Для чего используется сталь электротехническая?

Металлургическая промышленность занимается производством деталей, конструкций из металла, одним из видов которого является электротехническая сталь. Она широко применяется для изготовления электрических и электронных конструкций и деталей.

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.

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.

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.

Углерод: его влияние

Магнитным свойствам стали особенно вредит влияние углерода. Его примесь значительно затрудняет образование текстуры. Данные свойства стали находятся в прямой зависимости от количества примесей углерода и от вида его содержания в сплаве. Если углерод из цементита переходит в графит, происходит значительное улучшение магнитных свойств стали.

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.

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.

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.

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.

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.

Магнитопроводы

Данный вид оборудования представляет собой конструкции из пластин или ленты, то есть из отдельных элементов набирается трансформатор. В зависимости от формы пластин, из которых собираются магнитопроводы, они называются броневыми и стержневыми. В ленточных магнитопроводах из электротехнической стали используются свойства, которыми характеризуется холоднокатаный анизотропный металл данного вида. Чтобы удобней осуществлять намотку, изготовляются магнитопроводы в разрезанном виде.

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.