JP4012275B2

JP4012275B2 - Directional silicon steel sheet for transformers with low residual magnetic flux density

Info

Publication number: JP4012275B2
Application number: JP30995696A
Authority: JP
Inventors: 芳一高田; 弘憲二宮; 操浪川; 多津彦平谷
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1996-11-07
Filing date: 1996-11-07
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2016-11-07
Also published as: JPH10140300A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、偏磁による突入電流が問題となるトランス用方向性けい素鋼板に関し、特に低残留磁束密度のトランス用方向性けい素鋼板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、トランスには、小型化および高効率化のため、いわゆるＧｏｓｓ方位を有する一方向性けい素鋼板が使用されている。方向性けい素鋼板は、磁束密度が高く、低鉄損であるため、小型化および高効率化には適した材料である。しかしながら、方向性けい素鋼板は残留磁束密度が高いため、トランスに偏磁が生じ、トランスの再起動時に定格電流の数十倍もの突入電流が発生し、ブレーカーが作動してトランスの起動が不可能となることがある。
【０００３】
このような突入電流を防止するため、トランスの設計動作磁束密度を下げるか、または磁路にギャップを設けることが行われている。しかし、前者の場合はトランスが大型化し、後者の場合は組立コストが増大するという問題が生じる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、機器の大型化やコスト増大をもたらすことなく偏磁による突入電流を防止することができる低残留密度のトランス用方向性けい素鋼板を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく検討を重ねた結果、方向性けい素鋼板において厚さ方向にＳｉの濃度勾配を形成することにより残留磁束密度を著しく低下させることができることを知見した。
【０００６】
本発明は、このような知見に基づいて完成されたものであって、第１に、板厚方向にＳｉの濃度勾配を有し、表層のＳｉ濃度のほうが板厚中心部のＳｉ濃度より高く、表層のＳｉ濃度と板厚中心近傍の最低のＳｉ濃度との差が０．５ｗｔ％以上であり、Ｓｉ濃度の板厚方向全体の平均値が３〜７ｗｔ％（ただし、６．２ｗｔ％以上を除く）であることを特徴とする低残留磁束密度のトランス用方向性けい素鋼板を提供するものである。
【０００７】
第２に、上記鋼板において、表層のＳｉ濃度が７．５ｗｔ％以下であることを特徴とする低残留磁束密度のトランス用方向性けい素鋼板を提供するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
方向性鋼板の板厚方向にＳｉの濃度勾配をつけた場合の残留磁束密度（Ｂｒ）の変化を図１に示す。サンプルとしては、０．３ｍｍ板厚の３．１ｗｔ％Ｓｉ一方向性けい素を浸珪処理して作製したものを用いた。浸珪処理においては、１２００℃に加熱した鋼板と、２０ｖｏｌ％のＳｉＣｌ₄ と８０ｖｏｌ％のＮ₂ との混合ガスとを反応させ、鋼板表面からＳｉを浸透させ、その後Ｎ₂ 中で均熱してＳｉを板中心部へ拡散浸透させた。ここでは、Ｓｉ浸透時間と拡散時間とを変化させ、種々に濃度勾配を有するサンプルを作製し、磁気特性を測定した。
【０００９】
図１は５０Ｈｚで１．４Ｔまで磁化した時の残留磁束密度を測定した結果を示すものであり、横軸は、サンプルの断面についてＸ線マイクロアナライザーでＳｉを定量分析し、その最高値と最低値との差（ΔＳｉ）をとったものである。
【００１０】
この図に示すように、Ｓｉの濃度勾配を形成し、ΔＳｉが増加すると残留磁束密度は単調に低下する。また、図より、残留磁束密度を１０％以上低下させるためにはΔＳｉを０．５％以上とすることが必要であることがわかる。ΔＳｉを増加させると残留磁束密度が低下する原因は完全には解明されていないが、Ｓｉの添加とともに格子定数が小さくなることから、Ｓｉの濃度勾配を形成することにより板内に張力が発生するためと推定される。
【００１１】
したがって、本発明では、Ｓｉの濃度勾配を形成し、板厚中心近傍の最低のＳｉ濃度が表層のＳｉ濃度よりも０．５ｗｔ％以上低いことを要件としている。
なお、この場合において、板厚方向のＳｉ濃度を測定する方法は特に限定されないが、Ｘ線マイクロアナライザーで測定することが好適である。
【００１２】
このように鋼板の厚さ方向にＳｉの濃度勾配をつけること自体は、特開昭６２−２２７０３３号から２２７０３６号まで、特開昭６２−２２７０７７号、および特開平４−２４６１５７号の各公報に開示されている。しかし、これらの目的は、浸珪処理法で高けい素鋼板を製造する際に、拡散処理時間を短くするため、途中で拡散処理を中断することにあり、その結果としてＳｉの濃度勾配が形成されるのであり積極的にＳｉの濃度勾配を形成するという思想は含まれていない。これらにおいて拡散処理を中断する時間は鉄損が劣化しない範囲で決められている。鉄損は種々の要因で決定されるが、これを低下させるためには残留磁束密度を高くすることが必要であり、上記各公報の技術は残留磁束密度があまり低下しない範囲で、Ｓｉの濃度勾配の許容値を求めたものであるといえる。これに対して本発明は残留磁束密度を低下させるために積極的にＳｉの濃度勾配を形成したものであり、上記各公報の技術とはＳｉの濃度勾配の意味合いが全く異なる。
【００１３】
本発明で対象とする方向性けい素鋼板としては、典型的には一方向性であり、その例としてはＧｏｓｓ方位を有するものが挙げられるが、これに限るものではない。
【００１４】
素材の方向性けい素鋼板は、板厚方向の全体の平均値Ｓｉ濃度が３ｗｔ％以下であるとＧｏｓｓ方位等の形成が困難となるため、３ｗｔ％以上であることが好ましい。一方、平均値Ｓｉ濃度が高くなると、これに伴って表層Ｓｉも高くなり、加工性が劣化する。加工性の点からは、表層Ｓｉ濃度が７．５ｗｔ％以下であることが好ましく、その結果、平均値Ｓｉ濃度は７ｗｔ％以下とすることが好ましい。したがって、本発明では、好ましいＳｉの平均値濃度として、３〜７ｗｔ％を規定し、さらに表層のＳｉ濃度の好ましい値として、７．５ｗｔ％以下を規定している。
なお、本発明において、Ｓｉ以外の元素は特に規定されず、他の元素は通常の方向性けい素鋼板に含有される量であれば許容される。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
表１に示す組成の０．２３ｍｍ厚のＧｏｓｓ方位を持つ方向性けい素鋼板を連続浸珪処理ラインで浸珪・拡散処理して板厚方向にＳｉの濃度勾配を形成した。浸珪処理ラインとしては、加熱・浸珪・拡散・冷却帯および絶縁皮膜コーティング装置からなるものを用いた。浸珪ラインでは、１２００℃まで加熱後、ＳｉＣｌ₄ガスと鋼板とを反応させ鋼板表面にＦｅ₃Ｓｉを形成し、その後拡散均熱してＳｉを板中心部に拡散させ、Ｓｉの濃度勾配を形成した。この際に、ＳｉＣｌ₄ガス濃度と均熱時間を変えて種々のＳｉプロファイルを有する鋼板を製造した。なお、この鋼板の浸珪前後でのＳｉ以外の成分量はほぼ同一であった。
【００１６】
【表１】

【００１７】
このようにして得られた鋼板を用い、単相５０Ｈｚ、１ｋＶＡのトランスを作製し、位相制御のもとで突入電流の測定を実施した。その際の残留磁束密度、磁束密度Ｂ８、突入電流比の値を表２に示す。残留磁束密度は、５０Ｈｚで１．４Ｔまで磁化したときの値である。また、突入電流はトランスを１．４Ｔまで磁化したときの値であり、定格電流との比で評価した。ΔＳｉ、表層Ｓｉ濃度、平均Ｓｉ濃度、残留磁束密度、磁束密度Ｂ８、および突入電流比を表２に示す。
【００１８】
【表２】

【００１９】
この表に示すように、本発明の範囲内であれば、残留磁束密度が低く、そのため突入電流特性に優れていることが明らかとなった。このことから、本発明により、突入電流の低いトランス用の方向性けい素鋼板が得られることが確認された。
なお、No.３はＳｉ量が多いため、加工性に劣っていた。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、板厚方向にＳｉの濃度勾配を有し、表層のＳｉ濃度のほうが板厚中心部のＳｉ濃度より高く、表層のＳｉ濃度と板厚中心近傍の最低のＳｉ濃度との差を０．５ｗｔ％以上とし、Ｓｉ濃度の板厚方向全体の平均値を３〜７ｗｔ％（ただし、６．２ｗｔ％以上を除く）とすることにより、低残留磁束密度のトランス用方向性けい素鋼板を得ることができる。したがって、機器の大型化やコスト増大等をもたらすことなく偏磁による突入電流を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋼板のΔＳｉと残留磁束密度との関係を示す図。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a transformer oriented silicon steel sheet rush current becomes a problem due to magnetic bias, regarding transformer oriented silicon steel sheet particularly low residual magnetic flux density.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, unidirectional silicon steel sheets having a so-called Goss orientation have been used for transformers for miniaturization and high efficiency. The grain oriented silicon steel sheet is a material suitable for miniaturization and high efficiency because of its high magnetic flux density and low iron loss. However, the grain-oriented silicon steel sheet has a high residual magnetic flux density, so that the transformer is demagnetized, an inrush current several tens of times higher than the rated current is generated when the transformer is restarted, and the circuit breaker is activated to prevent the transformer from starting. It may be possible.
[0003]
In order to prevent such an inrush current, the design operation magnetic flux density of the transformer is lowered or a gap is provided in the magnetic path. However, in the former case, the transformer becomes large, and in the latter case, the assembly cost increases.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a low residual density directional silicon steel sheet for transformers that can prevent inrush current due to magnetic bias without increasing the size and cost of equipment. The purpose is to do.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
As a result of repeated studies to solve the above problems, the present inventors have found that the residual magnetic flux density can be remarkably reduced by forming a Si concentration gradient in the thickness direction in the directional silicon steel sheet. .
[0006]
The present invention has been completed based on such knowledge. First, it has a Si concentration gradient in the plate thickness direction, and the Si concentration in the surface layer is higher than the Si concentration in the central portion of the plate thickness. The difference between the Si concentration of the surface layer and the lowest Si concentration in the vicinity of the center of the plate thickness is 0.5 wt% or more, and the average value of the Si concentration in the plate thickness direction is 3 to 7 wt% ( however, 6.2 wt% or more) And a directional silicon steel sheet for transformers having a low residual magnetic flux density.
[0007]
Secondly, the present invention provides a transformer- oriented directional silicon steel sheet having a low residual magnetic flux density, wherein the surface layer has a Si concentration of 7.5 wt% or less.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
FIG. 1 shows a change in residual magnetic flux density (Br) when a Si concentration gradient is provided in the thickness direction of the grain-oriented steel plate. As a sample, a sample prepared by subjecting a 3.1 mm thick Si unidirectional silicon having a thickness of 0.3 mm to a siliconization treatment was used. In the siliconizing treatment, a steel sheet heated to 1200 ° C. is reacted with a mixed gas of 20 vol% SiCl ₄ and 80 vol% N ₂ to infiltrate Si from the steel sheet surface, and then soaked in N _2. Si was diffused and penetrated into the center of the plate. Here, samples having various concentration gradients were prepared by changing the Si infiltration time and the diffusion time, and the magnetic characteristics were measured.
[0009]
FIG. 1 shows the result of measuring the residual magnetic flux density when magnetized to 1.4T at 50 Hz, and the horizontal axis shows quantitative analysis of Si with an X-ray microanalyzer on the cross section of the sample. The difference (ΔSi) from the value is taken.
[0010]
As shown in this figure, when a Si concentration gradient is formed and ΔSi increases, the residual magnetic flux density decreases monotonously. Further, it can be seen from the figure that ΔSi must be 0.5% or more in order to reduce the residual magnetic flux density by 10% or more. The reason why the residual magnetic flux density decreases when ΔSi is increased has not been completely clarified, but since the lattice constant decreases with the addition of Si, tension is generated in the plate by forming a Si concentration gradient. It is estimated that.
[0011]
Therefore, in the present invention, a Si concentration gradient is formed, and the minimum Si concentration near the center of the plate thickness is required to be 0.5 wt% or more lower than the Si concentration of the surface layer.
In this case, the method for measuring the Si concentration in the plate thickness direction is not particularly limited, but it is preferable to measure with an X-ray microanalyzer.
[0012]
In this way, the Si concentration gradient in the thickness direction of the steel sheet itself is disclosed in JP-A-62-227033 to 227036, JP-A-62-227077, and JP-A-4-246157. It is disclosed. However, these objectives are to interrupt the diffusion process in the middle to shorten the diffusion process time when manufacturing high silicon steel sheet by the siliconization process, resulting in the formation of Si concentration gradient. The idea of positively forming a Si concentration gradient is not included. In these, the time for suspending the diffusion treatment is determined in such a range that the iron loss does not deteriorate. The iron loss is determined by various factors. In order to reduce the iron loss, it is necessary to increase the residual magnetic flux density. In the techniques of the above publications, the concentration of Si is within a range where the residual magnetic flux density does not decrease so much. It can be said that the tolerance value of the gradient is obtained. On the other hand, in the present invention, a Si concentration gradient is positively formed in order to reduce the residual magnetic flux density, and the meaning of the Si concentration gradient is completely different from the techniques of the above publications.
[0013]
The grain-oriented silicon steel sheet that is the subject of the present invention is typically unidirectional, and examples thereof include those having a Goss orientation, but are not limited thereto.
[0014]
The directional silicon steel sheet of the material is preferably 3 wt% or more because formation of Goss orientation and the like becomes difficult when the overall average Si concentration in the plate thickness direction is 3 wt% or less. On the other hand, when the average value Si concentration increases, the surface layer Si also increases accordingly, and the workability deteriorates. From the viewpoint of workability, the surface layer Si concentration is preferably 7.5 wt% or less, and as a result, the average value Si concentration is preferably 7 wt% or less. Therefore, in the present invention, 3 to 7 wt% is specified as a preferable average value concentration of Si, and 7.5 wt% or less is specified as a preferable value of the Si concentration of the surface layer.
In addition, in this invention, elements other than Si are not prescribed | regulated in particular, Other elements are accept | permitted if it is the quantity contained in a normal grain-oriented silicon steel plate.
[0015]
【Example】
Examples of the present invention will be described below.
A directional silicon steel sheet having a Goss orientation with a thickness of 0.23 mm having the composition shown in Table 1 was subjected to a siliconizing / diffusion process in a continuous siliconization processing line to form a Si concentration gradient in the thickness direction. As the siliconization processing line, a heating / siliconizing / diffusion / cooling zone and an insulating film coating apparatus were used. In the siliconization line, after heating up to 1200 ° C, the SiCl ₄ gas reacts with the steel sheet to form Fe ₃ Si on the steel sheet surface, then diffusion soaking and diffusing Si to the center of the sheet to form a Si concentration gradient did. At this time, steel sheets having various Si profiles were manufactured by changing the SiCl ₄ gas concentration and the soaking time. In addition, the amount of components other than Si before and after siliconization of this steel sheet was almost the same.
[0016]
[Table 1]

[0017]
Using the steel plate thus obtained, a single-phase 50 Hz, 1 kVA transformer was produced, and the inrush current was measured under phase control. Table 2 shows values of residual magnetic flux density, magnetic flux density B8, and inrush current ratio. The residual magnetic flux density is a value when magnetized to 1.4 T at 50 Hz. The inrush current is a value when the transformer is magnetized to 1.4T, and was evaluated by a ratio with the rated current. Table 2 shows ΔSi, surface Si concentration, average Si concentration, residual magnetic flux density, magnetic flux density B8, and inrush current ratio.
[0018]
[Table 2]

[0019]
As shown in this table, it was revealed that the residual magnetic flux density is low within the range of the present invention, and therefore, the inrush current characteristics are excellent. From this, it was confirmed that the grain-oriented silicon steel sheet for transformers having a low inrush current can be obtained by the present invention.
In addition, No. 3 was inferior in workability because of a large amount of Si.
[0020]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, there is a Si concentration gradient in the plate thickness direction, the Si concentration of the surface layer is higher than the Si concentration of the center portion of the plate thickness, and the Si concentration of the surface layer and the vicinity of the plate thickness center. Low residual magnetic flux density by setting the difference from the lowest Si concentration to 0.5 wt% or more and the average value of the Si concentration in the whole plate thickness direction to 3 to 7 wt% (excluding 6.2 wt% or more ) Directional silicon steel sheets for transformers can be obtained. Therefore, an inrush current due to biasing can be prevented without increasing the size of the device or increasing the cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a relationship between ΔSi of a steel plate and residual magnetic flux density.

Claims

It has a Si concentration gradient in the plate thickness direction, the Si concentration in the surface layer is higher than the Si concentration in the center of the plate thickness, and the difference between the Si concentration in the surface layer and the lowest Si concentration in the vicinity of the plate thickness center is 0.5 wt%. A transformer-oriented directional silicon steel sheet having a low residual magnetic flux density , wherein the average value of the Si concentration in the whole plate thickness direction is 3 to 7 wt% (excluding 6.2 wt% or more ).

The directional silicon steel sheet for transformers with low residual magnetic flux density according to claim 1, wherein the surface layer has a Si concentration of 7.5 wt% or less.