冷却至室温，然后停止施加磁场；取出铁芯，并在铁芯表面涂覆环氧树脂进行固化。本发明可解决目前变压器用铁基非晶态软磁合金铁芯的饱和磁化强度较低以及铁芯中应力的问题。

Description

一种变压器用低损耗非晶合金铁芯热处理工艺

技术领域

本发明涉及一种变压器用低损耗非晶合金铁芯热处理工艺。

背景技术

目前大多数情况下．由于电能的电压等级不同，自电站到用户至少经过5级变压器，方可输进到低压用电设备（380／220V）。虽然变压器本身效率很高，但因其数量多、容量大，总损耗是很大的。据估计，我国变压器的总损耗占系统发电量的10％左右，损耗每降低1％，每年可节约上百亿度电能，因此降低变压器损耗是势在必行的节能措施。变压器损耗中的空载损耗即铁损，主要发生在变压器铁芯叠片内，是因交变的磁力线通过铁芯产生磁滞及涡流而带来的损耗。目前应用较广的传统软磁材料还是硅钢片，虽然其软磁特性较好，但电阻率小，因而涡流较大，铁耗较大，能耗也较大。同时硅钢片的软磁特性和电阻等与含Si量有关，据研究，6%的含Si量，软磁特性最好，电阻也比较大。但当含Si量超过4.5％时，硅钢脆性大增，轧制薄片就有困难，因此硅钢含Si量很少超过4.5％，所以用于变压器与电动机、发电机铁芯时，铜损、铁损仍然较大，并且很难再有突破。

近年来世界各国都在积极研究生产节能材料，变压器的铁芯材料也发展到目前先进的节能材料：非晶磁性材料，而铁基非晶态合金铁芯变压器便应运而生。铁基非晶态合金材料由于具有优良的节能和环保性能，因而非晶合金铁芯的变压器近年来倍受青睐。

非晶合金材料与传统的硅钢片材料相比，矫顽力小，铁损低，电阻率高，因而其变压器铁芯的损耗相对硅钢要小很多。但是其在变压器上的应用也存在一定的缺点，比如其饱和磁化强度相对较低、带材的叠片系数较低、磁致伸缩高、应力较大，因而导致变压器噪声相对较高等，是限制其在变压器铁芯上推广应用的主要因素。研究表明，通过合适的热处理工艺，可以在非晶合金的基体中形成一定大小的纳米晶颗粒，从而提高带材的磁性能。然而热处理工艺对磁性的影响很大，不恰当的热处理反而会恶化薄带的磁性能。因此，迫切需要开发一种能够提高变压器用铁基非晶态合金铁芯软磁性能的热处理工艺，从而促进我国铁基非晶态软磁材料及其器件相关产业的发展并切实贯彻我们节能减排的政策。

发明内容

本发明目的是：针对上述问题，提供一种具有高饱和磁化强度以及低损耗的变压器用低损耗非晶合金铁芯的热处理工艺，旨在解决目前变压器用铁基非晶态软磁合金铁芯的饱和磁化强度较低以及铁芯中应力的问题。

本发明的技术方案是：所述的变压器用低损耗非晶合金铁芯热处理工艺，包括以下步骤：

1）将绕制好的铁基非晶态合金铁芯放入热处理炉的炉膛中；

2）关闭所述热处理炉的炉门，先利用真空机械泵对热处理炉抽初真空，然后用分子泵继续抽高真空，并保持真空；

3）利用控温设备使所述热处理炉的炉膛以大于等于15K/min的加热速率升温至650K，然后再使所述热处理炉的炉膛以小于等于5K/min的加热速率升温至热处理温度；

4）保温0.5~2h，并在保温过程中对热处理炉中放置所述铁芯的部分施加纵向磁场；

5）保温结束后让铁芯随热处理炉冷却至室温，然后停止施加磁场；

6）取出铁芯，并在铁芯表面涂覆环氧树脂进行固化。

为了加快铁芯的热处理效率，在所述步骤1）中，所述热处理炉中一次可放置多个铁基非晶态合金铁芯铁芯（当然，需要保证所有铁芯处于炉膛的恒温区）。

所述步骤2）中，对所述热处理炉抽初真空后，热处理炉的炉膛压力为1Pa以下；对所述热处理炉抽高真空后，热处理炉的炉膛压力为10^-3Pa以下。

所述步骤3）中，所述热处理温度在690K~810K之间。

所述步骤4）中，所述纵向磁场由缠绕在所述热处理炉外壁的铜线圈通过电流产生，所述纵向磁场的磁场强度为100Oe~400Oe。

所述步骤6）中，所述铁基非晶态合金铁芯表面涂覆的环氧树脂的厚度在0.5mm~1.5mm之间。

本发明的优点是：本发明所提供变压器用铁基非晶态合金铁芯的热处理工艺，能够有效的提高铁芯的饱和磁化强度，降低铁芯的损耗，并通过环氧树脂固化，减少铁芯应力，满足变压器应用的要求。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为铁基非晶态合金带材的DSC曲线。

具体实施方式

图1为典型铁基非晶态合金带材的DSC曲线。从曲线中可以看出，该铁基非晶态合金带材的在780K和830K处分别有一个晶化峰，780K为初始晶化峰的晶化开始温度（Tc1），830K为二次晶化峰的晶化开始温度（Tc2）。当温度加热至780K附近时，均匀的非晶相内部就会由于原子的热运动克服晶化的势垒而形成晶体相，并随着温度的升高而使初始晶化加剧。初始晶化将会产生纳米尺寸的α-Fe相晶粒，其通过与非晶边界相的磁耦合相互作用，可以大大的降低材料的矫顽力。而进一步升高温度至830K，则开始发生二次晶化，形成铁硼化合物，并导致晶粒异常长大，使材料的磁性能恶化。

实施例一：

本实施例的变压器用低损耗非晶合金铁芯热处理工艺，包括以下步骤：

1）将上述这种铁基非晶态合金带材绕制成铁基非晶态合金铁芯，并将绕制好的铁基非晶态合金铁芯共5只放入热处理炉的炉膛中（当然，需要保证所有铁芯均处于炉膛的恒温区）；

2）关闭热处理炉的炉门，先利用真空机械泵对热处理炉抽初真空，使炉膛压力降至1Pa以下；然后用分子泵对热处理炉继续抽高真空，使炉膛压力降至10^-3Pa以下，并保持真空（即：使热处理炉保持住抽高真空后的压力，可通过继续用分子泵对热处理炉抽真空实现）；

3）利用控温设备使热处理炉的炉膛以20K/min的加热速率升温至650K，以缩短加热时间；然后再使热处理炉的炉膛以3K/min的加热速率升温至热处理温度780K，所述热处理温度为铁基非晶态合金带材的热分析DSC曲线中的初始晶化开始温度。当然，不同铁基非晶态合金带材的热分析DSC曲线中的初始晶化开始温度是不同的，该温度值一般在690K~810K之间。

4）保温1h（即维持上述780K的温度一小时），并在保温过程中对热处理炉中放置铁芯部分施加磁场强度为300Oe的纵向磁场，该纵向磁场可由缠绕在热处理炉外壁的铜线圈通过电流产生；

5）保温结束后让铁芯随炉冷却至室温，然后停止施加磁场；

6）取出热处理后的铁基非晶态合金铁芯，并在铁芯表面涂1mm厚度的覆环氧树脂进行固化，待固化后即得到铁芯成品。

通过利用磁参数和电参数测量仪器测量铁芯的性能得到，热处理后铁芯的平均空载损耗为0.246W/kg，平均饱和磁化强度为1.4T。这一铁损低于变压器使用要求的0.3W/kg。

与常规热处理对比：使用相同的铁芯，通过常规热处理（热处理过程中不施加磁场）后，其铁芯的空载损耗为0.446W/kg，饱和磁化强度为1.2T。可以看出，与常规热处理工艺相比，使用本本实施例的热处理工艺制成的变压器用铁基非晶态合金铁芯具有低得空载损耗和高的饱和磁化强度。

实施例二：

本实施例的变压器用低损耗非晶合金铁芯热处理工艺，包括以下步骤：

1）将绕制好的铁基非晶态合金铁芯共10只放入热处理炉的炉膛中；

2）关闭热处理炉的炉门，先利用真空机械泵对热处理炉抽初真空，使炉膛压力降至1Pa以下；然后用分子泵对热处理炉继续抽高真空，使炉膛压力降至10^-3Pa以下，并保持真空；

3）利用控温设备使热处理炉的炉膛以15K/min的加热速率升温至650K，然后再使热处理炉的炉膛以2K/min的加热速率升温至热处理温度690K，所述热处理温度为铁基非晶态合金带材热分析DSC曲线中的初始晶化开始温度；

4）保温2h（即维持上述690K的温度两个小时），并在保温过程中对热处理炉中放置铁芯部分施加磁场强度为200Oe的纵向磁场，该纵向磁场可由缠绕在热处理炉外壁的铜线圈通过电流产生；

5）保温结束后让铁芯随炉冷却至室温，然后停止施加磁场；

6）取出热处理后的铁基非晶态合金铁芯，并在铁芯表面涂1mm厚度的覆环氧树脂进行固化，待固化后即得到铁芯成品。

通过利用磁参数和电参数测量仪器测量铁芯的性能得到，热处理后铁芯的平均空载损耗为0.266W/kg，平均饱和磁化强度为1.46T。这一铁损低于变压器使用要求的0.3W/kg。

实施例三：

本实施例的变压器用低损耗非晶合金铁芯热处理工艺，包括以下步骤：

1）将绕制好的铁基非晶态合金铁芯共1只放入热处理炉的炉膛中；

2）关闭热处理炉的炉门，先利用真空机械泵对热处理炉抽初真空，使炉膛压力降至1Pa以下；然后用分子泵对热处理炉继续抽高真空，使炉膛压力降至10^-3Pa以下，并保持真空；

3）利用控温设备使热处理炉的炉膛以25K/min的加热速率升温至650K，然后再使热处理炉的炉膛以5K/min的加热速率升温至热处理温度720K，所述热处理温度为铁基非晶态合金带材的热分析DSC曲线中的初始晶化开始温度；

4）保温2h（即维持上述720K的温度两个小时），并在保温过程中利用通电铜线圈对热处理炉膛中放置铁芯部分施加大小为400Oe的纵向磁场；

5）保温结束后让铁芯随炉冷却至室温，然后停止施加磁场；

6）取出热处理后的铁基非晶态合金铁芯，并在铁芯表面涂0.5mm厚度的覆环氧树脂进行固化，待固化后即得到铁芯成品。

通过利用磁参数和电参数测量仪器测量铁芯的性能得到，热处理后铁芯的平均空载损耗为0.21W/kg，平均饱和磁化强度为1.35T。这一铁损低于变压器使用要求的0.3W/kg。

实施例四：

本实施例的变压器用低损耗非晶合金铁芯热处理工艺，包括以下步骤：

1）将绕制好的铁基非晶态合金铁芯共2只放入热处理炉的炉膛中；

2）关闭热处理炉的炉门，先利用真空机械泵对热处理炉抽初真空，使炉膛压力降至1Pa以下；然后用分子泵对热处理炉继续抽高真空，使炉膛压力降至10^-3Pa以下，并保持真空；

3）利用控温设备使热处理炉的炉膛以40K/min的加热速率升温至650K，然后再使热处理炉的炉膛以2K/min的加热速率升温至热处理温度810K，所述热处理温度为铁基非晶态合金带材热分析DSC曲线中的初始晶化开始温度；

4）保温0.5h（即维持上述810K的温度0.5小时），并在保温过程中对热处理炉中放置铁芯部分施加磁场强度为100Oe的纵向磁场，该纵向磁场可由缠绕在热处理炉外壁的铜线圈通过电流产生；

5）保温结束后让铁芯随炉冷却至室温，然后停止施加磁场；

6）取出热处理后的铁基非晶态合金铁芯，并在铁芯表面涂1.5mm厚度的覆环氧树脂进行固化，待固化后即得到铁芯成品。

通过利用磁参数和电参数测量仪器测量铁芯的性能得到，热处理后铁芯的平均空载损耗为0.252W/kg，平均饱和磁化强度为1.43T。这一铁损低于变压器使用要求的0.3W/kg。

当然，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种变压器用低损耗非晶合金铁芯热处理工艺，其特征在于该工艺包括以下步骤：

1）将绕制好的铁基非晶态合金铁芯放入热处理炉的炉膛中；

2）关闭所述热处理炉的炉门，先利用真空机械泵对热处理炉抽初真空，然后用分子泵继续抽高真空，并保持真空；

3）利用控温设备使所述热处理炉的炉膛以大于等于15K/min的加热速率升温至650K，然后再使所述热处理炉的炉膛以小于等于5K/min的加热速率升温至热处理温度；

4）保温0.5~2h，并在保温过程中对热处理炉中放置所述铁芯的部分施加纵向磁场；

5）保温结束后让铁芯随热处理炉冷却至室温，然后停止施加磁场；

6）取出铁芯，并在铁芯表面涂覆环氧树脂进行固化。

2.根据权利要求1所述的变压器用低损耗非晶合金铁芯热处理工艺，其特征在于：所述步骤1）中，所述热处理炉中一次放置多个铁基非晶态合金铁芯铁芯。

3.根据权利要求1所述的变压器用低损耗非晶合金铁芯热处理工艺，其特征在于：所述步骤2）中，对所述热处理炉抽初真空后，热处理炉的炉膛压力为1Pa以下；对所述热处理炉抽高真空后，热处理炉的炉膛压力为10^-3Pa以下。

4.根据权利要求1所述的变压器用低损耗非晶合金铁芯热处理工艺，其特征在于：所述步骤3）中，所述热处理温度在690K~810K之间。

5.根据权利要求1所述的变压器用低损耗非晶合金铁芯热处理工艺，其特征在于：所述步骤4）中，所述纵向磁场由缠绕在所述热处理炉外壁的铜线圈通过电流产生，所述纵向磁场的磁场强度为100Oe~400Oe。

6.根据权利要求1所述的变压器用低损耗非晶合金铁芯热处理工艺，其特征在于：所述步骤6）中，所述铁基非晶态合金铁芯表面涂覆的环氧树脂的厚度在0.5mm~1.5mm之间。

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