Электротехническая сталь (трансформаторная) – свойства и применение

Электротехническая сталь – это разновидность черного металла с улучшенными электромагнитными свойствами. Добиться этого удается внедрением кремния. Таким образом, как металл, электротехническая сталь представляет собой сплав железа с кремнием, содержание которого составляет 0.8 – 4.8%. Наименование, этот специфический состав получил вследствие области своего непосредственно применения.

Электротехническая сталь, также имеет названия динамная сталь, трансформаторная сталь и кремнистая электротехническая сталь.

Зачем кремний в стали?

Легирование производится не чистым элементом кремнием, а ферросилицием. Это вещество представляет собой сплав FeSi с железом. Легирование стали Si позволяет вывести из металла кислород, элемент – оказывающий наибольшее негативное воздействие на магнитные свойства Fe. Происходит реакция восстановления железа из его окислов, с результирующим образованием оксида кремния, частичного переходящего в шлак.

Так выглядит ферросилициий – марка ФС45

Второй положительный эффект от внедрения кремния в сталь связан с выделением цеменита (Fе3С) из металла, который замещается образующимся графитом. Оба соединения, оксид железа и цеменит увеличивают коэрцитивной силы в металле, что приводит к росту потерь на гистерезис. Более того, легирование кремнием железа с концентрацией Si выше 4% способствует также снижению потерь на вихревые токи, что обусловлено повышением удельного электрического сопротивления электротехнической стали относительно ее марок, нелегированных кремнием.

Химический состав стали с улучшенными магнитными характеристиками

Исходя из вышесказанного, повышение содержания кремния в металле снижает удельный вес оксидов железа. Как показывает практика, одновременно с этим происходит рост индукции насыщения Вs железа. Ее максимальная величина достигается при содержании Si на уровне 6.4%.

Однако по химическому составу электротехническая сталь остается легированным металлом с содержанием кремния не более 4.8%. Это связано с ухудшением механических свойств металла, хрупкости в частности, при росте концентрации Si. Наряду с кремнием в электротехническую сталь может добавляться алюминий на уровне 0.5%.

Сердечник трансформатора из электротехнической стали

Исходя из химического состава (содержания легирующих примесей), металл разделяют на две категории динамная  и трансформаторная сталь. В первой разновидности процент вхождения кремния составляет 0.8 – 2.5%, тогда как трансформаторное железо характеризуется уровнем легирования 3.0 – 4.5%.

Читайте также: Лом трансформаторов, о том, как сдают трансформаторы в металлолом, и что ценного в них есть.

Изотропная и анизотропная сталь – отличия производства

Как можно понять из вышесказанного, характеристики легированного соединения сильно зависят от содержания кремния. Вторым фактором, определяющим свойства металла, выступает его внутренняя структура, которая формируется в процессе производства. В частности горячекатаная и холоднокатаная стали обладают различными по размеру ячейками. Для крупнокристаллических материалов характерны большие величины магнитной проницаемостью, но коэрцитивная сила существенно ниже, чем у металлов с мелкокристаллической структурой. Варьировать размер зерна позволяют два вида обработки: механическая и термическая.

Так отжиг стали способствует понижению внутренних напряжений в металле, одновременно приводя к увеличению кристаллов, образующих его структуру. Горячая прокатка электротехнической стали не способна создать устойчивую ориентацию зерен внутри металла, оставляя ее хаотичной. Подобная изотропная сталь, как результат, характеризуется независимостью магнитных свойств от направления.

Добиться текстурованной структуры с определенной пространственной ориентацией кристаллов в металле позволяет повторной холодной прокатки стали, сопровождающаяся отжигом при особых условиях. Как результат получается анизотропная сталь, где ребра кубической решетки кристаллов установлены в направлении прокатки. Расположив анизотропную сталь в правильном направлении, можно добиться повышения магнитной проницаемости, одновременно понизив коэрцитивную силу.

Производство электротехнической стали налажено в виде листового проката с шириной полосы 240 – 1000 мм. Металл выпускается рулонами или отдельными листами, длина которых варьируется от 720 до 2000 мм. Толщина электротехнического стального профиля начинается с 0.05 мм и может иметь следующие показатели: 0.1, 0.2, 0.35, 0.5 и 1,0 мм. Кроме того, классификация электротехнических сталей по разновидности продукции допускает следующие виды проката: сортовой и лента резанная.

Марки изотропной тонколистовой стали х/к: 2011, 2012, 2013, 2014, 2015, 2016, 2312, 2411, 2412, 2413, 2414, 2421.

Марки анизотропной тонколистовой стали х/к: 3311 (3411), 3411, 3412, 3413, 3414, 3415, 3404, 3405, 3406, 3407, 3408, 3409.

Металлическая буква “Е” – что это?

Всех мучил вопрос в детстве – что эта за металлическая буква Е или Ш такая?

Эта металлическая пластина в виде буквы Ш или Е (кто как видит) и есть та самая трансформаторная сталь, точнее сердечник трансформатора, изготовленный из электротехнической стали. Такие пластины часто попадались в детстве – ржавые, гнутые, склеенные, кто-то затачивал их и бросался, словно, самурайскими сюрикэнами.

Буква Е или Ш – та, что мы видели в детстве

Этих металлических букв Ш (Е), казалось, валяется целая куча  – они были в каждом дворе иногда валялись целыми россыпями, а появлялись они после разбора вот таких трансформаторов, см. фото:

Внутри этого трансформатора находится сердечник из трансформаторной стали и склеенных букв “Е”

Электротехническая сталь – марки

Маркировка данного вида металла представляет число, где его цифры указывают:

1. Первая – структурное состояние металла и класс его прокатки. Это может быть горячекатаная (1) или холоднокатаная (2) изотропная, а также холоднокатаная анизотропная разновидность стали.
2. Вторая – отображает процент вхождения кремния. Она принимает следующие допустимые значения от 0 до 5. Стартовая величина – менее 0.4% обозначается как 0. Вторая цифра 1 соответствуют содержанию Si 4 – 0.8 %. Последующие четыре значения отображают увеличение концентрации кремния на 1, вплоть до величины 4.8%.
3. Третья цифра характеризует электромагнитные характеристики: коэрцитивная сила, магнитна индукция и прочие.
4. Последние две цифры отображают количественное значение характеристики из третьего пункта.

Марки электротехнической стали:

• Сталь электротехническая сернистая: 1211, 1212, 1213, 1311, 1312, 1313, 1411, 1412, 1413, 1511, 1512, 1513, 1514, 1521, 1561, 1562, 1571, 1572, 2011, 2012, 2013, 2111, 2112, 2211, 2212, 2213, 2214, 2215, 2216, 2311, 2312, 2411, 2412, 2413, 2414, 2421, 3311, 3404, 3405, 3406, 3407, 3408, 3409, 3411, 3412, 3413, 3414, 3415, 3416, 3421, 3422, 3423, 3424, 3425

• Сталь электротехническая нелегированная: 10832, 10848, 10850, 10860, 10864, 10880, 10895, 11832, 11848, 11850, 11860, 11864, 11880, 11895, 20832, 20848, 20850, 20860, 20864, 20880, 20895, 21832, 21848, 21850, 21860, 21864, 21880, 21895

Свойства электротехнической стали

Ценность легированного кремнием железа обусловлена его улучшенными электромагнитными характеристиками: высокий уровень индукции насыщения, минимизация потерь на гистерезис, а также пониженная коэрцитивной сила. Поскольку анизотропная структура позволяет еще больше улучшить эти свойства, то спрос не текстурованные стали изначально выше.

Вопрос, для каких целей применяют электротехнические стали, находит ответ в наименовании металла. Одно из предназначений сплава –  это сердечники в таких устройствах:

• трансформаторов тока;

• статоры и роторы электрооборудования;

• силовых трансформаторов.

Силовой трансформатор

Кроме того, электротехническая сталь – отличный материал для магнитопроводов в составе электрических аппаратов. Понять, почему сердечник трансформатора выполняют из электротехнической стали несложно. Это следует из свойств металла, в частности повышению удельного электрического сопротивления. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению потерь мощности от вихревых токов, характерных для сердечника трансформатора. Как результат, повышается общая эффективность устройства, а сам сердечник меньше нагревается.

Еще больше нивелировать потери от вихревых токов, можно уменьшив толщину пластин. Поэтому электротехническая сталь для электродвигателей, в частности сердечников трансформаторов, должна иметь толщину 0.5 мм при частоте 50 Гц. Если источник тока работает на больших частотах, под сердечник используют более толстые листы электротехнической стали: 0.1 или 0.2 мм.

Дополнительные потери энергии в сердечнике трансформатора происходят вследствие гистерезиса – процесса циклического перемагничивания. Сузить петлю гистерезиса, соответственно уменьшить ее площадь приведут к понижению потерь на перемагничивание. Это вторая причина использования электротехнической стали в сердечнике трансформатора.

Поскольку снижение потерь на вихревые токи и гистерезис достигается повышением содержания кремния в металле, сплав с высокой концентрацией Si получил название трансформаторная сталь, характеристики которой лучше подстроены именно под трансформаторы. Выражаясь языком цифр, в производстве мощных трансформаторов использование текстурованной стали позволяет уменьшить уровень потерь на треть. Кроме того, это способствует снижению массы трансформатора на 10% и расхода самого металла на 20%.

Сбор сердечника трансформатора

Кроме трансформаторов, электротехническая сталь, в зависимости от марки применяется для:

• магнитных цепей при изготовлении электрического оборудования – марки 2212, сернистая изотропная, 20895/20880 АРМКО;

• электродвигателей и подобных изделий – марка 10895/Э12/АРМКО;

• прочая электротехническая продукция – марка10880/Э10/АРМКО.

Назначение некоторых марок стали электротехнической:

Основные производители электротехнической стали

Если рассматривать выпуск данного вида металла в мировом масштабе, то основными игроками выступаю восточные страны: Китай и Япония. Их долевой вклад в производстве и потребление электротехнической стали составляет до 50%. Дисбаланс между странами состоит в том, что Китай – основной производитель, тогда как Япония преимущественно экспортирует этот сортамент стали.

Готовая продукция – рулоны электротехнической стали

Россия относится к числу тех государств, где объемы производства металла превышают внутреннее потребление сортамента электротехническая сталь. Цена этого вида продукции на отечественном рынке составляет от 80 до 180 рублей за килограмм. На сегодня РФ сумела выйти на объемы производства данного сортамента металла, которые составляют 10% от общего мирового импорта электротехнической стали. Основными производителями металла на российском рынке выступают:

• Северсталь;

• ВИЗ-Сталь;

• Новолипецкий металлургический комбинат.

Объемы, производимой ими продукции троекратно превосходят потребности внутреннего рынка, что позволять импортировать электротехническую сталь как на Запад: Италия, Швейцария, так и в сторону Востока – Индия. Что касается долю конкретного вида стали в общем объеме, то две трети производственных мощностей ориентированы на выпуск динамного сортамента металла. И только 30% производства – это трансформаторная сталь, цена которой составляет 120 – 180 руб/кг.

Видео: Резка электротехнической стали лазером