Silikonski čelici i njihova primjena

Prvi meki magnetski materijal bilo je željezo koje je sadržavalo mnogo nečistoća. Istraživači su otkrili da je dodatak silicija povećao otpornost, smanjio gubitak histereze, povećao propusnost i praktički eliminirao starenje.

Koriste se značajne količine usmjerenog čelika, uglavnom u energetskim i distribucijskim transformatorima. Međutim, nije istisnuo neorijentirani silikonski čelik, koji se široko koristi tamo gdje je potreban jeftin materijal s malim gubicima, osobito u rotirajućoj opremi. Također moramo spomenuti čelike za releje, koji se široko koriste u relejima, armaturama i solenoidima. Čelici za releje sadrže između 1,25 i 2,5 posto Si i koriste se u primjenama s istosmjernom strujom zbog svoje bolje propusnosti, manje sile prisile i nedostatka starenja.

Važna fizikalna svojstva silicijevih čelika su otpornost, indukcija zasićenja, magnetokristalna anizotropija, magnetostrikcija i Curiejeva temperatura. Otpornost, koja je prilično niska u željezu, značajno se povećava dodatkom silicija. Veći otpor smanjuje gubitke u jezgri smanjenjem komponente vrtložne struje. Povećanje sadržaja silicija smanjuje magnetostrikciju, ali obrada postaje teža. Visoka Curiejeva temperatura željeza bit će snižena legirajućim elementima, ali snižavanje je od malog značaja za korisnika silicijskih čelika.

Na proces magnetizacije utječu nečistoće, orijentacija zrna, veličina zrna, deformacija, debljina trake i glatkoća površine. Jedan od najvažnijih načina poboljšanja mekih magnetskih materijala je uklanjanje nečistoća koje ometaju kretanje stijenki domene; manje su štetni ako su prisutni u čvrstoj otopini. U usporedbi s drugim komercijalnim čelicima, silikonski je čelik iznimno čist. Budući da ugljik, intersticijska nečistoća, može smanjiti propusnost niske indukcije, mora se ukloniti prije nego što se čelik žari kako bi se razvila konačna tekstura.

Mehanizam rasta zrna s orijentacijom ruba kocke tijekom konačnog žarenja nije u potpunosti shvaćen. Proces uključuje sekundarnu rekristalizaciju koja je, po definiciji, karakterizirana ubrzanim rastom skupa zrnaca u već rekristaliziranoj matrici.

Za sekundarnu rekristalizaciju, normalan rast zrna mora biti inhibiran na neki način. Kako se temperatura povećava, neka se zrna oslobađaju inhibicijskih sila i ekstenzivno rastu na račun svojih susjeda. Proizvođači znaju da se u praksi pravilno hladno valjanje i slijed rekristalizacije mora pažljivo pratiti kako bi se dobile željene sekundarne rekristalizacijske jezgre i ispravna tekstura. Trenutačni silikonski čelici koriste MnS kao inhibitor rasta zrna, ali drugi spojevi poput karbida, oksida ili nitrida također su učinkoviti.

Proizvodnja i uporaba usmjerenog čelika

Orijentirani silikonski čelik ima ograničeniji sastav od neorijentiranih varijanti. Tekstura se razvija nizom pažljivih radnji i operacija žarenja, a materijal mora ostati u biti jednofazan tijekom cijelog procesa, posebno tijekom završnog žarenja, budući da fazna transformacija uništava teksturu. Kako bi se izbjegla Y-petlja Fe-Si faznog sustava, današnji komercijalni čelik sadrži oko 3,25 posto Si. Više varijante silicija, koje bi mogle imati prednost zbog povećanog otpora i smanjene magnetostrikcije, su isključene zbog poteškoća hladnog valjanja.

Temperatura, sastav atmosfere i točka rosišta pomno se kontroliraju kako bi se dekarbonizirala mreža bez oksidacije površine. Tijekom ovog tretmana odvija se primarna rekristalizacija koja stvara mala, jednolika i jednako udaljena zrnca. Oblikovana obloga od magnezij silikatnog stakla osigurat će električnu izolaciju između uzastopnih ploča kada se sastavljaju u jezgru transformatora. U ovoj fazi, čelik se klasificira rezanjem Epsteinovih uzoraka iz svitka; Uzorci se žare i ravnaju na 790°, a gubitak jezgre se provjerava.

Primjene za orijentirani silicijski čelik uključuju transformatore (energetski, distribucijski, balastni, instrumentalni, audio i specijalni) i generatore za parne turbine i vodene kotače.

Općenito, mlinske jezgre koriste cijeli niz stupnjeva i mjera orijentiranih na zrno. Promjer i stupanj materijala za određenu primjenu određuju se na temelju ekonomičnosti, snage transformatora, zahtjeva za razinu buke, zahtjeva za gubitke, radne gustoće, pa čak i veličine jezgre. Kako traka mora biti ravna da bi se dobila dobra jezgra, zavojnice se spljošte nakon žarenja na visokoj temperaturi. Traka se zatim oblaže anorganskim fosfatom radi izolacije. Uzorci sa svakog kraja svitka ocjenjuju se nakon laboratorijskog žarenja za ublažavanje naprezanja kao što je gore opisano. Iz takve trake proizvođač transformatora reže potrebnu duljinu kako bi poboljšao izolaciju trake. Posljedično, smanjuje gubitke vrtložne struje i nakupljanje topline, što je posebno važno u transformatorima koji moraju izdržati test impulsa.

Kao što je gore navedeno, važan zahtjev u proizvodnji laminiranih jezgri je minimiziranje buke transformatora. Buka je funkcija proizvodnje jezgre i čimbenika dizajna, pri čemu je karakteristika materijala jezgre jedna od najvažnijih. Već je istaknuta ovisnost magnetostrikcije o sadržaju silicija. Osim toga, magnetostrikcijski se smanjuje poboljšanjem teksture i uvođenjem vlačnih naprezanja primjenom izolacijskih premaza nalik staklu. Budući da tlačna naprezanja negativno utječu na magnetostrikciju, važno je da laminat ostane ravan za montažu. Radna indukcija također je faktor koji utječe na buku i, zapravo, utječe na ukupne radne karakteristike transformatora. Radne indukcije lameliranih transformatora obično su u rasponu od 10.000 do 17.000 G; snage se kreću od 500 do 1.000.000 kVA.

Namotane jezgre toroidalno su namotane u kristalografskom smjeru [100] oko trake. Koraci obrade donekle su drugačiji od onih koji se koriste za Lego transformatore, iako je početni materijal isti: velika toroidalno žarena zavojnica obložena magnezijevim silikatom, koji obično pruža dovoljnu izolaciju.

Za primjenu namotane jezgre, neizreagirani MgO prah se uklanja s površine trake, a uzorak sa svakog kraja svitka se reže na Epsteinove trake za testiranje kao i prije. Nakon sortiranja, zavojnica se šalje proizvođaču transformatora, bilo kao izrezana višestruka ili kao zavojnica pune širine za daljnje rezanje. Višestruki rez, namotan na zadanu dimenziju jezgre, treba biti žaren za smanjenje naprezanja na 790 stupnjeva u suhoj neoksidirajućoj atmosferi. Posude i ploče za žarenje trebaju biti od čelika s niskim udjelom ugljika kako bi se uklonila sva onečišćenja ugljikom, što može biti vrlo štetno za kvalitetu.

Nakon žarenja za ublažavanje naprezanja, jezgre se režu i jezgra transformatora se sastavlja vezivanjem čelika oko bakrenih (ili aluminijskih) zavojnica kroz koje prolazi struja. U žarenom stanju za ublažavanje naprezanja, zrnati čelik je osjetljiv na mehanička naprezanja; stoga se jezgre moraju pažljivo sastavljati. Bez obzira na brigu s kojom se sklapanje izvodi, konačna kvaliteta jezgre uvijek je lošija od one žarene, nerezane ploče za ublažavanje naprezanja.

Razlika u kvaliteti, koja se obično naziva "faktor uništavanja", posljedica je relativne osjetljivosti na deformaciju zrnato orijentiranog čelika, postupka rukovanja u proizvodnji te ujednačenosti i količine zračnog prostora u jezgri. Budući da su funkcija dizajna i proizvodnje transformatora, posljednja dva čimbenika su oni koje najbolje kontrolira proizvođač. Većina rana jezgre koristi se u primjenama distribucijskih transformatora od 25 do 500 kVA.

Proizvodnja i uporaba neorijentiranih silicijskih čelika

Neorijentirani silicijski čelici ne koriste proces sekundarne rekristalizacije za razvoj svojih svojstava, a žarenje na visokoj temperaturi nije bitno. Stoga niža granica silicija, kao što je ona potrebna za usmjerene kvalitete, nije neophodna.

Neorijentirani tipovi sadrže između {{0}}.5 i 3,25 posto Si plus do 0,5 posto Al, koji se dodaje za povećanje otpora i nižu temperaturu primarne rekristalizacije. Rast zrna je vrlo poželjan u neorijentiranim klasama, ali je općenito mnogo manji nego u orijentiranim klasama.

Obrada vruće valjane trake slična je onoj opisanoj za orijentirane na kvalitetu. Nakon površinskog kondicioniranja, trake se obično hladno valjaju izravno do konačne debljine i prodaju proizvođaču transformatora u jednom od dva stanja: potpuno obrađene ili poluprerađene. Nakon završnog hladnog valjanja, traka se žari, dekarburizira na 0.005 posto C ili manje i razvija zrnastu strukturu potrebnu za magnetska svojstva. Zatim se uzimaju uzorci sa svakog kraja zavojnice i ispituju.

Potpuno obrađeni neorijentirani silikonski čelici općenito se koriste u primjenama gdje:

Količine su premale da bi potrošaču olakšale stres ili

Listovi su toliko veliki da bi bilo teško održati dobru fizičku formu nakon žarenja za smanjenje stresa od 843 stupnja.

Neorijentirani čelici nisu toliko osjetljivi na deformacije kao orijentirani proizvodi. Posljedično, posmična naprezanja su jedini učinci deformacije, koji bi trebali degradirati magnetsku kvalitetu. Budući da su slojevi obično veliki, te se posmične deformacije mogu tolerirati. Većina potpuno obrađenih vrsta koristi se kao žigosana laminacija u aplikacijama kao što su rotori i statori.

Neorijentirani čelici imaju slučajnu orijentaciju. Obično se koriste u velikoj rotirajućoj opremi kao što su AC motori, generatori struje i alternatori. Potpuno obrađeni čelici podvrgavaju se "punom" žarenju (kako bi se razvila optimalna magnetska kvaliteta), što ih čini mekšima i težima za bušenje od poluprerađenih proizvoda. Vrste s većim udjelom legure su tvrđe i stoga ih je lakše bušiti.

Sposobnost probijanja u potpuno obrađenim čelicima može se poboljšati dodavanjem organskog premaza, koji djeluje kao lubrikant tijekom utiskivanja i pruža dodatnu izolaciju osnovnoj ljestvici. Ako je potrebna dobra čvrstoća međusloja, potpuno obrađen materijal može se kupiti s osnovnim furnirom.

Poluproizvodi se obično podvrgavaju niskotemperaturnom dekarburizacijskom žarenju nakon konačnog hladnog valjanja. Ugljik nije nužno uklonjen do iste razine kao u potpuno prerađenom materijalu. Proizvođač transformatora zatim će žariti materijal u mokroj atmosferi za uklanjanje ugljičenja kako bi se dodatno razugljičio i razvila magnetska svojstva. Nakon tvorničkog žarenja za dekarburizaciju, uzimaju se uzorci, režu na kupone, dekarburiziraju na 843 stupnja najmanje jedan sat i testiraju kako bi se zavojnica klasificirala.

Poluprerađeni neorijentirani silikonski čelici koriste se za aplikacije žarenja za dekarburizaciju. Općenito, ovi proizvodi imaju dobre karakteristike probijanja i koriste se u različitim primjenama kao što su mali rotori, statori i mali energetski transformatori. Poluobrađeni čelici mogu se kupiti s visoko prianjajućom ljuskom ili s izolacijskim premazom preko hrđe. Organski premaz djeluje kao lubrikant tijekom probijanja, ali ne podnosi temperature žarenja za ublažavanje naprezanja; stoga se ne odnosi na poluprerađeni materijal.

Tablica 1. Najvažniji nazivi silicijskih čelika specificirani različitim standardima