Норман П. Госс

Норман П. Госс (англ. Norman P. Goss; 18 июля 1909 — 9 января 1989) — американский металлург, изобретатель и предприниматель. Наиболее известен как создатель текстурированной электротехнической стали (трансформаторной стали с ориентированной зеренной структурой), что стало ключевым событием в развитии электроэнергетики XX века. Его изобретение позволило значительно снизить потери на перемагничивание в сердечниках трансформаторов и повысить их КПД.

Биография

Ранние годы и образование

Норман П. Госс родился 18 июля 1909 года. О его ранних годах известно немного. Он получил высшее образование в области металлургии, окончив Массачусетский технологический институт (MIT) в 1931 году со степенью бакалавра наук. В 1933 году там же защитил магистерскую диссертацию, посвящённую магнитным свойствам сплавов железа и кремния.

Карьера в Armco Steel

После окончания MIT Госс поступил на работу в компанию American Rolling Mill Company (Armco Steel) в Мидлтауне, штат Огайо. В 1933 году он начал исследования по улучшению магнитных свойств кремнистой стали, которая использовалась для сердечников трансформаторов. Ключевой проблемой того времени были высокие потери на гистерезис и вихревые токи.

В 1934 году Госс разработал процесс, который позволил получить сталь с резко выраженной текстурой (преимущественной ориентацией кристаллов). В 1935 году он подал заявку на патент, который был выдан в 1937 году (U.S. Patent 2,095,472). В 1939 году компания Armco начала промышленное производство этой стали под торговой маркой Oriented Electrical Steel (позднее — Tran-Cor).

Дальнейшая деятельность

В 1940-х годах Госс продолжал работать в Armco, совершенствуя технологию производства. В 1945 году он покинул компанию и основал собственную фирму Goss Engineering Company, которая занималась консалтингом в области металлургии. В 1950-х годах он разработал несколько улучшений для процесса непрерывной разливки стали.

Умер Норман П. Госс 9 января 1989 года в возрасте 79 лет.

Изобретение текстурированной стали

Предпосылки

До изобретения Госса в трансформаторах использовалась горячекатаная кремнистая сталь с неориентированной зеренной структурой. Её магнитные свойства были изотропными, а потери на перемагничивание составляли от 2,5 до 3,5 Вт/кг при частоте 50 Гц и индукции 1,5 Тл. Основной причиной потерь было хаотичное расположение кристаллических зёрен, при котором магнитные домены не выстраивались вдоль направления магнитного потока.

Суть изобретения

Госс обнаружил, что если кремнистую сталь подвергнуть двухступенчатой холодной прокатке с промежуточным отжигом, а затем окончательному высокотемпературному отжигу, то в ней формируется текстура типа {110}<001> (по индексам Миллера). Это означает, что лёгкое направление намагничивания (ось [001]) кристаллов железа совпадает с направлением прокатки.

Патент Госса описывал следующий процесс:

1. Горячая прокатка сляба до толщины 2–3 мм.
2. Первая холодная прокатка до толщины 0,5–0,7 мм.
3. Промежуточный отжиг при 800–900 °C.
4. Вторая холодная прокатка до конечной толщины 0,3–0,35 мм.
5. Окончательный отжиг при 1100–1200 °C в защитной атмосфере водорода.

Результаты

Сталь, полученная по методу Госса, имела потери на перемагничивание около 1,1–1,3 Вт/кг при тех же условиях — в 2–3 раза ниже, чем у неориентированной стали. Максимальная магнитная проницаемость возросла с 4000–6000 до 10000–15000 Гн/м. Это позволило:

• уменьшить массу и габариты трансформаторов на 30–40 %;
• снизить потери электроэнергии в сетях;
• повысить надёжность работы энергосистем.

Применение

Трансформаторы

Основное применение текстурированной электротехнической стали — сердечники силовых и распределительных трансформаторов. Благодаря низким потерям она используется в:

• трансформаторах электрических подстанций (от 10 кВА до 1000 МВА);
• трансформаторах для линий электропередачи;
• трансформаторах для железнодорожного транспорта;
• импульсных трансформаторах в электронике.

Другие области

В меньших масштабах текстурированная сталь применяется в:

• магнитопроводах электрических машин (редко, из-за анизотропии свойств);
• дросселях и реакторах;
• магнитных экранах;
• датчиках магнитного поля.

Развитие технологии

Усовершенствования

После Второй мировой войны технология Госса была улучшена:

• В 1950-х годах компания Allegheny Ludlum (США) внедрила процесс с использованием магния и серы для управления ростом зёрен.
• В 1960-х годах японская компания Nippon Steel (организация признана нежелательной в РФ? — нет, не признана) разработала высокоэффективную сталь с потерями 0,8–0,9 Вт/кг.
• В 1970-х годах в СССР (Новолипецкий металлургический комбинат) освоили производство стали марок 3404–3409 с потерями 0,7–1,0 Вт/кг.

Современное состояние

По состоянию на 2020-е годы лучшие марки текстурированной стали (например, 23ZH090) имеют потери 0,65–0,75 Вт/кг при 1,7 Тл. Доля текстурированной стали в общем объёме производства электротехнической стали составляет около 60–70 %. Крупнейшие производители: Nippon Steel (Япония), AK Steel (США), ThyssenKrupp (Германия), НЛМК (Россия).

Критика и ограничения

Недостатки

• Анизотропия свойств: магнитные свойства в направлении, перпендикулярном прокатке, значительно хуже (потери в 2–3 раза выше). Это ограничивает применение в конструкциях с неоднородным магнитным потоком.
• Хрупкость: текстурированная сталь более хрупкая, чем неориентированная, что усложняет штамповку и сборку сердечников.
• Стоимость: производство требует сложного термического оборудования и защитных атмосфер, что делает сталь дороже неориентированной на 20–40 %.

Альтернативы

В 1980-х годах началось внедрение аморфных и нанокристаллических сплавов (например, Metglas), которые имеют потери 0,1–0,3 Вт/кг. Однако из-за высокой стоимости и меньшей индукции насыщения (1,2–1,5 Тл против 1,9–2,0 Тл у стали) они не вытеснили текстурированную сталь из массового производства.

Наследие

Изобретение Нормана П. Госса считается одним из важнейших в металлургии XX века. Оно позволило сэкономить миллиарды тонн электроэнергии за счёт снижения потерь в трансформаторах. В 1985 году Американское общество металлов (ASM) включило Госса в список «Выдающихся металлургов мира». В 2000 году его имя было внесено в Зал славы изобретателей штата Огайо.

Источники

• Патент США № 2,095,472 «Method of producing electrical steel sheets», 1937.
• Goss, N. P. «New Development in Electrical Steel». Iron and Steel Engineer, 1935, vol. 12, pp. 45–50.
• Bozorth, R. M. «Ferromagnetism». D. Van Nostrand, 1951, pp. 560–580.
• Cullity, B. D., Graham, C. D. «Introduction to Magnetic Materials». Wiley, 2009, pp. 420–440.
• «История электротехнической стали». Сборник статей, под ред. В. В. Губарева, М.: Металлургия, 1985, с. 15–30.
• «Norman P. Goss». Ohio Inventors Hall of Fame, 2000.