Магнитные свойства электротехнической стали - Магнитные свойства сталей

Глава вторая
МАГНИТНЫЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛЕЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В СРЕДНИХ И СИЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ ПРИ ЧАСТОТЕ
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 50 гц

2-1. КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ

Большая часть стали, предназначенной для использования в переменных полях частотой 50 гц, употребляется при изготовлении магнитопроводов электрических генераторов, двигателей и силовых трансформаторов. Для изготовления электрических машин ранее применялась сталь с Si=(1-2) %, получившая название динамной стали. Сталь с Si=(3-4) % применялась для силовых трансформаторов и называлась трансформаторной сталью. В настоящее время такое деление является в значительной степени условным, так как для изготовления крупных электрических машин успешно применяется электротехническая сталь с Si=(3-4) %.
По ГОСТ 802-58 для изготовления силового электрооборудования предназначаются следующие группы сталей:

1. холоднокатаная текстурованная сталь марок Э310, Э320, Э330, Э330А;
2. холоднокатаная малотекстурованная сталь марок Э1100, Э1200, Э1300, Э3100, Э3200;
3. горячекатаная нетекстурованная сталь марок Э11, Э12, Э13, Э21, Э22, Э31, Э32, Э41, Э42, Э43, Э43А;
4. нелегированная холоднокатаная, нетекстурованная электротехническая сталь марок Э0100, Э0200 и Э0300 (изготовляется по техническим условиям).

В настоящее время готовится к выпуску новый государственный стандарт на электротехническую сталь, в котором изменено название марок и введены новые марки с улучшенными характеристиками.
Основными расчетными электромагнитными характеристиками для перечисленных сталей являются кривая намагничивания в постоянном и переменном магнитных полях, удельные потери и полная удельная мощность при частоте переменного тока 50 гц и различных амплитудах магнитной индукции. Эти характеристики в значительной степени зависят от содержания кремния, типа и интенсивности кристаллической текстуры, совершенства кристаллической решетки, величины зерна, количества включений и степени их дисперсности, внутренних напряжений, толщины листа, состава и толщины окалины (если сталь поставляется в нетравленом виде) и от качества поверхности листов.

2-2. КРИВЫЕ НАМАГНИЧИВАНИЯ

Рис. 2-1. Кривые намагничивания сталей Э13, Э43, Н-30 и М3-Н.
Кривые намагничивания сталей рассматриваемых марок по стандарту определяются в постоянном поле при напряженности магнитного поля от 1 000 до 30 000 а/м. Участок кривой намагничивания, нормируемый стандартом, не всегда является достаточным для расчета магнитных цепей, поэтому на представленных ниже графиках этот диапазон расширен от 10 до 105 а/м.
Кривые намагничивания сталей ЭН, Э43, а также зарубежных марок Н-30 и М3-Н, отличающихся содержанием кремния и кристаллической текстурой, снятые в постоянном поле, приведены на рис. 2-1. Сталь Н-30 — холоднокатаная нетекстурованная с малым содержанием кремния (Si = =0,3%), а сталь М3-Н — холоднокатаная с резковыраженной ребровой текстурой (Si=3,0%).  
рис. 2-1 следует, что в области слабых и средних магнитных полей наиболее высокая проницаемость у холоднокатаной текстурованной стали, а в области магнитного насыщения — у стали с наименьшим содержанием кремния.
Для расчета магнитопроводов, применяемых в переменных полях, недостаточно знание кривой намагничивания в постоянном поле, так как ее нельзя однозначно сопоставить с кривой намагничивания в переменном поле. Кривые намагничивания в переменных полях могут быть в разных координатах. Отметим некоторые из них.

Вм=f(Hм) — зависимость амплитуды магнитной индукции от амплитуды напряженности поля;
Вм=f(H1) — зависимость амплитуды магнитной индукции от амплитуды первой гармоники напряженности поля;
Вм=f(Hдейств) — зависимость амплитуды магнитной индукции от действующего значения напряженности магнитного поля (понятие действующего значения поля не имеет физического смысла, однако применяется в электромагнитных расчетах как удобная вспомогательная характеристика).

Рис. 2-2. Кривые намагничивания стали Э42.
0 — в постоянном магнитном поле; X — в переменном магнитном поле частотой 50 гц.
В большинстве случаев электрические машины и аппараты работают в режиме синусоидального изменения магнитного потока. Как показано в [Л. 2-1], кривые намагничивания в переменном поле в координатах Вм=f(Hм) близки к кривым намагничивания в постоянном поле при условии совпадения во времени максимума индукции с максимумом поля, что возможно только при слабовыраженном поверхностном эффекте.

 В холоднокатаной текстурованной стали уже при 50 гц имеется заметный сдвиг фаз между Вм и Нм, что видно из динамических циклов гистерезиса (рис. 1-14). В момент времени, когда магнитная индукция достигает максимума, напряженность поля заметно меньше Нм.

Рис. 2-3. Кривые намагничивания стали Э330.
О — в постоянном магнитном поле; X — в переменном магнитном поле частотой 50 гц.
В горячекатаной трансформаторной стали по данным [Л. 2-2] совпадение кривых в постоянном и переменном поле в координатах Вм-Нм достаточно хорошее (рис. 2-2), а в текстурованной стали кривые заметно расходятся в области крутого подъема (рис. 2-3). В области пологого участка кривые намагничивания идут достаточно близко.
Наиболее удобной для практики является зависимость Ндейств=f(Bм) или Bм=f(Ндейств), так как эта характеристика для ряда электрических устройств определяет ток холостого хода и коэффициент мощности.

же для сравнения даны кривые намагничивания, снятые в постоянном поле и в переменном поле в координатах Вм (Ндейств).

Холоднокатаная текстурованная сталь

Особенностью холоднокатаной текстурованной стали является наличие ярковыраженной кристаллической текстуры. При идеальной ребровой текстуре в каждом кристаллите плоскости {110} должны совпадать с плоскостью листа, а оси <100> направлены вдоль прокатки. Однако в реальных образцах ориентация большинства кристаллитов несколько отличается от идеальной ориентации. Если средний угол отклонения от идеальной ориентации обозначить а, то по данным [Л. 2—3] и др. при уменьшении угла α от 12 до 5° проницаемость в сильных полях (1 000—30 000 а/м) возрастает почти линейно (рис. 2-6). Это в свою очередь приводит к снижению удельных потерь.

Рис. 2-6. Зависимость магнитной индукции В1000—В10000 холоднокатаной стали от среднего угла отклонения кристаллитов от идеальной ориентации.
Таким образом, в марках стали с наиболее низкими удельными потерями будет повышена проницаемость не только в сильных, но и в средних полях (разумеется, при неизменном значении магнитного насыщения и толщины стали).
Для холоднокатаной стали разных марок отечественного производства характерны следующие значения В2500:

Такая же закономерность имеется и для сталей, выпускаемых различными зарубежными фирмами. По данным [Л. 1-62] приведем значения p1,5/50 и В2500 в стали толщиной листа 0,35 мм:

Рис. 2-7. Кривые намагничивания сталей Э330А и VC-9 в постоянном поле.
1 — Э330А; 2-VC-9.
Из приведенных на рис. 2-7 кривых намагничивания сталей Э330А1 и VC-9 следует, что в стали с более низкими значениями удельных потерь магнитная индукция не только в сильных, но и в средних полях идет заметно выше, чем у сталей, у которых удельные потери больше, а В2500 меньше. Повышение магнитной проницаемости при поле 2 500 а/м связано с улучшением кристаллической текстуры в стали.
Таким образом, снижение углов рассеивания кристаллитов от идеальной ориентации, соответствующей рис. 1-38, а, может привести к повышению рабочей индукции в магнитопроводах при сохранении намагничивающего поля.
Кривые намагничивания в переменном поле холоднокатаной стали с разным уровнем потерь в координатах Вм— Ндейств приведены на рис. 2-8. При В=1,65 имеем следующее значение Ндейств:

По данным Ю. Н. Ярошенко,

Рис. 2-8. Кривые намагничивания холоднокатаной текстурованной стали толщиной листа 0,35 мм с различными значениями удельных потерь Р 1,5/50.
1 — 0,90 вт/кг; 2 — 1,05 вт/кг·, 3 — 1,28 вт/кг.

Рис. 2-9. Два способа укладки полос, вырезанных под углом φ к направлению прокатки в пакеты прямоугольной рамы.
а—согласованное расположение полос в пакете; б — несогласованное расположение полос.

Рис. 2-10. Анизотропия магнитной индукции в холоднокатаной текстурованной стали с малыми углами рассеивания кристаллитов от идеальной ориентации при различных значениях напряженности поля.
1 — 8 000 а/м·, 2 — 4 000 а/м; 3 — 2 000 а/м; 4 — 400 а/м; 5 — 80 а/м.
В холоднокатаной текстурованной стали имеется резко выраженная анизотропия магнитных и электрических свойств. Хотя в магнитопроводах, изготовленных из такой стали, магнитный поток в основном совпадает с направлением прокатки, тем не менее часть потока при переходе из одного пакета в другой или в магнитопроводах сложной формы идет под разными углами к направлению прокатки.
Измерение магнитных и электрических характеристик на образцах, вырезанных под разными углами к направлению прокатки, обычно проводят, как и для продольных образцов, на пакетах эпштейновских полосок. Однако в этих случаях, если не выполнять особых условий по укладке полос в намагничивающие катушки, можно получить заметно отличающиеся результаты.
Рассмотрим укладку полос в пакете, вырезанных под каким-то одним углом φ к направлению прокатки. В этом случае укладка полос может быть выполнена разными способами. На рис. 2-9 показаны два из возможных способов укладки полос в пакете. Для наглядности рисунка полоски пакетов расположены на некотором расстоянии друг от друга. Во всех полосках, собранных по способу рис. 2-9, а, угол между направлением прокатки и длинной стороной полоски составляет + φ, а в полосках, собранных по способу рис. 2-9, б, имеется чередование углов +φ и —φ. Значения магнитной индукции, измеренной по этим способам, заметно отличаются между собой. Когда при резке полос не делается специальной отметки углов +φ и —φ, то при большем числе полос в пакете и их случайной укладке наиболее вероятное расположение полос в пакете будет соответствовать способу рис. 2-9, б.
На рис. 2-10 приведена анизотропия магнитной индукции для холоднокатаной текстурованной стали с малыми углами рассеивания от идеальной ориентаций (α≈3°), соответствующая укладке полос по способу рис. 2-9, б. Из рис. 2-10 следует, что в области средних полей наименьшая проницаемость имеется при φ= 90°, а в области сильных полей при φ = 55-60°. С уменьшением интенсивности кристаллической текстуры анизотропия проницаемости снижается (рис. 2-11).
Если изучение анизотропии проницаемости проводить на полосках, уложенных в аппаратах Эпштейна по способу рис. 2-9, а, то значения индукции при φ=10-55° получаются заметно меньше [Л. 2-4], чем по способу рис. 2-9, б (рис. 2-12).

В холоднокатаной стали с кубической текстурой анизотропия магнитной проницаемости выражена менее сильно, чем в стали с ребровой текстурой.

Рис. 2-13. Анизотропия удельных потерь и индукции в холоднокатаной трансформаторной стали с кубической и ребровой текстурой.
1 — кубическая текстура; 2 — ребровая текстура; 3—4 — средние значения Р15/50 и н1,5 для всех направлений (0—90°).
По данным [Л. 2-5] на рис. 2-13 представлена анизотропия намагничивающего поля при В=1,5 тл для стали с ребровой и кубической текстурой. По другим данным [Л. 2-6] в стали с кубической текстурой анизотропия намагничивающего поля выражена еще слабее.

Горячекатаная сталь

Горячекатаная электротехническая сталь имеет слабовыраженную кристаллическую текстуру. Поэтому по ГОСТ 802-58 кривые намагничивания этой стали измеряют на полосовых образцах, половина которых нарезана вдоль прокатки, а вторая половина — поперек. Содержание кремния в горячекатаной стали составляет 1,0— 4,5% и определяет ход кривых намагничивания стали разных марок в сильных полях (рис. 2-14, 2-15). Кривые намагничивания сталей Э43, Э41 и Э31, Э21, Э12 близки к соответствующим кривым намагничивания сталей Э43А, Э42, Э32, Э22 и Э13.
Максимальная магнитная проницаемость для стали с Si=3% составляет 4 000—5 000, а для стали с Si=4% — 8 000—10 000. В области магнитных полей более 500 а/м кривые намагничивания стали с Si=3% идут выше кривых стали с Si=4% вследствие повышенного значения индукции насыщения.
Стали марок Э42 и Э43А имеют практически одинаковое содержание кремния, но у стали Э43А более крупнозернистая структура (10—20 зерен на 1 мм² площади 

Шлифа), чем у стали Э42 (60—100 зерен на 1 мм площади шлифа). Это обеспечивает повышение проницаемости в полях до 600—800 а/м. 

Рис. 2-14. Кривые намагничивания горячекатаной динамной стали с толщиной листа 0,5 мм в постоянном поле.
Однако в магнитных полях более 800 а/м магнитная проницаемость стали Э43А несколько меньше, чем в стали Э42. Такое снижение проницаемости в образцах крупнозернистой стали сначала объясняли появлением микротрещин, возникающих в результате рафинирования крупнозернистой стали [Л. 2-8]. Позднее было показано [Л. 2-9], что спад индукции в этом диапазоне полей имеет место независимо от способа получения крупного зерна, включая и тот, при котором рафинирование стали идет незначительно.
В [Л. 2-10] показывается, что процесс намагничивания в крупнозернистой стали происходит иначе, чем в мелкозернистой стали.

Рис. 2-15. Кривые намагничивания горячекатаной трансформаторной стали с толщиной листа 0,5 мм в постоянном поле.
На рис. 2-16, 2-17 по [Л. 2-7] показаны кривые намагничивания в переменном поле в координатах Вм—Ндейств. Сравнивая рис. 2-15 с 2-16 и 2-14 с 2-17, видим, что в области малых индукций (В <0,6 тл) отношение амплитудного значения поля к действующему близко к 1,41, а при больших составляет около 2,5.
Анизотропия горячекатаной трансформаторной стали выражена слабо. В табл. 2-1 приведены данные по анизотропии индукции стали Э42.
Различие в магнитной индукции вдоль и поперек прокатки в области средних полей составляет 20—30%, а в области более сильных (1 000—2 500 а/м) — 4—5%· При намагничивании этой стали в полях более 30 000 а/м анизотропия магнитной индукции исчезает. Из табл. 2-1 следует, что в стали толщиной 0,35 мм анизотропия индукции выражена несколько сильнее, чем в стали с толщиной листа 0,5 мм.
Анизотропия магнитных свойств горячекатаной трансформаторной стали ранее объяснялась вытянутостью включений, создающих большие препятствия прохождению магнитного потока поперек направления прокатки. 

Рис. 2-16. Кривые намагничивания горячекатаной трансформаторной стали с толщиной листа 0,5 мм в переменном поле (f=50 гц).

Рис. 2-17. Кривые намагничивания горячекатаной динамной стали с толщиной листа 0,5 мм в переменном поле (f=50 гц).
Таблица 2-1
Анизотропий магнитной индукции горячекатаной трансформаторной стали Э42 в средних и сильных полях

Таблица 2-2
Анизотропия магнитной индукции В2500 в образцах динамной стали для разных углов к направлению прокатки

По данным [Л. 2-11] основной причиной различия магнитных свойств вдоль и поперек направления прокатки следует считать наличие слабовыраженной кристаллической текстуры. Это хорошо подтверждается на образцах динамной стали, где кристаллическая текстура хорошо выявляется с помощью крутильного магнитометра.
На рис. 2-18 по [Л. 2-12] показаны два вида кривых вращательного момента дисковых образцов, относящихся к листам с прямой и реверсивной прокаткой, которые получаются при дублировании горячекатаных заготовок. Кривая рис. 2-18, а отражает текстуру типа {100} <110>, кривая 2-18, б — более сложную текстуру. Это накладывает свой отпечаток на анизотропию магнитных свойств. В табл. 2-2 показана анизотропия магнитной индукции В2500 в образцах динамной стали с текстурой рис. 2-18, а и б.

Рис. 2-18. Кривые вращательного момента дисковых образцов горячекатаной динамной стали в крутильном магнитометре.
а — с прокаткой сутунки в одном направлении; б — с прокаткой сутунки в разных направлениях (реверсивная прокатка).
При высокотемпературном отжиге образцов динамной стали происходит фазовый переход α—γ. При этом интенсивность кристаллической текстуры резко снижается и уменьшается анизотропия магнитных свойств (табл. 2-3).
Таблица 2-3

Значения магнитной индукции В2500 и коэрцитивной силы в образцах горячекатаной динамной стали для разных углов к направлению прокатки

Эти данные свидетельствуют о том, что причиной анизотропии магнитных свойств в горячекатаной стали является кристаллическая текстура.

Холоднокатаная малотекстурованная сталь

В настоящее время все большее применение находит холоднокатаная малотекстурованная сталь, которая по отношению к горячекатаной стали обладает следующими преимуществами:

1. Она изготовляется в рулонах, что облегчает ее применение на заводах электропромышленности.
2. Разнотолщинность и волнистость ленты при холодной прокатке значительно меньше, чем при горячей прокатке листов. Поверхность листов является более гладкой, что увеличивает коэффициент заполнения до 98%.
3. Применение современной технологии дает лучшее удаление вредных примесей и способствует улучшению электромагнитных характеристик холоднокатаной малотекстурованной стали по отношению к горячекатаной [Л. 2-13—2-16].

Рис. 2-20. Кривые намагничивания малотекстурованной холоднокатаной стали различных марок толщина листа 0,5 мм в переменном поле (f=50 гц, обозначения соответствуют рис. 2-19).
На рис. 2-19 приведены кривые намагничивания малотекстурованной холоднокатаной стали [Л. 2-16] с различным содержанием кремния и для сравнения кривая намагничивания нетравленой стали Э22. Если взять сталь с одним содержанием кремния (Si=2,0%), но разным способам изготовления (холоднокатаным и горячекатаным), то преимущество стали, изготовляемой по первому способу, очевидно. При сравнении кривых намагничивания этих двух видов сталей необходимо еще учитывать, что сталь Э22 поставляется в нетравленом виде, но объяснить только этим одним фактом различие кривых намагничивания в средних магнитных полях нельзя.
Кривая намагничивания нелегированной холоднокатаной малотекстурованной стали до H= 300 а/м идет ниже, а при H>300 а/м выше, чем в стали с Si = 2 и 3%.  
В стали марок Э0100, 30200 и Э0300 гарантируется индукция В2500 не менее 1,65 тл. На рис. 2-20 приведены кривые намагничивания малотекстурованных холоднокатаных сталей в координатах Вм—Hдейств, где преимущество этих сталей перед горячекатаными проявляется не в меньшей степени, чем для кривых Вм²500—Hм.
В малотекстурованных холоднокатаных сталях имеется некоторая анизотропия магнитной индукции. Так, по ГОСТ 802-58 разрешается иметь следующее различие в магнитной индукции B2500 вдоль и поперек листа: для марок Э1100, Э1200 и 31300—0,13 тл, для марок Э3100, 33200—0,16 тл.
В [Л. 2-15] предлагается по величине ΔΒ2500 холоднокатаные нетекстурованные стали разделять на две категории: стали, у которых ДВ2500<О,12 тл, называть нетекстурованными, а стали с ΔΒ2500≤0,25 тл —малотекстурованными. Однако такое деление пока не общепринято.