Для чего используется сталь электротехническая?

Электротехническая сталь – разновидность черного металлопроката, нелегированная или легированная кремнием, алюминием с заданными ферромагнитными свойствами. Она широко применяется в сильноточном и слаботочном производстве электрооборудования и электротоваров общего потребления. Из нее изготавливают магнитопроводы, рассчитанные для работы в магнитных полях при изменении вектора намагниченности частотой до 400 Гц. При этом сталь отличается низкой доступной ценой и высоким уровнем индукции.

Электротехническая сталь

Этим термином в металлургической промышленности называют сталь кремнистую электротехническую, а также железо чистое. Электротехническими сталями называют материалы, из которых производят различные детали для нужд электрической и электронной промышленности. Определенные свойства данного вида металла обеспечивают нормальную работу и продляют срок эксплуатации приборам, изготовленным из него.

Кремнистая сталь

Этот вид данного металла – основной магнитомягкий материал, который имеет массовое потребление. Кремний в составе стали содержится в различных количествах. Это зависит от того, какой уровень магнитных свойств требуется. Благодаря кремнию удельное сопротивление стали увеличивается, а коэрцитивная сила уменьшается, также снижаются потери на гистерезис.

Если кремния содержится 5 % и более, механические свойства значительно ухудшаются: хрупкость и твердость повышаются. Такая сталь для штамповки непригодна.

Производители

Этот материал производят по всему миру. Основными потребителями его считаются Япония и Китай. Они потребляют и производят до 50% всей электротехнической стали. Основным производителем является Китай, а Япония в основном экспортирует этот вид стали.

На территории Российской Федерации делают гораздо больше металла, чем необходимо для использования внутри страны. Стоимость этого вида на российском рынке составляет 80-180 рублей за килограмм. В последние годы Российской Федерации удалось выйти на объемы производства, которые составили 10% от мирового импорта стали. В качестве основных производителей выступают:

Северсталь.
ВИЗ-Сталь.
Новолипецкий металлургический комбинат.

Эти учреждения производят продукцию в количестве в несколько раз превосходящем потребности внутреннего рынка. Это дает возможность продавать материал западным странам, таким как Италия, Швейцария, а также отправлять сталь в Индию.

Если обратить внимание на конкретный вид стали в общем объеме производства, то упор делают на динамный сортамент металла. Сталь для создания электрооборудования составляет только 30% от всего объема производства, так как ее не нужно неограниченное количество. Ее стоимость в пределах 120-180 руб./кг.

Чистое железо

Сплавы, содержание углерода в которых составляет 0,02 % и меньше, называют чистым железом. Оно технически относится к сталям электротехническим и является материалом, который называют магнитно-мягким. Из него производят сердечники, электромагниты, полюсные наконечники, пластины для аккумуляторов.

Технически чистым железом называют низкоуглеродистую сталь, в которой содержание углерода составляет до 0,05 %. Другие примеси в ней если и содержатся, то в минимальном количестве. Такую сталь получают в результате восстановления чистых руд. Ее магнитные свойства зависят от того, в каком количестве содержатся примеси.

Для получения чистого железа с малым содержанием примесей используют два способа:

Электролиз, в результате чего получают электролитическое железо.
Термическое разложение, посредством которого осуществляется производство карбонильного железа.

Примеси в составе

В своем составе сталь электротехническая может содержать и другие компоненты: серу, углерод, марганец, фосфор и прочие. Самый вредный из них — углерод (С). Он может находиться в форме как цементита, так и графита. Это по-разному влияет на сплав, так же, как и процент содержания углерода. Чтобы избежать нежелательных включений элемента С, нельзя сталь быстро охлаждать для следующего старения и стабилизации.

Отрицательное воздействие на свойства материала оказывают следующие компоненты: кислород, сера, марганец. Они снижают его магнитные качества. Техническое железо в своем составе обязательно имеет примеси. Здесь их приходится учитывать в совокупности, не так, как для чистого железа.

Можно улучшить свойства стали, применив очистку от примесей. Но такой метод не всегда выгоден на масштабном производстве. А вот с помощью холодной прокатки листовая электротехническая сталь образует в своей структуре магнитные свойства. Это позволяет добиться лучших результатов. Но обязательно необходим дальнейший обжиг.

Виды стали

Технология производства влияет на конечный продукт. В зависимости от этого электротехническая сталь бывает:

Холоднокатаная с содержанием кремния в ней 3,3 %, которая разделяется на изотропную и анизотропную.
Горячекатаная – изотропная, содержание кремния составляет 4,5 %.

Легирующей добавкой может быть алюминий, его количество в составе стали — 0,5 %. Данный вид металла иногда разделяют условно, согласно чему сталь бывает:

Динамная (изотропная).
Трансформаторная (анизотропная).
Релейная (изотропная, нелегированная).

Холодная прокатка

На протяжении длительного времени считали, что кремний увеличивает хрупкость стали. Производство проходило в основном с помощью горячей прокатки. Рентабельность холодной прокатки была низкой.

Только после того, как было обнаружено, что холодная обработка вдоль направления повышает магнитные свойства материала, она получила широкое применение. Другие направления показали себя только с худшей стороны. Холодная прокатка благотворно повлияла на механические свойства, а также на улучшение качества листовой поверхности, повысила его волнистость и дала возможность штампования.

Отличительные свойства, которые получила сталь электротехническая за счет применения холодной обработки, можно объяснить образованием в ней кристаллографической текстуры. Она отличается несколькими степенями. Они, в свою очередь, зависят от того, при какой температуре проходит прокатка, также от толщины необходимого листа и от того, в какой степени он обжат.

Себестоимость листа одной толщины горячекатаной стали в 2 раза ниже, чем холоднокатаной.

Но данное отрицательное качество полностью компенсируется низкими теплопотерями (их меньше примерно раза в два), высоким качеством и возможностью хорошей штамповки холоднокатаного сплава. Различие в этих сталях — содержание кремния. Его количество составляет от 3,3% до 4,5% соответственно.

Как кремний влияет на магнитные свойства стали?

Кремний в твердом состоянии растворяется в железе при температуре, достигающей 800 оС. Его растворимость в этом случае составляет 15 %. Сплавы, в которых кремния содержится до 2,5 %, имеют область, обладающую способностью расширяться при условии, что содержание углерода увеличивается.

К ним относятся электротехнические стали марок 1212, 2011 и другие. Кремний – единственный элемент, благодаря которому увеличивается магнитная проницаемость стали и ее электрическое сопротивление. Он также способствует понижению коэрцитивной силы, в результате чего уменьшаются потери на перемагничивание. Технология выплавки стали строится так, чтобы готовый продукт содержал меньше примесей при достаточном содержании кремния.

ТЕКСТУРОВАННАЯ ТРАНСФОРМАТОРНАЯ СТАЛЬ НОРМАНА ГОССА

В 1933 г. Норману П. Госсу, исследователю и изобретателю из Кливленда, штат Огайо, США, удалось путем двукратной холодной прокатки и термообработки получить трансформаторную сталь, имевшую при содержании кремния 3–3,5 % весьма высокие магнитные свойства вдоль направления прокатки. На эту технологию им был получен патент США № 1965559 «Электротехническая листовая сталь, способ и оборудование для ее производства и испытания» (заявка — 1933 г., опубликовано — 1934 г., автор Н. П. Госс, патентообладатель — фирма Сold Metal Process Co). Согласно этому патенту, процесс изготовления состоял из отжига горячекатаного материала при температуре 900 ºС, холодной прокатки с уменьшением толщины на 60 %, вторичного отжига при 900 ºС, повторной холодной прокатки с уменьшением толщины на 60 %, отжига сначала при 1 100 ºС, а затем — при 700 ºС для уменьшения старения. Максимальная магнитная проницаемость μm в первых образцах этой стали была равна 15 000 Гс/Э, что в 1,5–2 раза выше проницаемости лучшей марки горячекатаной трансформаторной стали. Ваттные потери имеют, соответственно, меньшую величину.

В 1937 г. американский ученый Вильямс (Williams H. J.) в результате лабораторных исследований доказал, что высокие магнитные характеристики стали, полученной Госсом, объясняются наличием в ней направленного расположения кристаллитов – зерен (текстуры), полученного при определенных режимах холодной прокатки и термообработки В холоднокатаной стали Госса направление легкого намагничивания и наименьшей коэрцитивной силы в ее элементарной ячейке (ребро объемно-центрированного куба кристаллической решетки ) совпадает с направлением прокатки, направление трудного намагничивания находится под углом 55º к направлению прокатки, а ось направления среднего намагничивания — под углом 90º к направлению прокатки. Последние два направления лежат в поперечной плоскости куба. Такая текстура получила название «ребровая текстура» или «госсовская текстура» (рис. 1, а).

После публикации сообщения Госса о его работе были предложены многие методы получения текстурованных сталей холодной прокаткой и отжигом. Сам Госс в 1937 г. изготавливал материал с хорошими свойствами, применяя прокатку при температуре приблизительно 800 ºС, отжиг, холодную прокатку и окончательный отжиг при 1 100 . В 1938 г. ºС. Хименц применял при прокатке последовательные понижения температур, заканчивая процесс холодной прокаткой. Полученный материал затем отжигался при температуре 1 250 ºС. В 1941 г. Карпентер обезуглероживал сплав перед холодной прокаткой отжигом горячекатаных листов с неудаленной окалиной и заканчивал процесс отжигом при температуре 800 ºС в регулируемой атмосфере для предотвращения загрязнения. В результате всех этих исследований было выявлено, что наилучший результат получается при комбинировании текстурирования материала и очистки его на различных стадиях изготовления — от выплавки до последнего отжига.

Промышленное производство текстурованной трансформаторной стали было освоено в 1940–1945 гг. сначала в США, а затем в европейских странах.

Норман П. Госс

В СССР важные исследования по разработке технологии производства холоднокатаной трансформаторной стали были выполнены Центральной заводской лабораторией ВИМЗ и Центральным научно-исследовательским институтом черной металлургии (ЦНИИЧМ) в течение 1944–1945 гг. Несмотря на то, что производство холоднокатаной трансформаторной стали в США осуществлялось с 1942 г., опубликованных данных о ее свойствах и технологии производства не было. Поэтому разработка и освоение производства этой стали в СССР базировались в основном на данных отечественных исследований. После удачных лабораторных экспериментов ВИМЗ изготовил первую в СССР партию холоднокатаной трансформаторной стали толщиной 0,35 мм, удельные потери в которой при Вm = 10 000 Гс и частоте 50 периодов в секунду приложенного напряжения были равны 0,79 Вт/кг.

Производство холоднокатаной трансформаторной стали впервые в Советском Союзе было организовано на Ленинградском сталепрокатном заводе в 1947 г. (лента толщиной 0,08 мм), затем в 1949 г. на Новосибирском металлургическом заводе (листы толщиной 0,35 и 0,50 мм). В дальнейшем производство холоднокатаной трансформаторной стали было освоено на (Москва) с термической обработкой в протяжных печах в атмосфере электролитического водорода, на и на Магнитогорском металлургическом комбинате.

Трансформаторная сталь с ребровой текстурой изготавливается под различными заводскими и фирменными названиями (в США — грайн-ориентид, электрикал стил, М и др.; в СССР — ХВП, ХТ18, ЭЗ10, ЭЗ20, ЭЗ30, Э330А; в Англии — юнисил, алфасил; в ФРГ — гиперм), однако химический состав этих сталей во всех странах почти одинаков (содержание кремния 2,8–3,5 %, остальное — железо и примеси). Различие в магнитных свойствах объясняется степенью совершенства текстуры, содержанием вредных примесей и особенностями режимов холодной прокатки и термической обработки.

Снижение вредных примесей (обезуглероживание до 0,005 %С), совершенствование режимов выплавки, холодной прокатки и термической обработки, улучшение качества поверхности позволили к концу 50-х гг. прошлого столетия повысить максимальную магнитную проницаемость промышленной трансформаторной стали с ребровой текстурой до 50 000–60 000 Гс/Э, а потери на гистерезис при В = 15 000 Гс снизить до 0,4 Вт/кг при частоте 50 Гц. Анизотропия потерь энергии стали с ребровой текстурой (отношение потерь под углом 90º к потерям под углом 0º по направлению прокатки) равна примерно 2,5–3,0.

Рис. 1. Расположение кристаллитов: а) ребровая текстура, б) кубическая текстура

Наряду с высокими магнитными свойствами текстурованные стали имеют низкий коэффициент старения (0–3 %), высокую пластичность, высокий коэффициент заполнения и высокое качество поверхности. Поверхность текстурованной трансформаторной стали, как правило, имеет высокие электроизоляционные и антикоррозийные свойства, получаемые путем специальной обработки.

Следует отметить, что применение сталей, обладающих магнитной анизотропией, требует такой конструкции магнитопровода, при которой магнитный поток проходит только в направлении наилучших магнитных свойств, т. е. в направлении прокатки. Выполнение поставленного условия возможно в результате применения ленточных сердечников (рис. 2, где а, б — сплошные ленточные сердечники; в, г — разрезные ленточные сердечники).

Применение текстурованных сталей позволяет в мощных трансформаторах уменьшить потери энергии на 20–30 %, стоимость трансформаторов — на 5 %, вес — на 10 %, расход стали — на 20 %. Для трансформаторов малой мощности выигрыш в весе еще более значителен.

Важным для электромашиностроительных заводов (потребителей) также является изготовление электротехнических сталей в виде ленты, смотанной в рулоны, что позволяет механизировать и автоматизировать поточное производство на этих заводах, а также у изготовителя — на металлургических заводах. Поэтому, начиная с 1940– 1948 гг., стала широко применяться холодная рулонная прокатка электротехнической стали в виде ленты на непрерывных или реверсивных станах.

Рулоны электротехнической стали

Создание и промышленное освоение в 30-х — 50-х гг. прошлого столетия холоднокатаной анизотропной электротехнической стали с ребровой текстурой было выдающимся достижением в области разработки магнитомягких материалов, однако расширение области ее применения и увеличение количества ее марок выявили некоторые, не всегда положительные, особенности ее использования, а именно:

— высокие магнитные свойства холоднокатаной стали с ребровой текстурой получаются только вдоль направления прокатки, в то время как для магнитопроводов электрических машин с круглой формой статора и ротора необходимо, чтобы анизотропия магнитных свойств была минимальна, так как выполнить требование параллельности направлений намагничивания и прокатки в этом случае достаточно трудно;

— магнитные свойства трансформаторной стали, имеющей ребровую текстуру, сильно ухудшаются с уменьшением толщины ленты до 0,15–0,10 мм и меньше.

Рис. 2. Ленточные сердечники

В свете указанных причин усилия исследователей были направлены на создание холоднокатаной стали, имеющей одинаково высокие магнитные свойства как вдоль направления прокатки, так и поперек его, при этом не теряющей свои магнитные характеристики при уменьшении толщины холоднокатаной ленты до 0,1 мм и меньше. И такая изотропная сталь была создана.

Листовая сталь

В электронике этот вид металла применяется больше всего. Листы электротехнической стали представляют собой сплав, состоящий из железа и кремния, причем его содержание может достигать 4,8 %. Стали с низким содержанием веществ, благодаря которым их свойства улучшаются, носят название легированных.

Для получения электротехнической стали используются мартеновские печи. Для изготовления листов применяются слитки из стали, от состояния которых зависит способ прокатки: холодный или горячий. По этому признаку электротехническая сталь бывает холоднокатаная и горячекатаная.

Кроме легированных сталей, производятся текстурованные, обладающие более высокими магнитными свойствами, чем стали обычные, полученные способом горячей прокатки. Достигается это за счет повторной прокатки листов, где они подвергаются сильному обжатию. Кроме того, далее следует отжиг в атмосфере, наполненной водородом. Применение данных манипуляций очищает сталь от таких элементов, как углерод и кислород. Для производства листовой стали текстурованной применяются оба вида прокатки, но больше ценится металл, произведенный холодным методом.

Отличительные особенности изотропной и анизотропной сталей

Какими свойствами будет обладать соединение зависит от того, сколько в него добавили кремния во время производственного процесса. Горячекатаная и холоднокатаная сталь имеют разные по размеру ячейки. Если материал отличается крупными кристаллами, то его магнитная проницаемость больше, но незначительная коэрцитивная сила, если сравнить с материалами с мелкими кристаллами. Размер зерен зависит от применяемой механической или термической обработки.

Во время отжига внутреннее напряжение в металле понижается, а одновременно с этим кристаллы увеличиваются, формируя структуру. Если сделать горячую прокатку, то не получится сформировать зерна устойчивыми в определенном положении, поэтому они размещаются хаотично. Это изотропная сталь. Она обладает магнитными свойствами, не зависящими от направления.

Чтобы была получить текстурированный материал второй раз прибегают к холодной прокатке стали, сопровождая ее отжигом в особых условиях. Это позволяет получить анизотропную сталь. Ребра в ней расположены так, как проходила прокатка. Расположение материала в правильном положении способствует повышению магнитной проницаемости и снижению коэрцитивной силы, улучшению работы устройств.

Электротехническую сталь производят и продают в рулонах или отдельных листах. Их длина от 720 до 1000 мм.

Классификация

Ее основу составляют различия стали по таким параметрам, как назначение, магнитные свойства, химический состав. Классифицируется металл по следующим показателям:

В зависимости от способа прокатки и структурного состояния сталь делится на первый, второй и третий классы.
По количественному составу кремния. Если его содержится менее 0,4 %, то эта сталь — не легированная.
В зависимости от основных нормирующих характеристик сталь делится на группы: от «0» до «7».
Цифры, указанные в марке стали, обозначают: первая – класс в зависимости от вида прокатки и структурного состояния; вторая – количество кремния; третья – группу основных характеристик, четвертая – тип стали по порядковому номеру.

ГОСТ электротехнической стали соответствует стандартам и обозначается цифрами: для листов – 11036, для лент – 3863.

Вывод

Трансформаторная сталь производится с добавлением кремния. Этот элемент обеспечивает улучшение электромагнитных характеристик ее используют для создания сердечников трансформаторов, стержневых и броневых магнитопроводов. В маркировке изделий заложена информация о типе стали и основных нормируемых характеристиках. Стоимость материала на российском рынке составляет 120-180 руб. за кг.

Производством этого материала занимаются разные компании, но наибольшее количество выпускается на территории Китара, если рассматривать показатели по всему миру. России удалось выйти на рынок и производить до 10% мирового количества стали.

Свойства стали

Сталь электротехническая листовая обладает следующими свойствами:

Удельным сопротивлением. Качество материала лучше, если этот показатель высокий. Благодаря сопротивлению электрический ток при прохождении испытывает препятствия. Для производства проводников используется сталь с минимальными значениями данного показателя. А вот для их экранирования, а также для изготовления корпусов, наоборот, важно, чтобы электричество удерживалось внутри и его потери в пути были минимальными. Поэтому и сталь как сырье должна соответствовать данным требованиям.
Низкой коэрцитивной силой. По показателям данного параметра судят, насколько магнитное поле внутри материала способно к размагничиванию. Электротехническая сталь для трансформаторов и электродвигателей должна хорошо размагничиваться, то есть обладать высокой способностью к этому. Электромагниты, наоборот, производятся из стали, обладающей высокой коэрцитивной силой. Такой металл получил название анизотропной электротехнической стали.

Соответствующей шириной петли гистерезиса. Этот показатель оказывает влияние на способность элементов, участвующих в работе электрической цепи, снова возвращаться в начальное состояние после того, как прибор будет выключен. Когда в цепь будет прекращена подача электричества, в ее составных частях какое-то время сохраняется напряжение, которое называют механическим. В деталях прибора первоначальное состояние восстановится гораздо быстрей, если петля гистерезиса будет иметь меньшие размеры по ширине.
Магнитной проницаемостью. Если этот показатель высокий, это означает, что со своими функциями материал справляется отлично.
Значимым показателем, особенно в электронике, является толщина листа, которая не должна превышать одного миллиметра.

Применение листовой стали

Промышленность выпускает листы, достигающие ширины 240-1000 мм, длины – 720-2000 мм, толщины – от 0,1 до 1,0 мм. Кроме этого, производятся узкие ленты 0,15 – 1,0 мм толщиной. Свойства листовой стали позволяют использовать ее в электронике. Из нее изготавливают сердечники, магнитопроводы, дроссели, роторы и статоры для динамомашин, реле, электродвигатели, стабилизаторы, трансформаторы тока и многое другое. В большинстве случаев применяется текстурованная сталь, так как ее магнитные характеристики имеют большее значение.

Обозначение

Маркируется буквой «Э», за ней идет номер, цифры которого имеют определенное значение:

Первая цифра в значении маркировки означает степень легирования стали с кремнием. От слаболегированной до высоколегированной, соответственно в цифрах от 1 до 4. Динамные – это стали из групп Э1 и Э2. Трансформаторные – Э3 и Э4.
Вторая же цифра маркировки имеет диапазон от 1 до 8. Она показывает электромагнитные свойства материала при применении ее в определенных эксплуатационных условиях. По этой маркировке можно узнать, в каких областях можно применять ту или иную сталь.

Цифра ноль следом за второй цифрой означает, что сталь текстурированная. Если стоят два ноля, то она мало текстурированная.

В конце маркировки можно встретить следующие буквы:

«А» — удельные потери материала очень низкие.
«П» — материал с высокой прочностью проката и высокой отделкой поверхности.

Дефекты стали

Почему электротехническая сталь имеет дефекты? Причины их появления различные. В процессе производства стали металлургические дефекты могут появляться из-за высокого содержания кремния в составе сплава, в результате чего образование газовых пузырьков и рослости слитков гарантировано.

Другой дефект появляется, когда при разливе стали заворачиваются корочки. В результате образуются плены, которые значительно снижают качественные характеристики поверхности стали.

Значительно снижает качество металла такой дефект, как внутренние трещины, которые называются «скворечниками». Они появляются, если охлаждение происходит на большой скорости и низкой температуре – 120 оС.

Расшифровка маркировки

Каждая марка стали обозначается определенными цифрами, несущими в себе информацию:

Вначале маркировки стоит число, показывающее структурное строение и вид прокатки. К первому классу относят горячекатаную изотропную, ко второму – холоднокатаную изотропную, к третьему – холоднокатаную анизотропную.
Вторая – количество кремния в материале от 0,4 до 4,8%.
Третья – принадлежность к нормируемой группе.
Начальные цифры используются для обозначения типа.

Четвертая и пятая цифры показывают основные нормируемые характеристики в количественном значении. Маркировка предоставляет основную информацию о материале.

Марки электротехнической стали

На каждом листе цифрами нанесена марка. Она обозначает назначение стали.

Полюса у электромашин, работающих от постоянного тока, детали двигателей, мощность которых достигает менее 100 кВт, магнитопроводы приборов производятся из малотекстурованной стали холодной прокатки марки 2211 или нетекстурованного металла горячей прокатки марок 1211-1213. Металл обладает высокой пластичностью.
Роторы и статоры двигателей, мощность которых составляет 100-400 кВт, изготавливаются из нетекстурованной электротехнической стали горячей прокатки таких марок, как 1312 и 1311. У металла хорошая пластичность.
Роторы и статоры двигателей, мощность которых 400-1000 кВт, силовые трансформаторы малой мощности, двигатели, частота которых повышенная, производятся из мало текстурованной стали холодной прокатки марки 2411 или нетекстурованной стали горячей прокатки марок 1412, 1411.

Сердечник электротехнической стали

Для изготовления сердечников статоров и роторов, которыми комплектуются электрические машины, работающие от переменного тока, используется листовая сталь второго класса. Сердечник из электротехнической стали применяется в силовых трансформаторах. Для его изготовления используют нелегированный металл этого вида, имеющий нормированные свойства. По своему химическому составу эта сталь бывает разной. Но ее магнитные свойства как после обжига, который осуществляется при температуре до 950 оС и без присутствия кислорода, так и после охлаждения в течение 10 часов при температуре 600 оС, не должны быть ниже разработанных норм.

Сердечник якоря электротехнической стали, которым комплектуется машины, работающие от постоянного тока, набирается из листов именно этого металла. А почему? Применение данного материала целесообразно потому, что изменение магнитного потока в сердечнике влечет за собой возникновение вихревых токов. Чтобы от них не происходило нагревание сердечника якоря, для его изготовления используют изолированные пластины, которые будут преграждать путь току.