Электротехнические стали

Электротехнические стали предназначены для изготовления сердечников трансформаторов, дросселей, статоров и роторов динамомашин, различных деталей электромагнитных приборов и аппаратов. Эти изделия работают в переменных магнитных полях, поэтому в них индуцируются вихревые токи. Кроме того,они подвергаются быстрому перемагничиванию. Потери мощности на возбуждение вихревых токов и на перемагничивание снижают к.п.д. машин и поэтому должны быть сведены к минимуму. Одним из основных требований, предъявляемых к свойствам электротехнической стали, является минимальная величина суммы этих потерь, отнесенная к единице массы электротехнической стали. Эти потери измеряют в Вт/кг и их называют удельными или ваттными потерями.

 

 

Величина ваттных потерь определяется как качеством электротехнической стали, так и конструкцией и технологией  изготовления изделий из нее. Например, сила вихревых токов в сердечниках  трансформаторов и, следовательно, мощность потерь определяются электрическим  сопротивлением материала и площадью поперечного сечения листов, из которых  набран сердечник, и чем больше электросопротивление и меньше толщина листов, тем меньше ваттные потери. Потери на перемагничивание определяются шириной петли гистерезиса: чем уже петля гистерезиса и меньше коэрцитивная сила, тем меньше удельные потери мощности, теряемой на перемагничивание. Ширина петли гистерезиса и коэрцитивная сила зависят от состава электротехнической стали.

 

К электротехническим сталям предъявляют  и ряд других требований, вытекающих из особенностей службы изделий. Если, например, сталь для изготовления магнитопроводов трансформаторов должна обладать высокими электротехническими свойствами в одном направлении, что означает, что для этого металла допускается большая анизотропия магнитных свойств, то для изготовления сердечников динамомашин и других аппаратов с разветвленным магнитным потоком необходимо, чтобы анизотропия свойств была минимальной.

 

Одно из важных свойств электротехнических сталей заключается в их склонности к старению, которое приводит к  заметному изменению свойств  и ухудшает работу аппаратов.

 

Большинство изделий из трансформаторных сталей изготавливают методом штамповки  из листа. Поэтому ко всем трансформаторным сталям предъявляют высокие требования в отношении их пластичности при  прокатке и штамповке.

 

Комплекс необходимых свойств  электротехнических сталей зависит  от химического состава металла  и определенных физико-кристаллографических параметров листа, обеспечиваемых в  результате сложной механической и  термической обработки при переделе, слитка в лист.

 

Электротехнический лист получают горячей и холодной прокаткой. В  настоящее время производят только трансформаторной стали 30 марок горячекатаной  и 39 марок холоднокатаной. Холодная прокатка электротехнического металла  предпочтительнее, так как позволяет  получать текстурованный лист (текстура — это преимущественная ориентация кристаллов в поликристаллическом  агрегате, в данном случае в листе). В таком листе ваттные потери и коэрцитивная сила меньше, чем  в нетекстурованном.

 

Высокие электромагнитные свойства, низкие ваттные потери и высокая  магнитная индукция обеспечиваются совершенной ребровой (110) и [001] или  кубической (100) [001] текстурой. В листе из с ребровой текстурой ваттные потери вдоль направления прокатки в два раза ниже, чем в горячекатаных листах. Но ребровой текстуре свойственна ярко выраженная анизотропия электромагнитных свойств: в поперечном направлении удельные потери почти в 4 раза, а коэрцитивная сила в 3 раза больше, чем в направлении прокатки.

 

Сталь с кубической текстурой отличается еще более высокими электротехническими  свойствами как в продольном, так и особенно в поперечном направлении относительно прокатки. Поэтому в настоящее время расширяют производство холоднокатаного электротехнического листа текстурой и осваивают выпуск листа с кубической текстурой и производство горячекатаного листа постепенно сокращают, в ближайшие годы будет полностью прекращено.

 

Рисунок.1 Схема расположения кристаллов в листе электротехнической текстурованной стали

 

 

Совершенная ребровая структура трансформаторной стали образуется при двукратной холодной прокатке с промежуточным  и окончательным отжигом. Для  ее образования в процессе вторичной  рекристаллизации необходимо наличие  дисперсных включений. Их роль проявляется  в том, что при вторичной рекристаллизации они препятствуют нормальному росту  зерен исходной структуры, в результате чего преимущественный рост получают отдельные зерна с ориентацией, образовавшиеся при первичной рекристаллизации.

 

Для получения высоких свойств трансформаторной стали необходимо, чтобы примеси, образующие включения, были удалены после того, как будет получена совершенная ребровая структура. Это происходит на заключительной стадии термической обработки путем растворения включений, диффузии примесей к поверхности и удаления их в газовую фазу.

 

Получению ребровой текстуры способствуют включения двух типов: сульфиды марганца и нитриды алюминия или кремния. Соответственно применяют и два  варианта технологии производства трансформаторной стали — серный и азотный. При  применении серного варианта в металле  должно быть около 0,1 % Мn и примерно 0,02% S. Еще в СССР получил распространение в основном азотный вариант технологии производства электротехнической стали в дуговых печах.

 

Электротехнические свойства листа  в значительной степени определяются размерами зерна, с увеличением  которого удельные потери снижаются. Объясняется  это искаженной кристаллической  решеткой границ зерен, являющихся поэтому препятствием для прохождения магнитного поля. Увеличение размеров зерна сокращает протяженность границ и тем самым способствует улучшению свойств листа.

 

Поскольку свойства трансформаторной стали определяются не только химическим составом металла, но и физико-кристаллографическими  параметрами листа, зависящими в  свою очередь от состава металла  и способа производства листа, стандартная  маркировка листовой электротехнической стали отражает ее назначение, химический состав, технологию изготовления листа  и его магнитные свойства. Например, в маркировке Э43А, Э3200, Э330А цифры  и буквы расшифровываются следующим  образом:

 

Э — электротехническая сталь;

первая цифра — содержание кремния, %;

вторая цифра — гарантированные  магнитные свойства стали (1 — с  нормальными, 2 — с пониженными, 3 — с низкими ваттными потерями);

00 — сталь холоднокатаная малотекстурованная,

0 — холоднокатаная текстурованная;

А — сталь повышенного качества с особо низкими потерями.

 

 

Кремний является единственным элементом, вводимым в трансформаторную сталь  с целью улучшения электротехнических свойств железа, поэтому в маркировке отражается его содержание. Наличие  кремния увеличивает магнитную  проницаемость и электросопротивление стали, понижает коэрцитивную силу, уменьшая тем самым потери и на перемагничивание и на вихревые токи. Все другие элементы, за исключением фосфора, отрицательно влияют на электротехнические свойства железа. Поэтому технология выплавки и передела электротехнических сталей строится таким образом чтобы в готовом листе при значительном количестве кремния содержалось как можно меньше других примесей.

 

Содержание кремния в электротехнических сталях обычно составляет 0,8—4,5%. Более  высокие концентрации кремния не применяют, так как, уменьшая потери и увеличивая магнитную проницаемость, кремний одновременно отрицательно влияет на величину магнитного насыщения  и технологическую пластичность стали.

 

В связи с этим для изготовления изделий, которые должны обладать высоким  магнитным насыщением, используют трансформаторные стали, содержащие пониженное количество кремния. Поэтому в так называемых динамных сталях содержание кремния составляет 2-3%. В трансформаторных сталях, которые должны иметь минимальные потери при перемагничивании, содержание кремния составляет 3—4,5%.

 

Кроме кремния, увеличению размеров зерна  и улучшению электротехнических свойств стали способствуют добавки фосфора. Однако, поскольку фосфор одновременно увеличивает хрупкость стали, его можно использовать лишь в небольших (до 0,2%) количествах для легирования более пластичных динамных сталей.

 

 

 

Высокое содержание кремния вызывает появление в этих сталях ряда специфических  металлургических дефектов. Наиболее распространенным дефектом электротехнических сталей являются газовые пузыри и  рослость слитков. Установлена зависимость  степени поражения слитков от содержания водорода: слитки получаются плотными с глубокой усадкой при  содержании водорода менее 4 мл на 100 г  металла, а при содержании водорода 8 мл на 100 г металла все слитки не дают усадки. Эти концентрации не превышают обычного уровня для легированных конструкционных, шарикоподшипниковых  и нержавеющих сталей, но дефект проявляется только на электротехнических сталях.

 

Рисунок. 2 Влияние примесей на гистерезисные  потери электротехнической стали, содержащей 4% кремния, при магнитной индукции 1 Т

 

 

Объясняется это уменьшением в  присутствии кремния растворимости  водорода, что в процессе кристаллизации вызывает его сильную ликвацию и  образование пузырей. Поэтому при  выплавке электротехнических сталей должно уделяться особое имание мерам по снижению содержания водорода, некоторое влияние на рослость слитков оказывает и присутствующее в металле азота. В силу этого его содержание в металле не должно р выщать 0,006—0,010%. Сильно влияет на поражение металла пузырями температура: чем она выше, тем больше растворяется в металле газов и, кроме того, тем в большей степени замедляется кристаллизация, вызывая усиление ликвации и увеличение поражения слитков пузырями. Поэтому температура металла при разливке должна быть не выше 1590° С.

 

Другими дефектами электротехнических сталей являются завороты корочки при  разливке, вызывающие образование плен и снижающие качество поверхности  металла, а также образование  в слитках внутренних трещин —  «скворечников», возникающих при  большой скорости охлаждения при  температуре ниже 120° С.