Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен с кремниевой стали )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Поликристаллическая структура электротехнической стали после удаления покрытия.

Электротехническая сталь ( слоистая сталь , кремнистая электротехническая сталь , кремнистая сталь , релейная сталь , трансформаторная сталь ) представляет собой сплав железа, специально созданный для получения определенных магнитных свойств: небольшая площадь гистерезиса, приводящая к низким потерям мощности за цикл, низким потерям в сердечнике и высокой проницаемости .

Электротехническая сталь обычно изготавливается в виде холоднокатаных полос толщиной менее 2 мм. Эти полосы вырежут форму , чтобы сделать ламинации , которые сложены вместе , чтобы сформировать ламинированные сердечник из трансформаторов , а также статор и ротор из электродвигателей . Пластины могут быть вырезаны до их окончательной формы с помощью штампа и штампа или, в меньших количествах, могут быть вырезаны лазером или проволочной электроэрозионной обработкой .

Металлургия [ править ]

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 добавлять до 0,5%. [1]

Кремний увеличивает удельное электрическое сопротивление железа примерно в 5 раз; это изменение уменьшает наведенные вихревые токи и сужает петлю гистерезиса материала, тем самым снижая потери в сердечнике примерно в три раза по сравнению с обычной сталью. [1] [2] Однако структура зерен твердеет и делает металл хрупким; это изменение отрицательно сказывается на удобоукладываемости материала, особенно при его прокатке. При легировании необходимо поддерживать низкий уровень загрязнения, поскольку карбиды , сульфиды , оксиды и нитриды , даже в частицах диаметром до одного микрометра, увеличивают гистерезисные потери.при одновременном уменьшении магнитной проницаемости . Присутствие углерода более губительно, чем сера или кислород. Углерод также вызывает магнитное старение, когда он медленно покидает твердый раствор и выделяется 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 путем отжига сплава в обезуглероживающей атмосфере, такой как водород . [1] [3]

Железо-кремниевые реле стали [ править ]

Тип сталиНоминальный состав [4]Альтернативное описание
11,1% Si-FeКремниевый сердечник «А» [5]
1FОбработка без содержания Si-Fe 1,1%Железо с кремниевым сердечником «А-ФМ» [6]
22,3% Si-FeКремниевый сердечник «B» [7]
2F2.3% обработка без Si-FeКремниевый сердечник «Б-ФМ» [7]
34,0% Si-FeКремниевый сердечник «C» [8]

Примеры физических свойств [ править ]

  • Температура плавления : ~ 1500 ° C (например, для содержания кремния ~ 3,1%) [9]
  • Плотность : 7650 кг / м 3 (например, при содержании кремния 3%)
  • Удельное сопротивление (содержание кремния 3%): 4,72 × 10 -7 Ом · м (для сравнения, удельное сопротивление чистого железа: 9,61 × 10 -8 Ом · м)

Ориентация зерна [ править ]

Неориентированная электрокремнистая сталь (изображение, полученное с помощью магнитооптического датчика и поляризационного микроскопа)

Электротехническая сталь, изготовленная без специальной обработки для контроля ориентации кристаллов, неориентированная сталь, обычно имеет уровень кремния от 2 до 3,5% и имеет одинаковые магнитные свойства во всех направлениях, т.е. она изотропна . Холоднокатаная сталь без ориентированной зернистости часто обозначается аббревиатурой CRNGO.

Текстурированная электротехническая сталь обычно имеет уровень кремния 3% (Si: 11Fe). Его обрабатывают таким образом, что оптимальные свойства развиваются в направлении прокатки благодаря жесткому контролю (предложенному Норманом П. Госсом ) ориентации кристаллов относительно листа. Плотность магнитного потока увеличивается на 30% в направлении прокатки рулона, хотя его магнитное насыщение снижается на 5%. Используется для сердечников силовых и распределительных трансформаторов , холоднокатаная сталь с ориентированной зернистостью часто сокращается до CRGO.

CRGO обычно поставляется производственными заводами в форме катушки и должен быть разрезан на «пластинки», которые затем используются для формирования сердечника трансформатора, который является неотъемлемой частью любого трансформатора. Сталь с ориентированной зернистостью используется в больших силовых и распределительных трансформаторах, а также в некоторых выходных звуковых трансформаторах. [10]

CRNGO дешевле, чем CRGO. Он используется, когда стоимость важнее эффективности, и в приложениях, где направление магнитного потока непостоянно, как в электродвигателях и генераторах с движущимися частями. Его можно использовать, когда недостаточно места для ориентирования компонентов, чтобы воспользоваться преимуществами направленных свойств электротехнической стали с ориентированной зеренной структурой.

  • Магнитные домены и доменные стенки из ориентированной кремнистой стали (изображение сделано с помощью CMOS-MagView)

  • Магнитные домены и доменные стенки из ориентированной кремнистой стали (изображение сделано с помощью CMOS-MagView)

  • Магнитные домены и доменные стенки из неориентированной кремнистой стали (изображение сделано с помощью CMOS-MagView)

Аморфная сталь [ править ]

Этот материал представляет собой металлическое стекло, полученное путем заливки расплавленного сплава на вращающееся охлаждаемое колесо, которое охлаждает металл со скоростью около одного мегакельвина в секунду так быстро, что кристаллы не образуются. Аморфная сталь ограничивается фольгой толщиной около 50 мкм. Механические свойства аморфной стали затрудняют штамповку пластин для электродвигателей. Поскольку аморфная лента может быть отлита до любой ширины до примерно 13 дюймов и может быть относительно легко разрезана, она является подходящим материалом для намотки сердечников электрических трансформаторов. В 2019 году цена аморфной стали за пределами США составляет примерно 0,95 доллара за фунт по сравнению со сталью HiB с ориентированной зеренной структурой, которая стоит примерно 0,86 доллара за фунт. Трансформаторы с сердечником из аморфной стали может иметь потери в сердечнике в три раза меньше, чем у обычных электротехнических сталей.

Покрытия для ламинирования [ править ]

На электротехническую сталь обычно наносят покрытие, чтобы увеличить электрическое сопротивление между слоями, уменьшить вихревые токи, обеспечить устойчивость к коррозии или ржавчине и действовать в качестве смазки во время высечки . Существуют различные покрытия, органические и неорганические , и используемое покрытие зависит от области применения стали. [11] Тип выбранного покрытия зависит от термообработки ламината, от того, будет ли готовый ламинат погружаться в масло, и от рабочей температуры готового устройства. Очень ранняя практика заключалась в том, чтобы изолировать каждую пластину слоем бумаги или лаковым покрытием, но это уменьшало коэффициент штабелирования.ядра и ограничивает максимальную температуру ядра. [12]

ASTM A976-03 классифицирует различные типы покрытий для электротехнической стали. [13]

КлассификацияОписание [14]Для роторов / статоровАнтипригарное покрытие
C0Природный оксид, образующийся при переработке мельницыНетНет
C2Стекло как пленкаНетНет
C3Органическая эмаль или лаковое покрытиеНетНет
C3AКак C3, но тоньшедаНет
C4Покрытие, полученное в результате химической и термической обработкиНетНет
C4AТо же, что и C4, но более тонкий и свариваемыйдаНет
C4ASВариант C4 с антипригарным покрытиемдада
C5Высокая стойкость, как у неорганического наполнителя C4 plusНетНет
C5AКак C5, но более свариваемыйдаНет
C5ASВариант C5 с антипригарным покрытиемдада
C6Органическое покрытие с неорганическим наполнителем для обеспечения изоляционных свойствдада

Магнитные свойства [ править ]

Типичная относительная проницаемость (μ г ) из электротехнической стали составляет 4000 раз больше , чем в вакууме. [ необходима цитата ]

Магнитные свойства электротехнической стали зависят от термической обработки , так как увеличение среднего размера кристаллов снижает гистерезисные потери. Потери на гистерезис определяются стандартным тестером Эпштейна и для обычных марок электротехнической стали могут составлять от 2 до 10 Вт на килограмм (от 1 до 5 Вт на фунт) при 60 Гц и напряженности магнитного поля 1,5 тесла.

Электротехническая сталь может поставляться в полуобработанном состоянии, так что после штамповки окончательной формы может быть применена окончательная термообработка для получения обычно требуемого размера зерна 150 микрометров. Полностью обработанная электротехническая сталь обычно поставляется с изоляционным покрытием, полной термообработкой и определенными магнитными свойствами для применений, где штамповка не приводит к значительному ухудшению свойств электротехнической стали. Чрезмерный изгиб, неправильная термообработка или даже грубое обращение могут отрицательно повлиять на магнитные свойства электротехнической стали, а также могут увеличить шум из-за магнитострикции . [12]

Магнитные свойства электротехнической стали проверяются с использованием международного стандартного метода рамы Эпштейна . [15]

Размер магнитных доменов в листовой электротехнической стали можно уменьшить, разметав поверхность листа лазером или механически. Это значительно снижает гистерезисные потери в собранном сердечнике. [16]

Приложения [ править ]

НПОЭС в основном используется во вращающемся оборудовании, например, электродвигателях, генераторах и преобразователях повышенной и высокочастотной частоты. GOES, с другой стороны, используется в статическом оборудовании, таком как трансформаторы. [17]

См. Также [ править ]

  • Ферросилиций , исходный материал для кремнистой стали

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Тонг, Колин (2018). Введение в материалы для перспективных энергетических систем . Springer. С. 400–. ISBN 978-3-319-98002-7.
  2. ^ Buschowl, KHJ et al. изд. (2001) Энциклопедия материалов: наука и технологии . Эльзевир. С. 4807–4808. ISBN 0-08-043152-6 
  3. ^ Сидор, Y .; Ковач, Ф. (2005). «Вклад в моделирование процесса обезуглероживания электротехнических сталей» (PDF) . Вісник Львівського університету. Серія фізична . 38 : 8–17.
  4. ^ "ASTM A867" . ASTM . Проверено 1 декабря 2011 года .
  5. ^ "Кремниевый сердечник" A " " . CarTech . Проверено 1 декабря 2011 года .
  6. ^ "Кремниевый сердечник" A-FM " " . CarTech . Проверено 1 декабря 2011 года .
  7. ^ a b "Утюг с кремниевым сердечником CarTech®" B-FM " " . CarTech.
  8. ^ "CarTech® Silicon Core Iron" C " " . CarTech . Проверено 21 ноября 2019 .
  9. ^ Niazi, A .; Pieri, JB; Berger, E .; Джути, Р. (1975). «Замечание об электромиграции границ зерен в кремнистом железе». Журнал материаловедения . 10 (2): 361–362. Bibcode : 1975JMatS..10..361N . DOI : 10.1007 / BF00540359 .
  10. ↑ Вон, Эдди. «Односторонние и двухтактные: глубокие, темные секреты выходных трансформаторов» (PDF) .
  11. ^ Финк, Дональд Г. и Битти, Х. Уэйн (1978) Стандартное руководство для инженеров-электриков, 11-е изд. Макгроу-Хилл. С. 4–111. ISBN 978-0070209749 
  12. ^ a b Jump, Лес (март 1981) Трансформаторная сталь и сердечники , Federal Pioneer BAT
  13. ^ "ASTM A976-03 (2008) Стандартная классификация изоляционных покрытий по составу, относительной изоляционной способности и применению" . ASTM A976-03 (2008) . ASTM.
  14. ^ «Классификация изоляционных покрытий для электротехнической стали» (PDF) . Проверено 27 марта 2013 года .
  15. ^ МЭК 60404-2
  16. ^ де Лорб, Ричард (июнь / июль 1981), здесь нет лазеров , Federal Pioneer BAT
  17. ^ Обзор рынка электротехнической стали . Товар внутри . 15 февраля 2020 г.

Внешние ссылки [ править ]

  • Видео-файл с динамическим перемещением домена с YouTube
  • Резюме кремниевых сталей