Что такое электротехническая сталь?

Что такое кремниевая сталь?

Кремнистая сталь относится к мягкому магнитному сплаву Fe-Si, также известному как электротехническая сталь. Массовое содержание кремния (Si) в кремнистой стали составляет от 0,4% до 6,5%. Он характеризуется высокой магнитной проницаемостью и низкими потерями в сердечнике, а также обладает превосходными магнитными свойствами, такими как низкие потери в железном сердечнике, высокая прочность на магнитную индукцию, хорошее качество штамповки, высококачественные стальные поверхности пластин и эффективные изоляционные пленочные покрытия. Кремнистая сталь в основном используется для подготовки сердечников для различного электрооборудования, включая двигатели, генераторы и трансформаторы. Это незаменимый металлический функциональный материал в энергетике, электронике и военной промышленности, а также ключевой материал для повышения эффективности и снижения энергопотребления энергетического оборудования. Электротехническая сталь, являющаяся мягким магнитным сплавом с наибольшим объемом, широко используется во всех секторах реальной экономики. Повышение общих характеристик и уровня производства играет очень важную роль и имеет важное значение для развития национальной экономики.

Природа электромагнитного преобразования

Электромагнитная индукция относится к явлению, когда электродвижущая сила (ЭДС) возникает в проводнике при его движении через магнитное поле или при изменении магнитного поля. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, когда проводник прорезает линии магнитного поля, на концах проводника возникает ЭДС, которая может генерировать электрический ток в замкнутой цепи. И наоборот, если электрический ток проходит через проводник, он создает силу в магнитном поле, заставляя проводник двигаться, тем самым преобразуя электрическую энергию в механическую энергию.

Применение электромагнитного преобразования

Этот принцип широко применяется во многих электрических устройствах и машинах, таких как генераторы, двигатели и трансформаторы. Например, генератор использует вращение проводников в магнитном поле для генерации ЭДС, преобразуя механическую энергию в электрическую. С другой стороны, электродвигатель использует силу, создаваемую током в магнитном поле, для вращения ротора, преобразуя электрическую энергию в механическую энергию.

‍Значение электротехнической стали в электромагнитном преобразовании

Электротехническая сталь, также известная как кремнистая сталь или электромагнитная сталь, представляет собой особый тип стали, характеризующийся высокой магнитной проницаемостью и низкими потерями на гистерезисе, что делает ее очень подходящей для электромагнитных устройств. Роль электротехнической стали в электромагнитной индукции в основном отражается в следующих аспектах:

• Снижение потерь на гистерезисе: электротехническая сталь имеет низкие потери на гистерезисе, что означает, что в процессе повторного намагничивания и размагничивания меньше электрической энергии преобразуется в тепло. Это крайне важно для повышения эффективности электромагнитных устройств.
• Повышение магнитной проницаемости: электротехническая сталь обладает высокой магнитной проницаемостью, что облегчает намагничивание и эффективное проведение магнитных полей. Это помогает создавать и поддерживать сильные магнитные поля в электромагнитных устройствах.
• Снижение потерь на вихревые токи: электротехническая сталь обычно имеет тонкую слоистую структуру с изоляционным покрытием, которое помогает уменьшить вихревые токи (циркулирующие токи в проводниках, вызывающие потери энергии). В таких устройствах, как двигатели и трансформаторы, снижение потерь на вихревые токи может повысить общую эффективность.
• Стабилизирующие магнитные поля: в генераторах и трансформаторах листы из электротехнической стали укладываются друг на друга, образуя сердечник, формирующий магнитный путь. Это обеспечивает эффективную передачу магнитного поля внутри устройства и снижает потери энергии.

История развития кремнистой стали

До появления кремнистой стали сердечники традиционно изготавливались из промышленного чистого железа. В 1886 году американская корпорация Westinghouse Electric использовала горячекатаные листы из низкоуглеродистой стали с содержанием примесей около 0,4% для изготовления ламинированных сердечников трансформаторов. Однако низкое удельное сопротивление низкоуглеродистой стали привело к высоким потерям в сердечнике, высокому содержанию углерода и азота и сильному магнитному старению. В 1902 году Гумлих из Германии обнаружил, что добавление кремния может повысить удельное сопротивление железа, уменьшить потери на вихревые токи и гистерезисы, повысить проницаемость и уменьшить явления магнитного старения.

С 1882 по 1995 год это был в основном этап разработки горячекатаной кремнистой стали. В 1903 году США и Германия начали производство горячекатаной кремнистой стали. К 1905 году Соединенные Штаты (а затем Великобритания в 1906 году) начали массовое производство, и за короткий промежуток времени они полностью заменили обычные пластины из низкоуглеродистой стали при производстве двигателей и трансформаторов. Из-за превосходной магнитной индукции, потерь в сердечнике, обрабатываемости резания, качества поверхности и качества изоляционного покрытия холоднокатаной неориентированной кремнистой стали, а также из-за невозможности производства горячекатаной продукции в рулонах, что снижает эффективность штамповки, основные промышленно развитые страны постепенно прекратили производство горячекатаной кремнистой стали в 1960-х годах.

С 1930 по 1967 год это был в основном этап разработки холоднокатаных пластин из обычной зерноориентированной кремнистой стали (CGO). В 1933 году компания Gauss использовала метод двойной холодной прокатки и отжига для получения стали, содержащей 3% кремния, обладающую высокими магнитными свойствами в направлении прокатки. В 1935 году американская сталелитейная корпорация Armco Steel, используя патентную технологию Гаусса в сотрудничестве с Westinghouse, начала производство холоднокатаной кремнистой стали, ориентированной на зерно. После двух десятилетий непрерывного развития компания Armco в середине 1950-х годов усовершенствовала процесс производства кремнистой стали, ориентированной на зерно, методом двойной холодной прокатки, известный как процесс Armco. С тех пор технология Armco доминирует в мировом производстве холоднокатаной кремнистой стали, ориентированной на зерно. Примерно 80% обычной кремнистой стали, ориентированной на зерно (CGO), производится в соответствии с патентом Armco.

С 1961 по 1994 год это был в основном этап разработки кремнистой стали с высокой магнитной индукцией, ориентированной на зерно (Hi-B). В 1953 году Танака Сатору (Tanaka Satoru) из японской корпорации Nippon Steel продемонстрировал, что использование AlN в качестве основного ингибитора и процесса холодной прокатки с применением крупнокалиберной прокатки позволяет получить кремнистую сталь с более высоким содержанием магнитного зерна. В 1961 году на основании патента Armco было начато первое пробное производство кремнистой стали с высокой магнитной индукцией, ориентированной на зерно, с композитными ингибиторами AlN+MnS. Производство началось в 1964 году и получило название Hi-B, хотя изначально магнитные свойства были нестабильными. С тех пор как в 1968 году компания Nippon Steel разработала изделия из кремнистой стали с высокой магнитной индукцией, ориентированные на зерно, японская холоднокатаная электротехническая сталь превзошла Соединенные Штаты по качеству продукции, технологиям производства и оборудованию, разработке новых технологий, экспериментальным исследованиям и технологиям испытаний, обеспечив абсолютное лидерство в мире.

Китай впервые испытал горячекатаный лист из низкокремнистой стали (от 1% до 2% Si) в 1952 году и официально начал производство в 1954 году. В 1957 году Китайская академия исследований стали успешно разработала холоднокатаную кремниевую сталь, ориентированную на зерно, на основе 3% кремния. В 1974 году Уханьская металлургическая корпорация представила оборудование для производства холоднокатаной кремнистой стали, ориентированной на зерно, и получила патенты от Nippon Steel в Японии. В период с 1976 по 1977 год Институт исследований стали разработал кремниевую сталь Hi-B, ориентированную на зерно, на основе проверки и усвоения японских патентов. В 1979 году компания Wuhan Steel официально начала производство кремнистой стали, ориентированной на зерно, и по сей день остается одной из основных баз Китая по производству кремнистой стали, ориентированной на зерно.

Ориентированная электротехническая сталь:

• Характеристики материала: Ориентированная электротехническая сталь обладает высокой анизотропностью, поэтому ее магнитные свойства в одном направлении значительно лучше, чем в других. Эта сталь обладает чрезвычайно высокой магнитной проницаемостью и низкими потерями гистерезиса в направлении ориентации зерен.
• Производственный процесс: При производстве ориентированной электротехнической стали зерна стали обрабатываются для обеспечения высокой степени выравнивания в плоскости листа. Такая обработка придает стали лучшие магнитные свойства в определенном направлении.
• Сценарии применения: Благодаря высокой магнитной проницаемости и низким потерям на гистерезисе ориентированная электротехническая сталь в основном используется в приложениях, требующих высокой эффективности и высокой магнитной проницаемости, таких как сердечники трансформаторов и реакторов.

Неориентированная электротехническая сталь:

• Характеристики материала: Неориентированная электротехническая сталь не обладает значительной анизотропией, что означает, что ее магнитные свойства относительно однородны во всех направлениях. Эта сталь обладает средними потерями магнитной проницаемости и гистерезиса во всех направлениях.
• Производственный процесс: При производстве неориентированной электротехнической стали зерна не обрабатываются для ориентации, что приводит к постоянным магнитным свойствам во всех направлениях.
• Сценарии применения: Благодаря своим однородным магнитным свойствам неориентированная электротехническая сталь подходит для применений, требующих хороших магнитных свойств во многих направлениях, например в сердечниках вращающихся машин (например, двигателей и генераторов).

Таким образом, разница между ориентированной и неориентированной электротехнической сталью заключается прежде всего в ориентации зерен и анизотропии магнитных свойств. Эти различия обусловливают их пригодность для различных сценариев применения электромагнитных полей. Ориентированная электротехническая сталь подходит для применения в условиях однонаправленного магнитного поля, например в трансформаторах, а неориентированная электротехническая сталь подходит для применения в разнонаправленных магнитных полях, таких как двигатели и генераторы.

Классификация и применение кремнистой стали

Массовая доля кремния

В зависимости от массовой доли кремния кремниевая сталь подразделяется на два типа: электротехническая сталь с содержанием кремния менее 0,5% и кремниевая сталь с содержанием кремния от 0,5% до 4,5% Si. Обе эти пластины в совокупности называются пластинами из электротехнической стали. Первый широко используется в производстве небольших гражданских приборов, где требования к электромагнитным характеристикам невысоки. Этот тип листа из кремнистой стали характеризуется значительно меньшим содержанием кремния по сравнению с обычной электротехнической сталью, простотой процесса подготовки и более низкой стоимостью, как и обычная углеродистая сталь. Последний включает в себя множество различных типов и марок.

Сталь с высоким содержанием кремния означает сплавы Si-Fe, содержащие от 4,5% до 6,7% Si. Она отличается значительно сниженными потерями железа на высоких частотах, высокой максимальной магнитной проницаемостью, низкой коэрцитивной силой и превосходными магнитными свойствами. Он в основном используется в производстве высокочастотных двигателей, высокочастотных трансформаторов, дроссельных катушек и высокочастотного магнитного экранирования. Однако из-за высокого содержания кремния он обладает крайне низкой пластичностью при комнатной температуре и не может быть свернут в форму. 6,5% кремния относится к отдельной категории благодаря своим уникальным магнитным свойствам. В настоящее время в рулонах выпускается лишь ограниченное количество материалов из неориентированных 6,5% -ных сплавов Si-Fe, полученных методом инфильтрации кремния, а получение 6,5% -ных сплавов Si-Fe, более ориентированных на лучшие эксплуатационные характеристики, представляет собой еще более сложную задачу.

Производственный процесс

В зависимости от способа производства кремниевую сталь можно разделить на горячекатаную и холоднокатаную электротехническую сталь. В последние годы горячекатаные листы из кремнистой стали постепенно прекращены из-за их устаревших характеристик. Наиболее распространенный метод классификации кремнистой стали основан на степени разделения кристаллов на неориентированные и ориентированные типы. Холоднокатаная неориентированная кремнистая сталь представляет собой сплав, содержащий от 0,5% до 4,0% (Si+Al), который подвергают холодной прокатке до толщины 0,65 мм, 0,5 мм и 0,35 мм, а затем изготавливают после отжига и нанесения покрытия. По сравнению с ориентированной кремнистой сталью она имеет более рассеянную текстуру зерен, более однородные магнитные свойства во всех направлениях и меньшую магнитную анизотропию, в основном используется в качестве ламинированных сердечников для различных типов двигателей и генераторов. Точность толщины, допуски размеров и гладкость поверхности холоднокатаных изделий достигли высоких стандартов, что позволило улучшить коэффициент ламинирования и магнитные характеристики материала. Ориентированная кремнистая сталь обладает высокой магнитной проницаемостью и низкими характеристиками потерь в направлении легкого намагничивания, соответствует требованиям магнитного наведения к статическому силовому оборудованию, такому как трансформаторы, и в основном используется при производстве различных крупных трансформаторов, дросселей и других высококачественных электромагнитных компонентов в энергетике.

Показатели эффективности кремнистой стали

Многослойный сердечник из электротехнической стали и медный провод работают за счет электромагнитной индукции, при этом сердечник образует переменное магнитное поле. Собственное потребление энергии и способность сердечника намагничиваться во время работы определяют основные характеристики электрооборудования, включая мощность, объем, эффективность, качество и общие эксплуатационные расходы. Таким образом, эксплуатационные показатели, необходимые для электротехнической стали, включают следующее:

1) Ток возбуждения сердечника, потери меди и потери сердечника, а также повышение эффективности преобразования энергии. Кроме того, общая сила намагничивания сердечника является произведением его магнитной индукции и площади. Таким образом, увеличение плотности магнитного потока (Bm) позволяет соответствующим образом уменьшить площадь поперечного сечения, что, в свою очередь, снижает массу сердечника и медных проводов, тем самым снижая потери железа и стоимость железа в электроприборе. Гарантированное значение магнитной индукции неориентированной кремнистой стали принято за B50, то есть силу магнитной индукции в магнитном поле 5000 А/м, в то время как для ориентированной кремнистой стали магнитная индукция принимается за B8, а единицей магнитной индукции является Тесла. Для разных типов электротехнической стали приняты разные стандарты плотности магнитного потока.

Эти два показателя тесно связаны с конструкцией состава, основным технологическим процессом и уровнями контроля в процессе производства электротехнической стали и являются наиболее фундаментальными требованиями к характеристикам электротехнической стали. Точность горячей/холодной прокатки и качество изоляционного покрытия также являются важными условиями получения высококачественной электротехнической стали. Кроме того, неориентированная электротехническая сталь также требует магнитной анизотропии, то есть разница в потерях железа в продольном и поперечном направлениях должна составлять ≤ 8%, а разница в магнитной индукции должна составлять ≤ 10%.

Метод индикации марки кремнистой стали

Метод индикации марок кремнистой стали стандартизирован для обеспечения ясности и согласованности в отрасли.

Отечественные производители электротехнической стали и анализ рынка

Производство электротехнической стали в Китае в основном осуществляется государственными предприятиями, основными игроками в отрасли являются Baosteel и Shougang. По состоянию на 2020 год доля Baosteel на рынке неориентированной электротехнической стали составляла 28,42%, Shougang — 14,05%, а Taiyuan Iron & Steel — 11,53%. В секторе ориентированной электротехнической стали доминировала компания Baosteel с долей 53,04%, за ней следует Шоуган. В первой половине 2023 года Китай произвел 7,2512 миллиона тонн электротехнической стали, включая 1,2295 миллиона тонн ориентированной электротехнической стали, что на 16,98% больше, чем в прошлом году, и 6,0217 миллиона тонн неориентированной электротехнической стали, что на 7,23% больше, чем в прошлом году. Основные области применения электротехнической стали включают транспортные средства на новых источниках энергии, сверхвысокое напряжение проекты, железнодорожный транспорт, крупные двигатели, умная бытовая техника, фотоэлектрическая энергетика, ветроэнергетика и Интернет вещей. Неориентированная электротехническая сталь в основном используется для производства магнитных материалов в двигателях, трансформаторах, электроприборах и электроприборах, а ориентированная электротехническая сталь в основном используется в секторе силовых трансформаторов. Спрос на электротехническую сталь тесно связан с развитием отрасли энергетического оборудования. Ожидается, что, поскольку в стране уделяется особое внимание энергоэффективности и защите окружающей среды, спрос на высокопрочную электротехническую сталь будет продолжать расти. С точки зрения продаж рыночный спрос на электротехническую сталь тесно связан с макроэкономикой, отраслевой политикой и технологическим развитием. Из-за высоких технических и капитальных барьеров в электросталелитейной промышленности новые игроки сталкиваются с определенными проблемами. Кроме того, процесс сертификации качества электротехнической стали является строгим, и для производителей электротехнической стали крайне важно наладить стабильные отношения сотрудничества с потребителями, занимающимися переработкой и сбытом. Таким образом, несмотря на конкуренцию на рынке электротехнической стали, государственные предприятия по-прежнему доминируют в секторе высококачественной продукции.

Будущее кремнистой стали

За последние 20 лет китайская промышленность кремнистой стали добилась значительного прогресса, и лидируют такие компании, как Shougang, Wuhan Iron and Steel (WISCO) и Baosteel. Тем не менее, по сравнению с Японией все еще существует значительное отставание от Японии в области высококачественной электротехнической стали, особенно в таких продуктах, как неориентированная кремнистая сталь с высокой магнитной индукцией, кремнистая сталь Hi-B со сверхнизкими потерями железа и сталь с высоким содержанием кремния. Например, корпорация Nippon Steel & Sumitomo Metal может стабильно поставлять серию электротехнической стали Hi-B, ориентированной на сверхнизкие потери железа, со спецификациями толщины от 0,15 до 0,35 мм, что является лидером в разработке технологии ориентированной кремнистой стали. В области кремнистой стали специального назначения японская компания JFE обеспечила поставку тонких полос из высококремнистой стали методом инфильтрации кремния методом химического осаждения из паровой фазы (CVD). В связи с промышленной модернизацией промышленности по производству оборудования в Китае спрос на высококачественную продукцию из кремнистой стали будет становиться все более актуальным. Конкуренция в этой области между Китаем и сталелитейными державами, такими как Япония и Южная Корея, будет обостряться. Будущее электротехнической сталелитейной промышленности включает низкие потери железа, высокую магнитную индукцию для эффективных двигателей, использующих неориентированную кремнистую сталь, тонкие конструкции, сверхнизкие потери железа, высокую магнитную индукцию для ориентированной кремнистой стали и сталь с высоким содержанием кремния для энергосберегающих электроприборов средних и высоких частот.

Baohui Steel Limited, как официальный дилер Baosteel, имеет большой ассортимент горячекатаная сталь а также силиконовая сталь товары в наличии. Если у вас есть какие-либо вопросы о сортах или характеристиках кремнистой стали, пожалуйста, свяжитесь с нами. У нас будут профессиональные специалисты по стали, которые окажут вам индивидуальную помощь.