Что такое электротехническая сталь — где применяют, состав и свойства

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:

1. Северсталь.
2. ВИЗ-Сталь.
3. 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).

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.

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.

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.

Производители выпускают всего два вида стали, которые соответствуют по ГОСТу.

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.

Источник

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.

Производство

Электротехническая сталь выпускается в виде листов (часто в рулонах) и узкой ленты толщиной 0,05—1 мм. Качество электротехнической стали характеризуется электромагнитными свойствами (удельными потерями, коэрцитивной силой и индукцией), изотропностью свойств (разницей в значениях свойств металла вдоль и поперёк направления прокатки), геометрическими размерами и качеством листов и полос, механическими свойствами, а также параметрами покрытия. Снижение удельных потерь в стали обеспечивает уменьшение потерь энергии, а повышение максимальной индукции стали позволяет уменьшить габариты, снижение анизотропии свойств улучшает характеристики устройств с вращающимися магнитопроводом. Электротехническая сталь обычно поставляется в отожжённом состоянии. Для снятия механических напряжений, возникающих при изготовлении деталей, проводят дополнительный кратковременный отжиг при 800—850°С. Некоторые электротехнические стали поставляются в неотожжённом виде; в этом случае для обеспечения заданного уровня свойств после механической обработки необходимо проводить термическую обработку деталей.

Для изотропной тонколистовой электротехнической стали в различных странах приняты следующие стандарты: ГОСТ 21427.2-83, ASTM A677/A677M-89, EN 10106-96.

Источник

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.

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.

Сфера эксплуатации

Делится сплав по области применения на три вида:

• пригодный для работы в сильных и средних магнитных полях (чистота перемагничивания 50 Гц);
• подходящий для работы в средних полях при частоте до 400 Гц;
• сталь, которая эксплуатируется в средних и малых магнитных полях.

Листы электротехнической стали выпускают следующих размеров: ширина от 240 до 1000 мм, по длине могут быть от 720 мм до 2000 мм, толщина — в диапазоне от 0,1 до 1 мм. Больше всего применение находят текстурированные стали, так как они обладают высоким значением электромагнитных свойств. Листы такого материала часто используют в электротехнике.