晶粒取向电工钢表面缺陷的化学去除.pdf

一种降低有研磨玻璃涂层的电工钢上的铁砣缺陷的缺陷高度的方法，所述方法包括：使有研磨玻璃涂层的电工钢表面的至少一部分与一种酸性溶液接触一段接触时间，所述接触时间足以将所述表面上的铁砣缺陷的平均高度降低至在所述研磨玻璃涂层的厚度的0％至150％范围内的平均高度，而不有效去除所述研磨玻璃涂层。接触后，将所述酸接触的有研磨玻璃涂层的电工钢用水冲洗并干燥。

1.  一种降低有研磨玻璃涂层的电工钢上的铁砣缺陷的高度的方法，所述方法包括：
使有研磨玻璃涂层的电工钢表面的至少一部分与一种酸性溶液接触一段时间，所述时间足以将所述表面的所述至少一部分上的铁砣缺陷的平均高度降低至在所述研磨玻璃涂层的厚度的0％至150％范围内的平均高度；以及
用水冲洗所述酸接触的有研磨玻璃涂层的电工钢；
其中所述接触没有有效地去除所述研磨玻璃涂层。

2.  如权利要求1所述的方法，其中所述接触没有增加所述有研磨玻璃涂层的电工钢的富兰克林测试平均值。

3.  如权利要求1所述的方法，其中所述酸性溶液包括酸性水溶液。

4.  如权利要求1所述的方法，其中所述酸性溶液包含氧化性酸。

5.  如权利要求1所述的方法，其中所述酸性溶液包含硝酸。

6.  如权利要求5所述的方法，其中所述酸性溶液包含按体积计1％至10％的15.8摩尔浓度的硝酸溶液。

7.  如权利要求5所述的方法，其中所述酸性溶液包含按体积计1％至10％的15.8摩尔浓度的硝酸溶液，并且所述接触时间是5秒钟至10秒钟。

8.  如权利要求1所述的方法，其中所述酸性溶液包含有机酸。

9.  如权利要求1所述的方法，其中所述酸性溶液包含羧酸。

10.  如权利要求1所述的方法，其中所述酸性溶液包含多官能羧酸。

11.  如权利要求1所述的方法，其中所述酸性溶液包含三元羧酸。

12.  如权利要求1所述的方法，其中所述酸性溶液包含柠檬酸。

13.  如权利要求12所述的方法，其中所述酸性溶液包含4重量％至20重量％的柠檬酸。

14.  如权利要求12所述的方法，其中所述酸性溶液包含10％至15％的柠檬酸，并且时间在10秒钟至5分钟的范围内。

15.  如权利要求1所述的方法，其中所述接触时间在5秒钟至20秒钟的范围内。

16.  如权利要求1所述的方法，其中所述电工钢是晶粒取向电工钢。

17.  如权利要求1所述的方法，其中在所述电工钢上的研磨玻璃涂层包括镁橄榄石氧化物研磨玻璃涂层。

18.  一种降低有研磨玻璃涂层的晶粒取向电工钢上的铁砣缺陷的高度的方法，所述方法包括：
提供有研磨玻璃涂层的晶粒取向电工钢；
使有研磨玻璃涂层的晶粒取向电工钢表面的至少一部分与一种酸性溶液接触一段接触时间，所述接触时间足以将所述表面的所述至少一部分上的铁砣缺陷的平均高度降低至所述研磨玻璃涂层的厚度的0％至150％的平均高度；以及
用水冲洗所述酸接触的有研磨玻璃涂层的晶粒取向电工钢；
其中所述接触没有有效去除所述研磨玻璃涂层。

19.  如权利要求18所述的方法，其中所述接触没有增加所述有研磨玻璃涂层的晶粒取向电工钢的富兰克林测试平均值。

20.  一种降低有研磨玻璃涂层的电工钢上的铁砣缺陷的高度的方法，所述方法包括：
用4重量％至20重量％的羧酸溶液对有研磨玻璃涂层的电工钢表面的至少一部分进行酸处理，持续在5秒钟至5分钟范围内的一段酸处理时间；
用水冲洗所述酸处理的有研磨玻璃涂层的电工钢；以及
干燥所述冲洗的酸处理的有研磨玻璃涂层的电工钢。

21.  如权利要求20所述的方法，其中所述羧酸溶液包含柠檬酸。

22.  如权利要求20所述的方法，其中所述电工钢是晶粒取向电工钢。

23.  一种形成电力变压器铁芯的方法，所述方法包括：
提供多个根据权利要求1所述的方法处理的晶粒取向电工钢带；以及
堆叠所述多个电工钢带以形成EI变压器铁芯。

21.  一种形成电力变压器铁芯的方法，所述方法包括：
提供多个根据权利要求1所述的方法处理的晶粒取向电工钢带；以及
缠绕所述多个电工钢带以形成缠绕的变压器铁芯。

晶粒取向电工钢表面缺陷的化学去除
技术背景
技术领域
本公开涉及一种用于从有玻璃涂层的电工钢表面去除缺陷的化学方法。
技术背景描述
电工钢是一种可具有0至6.5重量％硅的铁合金。商业合金通常具有多达3.2重量％的硅含量，因为较高浓度的硅在冷轧期间可显现出脆性。可以加入多达0.5％的锰和铝。增加量的硅抑制材料的涡流并且收缩材料的磁滞回线，因而降低铁芯损耗。然而，晶粒结构使金属变硬并且变脆，这不利地影响材料的可加工性，尤其是当轧制时。当炼制合金时，必须保持低的碳、硫、氧以及氮的浓度水平，因为这些元素导致形成碳化物、硫化物、氧化物以及氮化物颗粒。这些颗粒，即使是直径小到一微米的颗粒，增加磁滞损耗，而同时还降低磁导率。碳的存在具有比硫或氧更加不利的影响。当缓慢离开固溶体并且沉淀为碳化物时，碳还导致磁老化，因而随着时间而导致功率损耗增加。出于这些原因，将碳水平保持在0.005重量％或更低。通过在如氢的脱碳氛围中对钢进行退火，可以降低碳水平。
电工钢可作为晶粒取向电工钢(GOES)和无取向电工钢获得。GOES用于变压器铁芯和某些其它电气应用中。加工GOES板，以便严格控制板的晶粒取向并且使板的特性在轧制方向最佳化。作为晶粒取向的结果，尽管磁饱和度可降低约5％，但GOES板中的在盘绕轧制方向的磁通密度可增加约30％。通常以小于0.35mm厚的冷轧带材的形式来制造GOES板。将所述带材堆叠在一起作为“叠层”以形成铁 芯。所组装的铁芯在电力变压器中可用作叠层铁芯。
在由GOES板制造变压器铁芯的常规工艺中，在板的表面上设有富含硅的氧化物的玻璃薄膜。在最终冷轧后，GOES板在氢和氮氛围中进行最终正火处理。这在表面上形成含有硅和铁的薄氧化物层。接着用氧化镁(MgO)粉末对GOES板表面进行涂覆。在氢氛围中最终退火期间，在所述正火步骤中形成的薄氧化物中的硅与MgO反应，并且在板的表面上形成结晶镁橄榄石(Mg₂SiO₄)的薄的、均匀的、富含硅的绝缘层。擦洗(scrubbed)清洁所述有镁橄榄石涂层的GOES板。具有镁橄榄石层的GOES板在本领域中一般称为“研磨玻璃(mill glass)”或更简单地，“磨砂材料(scrub material)”。
对于变压器铁芯中的使用，用附加的电绝缘层对所述磨砂材料进行顶面涂覆。具有或不具有无机填料材料的磷酸单锰(Mg(H₂PO₄)₂)是涂布在研磨玻璃涂层上的电绝缘涂层的一个实例。添加所述顶面涂层以增加表面的电阻率，并且提高板的电特性。
GOES板上的电绝缘涂层中的缺陷可以使电流通过所述涂层泄漏。如果(例如)所述板旨在用于变压器应用，那么这些电短路是有问题的。电绝缘涂层中的缺陷可以作为电流在电力变压器铁芯中的板叠层之间流动的短路路径，从而降低电效率并且增加废热的产生。
有研磨玻璃涂层的GOES板缺陷中的一种类型是“铁砣”缺陷。铁砣形成于在电工钢板上生产研磨玻璃的步骤过程中。相信铁砣来源于在GOES退火期间产生的富含铁的氧化物。所述富含铁的氧化物在隧道炉高温浸泡循环的干燥氢环境中还原。所产生的导电缺陷富含金属铁，并且可穿过所述研磨玻璃涂层而突出。包括铁砣的磨砂材料表面呈现灰色，具有大量的小亮点。图1A至1C示出当通过光学显微镜观察时，磨砂材料上的铁砣缺陷的一般形态学。所述缺陷从表面凸出并且表现出包含金属铁和夹带的氧化铁。如图1A最佳地示出，基础玻璃中的弧口体或尾部经常与铁砣相关联，横向于轧制方向延伸。所述弧口体继发于铁砣并可能在钢紧密盘绕时形成，通过在盘绕处理期间叠层之间的摩擦出现，而不是在通常沿轧制方向产生危害的线加工期间出现。铁砣通常直径为50微米至200微米，一般为圆形或椭圆 形，并且可从板表面突出大约50微米。50微米显著厚于设在成品GOES板上的整个电绝缘玻璃涂层，因为所述研磨玻璃和顶面涂层都只有几微米厚。
图2A是GOES板上铁砣的二次电子扫描电子显微照片，并且图2B是同一铁砣的背散射电子显微照片。较重、即高原子序数元素背散射电子比轻、即低原子序数元素更强烈，并且因而在图2B的图像中显得较亮。因此，可以推断在图2B中图像较亮的部分代表铁砣，并且图像较暗的部分代表所述研磨玻璃涂层。图2C是穿过铁砣缺陷的截面。在图2C上部的层是用于制备截面的涂层，而不代表研磨玻璃。所述研磨玻璃涂层在图2C中并不明显，因为它太薄而难以区分。
在图3A的扫描电子显微照片和图3B至3G的能量色散SEM X射线图中示出了铁砣的SEM微量分析。图3B至3G的X射线图分别是针对元素Mg、Si、O、Mn、Fe以及S的图。对于每个元素图，图像的亮度取决于在图像中所扫描的元素的存在和浓度。对图3B至3G的检查表明所述铁砣缺陷主要由铁组成(图3F)。在铁砣中未检测到大量氧的存在(图3D)，表明所述铁砣缺陷由导电铁金属组成。铁砣缺陷外部的区域的镁含和硅含量较高(图3B和3C)，表明存在镁橄榄石研磨玻璃涂层。在围绕铁砣的研磨玻璃中可见富含硫的颗粒，图像中还表明硫在嵌入砣的颗粒中。所观察到的高硫浓度表明铁砣中的硫可能是来自存在于MgO涂层中的添加剂的残留物，而镁橄榄石研磨玻璃是由所述MgO涂层形成。
铁砣缺陷很难用磷酸盐顶面涂层的一次涂布来覆盖。由铁砣导致的涂覆表面的局部高电导率一般要求磷酸盐涂层的二次涂布形式的再加工。涂布两层顶面涂层增加了成本和生产提前时间，并且降低了用于例如变压器铁芯的GOES板产品的堆叠因子。因此，避免对涂布附加的顶面涂层的需要将是有利的。
“游离铁”颗粒可以在已在加工期间接触过有色金属加工(ferrous tooling)的不锈钢表面上形成。有色金属加工可以将游离铁颗粒嵌入不锈钢表面。游离铁颗粒可生锈，这可以导致下伏不锈钢的腐蚀。一旦下伏不锈钢开始腐蚀，那么腐蚀可以在不存在游离铁的情况下继 续。使用常规钝化技术可以将游离铁从不锈钢表面去除。ASTM967-05将钝化定义为用如硝酸溶液的温和氧化剂对不锈钢进行化学处理，目的是从表面去除游离铁或其它异物，但所述处理对从表面去除回火色(heat tint)或氧化皮一般无效。酸的氧化特性促进形成负责不锈钢的抗腐蚀性的原生铬氧化物薄膜或钝化层。尽管钝化对于从不锈钢表面去除铁沉积是有效的，但这一技术对于从GOES和无取向电工钢去除铁是无效的，因为在所述钢中不存在铬。
美国专利号4,123,337(“'337专利”)公开了一种电解工艺，所述工艺可应用在GOES板上用于去除“延伸穿过绝缘涂层或突出在绝缘涂层上的小的金属结、颗粒等”。'337专利公开了向设置在硝酸钠水溶液或氯化钠浴中的GOES卷材施加电压，以挖去铁砣缺陷。然而，电解工艺要求附加的基础设施并可显著增加生产成本。
因此，提供一种用于去除有研磨玻璃涂层的电工钢上的铁砣缺陷或降低其高度的新方法将是有利的。或者，所述方法将铁砣缺陷破坏至足够粗糙以使大量磷酸单锰更好地保持应用在顶面涂层的程度。
概述
根据本公开的一个非限制性方面，一种用于降低有研磨玻璃涂层的电工钢上的铁砣缺陷的高度的方法包括：使有研磨玻璃涂层的电工钢表面的至少一部分与一种酸性溶液接触，持续足以降低所述表面的所述部分上的铁砣缺陷的平均高度的一段时间；以及用水冲洗所述表面的至少所处理的部分或多个部分。在所述方法的某些实施方案中，通过所述方法处理后，铁砣缺陷的平均高度降低至研磨玻璃涂层厚度的0至150％的高度，其中所述接触没有大量去除研磨玻璃涂层。在一个实施方案中，所述接触没有导致大于0.6安培的平均富兰克林(Franklin)绝缘测试值。在另一个非限制性实施方案中，所述接触没有导致大于0.8安培的平均富兰克林绝缘测试值。所述电工钢可为GOES或无取向电工钢。
根据本公开的另一个非限制性方面，一种用于降低有研磨玻璃涂层的电工钢上的铁砣缺陷的高度的方法包括：提供有研磨玻璃涂层的 电工钢；使有涂层的钢表面的至少一部分与一种酸性溶液接触，持续足以降低所述部分上的铁砣缺陷的平均高度的一段时间；以及用水冲洗所述表面的至少所处理的部分。在所述方法的某些实施方案中，通过所述方法处理后，铁砣缺陷的平均高度降低至研磨玻璃涂层厚度的0至150％的高度，其中所述接触并未有效地去除研磨玻璃涂层。所述电工钢可为GOES或无取向电工钢。
根据本公开的另一个非限制性方面，一种用于降低有研磨玻璃涂层的电工钢上的铁砣缺陷的高度的方法包括：使有研磨玻璃涂层的电工钢表面的至少一部分与包含4重量％至20重量％羧酸的一种水溶液接触，持续4分钟至20分钟范围内的一段时间；用水冲洗有研磨玻璃涂层的电工钢表面的酸处理部分；以及干燥有研磨玻璃涂层的电工钢表面的所冲洗的酸处理的部分，其中所述接触没有有效去除研磨玻璃涂层。在一个非限制性实施方案中，所述羧酸包括柠檬酸。所述电工钢可为GOES或无取向电工钢。
附图简述
参考以下附图可以更好地理解本文所述方法的特征和优点，其中：
图1A至1C是有研磨玻璃涂层的电工钢上的铁砣缺陷的光学显微照片；
图2A是有研磨玻璃涂层的电工钢上的铁砣缺陷的二次电子扫描电子显微照片；
图2B是有研磨玻璃涂层的电工钢上的铁砣缺陷的背散射电子扫描电子显微照片；
图2C是有研磨玻璃涂层的电工钢上的隆起(mounted)并冶金抛光的铁砣缺陷的截面的扫描电子显微照片；
图3A是有研磨玻璃涂层的电工钢上的铁砣缺陷的边缘的扫描电子显微照片；
图3B是与图3A的扫描电子显微照片相对应的镁的组成图(compositional map)；
图3C是与图3A的扫描电子显微照片相对应的硅的组成图；
图3D是与图3A的扫描电子显微照片相对应的氧的组成图；
图3E是与图3A的扫描电子显微照片相对应的锰的组成图；
图3F是与图3A的扫描电子显微照片相对应的铁的组成图；
图3G是与图3A的扫描电子显微照片相对应的硫的组成图；
图4是根据本公开用于降低有研磨玻璃涂层的电工钢上的铁砣缺陷的高度的方法的非限制性实施方案的流程图；
图5是有研磨玻璃涂层的GOES表面的照片；
图6A是在10体积％的硝酸溶液中处理5秒钟后有研磨玻璃涂层的GOES表面的照片；
图6B是在10体积％的硝酸溶液中处理10秒钟后有研磨玻璃涂层的GOES表面的照片；
图7A是在25体积％的硝酸溶液中处理10秒钟后有研磨玻璃涂层的GOES表面的照片；
图7B是在25体积％的硝酸溶液中处理20秒钟后有研磨玻璃涂层的GOES表面的照片；
图8A是在10重量％的柠檬酸溶液中处理10秒钟后有研磨玻璃涂层的GOES表面的照片；
图8B是在10重量％的柠檬酸溶液中处理20秒钟后有研磨玻璃涂层的GOES表面的照片；
图8C是在10重量％的柠檬酸溶液中处理5分钟后有研磨玻璃涂层的GOES表面的照片；
图9A是在15重量％的柠檬酸溶液中处理10秒钟后有研磨玻璃涂层的GOES表面的照片；
图9B是在15重量％的柠檬酸溶液中处理20秒钟后有研磨玻璃涂层的GOES表面的照片；
图10A和10B是在10重量％的柠檬酸溶液中处理10秒钟后有研磨玻璃涂层的GOES表面的扫描电子显微照片；
图10C和10D是在10重量％的柠檬酸溶液中处理10秒钟后有研磨玻璃涂层的GOES表面的扫描电子显微照片；
图11A是用15重量％的柠檬酸溶液处理10秒钟后有研磨玻璃涂层的电工钢表面上的铁砣缺陷的二次电子扫描电子显微照片；
图11B是用15重量％的柠檬酸溶液处理10秒钟后有研磨玻璃涂层的电工钢表面上的铁砣缺陷的背散射电子扫描电子显微照片；
图11C是与图11A和11B的扫描电子显微照片相对应的铁的组成图；
图11D是与图11A和11B的扫描电子显微照片相对应的硅的组成图；
图11E是与图11A和11B的扫描电子显微照片相对应的镁的组成图；
图11F是与图11A和11B的扫描电子显微照片相对应的硫的组成图；
图11G是与图11A和11B的扫描电子显微照片相对应的氧的组成图；
图12A是用15重量％的柠檬酸溶液处理20秒钟后有研磨玻璃涂层的电工钢表面上的铁砣的扫描电子显微照片；
图12B是图12A所示的铁砣的扫描电子显微照片，其中样本倾斜80°；
图12C是用15重量％的柠檬酸溶液处理20秒钟后有研磨玻璃涂层的电工钢表面上的铁砣的扫描电子显微照片；
图12D是图12C所示的铁砣的扫描电子显微照片，其中样本倾斜80°；
图13A和13B是用10体积％的硝酸溶液处理5秒钟后有研磨玻璃涂层的电工钢表面上的铁砣的扫描电子显微照片；
图13C和13D是用10体积％的硝酸溶液处理10秒钟后铁砣的扫描电子显微照片；
图14是针对在140℉(60℃)下在15重量％的乙酸水溶液中处理不同时间的磨砂材料的富兰克林绝缘测试结果的图；
图15A至15D是典型研磨玻璃的扫描电子显微照片；
图16A至16C分别是呈现分别来自对典型研磨玻璃、研磨玻璃 的局部黑暗区域，以及研磨玻璃的局部较明亮区域的扫描电子显微术微量化学分析的结果的曲线图；
图17是呈现来自对典型研磨玻璃的扫描电子显微术微量化学分析的结果的曲线图，其中突出显示了锰和硫的峰；
图18是呈现来自在10重量％的柠檬酸溶液中处理5分钟后，对典型研磨玻璃的扫描电子显微术微量化学分析的结果的曲线图；
图19A至19D是研磨玻璃在用酸性溶液处理前的扫描电子显微照片；并且
图19E至19G是在10重量％柠檬酸溶液中处理10秒钟后，研磨玻璃的扫描电子显微照片。
在考虑以下对根据本公开的方法的某些非限制性实施方案的详细说明之后，读者将了解前述细节以及其它内容。
某些非限制性实施方案的详述
应理解的是，已对本文所公开的实施方案的某些描述进行了简化，以便仅说明与清楚理解所公开的实施方案相关的那些要素、特征、步骤以及方面，同时为了清晰起见，去除了其它要素、特征、步骤以及方面。本领域的普通技术人员在考虑所公开的实施方案的本描述之后，将认识到其它要素、步骤和/或特征在所公开的实施方案的具体实施或应用中可能是合意的。然而，由于在本领域的普通技术人员在考虑所公开的实施方案的本描述之后可以容易地确定和实施这类其它要素、步骤和/或特征，并且因此，对于所公开的实施方案的完整理解来说，这类其它要素、步骤和/或特征是不必要的，因而本文未提供这类要素、步骤和/或特征的描述。因此，应理解的是本文给出的描述仅仅是所公开的实施方案的示例和说明，且并不意在限制仅由权利要求书所限定的本发明的范围。
在非限制实施方案的本说明中，除了操作实施例中或另作说明的地方之外，否则表示数量或特点的所有数字均理解成在所有情况下均由术语“约”修饰。因此，除非相反地指示，以下说明中提出的任何数值参数是近似值，这些近似值可根据在根据本公开的主题中寻求获得 的所需要的特性而发生改变。在最低限度并且不试图限制对权利要求书范围的等价范围的原则的应用，每个数值参数均应当至少根据报告的有效数字的数值和通过应用普通四舍五入技术来解读。
同样地，本文引用的任何数值范围意在包括其中纳入的所有子范围。例如，“1至10”的范围意在包括在引用的最小值1与引用的最大值10(含1及10)之间的所有子范围，即，具有等于或大于1的最小值以及等于或小于10的最大值。本文引用的任何最大数值限制意在包括纳入其中的所有较小数值限制，且本文引用的任何最小数值限制意在包括纳入其中的所有较大数值限制。因此，申请人保留修正本公开(包括权利要求书)的权力，以便明确引用纳入本文所明确引用的范围内的任何子范围。所有这类范围意在在本文中以固有方式公开，以使得修正以明确引用任何这类子范围将符合美国法典35篇112条的第一段和美国法典35篇132条(a)款的要求。
除非另外指明，否则本文使用的语法冠词“一个(种)(one)”、“一个(种)(a)”、“一个(种)(an)”以及“所述(the)”意在包括“至少一个(种)”或“一个或多个(一种或多种)”。因此，冠词在本文中用来指代冠词的语法对象的一个或一个以上(即，指代“至少一个”)。例如，“一个部件”意指一个或多个部件，并且因此可能涵盖了多于一个的部件，并且所描述的实施方案的实施中可能采用或使用了多于一个的部件。
被描述成以引用方式全文或部分并入本文的任何专利、出版物或其它公开材料仅在以下情况下并入本文中：并入的材料不得与本公开内容中阐明的现有定义、声明或其它公开材料冲突。因此，并且在必要情况下，本文中阐明的公开内容优先于以引用方式并入本文的任何冲突材料。被描述成以引用方式并入本文中、但与本文阐明的现有定义、声明或其它公开材料冲突的任何材料，或其部分，仅在并入材料与现有公开材料之间不出现冲突的情况下并入。
本公开包括各个实施方案的描述。应理解的是，本文描述的所有实施方案是示例性的、说明性的以及非限制性的。因此，本发明并不局限于各个示例性、说明性以及非限制性实施方案的描述。事实上，本发明仅由权利要求书限定，所述权利要求书可以修正以引用本公开 中明确地或固有地描述的、或本公开以其它方式明确地或固有地支持的任何特征。
本公开的一个方面包涵一种用于降低有研磨玻璃涂层的电工钢上的铁砣缺陷的高度或消除铁砣缺陷的方法。如本文所用，术语“电工钢”指的是一种可具有多达6.5重量％的硅作为主要合金元素的铁合金。商业合金通常具有多达3.2重量％的硅含量，因为较高的硅浓度在冷轧期间可显现出脆性。可以加入多达0.5％的锰和铝。增加硅的量可抑制材料的涡流并且收缩材料的磁滞回线，因而降低铁芯损耗。然而，晶粒结构使金属变硬并且变脆，这不利地影响材料的可加工性，尤其是当轧制时。当炼制合金时，必须保持低的碳、硫、氧以及氮的浓度水平，因为这些元素导致形成碳化物、硫化物、氧化物以及氮化物颗粒。这些颗粒，即使是直径小到一微米的颗粒，增加磁滞损耗，而同时还降低磁导率。碳的存在具有比硫或氧更加不利的影响。当碳缓慢离开固溶体并且沉淀为碳化物时，碳还导致磁老化，因而随着时间而导致功率损耗增加。出于这些原因，将碳水平保持在0.005重量％或更低。通过在如氢的脱碳氛围中对钢进行退火，可以降低碳水平。
术语“晶粒取向电工钢(GOES)”指的是含有硅作为主要合金添加剂的基于铁的合金，并且其中加工GOES板以便严格控制板的晶粒取向并使板的特性在轧制方向最佳化。GOES板一般用在电导率和磁特性重要的应用(如电力变压器)中。晶粒取向电工钢的一个实例是来自宾夕法尼亚州(PA)Leechburg的ATI Allegheny Ludlum的极低碳、大约3％硅-铁合金，其特征是平轧产品的增强的磁特性。仔细加工晶粒取向电工钢，以便在盘绕轧制方向发展铁芯损耗和磁导率的最佳磁特性。与不锈钢不同，晶粒取向电工钢产品在其磁特性和电特性的基础上进行测试和出售。
参考图4，在一个非限制性实施方案中，一种用于降低有研磨玻璃涂层的电工钢上的铁砣缺陷的高度、或降低铁砣缺陷的短路效应的方法100包括：使有研磨玻璃涂层的电工钢表面的至少一部分与一种酸性水溶液接触102，持续足以将表面上的铁砣缺陷的平均高度降低 至不超过预选高度的时间；用水对所述酸接触的表面部分进行冲洗104；以及干燥所冲洗的表面部分106。在根据本公开的方法的一个非限制性实施方案中，所预选的高度是0，在这种情况下，所有或基本上所有铁砣缺陷材料通过所述方法从所处理的表面部分去除。在根据本公开的方法的另一个非限制性实施方案中，所预选的高度是等于研磨玻璃涂层厚度或在研磨玻璃涂层厚度±10％之内的高度。在根据本公开的方法的其它非限制性实施方案中，所预选的高度是在研磨玻璃涂层厚度的0％至150％范围内的高度。在根据本公开的方法的另一个非限制性实施方案中，所预选的高度是在研磨玻璃涂层厚度的0％至100％范围内的高度。在非限制性实施方案中，研磨玻璃涂层的厚度在约0.5μm至约20μm，或约1μm至约10μm，或约2μm至约5μm范围内。
在一个非限制性实施方案中，一种用于降低铁砣缺陷的短路效应的方法100包括一个以下步骤：通过使有研磨玻璃涂层的电工钢表面与一种酸性水溶液接触102，将个别铁砣缺陷的一部分溶解或将铁砣缺陷完全溶解。当铁砣缺陷的一部分残留在与酸性水溶液接触102后的有研磨玻璃涂层的电工钢上时，例如磷酸单锰涂层的顶面涂层将更好地粘附至部分溶解的铁砣缺陷，并且因而减少或消除涂布第二顶面涂层的需要。在一个非限制性实施方案中，使研磨玻璃涂层表面接触102将每个铁砣缺陷的一部分或全部溶解，并且没有显著地或有效地去除所述研磨玻璃涂层。在非限制性实施方案中，当如富兰克林绝缘测试的电导率测试产生较高的值(例如，在0.9安培至1.0安培范围内)时，所述研磨玻璃涂层在本说明的含义内显著地或有效地去除。这一测试随后在本文中描述。
研磨玻璃表面通常具有0.8或更少的富兰克林测试值。在一个非限制性实施方案中，当与使研磨玻璃表面与酸性水溶液接触102的步骤之前的研磨玻璃表面的富兰克林测试平均值相比，接触102后的富兰克林测试平均值没有增加时，与酸性水溶液的接触102没有明显地或有效地去除所述研磨玻璃涂层。在另一个非限制性实施方案中，当在不含有铁砣缺陷的研磨玻璃涂层的一部分上测量富兰克林测试值 时，与在使研磨玻璃表面与酸性水溶液接触102的步骤之前的研磨玻璃表面的富兰克林测试值相比，与酸性水溶液接触102没有增加富兰克林测试值。在另一个非限制实施方案中，与酸性水溶液接触102后，研磨玻璃表面的富兰克林测试平均值等于或低于0.8安培。
在一个非限制性实施方案中，一种用于降低有研磨玻璃涂层的电工钢上的铁砣缺陷的高度的方法包括：使有研磨玻璃涂层的电工钢表面的至少一部分与一种酸性水溶液接触。在一个非限制性实施方案中，所述酸性溶液包含至少一种氧化性酸，例如像硝酸或铬酸。根据本公开的另一个方面包括：使有研磨玻璃涂层的电工钢表面的至少一部分与包含有机酸的一种酸性溶液接触。示例性有机酸包括但不限于：羧酸和多官能羧酸，如三元羧酸，包括柠檬酸、异柠檬酸以及乌头酸。
在根据本公开的方法的某些非限制性实施方案中，将施加到有研磨玻璃涂层的电工钢表面的至少一部分上的酸性溶液加热，这将加快所述部分上的铁砣缺陷的溶解。在一个非限制性实施方案中，将所述酸性溶液加热至100℉至200℉(37.8℃至93.3℃)范围内的温度。在另一个非限制性实施方案中，将所述酸性溶液加热至140℉(60℃)。
在根据本公开的方法的某些非限制性实施方案中，其中所述酸性溶液包含硝酸，所述酸性溶液包含1体积％至10体积％的15.8摩尔浓度的硝酸水溶液。在根据本公开的某些非限制性实施方案中，一种用于降低有研磨玻璃涂层的电工钢表面上的铁砣缺陷的高度的方法包括：使所述表面的至少一部分与硝酸水溶液接触5秒钟至10秒钟的一段时间。
在某些非限制性实施方案中，其中所述酸性溶液包含有机酸，溶液中的有机酸浓度在2重量％至30重量％范围内。在某些非限制性实施方案中，其中所述酸性溶液包含柠檬酸，溶液中的柠檬酸浓度在4重量％至20重量％范围内，或10重量％至15重量％范围内。在某些非限制性实施方案中，其中所述酸性溶液包含10重量％至15重量％、或4重量％至20重量％的柠檬酸，使有研磨玻璃涂层的电工钢表面的至少一部分与所述酸性溶液接触，持续在5秒钟至5分钟，或 10秒钟至5分钟，或5秒钟至20秒钟范围内的一段时间。
根据本公开的一个方面，所述电工钢是晶粒取向电工钢(GOES)。电工钢的两个主要类型是晶粒取向电工钢(GOES)和无取向电工钢。GOES通常具有3％的硅水平。如上所述，以以下这样一种方式对GOES进行加工：由于严格控制晶粒取向而在轧制方向发展最佳特性。尽管将磁饱和度降低了约5％，但控制晶粒取向将轧制方向的磁通密度增加了约30％。无取向电工钢通常包含2重量％至3.5重量％的硅，并且是各向同性的，因为它在所有方向均显现出类似的磁特性。无取向电工钢较便宜，并且用在操作期间磁通量方向不断改变的装置(如电动机和发电机)中。有研磨玻璃涂层的GOES和有研磨玻璃涂层的无取向电工钢都可使用根据本公开的方法进行处理，以降低钢表面上的铁砣缺陷的平均高度。
虽然预期根据本公开的用于减少电工钢上的铁砣缺陷的方法的实施方案可应用于任何电工钢，在具体实施方案中，可以使用根据本公开的方法进行处理的GOES合金包括：例如，如在适用的国内(ASTM A876)和国外(JIS C2553,EN10107)材料规范中所规定的电工钢。可以使用根据本公开的方法进行处理的非晶粒取向电工钢合金的具体实施方案包括：例如，如在ASTM A677中所规定的电工钢。
在根据本公开的非限制性实施方案中，使用本文的方法处理的电工钢表面上的研磨玻璃涂层包含：镁橄榄石氧化物Mg₂SiO₄，在这种情况下所述涂层可称作镁橄榄石研磨玻璃涂层。所述镁橄榄石研磨玻璃涂层实际上是结晶绝缘涂层，而不是无定型玻璃。如本文所用，术语“研磨玻璃涂层”指的是电工钢上所用的结晶绝缘(insulating)或绝缘(insulative)涂层，以便在所述电工钢上提供电绝缘层。其它的结晶绝缘涂层是本领域技术人员已知的，并且在本文的公开的范围内。用包括这些其它绝缘结晶涂层中的一种或多种的研磨玻璃涂层进行涂覆的电工钢也可用根据本公开的方法进行处理，以便降低这些电工钢表面上的铁砣缺陷的高度，而不显著地或有效地去除镁橄榄石研磨玻璃涂层或其它结晶绝缘涂层。因此，将理解根据本公开的方法的适用性并不局限于在用镁橄榄石研磨玻璃涂层进行涂覆的电工钢表面上使 用。
根据本公开的用于降低有研磨玻璃涂层的电工钢上的铁砣缺陷的高度的方法的非限制性实施方案包括：提供有研磨玻璃涂层的电工钢；使所述有研磨玻璃涂层的电工钢表面的至少一部分与一种酸性溶液接触，持续足以将所述表面部分上的铁砣缺陷的平均高度降低至不超过预选平均高度的一段时间，其中所预选的平均高度在研磨玻璃涂层厚度的0％至150％范围内，并且其中与酸性溶液的接触没有显著地或有效地去除研磨玻璃涂层。
在根据本公开的用于降低有研磨玻璃涂层的电工钢上的铁砣缺陷的高度的方法的更具体的非限制性实施方案中，所述方法包括：使有研磨玻璃涂层的电工钢表面的至少一部分与包含4重量％至20重量％柠檬酸的柠檬酸溶液接触5秒钟至5分钟，以便由此将所述表面部分上的铁砣缺陷的平均高度降低至研磨玻璃涂层厚度0％至150％的高度，并且其中与柠檬酸溶液的接触没有显著地或有效地去除研磨玻璃涂层
根据用于降低有研磨玻璃涂层的电工钢上的铁砣缺陷的高度的、根据本公开的方法的另一个非限制性实施方案，所述方法包括：用包含4重量％至20重量％羧酸的酸性溶液对有研磨玻璃涂层的电工钢表面的至少一部分进行酸处理，处理时间在5秒钟至5分钟的范围内；用水冲洗酸处理的有研磨玻璃涂层的电工钢表面的那部分；并且干燥所冲洗的酸处理的有研磨玻璃涂层的电工钢的那部分。在一个非限制性实施方案中，所述羧酸是柠檬酸。
如本文所用，铁砣缺陷的“高度”指的是铁砣缺陷从已形成有铁砣缺陷的电工钢表面突出的距离。如本文所用，“冲洗”表面或表面的一部分指的是用于对表面或表面部分施加不论是液体喷雾、液流还是其它形式的液体的任何合适的技术，并且还包涵将表面或表面部分放置在液体浴或槽中。如本文所用，“干燥”表面或表面部分指的是用于干燥的任何合适的技术，其包括：例如，在环境空气中干燥、用空气流干燥和通过将表面加热至高于环境温度的温度。尽管本说明指的是处理有涂层的电工钢表面的至少一部分，但不管在分批加工还是在在连 续操作中(如在包括浸泡浴或槽的线操作中),应理解这些语言包涵处理表面的仅一部分或处理整个表面。
本公开的另一个方面包括用于形成电力变压器铁芯的方法。在一个非限制性实施方案中，一种用于形成电力变压器铁芯的方法包括：提供根据本公开的非限制性实施方案处理的多个GOES带，并且以如本领域普通技术人员所知的常规E-I方式堆叠所述多个电工钢带，以形成EI变压器铁芯。应理解的是本领域技术人员已知的其它类型的变压器铁芯(如R铁芯和环型铁芯)在本公开的范围之内。
在另一个非限制性实施方案中，一种用于形成电力变压器铁芯的方法包括：提供根据本公开的非限制性实施方案处理的多个GOES带，并且缠绕所述多个电工钢带以形成缠绕的变压器铁芯。堆叠和缠绕带材以形成变压器铁芯的步骤是本领域普通技术人员已知的，并且因此无需在本文进行描述。
实施例1
使用富兰克林电绝缘测试(ASTM标准A-344-68)可以对涂层缺陷进行检测，所述测试对于许多变压器生产商来说是常规测试技术，用作评价油玻璃涂层的电工钢的定性规范。在制定的接触压力和施加的电势下，所述测试沿三英寸长度在多个点测量通过有玻璃涂层的电工钢表面泄漏的电流。测试结果报告为“富兰克林值”，单位安培。完美的电绝缘体具有为0的富兰克林值。完美的电导体具有1安培的富兰克林值。
从常规有镁橄榄石研磨玻璃涂层的GOES(磨砂材料)切割出带材样品(约1英寸×6英寸)(约2.54cm×15.2cm)。所述带材样品显现出高密度的可见铁砣(每平方英寸材料数个)。富兰克林值由富兰克林电绝缘测试确定。发现所述带材样品显现出约0.8安培的泄漏电流。约0.8安培的值一般是磨砂的表面的特点。
实施例2
通过将每个带材浸泡在四种不同酸溶液中的一种，持续时间范围 为5秒钟至5分钟，对来自实施例1的磨砂材料带材样品进行处理。用于处理带材的所述酸溶液制备如下。将约1.5升新鲜酸用于每个处理。将ASTM A967“化学钝化处理/或不锈钢零件标准规范”用作酸浓度的参考。通过将标准15.8摩尔浓度的硝酸与去离子水混合来制备10％和25％(按体积计)的硝酸溶液。通过将柠檬酸溶解在去离子水中来制备10％和15％(按重量计)的柠檬酸溶液。将所述酸溶液维持在约140℉(60℃)下用于处理。将所述带材样品浸泡在酸溶液中，在所需浸泡时间完成时从酸溶液中取出，并且用流动的冷水冲洗。冲洗后，每个带材样品的两侧用柔软的硬毛刷轻刷，浸泡在变性酒精中以排出任何水，并且允许空气干燥。
图5是表示原始磨砂材料表面的黑白照片。图5的照片示出平滑的无特征表面。图6A和6B分别示出与10％硝酸溶液接触(浸泡在其中)5秒钟和10秒钟的磨砂材料的表面照片。当所述磨砂材料浸泡在10％硝酸溶液中时，观察到冒泡。当所述磨砂材料浸泡在10％硝酸溶液中5秒钟时(图6A)，研磨玻璃转向比原始磨砂材料更浅的灰度，表明去除了研磨玻璃中的一些。在10％硝酸中浸泡10秒钟后，观察到研磨玻璃样品边缘的破坏(图6B)。
还将磨砂材料带材样品浸泡在25％硝酸中10秒钟和20秒钟。图7A是浸泡10秒钟后带材样品的照片。图7B是浸泡20秒钟后样品的照片。从图7A和7B可明显看出磨砂材料浸泡在25％硝酸中10秒钟或更长将研磨玻璃从GOES材料中完全去除，并且因此，不适于从样品中去除铁砣缺陷。
将磨砂材料带材样品浸泡在10％柠檬酸中10秒钟、20秒钟和5分钟。图8A、8B和8C分别提供10秒钟、20秒钟和5分钟的浸泡时间后样品表面的照片。从浸泡在10％柠檬酸溶液中的磨砂材料未观察到冒泡。表面保持相对无特征，表明未有效破坏或去除研磨玻璃。柠檬酸处理的样品具有比未处理的磨砂材料更浅的灰色。
将磨砂材料带材样品浸泡在15％柠檬酸中10秒钟和20秒钟。在图9A和9B中分别看到浸泡10秒钟和20秒钟的表面照片。从浸泡在10％柠檬酸溶液中的磨砂材料未观察到冒泡。表面保持相对无特 征，表明未有效破坏或去除研磨玻璃。柠檬酸处理的样品具有比未处理的磨砂材料更浅的灰色。
观察到在柠檬酸溶液中浸泡和在低浓度硝酸溶液中短时间浸泡(10体积％，5秒钟)的一般效果是使表面稍微变亮，并且使表面颜色更加均匀。相信变亮是清洁表面的结果。对在柠檬酸溶液中浸泡和在低浓度硝酸溶液中短时间浸泡(10体积％，5秒钟)后的表面的肉眼检查表明处理后铁砣变得远更不可见，呈现为小黑点而不是处理前注意到的明亮突出。
样品在柠檬酸溶液中没有起泡。然而25％硝酸溶液却是十分激烈的。样品表面开始剧烈冒泡，并且研磨玻璃立即开始溶解。样品浸泡在10％硝酸溶液中20秒钟后开始发生类似效果。浸泡在硝酸溶液中的样品上的研磨玻璃的溶解是未预料到的，因为研磨玻璃已经是稳定氧化物的形式。虽然不希望受任何特定理论限制，硝酸与氧化镁(镁橄榄石玻璃的组分)之间可能发生以下副反应以形成稳定的硝酸镁化合物。
2HNO₃+MgO→Mg(NO₃)₂+H₂O
实施例3
从在实施例2中处理的每个带材样品切割出小样品，并且在SEM中检查带材表面上的铁砣。在图10A和10B的显微照片中示出10％柠檬酸溶液持续10秒钟浸泡的效果，并且在图10C和10D中示出10％柠檬酸溶液持续20秒钟浸泡的效果。对图10A至10D的检查显示铁砣受到柠檬酸溶液的显著侵蚀。所处理的铁砣呈现出多孔外观，并且很多但不是所有铁砣的大小和高度由于酸处理而显著减小。
将柠檬酸的浓度增加至15重量％，这导致对铁砣更强烈的侵蚀。在图11A和11B中分别呈现了浸泡在15％柠檬酸溶液中10秒钟的磨砂材料样品上的残留铁砣的二次电子和背散射扫描电子显微照片。在背散射图像(图11B)中的处理后的铁砣外观和整个铁砣区域中的亮度缺乏表明在15％柠檬酸溶液中处理10秒钟期间从铁砣中去除了显著部分的铁。图11C至11G呈现了在15％柠檬酸中浸泡10秒钟后剩余 的铁砣残留物的X射线图。对图11A至11G的分析显示砣的剩余结构由嵌入大量氧化物颗粒(图11G)的一些金属铁(图11C)组成。通过酸处理去除了铁砣中的大多数硫(图11F)。在铁砣上仍存在少量的硫，但在周围研磨玻璃中未检测到硫。
铁砣的溶解随着在柠檬酸溶液中浸泡时间的增加而进展。这可通过比较图12A和12B的在15％柠檬酸中处理20秒钟的铁砣的二次电子成像扫描电子显微照片，与图11A的在15％柠檬酸中处理10秒钟的铁砣的二次电子成像扫描电子显微照片而明显看出。图12B和12D中的显微照片分别用图12A和12C中的样品拍摄，在SEM中倾斜至80°以提供柠檬酸处理后剩余的铁砣缺陷的高度的更好视图。
实施例4
未对浸泡在硝酸溶液中的带材样品进行更详细研究，因为观察到研磨玻璃对抗硝酸溶液的作用的抗性是不完全的。然而，硝酸溶液同样侵蚀铁砣。图13A和13B是用10体积％硝酸溶液处理5秒钟的磨砂材料的扫描电子显微照片。图13C和13D是用10体积％处理10秒钟的磨砂材料的扫描电子显微照片。在图13A至13D中的铁砣在硝酸溶液中表现出比浸泡在相似浓度的柠檬酸溶液中类似时间的样品受到更大程度的侵蚀。
实施例5
通过在140℉(60℃)下浸泡在15％柠檬酸水溶液中5分钟，对具有大约2”×6”大小的有镁橄榄石研磨玻璃涂层的GOES样品进行处理。浸泡后，将样品在流动水中彻底冲洗，用柔软的硬毛刷擦洗，并且然后浸在变性酒精中，接着在热空气中干燥。肉眼观察到测试样品表面最初包括大量的铁砣。然后根据ASTM标准A-344-68，使用富兰克林绝缘测试评价样品的电流泄漏。
处理前，样品材料具有相对较高的富兰克林测试平均电流值，如图14可见。将样品浸泡在酸溶液中10秒钟以模拟可能的轧制氧化皮处理时间。将其它样品浸泡在酸溶液中5分钟以模拟最坏的情况时的 情景，其中在连续盘绕处理线上发生线停止，并且材料仍浸泡在酸溶液中几分钟。图14示出磨砂材料和两种浸泡时间浸泡的材料的平均富兰克林测试结果，以及最大记录值和最小记录值。两种酸处理的样品都显现出显著较低的最小富兰克林测试值，但所有样品的最大记录值都相似。所处理的样品都显现出比磨砂样品略微较低的最小富兰克林值，并且显示出降低平均和最大富兰克林值的趋势。看来即使用漫长的5分钟浸泡时间，这一特定处理仍没有在测量的电导性方面对研磨玻璃涂层造成破坏。
实施例6
还分析了GOES上的镁橄榄石研磨玻璃涂层，以便为酸处理对构成GOES板表面的主要部分的高质量区域的作用提供参考。图15A至15D示出SEM的放大倍数系列。研磨玻璃在微观尺度上是粗糙的，并且具有散布在较亮场上的较暗的点。
使用SEM中的微量化学分析系统来分析玻璃化学。这不是一种精确的方法，因为研磨玻璃下面的GOES板提供强信号，但这种方法提供一种比较酸清洁前后的研磨玻璃的方式。图16A示出总体的玻璃组成，并且结果来自对玻璃中明亮区域(图16B)和黑暗区域(16C)的分析。镁与硅的比率非常接近于2MgO·SiO₂，如从镁橄榄石层所预期的。存在强的铁信号，其中大多数可能来源于钢。相对铁来说，较暗区域的镁和硅更丰富，但在光谱中镁与硅的比例与整个玻璃相同，表明黑暗区域可能只是研磨玻璃较厚的区域。较明亮、较薄区域的铁非常丰富并且包括比镁更多的硅，表明这些区域覆盖有非常薄的氧化物并且信号大多来源于钢。
在图17中呈现突出显示锰和硫的峰的典型研磨玻璃的SEM微量化学分析。存在小但是可注意到的锰的信号，表明在隧道炉退火期间，MnS抑制剂颗粒的残余集中在玻璃与金属之间的界面。大得多的硫信号可能来源于添加至MgO粉末的硫酸镁(泻盐)残余。
在SEM中对暴露于10％柠檬酸5分钟的样品进行检查以确定在长期暴露期间研磨玻璃中是否发生任何化学或结构改变。在图18中 示出样品的X射线光谱。在图18呈现的X射线光谱中，不存在硫和锰的峰。另外，玻璃表现出相对没有化学改变，其中氧化物保留接近2MgO·SiO₂的镁与硅比率。图19A至19D构成未处理的有研磨玻璃涂层的GOES的扫描电子显微照片放大倍数系列。图19E至19H构成用10％柠檬酸处理5分钟的有研磨玻璃涂层的GOES的扫描电子显微照片放大倍数系列。图19D至19H的扫描电子显微照片的放大倍数系列中示出的所处理的研磨玻璃，比图19A至19D的扫描电子显微照片的放大倍数系列中示出的未处理的研磨玻璃表现出更加平坦并且更加颗粒状，但其它方面表现出相同。
实施例7
使用热轧、冷轧和退火步骤对GOES锭进行常规热机械加工。在最终冷轧后，GOES板在氢和氮氛围中经历最终正火处理。这在表面上形成含有硅和铁的薄氧化物层。接着用过量的氧化镁(MgO)粉末对GOES板表面进行涂覆，从而防止卷材圈在最终热退火步骤粘着。使GOES板在氢氛围中经受最终退火，以便在板表面形成薄的、均匀的、富含硅的镁橄榄石晶体(Mg₂SiO₄)绝缘层。在去除过量MgO粉末的连续热压平和擦洗台上将带材解卷。擦洗台包括剧烈擦拭和喷水。使带材与5％柠檬酸溶液通过喷雾或浸泡接触，其中接触时间为10秒钟。接着用水冲洗带材。冲洗后，将带材在炉内热压平，这通过加热至高温、而同时轻轻拉动带材来去除皱褶和波纹。这一步骤后，将带材冷却并接着使用磷酸单锰化合物进行顶面涂覆。接着带材进入通过烧制来固化涂层的第二炉。所述有顶面涂层的带材具有低于约0.1安培的平均富兰克林绝缘值。
实施例8
将来自实施例7的成品钢切成合适的宽度并送至铁芯制作器。将铁芯刚切割成一定尺寸，并且以E-I方式堆叠或缠绕以形成变压器铁芯。
尽管已参考各种示例性、说明性和非限制实施方案来描述本公 开。然而，本领域的普通技术人员将认识到，可以在不脱离本发明范围的情况下对任何所公开的实施方案(或其部分)做出各种替代、修改或组合，本发明的范围仅由权利要求书限定。因此，应预期并理解的是，本公开涵盖本文未明确阐明的其它实施方案。例如，此类实施方案可以通过组合和/或修改本文描述的实施方案的任何公开步骤、成分、组分、部件、元件、特征、方面等得到。因此，本公开不限于各种示例性、说明性和非限制实施方案的说明，而是仅由权利要求书限定。通过这种方式，应理解，在实行本专利申请期间，可以对权利要求做出修改，以向本文中以不同方式描述的所要求保护的本发明添加特征。