CN1317402C - 低铁损和低噪声晶粒取向电工钢板及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

提供低铁损和低噪声确保变压器具有低铁损和低噪声特性的晶粒取向电工钢板。还涉及通过在充分的范围内相对于εo、ε17分别控制εoc和ε17L，εoL和ε17L，及当测量轧制方向上磁致伸缩振动0-p值时在最适当范围内控制λ17制备的含硅1.0-4.0重量%的晶粒取向电工钢板，其中εo是钢板磁化达饱和磁通密度时的0-p值，ε17为饱和磁通密度下0-p值减去磁化磁通密度1.7T时的0-p值的结果，εOC和ε17L为形成张力膜和镁橄榄石薄膜产生的偏差绝对值，εOL和ε17L为所述膜形成后照射激光产生的偏差绝对值，λ17为磁化磁通密度为1.7T时的0-p值。

Description

低铁损和低噪声晶粒取向电工钢板及其生产方法
本发明涉及用于变压器铁心中的晶粒取向电工钢板等，更具体的涉及有助于降低铁损和铁心噪声的低铁损和低噪声晶粒取向电工钢板，及其生产方法。
近年来，已经开始要求降低电磁设备的噪声和振动，例如在变压器中，现在越来越需要一种用于变压器中铁心的晶粒取向电工钢板，这种材料不但能够具有低铁损而且是低噪声和低振动的。这就是说，晶粒取向电工钢板的磁致伸缩是导致变压器噪声和振动的一个原因。磁致伸缩，在此意味着，当晶粒取向电工钢板通过交流电磁化时在钢板的轧制方向产生振动，并且其量值小到约为10-6。然而，现在还未搞清何种类型的磁致伸缩特性对降低变压器噪声是有效的。
现在降低噪声的方法是减少磁致伸缩。众所周知，磁致伸缩可通过增加二次重结晶晶粒在{110}<001>取向的积分数而降低。当需要铁损降低时，采用这种通常的方法。日本专利公开No.平8-269562中公开了一种材料中磁致伸缩被积极降低的方法。在此公开中，试图通过在退火时故意遗留内部残余应变的方式来降低磁致伸缩。然而，采用这种方法，由于残留应变，磁滞损失增加，将导致铁损增加。
如上所述，用以降低变压器的噪声的铁心材料的磁致伸缩特性对于尚未得到清楚地解释，而且材料的那些降低磁致伸缩振动特性几乎没有被涉及。
本发明的目的是提供一种晶粒取向电工钢板，非常适于确保同时变压器的低铁损和低噪声性能，也就是，提供同时具有低铁损和低噪声特性的包括1.0-4.0重量％硅的晶粒取向电工钢板，并且提供了生产此产品的方法。
由于精确地研究了晶粒取向电工钢板的磁致伸缩和变压器噪声的关系和不同材料的因素对磁致伸缩的影响，本发明者发现，除了上述的在{110}<001>取向的积分数外，绝缘膜的张力和通过激光照射施加的细微应变是非常重要的控制磁致伸缩的因素，而且通过适当的控制这些因素，还开发了一种具有低铁损，和适于降低噪声的磁致伸缩特性的钢板。
本发明的目的如下：
(1)低铁损和低噪声晶粒取向电工钢板，具有：
εoc，为相对定义为ε0的标准值因形成张力膜导致偏差后的绝对值，该标准值处于张力膜基本上不存在，且未用激光照射的状态下得到的，ε0L为相对相同的标准值的在形成膜后因激光照射而导致的偏差的绝对值，并符合下述表达式：
εoc＜3.0×10-6
ε0L＜1.0×10-6
其中当晶粒取向电工钢板在轧制方向在50Hz频率磁化达到饱和磁通量密度时ε0定义为磁致伸缩振动起始峰(zero-peak)值；ε17C，为相对定义为ε17的标准值因形成张力薄膜产生的偏差的绝对值，该标准值是在张力膜基本上不存在、且未用激光照射的状态下的得到的，ε17L为相对于相同的标准值在形成膜后因激光照射产生偏差后的绝对值，并符合下述表达式：
ε17c＜1.5×10-6
ε17L＜0.3×10-6
其中ε17定义为在轧制方向，50Hz频率下，由在饱和磁通密度下的磁致伸缩振动的起始峰值减去在1.7T的磁化磁通密度下的磁致伸缩振动的起始峰值获得的结果；λ17，为磁化磁通密度为1.7T时磁致伸缩振动的起始峰值，由下面的表达式表示：
-0.5×10-6≤λ17≤0.5×10-6；
条件是在轧制方向频率为50Hz的条件下磁化晶粒取向电工钢板并且测定在轧制方向上的磁致伸缩振动的起始峰值(0-p值：在依据退磁化状态下的结果确定的某磁化磁通密度下的膨胀或收缩值，该值在膨胀时为正，收缩时为负)。
(2)一种生产低铁损和低噪声的包括1.0-4.0重量％硅的晶粒取向电工钢板的方法，包括根据由最终退火形成的一次膜和由随后的处理形成的二次膜获得的张力总量决定激光照射在钢板的单位面积上的热输入量的步骤。
(3)根据条目(1)的低铁损和低噪声晶粒取向电工钢板，其中：εoc和ε0L满足下面的表达式：
εoc＜2.0×10-6
εoL＜0.8×10-6；和
ε17C和ε17L满足下面的表达式：
ε17c＜1.0×10-6
ε17L＜0.3×10-6。
(4)一种生产低铁损和低噪声含有Si：1.0-4.0重量％晶粒取向电工钢板的方法，包含的步骤有；
施加由最终退火形成的一次膜与由后面的处理产生的二次膜得到的大于1Mpa且小于8Mpa的张力总量，和以1-2mJ/mm2的热输入量将激光束照射在特定单位面积的钢板上。
(5)根据条目(1)的低铁损和低噪声的晶粒取向电工钢板，其中εoc和ε0L可由下面的表达式表示：
1.0×10-6≤εoc＜3.0×10-6
0.5×10-6≤εoL＜1.0×10-6，
和ε17C和ε17L可由下面的表达式表示；
0.5×10-6≤ε17c＜1.5×10-6
ε17L＜0.3×10-6。
(6)一种生产低铁损和低噪声的包括Si：1.0-4.0重量％的晶粒取向电工钢板的方法，其包含的步骤有；
施加由最终退火形成的一次膜与由后面的处理产生的二次膜得到的大于14Mpa的张力总量，和以1.5-3mJ/mm2的热输入量将激光束照射在特定单位面积的钢板上。
图1表示基于退磁状态下的结果随磁通密度改变的磁致伸缩振动的0-p值曲线。
图2表示基于饱和磁通密度的结果随磁通密度改变的磁致伸缩振动的0-p值曲线。
                         优选实施方案介绍
下面将详细的解释本发明。
晶粒取向电工钢板有三个易磁化方向，也就是，[100]，[010]和[001]。当磁化方向不同于磁场方向的区域在外加磁场作用下取向于磁场方向或位于磁场方向的区域在另一个易磁化方向取向时，将发生膨胀或收缩，也就是，磁致伸缩在外加磁场的方向上产生。
在理想的晶粒取向电工钢板中，其晶粒完全排列在{110}<001>的方向，磁畴结构由仅仅在轧制方向磁化的区域，也就是，只是180°的磁畴构成。因此，在磁化时不会发生磁致伸缩。
然而，实际上，在钢板中存在称为矢状磁畴的闭合畴，以减小取向偏差引起的静磁能量。进一步，闭合畴存在于产生应变的区域和钢板的边缘部分。闭合畴存在在厚度方向上磁化的区域，当这些区域减少时磁致伸缩变为正值(膨胀)，而当它们增加时磁致伸缩变为负值(收缩)。
未形成镁橄榄石薄膜或张力绝缘薄膜和未进行激光束照射的晶粒取向电工钢板的磁致伸缩0-p值，如图1中曲线1-(A)中所示，其值随着磁化磁通密度的增加单调增加。这是因为上述的矢状磁畴的存在依赖于退状态下取向的积分度，因此，它们体积随施加磁化而减小。
当晶粒取向电工钢板中使用张力绝缘薄膜时，如图1中曲线1-(B)所示，在约1.7T或更高的高磁通密度下，磁致伸缩一度减小但进而又增大。原因如下；
因为当钢板上施加张力时，在厚度方向磁化的部分的能量因磁致弹性效应而增加，退磁状态下的矢状磁畴的体积相对于未加入张力时减小。当对此施加磁场时，180°磁畴壁会出现位移，由于这增加了表面的静磁能量，矢状磁畴增加导致静磁能量减少。所以，钢板在此磁场中收缩。当外加磁场进一步加强和180°磁畴壁的位移停止时，磁化继续进行同时矢状磁畴消失。这时，钢板膨胀。
在上述的1-(A)和1-(B)曲线中，因为饱和磁化状态与磁化组元在除轧制方向之外的方向消失时的状态相同，所以磁畴结构的变化可以容易地通过采用基于此状态的膨胀或收缩来进行研究。
图2表示，在饱和磁化下设置磁致伸缩0-p值为零时磁致伸缩0-p值与磁通密度的依赖关系。假设未对钢板使用张力薄膜，如2-(A)曲线所示，磁致伸缩0-p值单一地随磁通密度的减少而减少。另一方面，假设对钢板使用张力薄膜，如2-(B)所示，磁致伸缩0-p值一度减小但至最小值后又增加。在退磁状态，与2-(A)的钢板相比，2-(B)的钢板的膨胀量为εoc，如图所示。
进一步，关于最小值，0-p值变为最小值时的磁通密度则依赖于钢板在{110}<001>方向上的取向程度，并且本发明人对传统的晶粒取向电工钢板进行研究，结果发现在0-p值变为最小时磁通密度值约为1.7T。因此，在以前定义的ε17中，2-(B)的钢板与2-(A)钢板比较在2-(B)的最小值时的膨胀量为ε17c。可通过改变绝缘膜张力的方法自由地控制εoc和ε17c值。
进一步，本发明人发现在钢板上形成张力膜之后，可通过激光束照射的方法来自由控制磁致伸缩特性。将在下文中解释其作用。
激光照射在带有张力膜的由图1中的1-(B)曲线表示的钢板上时，磁致伸缩曲线0-p值单调增加。据认为，这是因为当激光在钢板上产生应变时，闭合畴形成，然后在实施磁化时闭合畴消失。
图2表示采用饱和磁化状态为基础时的情形。曲线2-(C)为激光照射的带有张力膜的钢板时随着磁通密度的降低而下降和，在退磁状态，与曲线2-(B)相比，钢板的收缩量为εoL，如图所示。就利用1.7T定义的ε17而言，钢板收缩量为ε17L。可通过改变激光照射能量自由地控制εoL和ε17L值。
此外，本发明人还认真的研究了如何设定晶粒取向电工钢板的磁致伸缩特性以降低变压器噪声和类似的问题，结果发现其最重要的特征是控制预定的λ17的值，该值是在1.7T时定义的磁通密度值时的磁致伸缩0-p值，目的是除振动振幅减至最小还要使电器噪声降低。换句话说，不一定必须控制λ17值满足下面的表达式；
-0.5×10-6≤λ17≤0.5×10-6
当λ17值小时，磁致伸缩振动的高频谐波成分增加。另一方面，当λ17值大时，磁致伸缩振动增大。这些现象会使变压器的噪声增加。同时也发现，为获得这样一种材料，要求充分控制薄膜张力和激光照射能量以使上述的ε0C，ε0L，ε17C和ε17L处于在以下范围内，
ε0C＜3.0×10-6
ε0L＜1.0×10-6
ε17C＜1.5×10-6
ε17L＜0.3×10-6，
而λ17，为磁化磁通密度为1.7T时的0-p值，满足下面的表达式，
-0.5×10-6≤λ17≤0.5×10-6
当薄膜张力降低时，ε0C和ε17c降低。然而，当薄膜张力降低过多时，变压器在运输或装配期间钢板受到应力的作用会增加磁致伸缩性能劣化并且随后铁心的损失也将增大。因此，ε0C和ε17C的设置值最好均大于0.1×10-6。进一步，因为这些值的上限值由取向的积分数决定，ε0C和ε17C设置值应分别小于3.0×10-6和小于1.5×10-6。
当激光照射能量加强时ε0L和ε17L变大。因此，ε0L设置值大于0.1×10-6而ε17L不小于0。另一方面，当激光照射能量过大时，磁致伸缩振动的振幅变大而且当钢板组装入变压器时其噪声变大。因此，要求设置ε0L值小于1.0×10-6而ε17C小于0.3×10-6。
可通过调整在最终退火后形成的镁橄榄石薄膜的量和在其上施加的绝缘膜的量和成分来控制薄膜的张力。通过使用CO2激光或YAG激光进行激光照射。从铁心损失减少的观点来看，理想的是，由激光产生的应变区域呈长窄形状延伸到垂直于钢板的轧制方向，并且应变带在轧制方向循环产生。
此外，已发现所要求的磁特性依照设计的磁通密度变化。当设计的磁通密度相对小时，相对弱的薄膜张力对平滑钢板磁致伸缩的波形，降低较高的振动谐波成分，并因此降低变压器的噪声相当有效。然而，这意味着导致芯损特性变坏。通过适当的激光照射和使用磁畴控制已成功实现低磁致伸缩和低芯损失。钢板为电工钢板，其中ε0C和ε0L分别控制在以下范围
ε0C＜2.0×10-6和
ε0L＜0.8×10-6，和，
ε17C，ε17L和λ17分别在以下范围
ε17C＜1.0×10-6，
ε17L＜0.3×10-6和-0.5×10-6≤λ17≤0.5×10-6。
此外，可通过控制总张力大于1Mpa且小于8Mpa的镁橄榄石薄膜和绝缘薄膜，并将钢板的特定单位面积上的热输入激光照射能量值控制在1-2mJ/mm2来生产上述的电炉钢板。
当绝缘薄膜的张力小时，变压器在运输或装配期间钢板受到应力作用会增加磁致伸缩性能劣化并且随后铁心的损失也将增大。因此，张力的设置值不能低于1Mpa。另一方面，当张力太强时，高次谐波成分将大量包含在磁致伸缩振动的波形中，并且因此张力的设置值要小于8Mpa。
另一方面，当设计的磁通密度值大时，需要增大用于钢板的张力，而且需要控制根据所施用的薄膜张力所采用的激光照射能量的热输入量在适当的数值。结果，λ17值设置为预定值。另外，磁致伸缩振动在从高磁通密度到低磁通密度范围内可以得到少量降低。理想的是，控制ε0C，ε0L，ε17C，ε17L和λ17满足以下表达式；
1.0×10-6≤ε0C＜3.0×10-6
0.5×10-6≤ε0L＜1.0×10-6
0.5×10-6≤ε17C≤1.5×10-6
ε17L＜0.3×10-6，和
-0.5×10-6≤λ17≤0.5×10-6。
为实现上述的特性，通过施加由最终退火形成的一次膜以及由随后的处理形成的二次膜获得的大于14Mpa的总张力，以及将热输入量为1.5-3mJ/mm2的激光束照射在特定面积的钢板上的步骤来实施一种制备方法。
实施例1
在采用传统方法处理至最终退火的0.23mm厚含有1.0-4.0重量％硅的晶粒取向电工钢板中，控制镁橄榄石膜的厚度和绝缘张力膜的涂覆量而且膜张力可变。此外，在轧制方向使用5mm照射间距的激光束照射钢板并且同时改变脉冲能量在横向方向以0.03mm间距照射。一种YAG激光用于此项试验中。照射能量采用引入单位面积钢板的能量表示。激光多普勒型的磁致伸缩测量仪用于测量磁致伸缩并且在每种条件测量了十个试样。表1显示准备测试的试样的条件和十个测试样的磁致伸缩测试的平均结果。
此外，采用每种条件的钢板制造出大小为750mm×750mm的三相位三铁心柱(铁心)叠片铁心并且测量噪声。钢板的宽度为150mm，钢板叠片数为180。如果薄膜张力为零，即使用不产生张力的绝缘膜。其结果表2中所示。使用本发明中的钢板，将得到低噪声的变压器。铁心的铁损也在此表中并且从中可以看出本发明提供了令人满意的铁损。
                                    表1
  薄膜张力(MPa)   激光能量(mJ/mm2)   ε0C(10-6)   ε0L(10-6)   ε17C(10-6)   ε17L(10-6)   λ17(10-6)
  A   14   2   1.5   0.4   0.6   0   -0.1   发明实施例
  B   8   2   1.5   0.4   0.6   0   +0.2   发明实施例
  C   6   2   1.3   0.5   0.6   0.1   +0.3   发明实施例
  D   6   1   1.4   0.2   0.6   0   0   发明实施例
  E   2   1   0.5   0.2   0.4   0   +0.3   发明实施例
  F   16   2.5   2.0   0.8   0.8   0.2   -0.2   发明实施例
  G   15   20   1.5   1.8   0.6   0.5   +0.8   对比实施例
  H   6   10   1.4   1.2   0.6   0.3   +1.0   对比实施例
  I   2   10   0.4   1.3   0.4   0.2   +1.2   对比实施例
  J   0   10   0   1.2   0   0   +1.3   对比实施例
  K   0   0   0   0   0   0   +0.4   对比实施例
                                              表2
  变压器噪声(dB(A))f＝50Hz，Bm＝1.7T   铁损(W/kg)f＝50Hz，Bm＝1.7T
  A   42   0.97
  B   43   0.98
  C   41   0.98
  D   43   0.99
  E   41   1.01
  F   40   0.95
  G   49   1.03
  H   48   1.05
  I   50   1.10
  J   55   1.30
  K   54   1.60
通过调节薄膜张力和照射的激光能量，以便将ε0C，ε0L，ε17C，ε17L和λ17分别控制在指定的范围内可以制造本发明中的晶粒取向电工钢板，并能够确保变压器同时具有低芯损失和低噪声。

Claims (6)

1.低铁损和低噪声的晶粒取向电工钢板，所述钢板含有1.0-4.0重量％的Si，并且具有：
εoc，为因形成张力薄膜获得的相对于定义为εo的标准值的偏差绝对值，所述εo是在基本上不存在张力膜和激光未照射状态下得到的，εOL为在膜形成后通过激光照射后得到的相对于相同标准值的偏差绝对值，并符合下述表达式：
0.1×10-6＜εoc＜3.0×10-6
0.1×10-6＜εOL＜1.0×10-6
其中εo定义为在轧制方向50Hz下当晶粒取向电工钢板磁化达到饱和磁通量密度时，磁致伸缩振动的起始峰值；并且ε17C，为因形成张力膜导致的相对于定义为ε17的标准值的偏差绝对值，所述ε17是在基本上不存在张力膜和激光未照射状态下得到的，ε17L是在膜形成后采用激光照射而导致的相对于相同标准值的偏差绝对值，并符合下述表达式：
0.1×10-6＜ε17c＜1.5×10-6
0＜ε17L＜0.3×10-6
其中ε17定义为在轧制方向，50Hz频率下，由饱和磁通密度下的磁致伸缩振动的起始峰值减去在1.7T的磁化磁通密度下的磁致伸缩振动的起始峰值获得的结果；λ17，为磁化磁通密度为1.7T时磁致伸缩振动的起始峰值，由下面的表达式表示：
-0.5×10-6≤λ17≤0.5×10-6；
条件是在轧制方向频率为50Hz的条件下磁化晶粒取向电工钢板并且测定在轧制方向上的磁致伸缩振动的起始峰值(0-p值)。
2.根据权利要求1的低铁损和低噪声的晶粒取向电工钢板，其中：εoc和εOL由下面的表达式表示：
0.1×10-6＜εoc＜2.0×10-6
0.1×10-6＜εoL＜0.8×10-6；和
ε17c和ε17L由下面的表达式表示：
0.1×10-6＜ε17c＜1.0×10-6
0＜ε17L＜0.3×10-6。
3.根据权利要求1的低铁损和低噪声的晶粒取向电工钢板，其中εoc和εOL由下面的表达式表示：
1.0×10-6≤εoc＜3.0×10-6
0.5×10-6≤εoL＜1.0×10-6，
和ε17c和ε17L由下面的表达式表示；
0.5×10-6≤ε17c＜1.5×10-6
0＜ε17L＜0.3×10-6。
4.一种生产根据权利要求1-3中任一项的晶粒取向电工钢板的方法，包括根据由最终退火形成的一次膜和由随后的处理形成的二次膜获得的张力总量确定激光照射在钢板的单位面积上的热输入量的步骤。
5.一种生产低铁损和低噪声的含有Si：1.0-4.0重量％的晶粒取向电工钢板的方法，包括的步骤有；
施加由最终退火时形成的一次膜与由后面的处理产生的二次膜得到的大于1Mpa且小于8Mpa的张力总量，和以1-2mJ/mm2的热输入量将激光束照射在特定单位面积的钢板上。
6.一种生产低铁损和低噪声的含有Si：1.0-4.0重量％的晶粒取向电工钢板的方法，其包含的步骤有：
施加由最终退火时形成一次膜与由后面的处理产生的二次膜得到的大于14Mpa的张力总量，和以1.5-3mJ/mm2的热输入量将激光束照射在特定单位面积的钢板上。
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