Информационный портал  "TRANSFORMаторы"

transform.ru :: Стародубцев Ю. Н., Цырлин М. Б. Основные направления совершенствования электротехнических сталей. - Сталь, 1992, № 4.
 

Основные направления совершенствования электротехнических сталей.

Стародубцев Ю. Н., Цырлин М. Б. Верх-Исетский металлургический завод


 

 

Прогресс в области электротехнических магнитных материалов в последние годы связан с развитием двух конкурирующих направлении в технологии их производства. Во-первых, это традиционный способ, основанный на выплавке сплава, горячей прокатке и сочетании холодной деформации с термической обработкой на конечной стадии производства. Во-вторых, способ получения быстрозакаленной ленты путем разливки расплава на поверхность вращающегося с большой скоростью валка-холодильника. Такая конкуренция привела к разработке новых типов электротехнических материалов с высокой магнитной индукцией и малыми потерями и ускорила совершенствование традиционных сплавов Fe - 3 % Si.

Основным видом материалов в настоящее время продолжает оставаться электротехническая сталь. В анизотропной электротехнической стали (АЭС) доля вихретоковых потерь энергии может достигать 90 %. Поэтому основные пути совершенствования АЭС связаны с уменьшением таких потерь. Величину вихретоковых потерь можно оценить по формуле [1]: Рв = 1,628 Рс D/l (1), где D — ширина основных магнитных доменов; l — толщина пластины, Рс величина классических вихретоковых потерь, связанных с однородным по сечению и синусоидальным по времени перемагничиванием    ферромагнетика:   

Рс= (2). В этой формуле Bм — амплитуда синусоидальной индукции, f — частота перемагничивания, q -  удельное электросопротивление, с — скорость света.

Из формул (1) и (2) следует, что простейший способ снижения уровня магнитных потерь заключается в уменьшении толщины стали. Действительно, до определенной величины l общие магнитные потери снижаются почти линейно и лишь затем начинают расти (рис. 1). Последнее связано с увеличением гистерезисной составляющей потерь в тонких сечениях АЭС. Вследствие относительно высокой константы кристаллографической магнитной анизотропии в сплаве Fe — 3 % Si основной причиной роста гистерезисных потерь в тонких пластинах является отклонение отдельных кристаллитов от совершенной ребровой ориентации (110) [001]. Эти факторы по мере совершенствования кристаллографической текстуры АЭС приводят к уменьшению оптимальной толщины.

Вообще, совершенная кристаллографическая текстура – основное условие получения высоких магнитных свойств АЭС. О степени ее совершенства можно судить по величине углов отклонения оси [001] от направления прокатки: a—в плоскости листа, b от плоскости листа. Зависимость магнитных потерь от угла  b  носит нелинейный характер [2] (рис. 2) из-за вихретоковых потерь.

Рис. 1. Зависимость магнитных потерь Р1.7/50 от толщины 1 в анизотропной электротехнической стали со средним размером зерна 15 мм, имеющей разную магнитную индукцию В100 (цифры у кривых — Тл)

Так. при р==0 широкие основные домены в соответствии с формулой (2) обеспечивают высокие вихретоковые потери. Появление крупных каплевидных замыкающих доменов при b = 1—2° вызывает интенсивное дробление основных доменов в переменном магнитном поле [3] и уменьшение магнитных потерь. С увеличением угла b  до 4—5° процесс дробления прекращается [4] и уровень вихретоковых потерь далее не снижается. Из рис. 2 также следует, что в зависимости от амплитуды магнитной индукции минимальные магнитные потери получаются при разной величине угла b. Следовательно, оптимальная степень совершенства кристаллографической текстуры будет определяться требованиями потребителей к величине рабочей индукции трансформаторов.

Увеличение угла а приводит к уменьшению магнитной индукции и соответствующему росту магнитных потерь [3]. Степень этого влияния зависит от ширины образца [2] вследствие того, что при a>0 магнитный поток основных доменов частично замыкается на боковых гранях образца, исключая перемагничивание этого участка кристалла в результате легкого смещения 180°-ных доменных границ [5]. При увеличении ширины образца доля участия замыкающих доменов в процессе перемагничивания сокращается и соответственно возрастает магнитная индукция. Отсюда следует, что. во-первых, для получения высоких магнитных свойств в изделии необходимо использовать широкие позиции, особенно для АЭС с крупным зерном. Для размера позиций, соизмеримых с размером зерна, неизбежно ухудшение свойств вследствие рассеяния кристаллитов в плоскости листа. Во-вторых, наиболее благоприятны соседства кристаллитов, которые обеспечивают прохождение магнитного потока вдоль направления поля с минимальным выходом его на боковые грани образца [6].

Рис. 2, Влияние угла b  на магнитные потери, измеренные при частоте 50 Гц и амплитуде индукции Вм. (цифры у кривых — Тл). Монокристаллы Fe — 3 % Si |2|

Роль границ зерен проявляется через замыкающую доменную структуру и магнитные поля рассеяния на них [7]. Поэтому увеличение размера зерна, а следовательно, уменьшение протяженности границ и объема замыкающей доменной структуры приводят к росту магнитной индукции даже при одинаковых средних значениях углов a и b [8].

Рис. 3. Влияние размера зерна d на магнитные потери, измеренные при частоте 50 Гц и амплитуде индукции Вм =1.5 Тл и Вм=1,8 Тл. Анизотропная электротехническая сталь со cpeдними углами рассеяния кристаллитов a=5.7° и b=1.8° |8]

 Это определяет неоднозначное влияние размера зерна на магнитные потери. Так, с укрупнением зерна магнитные потери при амплитуде индукции Вм, = 1,5 Тл возрастают. а при Вм =1,8 Тл, наоборот, снижаются (рис. 3). Действительно, при небольших значениях Вм перемагничивание происходит, главным образом. вследствие смещения 180°-ных доменных границ. Так как с увеличением размера зерна увеличивается ширина основных доменов, то возрастают и магнитные потери В сильных нолях в процессе перемагничивания неизбежно будут участвовать замыкающие домены на межзеренных границах, что вызовет рост магнитных потерь. Поэтому в области высоких значении Вм меньшая протяженность границ зерен соответствует меньшему объему замыкающих доменов и меньшему значению магнитных потерь. Таким образом, в области высоких рабочих индукции целесообразно использовать АЭС с крупным зерном и, наоборот, при небольших рабочих индукциях предпочтение следует отдать мелкозернистому материалу.

Границы зерен служат барьерами, на которых может замыкаться магнитный поток основных доменов [9]; в результате размер доменов и магнитные потери в средних полях уменьшаются. В АЭС с высоким совершенством кристаллографической текстуры межзеренная неоднородность невелика и магнитный поток проникает через группу хорошо ориентированных кристаллитов [10|. В таком материале преобладают широкие домены и велика доля вихретоковых потерь. Размеры доменов можно уменьшить искусственно путем нанесения царапин поперек направления прокатки, вблизи которых формируются замыкающие домены. Соответствующее изменение магнитных потерь представлено на рис. 4 (ср. кривые а и б). Наиболее технологичными способами создания искусственных барьеров представляются структурные прослойки [11] и лазерная обработка [12].

 

Рис. 4. Зависимость магнитных потерь Р1.7/50  от величины растягивающие напряжений d для анизотропной электротехнической стали с размером зерна 20 мм:

а — толщина 1=0.12 мм, грунтовый слой. б – после нанесения царапин поперек направлении прокатки через 10 мм, в — после полировки до толщины 1=0,10 мм и нанесения царапин через 10 мм

Из рис. 4 следует также, что растягивающие напряжения вдоль направления прокатки значительно снижают уровень магнитных потерь, поскольку растяжение частично удаляет замыкающие домены и уменьшает ширину основных магнитных доменов В аэс растягивающие напряжения создает электроизоляционное покрытие с низким коэффициентом термического расширения, прочно сцепленное с металлической матрицей благодаря грунтовому слою. Напряжение, создаваемое таким покрытием, является плоским и практически изотропным. Это несколько снижает эффективность действия электроизоляционного покрытия на магнитные потери по сравнению с одноосным напряжением той же величины [13].

Поверхностный слой АЭС имеет сложную структуру. Сверху находится собственно электроизоляционное покрытие, состоящее из фосфата алюминия или магния с аморфизирующими добавками ряда оксидов, снижающими коэффициент термического расширения покрытия (см. зона А на рис.. 5).

Рис 5 Зависимость изменении магнитных потерь Р1.7/50 от массы удаленного поверхностного слоя m:
А - электроизоляционное покрытие, Б грунтовый слой; В — зона внутреннего окисления; Г - зона дислокационных скоплении [15]

Ниже лежит грунтовый форстеритный слой (зона Б), отдельные частицы которого проникают в глубь металла (В зона внутреннего окисления). Еще ниже находится слой металла (зона Г), в котором сконцентрированы дислокационные скопления |14]. Из рис. 5 следует [15|, что магнитные потери уменьшает собственно электроизоляционное покрытие, а зона внутреннего окисления и дислокационных скоплений служит основным источником повышения уровня магнитных потерь. Так как влияние поверхностного слоя усиливается с уменьшением толщины стали, то в перспективе улучшение состояния поверхности — еще одно важнейшее направление совершенствовании АЭС.

Как следует из приведенного обсуждения, конкретные требования со стороны потребителей к рабочим параметрам (индукция и частота) или к уровню магнитных свойств АЭС (магнитные потери, индукция насыщения, магнитострикция) во многом определяют пути совершенствования данного материала. Так, увеличение частоты перемагничивания существенно изменяет соотношение потерь в пользу потерь на вихревые токи. При высоких частотах снижение магнитных потерь наиболее эффективно вследствие уменьшения толщины, размера зерна и увеличения электросопротивления. Даже небольшое смещение акцента в рабочей индукции с 1,5 до 1,7 Тл привело к созданию нового типа АЭС с более совершенной кристаллографической текстурой и более крупным размером зерна. Если поставить конкретную задачу снижения уровня магнитных потерь Р1.7/50 то благодаря совершенствованию кристаллографической текстуры, идеальной полировке поверхности. созданию искусственных барьеров и приложению растягивающих напряжении можно получить Р1.7/50= 0.4 Вт/кг (см. рис. 4). Эта величина соответствует потенциальным возможностям АЭС.

В изотропной электротехнической стали (ИЭС) доля гистерезисных потерь превышает 50 %. и в данном случае основные направления совершенствования ИЭС связаны со снижением этого компонента потерь. В первую очередь необходимо максимально очистить металл от примесей. Данные рис. 6 иллюстрируют эффективность глубокой десульфурации жидкой стали . Очистка металла от примесей обеспечивает не только снижение гистерезисных потерь и низкое старение, но и стимулирует рост максимального числа зерен с кубической (100) и ребровой (110) ориентацией поверхности. Для ИЭС с высокой магнитной проницаемостью и низкой анизотропией необходимо иметь кубическую текстуру с рассеянной в плоскости прокатки осью [001], а количество ребровой ориентации не должно превышать 20 %.

Рис 6. Влияние концентрации серы на магнитные потери и изотропной электротехнической стали (3% Si + 0,4% Al) толщиной 0,5 мм. Температура завершающей стадии термической обработки: а - 950 - 970 С; б - 1000 - 1010 С.

В ИЭС важную роль играют подповерхностные оксидные включения. На рис. 7 представлено влияние глубины зоны внутреннего окисления на магнитные потери. Из него следует, что поверхностный слой ИЭС имеет значительные возможности влияния. Особая роль состояния поверхности связана еще и с тем, что в ИЭС используют покрытия, выполняющие функции электроизоляции и снижения износа штампов. Этим ИЭС отличаются от АЭС. в которой сжимающие напряжения в подповерхностной зоне в определенной степени компенсирует растягивающее напряжение, создаваемое электроизоляционным покрытием с низким коэффициентом термического расширения. Поэтому глубину зоны внутреннего окисления в ИЭС необходимо уменьшить уже на стадии термической обработки.

Рис 7. Влияние глубины стравливания поверхностного слоя h на магнитные потери Р1.7/50 и изотропной электротехнической стали (2,4% Si + 0,4% Al) толщиной 0,5 мм, имеющей разную глубину зоны внутреннего окисления.

Особый класс магнитных материалов составляют быстрозакаленные сплавы. В данной статье рассмотрены только электротехнические аморфные и микрокристаллические сплавы, т. е. сплавы с высокой индукцией насыщения, работающие в низкочастотной области. Толщина аморфной ленты на порядок меньше толщины электротехнической  стали и обычно составляет l=О.025 мм. Небольшая величина l связана с требованием получения высоких скоростей охлаждения расплава: до 105—106 К/с. После охлаждения с такой скоростью в материале отсутствует кристаллографическая магнитная анизотропия, но сохраняется наведенная магнитная анизотропия. Одним из ее источников в сплавах с ненулевой константой магнитострикции служат локальные внутренние напряжения вблизи контактной поверхности ленты. Напряжения возникают вследствие разной скорости охлаждения расплава, контролирующего с поверхностью барабана, и соседних участков, отделенных от поверхности пузырьками воздуха [16]. Именно локальные зоны внутренних напряжений вблизи каверн снижают магнитную индукцию аморфной ленты в состоянии после разливки (рис. 8).

Рис 8. Влияние среднего отклонения профиля на контактной поверхности аморфной ленты сплава Fe81 B13 Si4 C2 толщиной 27 мкм.

Для снятия внутренних напряжений (как локальных, так и плоскостных, возникающих в процессе охлаждения расплава на поверхности барабана или навивки магнитопровода) необходимо провести отжиг, температура которого не должна превышать температуры кристаллизации аморфного сплава. Такая обработка все же не полностью снижает внутренние напряжения, поскольку влияние Rаk на магнитную индукцию в средних магнитных полях сохраняется (рис. 8, кривая 2}. Небольшая по сравнению с АЭС толщина аморфной ленты, наряду с высоким электросопротивлением (втрое большим), уменьшила долю вихретоковых потерь Р1.7/50 до 10% (сплав Fe81 B13 Si4 C2). Поэтому для уменьшения общих магнитных потерь необходимо воздействовать на гистерезисный компонент, а следовательно, совершенствовать состояние поверхности аморфной ленты.

Аморфные сплавы имеют относительно низкую температуру кристаллизации. Уже на ранней стадии процесса кристаллизации (~400 °С для сплава Fe81 B13 Si4 C2) на поверхности формируются кристаллиты размером менее 1 мкм, которые вызывают рост гистерезисных потерь [17] (рис.9).

Рис 9. Зависимость магнитных потерь Р1.7/50 от температуры отжига аморфного сплава Fe81 B13 Si4 C2 [17]

С ростом температуры кристаллиты укрупняются и увеличивается их число так, что преобладают процесс дробления основных доменов в переменном магнитном поле и ослабление вихретокового компонента потерь. Дальнейшее увеличение объема кристаллитов приводит к резкому росту потерь из-за значительных внутренних напряжений на межфазной границе кристалл — аморфная матрица. Таким образом, управление оптимальным размером и распределением кристаллитов в аморфной матрице служит эффективным способом улучшения магнитных свойств аморфных сплавов, особенно в высокочастотной области.

Сравнение показывает, что аморфная лента обладает меньшими магнитными потерями, чем АЭС толщиной 0,10 мм, даже после специальных обработок (рис. 10). Разница еще более усиливается в области высоких частот. Поэтому при высоких частотах магнитные свойства аморфной ленты вне конкуренции.

Рис 10. Зависимость магнитных потерь при частоте 50 Гц от амплитуды индукции Во.

 Еще одно преимущество аморфных сплавов связано с возможностью получения широкого спектра магнитных свойств путем формирования наведенной магнитной анизотропии после охлаждения в магнитном поле. Такой способ позволяет получить аморфную ленту с изотропным или анизотропным распределением намагниченности, причем в последнем случае ось анизотропии можно сформировать в любом заданном направлении.

Несмотря на более низкие магнитные потери, широкое использование аморфной ленты в низкочастотной области сдерживается несколькими причинами: прежде всего более высокой стоимостью по сравнению с АЭС; относительно низким (не более 0,9) коэффициентом заполнения и также более низкой индукцией насыщения аморфных сплавов, что практически препятствует их использованию в крупных силовых трансформаторах. Быстрое внедрение сдерживается также тем. что эффективное применение аморфных сплавов невозможно без разработки новых конструкций трансформаторов. Практически все эти трудности преодолимы. Так, стабильная тенденция к повышению стоимости электроэнергии заставит значительно расширить область применения аморфных сплавов. Коэффициент заполнения удается повысить при горячем прессовании пакета полос [18] и другими способами.

При быстрой закалке расплава между двумя вращающимися валками удается получить пластичную микрокристаллическую ленту, содержащую до 6,5% Si [19]. При последующем отжиге в атмосфере с оптимальным количеством кислорода в такой ленте вырастают зерна с плоскостной кубической текстурой, особенно заметно начиная с температуры выше 1050 °С (рис. 11).

Анизотропия магнитных свойств микрокристаллической ленты с 4,5 % Si линейно ослабляется с повышением степени совершенства кубической текстуры [20]. Так, при В2500 =1,5 Тл вдоль оси ленты разность индукции вдоль и поперек составляет 0,06 Тл. а при В2500 = 1,65 Тл она равна нулю, причем магнитная индукция поперек оси ленты выше, чем вдоль. Таким образом, из быстрозакаленной ленты сплава Fe — 4,5 % Si получается изотропная электротехническая сталь с высоким электросопротивлением. Магнитные потери Р1.7/50   в стали с совершенной кубической текстурой составляют менее 1 Вт/кг (см. рис. 10, кривая 3) а доля вихретоковых потерь более 50 %. В области средних рабочих индукций и высоких частот более низкие магнитные потери имеет сталь с малым зерном, в которой велика доля гистерезисного компонента.

 

Рис 11. Зависимость доли зерен (а) с кубической текстурой (100) и ребровой текстурой (110) после отжига микрокристалической ленты в водороде с точкой росы - 40 С при разных температурах.

 Если микрокристаллическую ленту после разливки подвергнуть холодной прокатке с обжатием более 60 %, то после высокотемпературного отжига растут зерна с ребровой ориентацией [19]. Полученная таким образом анизотропная сталь имеет В800 = 1.86 Тл и магнитные потери Р1.7/50    = 0,56 Вт/кг в толщине 0,08 мм.

Выводы

  1. Направления совершенствования электротехнических сталей в значительной степени определяются требованиями потребителей к конкретным магнитным характеристикам (рабочая индукция, частота перемагничивания, величина магнитных потерь). Так с целью снижения величины магнитных потерь Р1.7/50   в АЭС необходимо совершенствовать кристаллографическую текстуру и качество поверхности , уменьшать толщину до 0,10 мм, наносить искусственные барьеры и прикладывать растягивающие напряжения. Все эти факторы в совокупности позволяют получить Р1.7/50 = 0,40 Вт/кг.

  2. В изотропной электротехнической стали необходимо проводить глубокую очистку металла, увеличивать долю зерен с кубической ориентацией поверхности и уменьшать толщину зоны внутреннего окисления.

  3. В низкочастотных применениях аморфная лента должна иметь гладкую поверхность с Ra<0,5 мкм. При высоких частотах минимальные магнитные потери достигаются после отжига, при котором на поверхности формируются кристаллы оптимального размера.

  4. Из микрокристаллической ленты Fe — 4,5 % Si после высокотемпературного отжига в контролируемой по содержанию кислорода атмосфере можно получить электротехническую сталь с совершенной кубической плоскостной текстурой, в которой анизотропия магнитных свойств близка к нулю.
 
  Источник:  ©  Стародубцев Ю. Н., Цырлин М. Б.
Материал размещен на www.transform.ru13.09.2004 г.
 

 

Перейти в форум для обсуждения

  ©  TRANSFORMаторы 2004—2010


Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика ??????????? ????