Холоднокатаная анизотропная сталь

Холоднокатаная анизотропная сталь — это текстурованная электротехническая сталь, обладающая ярко выраженными магнитными свойствами в определённом направлении прокатки, что достигается за счёт специальной кристаллографической текстуры (совершенной ребровой текстуры типа {110}<001>). Данный материал является разновидностью кремнистой электротехнической стали, предназначенной для изготовления магнитопроводов трансформаторов, дросселей и других электромагнитных устройств, работающих в условиях переменного магнитного поля.

История

Разработка анизотропной стали началась в первой половине XX века. В 1934 году американский металлург Норман Гросс (Norman P. Goss) получил патент на способ получения текстурованной кремнистой стали с высокими магнитными свойствами вдоль направления прокатки. В 1930–1940-х годах технология была усовершенствована в США и СССР. В Советском Союзе промышленное производство холоднокатаной анизотропной стали было освоено в 1950-х годах на Новолипецком металлургическом комбинате (НЛМК). Ключевой вклад в теорию и практику получения текстуры внесли учёные: В. Д. Дурнев, В. В. Усов, Б. Г. Лившиц, а также зарубежные исследователи — К. Хоу (C. Howe) и С. Тагути (S. Taguchi). В 1960–1970-х годах технология была существенно доработана: внедрены высокотемпературный отжиг в защитной атмосфере, использование ингибиторов роста зёрен (например, сульфида марганца MnS, нитрида алюминия AlN) и двухстадийная холодная прокатка.

Производство

Производство холоднокатаной анизотропной стали включает несколько ключевых этапов:

1. Выплавка и разливка стали. Исходная сталь выплавляется в дуговых или конвертерных печах. Химический состав строго контролируется: содержание кремния (Si) обычно составляет 2,8–3,5 %, углерода (C) — не более 0,03–0,05 %, серы (S) — не более 0,005–0,010 %. Для создания ингибиторов вводятся алюминий (Al) и азот (N) или марганец (Mn) и сера (S). Разливка производится в слитки или на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).

1. Горячая прокатка. Слитки нагреваются до 1150–1250 °C и прокатываются на полосу толщиной 2,0–2,5 мм. После горячей прокатки полоса подвергается нормализации (отжигу) для гомогенизации структуры.

1. Холодная прокатка. Выполняется в два этапа с промежуточным отжигом. Первый этап — прокатка до толщины 0,6–0,7 мм, затем отжиг для рекристаллизации. Второй этап — прокатка до конечной толщины (0,23–0,50 мм для большинства трансформаторных марок). Степень обжатия на втором этапе составляет 50–70 %.

1. Обезуглероживающий отжиг. Полоса нагревается в защитной атмосфере (азот-водородная смесь) при 800–850 °C. Цель — снижение содержания углерода до 0,003–0,005 % и формирование первичной рекристаллизованной структуры.

1. Высокотемпературный отжиг (рекристаллизационный отжиг). Проводится в колпаковых печах при 1100–1200 °C в течение 20–40 часов в атмосфере водорода. В ходе этого этапа происходит селективный рост зёрен с ориентацией {110}<001> (ребровая текстура). Ингибиторы (AlN, MnS) препятствуют росту нежелательных зёрен, обеспечивая формирование совершенной текстуры.

1. Нанесение изоляционного покрытия. На поверхность полосы наносится тонкий слой электроизоляционного лака (обычно на основе фосфатов магния или алюминия) для уменьшения вихревых токов между листами в магнитопроводе.

1. Контроль качества. Измеряются магнитные свойства (магнитная индукция B при напряжённости поля 800 А/м — B800, удельные магнитные потери P1,7/50), геометрические размеры, толщина изоляционного покрытия.

Структура и текстура

Основной особенностью холоднокатаной анизотропной стали является наличие совершенной ребровой текстуры (Goss-текстуры), при которой кристаллографическая плоскость {110} параллельна плоскости листа, а направление <001> (лёгкого намагничивания) совпадает с направлением прокатки. Такая текстура обеспечивает высокую магнитную проницаемость и низкие потери на перемагничивание именно вдоль направления прокатки. В поперечном направлении (перпендикулярно прокатке) магнитные свойства значительно хуже: магнитная индукция может быть на 20–30 % ниже, а потери — в 2–3 раза выше.

Размер зёрен в готовой стали составляет 2–10 мм, что существенно крупнее, чем в изотропной стали (0,1–0,5 мм). Для оценки совершенства текстуры используется параметр — доля зёрен с отклонением от идеальной ориентации не более 3–5°.

Свойства

Магнитные свойства

Основные магнитные характеристики холоднокатаной анизотропной стали:

• Магнитная индукция B800 (при напряжённости поля 800 А/м): 1,75–1,92 Тл (в зависимости от марки и толщины).
• Удельные магнитные потери P1,7/50 (при индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц): 0,8–1,5 Вт/кг для толщины 0,30 мм; 1,0–2,0 Вт/кг для толщины 0,35 мм.
• Коэрцитивная сила Hc: 10–30 А/м.
• Магнитная проницаемость μmax: 30 000–100 000.

Механические свойства

• Предел прочности σв: 350–450 МПа.
• Предел текучести σт: 250–350 МПа.
• Относительное удлинение δ: 20–30 %.
• Твёрдость по Виккерсу HV: 130–170.

Физические свойства

• Плотность: 7,65–7,70 г/см³.
• Удельное электрическое сопротивление: 0,45–0,55 мкОм·м (при 20 °C).
• Коэффициент теплового расширения: 11–12·10⁻⁶ 1/°C (в интервале 20–200 °C).
• Температура Кюри: 730–750 °C.

Классификация и маркировка

В России и странах СНГ маркировка холоднокатаной анизотропной стали регламентируется ГОСТ 21427.2-83. Марка состоит из букв и цифр:

• Первая буква — «3» (электротехническая сталь).
• Вторая буква — «А» (анизотропная).
• Третья буква — «Т» (трансформаторная).
• Цифры — толщина в сотых долях миллиметра (например, 30 — 0,30 мм).
• Дополнительные буквы — класс потерь (например, «А» — низкие потери, «Б» — средние, «В» — высокие).

Примеры марок: 3408 (толщина 0,35 мм, нормальные потери), 3413 (толщина 0,35 мм, пониженные потери), 3424 (толщина 0,30 мм, низкие потери).

В международной классификации (IEC 60404-8-7) марки обозначаются, например, как M090-30P (M — магнитный материал, 090 — удельные потери 0,90 Вт/кг, 30 — толщина 0,30 мм, P — покрытие с высоким сопротивлением).

Применение

Основная область применения — силовые трансформаторы (от маломощных до сверхмощных — до 1000 МВА и выше). Из анизотропной стали изготавливают магнитопроводы стержневого, броневого и тороидального типов. Также материал используется в:

• Распределительных трансформаторах (6–35 кВ).
• Трансформаторах тока и напряжения.
• Дросселях и реакторах (в том числе для фильтров высших гармоник).
• Магнитных усилителях.
• Электрических машинах (в некоторых конструкциях статоров и роторов, где требуется высокая индукция в одном направлении).

Преимущества

• Высокая магнитная индукция (до 1,92 Тл) — позволяет уменьшить сечение магнитопровода, снизить массу и габариты трансформатора.
• Низкие удельные потери — повышает КПД трансформатора (до 99,5–99,7 %).
• Хорошая обрабатываемость (резка, штамповка, шихтовка).

Недостатки

• Анизотропия свойств — при работе в условиях, где магнитный поток не совпадает с направлением прокатки, эффективность резко падает.
• Высокая стоимость (в 1,5–2 раза дороже изотропной стали).
• Чувствительность к механическим напряжениям (резка и штамповка ухудшают магнитные свойства, требуют последующего отжига).

Интересные факты

• Первый в мире промышленный силовой трансформатор с магнитопроводом из холоднокатаной анизотропной стали был изготовлен в 1941 году в США (компания Westinghouse Electric Corporation).
• В СССР серийное производство анизотропной стали началось в 1955 году на НЛМК. К 1970 году завод выпускал более 100 тыс. тонн в год.
• Современные технологии (например, лазерная обработка поверхности) позволяют дополнительно снизить потери в стали на 5–10 % за счёт создания локальных напряжений, препятствующих движению доменных стенок.
• Толщина листов анизотропной стали для трансформаторов сверхвысокого напряжения (500 кВ и выше) может составлять всего 0,18–0,23 мм.

Источники

• ГОСТ 21427.2-83 «Сталь электротехническая холоднокатаная анизотропная. Технические условия».
• IEC 60404-8-7:2017 «Magnetic materials — Part 8-7: Specifications for individual materials — Cold-rolled grain-oriented electrical steel strip and sheet».
• Лившиц Б. Г., Крапошин В. С., Линецкий Я. Л. «Физические свойства металлов и сплавов». — М.: Металлургия, 1980.
• Дурнев В. Д., Усов В. В. «Технология производства электротехнической стали». — М.: Металлургия, 1975.
• Taguchi S., Sakakura A. «Texture development in grain-oriented silicon steel». — Transactions of the Iron and Steel Institute of Japan, 1978.
• Материалы Новолипецкого металлургического комбината (ПАО «НЛМК»).