Все, что нужно знать об электротехнической стали

Для сердечников трансформаторов, реле, звонков и электродвигателей применяют электротехническую сталь. К примеру, «проволочная» калёная им не подойдёт. Причина особых требований – заметные потери на перемагничивание у многих стандартных сортов стали.

Электротехническая сталь (ЭТС) – сплав, отличающийся по примесям, к примеру, дозировкой кремнийсодержащих соединений. Таким соединением выступают молекулы ферросилиция – именно им легируют сталь для электрических магнитопроводов.

Железо с низким содержанием угля – до 0,2 промилле – ценится благодаря низким потерям на перемагничивание в циклах переменного тока (его частота может колебаться от единиц герц до сотен мегагерц). Чтобы добиться данного эффекта, выпускают кремнистую мягкую сталью. Содержание кремния в ней приближается к отметке в несколько процентов – по массе, от общего состава продукции.

Спрос на текстурированные таким образом стали заметно высокий: стоимость килограмма трансформаторной стали превышает цену на этот же килограмм нержавейки. ЭТС с ферросилицием – исходный материал для токовых и силовых (по электрическому напряжению, получаемому с выхода) трансформаторов, роторных и статорных сборок (сердечников). Силовой трансформатор на подстанции, а также электрогенератор (турбогенератор) на электростанции – типичное применение данного сплава, но ещё больший спрос трансформаторной стали наблюдается при производстве двигателей, например, вентиляторов и стиральных машин.

Удельное электрическое сопротивление ЭТС повышено – по сравнению с сопротивлением той же калёной проволоки (в пересчёте на эквивалентную площадь сечения). Сравнив, к примеру, сечение броневого сердечника трансформатора с тросом подъёмного крана такой же толщины (по площади в разрезе), отметим, что реальное электрическое сопротивление куска троса, равного по длине сердечнику, заметно ниже. Повышение сопротивления сердечника приводит к заметному снижению потерь на вихревые токи. КПД трансформатора возрастает, а перегрев в нагруженном режиме – уменьшается.

Кривая намагничивания, согласно ГОСТ, должна быть таковой, чтобы петля гистерезиса (характеристика, отвечающая за затраты на вихреток) не была выраженной. Существует ещё одна характеристика – коэрцитивная сила (КС), благодаря чему гистерезисный эффект на графике растягивается ещё больше. В идеальном магнитопроводе и тот, и иной эффект отсутствовали бы, при этом сердечник трансформатора считался бы отличным магнитопроводом благодаря нулевому, как у сверхпроводника, сопротивлению.

Даже если ввести сталь в это состояние, заморозив её до -270 градусов (температура, близкая к абсолютному нулю), то потери на вихревое перемагничивание всё равно останутся, пусть и в минимальном количестве. С вихревыми потерями борются также уменьшением толщины пластин. Так, для 50-60 Гц в питающей сети толщина пластин трансформатора – не более полумиллиметра.

Для 400-герцовых трансформаторов, а также для микротрансформаторов в зарядных устройствах для смартфонов и планшетов, которые зачастую меньше напёрстка из-за быстропеременного тока в 10 кГц и более, полученного путём «выпрямления» на сетевом диодном мосте и превращённого в ВЧ-напряжение с помощью простейшего преобразователя частоты, толщина пластины не превышает 1 мм. Для радиочастот и вовсе применяется цельный ферритовый тороид (кольцо), а не пластины.

Понижение потерь на гистерезисный эффект можно достичь, повысив процент кремния в стали. Однако существует предел, выше которого содержание кремния лучше не повышать: полезный эффект незначителен, зато ломкость пластин существенно возрастает. Параметры высококремнистой стали идеально подходят для использования в качестве магнитопровода – настолько, насколько позволяет это сделать реальная ситуация.

Кремнийсодержащая сталь уменьшает потери на 30% – по сравнению с потерями в той же калёной легированной стали. Масса трансформатора, электродвигателя, реле или электромагнита даёт возможность снизить и расход железа – до пятой части в пересчёте на состав обычной низкоуглеродистой стали, в которой кремния нет. Плотность трансформаторной стали – 7650 кг/м3 (у большинства легированных, не содержащих кремний в значительных количествах – 7,7… 7,8 г/см3, что на несколько процентов больше).

Производство трансформаторной стали основывается на горячекатаной и холоднокатаной технологии. Горячая прокатка – вторичная обработка с повышением температуры при раскатывании до нескольких сот градусов, холодная – при незначительном подогреве (не более 200). Общее начало – литьё и выпекание слитков-заготовок – имеется у обоих способов производства, вне зависимости от количества и процентной пропорции примесей, входящих в общий состав производимых первичных заготовок.

Горячепрокатная сталь не выделяется особыми свойствами. Трансформаторной она называется лишь из-за повышенного содержания кремния. Оно здесь достигает 4,5% по массе сплава. Дополнительно состав легируется алюминием – его содержание здесь равно примерно половине процента.

Горячепрокатный состав считается изотропным (динамная сталь). Нелегированная (без алюминия) – релейная сталь, она служит исходным материалом для изготовления пластин двигателей-генераторов, являющихся обратимыми в плане потребления/выработки электрического тока.

Горячий прокат, в связи с необходимостью прерывания технологического процесса, в настоящее время полностью вытесняется холоднопрокатным способом. Магнитные свойства горячекатаной стали в современных условиях считаются едва удовлетворительными или неудовлетворительными, так как из-за характеристик, присущих ей, наблюдается заметно меньшая эффективность деталей и узлов, одной из функций которых является преобразование механической энергии в электрическую и наоборот.

Параметры легированного стального сплава в значительной мере определяются процентным содержанием кремния. Внутреннее структурирование сплава также образуется при отливании и выпекании слитков, которые затем поступают в прокат.

Магнитная проницаемость свойственна в больших значениях лишь для сплавных материалов, содержащих значительный размер каждой из ячеек. Мелкие кристаллы, образующие основу других, схожих по химсоставу сплавов, обладают, наоборот, большей коэрцитивной составляющей. Управление размером кристалла (ячейки) – задача определённого типа и вида обработки стальных сплавов.

Например, отжигание заготовок даёт преодолеть избыточные внутренние напряжения в сплаве, при этом увеличивается размер его элементарной ячейки. Горячепрокатный способ обработки заготовок, полученных только что в печи, не способен существенно переупорядочить гранулы (кристаллы) в структуре сплава, отчего они остаются хаотично расположенными. Изотропная сталь в результате характеризуется независимостью магнитных параметров от направленности расположения кристаллов.

Чтобы эти гранулы заняли чёткую упорядоченную позицию, покончив при этом с присущей им хаотичностью окончательно, холодный прокат производится повторно, при этом используется отжигание в определённых условиях, отличающихся от стандартных. В результате образуется анизотропный сплав, где направляющие жёсткости кристаллической решётки состава совпадают с направлением проката. Разместив заготовку из анизотропного состава в верном направлении, мастер-прокатчик добьётся увеличения значения магнитной проницаемости, снизив в значительной мере КС.

Марки изотропной заготовки в тонких листах: 2011, 2012, 2013 и десятки иных. Неизотропная же представлена следующими кодами из каталога: 3311, 3411 и десятки других.

Маркировка ЭТС разграничивает её область применения. Так, сплавы 1211, 1212, 1213, 2211 применяют как подвижные вращатели (роторы) и полюсные пластины статорных сборок в моторах, работающих от незнакопеременного напряжения.

Мощность заводских установок, например, конвейерной ленты, может составлять до 100 киловатт. Магнитопроводы технических и медицинских приборов также обращаются к вышеуказанным «числовым» сортам. Пример – вибрационные сетевые бритвенные и машинки для стрижки волос, медицинские МРТ-сканеры, содержащие мощный электромагнитный контур – все они применяют эти высокопластичные сплавы.

1311, 1312 – эти сорта идут на изготовление пластин для асинхронных моторов, которым требуется три фазы переменного напряжения. Промышленная мощность этих двигателей – от 100 до 400 кВт. Обладают чуть худшей, чем предыдущие варианты из данного перечня, пластичностью.

Сорта 1411, 1412, 2411 – для тех же «асинхронников», однако их мощность доходит до мегаватта. Моторы повышенной частоты, например, 400-герцовые движки, а также бытовые трансформаторы – основа блоков питания – также используют эти три сорта в качестве материала для пластин сердечников. Пластичность – минимально удовлетворяющая основным запросам: при разборке пластины не ломаются, но малейшая попытка согнуть их приведёт к растрескиванию материала.

Маркировка, не имеющая букв, также поделена на составляющие:

• 1 или 2 (первая цифра) – горячая или холодная прокатка;
• 0… 5 (вторая) – ферросилиций, менее 1% кремния – «0»;
• 0… 9 (третья) коэрцсила и магнитоиндукция;
• 00… 99 (4-я и 5-я) – значения КС и МИ.

Полный список марок ЭТС для серосодержащих сплавов: 1211, 1212, 1213 и несколько десятков других.

ЭТС без легирования представлена следующими марками: 10832, 10848, 10850 и десятки иных.

Производители ЭТС, занимающие ведущие позиции – Россия, Китай и Япония. Отечественные компании, выпускающие ЭТС – «Северная Сталь», «ВИЗ» и Новолипецкий комбинат.

ЭТС поставляется на другие фабрики как листовая продукция. Найти в продаже этот же сорт ЭТС в виде прута или уголка весьма затруднительно – эти элементы можно получить лишь склейкой пластин. Готовые листы обладают шириной от 24 см до 1 м. Сплав производится в виде рулонной или отдельной листовой продукции, длина листа – от 72 см до 1 м. Толщина стали (листа, рулонной скрутки в один слой) – от 50 мкм до 1 мм. Типовые и несколько десятков иных марок толщиной – 100, 200, 350 мкм и 0,5 мм. ЭТС производится как сортовой материал и как разрезная лента.

Электромагнитные системы и электроника, работающая с высокими (от единиц килогерц) частотами, позволяют использовать эту сталь в виде сердечников трансформаторов и электромагнитов, дросселей, электрогенераторных двигателей и моторов.

Основным материалом для этих целей служит текстурированная сталь – использование её в этом случае наиболее целесообразно. Сила воздействия электромагнитного поля – низкий или высокий уровень – значения не имеет: ЭТС отлично проявит себя во всех подобных случаях. Поля большой интенсивности используются на частотах до 60 Гц, средней – до 400, малой – до десятков килогерц.

ЭТС хорошо поддаётся обработке – особенно низкоуглеродистая. Благодаря более чем хорошей (по количественному показателю) пластичности она легко разрезается при помощи аппаратов лазерной резки. Достоинство лазерной резки – непричинение повреждений из-за отсутствия прямого механического контакта резака с поверхностью и толщей листа-заготовки.

Термическая резка осуществляется при помощи газосварочной горелки, которая выдаёт реактивное (смесь ацетилена с кислородом) пламя. Его температура превышает 3000 по Цельсию. Плазменную резку выполняют путём лазерного раскраивания листа под действием луча запредельной мощности (насколько это возможно), благодаря чему металл превращается в плазму и образует ровную линию реза.