7.Технология производства и свойства
холоднокатаной трансформаторной стали.
Одно
из основных условий создания высокоэкономичных
трансформаторов и электрических машин
- применение для их изготовления высококачественной
холоднокатаной трансформаторной стали,
которая характеризуется меньшими удельными
(ваттными) потерями и более высокой магнитной
индукцией, .чем горячекатаная. Магнитная
индукция холоднокатаной трансформаторной
стали на
25-30% выше, а удельные потери в 1,5-2 раза
ниже, чем у горячекатаной.
Применение высококачественной холоднокатаной
трансформаторной стали в трансформаторах,
в крупных электрических машинах и приборах
уменьшает их массу и габариты, значительно
сокращает потери электроэнергии, расход
материалов и средств.
Применение на заводах электротехнической
промышленности рулонной трансформаторной
стали вместо листовой позволяет значительно
увеличить производительность труда в
заготовительных цехах, обеспечивая механизацию
и автоматизацию трудоемких операций
штамповки и резки этой стали, сокращая
на
10-20% расход металла благодаря более рациональному
раскрою деталей из рулона. Все это позволяет
организовать изготовление витых сердечников
значительного диапазона размеров.
Обычно листовые заготовки из трансформаторной
стали подвергают на заводах трансформаторостроения
двух и трехкратной лакировке. Нанесение
на заводах черной металлургии на поверхность
стали электроизоляционной пленки позволяет
не покрывать лаком заготовки для распределительных
трансформаторов.
Холоднокатаную
листовую трансформаторную сталь поставляют
следующих размеров: толщиной 0,28; 0,30; 0,35
и 0,5 мм, шириной в основном 750, 860 и
1000 мм. Использование протяжных печей
для обезуглероживающей обработки позволило
поставлять сталь в рулонах такой же толщины
и ширины, как и листовой прокат. Ленточный
прокат, полученный роспуском рулонов
на заданную ширину, поставляют шириной
170, 190, 200, 240, 250, 300 и до 500 мм. Ленту трансформаторной
стали толщиной 0,04-0,08 мм и шириной 5-240 мм
(в зависимости от толщины) ряд заводов
поставляет по специальным техническим
условиям. Магнитные свойства трансформаторной
стали должны соответствовать требованиям
стандартов.
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 (рис, ). Таким образом, направление
легкого намагничивания в решетке к-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
8.Исследование электротехнической стали
методами послойного спектрального и
фракционного газового анализа.
Для получения высококачественной
анизотропной электротехнической
стали(АЭТС) с особо низкими удельными
магнитными потерями и магнитострикцией
необходимо уделять особое внимание формированиютермостойкого,
а затем и электроизоляционного покрытий(ЭИП).
Особую роль в формировании качественного
покрытия играет процесс обезуглероживающего
отжига, во время которого происходит
окисление поверхностного слоя образцов
и образование в нем зоны внутреннего
окисления (ЗВО), представляющей собой
окисленный слой из
металлической матрицы и мелкодисперсных
оксидов,что способствует получению грунтового
и электроизоляционного покрытий на следующих
стадияхпроцесса производства.От глубины
и состава ЗВО, полученной на
поверхности электротехнической
стали в процессе безуглероживающего отжига,
в большей степени зависит качество электроизоляционного
покрытия. В зарубежной патентной литературе
нет однозначно сформулированных требований
к составу и толщине оксидных пленок, а также условиям
их формирования. Так, в патенте США [1]
отмечается, что толщина пленки должна
быть в пределах 0,5 – 4,0 мкм.
Если пленка тоньше 0,5 мкм, то
сплошное покрытие в процессе высокотемпературного отжига (ВТО)вообще не образуется,
если толще 4,0 мкм, то покрытие образуется
слишком толстым, рыхлым,легко отслаивающимся.
Ухудшаются также магнитные свойства
стали. В работе [2] утверждается,
что общее содержание связанного
кислорода на поверхности стали после
обезуглероживающего отжига должно быть
в пределах 0,2 – 1,0 г/м2, но
при этом не определяются требования
к составуоксидной пленки, который также
оказывает существенное влияние на процесс
грунтообразования. В
работе [3] подчеркивается необходимость
создания при обезуглероживании условий,
исключающих сколько-нибудь значительное
окисление железа. Там
же подробно рассматриваются
варианты обезуглероживания кремнистой
стали. Показано, что в зависимости от
соотношения PH2O PH2 в атмосфере
печи при окислительном отжиге
на поверхности стали можно получить ЗВО,
содержащую оксиды различного состава
— от чистого диоксида кремния до
оксидной фазы, состоящей преимущественно
из оксидов железа. Большинство исследователей
склоняется к тому, что оптимальное качество
обеспечивает ЗВО, имеющая состав
преимущественно диоксида кремния.
Поскольку сформировавшаяся
после обезуглероживающего отжига на
поверхности электротехниеской стали
ЗВО (0,5 – 4 мкм) существенно влияет
на качество ЭИП в готовом металле,
то контроль параметров ЗВО необходим
для исключения брака в технологическом
цикле. Более того, очень важно
получить требуемые размер
и состав оксидов.Из всего многообразия
методов, применяемых для контроля поверхности,
по количеству публикаций
и эффективности применения
выделяется оптическая эмиссионная спектрометрия
тлеющего разряда.
Катодное распыление делает
возможным проведение послойного анализа
и позволяет определять содержание элементов
в слоях при движении от поверхности в
глубину образцов. Этот метод является
хорошим инструментом при анализе
химического состава всевозможных покрытий,
оказывающих особое влияние на свойства
таких объектов, как
электротехническая сталь с
электроизоляционным покрытием, разного
рода инструментальные и конструкционные
стали с покрытиями из хрома,
никеля, цинка и т. д. [4]. Быстрый
и точный послойный анализ позволяет оценить
состав покрытия, толщину, а также равномерность
его распределения на поверхности. В настоящее
время количественный анализ
оксидных неметаллических включений
в сталях методом восстановительного
плавления в потоке газаносителя находит
все более широкое применение.
9.Динамика
мирового производства электротехнической
стали .
Мировая электротехническая
промышленность в последние годы претерпевает
сильные изменения. Основой этой тенденции
является сильный спрос на электроэнергию
в азиатских странах. Структурные сдвиги
в мире происходят главным образом за счет
Китая, где особое развитие в последние
годы имеет электроэнергетическая отрасль —
производство трансформаторов, электродвигателей
различной мощности и другой электротехнической
продукции.
При производстве указанной
продукции используется специальный сортамент
металлопроката, обладающий высокими
электромагнитными свойствами. Развитию
мирового рынка электротехнических марок
сталей рассмотрим ниже.
В 2006 году производство
электротехнической стали составило около
11 млн. т., что на 14% больше предыдущего года
(рис. 1). Если посмотреть на динамику производства
этого материала за более длительный исторический
период, то среднегодовые темпы роста производства
за последние десять лет составляли около
7%.
Таким образом, темпы
роста в 2006 году производства электротехнических
марок сталей в мире выросли вдвое.
На фоне общемирового
производства плоского холоднокатаного
металлопроката выпуск электротехнической
стали растет опережающими темпами. Следствием
этой тенденции является возрастающая
доля производства электротехнических
марок сталей в общем объеме мировой выплавки
стали. Стоит отметить, что доля производства
данного вида металлопроката за последние
десять лет увеличилась на три процентных
пункта и в 2006 году составила более 11%. Этому
способствовали два фактора. Первый фактор —
введение в строй новых мощностей, например,
за последнее десятилетие освоили производство
электротехнических сталей следующие
предприятия: Wuhan Iron & Steel Group, Shanghai Baosteel
и др.
Второй — увеличение
производства электротехнического сортамента
на действующих предприятиях. Однако в мировой
практике существуют примеры, когда действующие
производственные мощности были закрыты.
Например, в 2005 г. ThyssenKrupp закрыл свой завод
в Италии (Terni). Здесь стоит отметить, что
данный шаг немецкого концерна является
лишь своего рода переносом производства
высокотехнологичных электротехнических
марок сталей с неэффективных мощностей
на предприятия с более низкими издержками
(ThyssenKrupp Electrical Steel GmbH).
В целом мировой рынок
электротехнических сталей является достаточно
сильно концентрирован по производителям,
т.е. количество производителей на рынке
ограничено.
Особенно остро это
наблюдается в сегменте рынка трансформаторной
стали, где число основных производителей
составляет всего лишь одиннадцать (рис. 2).
Казалось бы, острый дефицит на высококачественный
электротехнический металлопрокат в мире
должен приводить к росту числа игроков
на данном рынке, в том числе за счет ослабленной
конкуренции. Однако это не происходит.
Сдерживающим фактором является тяжелая
технология производства электротехнических
марок. Не все заводы могут освоить производство
данного металлопроката. Например, в Китае,
где спрос на электротехнические марки
в последние года вырос столь значительно,
существуют пять основных производителей
электротехнических сталей и только два
могу выпускать более ответственный трансформаторный
металлопрокат.
Что же способствовало
такой высокой динамики роста производства
электротехнических марок сталей в мире?
Чтобы ответить на этот вопрос мы должны
непосредственно перейти к рассмотрению
спроса.
Конечно же, высокие
темпы производства были обусловлены
стремительным ростом потребления электротехнических
марок сталей в мире и в первую очередь в азиатском
регионе. Именно благодаря этому факту
основные экспортоориентированные страны,
такие как Япония, Россия и ЕС направляют
свои торговые потоки в этот привлекательный
регион мира (рис. 3).
Прочное лидерство
по объему потребления электротехнических
марок сталей бесспорно «захватил» Китай.
Его видимый объем потребления в 2006 году
составил более 3,5 млн. т. Китай является
страной нетто-импортером, т.к. объем импорта
электротехнических сталей значительно
превышает экспорт. Суммарно в 2006 году в Китай
было импортировано около 1 млн. т. электротехнического
металлопроката [3]. Превращение Китая
в «мастерскую мира» привело к мощному
росту потребления электротехнических
сталей в секторе бытовых электроприборов
и автомобильной промышленности, демонстрирующих
интенсивную динамику развития. Фактически,
Китай уже стал мировым центром производства
бытовых электроприборов, по объемам выпуска
которых опередил Японию и ЕС. При этом
в ближайшем будущем ожидается дальнейшее
стремительное расширение производства
бытовой техники и электрогенераторов,
что обеспечит быстрый рост потребления
электротехнической стали.
Среди других стран
нетто-импортеров в азиатском регионе
можно также отметить Индию. По итогам
2006 года в Индии объем потребления превысил
суммарный объем производства электротехнических
марок сталей в этой стране на 180 тыс. т. Тем
не менее, индийские металлурги в последнее
время больше известны своими крупными
покупками в Европе, чем развитием производства
электротехнических марок сталей у себя
в стране. Поэтому в перспективе Индия останется
страной нетто-импортером, а потенциал
роста потребления главным образом изотропных
электротехнических марок сталей уже
сегодня с высокой степенью вероятности,
можно сказать, будет значительный.
Таким образом, Китай
является ключевым потребителем электротехнических
марок сталей в мире. Однако если в настоящее
время все основные экспортные потоки
данного металлопроката приходятся в Китай,
а также структурные сдвиги в мире происходят
главным образом за счет влияния растущего
спроса на электротехнические марки стали
в Китае, то что ждет нас в перспективе? Снизится ли
экспортная волна электротехнических
сталей в Китай и сможет ли китайская металлургия
нарастить свои мощности в сортаменте
электротехнических марок?
Как уже было отмечено
выше, лидером роста производства электротехнических
сталей в мире является Китай, где в прошедшем
году рост составил 16% (рис. 4). Следствием
высоких темпов роста производства электротехнических
марок сталей является возрастающая доля
данного сортамента в общем объеме выпуска
плоского холоднокатаного металлопроката.
Так за последние десять лет доля электротехнических
марок сталей возросла на 2,7% и в 2006 году практически
достигла 4%. В перспективе рост прокатных
электротехнических мощностей в Китае
сохранится. Ожидается, что всего до 2011 года
в Китае будет введено около 1 млн. т. новых
прокатных мощностей. Однако данный прирост
мощностей не сможет сбалансировать спрос
и потребление в этой стране. Китай и в перспективе
останется основным потребителем электротехнических
марок сталей в мире.
Несмотря на это, нельзя
исключать тот факт, что структура производства
китайских металлургов в перспективе изменится.
В частности, доля производства продукции
с высокой добавленной стоимостью в Китае
возрастет. В сегменте рынка электротехнических
марок эта тенденция также найдет свое
отражение. Например, уже сейчас многие
китайские потребители отказываются от горячекатаного
металлопроката при производстве электродвигателей
в пользу холоднокатаного. Это в первую
очередь связано с ужесточением технических
требований к экспортной продукции. Поэтому
к 2010 году спрос на горячекатаный электротехнический
металлопрокат снизится практически до нуля.