Електротехнічна сталь: види, властивості та застосування

Електротехнічна сталь (ЕТС) належить до виду феромагнітних сплавів, адаптованих під конкретні магнітні властивості. Це різновид чормету: тонколистового, магніто-м'якого, з підвищеним електромагнетизмом й нефіксованою частиною кремнію – 0,8-5%. Частка Si варіюється, вона впливає на магнітні властивості металу.

Електротехнічна сталь: маркування, механічні властивості

Вітчизняну ЕТС розрізняють за складом кремнію, способом виробництва, магнітним та електричним показниками. Маркування складається з 4-5 цифр й можливої ​​варіації з 1-2 букв. Як приклад візьмемо – M110-23S. Кожен символ позначає:

Примітка: четверта і п'ята цифри в маркуванні присутні тільки у релейних сталей. Це параметр коерцитивної сили (А/м).

При легуванні сплавів феросиліцєм можливо:

• виділити цементит та замістити його графітом;
• вивести зі складу кисень;
• поліпшити магнітну проникність Fe;
• підвищити R (питомий електричний опір);
• знизити втрати на струми Фуко (при Si≥ 4%).

Магнітна проникність

У різного роду електричних агрегатах знайшла застосування низьковуглецева електротехнічна сталь: магнітна проникність (μ) висловлює варіювання векторного показника – магнітної індукції, при впливі на неї напруженості й силового (магнітного) поля. У ЕТС μ висока, а коерцитивна сила, на противагу, невелика. Кремній викликає зневуглецювання сплаву, що веде до збільшення магнітної проникності.

μ в числовому вираженні показує, у скільки разів абсолютний її показник перевищує магнітну константу. Більше значення притаманне крупнокристалічним структурам, менше – дрібнокристалічним. Сталь підсилює магнітне поле, задає йому певний вектор. Величину зміни магнітної проникності при коливаннях температури сплаву вдображає температурний коефіцієнт магнітної проникності.

Коерцитивна сила

Характеристика можливості силового поля, створюваного електричним струмом, до розмагнічування. Це напруженість магнітного поля на статичній граничній петлі гістерезису, при якій індукція в металі відсутня. Вимірюється в амперах на метр. У ЕТС коерцитивної сила, як і втрати на гістерезис, невеликі.

Інтенсивність розмагнічування варіюється в залежності від виду пристроїв. Кремній в якості добавки збільшує питомий опір ЕТС, знижує втрати на гістерезис, що призводить до зменшення коерцитивної сили. При співвідношенні Si ≥5% відбувається різке підвищення твердості й крихкості, що робить трансформаторне залізо непридатним для штампування.

Питомий електричний опір

Параметр характеризує здатність металу чинити опір проходженню електричного струму. Залежить безпосередньо від процентного вмісту кремнію – елемент послаблює старіння сталі. Опір збільшується зі зростанням температури. Чим більше частка Si, тим вище середній показник R, менше втрати на вихрові струми.

Використання ЕТС дозволяє електричній напруженості сконцентруватися всередині провідника й забезпечити цілеспрямовану доставку електричних зарядів в кінцеву точку розподілу. Тому електротехнічна сталь для електродвигунів використовується при виготовленні їх основних частин в ЕМП частотою до 20 000 Hz.

Види електротехнічної сталі

ЕТС поставляється як з незахищеним верхнім шаром, так і з ізоляційним покриттям. Хоча чіткої «рецептури» за хімічним складом сталь електротехнічна не має, масова частка основного елемента – Si або з'єднання Si + Al (на рівні 0,5%) – ділить її на категорії:

• трансформаторна – ступінь легування 3,0-4,5%;
• динамна – 0,8-2,5%.

Ще один фактор, що визначає властивості матеріалів – внутрішня будова, розмір чарунок. Тут криється корінна відмінність між холодно- й гарячекатаними сплавами. Термообробка й механічні дії допомагають домогтися потрібного розміру зерна. Залежно від типу виробництва та рівня магнітних властивостей буває:

• високопроникна трансформаторна сталь – при B₈₀₀ (випрямлючем відпалі) ≥ 1,90 (Тл);
• підвищеної проникності – 1,85 Тл ≤ B₈₀₀ ≤ 1,89 (Тл);
• обмеженою проникності – B₈₀₀ ≤ 1,85 (Тл).

Холоднокатана ЕТС

Прокатка сталевої заготівлі холодним способом уздовж осьового напрямку підвищує магнітні та інші механічні показники, покращує якість поверхні, але й вдвічі підвищує ціну на метал в порівнянні з гарячим способом обробки. Текстурована холоднокатана електротехнічна сталь випускається у вигляді стрічок, змотаних в рулони. Завдяки кремнію (3,3%) й кристалографічній структурі, добре штампується. Її μ вище, ніж у високотемпературного аналога. Виходячи з термообробки, товщини листа (від 0,5 до 3,9 мм включно), ступеня його обтиску ЕТС поділяється на кілька ступенів.

Промисловістю випускається 2 види металопрокату цієї специфіки:

• ЕТС ізотропна тонколистова (динамна) – стандарт ГОСТ 21427.2, що повністю відповідає EN 10106. Це марки 2011-2013, 2111, 2112, 2211-2216, 2312, 2411-2414, 2421.
• Анізотропна тонколистова сталь електротехнічна трансформаторна – ГОСТ 21427.1, який відповідає вимогам стандарту EN 10107. Сортамент: 3311, 3404-3409, 3411-3415.

Гарячекатаний метал

Гаряча прокатка створює в структурі сталі хаотичну орієнтацію зерен, формує незалежні від вектора спрямованості магнітні властивості. Зміст кремнію в різних марках гарячекатаних ЕТС надано з урахуванням стандарту ГОСТ 21427.3.

Ізотропний метал містить 4,5% Si. Повторне деформування на прокатному стані листів товщиною від 2,0 до 3,9 мм включно призводить до їх більш сильного обтиснення й отримання текстурованого продукту, наділеного підвищеним магнетизмом. У порівнянні з холодною термообробкою тут не так різко проявляється ефект насичення, спостерігається більший кут нахилу похилих ділянок головною кривої намагнічування. Тому гарячекатана сталь застосування знайшла в ферорезонансних стабілізаторах, як матеріал насичуємого сердечника, де не надто суворі вимоги до якості стабілізації і вазі.

Крем'янисті сталі

Сплав з додаванням до складу до 4% кремнію й вмістом вуглецю до 0,08% випускається двох видів: гарячої та холодної прокатки. Буває ізотропним та анізотропним. З огляду на метод виробництва, класифікується за ГОСТ 21427.1-83 й ГОСТ 21427.4-78 (анізотропна сталь), а також 21427.2-83 (ізотропна). Недорогий метал має підвищену міцність й високу межу пружності. Намагнічується швидше, ніж найчистіше залізо.

Так як електротехнічні крем'янисті сталі відрізняються схильністю до утворення поверхневих вад при гарячій обробці, зневуглецюванню, графітоутворенню, практикується їх додаткове легування Сг, Mn, W, Ni. Таким чином, збільшується прожарюваність, знижується зростання зерна при нагріванні.

Якими показниками якості характеризуються електротехнічні сталі і сплави?

На властивості металу впливають фактори:

• геометричні параметри;
• питомі втрати;
• індукція;
• коерцитивна сила;
• ізотропність;
• характеристики покриття.

Електротехнічні сталі й сплави мають характерну особливість: роблять можливим зменшити опір і, як наслідок, знизити енерговитрати на посилання електричних сигналів.

Геометричні розміри

На властивості металу крім хімічного складу впливає фізико-кристалографічні параметри листа. Вони формуються в процесі ступеневої механічної й термічної обробки при переділі заготівлі в пластини. Прокат з ЕТС нормується за такими параметрами:

• поперечна й поздовжня різнотовщинність;
• граничні відхилення по товщині й ширині;
• максимальна висота задирки;
• площинність.

Геометрія поперечного профілю смуг після гарячої прокатки впливає на показники розтягуючих напружень в листі і ймовірність їх обриву.

Ознаки електроізоляційного покриття

Електроізоляційне покриття (ЕІП) на сталевій смузі – одна з головних вимог споживачів. Склад ЕІП сприяє формуванню розтягуючих зусиль між металом й самої ізоляцією, що знижує питомі втрати на 1,5-2 Вт/кг. Холоднокатана анізотропна сталь буває без електроізоляційного покриття або з покриттям термостійким, що не ускладнює штампування, та з м'яким.

Динамная трансформаторна електротехнічна сталь марок 2111-2216 й інших з ЕІП тестується за адгезією та коефіцієнтом електроопору покриття, його товщиною, кольором, термо- і маслостійкості.

Магнітна індукція

ЕТС характеризується високою магнітною проникністю й незначними втратами в змінному магнітному полі. Заміри магнітної індукції (В) проводяться в ЕМП (електромагнітному полі) із заданою напруженістю і виражаються в Тл (теслах) або Гс (гаусах). З відносно невисокою В електротехнічна сталь знайшла застосування в виготовленні потужних (понад 400 кВт) установок, забезпечуючи їм мінімальні магнітні втрати. При потужностях 20-40 кВт домінує магнітна індукція з помірними питомими магнітними втратами.

Виробництво електротехнічних сталей

Виплавка металу проводиться в печах мартенівських, дугових електричних. Застосовується метод повного окислення. Після розливки сплавів формуються злитки або при безперервному розливанні – сляби. Трансформаторна сталь містить сторонні домішки в межах 3-4,5%, виробляється в рулонах, стрічках і листах стандартної товщини: 0,23; 0,27; 0,30; 0,35; 0,5 (мм). Листи катають із заготівок у холодному або гарячому стані. Крем'яністий сплав отримують при електрошлаковому переплав. Частка гарячекатаної ЕТС в загальному обсязі виробництва через низькі магнітні властивості, високу собівартість, невисоку якість поверхні поступово зменшується.

Для яких цілей застосовують електротехнічні сталі?

ЕТС – це ідеальне рішення для виготовлення магнітно-активних вузлів агрегатів та приладів по генерації й перетворенню електричної енергії. У виробництві електромашин використовуються 3 види матеріалів: конструкційні, ізоляційні й активні. Тонколистова електротехнічна сталь вважається якраз незамінним активним сплавом для будь-якої електричної машини.

Застосування крем'яністого заліза актуально при виробництві:

• електромагнітів;
• пружин;
• підвісок;
• ресор;
• торсіонних валів;
• стрічкових сердечників;
• магнітних ланцюгів, що працюють на частотах 50 - 400 Гц.

Профілі з релейного сплаву та листова електротехнічна сталь затребувані в магнітопроводах обладнання, яке функціонує за принципом «включити/відключити».

Реактори

Електромагнітні керовані установки в автоматичному режимі регулюють реактивну потужність. Активна область реактора, крім обмоток, містить й магнітопровід, виконаний з ЕТС. Така конструкція дозволяє плавно коригувати реактивну потужність, споживану реактором, чому якраз і сприяє зміна насичення ммагнітопроводу. У комутаційних й струмообмежуючих реакторах сердечники зазвичай виконані з електротехнічних кремнійстальних листів товщиною 0,25 ... 0,5 мм.

Генератори

Перетворювачі отриманої із зовнішнього джерела механічної енергії в електричну працюють за принципом електромагнітної індукції. Технологія виготовлення сердечників з листової ЕТС безпосередньо впливає на їх магнітні властивості. Зменшити магнітне розсіювання додаткових полюсів, послабити розмагнічуючу дію реакції якоря допомагає сердечник з листової ЕТС товщиною 0,5 мм. Для сердечників головних полюсів використовується анізотропний холоднокатаний метал марки 3411 товщиною 1 мм.

Високо- і низьковольтна апаратура

Прилади, здатні функціонувати під великою (˃1 кВ) та невисокою (до 1 кВ) напругою, служать для операцій з тестування електрообладнання, вимірювань в промисловій енергетиці, енергопостачанні різних об'єктів. Використання ЕТС з низьким рівнем магнітних втрат викликано підвищенням вимог до надійності, безпеки і якості апаратури.

Так як аморфна електротехнічна сталь значно зменшує витоку в розподільній мережі, то закономірно, що в однофазному розподільному трансформаторі з таким сердечником втрати холостого ходу мінімізовані.

Трансформатори

Електромагнітні установки статичного типу призначені для перетворення напруги та струму наявних параметрів в задані величини. Пристрої розрізняються за своїм призначенням. Застосовується нержавіюча, електротехнічна сталь для трансформаторів, магнітна, з достатнім коефіцієнтом проникності. Це підвищує питомий електричний опір й сприяє зменшенню втрат потужності, що викликаються вихровими струмами, чим «страждає» сердечник трансформатора. У підсумку: при незначному нагріванні сердечника в цілому продуктивність установки підвищується.

Використання в потужних агрегатах текстурированої сталі:

• заощаджує витрати металу (до 20%);
• знижує втрати на 1/3;
• зменшує вагу установки на 10%.

Для вирішення конкретних завдань потрібна певна марка ЕТС. Якщо ви не впевнені у виборі сталі, звертайтеся до фахівців ТОВ «Метінвест-СМЦ». Форма поставки варіюється – стрічка, рулони, листи.