大電機用無取向硅鋼的性能要求

導讀： 于大型發電機組制造的高牌號無取向電工鋼即將實現“以產頂進”。 關鍵字： 大電機 硅鋼 性能 要求

    1、前言
隨著武鋼三硅鋼廠的投產，武鋼高牌號無取向電工鋼的產量、質量躍上了一個新的臺階，具備了國產高牌號無取向電工鋼用于大型發電機組制造的條件。為了加快大型發電機組制造使用國產電工鋼片的步伐，國務院三峽辦、中國長江三峽工程開發總公司及國內大型發電機制造廠家等，將共同對武鋼高牌號無取向電工鋼用于大型發電機組的制造進行評審，這標志著用于大型發電機組制造的高牌號無取向電工鋼即將實現“以產頂進”。同時我們也看到太鋼、寶鋼等在高牌號無取向電工鋼生產技術上的成果，振興中華民族工業，發展我國電工鋼事業是我們共同的目標。
2、大電機的基本概念
電機是一種將能量或信號進行變換的電磁裝置。嚴格說來電機可以分為發電機、電動機、變壓器、控制電機等四大類，但我們習慣地把大型發電機和大型交直流可調速電動機統稱為大電機。
大型發電機從能源形式上可分為：水輪發電機、汽輪發電機、核能發電機、風力發電機、燃汽輪發電機，其他還有潮汐能、波浪能發電等。
水輪發電機：一般從轉軸的布置方式上可分為立式和臥式兩種。
汽輪發電機：屬火力發電是利用煤的燃燒能量來進行發電的系統。從容量上可分為200、300、600、1000MW等。
核能發電機：核能發電首先是利用核裂變的能量使水變成高溫、高壓水蒸汽，然后，通過汽輪機和發電機發電。
風力發電是利用風能來進行發電的系統。風電站一般容量都不大，電機的容量則更小。
燃汽輪發電機：是利用燃燒石油、天然氣等的能量來進行發電的系統。潮汐能發電則是利用漲潮和落潮的能量差，即漲潮時閘住水，落潮時發電。
大型交直流可調速電動機：電動機容量在1000千伏安及以上，這類電動機一般有直流調速、交直流變頻調速和交流變頻調速等種類，目前，以交流變頻調速電機容量最大(可達10000千伏安以上)，技術也最先進。
3、我國大型水輪發電設備的制造廠家及高牌號無取向電工鋼的需求
現在的中國是能源生產和消費大國，近年來，中國電力裝機容量迅速增加，中國的發電設備生產企業，已經有能力承擔起大型發電機組的制造。
我國大型發電設備的生產廠家很多，但在產能和技術能力上足以和世界級大公司抗衡的卻只有三家大公司；即東方電機有限公司(東方電氣)、上海電機廠有限公司(上海電氣)、哈爾濱電機廠有限責任公司(哈爾濱電氣集團公司)。
大型火電、核電、燃機的制造，東電、上電和哈電實力相當，都具備制造1000MW機組的能力。大型水電機組，以哈爾濱電機和東方電機為主，均具備生產700MW級巨型水輪發電機組的能力。：此外，由世界最著名的水輪機制造廠VOIT和電機制造廠SIMENS合資的上海希科(VOIT—SIMENS)也具備了生產大型甚至巨型水輪發電機組的實力；天津阿爾斯通、GE亞洲等在水輪發電機制造方面也具備較強的實力。
由于近幾年國內電力建設的快速發展，發電設備市場出現井噴式的行情；各大發電機制造廠家均呈現產銷矛盾，即產能嚴重不足的局面，都有大量的外委和外包。
大型發電機單位容量所需要的電工鋼數量是不等的，火電的主力機組600MW汽輪發電機組，單臺機組實際需用定子沖片的重量為170t，加上損耗實際用量約為220—250t；400MW燃氣輪發電機的每臺定子沖片需求量為140t，300MW汽發機組實際需用定子沖片重量為114t，200MW汽發機組實際需用定子沖片重量為06t，目前最大容量的1000MW—機組需用定子沖片250t，硅鋼片的實際消耗量將達到350t左右。
水輪發電機組容量700MW的三峽機組，單臺機組需用定子硅鋼片的凈重量即達560t，實際需用硅鋼片達700余t。可見，水電機組的硅鋼片用量遠大于同容量的火電機組。
據中國金屬學會電工鋼分會統計未來我國大型發電設備主要生產廠家對高牌號無取向電工鋼年需求量將超過20萬t。
4、大型發電機組制造對高牌號無取向電工鋼的性能質量要求
電工鋼在大型發電機中均.是作為定子鐵芯沖片來使用的，定子鐵芯是電機能量轉換的磁路元件。在電機運行中，鐵芯要受到電磁、熱、機械力和環境等諸多因素的影響，其直接影響著電機的效率及安全性、可靠性。
大型發電機中，硅鋼片的選用是根據設計效率、磁路結構、制造工藝等因素來選用的，基本上都是使用無取向電工鋼，只有設計電磁負荷特別高的1000MW常規火電機組采用了取向電工鋼。
大型發電機組體積巨大，定子的疊壓工藝復雜，不可能進行退火處理，因此，必須選用已經退過火的全工藝型電工鋼。大多數都是使用0.5mm的冷軋無取向電工鋼，只有極少數使用0.35mm冷軋取向電工鋼。
由于現在大型的水火電機組設計效率都非常高，為了保證效率，降低損耗，減輕冷卻系統負荷，提高使用壽命，大型發電機定子必須使用冷軋高牌號電工鋼。
在大型水電機組中，如三峽機組一般選用W270無取向電工鋼，現在新的大型水電項目要求使用W250及以上牌號的無取向電工鋼。
目前國內大型發電機組主要選用進口電工鋼產品，這與有些發電機組用戶在機組訂貨就指定使用進口電工鋼有關，有些甚至指定生產廠家和電工鋼牌號。如德國的M270—50A，新日鐵50H270。
水電機組成材目對于電站建設成本較低，特大型、中型容量機組一般都要求使用進口電工鋼，小型機組可以使用國產電工鋼。
目前，火電機組、1000MW、核電、燃機等均使用進口電工鋼，600MW部分使用進口電工鋼，300MW及以下則基本使用國產電工鋼。還有一部分整體外購的定子，這些使用的肯定是進口電工鋼。
在機組的設計中，只要符合性能要求的電工鋼便可以達到設計效率的要求。多年來，由于國產電工鋼和進口電工鋼相比，性能、板形、厚度差等差一些，國內大型發電機組的制造都抵制使用國產電工鋼。
除磁性能要滿足要求外，大型發電機定子鐵芯的制造工藝包括沖片、去毛刺、涂漆、質量檢查、疊片及裝壓等過程。根據工藝過程的一些特殊要求，對硅鋼片的質量也有相應的要求。具體要求在以下幾方面：
1)、沖片加工
大型發電機組定子鐵芯尺寸大，因此，定子鐵芯的沖片必須設計成扇形，方可對疊壓后鐵芯的形狀及磁路進行保證。由于不同的機組定子鐵芯的直徑大小及設計結構的差異，鐵芯沖片的形狀和大小也有所不同。為了保證沖片的尺寸、形狀、毛刺等工藝要求，硅鋼片不能太軟，應保證相應的屈服和抗拉強度，并要保證批量力學性能的一致性。
2)、涂層
為了盡量減少鐵芯中的渦流損耗，大容量發電機組對鐵芯沖片的絕緣電阻要求較高，現有廠家硅鋼片的原絕緣涂層是達不到的，因此，制造成對沖片要再進行絕緣處理，即增加涂漆工序。因此，要求用于沖片的硅鋼片的表面絕緣涂層，無論是無機的、還是半有機或有機涂層，除了滿足絕緣性能以外，應厚度均勻、附著力強、耐蝕性好，硅鋼片的表面不能有銹蝕、孔洞、焊接縫等。一般說來，對硅鋼片的原始涂層厚度沒有特殊要求。
3)、板型、同板厚度差
大型發電機對定子鐵芯裝壓的要求很高。由于大型發電機的定子鐵芯尺寸很大，多達萬張以上硅鋼片的疊壓厚度，要求硅鋼片的縱向及橫向同板厚度差均要盡可能小。一直以來，同板差偏大是國內大電機制造廠家不愿意使用國產電工鋼的主要原因。
4)、其他要求
目前，發電設備的單機容量越來越大，現常規火電最大單機容量達1300MW，水電已超過700MW，將向1000MW邁進，而核電即將達到1500—1600MW；電機效率也將超過99%。這樣，就需要更低損耗，更高磁感的硅鋼片。在一些大單機容量的水電上，已開始使用W250的硅鋼片，1000MW常規火電甚至使用Q155或Q145。
另外，環境保護的進一步發展，促使電機制造企業在使用材料上進一步提高要求，硅鋼片的涂層需要更加符合環保要求。
結語
應當說，無論是取向還是無取向電工鋼，日本等技術強國相對于中國仍保持著一定的性能質量優勢，這也是目前大型發電機制造仍然大量使用進口電工鋼的主要原因。
現在，以武鋼為首的國內電工鋼生產廠家的產品質量已有很大提高，隨著三硅鋼廠的投產，高牌號無取向電工鋼在性能質量上發生了質的飛躍，大大縮小了與世界先進水平的差距，在不久的將來趕上發達國家水平，完全能滿足大型發電機組制造的要求。