Инструментальные стали в Нукусе

В российском производстве используются десятки металлов и сплавов. Прокат отличается по температуре плавления, прочности и процентному содержанию компонентов. По последнему признаку выделяются электротехнические стали (ЭТС), которые выпускаются листами.

Они состоят из железа (Fe) и кремния (Si). Они отличаются ферромагнитными свойствами исходя из содержания последнего компонента. Оно не должно превышать 5%; в противном случае вещество становится хрупким.

Технология производства ЭТС

Металл переплавляют в мартеновских печах, а листы прокатывают в холодном и горячем состоянии. Из-за кристаллической и кубической структуры железо получает неравномерное намагничивание. При прокатке кристаллы равномерно выстраиваются по рёбрам куба, чтобы сравнять этот показатель.

Для этого материал повторно прокатывают на станках: так убирают излишки углерода (C) и водорода (H). Из-за этого кристаллы железа поворачиваются рёбрами, а магнетизм становится одинаковым по всей площади проката.

Этапы производства стали

Процесс изготовления разбивают на следующие шаги:

• Плавка и рафинирование металла. Его легируют кремнем, чтобы повысить удельное электрическое сопротивление и снизить потери на вихревые токи. В структуру часто добавляют марганец (Mn) и алюминий (Al).
• Отливка – расплавленное вещество разливают в формы для заготовок.
• Горячая прокатка – сталь формируется в рулоны на широкополосных станках.
• Холодная прокатка – предыдущий шаг повторяется до тех пор, пока заготовки из ЭТС не получат нужную толщину и текстуру.
• Отжиг – готовые листы обрабатываются под высокими температурами (800-850 градусов Цельсия). Этот шаг помогает снять излишки напряжения и повысить магнитные свойства.
• Нанесение электроизоляционного покрытия – этот шаг важен для снятия вихревых токов.

Характеристики электротехнической стали

По физическим свойствам выделяют изотропные и анизотропные вещества. Листовая электротехническая сталь отличается по проводимости материала: у первой это значение одинаково вдоль и поперёк проката, у второй - повышается вдоль структуры.

Для проката критичны удельные потери, которые измеряются в ваттах на килограмм (Вт/кг). Чем они выше, тем больше потери холостого хода при работе устройства.

Эта характеристика делится на два вида:

• Потери на перемагничивание (гистерезис) - исходят из ширины петли, которая снята на низких частотах.
• Потери на вихревые токи - зависят от удельного сопротивления и толщины листа. Чтобы их сократить, при производстве нужно увеличивать первый показатель и уменьшать второй.

На свойства влияют и второстепенные параметры: магнитная проницаемость (μ), коэрцитивная сила и удельное электрическое сопротивление. Каждая величина проверяется у деталей после их изготовления.

Магнитная проницаемость

Эта характеристика обозначает варьирование магнитной индукции при воздействии силового поля и напряжения на металл. У ферромагнитных материалов отмечается высокая проницаемость. Это происходит из-за того, что кремний выводит углерод из стали.

Чем больше кристаллы железа в структуре металла, тем выше абсолютный показатель μ. Так повышается магнитное поле.

Коэрцитивная сила

Следующая характеристика стали электротехнического назначения отражает возможности силового поля к размагничиванию под действием силы тока. Результат измеряется в амперах на метр. При высокой магнитной проницаемости коэрцитивная сила уменьшается – то же самое происходит с потерями на гистерезис.

Силикатная добавка понижает эту величину. Если содержание кремния больше 5% от всей структуры материала, то прокат становится хрупким и мягким.

Удельное электрическое сопротивление

Этот параметр обозначает, может ли кремнистое железо сопротивляться электрическому току. Чем больше кремния, тем ниже износ готовых заготовок. Сопротивление ЭТС растёт по мере повышения температуры.

Маркировка электротехнической стали

Десятки вариантов ЭТС различают по процентному содержанию кремния, способу производства, магнитным и электрическим свойствам. Их маркировка регламентируется регионом выпуска продукции.

Для международного рынка используется маркировка из четырёх-пяти цифр, которые дополняются одной-двумя буквами. В каталоге встречаются марки железа, обозначаемые как Т111-30S, T120-27S, M120-23S.

Расшифровка этой номенклатуры на примере M270-50A выглядит так:

• Первая буква – материал: M обозначает магнитную сталь.
• 270 – значение удельных потерь в ваттах на килограмм, умноженное на 10.
• 50 – толщина листа ЭТС в миллиметрах, умноженная на 100.
• Вторая буква – проводимость металла. Анизотропные сплавы отмечаются как «A».

Для электротехнической стали по ГОСТ 21427 действуют другие обозначения. Марки кремнистого железа отмечаются четырьмя цифрами, за которыми закреплён отдельный параметр:

1. Структура и вид проката. Номера 1 и 2 относятся к изотропным сплавам горячей и холодной прокатки, 3 – к анизотропной текстурованной стали.
2. Процентное содержание кремния с методом обработки.
3. Группа металла по основной характеристике. 0-2 относятся к удельным потерям, а 6-7 – к магнитной индукции.
4. Порядковый номер типа стали. Чем он больше, тем выше её качество.

Разновидности электротехнической стали

Это не единственный термин, который отражается в российских ГОСТах. По составу вещества и методах его производства выделяются четыре категории: трансформаторное, динамное, магнитное и релейное.

Для всех четырёх видов добавки обязательны. Если их содержание не превышает 0,3%, то заготовка обозначается как нелегированная. К этой категории относятся магнитные и релейные сплавы.

Трансформаторная сталь

Эта категория содержит больше материала (3-4,5%). Отсюда происходит высокая проводимость стали внутри проката. Изготовленные детали используются для трансформаторов и подвода питания к неподвижным элементам технических установок.

Динамная сталь

Второй вариант относится к изотропным материалам из-за сниженной части кремния (0,8-2,5%). Из-за этого образуется одинаковая проводимость вдоль и поперёк металлопроката. Компоненты, выполненные динамным способом, встречаются во вращающихся частях фабричных машин и в бытовых приборах.

Магнитная сталь

Этот вид альтернативно называют «магнитно-мягким». Прокат дополняется хромом (Cr), никелем (Ni), молибденом (Mo), титаном (Ti) и фосфором (P). Готовый металл не поддаётся термообработке из-за повышенных магнитных свойств.

Дополнительные химические элементы расширяют сферу применения деталей из ЭТС. Из кремнистой стали делают сердечники трансформаторов, проводы переменного поля и электромагниты.

Релейная сталь

Последняя категория содержит меньше всего кремния (не более 0,3%). К таким сплавам не добавляется алюминий. Из релейного проката изготавливаются пластины двигателей и генераторов, вырабатывающих и потребляющих ток.

Виды кремнистой стали

К поставке допускаются детали как с верхним слоем без защиты, так и с изоляционным покрытием. Для ЭТС нет чётких рецептов по химическому составу. После производства прокат сортируют по внутреннему строению и размеру ячеек – эти параметры помогают отличить холодную прокатку от горячей.

Холоднокатаные сплавы

С этим методом обработки кремнистая сталь получает улучшенное качество поверхности вместе с повышенными характеристиками магнетизма. Единственный недостаток кроется в цене: холоднокатаные заготовки стоят вдвое больше, чем горячекатаные. Металлические ленты сматываются в рулоны перед отправкой по городам России.

Готовый прокат поддаётся штамповке из-за кристальной структуры и трёхпроцентного содержания силикатов. Магнитная проницаемость деталей выше, чем у металлов, обработанных в печах.

Горячекатаные сплавы

Первое отличие от холоднокатаных аналогов кроется в структуре. Их зёрна «разбросаны» по всей площади заготовок – из-за этого происходит неравномерный магнетизм. После обработки материалу присваивается маркировка, которая зависит от процентного содержания кремния.

Применение электротехнических сталей

Детали, изготовленные из ферромагнитных сплавов, дают прочность и выносливость для многих приборов, которые перерабатывают электрический ток. Для машин применяются три типа материалов: изоляционные, конструкционные и активные. ЭТС относятся к последней категории.

Кремнистое железо используется в таких элементах и приборах:

• Электромагниты.
• Пружины.
• Подвески.
• Рессоры.
• Торсионные валы.
• Ленточные сердечники.
• Магнитные цепи с частотами 50-400 герц (Гц).

Использование ЭТС в реакторах

Кремнистое железо – обязательный компонент магнитных проводников для реакторов. С ними устройства регулируют вырабатываемую мощность и держат её на плавном уровне. Из тонких листовых заготовок (0,25-0,5 мм) состоят сердечники коммутационных и токоограничивающих реакторов – электрических катушек и защитных буферов индуктивности.

Применение в генераторах

Электромагнитная индукция – это принцип, который лежит в основе преобразования механической энергии в электрическую. Из листовых заготовок марки 3411 делают тонкие сердечники для генераторов. С ними ослабляется рассеивание полюсов заряженных частиц.

Аппаратура под напряжением

Электротехнические стали – это основной компонент для низковольтной (до 1 кВ) и высоковольтной (выше 1 кВ) электрической цепи. Материал помогают тестировать оборудование и измерять напряжение на объектах. Так обеспечиваются низкие потери холостого хода в трансформаторах.

Заключение

Сфера применения ЭТС не ограничена российскими предприятиями. Листовой прокат используется в строительстве, авиации, военно-промышленном комплексе, лабораторных исследованиях. Десятки видов сплавов содержат кремний - элемент, который придаёт металлам магнитные свойства. Чем выше его содержание, тем больше прочность и твёрдость вещества.