Трансформаторная сталь: характеристики и свойства, марки и состав, сферы применения

Применение

Трансформаторную сталь используют для изготовления важных элементов трансформаторов. Ее популярность связана с повышенными свойствами, благодаря добавлению в состав кремния.

Стержневой магнитопровод

Этот элемент представляет собой стержень, на который размещаются обмотки и ярма, для замыкания магнитной цепи. Их всегда делают шихтованными. Этот элемент имеет более простую конструкцию, чем броневой стержень и позволяет получить необходимую изоляцию для обмоток.

Стержневые магнитопроводы необходимы для мощных трансформаторов, так как у них на каждом стержне расположена половина обмотки. Устройства, в которых есть стержневой магнитопровод, имеет малый магнитный поток рассеивания, меньший расход провода и большая поверхность охлаждения обмотки.

Броневой

Броневые магнитопроводы больше всего подходят для небольших показателей мощности. Это касается устройств, производящих от единицы до нескольких десятков вольт-ампер. Они функционируют, когда уровень напряжения не превышает 1000 В, а частота сети питания 50 или 400Гц. От стержневых трансформаторы с броневым магнитостержнем отличаются меньшей удельной мощностью на единицу объема и веса. Но главным их преимуществом считается стоимость.

Броневые магнитопроводы отличаются прямоугольными стержнями, расположенными в горизонтальном положении, на них располагаются обмотки прямоугольной формы.

В броневом магнитопроводе присутствует ряд конструктивных достоинств. При его использовании понадобится только один комплект обмоток, в котором присутствует ярмо для защиты от негативных факторов внешней среды.

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.

Тонколистовая сталь, применяемая для производства магнитных проводов оборудования электрического функционирования (трансформаторы, генераторы, реле, электрические двигатели и магниты), называется электротехнической сталью. Материал является магнитно-мягким, что делает его оптимальным для использования в электротехнике.

Металлургия

Электротехническая сталь — это сплав железа, который может содержать от нуля до 6,5% кремния (Si: 5Fe). Коммерческие сплавы обычно имеют содержание кремния до 3,2% (более высокие концентрации приводят к хрупкости при холодной прокатке). Марганец и алюминий можно добавить до 0,5%.

Кремний увеличивает удельное электрическое сопротивление железа примерно в 5 раз; это изменение уменьшает индуцированное вихревые токи и сужает петля гистерезиса материала, тем самым снижая потеря в сердечнике примерно в три раза по сравнению с обычной сталью. Однако зернистая структура твердеет и делает металл хрупким; это изменение отрицательно сказывается на удобоукладываемости материала, особенно при его прокатке. При легировании загрязнение должно быть низким, так как карбиды, сульфиды, оксиды и нитриды даже в частицах размером до одного микрометра увеличиваются гистерезисные потери одновременно уменьшая магнитная проницаемость. Присутствие углерода более губительно, чем сера или кислород. Углерод также вызывает магнитный старение, когда он медленно покидает твердый раствор и осаждается в виде карбидов, что приводит со временем к увеличению потерь мощности. По этим причинам уровень углерода поддерживается на уровне 0,005% или ниже. Уровень углерода можно снизить за счет отжиг сплав в обезуглероживание атмосфера, такая как водород.

Железо-кремниевые реле стали

Тип стали	Номинальный состав	Альтернативное описание
1	1,1% Si-Fe	Утюг с кремниевым сердечником «А»
1F	1,1% обработка без Si-Fe	Силиконовый сердечник «А-ФМ»
2	2,3% Si-Fe	Кремниевый сердечник «B»
2F	2.3% обработка без Si-Fe	Силиконовый сердечник «Б-ФМ»
3	4,0% Si-Fe	Кремниевый сердечник «C»

Примеры физических свойств

Температура плавления: ~ 1500 ° C (например, для содержания кремния ~ 3,1%)
Плотность: 7650 кг / м3 (например, для 3% кремния)
Удельное сопротивление (Содержание кремния 3%): 4,72 × 10−7 Ом · м (для сравнения, удельное сопротивление чистого железа: 9,61 × 10−8 Ом · м)

Отличительные особенности изотропной и анизатропной сталей

Опираясь на сказанное выше, стоит отметить, характеристики самого легированного соединения железа слишком прямо зависят от процентного содержания кремния в структуре сплава.

Вторым же фактором является непосредственно внутренняя структура, образование которой имеет место в рамках производственного процесса

Важно отметить, как холоднокатаная, так и горячекатаная стали имеют различные по размеру ячейки. Для тех металлов, которые имеют крупнокриссталическую решетку, отмечается большая магнитная проницаемость, но значительно меньший показатель коэрцитивной силы (относительно групп металлов, имеющих мелкокристаллическую решетку)

Размер зерна варьируется посредством применения в процессе производства термической и механической обработки.

Учитываются следующие особенности производства:

Проведенный отжиг стали будет способствовать последующему понижению показателей внутреннего напряжения в металле. Данное обстоятельство будет приводить к тому, что количество кристаллов, которые образуют его структуру, будет неизменно возрастать;
В свою очередь, горячая прокатка стали не может создать достаточно устойчивую ориентацию отдельных зерен внутри самого металла, она остается хаотичной;
Согласно исследованиям механических характеристик данной изотропной стали, она не может создавать устойчивую ориентацию отдельных зерен внутри металла, в результате чего, она остается хаотичной. В конечном счете, сталь может характеризоваться независимостью своих магнитных свойств от направления движения частиц.

Если попробовать использовать технологию повторной холодной прокатки стали, то можно добиться определенной текстурованной структуры, с четко выраженной пространственной ориентацией кристаллических элементов в трансформаторном железе. В конечном счете это позволит гарантировать получение анизотропной стали, в рамках которой ребра решетки всех кристаллов установлены непосредственно в направлении последующее прокатки. Если попробовать расположить саму анизотропную сеть в строго правильном направлении, достигается высокая магнитная проницаемость, вместе с тем понижается и показатель коэрцитивной силы.

Само по себе производство данного сплава налажено в виде своеобразного листового проката, который предусматривает ширину одной полосы в пределах 240-1000 мм. Также, данный металл выпускается отдельными листами или же рулонами, длина которых может существенно варьироваться, в пределах 720-2000 мм. Отличается в данном случае и толщина листа, которая может начинаться с показателя в 0,05 мм и заканчиваться значением в 1,0 миллиметр

Лист очень тонкий, при его транспортировке обеспечиваются все необходимые меры предосторожности. Показатели толщины позволят выбрать оптимальное значение для конкретного случая эксплуатации

Помимо прочего, классификация всех электротехнических сталей предусматривает наличие отдельных типов – сортовой и резанной ленты.

Форма трансформаторного железа

Рассматривая структуру трансформатора, можно отметить наличие множества пластин, которые носят вид букв «Е» или «Ш» (в перевернутом виде). Как раз эти пластины и изготавливаются из того самого трансформаторного железа, их можно было видеть в огромном количестве разбросанным по дворам. Появлялись такие элементы после разбора и ремонта трансформаторов, сердцевина которых просто была невостребованной.

Выделяют четыре отдельные маркировки трансформаторного железа, которые проставляются в виде отдельных цифр на пластине. К примеру, первая цифра устанавливает состояние структуры металла, соответствующий класс его прокатки. Вторая цифра отображает уже процентное соотношение количества Si, которое входит в сплавжелеза, третья позволяет определить сами электромагнитные характеристики, которые присущи данному материалу. Последние цифры в маркировке позволяют увидеть количественное значение всех указанных выше характеристик, особенное значение уделяется показателям из третьего пункта.

Важно четко понимать, какие именно характеристики требуется принимать к сведению, чтобы не ошибиться в своем выборе. Рейтинг: 0/5 — 0 голосов

Рейтинг: 0/5 — 0 голосов

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”

Основные свойства электротехнической стали

Рассмотрим подробнее свойства электротехнической стали. На первом месте идет удельное сопротивление. Чем выше этот показатель, тем более качественным считается материал. Сопротивление означает способность вещества препятствовать прохождению электрического тока. Для проводников этот показатель должен быть минимальным. Но электротехнические стали используются для изготовления корпусов и экранирования проводников от воздействия внешней среды. Поэтому они наоборот должны сдерживать электричество внутри, чтобы оно не расходовалось понапрасну, а доходило до пункта назначения с минимальными потерями в пути.

Второе значимое свойство — низкая коэрцитивная сила. Этот параметр отвечает за способность внутреннего магнитного поля к размагничиванию. В электродвигателях и трансформаторах наличие магнитной среды ни к чему, поэтому для производства деталей для них используют сталь с высокой способностью к размагничиванию. Для электромагнитов наоборот необходима высокая коэрцитивная сила, поэтому нужна другая марка металла. Она называется анизотропная электротехническая сталь. До нужного уровня магнитные свойства доводят при помощи введения в сплав дополнительного количества кремния. Этот элемент добавляется в виде силицида железа, которое сплавляют со сталью. Кремнистая электротехническая сталь содержит до 4% кремния, который образует крупные кристаллы в структурной решетке металла.

Третий важный показатель — ширина петли гистерезиса. Он влияет на способность всех составляющих элементов электрической цепи возвращаться к своим изначальным состояниям после выключения прибора. Когда прекращается подача электричества в цепь, ее составные части все еще сохраняют так называемое механическое напряжение. Чем уже петля гистерезиса, тем быстрее восстановится нормальное состояние всех деталей в приборе.

Четвертую строчку ключевых показателей занимает магнитная проницаемость. Чем выше этот показатель, тем лучше материал может справляться со своими функциями. И последний значимый показатель — толщина стального листа. Обычно в электротехнике используются материалы толщиной не более 1 миллиметра. Такого уровня вполне достаточно, чтобы добиваться поставленных перед ними целей. Резка электротехнической стали может осуществляться ножницами по металлу или любым другим предназначенным для подобных целей инструментом.

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:

Марка стали	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.

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.

Электротехническая сталь: маркировка, механические свойства

Отечественную ЭТС различают по составу кремния, способу производства, магнитным и электрическим показателям. Маркировка состоит из 4-5 цифр и возможной вариации из 1-2 букв. В качестве примера возьмем – M110-23S. Каждый символ обозначает:

Группа стали в зависимости от % Si

Вид металла по базовым характеристикам магнитных параметров

Степень основных нормативных свойств:

Кроме релейных нелегированных изотропных сталей

Примечание: четвертая и пятая цифры в маркировке присутствуют только у релейных сталей. Это параметр коэрцитивной силы (А/м).

При легировании сплавов ферросилицием возможно:

выделить цементит и заместить его графитом;
вывести из состава кислород;
улучшить магнитную проницаемость Fe;
повысить R (удельное электрическое сопротивление);
снизить потери на токи Фуко (при Si≥ 4%).

Магнитная проницаемость

В различного рода электрических агрегатах нашла применение низкоуглеродистая электротехническая сталь: магнитная проницаемость (μ) выражает варьирование векторного показателя – магнитной индукции, при воздействии на нее напряженности и силового (магнитного) поля. У ЭТС μ высокая, а коэрцитивная сила, в противовес, небольшая. Кремний обезуглероживает сплав, что ведет к увеличению магнитной проницаемости.

μ в числовом выражении показывает, во сколько раз абсолютный ее показатель превышает магнитную константу. Большее значение присуще крупнокристаллическим структурам, меньшее – мелкокристаллическим. Сталь усиливает магнитное поле, задает ему определенный вектор. Величину изменения магнитной проницаемости при колебаниях температуры сплава выражает температурный коэффициент магнитной проницаемости.

Коэрцитивная сила

Характеристика возможности силового поля, создаваемого электрическим током, к размагничиванию. Это напряженность магнитного поля на статической предельной петле гистерезиса, при которой индукция в металле отсутствует. Измеряется в амперах на метр. У ЭТС коэрцитивная сила, как и потери на гистерезис, небольшие.

Интенсивность размагничивания варьируется в зависимости от вида устройств. Кремний в качестве добавки увеличивает удельное сопротивление ЭТС, снижает потери на гистерезис, что приводит к уменьшению коэрцитивной силы. При соотношении Si ≥5% происходит резкое повышение твердости и хрупкости, что делает трансформаторное железо непригодным для штамповки.

Удельное электрическое сопротивление

Параметр характеризует способность металла сопротивляться прохождению электрического тока. Зависит напрямую от процентного содержания кремния – элемент ослабляет старение стали. Сопротивление увеличивается с ростом температуры. Чем больше доля Si, тем выше средний показатель R, меньше потери на вихревые токи.

Использование ЭТС позволяет электрической напряженности сконцентрироваться внутри проводника и обеспечить целенаправленную доставку электрических зарядов в конечную точку распределения. Поэтому электротехническая сталь для электродвигателей используется при изготовлении их основных частей в ЭМП частотой до 20 000 Hz.

Основные свойства и характеристики

Сталь для трансформаторов применяется нержавеющая, магнитная с достаточными показателями проницаемости. Она так популярна в производстве электрооборудования благодаря тому, что обладает высокими электромагнитными характеристиками и теряет минимальное количество энергии в результате нестериса.

Без этого особого вида стали не обходятся сердечники трансформатора по той причине, что материал способствует более высокому удельному сопротивлению. Это позволяет терять меньше мощности от вихревых токов. Эта проблема обычно касается сердечников электрооборудования. Благодаря его использованию не происходит чрезмерное нагревание сердечника.

Для уменьшения потерь от вихревых потоков, уменьшают толщину пластины. Поэтому толщина стали должна быть 0,5 мм при частоте в 50Гц. Если устройство работает при большей частоте, то необходимо делать сердечник из листов 0,1-0,2 мм.

Металл помогает уменьшить потери на перемагничивание. Это еще одна причина популярности электротехнической стали для производства сердечника трансформатора.

Так как снизить потери и процесс циклического перемагничивания можно с помощью добавления кремния в металл, то сплавы с повышенным содержанием этого элемента получили название трансформаторная сталь. Благодаря применению удалось добиться уменьшения потерь на треть. Также это позволяет уменьшить массу трансформатора на 10%, а расход металла на 20%.