Резкое снижение ваттных потерь достигается путем повышения чистоты металла и получения совершенной текстуры в процессе передела литого металла на лист; в текстурированной стали ваттные потери более чем в два раза ниже, чем в нетекстурированных листах. Высокие электромагнитные свойства, низкие удельные ваттные потери и высокая магнитная индукция обусловливаются совершенной ребровой (110)[001] или кубической (100)[001] текстурой.

Наиболее распространенные анизотропные стали с ребровой текстурой (110)[001], в которых преимущественное направление намагничивания совпадает с направлением прокатки. Основным процессом, обуславливающим получение указанной текстуры, является вторичная рекристаллизация. В холоднокатаной анизотропной стали, вторичная рекристаллизация протекает при соответствующей термообработке – высокотемпературном отжиге (ВТО). В результате ВТО получают кристаллографическую магнитную текстуру высокой степени совершенства и оптимальный размер зерна. Кроме того, ВТО обеспечивает рафинирование металла от примесей и исключение возможности образования дисперсных частиц, снижающих магнитные свойства [2].

Таким образом, наличие отделения ВТО в прокатных цехах по производству анизотропной электротехнической стали, обосновывается необходимостью получения требуемых магнитных характеристик в стали.

2. Технологическая часть

2.1 Выбор марки стали

Анизотропная электротехническая сталь, как и другие электротехнические стали, относится к классу ферромагнитных магнитно-мягких сплавов, которые характеризуются узкой петлей гистерезиса, малой коэрцитивной силой, высокой магнитной индукцией и проницаемостью, низкими потерями на гистерезис и вихревые токи. Она применяется в различных машинах и приборах, которые работают в переменных магнитных полях. Это говорит о том, что работа, затрачиваемая на перемагничивание, должна быть минимальной, так как она обуславливает потерю мощности и снижает коэффициент полезного действия машины [3]. Развитие электротехнической промышленности и радиотехники обусловило весьма широкое, и разнообразное использование анизотропной электротехнической стали, в связи, с чем в каждом отдельном случае к металлу предъявляют различные дополнительные требования [3]. Свойства анизотропной электротехнической стали, в значительной степени определяются чистотой по неметаллическим включениям, величиной и формой зерен, кристаллографической текстурой листа, которые, в свою очередь зависят, от особенностей химического состава стали и термообработки. С увеличением размеров зерен удельные потери снижаются. Границы зерен всегда имеют искаженную структуру (кристаллографическую решетку) и в промежутках между зернами распределяется магнитотвердая прослойка цементита и неметаллических включений, поэтому границы являются препятствием для прохождения магнитного поля [3]. Химический состав анизотропной электротехнической стали (заводской) после выплавки и после проведения высокотемпературного отжига приведен в таблице 11.

Таблица 11. Химический состав стали после выплавки и после проведения ВТО

Удельное электрическое сопротивление марок готового проката 3404 – 3414 составляет: 0,45 – 0,50 Ом × мм²/м; для марки 3311 составляет: 0,40 Ом × мм²/м.

Удельные ваттные потери Р_1,5/50 для марок 3411 – 3414 составляет: 1,30 – 1,03 Вт/кг.

Магнитная индукция при намагничивании в магнитном поле для марок 3413 – 3415 В₂₅₀₀ составляет: 1,85 – 1,90 А/м.

Коэффициент старения по удельным магнитным потерям для марок 3404 – 3414 не более 6. Коэффициент заполнения в пакете составляет: 94 – 97%.

Плотность стали, марки 3311 составляет: 7650 кг/м³, а для марок 3404 – 3414 составляет: 7750 кг/м³.

2.2 Магнитные свойства

Электротехнические железокремнистые стали относятся к классу ферромагнитных магнитно мягких сплавов, которые характеризуются узкой петлей гистерезиса, малой коэрцитивной силой, высокой магнитной индукцией и проницаемостью, низкими потерями на гистерезис и вихревые токи, а также минимальными общими удельными потерями. Ферромагнетиками называются твердые вещества, обладающие при не слишком высоких температурах самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, изменения температуры.

Ферромагнетики в отличие от слабомагнитных диа - и парамагнетиков являются сильномагнитными средами: внутреннее магнитное поле в них может в сотни и тысячи раз превосходить внешнее поле.

Большой вклад в экспериментальное изучение свойств ферромагнетиков внес А. Г. Столетов. В своей докторской диссертации он исследовал зависимость намагниченности мягкого железа от напряженности магнитного поля. Предложенный им способ заключался в измерении магнитного потока в ферромагнитных кольцах при помощи баллистического гальванометра.

Ферромагнитные материалы в большой или меньшей степени обладают магнитной анизотропией, т.е. свойством намагничиваться с различной степенью трудности в различных направлениях.

Магнитные свойства ферромагнитных материалов сохраняются до тех пор, пока их температура не достигнет значения, называемого точкой Кюри. При температурах выше точки Кюри ферромагнетик ведет себя во внешнем магнитном поле как парамагнитное вещество. Он не только теряет свои ферромагнитные свойства, но у него изменяется теплоемкость, электропроводимость и некоторые другие физические характеристики.

Точка Кюри для различных материалов различна:

- для железа +770 С;

- для никеля +365 С;

- для кобальта +1130 С.

При намагничивании ферромагнетиков происходит небольшое изменение их линейных размеров, т.е. увеличение или уменьшение их длины с одновременным уменьшением или увеличением поперечного сечения. Это явление называется магнитострикцией, оно зависит от строения кристаллической решетки ферромагнетика.

2.3 Формирование структуры и текстуры анизотропной электротехнической стали

Свойства анизотропной электротехнической стали, в значительной степени определяются величиной и формой зерен, кристаллографической текстурой листа, которые в свою очередь зависят, от особенностей химического состава стали и термообработки.

С увеличение размера зерен оптимальные удельные потери снижаются. Границы зерен всегда имеют, искаженную кристаллическую решетку и в промежутках между зернами распределяется магнитотвердой прослойкой цементита и неметаллических включений, поэтому границы зерен являются препятствием для прохождения магнитного поля. Наряду с уменьшением магнитных и общих удельных потерь при увеличении размера зерен несколько возрастают электрические потери [3].

2.3.1 Текстура анизотропной электротехнической стали

У поликристаллических материалов, кристаллы которых ориентированы случайно, магнитные свойства в различных направлениях практически одинаковы. В процессе производства листовой холоднокатаной трансформаторной стали в ней создается преимущественная ориентировка кристаллов - текстура стали, вызывающая анизотропию магнитных свойств. Текстура характеризуется совмещением диагональной плоскости куба с плоскостью прокатки и ориентацией ребра куба вдоль направления прокатки. Благодаря тому, что в решетке железа ребро куба является направлением легкого намагничивания вдоль направления прокатки, при такой текстуре магнитные свойства будут тем лучше, чем резче выражена текстура.

Следовательно, лучшие магнитные характеристики холоднокатаной трансформаторной стали получаются в направлении прокатки. В направлении, перпендикулярно прокатке, т. е. под углом 90° к направлению прокатки, располагается диагональ грани куба, т. е. направление более трудного намагничивания, и в этом направлении сталь обладает значительно худшими магнитными свойствами. Чем более текстурована сталь, тем выше анизотропия магнитных свойств. Холоднокатаная трансформаторная сталь имеет в направлении прокатки меньшие потери на гистерезис и вихревые токи и более высокую магнитную индукцию, чем горячекатаная сталь. Это объясняется текстурой стали. Высокие магнитные свойства холоднокатаной трансформаторной стали объясняются также крупным зерном феррита, которое получается в результате высокотемпературного отжига. Различают электротехническую сталь с ребровой текстурой или текстурой Госса и электротехническую сталь с кубической текстурой. В ребровой текстуре (110) [100] диагональная плоскость куба (110) совпадает с плоскостью прокатки, а направление — ребро куба [100] совпадает с направлением прокатки. Таким образом, направление легкого намагничивания в решетке железа [100] совпадает с направлением прокатки, направление трудного намагничивания [111] находится под углом 45° к направлению прокатки, а направление среднего намагничивания [110] — под углом 90° к направлению прокатки. Следовательно, магнитные свойства стали с ребровой текстурой зависят от направления, в котором они измеряются. Более высокая магнитная индукция и низкие ваттные потери у такой стали будут в направлении холодной прокатки.

2.3.2 Фазовые и структурные превращения в анизотропной электротехнической стали

Анизотропная электротехническая сталь является сталью ферритного класса, так как содержит около 0,04 (% масс.) углерода и около 3 (% масс.) кремния после выплавки.

После горячей прокатки в структуре стали под микроскопом можно наблюдать 3 – 5% продуктов распада аустенита, в виде перлитных строчек.

Следом за горячей прокаткой проводятся первая холодная прокатка и обезуглероживающий отжиг. При этом отжиге содержание углерода снижается до количества не выше 0,04 (% масс.), поэтому при дальнейшей обработке фазовые превращения в стали, не происходят. В результате лазерной обработки получается термодинамически неравновесная структура в объеме зоны, так и в объеме всего металла.

Неравновесность выражается в различие ориентировок (текстуре) и размере зерен, в различном содержании дефектов кристаллического строения и частиц неметаллических включений.

Большое значение имеет анизотропия электротехнических свойств магнитного материала, которая должна быть минимальной. Важной характеристикой анизотропной электротехнической стали, является ее склонность к старению в процессе работы в магнитах, т.к. старение приводит к увеличению потерь и ухудшению показателей работы трансформаторов.

При изготовлении трансформаторов важное значение имеют не только "внутреннее" качество материала, но и внешние параметры. Весьма жесткие требования предъявляются к качеству поверхности листа. Не допускаются грубые и средние поверхностные дефекты, окалина, царапины и т.д. Качество трансформаторов во многом зависит от технологии их изготовления. Важной является возможность отжига магнитопровода после штамповки листа и сборки, снижение толщины изоляционного покрытия. Применение термостойкого покрытия позволяет отжигать магнитопровод для снятия наклепа после штамповки и улучшения электротехнических свойств на 5 – 10%.