电工钢:性能、类型、生产和应用

电工钢是一种具有增强电气性能的软磁材料，广泛应用于小型继电器、螺线管、电动机、发电机和许多其他电磁设备。电工钢也被称为硅钢，变压器钢，或层压钢。主要用于电力配电系统和汽车工业[1]。

电工钢是什么?

电工钢是一种铁磁性材料，由含有不同数量的硅(Si)的铁组成，含量从1%到6.5%不等。电工钢的发展是由电气设备带来的，需要钢可以减少热量的耗散，这一问题导致能源浪费。人们发现铁是最经济合理的选择，但它的杂质不是最理想的。结果表明，硅的加入提高了电阻率，改善了磁导率，降低了磁滞损耗。商业上使用最广泛的电工钢含有约3.25%的Si，因为较高的硅含量往往使所得到的材料在冷轧时太脆。含6.5% Si的电工钢的磁性和电学性能得到了最大的改善，但为了克服其脆性和有限的延展性[1][2]，还需要额外的热机械过程。

电工钢的性能

在铁中加入硅可大大改善电工钢的物理性能。电工钢具有以下理想的性能，用于支持电力的产生、分配和消耗:

• 高磁导率-增加支持磁场的能力
• 低磁致伸缩-在磁场中膨胀或收缩的趋势低
• 高电阻率-通过减小涡流分量来减少磁芯损耗
• 减少磁滞损失-低磁滞损失意味着更少的能量浪费在交变磁力[2]的热量形式

电工钢的种类

无定向全加工电工钢

无取向、完全加工的电工钢具有不同的硅含量，Si从0.5%到3.25%不等。它在各个方向上具有均匀的磁性。这种类型的电工钢不需要再结晶过程来发展其性能。低硅合金提供了更好的磁导率和热导率。对于高合金牌号，期望在高频下有更好的性能，损耗非常低。这种类型适用于电机、变压器和电气系统外壳中的磁路。由于完整的退火过程，这种完全加工的类型在冲压性方面提供了困难。在冲孔过程中添加有机涂层以改善润滑[1]。

无取向半加工电工钢

无取向半加工电工钢主要是非硅合金钢，在最终冷轧后进行低温退火。然而，最终用户必须根据钢的预期用途提供最终的应力消除退火。这种电钢类型的冲压性能优于无定向的全加工类型，因此不需要有机涂层。非定向半加工牌号是小型转子、定子和小型电力变压器[3]的优良铁芯材料。

晶粒取向电工钢

晶粒取向电工钢由含硅3%的铁组成，晶粒定向，具有高渗透性和低能量损失。晶粒取向品位具有较强的晶体性能。这种类型经历了再结晶过程，从而增强了晶粒结构，在板材的滚动方向上表现出更好的磁性能。晶粒取向钢主要用于非旋转应用，如变压器[4]。

电工钢生产

电工钢通常是连续铸造或在氧气炉中熔化。然后，当它们经过退火和除垢生产线时，它们被热轧，在那里污垢和水垢从表面去除。然后，它们经过冷还原，根据最终用户的规格降低和校正钢的厚度。随后，通过脱碳退火降低钢中的碳含量，在脱碳退火中，钢卷在氢、氮和水蒸气的混合物中加热。其他污染物，如硫，在这个过程中被去除，以及，导致一个不那么脆的材料。对于晶粒取向型钢，为了达到所需的磁性能和晶粒生长[5]，线圈在1100℃左右进行高温线圈退火(HTCA)。

电工钢的用途是什么?

电工钢具有优越的磁性，在许多电气系统中起着至关重要的作用。以下是[6]电气钢芯的一些应用:

旋转的机器:

• 电动汽车驱动电机
• 封闭的汽车
• 交流(AC)电机
• 间歇使用电动机

静态的机器:

• 电力和配电变压器
• 电抗器和磁放大器
• 焊接变形金刚
• 音频变压器
• 电流互感器
• 磁性开关和继电器
• 电子镇流器

高盛，现代铁磁材料手册，波士顿:施普林格科学与媒体，1999年

[2] T. Ros-Yanez, Y. Houbaert, O. Fischer, J. Schneider，“通过热机械加工生产用于电气应用的高硅钢”材料加工技术杂志《中华人民共和国学报》，2003年12月，vol. 143-144, pp. 916-921。

[3]“电工钢。”TATASTEEL[在线]可用:https://www.tatasteeleurope.com/en/products/engineering/electrical-steel[2019年8月29日访问]

[4] D. Raabe，“电工钢-铁硅变压器钢，”n.d.[在线]。可用:http://www.dierk-raabe.com/electrical-steels-fe-3-si/[2019年8月29日访问]

[5] V. L. Bemmer，“电工钢及其涂层的性能”，博士论文，卡迪夫大学，威尔士，2013。

[6]“电气钢板”，JFE钢铁公司[在线]可用:https://www.jfe-steel.co.jp/en/products/electrical/catalog/f1e-001.pdf[2019年8月29日访问]