Ориентированная электротехническая сталь

Зернотекстурированная кремниевая сталь, также называемая ориентированной электротехнической сталью, представляет собой высококачественный мягкомагнитный сплав, специально разработанный для сердечников статического электрооборудования. Её наиболее характерной особенностью является высокоориентированная зерновая структура — кристаллические зёрна расположены в ориентации (110)[001], параллельной направлению прокатки стального листа. Такая структура придаёт материалу сверхнизкие потери на гистерезис и высокую магнитную проницаемость вдоль направления прокатки, что делает его незаменимым материалом для сердечников высокопроизводительных силовых трансформаторов.

Основной состав и принципы производства

Проектирование химического состава

Кремний (Si): Основной легирующий элемент, содержание которого обычно составляет 2,8%–3,5%. Умеренное содержание кремния повышает электрическое сопротивление, снижает потери на вихревые токи и оптимизирует магнитные свойства. Слишком высокое содержание кремния резко снижает пластичность стали, что затрудняет её обработку.

Железо (Fe): Базовая матрица, обеспечивающая фундаментальные магнитные свойства сплава.

Контроль примесей: Строго ограничивает содержание углерода (C), серы (S), фосфора (P) и других вредных элементов. Углерод увеличивает потери гистерезиса; сера и фосфор вызывают хрупкость и ухудшают магнитную однородность.

Вспомогательные элементы: В небольших количествах добавляют марганец (Mn) и алюминий (Al), чтобы образовывать мелкие осадки, которые препятствуют росту зёрен во время отжига и уточняют структуру зёрен.

Ключевые производственные процессыПроизводство зернистого кремниевого электротехнического стали — это крайне точный и сложный процесс, два основных этапа которого определяют его магнитные свойства. :

Отжиг вторичной рекристаллизации: стальной лист подвергается холодной прокатке и промежуточному отжигу несколько раз, после чего подвергается высокотемпературному отжигу (при температуре выше 1 100°C). Этот процесс способствует избирательному росту зёрен с ориентацией (110)[001], формируя полностью выровненную структуру зёрен вдоль направления прокатки.

Отжиг с покрытием MgO: Перед высокотемпературным отжигом на поверхность стального листа наносится покрытие из оксида магния. Оно вступает в реакцию с поверхностью стали, образуя стекловидный изоляционный слой форстерита, который не только предотвращает потери на вихревые токи между ламелями сердечника, но и контролирует ориентацию роста зерен во время отжига.

Ключевые показатели эффективности

Работа зернистого кремниевого электротехнического стали зависит от направления — превосходные магнитные свойства проявляются только вдоль направления прокатки, тогда как свойства в поперечном направлении значительно слабее. Основные показатели включают:

Потери на железо (P₁₇/₅₀, P₁₇/₆₀)

Наиболее важный показатель для оценки энергоэффективности, отражающий потери энергии на единицу массы стального листа в условиях синусоидального магнитного поля с индукцией 1,7 Т и частотой 50 Гц/60 Гц. Он состоит из гистерезисных потерь, потерь на вихревые токи и аномальных потерь. Сверхнизкие потери на железо позволяют значительно снизить холостой ход трансформаторов.

Интенсивность магнитной индукции (B₈, B₂₅)

Относится к плотности магнитного потока при напряжённости магнитного поля, равной соответственно 8 А/см и 25 А/см. Более высокая интенсивность магнитной индукции позволяет сердечнику трансформатора достигать большего магнитного потока при меньших габаритах, что снижает общий объём и массу оборудования.

Магнитная проницаемость

Оно обладает чрезвычайно высокой магнитной проницаемостью в направлении прокатки, что означает, что стальной лист можно намагнитить до номинальной индукции магнитного поля при очень малом возбуждающем токе, что дополнительно снижает ток холостого хода трансформатора.

Адгезия изоляционного покрытия

Поверхностный изоляционный слой должен обладать хорошей адгезией и изоляционными характеристиками, чтобы обеспечить надежность конструкции сердечника из листов и предотвратить потерю энергии вследствие короткозамкнутых вихревых токов.

Классификация и типичные применения

Зернотекстурированная кремниевая сталь в основном классифицируется по уровню потерь на железо и интенсивности магнитной индукции, а её применение в значительной степени сосредоточено в статическом силовом оборудовании:

Тенденции развития

Сверхнизкие потери и высокая магнитная индукция: разработка марок Hi-B с более низкими потерями на железо (например, P₁₇/₅₀ < 0,8 Вт/кг) для满足 требований высокой эффективности и энергосбережения в сетях сверхвысокого напряжения.

Изготовление на заказ тонких листов и листов узкой ширины: производство более тонких стальных листов (например, 0,23 мм, 0,20 мм) для снижения потерь от вихревых токов, а также изготовление спецификаций узкой ширины для особых трансформаторов.

Зелёный производственный процесс: оптимизация процесса высокотемпературного отжига, снижение энергопотребления и углеродных выбросов, а также разработка перспективных продуктов из ориентированной кремнистой стали, пригодных для вторичной переработки.

Специализация на новых энергетических системах: разработка ориентированной кремнистой стали, подходящей для новых трансформаторов, подключаемых к энергосети, которая способна адаптироваться к особенностям изменяющихся нагрузок и высокочастотной эксплуатации.