有人最近問了這樣一個問題，SPHC能當(dāng)磁極磁軛鋼使用嗎？要回答這個問題，我們首先需要了解一下水電用磁極磁軛鋼的相關(guān)要求有哪些。

磁軛、磁極是水輪發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件，大型水輪發(fā)電機(jī)的磁軛和磁極常常采用鋼板沖片疊裝而成，其磁軛、磁極沖片的重量約占水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子總重量的50～65%.

合理的選擇磁軛和磁極沖片材料和制造工藝，對于確保水輪發(fā)電機(jī)的安裝質(zhì)量和運(yùn)行性能，以及有效控制水輪發(fā)電機(jī)制造成本，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在大型水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子磁軛是最核心的部件之一，其主要作用是產(chǎn)生轉(zhuǎn)動慣量和掛裝磁極，同時也是磁路的一部分。大型水電工程中水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁軛鋼要求具有高強(qiáng)度、高韌性、高精度以及高磁感性能。

（1）高強(qiáng)度：隨著水電站裝機(jī)容量不斷提升，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑和轉(zhuǎn)速也隨之增大，磁極、磁軛要承受巨大的離心力和電磁力(在最大飛逸轉(zhuǎn)速時，磁極、磁軛的線速度可以高達(dá)130～170m/s，磁極、磁軛在磁軛斷面上產(chǎn)生的平均拉應(yīng)力，應(yīng)不大于材料屈服點(diǎn)的74%)，所以現(xiàn)代水輪發(fā)電機(jī)選用的磁軛鋼板屈服強(qiáng)度達(dá)300～750MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)400～1000MPa。

（2）高韌性：由于磁軛鋼厚度?。ā?mm），通常不要求沖擊韌性。但為支撐大型轉(zhuǎn)子長期穩(wěn)定運(yùn)行以及在寒冷地區(qū)的服役，新增了低溫沖擊韌性要求，如某大型水電站項(xiàng)目中要求磁軛鋼縱、橫向-20℃下KV2分別不小于60J和40J。

（3）高尺寸精度：磁軛是由數(shù)千片甚至上萬片磁軛片疊片而成，微小尺寸偏差的累積會導(dǎo)致重量不均和疊片縫隙，影響轉(zhuǎn)子平穩(wěn)運(yùn)行。因此，磁軛(極)鋼板應(yīng)表面光滑、平整、厚度均勻，以保證能獲得高的轉(zhuǎn)子磁軛(極)疊壓系數(shù)和小的波浪度。疊壓系數(shù)是衡量鐵芯實(shí)際緊密程度的尺度(一般要求不小于0.98)，疊壓系數(shù)高鐵芯緊密程度就高，允許通過的磁通密度就愈多。

（4）優(yōu)良的不平度及低內(nèi)應(yīng)力：若原始鋼板存在翹曲，或由于內(nèi)應(yīng)力高發(fā)生切割變形，導(dǎo)致拉緊螺栓孔之間和孔對外緣輪廓線的公差發(fā)生變化，嚴(yán)重影響磁軛的疊裝質(zhì)量，甚至廢片。因此，大型水電工程均對磁軛鋼的板形質(zhì)量和內(nèi)應(yīng)力提出了極為嚴(yán)苛的要求，如某大型水電站項(xiàng)目中要求磁軛鋼激光切割前、后鋼板不平度均≤1mm/m。

（5）高的疊裝精度：疊裝精度直接影響機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行。若疊裝精度不高，嚴(yán)重時將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子失圓碰撞定子等特大事故。尤其是大型水電工程，對疊裝精度的要求更為嚴(yán)格，如某大型水電站項(xiàng)目中要求不允許添加補(bǔ)償片。

（6）高磁感：磁軛、磁極是發(fā)電機(jī)磁路的一部分，為減少磁損耗，要求磁軛鋼具有高磁感性能，電機(jī)設(shè)計(jì)一般要求磁路材料最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm不小于1.50T，這與冷軋無取向硅鋼片的磁感應(yīng)強(qiáng)度保證值B50相當(dāng)。大型水電項(xiàng)目還要求具有優(yōu)良的高場磁感性能，如某大型水電站項(xiàng)目中要求，磁軛鋼B50≥1.58T、B100≥1.73T、B200≥1.90T以及B300≥1.93T。

在1950年代以前，水電機(jī)組的磁軛和磁極一般采用普通碳素鋼鋼板制造；

1960年代以后，逐步采用普通低合金鋼制造，如屈服強(qiáng)度≥345MPa的16Mn(St-52)。

到了1970～1980年代以后，隨著大型水電機(jī)組對磁軛強(qiáng)度要求的提高，低合金高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)磁軛鋼板得到大量使用。

一些大型水電機(jī)組的磁軛鋼板的屈服強(qiáng)度已經(jīng)用到650～750MPa，如此之高的屈服強(qiáng)度和比過去更厚的磁軛板(3～6mm)，要通過調(diào)質(zhì)(淬火＋回火)處理才能達(dá)到其綜合機(jī)械性能指標(biāo)，而調(diào)質(zhì)處理過程的溫度差造成磁軛鋼板內(nèi)部高的殘余應(yīng)力，勢必導(dǎo)致磁軛鋼板幾何尺寸的不穩(wěn)定(如鋼板的翹曲變形)，磁軛鋼板幾何尺寸的變化又會對磁軛的制造精度產(chǎn)生不利影響。

磁極磁軛材料磁感應(yīng)強(qiáng)度高，磁路上的損耗就少，可以用比較小的勵磁功率獲得比較高的磁通密度，現(xiàn)代水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)過程中，已經(jīng)把磁軛(極)鋼板看成具有特定機(jī)械性能和特定磁導(dǎo)性能的功能性材料。

由于鐵素體組織具有高的磁通密度，通過降低C-Mn系列鋼中C的含量來獲得鐵素體組織，加入Mn元素來強(qiáng)化鐵素體，隨Mn含量不同而形成不同的強(qiáng)度級別，再加入微量元素V、Ti、Nb、及AI形成析出相，這是世界各大鋼鐵公司均不對外公布大型水輪發(fā)電機(jī)磁軛(極)板的化學(xué)成分、磁軛(極)板材生產(chǎn)工藝也高度保密的原因之一。

大型水輪發(fā)電機(jī)組磁軛平均拉應(yīng)力一般在150～500MPa之間，磁軛沖片的徑向?qū)挾仁歉鶕?jù)磁軛承受的機(jī)械應(yīng)力和發(fā)電機(jī)慣性時間常數(shù)(GD2)要求確定的，增加了徑向?qū)挾瓤梢越档痛跑椑瓚?yīng)力，但當(dāng)磁軛寬度超過800mm時，磁極離心力在磁軛總應(yīng)力所占比例已經(jīng)不大，而磁軛徑向?qū)挾鹊募訉拰?dǎo)致的重量增加也增大了離心力，所以設(shè)計(jì)師寧愿選擇采用高強(qiáng)度磁軛鋼板而不是加寬磁軛寬度的方式來處理磁軛的許用應(yīng)力問題，這就是高強(qiáng)度磁軛鋼板用得比較多的原因。

由于冷軋方式制造的磁軛鋼板其屈服強(qiáng)度只能達(dá)到500MPa以下，而大型水輪發(fā)電機(jī)組常常要采用屈服強(qiáng)度達(dá)500～750MPa的磁軛鋼板制造磁軛沖片，磁軛鋼板供應(yīng)廠商就通過調(diào)質(zhì)處理來提高普通低合金鋼板的強(qiáng)度，對調(diào)質(zhì)處理后的鋼板進(jìn)行機(jī)械校平后向發(fā)電機(jī)制造廠家供貨。

屬于這類調(diào)質(zhì)狀態(tài)供貨的有B450TG179、B500TG179、B550TG178、WDER550、WDER650、WDER700、NKHA690等牌號鋼板。

由于在最大過速情況下，磁軛沖片可能相互滑移，所以強(qiáng)度計(jì)算就把磁軛片間摩擦力視為安全余量，主要考慮磁軛拉緊螺桿承受磁軛沖片滑移所導(dǎo)致的剪力。強(qiáng)度計(jì)算公式表明，最大剪應(yīng)力與單張磁軛沖片的重量（也是厚度）成正比，所以就磁軛拉緊螺桿的受力條件而言，選擇厚度小的磁軛鋼板較為有利。

對于用沖壓方式制造的磁軛沖片，為了其沖裁力不超過模具和沖壓設(shè)備能力，也傾向于采用厚度較小的磁軛鋼板（一般在1.5～3mm之間選擇）。

為了增加激光切割時間、減少吊裝鋼板的輔助作業(yè)時間，激光切割磁軛沖片其鋼板厚度一般選4～5mm，激光切割5mm厚以上鋼板時，其割縫寬度在鋼板厚度方向差別導(dǎo)致切割尺寸精度降低。

高強(qiáng)度的磁軛鋼板多以調(diào)質(zhì)狀態(tài)供貨，由于在其內(nèi)部存在比較高的殘余應(yīng)力，在運(yùn)輸、保管、制造過程中總會發(fā)生一些翹曲變形，而且這種翹曲變形隨著板厚的增加、鋼板的剛性增加而增大，對于激光切割方式制造的磁軛沖片，這種在自由狀態(tài)下呈現(xiàn)明顯翹曲的鋼板激光切割后形成的磁軛沖片，會明顯影響轉(zhuǎn)子磁軛的裝壓精度。

關(guān)于磁極磁軛鋼產(chǎn)品的國際標(biāo)準(zhǔn)是IEC60404-8-5-1989磁性材料第8部分:單項(xiàng)材料規(guī)范第5節(jié):具規(guī)定機(jī)械性能和磁導(dǎo)率的鋼片和鋼帶的規(guī)范，當(dāng)然，為滿足大型水電項(xiàng)目對磁極磁軛鋼的特殊要求，鋼廠也可以按照大中型水電站的采購技術(shù)條件或鋼廠企標(biāo)供貨。

目前，寶鋼股份已形成完整的高強(qiáng)度熱軋水電磁軛用鋼產(chǎn)品系列，相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)可參見Q/BQB381-2018磁軛用熱連軋鋼板及鋼帶，Q/BQB620-2018水電用低裂紋敏感性高強(qiáng)度厚鋼板。

熱軋用磁極磁軛鋼的相關(guān)性能要求可參見圖4。

SPHC是常規(guī)的熱軋低碳鋼鋼板及鋼帶，主要用于冷成形用途。相關(guān)的化學(xué)成分可查閱JISG3131:2018熱間圧延軟鋼板及び鋼帯，相關(guān)化學(xué)成分和力學(xué)性能參見圖5和圖6。

綜上所述：考慮到磁軛(極)鋼板是既有機(jī)械性能要求、又有磁導(dǎo)性要求的水輪發(fā)電機(jī)專用鋼板材料，在水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)階段就需正確地地選擇磁軛(極)鋼板材料的強(qiáng)度、厚度、交貨狀態(tài)和沖片制造方式，這對于提高水電機(jī)組制造質(zhì)量，有效降低制造成本具有重要意義。

從水輪發(fā)電機(jī)對磁極磁軛鋼的技術(shù)要求來看，采用SPHC替代磁軛鋼，顯然是不合適的。