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非晶合金變壓器退火爐

非晶合金材料具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、矯頑力小、損耗低的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)用于電力變壓器中，其高效、節(jié)能、環(huán)保的效果已經(jīng)被電力行業(yè)所認(rèn)可。但在2009年前，我國整個(gè)行業(yè)市場(chǎng)上非晶合金變壓器用的非晶合金帶材，幾乎全部是日本的日立金屬公司所生產(chǎn)。2010年，我國安泰科技公司具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的萬噸級(jí)非晶合金帶材生產(chǎn)線建設(shè)投產(chǎn)，成為世界上第2家具有萬噸級(jí)非晶合金帶材生產(chǎn)能力的制造企業(yè)，徹底打破了非晶原材料依賴進(jìn)口的被動(dòng)局面，加快了我國電力行業(yè)低碳經(jīng)濟(jì)、綠色經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和建設(shè)。熱處理退火工藝是非晶合金鐵心整個(gè)制作過程中最關(guān)鍵也是最難控制的工序，涉及的工藝要素也最多，包括退火溫度點(diǎn)、升溫速度、降溫速度、保溫時(shí)間、氣氛保護(hù)、直流磁場(chǎng)大小、退火爐的爐況要求等。

此種磁性材料是很特殊的，是變壓器鐵心的一種材料，大家都知道變壓器的鐵心目前是以取向硅鋼為主，我們知道取向硅鋼為晶體材料的。非晶合金帶材的特點(diǎn)是：帶材非常薄，硬度大，機(jī)械加工控制難度大，且相關(guān)材料特性的離散性大。非晶合金鐵心的片間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、使用條件設(shè)計(jì)、質(zhì)量計(jì)算，都跟非晶合金帶材的厚度、疊片系數(shù)、平整度、硼含量有著密切的關(guān)系。鐵心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理與否，不僅影響到生產(chǎn)制造技術(shù)，而且也影響到批量生產(chǎn)的效率、鐵心的質(zhì)量穩(wěn)定性等問題。因此，合理、優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是開發(fā)和推廣國產(chǎn)化非晶合金帶材鐵心的重要前提

熱處理退火溫度

日立金屬公司非晶合金帶材2605SA1的硼元素含量在2．4％以下，鐵心最佳的最高常規(guī)熱處理退火溫度控制范圍在340～355℃，甚至可以更寬些。國產(chǎn)非晶合金帶材1K101一A1的硼含量在2．4％～2．5％，1K10卜A2的硼含量在2．5％～2．6％，因此，鐵心的熱處理退火溫度適宜在370～380℃之間。由于非晶合金帶材經(jīng)熱處理退火后呈脆性，退火溫度越高，材料脆性越強(qiáng)，因此，熱處理后的鐵心，在搬運(yùn)、吊裝、儲(chǔ)存、運(yùn)輸，以及變壓器裝配過程中容易形成碎片。如碎片控制不合理，這對(duì)變壓器運(yùn)行是非常危險(xiǎn)的。因此，適宜的鐵心退火溫度，不僅要保證消除鐵心的內(nèi)在應(yīng)力，恢復(fù)其磁特性，而且要能夠盡量降低非晶合金帶材的脆性，減少在鐵心后續(xù)操作中形成碎片的風(fēng)險(xiǎn)。試驗(yàn)表明：國產(chǎn)非晶合金帶材鐵心最終的退火溫度控制在375～380℃為最佳。

①保溫時(shí)間

鐵心到達(dá)最佳退火溫度后，必要的保溫時(shí)間，對(duì)于調(diào)整鐵心磁性能，尤其是降低鐵心的激磁功率起關(guān)鍵作用。非晶合金鐵心的熱處理退火溫度、退火保溫時(shí)間和鐵心最終性能(單位空載損耗和單位激磁功率水平)的關(guān)系如圖1所示。單位空載損耗和單位激磁功率是鐵心的2個(gè)主要性能指標(biāo)。單位空載損耗大小，決定著非晶變壓器最終的空載損耗是否能符合變壓器的空載損耗標(biāo)準(zhǔn)；而單位激磁功率的大小，會(huì)影響非晶合金變壓器運(yùn)行時(shí)的噪聲水平。以目前對(duì)非晶合金鐵心熱處理退火工藝的研究，在整個(gè)退火過程中，經(jīng)過最佳退火溫度后，鐵心的單位空載損耗隨著退火溫度的提高和退火時(shí)間的延長而增大，但單位激磁功率仍隨著退火溫度的提高和退火時(shí)間的延長而降低。而且，鐵心帶材的脆性，也是隨著退火時(shí)間的增加、退火溫度的提高而增大。因此，鐵心制造者必須根據(jù)用戶對(duì)鐵心性能的要求，選擇最佳的退火溫度和最適宜的保溫時(shí)間。

②氣氛保護(hù)

非晶合金帶材是鐵基的合金材料，鐵的成分占了90％以上，因此，鐵心在高溫?zé)崽幚硗嘶饡r(shí)很容易受溫度和濕度的影響而被氧化。鐵心表面被氧化后，除了表面有銹跡，更主要的是表面氧化層會(huì)導(dǎo)致鐵心的空載損耗明顯增大。因此，鐵心在整個(gè)熱處理退火過程中必須采用氣氛保護(hù)，減少和防止鐵心表面被氧化。與日立金屬公司的非晶合金帶材相比，根據(jù)現(xiàn)有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，國產(chǎn)非晶合金帶材被氧化的程度更明顯。因此，國產(chǎn)非晶合金帶材鐵心在熱處理時(shí)更需加強(qiáng)氣氛保護(hù)。目前常用的工藝保護(hù)氣體為氮?dú)饣驓鍤?，保護(hù)氣的純度可根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境、濕度情況等選擇。

③升溫和降溫速度

非晶合金鐵心的升溫速度和降溫速度，對(duì)鐵心性能也有著重要影響。由于鐵心在批量生產(chǎn)時(shí)都是多個(gè)裝載、批次性熱處理，所以，合理的升溫和降溫速度，不僅影響非晶合金鐵心的性能結(jié)果，而且也影響到生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本。升溫速度的快慢，會(huì)影響同爐次非晶合金鐵心的溫度離散性，也會(huì)影響到鐵心性能的離散性，升溫速度越快，離散性越大。對(duì)比國產(chǎn)和進(jìn)口非晶合金帶材鐵心在升溫過程中的情況，進(jìn)口非晶合金帶材鐵心在低溫段的溫度離散性較小，但到達(dá)高溫區(qū)時(shí)會(huì)增大；而國產(chǎn)非晶合金帶材鐵心在到達(dá)高溫區(qū)并接近最佳退火溫度點(diǎn)時(shí)的溫度離散性更小，幾乎可以控制在3℃之內(nèi)。因此，在升溫階段，國產(chǎn)非晶合金帶材鐵心可以直接進(jìn)行快速升溫，而進(jìn)口非晶合金帶材鐵心需要采用消除溫差的工藝。降溫速度的快慢，也直接影響鐵心的內(nèi)在性能。試驗(yàn)證明：降溫速度快，對(duì)于降低鐵心的空載損耗是有益的，但同時(shí)會(huì)增大鐵心的激磁功率。因此，國產(chǎn)非晶合金帶材鐵心的最佳降溫速度，需根據(jù)熱處理設(shè)備的特點(diǎn)、鐵心最終所要達(dá)到的性能指標(biāo)來選擇，這需要一定的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來支持，對(duì)于不同的鐵心制造者來說，這不會(huì)是唯一的。

④直流磁場(chǎng)

成型后的非晶合金鐵心，在退火時(shí)需附加直流磁場(chǎng)來改善其磁特性。其原理是：將非晶合金鐵心沿帶材長度方向放在磁場(chǎng)中，引起非晶合金帶材單軸各向異性的磁疇排列，以此獲得良好的磁疇取向。場(chǎng)強(qiáng)的大小，是改善非晶合金鐵心磁特性的關(guān)鍵。當(dāng)采用的場(chǎng)強(qiáng)大于非晶合金鐵心材料磁性能的最小飽和值時(shí)，該磁場(chǎng)不會(huì)對(duì)鐵心最終的磁特性產(chǎn)生有益或有害影響。因此，鐵心退火時(shí)常用的場(chǎng)強(qiáng)與非晶合金材料磁性能的飽和值保持一致或略大即可。由于成分、電磁特性等不同，國產(chǎn)與進(jìn)口非晶合金帶材鐵心退火時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)有明顯差異。試驗(yàn)表明：進(jìn)口非晶合金帶材鐵心退火時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)為800A／m，或磁場(chǎng)電流大小在500～800A，可保證退火時(shí)鐵心材料飽和；而國產(chǎn)非晶合金帶材鐵心退火時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)需2000A／m左右，或磁場(chǎng)電流大小在1400A時(shí)可保證退火時(shí)鐵心材料飽和，才能達(dá)到最佳的退火效果。