水溶性硅鋼片漆應用研究

何海洋，漆臨生，梁智明，胡 波

(東方電機有限公司，四川德陽 618000)

0 引言

定子鐵心硅鋼片絕緣能夠有效減少鐵心渦流損耗，降低溫升，提高電機效率，增強電機的抗腐蝕、耐油和防銹性能。定子鐵心硅鋼片表面絕緣處理要求絕緣層應具有良好的介電性能、耐油性、防潮性、附著力強以及足夠的機械強度和硬度，要求絕緣層在滿足性能的前提下盡量薄，以提高鐵心的疊壓系數(shù)，增加鐵心的有效長度。

1 硅鋼片漆應用現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)、外應用的硅鋼片漆主要有純有機硅鋼片漆、含有填料的有機溶劑型硅鋼片漆、水溶性硅鋼片漆以及純無機硅鋼片漆。因水溶性硅鋼片漆的電氣絕緣性能優(yōu)異和環(huán)保而在國外得到廣泛應用，由于國內(nèi)對水溶性硅鋼片漆研究較晚，目前普遍應用的是含有填料的有機溶劑型硅鋼片漆。有機溶劑型硅鋼片漆雖能滿足一般發(fā)電機定子鐵心絕緣要求，但大量的有機溶劑在涂漆過程中揮發(fā)，在日益強調環(huán)境保護的未來，應用前景受到一定的限制。

由于核電生產(chǎn)需要，我公司開始水溶性硅鋼片漆應用技術研究，并在隨后的1 000 MW級和1 750 MW級多臺核電定子硅鋼片上成功應用，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

2 水溶性硅鋼片漆概況

我公司使用的水溶性硅鋼片漆系國外產(chǎn)品，由水溶性有機樹脂、無機填料、水和助劑組成，不含易揮發(fā)性溶劑，無明顯的環(huán)境污染，可直接用水作溶劑稀釋，是環(huán)保型硅鋼片漆，既可滿足大型發(fā)電機的鐵心絕緣，還可作為鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)硅鋼片的C-6涂層應用。

水溶性硅鋼片漆與有機溶劑型硅鋼片漆的主要技術指標對比見表1。

表1 硅鋼片漆技術指標

3 應用工藝

3.1 涂漆機頭

水溶性硅鋼片漆無機填料含量較高，采用橡膠輥輥涂才能保證漆膜質量。要求橡膠輥表面平整光滑，橢圓度低，硬度適中。為此我公司采用了四輥涂漆機頭，兩個橡膠涂漆輥，另外兩個導漆輥控制涂漆輥的上漆量。涂漆系統(tǒng)配備輸漆、攪拌、循環(huán)、粘度監(jiān)控等，硅鋼片經(jīng)過涂漆機頭涂漆并傳送至烘爐烘焙固化，冷卻后完成整個涂漆過程。

3.2 漆粘度控制

粘度是水溶性硅鋼片漆使用過程中最重要的工藝指標，它關系到成膜質量、厚度及其性能，可以通過添加水或添加新漆調整漆的粘度在合適的范圍。

水溶性硅鋼片漆粘度(4 mm，DIN 53211，20℃)與添加水量的關系如圖1所示。

圖1 漆粘度與添加水量關系

溫度對水溶性硅鋼片漆粘度有較大影響，其影響如圖2所示。

圖2 漆粘度與溫度關系

3.3 漆膜固化

水溶性硅鋼片漆在升溫過程中漆膜固化與溫度和時間的關系如圖3所示。

圖3 漆膜固化與溫度和時間的關系

水溶性硅鋼片漆漆膜在250℃，35 s左右固化，實際生產(chǎn)過程中，烘爐溫度設定為260℃，傳送鏈條的運行速度設定為10～20 m/min，可以保證漆膜的固化效果較好。

4 硅鋼片涂漆過程環(huán)保、節(jié)能、安全

傳統(tǒng)有機溶劑型硅鋼片漆有機溶劑含量高達70%，有機溶劑(主要成分有:二甲苯、丁醇等)在涂漆生產(chǎn)過程中直接揮發(fā)或者經(jīng)燃燒后排放到空氣中。水溶性硅鋼片漆固體含量達到70% ～75%，水含量25% ～27%，有機助劑和溶劑含量不到3%，涂漆生產(chǎn)過程中揮發(fā)份絕大部分為水蒸汽，有機溶劑極其微量，對環(huán)境和操作者的健康影響較小。

硅鋼片涂有機溶劑型硅鋼片漆時需要涂2遍，水溶性硅鋼片漆只需涂1遍;有機溶劑型硅鋼片漆為300℃，水溶性硅鋼片漆烘焙溫度為260℃。水溶性硅鋼片漆涂漆生產(chǎn)能提高生產(chǎn)場地利用率，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約大量能源，有利于國家節(jié)能減排政策實施。

有機溶劑型硅鋼片漆含有大量的有機溶劑，有機溶劑為易燃品，在包裝、運輸、儲存以及使用過程中都有嚴格的限制;水溶性硅鋼片漆有機助劑和溶劑較少，原漆為不易燃品，在包裝、運輸、儲存以及使用過程中的安全性能大大提高。

5 涂水溶性硅鋼片漆后性能

硅鋼片涂水溶性硅鋼片漆后色澤均勻、漆膜覆蓋完整、固化良好，漆膜厚度滿足設計要求，無雜質和邊緣增厚現(xiàn)象，絕緣性能優(yōu)異。

涂水溶性硅鋼片漆后絕緣涂層典型性能如表2所示。

表2 涂水溶性硅鋼片漆后的絕緣涂層性能

水溶性硅鋼片漆除滿足以上性能要求外，還在以下方面具有優(yōu)勢:

5.1 片間絕緣電阻

將抽取的兩張涂漆完成硅鋼片重疊(毛刺面向下)置于液壓機臺板上，兩個測量電極分別夾在露出刺破表面漆膜硅鋼片處，連接電源和歐姆表，施加壓強1.5 MPa，直流電壓為6 V，讀取穩(wěn)定電阻值。采用同樣面積的核電硅鋼片涂水溶性硅鋼片漆和常規(guī)汽發(fā)硅鋼片涂有機溶劑型硅鋼片漆對比試驗，電阻測試最大量程為1 MΩ，測試結果如表3所示。

表3 片間絕緣電阻

從表3測試結果看，兩種硅鋼片漆均能滿足片間絕緣電阻要求，但涂有機溶劑型硅鋼片漆試樣片間絕緣電阻具有一定的分散性，而涂水溶性硅鋼片漆試樣片間絕緣電阻更加穩(wěn)定。

5.2 硅鋼片絕緣涂層導熱系數(shù)

1)將去掉絕緣預涂層的硅鋼片裁剪成25.4 mm×25.4 mm的小片，打磨邊緣毛刺。將多片硅鋼片重疊，片間涂導熱膏以消除疊片之間的接觸熱阻，測試不含絕緣預涂層的硅鋼片重疊后總厚度和總熱阻。

2)將按1)制作的無絕緣涂層的硅鋼片分別涂水溶性硅鋼片漆和常規(guī)有機溶劑型硅鋼片漆，漆膜固化后，重疊同樣數(shù)量的硅鋼片，測試涂漆后的硅鋼片重疊后總厚度和總熱阻。

3)試驗結果

試驗溫度為 50，80，105，130℃和 155℃，求得涂漆前后硅鋼片總厚度和總熱阻差值，分別計算涂水溶性硅鋼片漆和傳統(tǒng)有機溶劑型硅鋼片漆的漆膜在各個溫度下的導熱系數(shù)，測試結果如圖4所示。

圖4 兩種硅鋼片漆膜在不同溫度下的導熱系數(shù)測試結果

從圖4明顯看出，涂水溶性硅鋼片漆比涂有機溶劑型硅鋼片漆的漆膜在 50，80，105，130℃ 和155℃下的導熱系數(shù)均大，更有利于定子鐵心疊片后電機運行時的散熱，降低電機溫升，提高電機運行效率和可靠性。

5.3 涂漆后硅鋼片熱壓收縮性

采用同樣硅鋼片基材，分別涂水溶性硅鋼片漆和有機溶劑型硅鋼片漆，將涂好漆的硅鋼片裁剪成100 mm×100 mm，每個試樣組200片(高度約100 mm)，沖片裁剪后去除毛刺。

將疊裝整齊的200片硅鋼片放入自制夾具中，施加40 kN的力，測量硅鋼片總高度。將試樣放入(150±2)℃烘箱中烘焙，每隔24 h取出，晾至室溫后測試硅鋼片總高度，測試時確保硅鋼片壓力始終為40 kN，采取兩種試樣對比進行試驗。測試結果如圖5所示。

圖5 涂漆后硅鋼片熱壓收縮率與時間關系

在40 kN壓力下，經(jīng)288 h熱處理，涂有機溶劑型硅鋼片漆的試樣熱壓收縮率最大為1%，涂水溶性硅鋼片漆的試樣熱壓收縮率最大僅為0.3%，分析原因為水溶性硅鋼片漆中無機填料的含量更高，而無機填料的機械強度和耐熱穩(wěn)定性比有機物高得多，這使得涂水溶性硅鋼片漆的試樣在熱態(tài)、受壓狀態(tài)下更加穩(wěn)定，更有利于大型發(fā)電機定子鐵心壓緊后在熱態(tài)時的長期穩(wěn)定運行。

5.4 試樣燒損后泄漏電流測試

將分別涂有水溶性硅鋼片漆和有機溶劑型硅鋼片漆的100 mm×100 mm試樣放入(500±5)℃馬弗爐中灼燒2 h，晾至室溫后觀察試樣表面狀態(tài)。涂水溶性硅鋼片漆的試樣灼燒后表面均勻、完整地附著了一層無機填料，而有機溶劑型硅鋼片漆試樣表面灼燒后由于無機填料含量較少，無機填料零星附著在硅鋼片上，部分沒有絕緣涂層的硅鋼片暴露在外。使用Franklin法測試燒蝕后兩個試樣在(150±5)℃，3 MPa，0.5 V條件下的泄漏電流，涂水溶性硅鋼片漆試樣的泄漏電流為0 mA;涂有機溶劑型硅鋼片漆試樣的泄漏電流為95 mA［1］。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，兩種硅鋼片漆試樣燒損試驗后均能滿足泄漏電流≤130 mA的要求，但涂水溶性硅鋼片漆試樣燒損后幾乎沒有泄漏電流，絕緣性能更好。涂水溶性硅鋼片漆試樣燒損后表面均勻、完整地覆蓋了一層無機填料，即使鐵心長期受熱或者局部過熱后，無機填料的存在也能使硅鋼片間保持一定的絕緣性能，避免鐵心出現(xiàn)片間短路形成渦流損耗以及由于有機漆膜的破壞而導致鐵心松動的現(xiàn)象，保證發(fā)電機定子鐵心長期、穩(wěn)定的運行。

6 結語

1)水溶性硅鋼片漆具有良好的貯存穩(wěn)定性，涂漆工藝性能優(yōu)異，漆膜固化好，覆蓋完整，無邊緣效應，絕緣厚度、附著性、彈性、絕緣電阻、電氣強度、疊壓系數(shù)、耐腐蝕等技術指標均滿足使用要求。

2)涂水溶性硅鋼片漆的硅鋼片片間絕緣電阻更加穩(wěn)定，熱壓收縮率更小，耐高溫、熱態(tài)機械強度更高，燒損試驗后泄漏電流更小、更穩(wěn)定，漆膜導熱系數(shù)更高。

3)綜合考慮涂漆次數(shù)、漆用量、人力和物力成本、生產(chǎn)效率、能源消耗以及環(huán)保成本等，水溶性硅鋼片漆具有一定的經(jīng)濟優(yōu)勢。

4)水溶性硅鋼片漆為非可燃材料，在運輸、儲存和使用過程中的安全性得到極大提升。

5)在整個水溶性硅鋼片漆涂漆生產(chǎn)中，其產(chǎn)生的有毒有害有機溶劑非常微量，對生態(tài)環(huán)境和職工健康影響較小，產(chǎn)生了較好的社會效益。隨著國家越來越重視環(huán)境和職工健康保護問題，水溶性硅鋼片漆在大型發(fā)電機生產(chǎn)過程中的應用也會越來越受到重視，應用前景廣闊。

6)目前我公司水溶性硅鋼片漆已經(jīng)成功應用于1000 MW級和世界上單機容量最大的1 750 MW級核能發(fā)電機等共計10余臺發(fā)電機定子鐵心上，其中1 000 MW級的嶺澳3號和4號核能發(fā)電機已經(jīng)成功商業(yè)運行。

［1］劉洪斌，梁智明.133C半無機硅鋼片漆的研制與應用.電器工業(yè).材料專輯［J］.2002，(12):9-10.