Анизотропная сталь что это

Изобретение относится к черной металлургии, конкретнее к химическому составу анизотропной электротехнической (трансформаторной) стали, выплавляемой в конвертере и предназначенной для непрерывной разливки в слябы и последующей их прокатки и термообработки. Задача изобретения заключается в повышении индукции и понижении удельных ваттных потерь трансформаторов, изготавляемых из заявляемой стали. Указанный технический эффект достигается тем, что анизотропная электротехническая сталь содержит углерод, кремний, фосфор, алюминий, азот, серу, никель, хром, марганец, медь. Сталь дополнительно содержит титан, кислород и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,020-0,050; кремний 2,8-3,3; фосфор 0,005-0,020; алюминий 0,011-0,021; азот 0,007-0,015; сера 0,010; никель 0,10; хром 0,10; марганец 0,10-0,30; медь 0,3-0,6; титан 0,0005-0,005; кислород 0,001-0,005; кальций 0,0002-0,001; железо – остальное. Изобретение обеспечивает возможность контроля структуро- и текстурообразования при нагреве и горячей обработке стали. 1 табл.

Изобретение относится к черной металлургии, конкретнее к химическому составу анизотропной электротехнической /трансформаторной/ стали, выплавляемой в конвертере и предназначенной для непрерывной разливки в слябы и последующей их прокатки и термообработки.

Наиболее близкой по технической сущности является анизотропная электротехническая сталь, содержащая, мас.%.: углерод 0,035-0,050; кремний 2,9-3,3; фосфор менее 0,015; алюминий 0,011-0,017; азот 0,008-0,012; сера менее 0,007; никель и/или хром 0,06-0,18; марганец менее 0,32; медь менее 0,6; остальное – железо. При этом Mn/S более 20,0; Сu/Мn более 1,5. /См. Международную заявку РСТ/КР 94/00160, кл. С 21 D 8/12, опубликована 01.05.1996/.

Недостатком известной стали являются высокие ваттные потери и низкая индукция магнитопроводов из известной стали, в том числе трансформаторов. Это объясняется отсутствием в химическом составе известной стали титана, кислорода и кальция. В этих условиях происходит образование в известной стали низкотемпературных ингибиторных фаз типа AlN и Сu₂S. Cказанное приводит в процессе нагрева и горячей прокатки непрерывно литых слябов к протеканию неконтролируемых процессов структуро- и текстурообразования, что вызывает формирование разнозернистой структуры и ухудшение необходимой направленной текстуры готовой металлопродукции.

Технический эффект при использовании изобретения заключается в повышении индукции и понижении удельных ваттных потерь трансформаторов, изготовляемых из заявляемой стали.

Указанный технический эффект достигается тем, что анизотропная электротехническая сталь содержит углерод, кремний, фосфор, алюминий, азот, серу, никель, хром, марганец, медь.

Сталь дополнительно содержит титан, кислород и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,020-0,050; кремний 2,8-3,3; фосфор 0,005-0,020; алюминий 0,011-0,021; азот 0,007-0,015; сера 0,010; никель 0,10; хром 0,10; марганец 0,10-0,30; медь 0,3-0,6; титан 0,0005-0,005; кислород 0,001-0,005; кальций 0,0002-0,001; железо – остальное.

Повышение индукции и понижение удельных ваттных потерь трансформаторов, изготовляемых из заявляемой стали, будет происходить вследствие введения в ее химический состав титана, кислорода и кальция в указанных пределах, а также изменения и уточнения количества содержания в стали фосфора, углерода, кремния, алюминия, азота, серы, никеля, хрома, марганца и меди.

Введение в сталь титана и кислорода обеспечивает формирование высокотемпературных дисперсных фаз TiN и Аl₂О₃, обеспечивающих контроль структуро- и текстурообразования при нагреве и горячей обработке стали. Введение в сталь кальция обеспечивает глобуляризацию включений Аl₂О₃ и снижение их негативного влияния на величину удельных магнитных потерь.

Диапазон содержания в стали титана в пределах 0,0005-0,005 мас.% объясняется физико-химическими закономерностями текстуро- и структурообразования в стали при горячей прокатке и последующих термообработках. Нижний предел содержания титана в стали выбран для обеспечения необходимого количества ингибиторной фазы. При меньших значениях влияние содержания титана на процесс структуро- и текстурообразования на ранних стадиях горячей прокатки стали не сказывается.

При больших значениях будет происходить увеличение количества крупных, не удаляемых в процессе рафинировочного отжига включений TiN, увеличивающих величину магнитных потерь в трансформаторах. Кроме того, титан связывает часть азота, необходимого для формирования частиц АlN, служащих ингибиторной фазой, что приводит к ухудшению текстуры в стали и к снижению величины магнитной индукции.

Легирование стали фосфором в пределах 0,005-0,020 мас.% объясняется необходимостью повышения штампуемости листовой стали.

Введение кислорода в сталь в пределах 0,001-0,005 мас.% осуществляется в процессе продувки кислородом при выплавке стали в конвертере. При меньших значениях не будет обеспечиваться необходимое количество дисперсных включений Аl₂О₃. При больших значениях будет происходить увеличение количества трудноудалимых оксидов алюминия, что приводит к ухудшению магнитных свойств стали.

Введение в сталь кальция в пределах 0,0002-0,001 мас.% объясняется необходимостью уменьшения негативного влияния включений Аl₂О₃ на магнитные свойства стали. При меньших значениях не будет обеспечиваться улучшение (глобуляризация) включений окислов алюминия. При больших значениях не будет обеспечиваться предотвращение образования избыточного количества окислов алюминия.

Анализ научно-технической и патентной литературы показывает отсутствие совпадения отличительных признаков заявляемого изобретения с признаками известных технических решений. На основании этого делается вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию “изобретательский уровень”.

Ниже дан вариант осуществления изобретения, не исключающий другие варианты в пределах формулы изобретения.

Реализация изобретения осуществляется следующим образом.

Пример. Анизотропная электротехническая сталь выплавляется в конвертере емкостью 160 т. В процессе выплавки сталь продувается кислородом сверху через погружную форму с расходом 2-4 м 3 /минт стали. После выпуска в сталеразливочный ковш сталь подвергают внепечной обработке. Затем сталь разливают на установках непрерывной разливки в слябы сечением 240-1250 мм. После разливки слябы подвергают горячей прокатке и необходимой термообработке.

Разливаемая анизотропная электротехническая сталь содержит, мас.%: углерод 0,020-0,050; кремний 2,8-3,3; фосфор 0,005-0,020; алюминий 0,011-0,021; азот 0,0070-0,015; сера 0,010; никель 0,10; хром 0,10; марганец 0,10-0,30; медь 0,3-0,6; титан 0,0005-0,005; кислород 0,001-0,005; кальций 0,0002-0,001; железо – остальное.

В таблице приведены примеры осуществления изобретения.

В первом и пятом примерах вследствие несоблюдения необходимого состава сформировалась неудовлетворительная текстура и структура стали, что привело к снижению величины магнитной индукции и увеличению удельных ваттных потерь.

В оптимальных примерах 2-4 вследствие необходимого химического состава стали обеспечивается повышение индукции и снижение удельных ваттных потерь трансформаторов, изготовляемых из этой стали.

Анизотропная электротехническая сталь, содержащая углерод, кремний, фосфор, алюминий, азот, серу, никель, хром, марганец, медь, отличающаяся тем, что сталь дополнительно содержит титан, кислород и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Сера 0,010

Никель 0,10

Хром 0,10

Электротехническая сталь – тонколистовая сталь, используемая при изготовлении шихтованных магнитопроводов электротехнического оборудования – электромагнитов, трансформаторов, генераторов, электродвигателей и так далее.

Свойства

В зависимости от требуемых свойств, тонколистовая электротехническая сталь содержит различное количество кремния. В зависимости от технологии производства электротехнические стали разделяют на холоднокатаные (изотропные или анизотропные; количество кремния до 3,3% ) и горячекатаные (изотропные; количество кремния до 4,5% ). Нередко в качестве легирующей добавки в электротехнической стали может содержаться алюминий (до 0,5%). Иногда электротехнические стали условно разделяют на динамную (0,8-2,5% кремния) и трансформаторную (3-4,5% кремния).

Производство

Электротехническая тонколистовая 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 электроизоляционного 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 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.

Маркировка

Обозначения марок сталей электротехнических осуществляется в со­ответствии с их классификацией.

В обозначении марки цифры означают:

первая – класс по структурному состоянию и виду прокатки (I – горячека­таная изотропная, 2 – холоднокатаная изотропная, 3 – холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой);

вторая – содержание кремния:

0 – с массовой долей кремния до 0.4 % включительно,

1 – с массовой долей кремния св. 0,4 до 0,8 % включительно,

2-е массовой долей кремния св. 0,8 до 1,8 % включительно,

3-е массовой долей кремния св. 1,8 до 2,8 % включительно,

4-е массовой долей кремния св. 2,8 до 3,8 % включительно,

5-е массовой долей кремния св. 3,8 до 4,8 % включительно;

третья – группа по основной нормируемой характеристике:

0 – удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц (P_1,7/50),

1 – удельные потери при магнитной индук­ции 1,5 Тл и частоте 50 Гц (P_1,5/50),

2 – удельные потери при магнитной индукции 1,0 Тл и частоте 400 Гц (P_1/400)для горячекатаной или холодно­катаной изотропной стали и удельные потери при магнитной индукции 1.5 Тл и частоте 400 Гц (P_1,5/400), для холоднокатаной анизотропной стали,

6 – магнитная индукция в слабых магнитных полях при напряженности поля 0,4 А/м (B_0,4),

7 – магнитная индукция в средних магнитных полях при напряженности поля 10 А/м (B₁₀) или 5 А/м (B₅),

8 – коэрцитивная сила

Вместе первые три цифры в обозначении марки стали означают тип стали,

четвертая и пятая– количественное значение основной нормируемой характеристики;

Сталь электротехническая нелегированная

Сталь электротехническая нелегированная тонколистовая и ленты. ГОСТ 3836

Электротехническая нелегированная, горячекатаная и холоднокатаная тонколистовая сталь и ленты, применяемые в магнитных цепях электрических аппаратов и приборов.

В обозначении марки цифры означают:

первая – класс по структурному состоянию и виду прокатки:

1 – горячекатаная изотропная;

2 – холоднокатаная изотропная;

вторая – тип по содержанию кремния:

0 – сталь нелегированная, без нормирования коэффициента старения;

1 – сталь нелегированная с нормированным коэффициентом старения;

третья – группу по основной нормируемой характеристике:

8 – коэрцитивная сила;

четвертая и пятая – количественное значение основной нормируемой характеристики;

для 8-й группы – значение коэрцитивной силы в целых единицах А/м.

Нелегированную электротехническую сталь классифицируют

холоднокатаную листовую сталь и ленту по виду и качеству поверхности:

первая группа – 1;

вторая группа – 2;

холоднокатаную листовую сталь:

с контролем внутренних дефектов – У;

без контроля внутренних дефектов.

Листовую горячекатаную сталь изготовляют толщиной 2,0 – 3,9 мм включительно, холоднокатаную сталь – толщиной 0,5 – 3,9 мм включительно и шириной 500 – 1250 мм. Горячекатаную сталь изготовляют в листах, холоднокатаную – в листах и рулонах.

Холоднокатаную ленту изготовляют толщиной от 0,1 до 2,0 мм включительно.

Резаную ленту, полученную роспуском рулона, изготовляют толщиной 0,5 – 2,0 мм включительно.

Ленты и листовую сталь изготовляют с обрезными кромками. По согласованию изготовителя с потребителем они могут изготовляться без обрезки кромок.

Серповидность ленты на 1 м длины не должна превышать:

5 мм – при ширине до 15 мм включ.

4 мм – при ширине св. 15 до 30 мм включ.

3 мм – при ширине св. 30 до 250 мм включ.

2 мм – при ширине св. 250 мм.

Пример условного обозначения:

Лента холоднокатаная нормальной точности по толщине и ширине, обрезная, нагартованная, толщиной 1,0 мм, шириной 15 мм из нелегированной электротехнической стали марки 20880, 2-й группы поверхности:

"Наш мир погружен в огромный океан энергии, мы летим в бесконечном пространстве с непостижимой скоростью. Всё вокруг вращается, движется – всё энергия. Перед нами грандиозная задача – найти способы добычи этой энергии. Тогда, извлекая её из этого неисчерпаемого источника, человечество будет продвигаться вперёд гигантскими шагами" Никола Тесла (1891)

суббота, 18 августа 2018 г.

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ СТАЛЬ (ТРАНСФОРМАТОРНАЯ) — СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ

источник: xlom.ru
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.

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%.

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%.

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?

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.

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:

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.

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%.

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:

Назначение 1211, 1212, 1213, 22110 Для якорей и полюсов электрических машин постоянного тока, для роторов и статоров асинхронных двигателей промышленной частоты мощностью до 100 кВт, для магнитопроводов приборов. Пластичность высокая. 1311, 1312 Для роторов и статоров асинхронных двигателей мощностью от 100 до 400 кВт. Пластичность хорошая. 1411, 1412, 2411 Для роторов и статоров асинхронных двигателей мощностью 400 -1000 кВт, маломощных силовых трансформаторов, для двигателей повышенной частоты. Пластичность удовлетворительная.

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.

Видео: Резка электротехнической стали лазером