一种卷铁心退火工艺的控制方法及退火效果的测评方法

摘要

本发明公开了一种卷铁心退火工艺的控制方法及退火效果的测评方法。在给定卷铁心的外观尺寸参数及材料热性能的条件下，拟合得到退火工艺曲线；建立退火炉输入电热功率、箱体表面热量耗散与退火炉内部有效电热功率的热平衡方程，在恒定输入功率阶段，实时监测和计算退火炉箱体流失的热量，动态调整输入电热功率，通过热平衡方程，使有效电热功率与退火工艺曲线保持一致。本发明解决了持续保温阶段退火炉内部温度难以直接获取、退火效率难以完全达到预期的问题。本发明还提出了空载损耗理论计算与实验测试结合的双重评估标准，提升了退火效果测评的可靠性。

权利要求

1.一种卷铁心退火工艺的控制方法，其特征在于，包括：

步骤1：拟合得到卷铁心退火工艺曲线，

其中，Qeff为有效电热功率，t为退火时间，Amax为退火炉有效电热功率的峰值，Acon为退火炉有效电热功率的保持值，p为卷铁心铁轭长度，q为卷铁心心柱长度，r为卷铁心圆角半径；

步骤2：当0≤t＜t2，退火炉的输入电热功率Qent设定为卷铁心退火工艺曲线的有效电热功率Qeff；

步骤3：将t2≤t＜t3划分为两个以上时间段T；第一时间段T内，退火炉的输入电热功率Qent设定为卷铁心退火工艺曲线的有效电热功率Qeff；

步骤4：计算当前时间段T内经由退火炉箱体表面流失的电热功率Qdis，其中，Ak为退火炉箱体第k个外表面的面积，Tik为退火炉箱体第k个外表面的测量温度，k＝1,2,...,v；n为时间段T内测量温度的次数，Ts为退火炉外部环境的温度，h为传热系数；

步骤5：下一时间段T内，退火炉的输入电热功率Qent设定为当前时间段T内的Qdis与下一时间段T的有效电热功率Qeff之和，返回步骤4；直到t2≤t＜t3结束；

步骤6：当t3≤t＜t4，退火炉的输入电热功率Qent设定为卷铁心退火工艺曲线的有效电热功率Qeff。

说明书

一种卷铁心退火工艺的控制方法及退火效果的测评方法

技术领域

[0001] 本发明属于电气设备生产工艺与热处理技术领域，具体涉及一种卷铁心退火工艺的控制方法及退火效果的测评方法。

背景技术

[0002] 节能降耗是国家可持续发展战略的核心组成部分。目前轨道交通试点运行的节能型牵引变压器采用了新型的卷铁心结构，这种铁心采用连续渐变的数条超长梯形电工硅钢带卷绕和拼接而成，由于拐角无接缝、卷绕路径在任何区域都严格顺应硅钢片的轧制方向，相比于传统的叠铁心变压器，其空载损耗能够进一步降低。然而，制作卷铁心所采用冷轧晶粒取向硅钢片，在冲剪、切片、卷绕、搬运等工艺过程中会不可避免地出现晶格的偏斜与异位，晶轴方向会不同程度偏离硅钢片轧制方向，产生晶格的畸变应力，硅钢片导磁性能会显著劣化，空载损耗增加。因此，在大型卷铁心的制造过程中，高温退火的热处理是必不可少的工艺环节，它可以去除机械加工过程中出现的应力，从而使硅钢片恢复原本的磁取向特性。要去除大型卷铁心的机械应力需要退火炉内部达到较高的温度(800℃)，同时退火炉空间较大，内部温度分布并不均匀，目前的技术手段难以准确掌握不同时段卷铁心的受热情况。如果退火效果不佳，只能延长退火时间或增加退火次数，不可避免地耗费更多的电能，生产成本升高。此外，目前对卷铁心退火效果的评价指标比较单一，其准确性和可靠性难以保障。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种卷铁心退火工艺的控制方法及退火效果的测评方法。

[0004] 一种卷铁心退火工艺的控制方法，包括：

[0005] 步骤1：拟合得到卷铁心退火工艺曲线，

[0006]

[0007] 其中，Qeff为有效电热功率，t为退火时间，Amax为退火炉有效电热功率的峰值，Acon为退火炉有效电热功率的保持值，p为卷铁心铁轭长度，q为卷铁心心柱长度，r为卷铁心圆角半径；

[0008] 步骤2：当0≤t＜t2，退火炉的输入电热功率Qent设定为卷铁心退火工艺曲线的有效电热功率Qeff；

[0009] 步骤3：将t2≤t＜t3划分为两个以上时间段T；第一时间段T内，退火炉的输入电热功率Qent设定为卷铁心退火工艺曲线的有效电热功率Qeff；

[0010] 步骤4：计算当前时间段T内经由退火炉箱体表面流失的电热功率Qdis，

[0011]

[0012] 其中，Ak为退火炉箱体第k个外表面的面积，Tik为退火炉箱体第k个外表面的测量温度，k＝1,2,...,v；n为时间段T内测量温度的次数，Ts为退火炉外部环境的温度，h为传热系数；

[0013] 步骤5：下一时间段T内，退火炉的输入电热功率Qent设定为当前时间段T内的Qdis与下一时间段T的有效电热功率Qeff之和，返回步骤4；直到t2≤t＜t3结束；步骤6：当t3≤t＜t4，退火炉的输入电热功率Qent设定为卷铁心退火工艺曲线的有效电热功率Qeff。

[0014] 一种卷铁心退火效果的测评方法，包括：

[0015] 步骤1：求取退火质量指数G，

[0016]

[0017] 其中，w是退火效果评价的权重系数，P0f、P0a分别为退火前、退火后的卷铁心在恒定励磁电流I0条件下得到的空载损耗测量值，Pbef和Plat分别为退火前、退火后在恒定励磁电流I0条件下得到的空载损耗理论值，如下：

[0018]

[0019]

[0020] 式中，Bamp是卷铁心磁通密度的幅值，Sj是卷铁心层级j的截面积，lj是卷铁心层级j的卷绕路径长度，j为硅钢片卷绕层级序号，m是硅钢片卷绕的总层级数，f是励磁频率，N是励磁绕组匝数，d是硅钢片厚度，σ是卷铁心材质电导率，ξ1、ξ2分别为退火前、退火后卷铁心材料磁滞常数，μbef、μlat分别为退火前、退火后卷铁心材质有效磁导率；

[0021] 步骤2：比较退火质量指数G与空载损耗评估系数δ，判断卷铁心退火效果。

[0022] 本发明的有益效果在于，实时监测和计算退火炉箱体流失的热量，动态调整输入电热功率，通过热平衡方程，使有效电热功率与退火工艺曲线保持一致，解决了持续保温阶段退火炉内部温度难以直接获取、退火效率难以完全达到预期的问题。本发明还提出了空载损耗理论计算与实验测试结合的双重评估标准，提升了退火效果测评的可靠性。

附图说明

[0023] 图1是卷铁心退火设备的结构示意图。

[0024] 图2是拟合得到的卷铁心退火工艺曲线示意图。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图对本发明的实施流程作进一步的详述。

[0026] 图1为卷铁心退火设备的结构示意图，其中高温退火炉为俯视图，得到长方体密闭空间退火炉的外观尺寸参数，其长度为a，宽度为b，高度为h。采用罩式退火炉，由箱体、电热丝、排气阀等组成。对于冷轧取向硅钢片制作的大型卷铁心，其工艺要求退火炉内部较长时间保持在800℃的温度，常用的温度测量装置处于这种高温环境下无法正常工作，甚至发生损坏。因此，对退火炉箱体外表面的温度变化进行实时监测和记录，以此为条件，计算出退火炉经由箱体散失到外部环境的热量，从而间接反应退火炉内部环境及卷铁心的受热情况。具体方案是：在退火炉外部的上表面和四个侧表面各布置一个PT100测温热电阻，实时记录由退火过程中由退火炉内部通过热传递作用到箱体的温度，并将恒温退火阶段分为多个时间段，每个时间段长度均为T，考虑卷铁心的几何结构与材料热特性，T的数值为10～20分钟较为适宜。在时间段T内采集同等数目的温度数据，然后再求取该时间段内的平均值，将其与环境温度作差，最后根据牛顿传热公式，得到箱体表面流失的热量Qdis的表达式：

[0027]

[0028] 式中，Ak为退火炉箱体第k个外表面的面积，满足A1＝A3＝a×h，A2＝A4＝b×h，A5＝a×b；k为外表面位置参数，它满足k∈{1,2,3,4,5}；Tik为退火炉箱体第k个外表面的测量温度，n为时间段T内测量温度的次数，Ts为退火炉外部的环境温度，h为传热系数，其数值为4.9～5.1。

[0029] 图2为拟合得到的卷铁心退火工艺曲线示意图。退火方案通常用一条热功率和退火时间的关系曲线进行描述，称为退火工艺曲线，其过程大致分为“急速升温—中速降温—长时恒温—自然冷却”几个不同阶段，因此退火曲线呈现出分段函数的特性。不同品牌的电工硅钢片磁性能并不一致，在冲剪、切片、卷绕、搬运等制造过程中出现的晶格畸变与机械应力也有所差异，因此实际退火曲线需要依据对象的不同而进行量身定做。

[0030] 实施卷铁心退火时，

[0031] 步骤1：拟合得到卷铁心退火工艺曲线——即有效电热功率Qeff与退火时间t的动态关系，包括急速增加(0～t1时间阶段)、中速下降(t1～t2时间阶段)、保持恒定(t2～t3时间阶段)和匀速下降(t3～t4时间阶段)等四个阶段，具体描述为如下分段函数：

[0032]

[0033] 其中，Amax为退火炉有效电热功率的峰值，Acon为退火炉有效电热功率的保持值，p为卷铁心铁轭长度，q为卷铁心心柱长度，r为卷铁心圆角半径；

[0034] 步骤2：开启退火炉，进入退火工艺环节。0～t1时间阶段和t1～t2时间阶段，输入电热功率Qent通过电源变阻控制模块实施动态调整，使其与卷铁心退火工艺曲线严格对应；

[0035] 步骤3：t2～t3时间阶段，先分成若干个时间段T。第一个时间段T的退火炉输入电热功率Qent设定为卷铁心退火工艺曲线对应时间段T的有效电热功率Qeff。时间段T之后，计算当前时间段T内经由退火炉箱体表面流失的电热功率Qdis，

[0036]

[0037] 其中，退火炉有v个不同的外表面，具体数值与退火对象的形态有关，

[0038] 在本发明给出的案例中，v的取值为5；

[0039] 步骤4：若t2～t3时间阶段结束，则停止采集退火炉箱体外表面的温度；否则令下一时间段T退火炉输入电热功率Qent为当前时间段T内的Qdis与下一时间段T起始时刻的有效电热功率Qeff之和，返回步骤3重新计算下一个时间段退火炉箱体表面流失的电热功率。

[0040] 步骤5：t3～t4时间阶段输入电热功率Qent的调整与步骤2所述保持一致，该时间阶段结束后，关闭退火炉电源模块，将卷铁心保温4～6小时，再自然冷却到室温，完成退火。

[0041] 制作大型卷铁心所采用的冷轧取向硅钢片，通过轧制工艺重新排列了内部磁畴和晶格，导磁性能更加优越，但这种电工钢片在制作成完整卷铁心，必须经过冲剪、切片、卷绕、搬运等工艺过程，这会不可避免地导致硅钢片晶格的偏斜与异位，产生晶格的畸变应力，硅钢片导磁性能会显著劣化。而高温退火热处理工艺，则是为了消除这种机械应力导致的空载损耗增加。因此，以卷铁心退火前后的空载损耗数值作为退火效果的评价指标是合理的，且为了进一步确保测评的可靠性，采用退火前后卷铁心空载损耗的理论值与实测值的双重指标进行评估。

[0042] 变压器空载运行时，由于励磁需要的空载电流很小，绕组中产生的损耗可以忽略不计，因此空载损耗主要是指铁心的损耗，它又可以分为磁滞损耗和涡流损耗。当变压器铁心进行交变励磁作用时，铁磁材料内部磁畴排列也呈现周期性交替，因而产生磁滞现象，这部分的功率损失称为磁滞损耗。铁心的磁滞损耗与电工钢片的磁化曲线密切相关，但损耗机理较为复杂，建模分析十分繁琐，因此工程上通常采用下式近似计算：

[0043]

[0044] 式中，Ph为卷铁心磁滞损耗，f是励磁频率，Bamp是卷铁心磁通密度的幅值，ξ是卷铁心材料磁滞常数，V是卷铁心的体积，由于卷铁心呈现出宽度分级的特性，并且每个层级的卷绕路径也不尽相同，考虑这种特殊的几何结构后，得出明确的计算式：

[0045]

[0046] 其中，Si是卷铁心不同层级的截面积，li是卷铁心不同层级的卷绕路径长度，j为硅钢片卷绕层级序号，m是硅钢片卷绕的总层级数。

[0047] 当磁通沿着卷绕路径方向流通时，根据法拉第电磁感应定律，在垂直于磁通的卷铁心截面会产生电动势，由于硅钢片本身是电的良导体，因此会出现环形电流，即涡流。根据楞次定律的描述，涡流所产生的磁场将阻碍原磁场的变化，称之为涡流的去磁效应，这部分消耗的能量称为涡流损耗。通过较为严格的麦克斯韦方程解析，可以得到通用的单位体积平均涡流损耗Pce的计算式：

[0048]

[0049] 式中，d为硅钢片厚度，μ为卷铁心材质有效磁导率，σ为卷铁心材质电导率，Hm为卷铁心磁场强度幅值的平均值。但实际上，卷铁心不同层级的磁场强度、磁通密度分布是不均匀的，因此应该用各个层级的磁场强度、或磁通密度作为其各层级涡流损耗公式的边界条件，最后进行损耗求和，得到整个卷铁心的涡流损耗。因此，对单级硅钢片的单位体积平均涡流损耗计算公式进行如下改进：

[0050]

[0051] 式中，Pei为考虑不同层级的磁通不均匀分布后的单位体积平均涡流损耗，Hi描述了不同层级边界磁场强度的幅值，并采用了安培环路定律F＝NI0＝Hi·li对其进行等效替换，其中：F是不同卷绕层级的磁动势，N是励磁绕组匝数，I0为励磁电流。

[0052] 因此，考虑实际几何结构和工艺特点的卷铁心涡流损耗表达式如下：

[0053]

[0054] 以上述内容为基础，定义退火质量指数G判断大型卷铁心退火效果：

[0055]

[0056] w是退火效果评价的权重系数，取值为0.6～0.65，P0f、P0a分别为退火前、退火后的卷铁心在恒定励磁电流I0条件下得到的空载损耗测量值，Pbef和Plat分别为退火前、退火后在恒定励磁电流I0条件下得到的空载损耗理论值，其计算方法如下：

[0057]

[0058]

[0059] 式中，ξ1、ξ2分别为退火前、退火后卷铁心材料磁滞常数，μbef、μlat分别为退火前、退火后卷铁心材质有效磁导率，其中：ξ1、ξ2、μbef、μlat的数值由卷铁心磁化曲线试验确定；

[0060] 若G≥δ则判定退火效果较好，否则需要进行二次退火，其中：δ为空载损耗评估系数，取值为0.05～0.1。