Электротехническая сталь: виды, свойства и применение

Электротехническая сталь (ЭТС) относится к виду ферромагнитных сплавов, адаптированных под конкретные магнитные свойства. Это разновидность чермета: тонколистового, магнито-мягкого, с повышенным электромагнетизмом и нефиксированной частью кремния – 0,8-5%. Доля Si варьируется, она влияет на магнитные характеристики металла.

Электротехническая сталь: маркировка, механические свойства

Отечественную ЭТС различают по составу кремния, способу производства, магнитным и электрическим показателям. Маркировка состоит из 4-5 цифр и возможной вариации из 1-2 букв. В качестве примера возьмем – M110-23S. Каждый символ обозначает:

 Примечание: четвертая и пятая цифры в маркировке присутствуют только у релейных сталей. Это параметр коэрцитивной силы (А/м).

При легировании сплавов ферросилицием возможно:

• выделить цементит и заместить его графитом;
• вывести из состава кислород;
• улучшить магнитную проницаемость Fe;
• повысить R (удельное электрическое сопротивление);
• снизить потери на токи Фуко (при Si≥ 4%).

Магнитная проницаемость

В различного рода электрических агрегатах нашла применение низкоуглеродистая электротехническая сталь: магнитная проницаемость (μ) выражает варьирование векторного показателя – магнитной индукции, при воздействии на нее напряженности и силового (магнитного) поля. У ЭТС μ высокая, а коэрцитивная сила, в противовес, небольшая. Кремний обезуглероживает сплав, что ведет к увеличению магнитной проницаемости.

μ в числовом выражении показывает, во сколько раз абсолютный ее показатель превышает магнитную константу. Большее значение присуще крупнокристаллическим структурам, меньшее – мелкокристаллическим. Сталь усиливает магнитное поле, задает ему определенный вектор. Величину изменения магнитной проницаемости при колебаниях температуры сплава выражает температурный коэффициент магнитной проницаемости.

Коэрцитивная сила

Характеристика возможности силового поля, создаваемого электрическим током, к размагничиванию. Это напряженность магнитного поля на статической предельной петле гистерезиса, при которой индукция в металле отсутствует. Измеряется в амперах на метр. У ЭТС коэрцитивная сила, как и потери на гистерезис, небольшие.

Интенсивность размагничивания варьируется в зависимости от вида устройств. Кремний в качестве добавки увеличивает удельное сопротивление ЭТС, снижает потери на гистерезис, что приводит к уменьшению коэрцитивной силы. При соотношении Si ≥5% происходит резкое повышение твердости и хрупкости, что делает трансформаторное железо непригодным для штамповки.

Удельное электрическое сопротивление

Параметр характеризует способность металла сопротивляться прохождению электрического тока. Зависит напрямую от процентного содержания кремния – элемент ослабляет старение стали. Сопротивление увеличивается с ростом температуры. Чем больше доля Si, тем выше средний показатель R, меньше потери на вихревые токи.

Использование ЭТС позволяет электрической напряженности сконцентрироваться внутри проводника и обеспечить целенаправленную доставку электрических зарядов в конечную точку распределения. Поэтому электротехническая сталь для электродвигателей используется при изготовлении их основных частей в ЭМП частотой до 20 000 Hz.

Виды электротехнической стали

ЭТС поставляется как с незащищенным верхним слоем, так и с изоляционным покрытием. Хотя четкой «рецептуры» по химическому составу сталь электротехническая не имеет, массовая доля основополагающего элемента – Si или соединения Si+Al (на уровне 0,5%) – делит ее на категории:

• трансформаторная – степень легирования 3,0-4,5%;
• динамная – 0,8-2,5%.

Еще один фактор, определяющий свойства материалов – внутреннее строение, размер ячеек. Здесь кроется коренное различие между холодно- и горячекатаными сплавами. Термообработка и механические воздействия помогают добиться нужного размера зерна. В зависимости от типа производства и уровня магнитных свойств бывает:

• высокопроницаемая трансформаторная сталь – при B₈₀₀ (выпрямляющем отжиге) ≥ 1,90 (Тл);
• повышенной проницаемости – 1,85 Тл ≤ B₈₀₀ ≤ 1,89 (Тл);
• ограниченной проницаемости – B₈₀₀ ≤ 1,85 (Тл).

Холоднокатаная ЭТС

Прокатка стальной заготовки холодным способом вдоль осевого направления повышает магнитные и другие механические показатели, улучшает качество поверхности, но и вдвое повышает цену на металл по сравнению с горячим способом обработки. Текстурованная холоднокатаная электротехническая сталь выпускается в виде лент, смотанных в рулоны. Благодаря кремнию (3,3%) и кристаллографической структуре, хорошо штампуется. Ее μ выше, чем у высокотемпературного аналога. Исходя из термообработки, толщины листа (от 0,5 до 3,9 мм включительно), степени его обжатия ЭТС делится на несколько степеней.

Промышленностью выпускается 2 вида металлопроката этой специфики:

• ЭТС изотропная тонколистовая (динамная) – стандарт ГОСТ 21427.2, полностью отвечающий EN 10106. Это марки 2011-2013, 2111, 2112, 2211-2216, 2312, 2411-2414, 2421.
• Анизотропная тонколистовая сталь электротехническая трансформаторная – ГОСТ 21427.1, соответствующий требованиям стандарта EN 10107. Сортамент: 3311, 3404-3409, 3411-3415.

Горячекатаный металл

Горячая прокатка создает в структуре стали хаотичную ориентацию зерен, формирует независимые от вектора направленности магнитные характеристики. Содержание кремния в различных марках горячекатаных ЭТС даны с учетом стандарта ГОСТ 21427.3.

 Изотропный металл содержит 4,5% Si. Повторное деформирование на прокатном стане листов толщиной от 2,0 до 3,9 мм включительно приводит к их более сильному обжатию и получению текстурованного продукта, наделенного повышенным магнетизмом. По сравнению с холодной термообработкой здесь не так резко проявляется эффект насыщения, наблюдается больший угол наклона покатых участков главной кривой намагничивания. Поэтому горячекатаная сталь применение нашла в феррорезонансных стабилизаторах, как материал насыщающегося сердечника, где не слишком суровые требования к качеству стабилизации и весу.

Кремнистые стали

Сплав с добавлением в состав до 4% кремния и содержанием углерода до 0,08% выпускается двух видов: горячей и холодной прокатки. Бывает изотропным и анизотропным. Учитывая метод производства, классифицируется по ГОСТ 21427.1 и ГОСТ 21427.4 (анизотропная сталь), а также 21427.2 (изотропная). Недорогой металл обладает повышенной прочностью и высоким пределом упругости. Намагничивается быстрее, чем самое чистое железо.

Так как электротехнические кремнистые стали отличаются склонностью к образованию поверхностных изъянов при горячей обработке, обезуглероживанию, графитообразованию, практикуется их дополнительное легирование Сг, Mn, W, Ni. Таким образом, увеличивается прокаливаемость, снижается рост зерна при нагреве.

 Какими показателями качества характеризуются электротехнические стали и сплавы?

На свойства металла влияют факторы:

• геометрические параметры;
• удельные потери;
• индукция;
• коэрцитивная сила;
• изотропность;
• характеристики покрытия.

Электротехнические стали и сплавы обладают характерной особенностью: делают возможным уменьшить сопротивление и, как следствие, снизить энергозатраты на посыл электрических сигналов.

Геометрические габариты

На свойства металла кроме химического состава влияет физико-кристаллографические параметры листа. Они формируются в процессе многоступенчатой механической и термообработки при переделе заготовки в пластины. Прокат из ЭТС нормируется по таким параметрам:

• поперечная и продольная разнотолщинность;
• предельные отклонения по толщине и ширине;
• максимальная высота заусенца;
• плоскостность.

Геометрия поперечного профиля полос после горячей прокатки влияет на показатели растягивающих напряжений в листе и вероятность их обрыва.

Признаки электроизоляционного покрытия

Электроизоляционное покрытие (ЭИП) на стальной полосе – одно из главных требований потребителей. Состав ЭИП способствует формированию растягивающих усилий между металлом и самой изоляцией, что снижает удельные потери на 1,5-2 Вт/кг. Холоднокатаная анизотропная сталь бывает без электроизоляционного покрытия или с покрытием термостойким, не усложняющим штамповку, и с мягким.

Динамная трансформаторная электротехническая сталь марок 2111-2216 и других с ЭИП тестируется по адгезии и коэффициенту электросопротивления покрытия, его толщине, цвету, термо- и маслостойкости.

Магнитная индукция

ЭТС характеризуется высокой магнитной проницаемостью и незначительными потерями в переменном магнитном поле. Замеры магнитной индукции (В) проводятся в ЭМП (электромагнитном поле) с заданной напряженностью и выражаются в Тл (теслах) или Гс (гауссах). С относительно невысокой В электротехническая сталь нашла применение в изготовлении мощных (более 400 кВт) установок, обеспечивая им минимальные магнитные потери. При мощностях 20-40 кВт доминирует магнитная индукция с умеренными удельными магнитными потерями.

Производство электротехнических сталей

Выплавка металла проводится в печах мартеновских, дуговых электрических. Применяется метод полного окисления. После разливки сплавов формируются слитки или при непрерывной разливке – слябы. Трансформаторная сталь содержит посторонние примеси в пределах 3-4,5%, производится в рулонах, лентах и листах стандартной толщины: 0,23; 0,27; 0,30; 0,35; 0,5 (мм). Листы катают из заготовок в холодном или горячем состоянии. Кремнистый сплав получают при электрошлаковом переплаве. Доля горячекатаной ЭТС в общем объеме производства из-за низких магнитных свойств, высокой себестоимости, невысокого качества поверхности постепенно уменьшается.

Для каких целей применяют электротехнические стали?

ЭТС – это идеальное решение для изготовления магнитно-активных узлов агрегатов и приборов по генерации и преобразованию электрической энергии. В производстве электромашин используются 3 вида материалов: конструкционные, изоляционные и активные. Тонколистовая электротехническая сталь считается как раз незаменимым активным сплавом для любой электрической машины.

Применение кремнистого железа актуально при производстве:

• электромагнитов;
• пружин;
• подвесок;
• рессор;
• торсионных валов;
• ленточных сердечников;
• магнитных цепей, работающих на частотах 50 – 400 Гц.

Профили из релейного сплава и листовая электротехническая сталь востребованы в магнитопроводах оборудования, функционирующего по принципу «включить/отключить».

Реакторы

Электромагнитные управляемые установки в автоматическом режиме регулируют реактивную мощность. Активная область реактора, кроме обмоток, содержит и магнитопровод, выполненный из ЭТС. Такая конструкция позволяет плавно корректировать реактивную мощность, потребляемую реактором, чему как раз и способствует изменение насыщения магнитопровода. В коммутационных и токоограничивающих реакторах сердечники обычно выполнены из электротехнических кремнистостальных листов толщиной 0,25…0,5 мм.

Генераторы

Преобразователи полученной из внешнего источника механической энергии в электрическую работают по принципу электромагнитной индукции. Технология изготовления сердечников из листовой ЭТС непосредственно влияет на их магнитные свойства. Уменьшить магнитное рассеяние дополнительных полюсов, ослабить размагничивающее действие реакции якоря помогает сердечник из листовой ЭТС толщиной 0,5 мм. Для сердечников главных полюсов используется анизотропный холоднокатаный металл марки 3411 толщиной 1 мм.

Высоко- и низковольтная аппаратура

Приборы, способные функционировать под большим (˃1 кВ) и невысоким (до 1 кВ) напряжением, служат для операций по тестированию электрооборудования, измерений в промышленной энергетике, энергоснабжении различных объектов. Использование ЭТС с низким уровнем магнитных потерь вызвано повышением требований к надежности, безопасности и качеству аппаратуры.

Так как аморфная электротехническая сталь значительно уменьшает утечки в распределительной сети, то закономерно, что в однофазном распределительном трансформаторе с таким сердечником потери холостого хода минимизированы.

Трансформаторы

Электромагнитные установки статического типа предназначены для преобразования напряжения и тока имеющихся параметров в заданные величины. Устройства различаются по своему назначению. Применяется нержавеющая, электротехническая сталь для трансформаторов, магнитная, с достаточным коэффициентом проницаемости. Это повышает удельное электрическое сопротивление и способствует уменьшению потерь мощности, вызываемых вихревыми токами, чем «страдает» сердечник трансформатора. В итоге: при незначительном нагреве сердечника в целом продуктивность установки повышается.

Использование в мощных агрегатах текстурированной стали:

• экономит расход металла (до 20%);
• снижает потери на 1/3;
• уменьшает вес установки на 10%.

Для решения конкретных задач нужна определенная марка ЭТС. Если вы затрудняетесь с выбором стали, обращайтесь к специалистам ООО «Метинвест-СМЦ». Форма поставки варьируется – лента, рулоны, листы.