ТЕКСТУРИРОВАННЫЙ ЛИСТ ИЗ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ
TEXTURED SHEET OF ELECTRICAL STEEL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к текстурированному листу из электротехнической стали, используемому, предпочтительно, для изготовления стального сердечника трансформатора и аналогичных устройств.
Уровень техники
Текстурированный лист из электротехнической стали используется в основном для изготовления стального сердечника трансформатора и должен обладать превосходными характеристиками намагничивания, в частности, потери в железе должны быть низкими.
В этом отношении особенно важно, чтобы в структуре стального листа вторично рекристаллизованные зерна имели ориентацию (110) [001], то есть «ориентацию Госса», и содержание примесей в стальном листе было снижено. Поскольку регулировать ориентацию кристаллических зерен и снижать содержание примесей можно только до определенного предела, была разработана технология снижения потерь в железе путем создания неоднородности на поверхности стального листа физическими методами, то есть технология измельчения магнитных доменов, обеспечивающая дробление магнитных доменов по их ширине.
Например, в документе JP S57-2252 В2 (PTL 1) предлагается технология лазерного облучения готового изделия из стального листа с целью создания в поверхностном слое стального листа областей с высокой плотностью дислокаций, благодаря чему ширина магнитных доменов уменьшается, и, соответственно, снижаются потери в железе стального листа. Кроме того, в документе JP Н6-072266 В2 (PTL 2) предлагается технология облучения поверхности стального листа электронным пучком с целью регулирования ширины магнитных доменов.
Перечень ссылочных документов
Патентная литература
PTL 1: документ JP S57-2252 В2
PTL 2: документ JP Н6-072266 В2
Раскрытие изобретения
Техническая проблема
В последние годы существенно возрастает запрос на снижение уровня шума, создаваемого трансформаторами, стальные сердечники которых представляют собой наложенные друг на друга стальные листы. В частности, существует запрос на подавление шума, создаваемого трансформатором, имеющим стальной сердечник, изготовленный из текстурированного листа электротехнической стали, в котором были снижены потери в железе посредством вышеупомянутого измельчения магнитных доменов.
Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить меры, позволяющие снизить уровень шума, создаваемого стальным сердечником трансформатора или аналогичного устройства, в котором стальной сердечник представляет собой наложенные друг на друга текстурированные листы электротехнической стали, а также позволяющие снизить потери в железе посредством обработки по измельчению магнитных доменов.
Решение проблемы
Шум, создаваемый трансформатором, вызван, главным образом, явлением магнитострикции, возникающим при намагничивании листа из электротехнической стали. Например, в результате намагничивания лист из электротехнической стали с содержанием Si приблизительно 3 мас. % расширяется в направлении намагничивания.
Когда в стальном листе под действием непрерывного лазерного пучка, электронного пучка или иным образом создаются линейные области напряжений в направлении, ортогональном направлению прокатки стального листа, либо под фиксированным углом к направлению, ортогональному направлению прокатки, в указанных напряженных областях возникают замыкающие домены. В идеальном случае, то есть когда в стальном листе совсем отсутствуют замыкающие домены и магнитная доменная структура стального листа состоит только из 180° магнитных доменов, обращенных в направлении прокатки, изменение магнитной доменной структуры при намагничивании стального листа заключается только в смещении доменной стенки 180° магнитных доменов, которые в результате магнитной деформации уже в полной мере расширены в направлении прокатки. Следовательно, стальной лист не будет расширяться или сжиматься при изменении магнитной деформации. Однако когда в стальном листе присутствуют замыкающие домены, изменение магнитной доменной структуры при намагничивании стального листа включает генерирование и удаление замыкающих доменов в дополнение к смещению доменной стенки 180° магнитных доменов. Поскольку замыкающие домены расширяются в направлении ширины стального листа, происходит расширение или сжатие стального листа в результате генерирования или удаления замыкающих доменов при изменении магнитной деформации в направлении прокатки, а также в направлении ширины и толщины стального листа. Считается, что если в стальном листе изменяется количество замыкающих доменов, то магнитная деформация, возникающая в результате намагничивания, а также уровень шума, создаваемого наложенными друг на друга стальными листами, из которых изготовлен сердечник трансформатора, будут изменяться.
По этой причине авторы настоящего изобретения сосредоточились на исследовании объемной доли замыкающих доменов, присутствующих в стальном листе, и на исследовании их влияния на потери в железе и на шум трансформатора.
8
8
Во-первых, авторы изобретения исследовали зависимость между плотностью магнитной индукции B в стальном листе и шумом. Другими словами, если направление намагничивания 180° магнитных доменов отклоняется от направления прокатки, то происходит вращение вектора намагничивания при намагничивании электротехнического стального листа вблизи магнитного насыщения. Указанное вращение вектора намагничивания приводит к увеличению расширения и сжатия в направлении прокатки и в направлении по ширине стального листа и к увеличению магнитной деформации. Таким образом, говоря о шуме, создаваемом стальным сердечником трансформатора, следует отметить, что указанное вращение вектора намагничивания является нежелательным. По этой причине подходящими являются наложенные друг на друга сильно текстурированные стальные листы с ориентацией [001] кристаллического зерна в направлении прокатки, к тому же, изобретатели установили, что усиление шума, создаваемого стальным сердечником трансформатора, связанное с вращением вектора намагничивания, может быть подавлено, когда B≥1,930 Тл.
100
100
-6
Далее описывается объемная доля замыкающих доменов. Как отмечалось выше, генерирование замыкающих доменов является фактором магнитной деформации, происходящей в направлении прокатки стального листа. Когда присутствуют указанные замыкающие домены, намагничивание замыкающих доменов ориентировано ортогонально вектору намагничивания 180° магнитных доменов, в результате чего стальной лист сжимается. Если объемная доля замыкающих доменов выражается ξ, то изменение магнитной деформации (относительно состояния при отсутствии замыкающих доменов) в направлении прокатки пропорционально λξ. Здесь, λ представляет собой константу магнитной деформации, составляющую 23×10 в направлении [100].
100
8
100
8
2
-4
В идеальном листе из электротехнической стали ориентация [001] всех кристаллических зерен параллельна направлению прокатки, и вектор намагничивания 180° магнитных доменов также параллелен направлению прокатки. Однако на практике ориентация кристаллических зерен отклоняется на некоторый угол от направления прокатки. Таким образом, намагничивание листа в направлении прокатки приводит во вращение вектор намагничивания 180° магнитных доменов, в результате чего происходит магнитная деформация в направлении прокатки. Следовательно, когда вектор намагничивания 180° магнитных доменов параллелен направлению прокатки, изменение магнитной деформации в направлении прокатки, вызываемое вращением вектора намагничивания, пропорционально λ(1-cosθ). Измерения магнитной деформации в направлении прокатки при возбуждении стального листа показали, что наблюдалось сочетание двух указанных выше факторов. Таким образом, если B≥1,930 Тл, отклонение ориентации [001] кристаллических зерен относительно направления прокатки составляет 4° или менее, то вклад вращения вектора намагничивания в магнитную деформацию составляет (6×10)λ или менее, что является чрезвычайно малым по сравнению с магнитной деформацией электротехнического стального листа, содержащего 3% Si. Соответственно, в стальном листе, имеющем превосходные шумовые характеристики и В≥1,930 Тл, вращение вектора намагничивания можно игнорировать в качестве фактора магнитной деформации и можно считать доминирующим только изменение объемной доли замыкающих доменов. В связи с этим, посредством измерения магнитной деформации в направлении прокатки можно определить объемную долю замыкающих доменов.
P-P
Определение объемной доли замыкающих доменов проводится путем сравнения состояния листа, совсем не содержащего замыкающих доменов, с состоянием листа с максимальным содержанием замыкающих доменов. Однако при традиционной оценке магнитной деформации измерения проводят, когда не достигнуто магнитное насыщение стального листа. При этом состоянии стального листа сохраняются замыкающие домены, следовательно, объемная доля замыкающих доменов не может быть определена точно. По этой причине авторы изобретения определяли объемную долю замыкающих доменов на основе измерения магнитной деформации при магнитной индукции насыщения. При магнитной индукции насыщения в стальном листе присутствуют исключительно 180° магнитные домены, и по мере приближения магнитной индукции к нулю в связи с переменным магнитным полем генерируются замыкающие домены и происходит магнитная деформация. На основании разности λ между максимальным и минимальным значением магнитной деформации вычисляли объемную долю ξ замыкающих доменов по приведенному ниже уравнению (А).
17/50
17/50
8
Вычисляли объемную долю замыкающих доменов в стальном листе, измеряли величину W с помощью измерительного устройства SST (тестера отдельного листа) и также измеряли уровень шума, создаваемого стальным сердечником трансформатора. На графике, показанном на фиг. 1, представлены результаты проведенных измерений. Для вычисления объемной доли замыкающих доменов применяли вышеупомянутый метод, а измерения магнитной деформации в направлении прокатки выполняли с использованием лазерного допплеровского виброметра при частоте 50 Гц и при магнитной индукции насыщения. Величина W представляет собой потери в железе при частоте 50 Гц и максимальной магнитной индукции 1,7 Тл. Таким образом, возбуждение железного сердечника трансформатора проводили при частоте 50 Гц и максимальной магнитной индукции 1,7 Тл. Образец представлял собой текстурированный лист из электротехнической стали, имеющий толщину 0,23 мм и удовлетворяющий соотношению B≥1,930 Тл. Способ создания напряжений состоял в облучении поверхности стального листа непрерывным лазерным пучком при мощности лазерного пучка, составляющей 100 Вт, и скорости сканирования 10 м/с, причем посредством изменения диаметра пучка на поверхности стального листа создавалось множество разных условий облучения.
Авторы настоящего изобретения изменяли диаметр лазерного пучка за счет устранения конденсорных линз с целью расширения области стального листа, облучаемой лазерным пучком. В результате чего авторы изобретения установили, что по мере увеличения диаметра пучка объемная доля замыкающих доменов в образце уменьшается и, соответственно, снижается шум, создаваемый стальным сердечником трансформатора.
17/50
17/50
17/50
Кроме того, авторы изобретения установили, что при приближении диаметра пучка к минимально возможному диаметру, обеспечиваемому лазерным облучающим устройством, величина W достигает минимума, тогда как по мере увеличения диаметра пучка наблюдалась тенденция к росту величины W. В частности, при увеличении диаметра пучка объемная доля замыкающих доменов снизилась до величины менее 1,00%, а величина W превысила 0,720 Вт/кг, следовательно, не могли быть обеспечены хорошие магнитные свойства стального листа. Поскольку с увеличением диаметра пучка уменьшается объемная доля замыкающих доменов и, соответственно, снижаются напряжения, создаваемые в стальном листе, можно сделать вывод, что указанное ухудшение магнитных свойств связано со снижением эффекта измельчения магнитных доменов.
8
На основании вышеупомянутых результатов авторам изобретения удалось получить текстурированный лист из электротехнической стали, который подходит для изготовления стального сердечника трансформатора и аналогичных устройств, обладая превосходными шумовыми характеристиками и магнитными свойствами, благодаря превосходному значению B и величине создаваемой деформации, установленной в диапазоне от 1,00% или более до 3,00% или менее, в значениях объемной доли замыкающих доменов, образующихся на деформированном участке.
Ниже приводятся основные признаки настоящего изобретения.
17/50
8
(1) Текстурированный лист из электротехнической стали с превосходными шумовыми характеристиками, содержащий линейные области напряжений, располагаемые с интервалом в направлении прокатки стального листа, причем линейные области напряжений продолжаются под углом 30° или менее к направлению, ортогональному направлению прокатки стального листа, при этом потери в железе W составляют 0,720 Вт/кг или менее, магнитная индукция B составляет 1,930 Тл или более, а объем, занимаемый замыкающими доменами в деформированном участке, составляет от 1,00% или более до 3,00% или менее от общего объема, занимаемого магнитными доменами в стальном листе.
(2) Текстурированный лист из электротехнической стали согласно (1), имеющий линейные области напряжений, созданные посредством облучения непрерывным лазерным пучком.
(3) Текстурированный лист из электротехнической стали согласно (1), имеющий линейные области напряжений, созданные посредством облучения электронным пучком.
Полезный эффект изобретения
Настоящее изобретение позволяет добиться снижения уровня шума, создаваемого трансформатором, поскольку сердечник трансформатора изготовлен из наложенных друг на друга текстурированных листов электротехнической стали, в которых посредством создания напряжений снижены потери в железе.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение далее будет описываться со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг. 1 - график зависимости уровня шума и потерь в железе от объемной доли замыкающих доменов в тестурированном листе из электротехнической стали согласно настоящему изобретению.
Описание вариантов осуществления изобретения
8
8
Касательно шума, создаваемого трансформатором, то есть касательно магнитострикционных колебаний стальных листов, следует отметить, что с повышением плотности кристаллических зерен материала вдоль легкой оси намагничивания уменьшается амплитуда магнитострикционных колебаний. Таким образом, чтобы подавлялся шум, создаваемый трансформатором, магнитная индукция B должна составлять 1,930 Тл или выше. Если магнитная индукция B составляет менее 1,930 Тл, становится необходимым вращательное движение магнитных доменов, чтобы вектор намагниченности установился параллельно направлению магнитного поля, возбуждаемого в процессе намагничивания, однако указанное вращение вектора намагниченности приводит к большому изменению магнитной деформации, в результате чего возрастает шум, создаваемый трансформатором.
17/50
Кроме того, за счет изменения ориентации, интервала между линейными областями напряжений и размера указанных областей можно сократить потери в железе. Без создания соответствующих напряжений невозможно должным образом снизить потери в железе и, следовательно, невозможно обеспечить хорошие магнитные свойства стального листа, и даже если регулировать объемную долю замыкающих доменов, невозможно уменьшить магнитную деформацию и снизить уровень шума. Таким образом, при использовании стального листа, в котором созданы соответствующие напряжения и в котором потери в железе W составляют 0,720 Вт/кг или менее, за счет регулировки объемной доли замыкающих доменов может быть достигнут эффект снижения уровня шума.
Следует отметить, что для создания напряжений может применяться облучение непрерывным лазерным пучком, облучение электронным пучком и т.п. Направление облучения представляет собой направление, пересекающее направление прокатки под углом, составляющим, предпочтительно, от 60° до 90° относительно направления прокатки (то есть под углом 30° или менее относительно направления, ортогонального направлению прокатки). Облучение выполняли с промежутками, составляющими приблизительно от 3 мм до 15 мм в направлении прокатки. Величину созданных напряжений оценивали посредством измерения магнитной деформации в направлении прокатки, возникающей под действием переменного магнитного поля, которое обеспечивает магнитную индукцию насыщения, и затем вычисляя объемную долю замыкающих доменов по представленному выше уравнению (А). Измерения магнитной деформации проводили на отдельном листе электротехнической стали, предпочтительно, с использованием лазерного допплеровского виброметра или измерителя деформации.
2
2
При облучении стального листа непрерывным лазерным пучком предпочтительными условиями являются: диаметр пучка от 0,1 мм до 1 мм и плотность мощности, находящаяся в диапазоне от 100 Вт/мм до 10000 Вт/мм, причем плотность мощности зависит от скорости сканирования. Говоря о диаметре конденсорной линзы, фокусирующей лазерный пучок, следует отметить, что при непосредственном облучении поверхности стального листа узким пучком (а именно, пучком, минимальный диаметр которого, определяемый конфигурацией лазерного облучающего устройства, составляет 0,1 мм или менее) увеличиваются создаваемые напряжения. Объемная доля замыкающих доменов также увеличивается, что приводит к усилению шума, создаваемого стальным сердечником трансформатора. Соответственно, объемную долю замыкающих доменов можно корректировать, изменяя диаметр лазерного пучка, например, за счет устранения конденсорных линз, фокусирующих лазерный пучок. К примеру, предпочтительным условием облучения является увеличение диаметра пятна лазерного пучка на поверхности стального листа приблизительно вдвое по сравнению с минимальным диаметром. Если диаметр пучка, проходящего через конденсорную линзу, является слишком большим, то снижается эффект измельчения магнитных доменов и, соответственно, подавляется улучшение показателя потерь в железе. Таким образом, увеличение диаметра пучка, проходящего через конденсорную линзу, предпочтительно, ограничено примерно пятикратным увеличением. Эффективным источником облучения является волоконный лазер с накачкой полупроводниковым лазером.
При облучении стального листа электронным пучком предпочтительными условиями являются: ускоряющее напряжение от 10 кВ до 200 кВ и ток пучка от 0,005 мА до 10 мА. Регулируя ток пучка, можно корректировать объемную долю замыкающих доменов. Если превышается указанный диапазон тока, увеличиваются создаваемые в листе напряжения, вызывающие усиление шума, создаваемого стальным сердечником трансформатора, вместе с тем ускоряющее напряжение тоже оказывает определенное влияние на уровень шума.
17/50
8
Следует отметить, что если в текстурированном листе из электротехнической стали потери в железе W составляют 0,720 Вт/кг или менее и магнитная индукция B составляет 1,930 Тл или более, химический состав электротехнической стали особенно не лимитируется. Однако примером предпочтительного химического состава является состав, включающий (в мас. %) С: от 0,002% до 0,10%, Si: от 1,0% до 7,0% и Mn: от 0,01% до 0,8%, и дополнительно включающий по меньшей мере один элемент, выбранный из следующих: Al: от 0,005% до 0,050%, N: от 0,003% до 0,020%, Se: от 0,003% до 0,030% и S: от 0,002% до 0,03%.
Пример 1
17/50
Стальной сляб, содержащий (в мас. %), С: 0,07%, Si: 3,4%, Mn: 0,12%, Al: 0,025%, Se: 0,025%, N: 0,015% и остальное Fe и неизбежные примеси, был приготовлен методом непрерывного литья. Сляб нагревали до температуры 1400°C и затем подвергали горячей прокатке для получения горячекатаного стального листа. Горячекатаный стальной лист подвергали отжигу в горячей зоне и затем проводили два цикла холодной прокатки с промежуточным отжигом до получения холоднокатаного листа для изготовления текстурированного листа из электротехнической стали, имеющего окончательную толщину 0,23 мм. Холоднокатаный лист для изготовления текстурированного листа из электротехнической стали затем обезуглероживали, и после первичного рекристаллизационного отжига наносили отжиговый сепаратор, содержащий MgO в качестве основного компонента, и проводили окончательный отжиг, включающий вторичный процесс рекристаллизации и процесс рафинирования с целью получения текстурированного листа из электротехнической стали с форстеритовой пленкой. Затем на текстурированный лист из электротехнической стали наносили изоляционное покрытие, содержащее 60% коллоидный диоксид кремния и алюминиевый фосфат, и подвергали спеканию при температуре 800°C. Далее проводили обработку по измельчению магнитных доменов при облучении непрерывным волоконным лазером в направлении, ортогональном направлению прокатки. При лазерном облучении средняя мощность лазера составляла 100 Вт, скорость сканирования пучка составляла 10 м/с, причем посредством изменения диаметра пучка на поверхности стального листа создавалось множество разных условий облучения. На приготовленных образцах, разрезанных на прямоугольники шириной 100 мм и длиной 280 мм, выполняли измерение величины W с помощью измерительного прибора SST. При использовании лазерного допплеровского виброметра выполняли измерение магнитной деформации в направлении прокатки, а объемную долю замыкающих доменов в каждом стальном листе вычисляли по уравнению (А), представленному выше. Чтобы создать стальной сердечник трехфазного трансформатора, образцы со скошенной кромкой, имеющие ширину 100 мм, были наложены друг на друга до получения толщины 15 мм. Для измерения уровня шума при максимальной магнитной индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц использовался конденсаторный микрофон. Одновременно в качестве спектрального взвешивания была выполнена стандартная частотная коррекция по шкале А.
8
8
17/50
В таблице 1 приведены данные измерений величины шума, создаваемого стальным сердечником трансформатора, условия фокусирования лазерного пучка и диаметр пучка на поверхности стального листа, а также величина B и результаты вычисления объемной доли замыкающих доменов в стальном листе. Как видно из приведенной таблицы 1, стальной лист, имеющий величину B≥1,930 Тл и объемную долю замыкающих доменов в пределах предусмотренного в изобретении диапазона, обладает хорошими характеристиками: уровень шума, создаваемого стальным сердечником трансформатора, составляет ниже 36 дБА, а величина W равна или ниже 0,720 Вт/кг.
17/50
8
8
17/50
Для сравнения, при облучении лазерным пучком, имеющим слишком малый диаметр, объемная доля замыкающих доменов отклонялась от предусмотренного в изобретении диапазона, и показатели шума ухудшались. При облучении лазерным пучком, имеющим слишком большой диаметр, объемная доля замыкающих доменов была в пределах предусмотренного в изобретении диапазона, показатели шума были хорошими, однако величина W была высокой. Если величина B была ниже 1,930 Тл, показатели шума, создаваемого железным сердечником трансформатора, ухудшались, несмотря на то, что объемная доля замыкающих доменов была в пределах предусмотренного в изобретении диапазона и показатели потерь в железе были хорошими. На основании полученных результатов можно сделать вывод, что для получения текстурированного листа из электротехнической стали, подходящего для изготовления стального сердечника трансформатора и аналогичных устройств, особенно важно, чтобы все три показателя, а именно магнитная индукция B, потери в железе W и объемная доля замыкающих доменов, находились в пределах диапазонов, установленных согласно настоящему изобретению.
Пример 2
17/50
Образцы листов электротехнической стали, аналогичные используемым для лазерного облучения в примере 1, облучались электронным пучком, причем посредством изменения тока пучка при ускоряющем напряжении 60 кВ и скорости сканирования пучка 30 м/с создавалось множество разных условий облучения. Аналогично примеру 1, на полученных образцах измеряли объемную долю замыкающих доменов в стальном листе, величину W и уровень шума, создаваемого стальным сердечником трансформатора.
8
8
В таблице 2 приведены данные измерений величины шума, создаваемого стальным сердечником трансформатора, ток пучка, величина B и объемная доля замыкающих доменов. При облучении электронным пучком достигалось снижение уровня шума до 36 дБА или менее на образцах, имеющих величину B≥1,930 Тл, которые облучались при сниженном токе электронного пучка, чтобы объемная доля замыкающих доменов находилась в пределах предусмотренного в изобретении диапазона.
17/50
8
17/50
8
17/50
Для сравнения, при увеличении плотности тока объемная доля замыкающих доменов превышала предусмотренный в изобретении диапазон, в результате чего усиливался шум, тогда как при снижении плотности тока объемная доля замыкающих доменов не достигала предусмотренного в изобретении диапазона и наблюдался рост величины W. На образцах, имеющих величину B<1,930 Тл, уровень измеренного шума составлял более 36 дБА, несмотря на то, что объемная доля замыкающих доменов была в пределах предусмотренного в изобретении диапазона и величина W составляла 0,720 Вт/кг или менее. Следовательно, при облучении электронным пучком текстурированного листа из электротехнической стали можно достичь хороших магнитных свойств наряду с требуемым показателем шума только в том случае, если все три показателя, а именно магнитная индукция B, потери в железе W и объемная доля замыкающих доменов, находятся в пределах диапазонов, установленных согласно настоящему изобретению.