大电机用无取向硅钢的性能要求

导读： 于大型发电机组制造的高牌号无取向电工钢即将实现“以产顶进”。 关键字： 大电机 硅钢 性能 要求

    1、前言
随着武钢三硅钢厂的投产，武钢高牌号无取向电工钢的产量、质量跃上了一个新的台阶，具备了国产高牌号无取向电工钢用于大型发电机组制造的条件。为了加快大型发电机组制造使用国产电工钢片的步伐，国务院三峡办、中国长江三峡工程开发总公司及国内大型发电机制造厂家等，将共同对武钢高牌号无取向电工钢用于大型发电机组的制造进行评审，这标志着用于大型发电机组制造的高牌号无取向电工钢即将实现“以产顶进”。同时我们也看到太钢、宝钢等在高牌号无取向电工钢生产技术上的成果，振兴中华民族工业，发展我国电工钢事业是我们共同的目标。
2、大电机的基本概念
电机是一种将能量或信号进行变换的电磁装置。严格说来电机可以分为发电机、电动机、变压器、控制电机等四大类，但我们习惯地把大型发电机和大型交直流可调速电动机统称为大电机。
大型发电机从能源形式上可分为：水轮发电机、汽轮发电机、核能发电机、风力发电机、燃汽轮发电机，其他还有潮汐能、波浪能发电等。
水轮发电机：一般从转轴的布置方式上可分为立式和卧式两种。
汽轮发电机：属火力发电是利用煤的燃烧能量来进行发电的系统。从容量上可分为200、300、600、1000MW等。
核能发电机：核能发电首先是利用核裂变的能量使水变成高温、高压水蒸汽，然后，通过汽轮机和发电机发电。
风力发电是利用风能来进行发电的系统。风电站一般容量都不大，电机的容量则更小。
燃汽轮发电机：是利用燃烧石油、天然气等的能量来进行发电的系统。潮汐能发电则是利用涨潮和落潮的能量差，即涨潮时闸住水，落潮时发电。
大型交直流可调速电动机：电动机容量在1000千伏安及以上，这类电动机一般有直流调速、交直流变频调速和交流变频调速等种类，目前，以交流变频调速电机容量最大(可达10000千伏安以上)，技术也最先进。
3、我国大型水轮发电设备的制造厂家及高牌号无取向电工钢的需求
现在的中国是能源生产和消费大国，近年来，中国电力装机容量迅速增加，中国的发电设备生产企业，已经有能力承担起大型发电机组的制造。
我国大型发电设备的生产厂家很多，但在产能和技术能力上足以和世界级大公司抗衡的却只有三家大公司；即东方电机有限公司(东方电气)、上海电机厂有限公司(上海电气)、哈尔滨电机厂有限责任公司(哈尔滨电气集团公司)。
大型火电、核电、燃机的制造，东电、上电和哈电实力相当，都具备制造1000MW机组的能力。大型水电机组，以哈尔滨电机和东方电机为主，均具备生产700MW级巨型水轮发电机组的能力。：此外，由世界最著名的水轮机制造厂VOIT和电机制造厂SIMENS合资的上海希科(VOIT—SIMENS)也具备了生产大型甚至巨型水轮发电机组的实力；天津阿尔斯通、GE亚洲等在水轮发电机制造方面也具备较强的实力。
由于近几年国内电力建设的快速发展，发电设备市场出现井喷式的行情；各大发电机制造厂家均呈现产销矛盾，即产能严重不足的局面，都有大量的外委和外包。
大型发电机单位容量所需要的电工钢数量是不等的，火电的主力机组600MW汽轮发电机组，单台机组实际需用定子冲片的重量为170t，加上损耗实际用量约为220—250t；400MW燃气轮发电机的每台定子冲片需求量为140t，300MW汽发机组实际需用定子冲片重量为114t，200MW汽发机组实际需用定子冲片重量为06t，目前最大容量的1000MW—机组需用定子冲片250t，硅钢片的实际消耗量将达到350t左右。
水轮发电机组容量700MW的三峡机组，单台机组需用定子硅钢片的净重量即达560t，实际需用硅钢片达700余t。可见，水电机组的硅钢片用量远大于同容量的火电机组。
据中国金属学会电工钢分会统计未来我国大型发电设备主要生产厂家对高牌号无取向电工钢年需求量将超过20万t。
4、大型发电机组制造对高牌号无取向电工钢的性能质量要求
电工钢在大型发电机中均.是作为定子铁芯冲片来使用的，定子铁芯是电机能量转换的磁路元件。在电机运行中，铁芯要受到电磁、热、机械力和环境等诸多因素的影响，其直接影响着电机的效率及安全性、可靠性。
大型发电机中，硅钢片的选用是根据设计效率、磁路结构、制造工艺等因素来选用的，基本上都是使用无取向电工钢，只有设计电磁负荷特别高的1000MW常规火电机组采用了取向电工钢。
大型发电机组体积巨大，定子的叠压工艺复杂，不可能进行退火处理，因此，必须选用已经退过火的全工艺型电工钢。大多数都是使用0.5mm的冷轧无取向电工钢，只有极少数使用0.35mm冷轧取向电工钢。
由于现在大型的水火电机组设计效率都非常高，为了保证效率，降低损耗，减轻冷却系统负荷，提高使用寿命，大型发电机定子必须使用冷轧高牌号电工钢。
在大型水电机组中，如三峡机组一般选用W270无取向电工钢，现在新的大型水电项目要求使用W250及以上牌号的无取向电工钢。
目前国内大型发电机组主要选用进口电工钢产品，这与有些发电机组用户在机组订货就指定使用进口电工钢有关，有些甚至指定生产厂家和电工钢牌号。如德国的M270—50A，新日铁50H270。
水电机组成材目对于电站建设成本较低，特大型、中型容量机组一般都要求使用进口电工钢，小型机组可以使用国产电工钢。
目前，火电机组、1000MW、核电、燃机等均使用进口电工钢，600MW部分使用进口电工钢，300MW及以下则基本使用国产电工钢。还有一部分整体外购的定子，这些使用的肯定是进口电工钢。
在机组的设计中，只要符合性能要求的电工钢便可以达到设计效率的要求。多年来，由于国产电工钢和进口电工钢相比，性能、板形、厚度差等差一些，国内大型发电机组的制造都抵制使用国产电工钢。
除磁性能要满足要求外，大型发电机定子铁芯的制造工艺包括冲片、去毛刺、涂漆、质量检查、叠片及装压等过程。根据工艺过程的一些特殊要求，对硅钢片的质量也有相应的要求。具体要求在以下几方面：
1)、冲片加工
大型发电机组定子铁芯尺寸大，因此，定子铁芯的冲片必须设计成扇形，方可对叠压后铁芯的形状及磁路进行保证。由于不同的机组定子铁芯的直径大小及设计结构的差异，铁芯冲片的形状和大小也有所不同。为了保证冲片的尺寸、形状、毛刺等工艺要求，硅钢片不能太软，应保证相应的屈服和抗拉强度，并要保证批量力学性能的一致性。
2)、涂层
为了尽量减少铁芯中的涡流损耗，大容量发电机组对铁芯冲片的绝缘电阻要求较高，现有厂家硅钢片的原绝缘涂层是达不到的，因此，制造成对冲片要再进行绝缘处理，即增加涂漆工序。因此，要求用于冲片的硅钢片的表面绝缘涂层，无论是无机的、还是半有机或有机涂层，除了满足绝缘性能以外，应厚度均匀、附着力强、耐蚀性好，硅钢片的表面不能有锈蚀、孔洞、焊接缝等。一般说来，对硅钢片的原始涂层厚度没有特殊要求。
3)、板型、同板厚度差
大型发电机对定子铁芯装压的要求很高。由于大型发电机的定子铁芯尺寸很大，多达万张以上硅钢片的叠压厚度，要求硅钢片的纵向及横向同板厚度差均要尽可能小。一直以来，同板差偏大是国内大电机制造厂家不愿意使用国产电工钢的主要原因。
4)、其他要求
目前，发电设备的单机容量越来越大，现常规火电最大单机容量达1300MW，水电已超过700MW，将向1000MW迈进，而核电即将达到1500—1600MW；电机效率也将超过99%。这样，就需要更低损耗，更高磁感的硅钢片。在一些大单机容量的水电上，已开始使用W250的硅钢片，1000MW常规火电甚至使用Q155或Q145。
另外，环境保护的进一步发展，促使电机制造企业在使用材料上进一步提高要求，硅钢片的涂层需要更加符合环保要求。
结语
应当说，无论是取向还是无取向电工钢，日本等技术强国相对于中国仍保持着一定的性能质量优势，这也是目前大型发电机制造仍然大量使用进口电工钢的主要原因。
现在，以武钢为首的国内电工钢生产厂家的产品质量已有很大提高，随着三硅钢厂的投产，高牌号无取向电工钢在性能质量上发生了质的飞跃，大大缩小了与世界先进水平的差距，在不久的将来赶上发达国家水平，完全能满足大型发电机组制造的要求。