Применение

Силовые трансформаторы Согласующие трансформаторы Широкополосные трансформаторы Трансформаторы питания Электрические машины

Электромагнитное реле

Измерительные трансформаторы тока и напряжения

Насыщающиеся реакторы Задающие трансформаторы Магнитные усилители Магнитные ключи

Импульсные трансформаторы Сигнальные трансформаторы

Накопительные трансформаторы Накопительные реакторы Токоограничиваюшие реакторы Сглаживающие реакторы Реакторы помехоподавления

Магнитомеханические преобразователи (вибраторы)

Магнитные экраны

Требования к магнитным свойствам магнитопровода

Низкие удельные магнитные потери, высокая магнитная индукция

Высокая индукция, низкая коэрцитивная сила

Высокая начальная магнитная проницаемость

Высокий коэффициент прямоугольности

петли магнитного гистерезиса,

низкая динамическая коэрцитивная сила

Низкий коэффициент прямоугольности петли магнитного гистерезиса, высокая магнитная индукция

Высокая запасенная магнитная энергия

Высокая магнитострикция, высокий коэффициент магнитомеханической связи

Высокая магнитная проницаемость в заданном поле

шению характеристик электротехнических и электронных изделий, но и к разработке устройств нового типа, построенных по другим конструктивным схемам или даже работающих на принципиально новом физическом эффекте. Разное применение приводит к различию требований предъявляемых к материалам магнитопроводов (табл. 8.8).

Магнитомягкие материалы традиционно делят на электротехнические стали и прецизионные магнитомягкие сплавы. Из-за особенностей получения и способов формирования оптимальных магнитных свойств в особую группу выделяют аморфные и нанокристаллические магнитомягкие сплавы.

Таблица 8.8. Требования к магнитным свойствам магнитомягких материалов при использовании в различных электротехнических устройствах

Электротехнические стали

Эта группа материалов применяется преимущественно в трех видах изделий: 1) электрические машины (генераторы и электродвигатели), 2) трансформаторы (преимущественно силовые, работающие при низких частотах), 3) выключающие устройства (электромагнитные реле). Поэтому электротехнические стали в соответствии с тремя названными случаями подразделяют на динамные, трансформаторные и релейные стали.

Для динамных и трансформаторных сталей требуется высокое значение индукции насыщения и малые потери на перемагничивание. Различие применений этих сталей в том, что в трансформаторных сталях направление магнитного поля неизменно, а динамные стали используются в магнитопроводах, где магнитный поток либо вращается, либо охватывает все направления в плоскости листа. Поэтому трансформаторные стали могут быть текстурованными. Более того, в трансформаторных сталях создание кристаллической текстуры является способом снижения магнитных потерь. В динамных сталях такой способ неприемлем, они должны быть изотропными.

Современные электротехнические стали представляют собой сгглавы железа с кремнием и иногда алюминием при малом содержании углерода (углерод является вредной примесью, снижающей магнитные свойства). Добавка кремния к железу уменьшает магнитную анизотропию, препятствующую легкому перемагничиванию материала. Для электротехнических сталей наиболее важную роль играют два вида магнитной анизотропии - магнитокристаллическая и магнитоупругая.

В электротехнических сталях увеличение содержания кремния снижает как константу магнитокристаллической анизотропии /Г, (от 45 кДж/м при I % Si до 28 кДж/м- при 4,5 % Si), так и магнитострикцию насыщения 1, что облегчает перемагничивание материала и уменьшает потери на гистерезис. Кроме того, введение кремния резко повышает удельное электрическое сопротивление

р(мкОм-м) = 0,1 +0,12% Si,

вследствие чего снижаются потери на вихревые токи. Однако легирование железа кремнием приводит к нежелательному снижению индукции насыщения в соответствии с эмпирической формулой Гумлиха:

В/Тя) = 2,16 - 0,048 % Si.

Из-за увеличения хрупкости материалов и связанных с этим трудностей обработки и использования максимальное содержание кремния в

промышленно выпускаемых электротехнических сталях не превышает 4,8%.

Различными технологическими приемами может быть достигнуто такое текстурное состояние, когда ребро куба [001] (направление легкого намагничивания) совпадает с направлением холодной прокатки, а плоскость (ПО) совпадает с плоскостью прокатки. Такая текстура обозначается (110)[00]] и называется ребровой (куб на ребре). При наличии ребровой текстуры в направлении прокатки получаются очень хорошие магнитные свойства, а поперек прокатки ориентирована диагональ грани куба [110] и магнитные свойства ухудшаются.

Сталь с ребровой текстурой используется только там, где магнитный поток может совпадать с направлением [001], например для крупных трансформаторов.

Технологическая схема производства качественной анизотропной стали включает следующие основные операции:

- выплавку в конвертерах или электропечах с последующей внепеч-ной обработкой жидкой стали;

- непрерывную разливку в слябы или отливку слитков с последующей прокаткой на слябы;

- нагрев слябов и горячую прокатку при температуре =1370 С на полосы толщиной 2,0...3,0 мм (высокая температура горячей прокатки определяется тем, что она должна превосходить температуру растворения сульфида марганца MnS);

- отжиг горячекатаных полос при 800 °С и их травление;

- первую холодную прокатку горячекатаных полос на толщину 0,80...0,70 мм;

- промежуточный рекристаллизационный отжиг при температурах 800...900°С, в ходе которого происходит первичная рекристаллизация;

- вторую холодную прокатку на конечную толщину 0,35...0,27 мм с обжатием около 50 % (большие степени обжатия привели бы к нежелательному сильному росту зерен в процессе их нормального роста и к ослаблению ребровой текстуры);

- обезуглероживающий отжиг во влажной азотно-водородной атмосфере при 800...850°С полос толщиной 0,35...0,27 мм (иногда обезуглероживающий отжиг совмещают с рекристаллизационным отжигом полос толщиной 0,80...0,70 мм);

- нанесение термостойкого покрытия и высокотемпературный отжиг в сухом водороде при 1100...1300 °С, обеспечивающий формирование ребровой текстуры в процессе вторичной рекристаллизации;

- выправляющий отжиг полосы с нанесением электроизоляционного покрытия.

В производстве изотропных электротехнических сталей проводят выплавку, разливку, горячую прокатку и обработку горячекатаной полосы, стремясь обеспечить выплавку и обработку с минимальным количеством вредных примесей (серы, азота, кислорода, углерода) и их дисперсных выделений в виде неметаллических включений и карбидов. Затем проводят холодную прокатку в одну или две стадии. Так, при двухстадийном процессе холодная прокатка сначала проводится с обжатием 70...80%, а затем - 5,..25%. Промежуточный отжиг проводится при 850...950°С с выдержкой продолжительностью 2,5...3,5 мин в обезуглероживающей азотно-водородной атмосфере. Заключительный отжиг проводят при 900...1050 *С в защитной среде. После отжига на полосу наносят электроизоляционное покрытие различного (в зависимости от назначения) состава и свойств; неорганические износостойкие, полуорганические и органические. Покрытия последних двух типов повышают стойкость штампового инструмента.

О различных типах электротехнических сталей дает представление классификация, используемая при маркировании сталей. Обозначение марки стали состоит из четырех цифр и, при наличии покрытия, од-ной-двух букв. Первая цифра означает класс стали: 1 - горячекатаная, 2 - xoJЮд поката ная изотропная, 3 - холоднокатаная анизотропная. По степени легирования различают шесть групп сталей (табл. 8.9).

Третья цифра в марке стали означает основную нормируемую характеристику магнитных свойств;

0 - удельные магнитные потери при индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц (] 7/5о), а таюке индукция в поле 100 А/м (оо)

1 - удельные магнитные потери при индукции 1,0 и 1,5 Тл и частоте 50 Гц (например, Р, q), а также индукция в поле 2500 А/м (2500);

Таблица 8.9. Классификация электротехнических сталей по степени легирования

2 - удельные магнитные потери при индукции 0,75, 1,0 и 1,5 Тл и частоте 200...1000 Гц (например, о,75/40о)

6 - магнитная индукция в слабых полях при напряженности поля 0,4 А/м (5о4, Тл);

7 - магнитная индукция в средних полях при напряженности поля 10 А/м (5,0, Тл);

8 - коэрцитивная сила jH, А/м.

Вместе первые три цифры определяют тип стали. Четвертая цифра означает порядковый номер типа стали и уровень основной нормируемой характеристики: 1 - нормальный, 2 - повышенный, 3 - высокий, 4-6 и более - высшие уровни. В стали 8-го типа 4-я и 5-я цифры показывают округленные до десятков значения коэрцитивной силы в А/м (например, сталь 10860 - это горячекатаная нелегированная электротехническая сталь с коэрцитивной силой 64А/м, т.е. релейная сталь).

Буквы в конце марки означают наличие электроизоляционного покрытия: Т - термостойкое покрытие, Ш - покрытие, улучшающее штампуемость (повышающее стойкость штампов), Н - нетермостойкое покрытие.

В последние годы в мировой практике проектирования электротехнических устройств наметились две тенденции. Первая - более широкое применение анизотропной стали меньших толщин (0,27 мм и менее). Это обусловлено все возрастающим интересом к экономии электроэнергии при эксплуатации электротехнических устройств. Вторая тенденция - отказ от применения анизотропной стали и переход на изотропную сталь в тех устройствах, где это возможно (например, некоторые типы крупных электрических машин, некоторые типы трансформаторов). Это тоже обусловлено чаще всего экономическими соображениями вследствие более низкой стоимости изотропной стали.

Изотропные электротехнические стали предназначены для электрических машин с вращающимися магнитопроводами: генераторов, машинных преобразователей и др. Небольшая часть этих сталей используется также в сварочных трансформаторах, некоторых видах малых распределительных трансформаторов, реле и других изделиях, где магнитный поток не вращается, но охватывает все направления в плоскости листа.

Для магнитных цепей, работающих при частотах более 50 Гц (преимущественно от 400 Гц до 20 кГц), предназначены так называемые специальные электротехнические стали. Повышение частоты приводит к увеличению удельных потерь за счет резкого возрастания вихретоковой

составляющей потерь. Пониженные потери в электротехнических сталях с 3.-3,5 % Si достигаются путем утонения полосы для снижения потерь на вихревые токи и формирования такой структуры и текстуры, чтобы не происходило обычно наблюдаемое при уменьшении толщины листа повышение потерь на гистерезис.

При совершенствовании электротехнических сталей проводят исследования во многих направлениях. В традиционной технологии получение острой ребровой текстуры стало возможным благодаря присутствию в стали на границах зерен мелких дисперсных вьщелений так называемьгх ингибиторных частиц сульфида марганца MnS, которые тормозят рост зерен в ходе отжигов при температурах ниже 1100...1300 °С. Высокотемпературный отжиг растворяет, по крайней мере частично, эти частицы и создает условия для роста зерен. Подвижность границ зерен с ориентировкой (110)[001] выше, чем других, поэтому и возникает острая ребровая текстура. Большая роль частиц MnS наложила свой отпечаток на технологию: это и высокая температура горячей прокатки, и необходимость проведения холодной прокатки в две стадии. Применение нитрида алюминия A1N вместо MnS в качестве основной ингибиторной фазы позволило перейти к одностадийной холодной прокатке с большими степенями обжатия (80...85 %) и получать трансформаторную сталь с более острой ребровой текстурой, чем в случае традиционной технологии. Нитрид алюминия, обладая высокой устойчивостью, позволяет эффективно стабилизировать границы зерен даже после больших степеней обжатия. Однако для эффективности A1N отжиг после горячей прокатки проводят при сравнительно высоких температурах (950...1200 °С) с последующим быстрым охлаждением. Дополнительное благоприятное влияние A1N оказывает на магнитные свойства, так как при его растворении алюминий частично переходит в защитную пленку, что создает повышенные растягивающие напряжения. В результате в таком материале снижаются потери на перемагничивание.

Еще одним направлением исследования является получение кубической текстуры (100)[001], при которой направление легкого намагничивания лежит не только вдоль направления прокатки, но и в поперечном направлении в плоскости листа. Такую текстуру можно получить, например, путем многократного чередования первичной рекристаллизации и холодной прокатки заготовки, в которой в исходном состоянии уже имеется ребровая текстура. В одном из методов кубическую текстуру получали путем двукратной прокатки слаботекстурованной заготовки с обжатием при последней прокатке более 80 %.