Наибольшее применение в электротехнике получила листовая электротехническая сталь. Эта сталь является сплавом железа с кремнием, содержание которого в ней 0,8 - 4,8%. Такие стали, в которые вводятся в малом количестве какие-либо вещества для улучшения их свойства, называются легированными.
Кремний вводится в железо в виде ферросилиция (сплав сислицида железа FeSi с железом)и находится в нем в растворенном состоянии.Кремний реагирует с наиболее вредной (для магнитных свойств железа) примесью - кислородом, восстанавливая железо из его окислов FеО и образуя кремнезем SiO2, который переходит частично в шлак.
Кремний также способствует выделению углерода из соединения Fе3С (цементит) с образованием графита. Таким образом, кремний устраняет химические соединения железа (FеО и Fе3С), которые вызывают увеличение коэрцитивной силы и увеличивают - потери на гистерезис. Кроме того, наличие кремния в железе в количестве 4 % и более увеличивает удельное электрическое сопротивление по сравнению с чистым железом, в результате чего уменьшаются потери на вихревые токи.
Несмотря на то что индукция насыщения Вs железа с увеличением кремния в нем значительно повышается и достигает при 6,4% кремния большой величины (Вs = 2800 гс), все же кремния вводят не более 4,8%. Увеличение содержания кремния более 4,8% приводит к тому, что стали приобретают повышенную хрупкость, т. е. механические свойства их ухудшаются.
Выплавляется электротехническая сталь в мартеновских печах. Листы изготовляют прокаткой стального слитка в холодном или горячем состоянии. Поэтому различают холодно- и горячекатаную электротехническую сталь.
Железо имеет кубическую кристаллическую структуру. По исследованию намагничивания оказалось, что оно может быть неодинаково по различным направлениям этого куба. Наибольшим намагничиванием кристалл обладает в направлении ребра куба, меньшим - по диагонали грани и самым малым - по диагонали куба. Поэтому желательно, чтобы все кристаллики железа в листе выстроились в процессе прокатки в ряды по направлению ребер куба.
Это достигается повторными прокатками листов стали, с сильным обжатием (до 70%) и последующим отжигом в атмосфере водорода. Это способствует очищению стали от кислорода и углерода, а также укрупнению кристаллов и ориентировке их таким образом, чтобы ребра кристаллов совпадали с направлением прокатки. Такие стали называются текстурованными. У них магнитные свойства по направлению прокатки выше, чем у обычной горячекатаной стали.
Листы текстурованной стали изготовляются холодной прокаткой. Магнитная проницаемость их выше, а потери на гистерезис меньше, чем у горячекатаных листов. Кроме того, у холоднокатаной стали индукция в слабых магнитных полях возрастает сильнее, чем у горячекатаной, т. е. кривая намагничивания в слабых полях располагается значительно выше кривой горячекатаной стали.
Рис. 1. Процесс производства листовой электротехнической стали
Следует, однако, отметить, что в результате ориентировки зерен текстурованной стали по направлению прокатки магнитная проницаемость по другим направлениям меньше, чем у горячекатаных. Так, при индукции 6 = 1,0 тл в направлении прокатки магнитная проницаемость μм=50000, а в направлении перпендикулярно прокатке μм - 5500. В связи с этим при сборке Ш-образных сердечников трансформаторов применяют отдельные полосы стали, вырезанные вдоль прокатки, которые затем шихтуют так, чтобы направление магнитного потока совпадало с направлением прокатки стали или составляло бы с ним угол 180°.
На рис. 2 приведены кривые намагничивания электротехнических сталей ЭЗЗОА и Э41 для трех диапазонов напряженностей магнитного поля: 0 - 2,4, 0 - 24 и 0 - 240 а/см.
Рис. 2. Кривые намагничивания электротехнических сталей: а - сталь Э330А (текстурированная), б - сталь Э41 (нетекстурированная)
Электротехническая листовая сталь обладает хорошими магнитными характеристиками - высокой индукцией насыщения, малой коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис. Благодаря этим свойствам она широко используется в электротехнике для изготовления сердечников статоров и роторов электрических машин, сердечников силовых трансформаторов, трансформаторов тока и магнитопроводов различных электрических аппаратов.
Отечественная электротехническая сталь различается по содержанию в ней кремния, по способу изготовления листов, а также по магнитным и электрическим свойствам.
Буква Э в обозначении стали означает "электротехническая сталь", первая за буквой цифра (1, 2, 3 и 4) означает степень легирования стали кремнием, причем содержание кремния находится в следующих пределах в %: для слаболегированной стали (Э1) от 0,8 до 1,8, для среднелегированной стали (Э2) от 1,8 до 2,8, для повышеннолегированной стали (ЭЗ) от 2,8 до 3,8, для высоколегированной стали (Э4) от 3,8 до 4,8.
Средняя величина удельного электрического сопротивления электротехнической стали ρ тоже зависит от количества кремния. Оно тем выше, чем больше содержание кремния в стали. Стали мирок Э1 имеют сопротивление ρ =0,25 ом х мм2/м, марок Э2 - 0,40 ом х мм2/м, марок ЭЗ - 0,5 ом х мм2/м и марок Э4 - 0,6 ом х мм2/м.
перемагничивании (вт/кг). Эти потери тем меньше, чем больше цифра, т. е. больше степень легирования стали кремнием. Нули после этих цифр означают, что сталь холоднокатаная текстурованная (0) и холоднокатаная малотекстурованная (00). Буква А указывает на особо низкие удельные потери при перемагничивании стали.
Электротехническая сталь выпускается в виде листов шириной от 240 до 1000 мм, длиной от 720 до 2000 мм и толщиной 0,1, 0,2, 0,35, 0,5 и 1,0 мм. Наибольшее применение имеют текстурованные стали, поскольку они обладают наибольшими значениями магнитных характеристик.
Рис. 3. Электротехническая сталь