Silicijumski čelici i njihova primena

Prvi meki magnetni materijal bilo je željezo, koje je sadržavalo mnogo nečistoća. Istraživači su otkrili da dodavanje silicijuma povećava otpornost, smanjuje gubitak histereze, povećava propusnost i praktično eliminira starenje.

Značajne količine orijentisanog čelika se koriste uglavnom u energetskim i distributivnim transformatorima. Međutim, nije zamijenio neorijentirani silicijumski čelik, koji se široko koristi tamo gdje je potreban jeftin materijal s malim gubicima, posebno u rotirajućoj opremi. Moramo spomenuti i čelike za releje koji se široko koriste u relejima, armaturama i solenoidima. Relejni čelici sadrže između 1,25 i 2,5 posto Si i koriste se u primjenama jednosmjerne struje zbog svoje bolje propusnosti, manje sile koercicije i nedostatka starenja.

Važna fizička svojstva silicijumskih čelika su otpornost, indukcija zasićenja, magnetokristalna anizotropija, magnetostrikcija i Curie temperatura. Otpornost, koja je prilično niska u gvožđu, značajno raste sa dodatkom silicijuma. Veća otpornost smanjuje gubitak jezgre smanjenjem komponente vrtložne struje. Povećanje sadržaja silicija smanjuje magnetostrikciju, ali obrada postaje teža. Visoka Curie temperatura gvožđa će biti snižena legirajućim elementima, ali je sniženje od malog značaja za korisnika silicijumskih čelika.

Na proces magnetizacije utiču nečistoće, orijentacija zrna, veličina zrna, deformacija, debljina trake i glatkoća površine. Jedan od najvažnijih načina za poboljšanje mekih magnetnih materijala je uklanjanje nečistoća koje ometaju kretanje zidova domena; manje su štetne ako su prisutne u čvrstom rastvoru. U poređenju sa drugim komercijalnim čelicima, silicijum čelik je izuzetno čist. Budući da ugljik, međuprostorna nečistoća, može narušiti nisku indukcijsku propusnost, mora se ukloniti prije nego što se čelik žari kako bi se razvila konačna tekstura.

Mehanizam rasta zrna sa orijentacijom ivice kocke tokom završnog žarenja nije u potpunosti shvaćen. Proces uključuje sekundarnu rekristalizaciju koju, po definiciji, karakterizira ubrzani rast skupa zrna u već prekristaliziranoj matrici.

Za sekundarnu rekristalizaciju, normalan rast zrna mora biti na neki način inhibiran. Kako temperatura raste, neka zrna se oslobode sila inhibicije i rastu ekstenzivno na račun svojih susjeda. Proizvođači znaju da se u praksi moraju pažljivo pratiti ispravne sekvence hladnog valjanja i rekristalizacije kako bi se dobile željene sekundarne jezgre rekristalizacije i ispravna tekstura. Sadašnji silicijumski čelici koriste MnS kao inhibitor rasta zrna, ali su i druga jedinjenja kao što su karbidi, oksidi ili nitridi takođe efikasna.

Proizvodnja i upotreba orijentisanog čelika

Orijentirani silikonski čelik ima ograničeniji sastav od neorijentiranih varijanti. Tekstura se razvija kroz niz pažljivih radnji i operacija žarenja, a materijal mora ostati u suštini jednofazni tokom cijelog procesa, posebno tokom završnog žarenja, jer fazna transformacija uništava teksturu. Da bi se izbjegla Y-petlja Fe-Si faznog sistema, današnji komercijalni čelik ima oko 3,25 posto Si. Više varijante silicijuma, koje bi mogle imati prednost zbog povećane otpornosti i smanjene magnetostrikcije, isključene su teškoćama hladnog valjanja.

Temperatura, sastav atmosfere i tačka rose se pomno kontrolišu kako bi se dekarbonizirala mreža bez oksidacije površine. Tokom ovog tretmana dolazi do primarne rekristalizacije koja formira mala, ujednačena i jednako udaljena zrna. Obloga od magnezijum silikatnog stakla koja se formira će obezbediti električnu izolaciju između uzastopnih listova kada se sastavljaju u jezgro transformatora. U ovoj fazi, čelik se klasifikuje rezanjem Epsteinovih uzoraka iz zavojnice; Uzorci su žareni i spljošteni na 790°, te se provjerava gubitak jezgre.

Primjene za orijentirani silikonski čelik uključuju transformatore (snage, distribuciju, balast, instrumente, audio i specijalne) i generatore za parne turbine i vodene kotače.

Uopšteno govoreći, jezgra mlina koriste cijeli niz sorti i mjerača orijentiranih na zrno. Mjerač i klasa materijala za datu primjenu određuju se na osnovu ekonomije, snage transformatora, zahtjeva za nivoom buke, zahtjeva za gubicima, radne gustine, pa čak i veličine jezgra. Kako traka mora biti ravna da bi se dobilo dobro jezgro, zavojnice se spljoštiju nakon žarenja na visokoj temperaturi. Traka je tada premazana neorganskim fosfatom za izolaciju. Uzorci sa svakog kraja zavojnice se ocjenjuju nakon laboratorijskog žarenja za ublažavanje naprezanja kako je gore opisano. Od takve trake proizvođač transformatora izrezuje potrebnu dužinu kako bi poboljšao izolaciju trake. Posljedično, smanjuje gubitke vrtložnih struja i nakupljanje topline, što je posebno važno kod transformatora koji moraju izdržati impulsni test.

Kao što je gore navedeno, važan zahtjev u proizvodnji laminiranih jezgara je minimiziranje buke transformatora. Buka je funkcija faktora proizvodnje i dizajna jezgre, pri čemu je karakteristika materijala jezgre jedna od najvažnijih. Zavisnost magnetostrikcije od sadržaja silicijuma je već istaknuta. Osim toga, magnetostrikcija se smanjuje poboljšanjem teksture i uvođenjem vlačnih naprezanja primjenom izolacijskih premaza nalik staklu. Budući da tlačna naprezanja negativno utječu na magnetostrikciju, važno je da laminacija ostane ravna za montažu. Indukcija u radu je takođe faktor koji utiče na buku i, zapravo, utiče na ukupne radne karakteristike transformatora. Radne indukcije laminiranih transformatora su tipično u rasponu od 10.000 do 17.000 G; snage se kreću od 500 do 1.000.000 kVA.

Namotana jezgra su toroidalno namotana u kristalografskom pravcu [100] oko trake. Koraci obrade su donekle drugačiji od onih koji se koriste za Lego transformatore, iako je početni materijal isti: veliki toroidno žareni namotaj obložen magnezijevim silikatom, koji obično daje dovoljnu izolaciju.

Za nanošenje jezgre rane, neizreagirani MgO prah se uklanja sa površine trake, a uzorak sa svakog kraja zavojnice se reže na Epstein trake za testiranje kao i ranije. Nakon sortiranja, zavojnica se šalje proizvođaču transformatora, bilo u obliku višekratnika rezanja ili kao zavojnica pune širine za dalje rezanje. Višestruki rez, namotan na zadatu dimenziju jezgre, treba da bude žaren na 790 stepeni u suvoj neoksidirajućoj atmosferi. Posude i ploče za žarenje trebaju biti od čelika s niskim udjelom ugljika kako bi se uklonila svaka kontaminacija ugljikom, koja može biti vrlo štetna za kvalitetu.

Nakon žarenja za ublažavanje naprezanja, jezgra se režu i jezgra transformatora se sklapa vezivanjem čelika oko bakrenih (ili aluminijumskih) strujnih zavojnica. U žarenom stanju za ublažavanje naprezanja, zrnasti čelik je osjetljiv na mehanička naprezanja; stoga jezgra moraju biti pažljivo sastavljena. Bez obzira na brigu s kojom se montaža vrši, konačni kvalitet jezgre je uvijek lošiji od onog kod rasterećenja žarenog, nerezanog.

Razlika u kvaliteti, koja se obično naziva "faktor ubijanja", nastala je zbog relativne osjetljivosti na deformaciju čelika orijentiranog na zrno, procedure rukovanja u proizvodnji, te ujednačenosti i količine zračnog prostora u jezgri. Budući da su u funkciji dizajna i proizvodnje transformatora, posljednja dva faktora najbolje kontrolira proizvođač. Većina namota jezgra se koristi u primjenama distributivnih transformatora od 25 do 500 kVA.

Proizvodnja i upotreba neorijentisanih silicijumskih čelika

Neorijentisani silicijumski čelici ne koriste proces sekundarne rekristalizacije da bi razvili svoja svojstva, a žarenje na visokim temperaturama nije neophodno. Stoga, donja granica silicija, kao što je ona potrebna za orijentisane klase, nije od suštinskog značaja.

Neorijentisani tipovi sadrže između {{0}},5 i 3,25 posto Si plus do 0,5 posto Al, dodano radi povećanja otpornosti i niže temperature primarne rekristalizacije. Rast zrna je veoma poželjan kod neorijentisanih sorti, ali je generalno mnogo manji nego kod orijentisanih.

Obrada toplo valjane trake je slična onoj koja je opisana za kvalitetno orijentisanu obradu. Nakon površinskog kondicioniranja, trake se obično hladno valjaju direktno do konačnog merača i prodaju proizvođaču transformatora u jednom od dva uslova: potpuno obrađene ili poluobrađene. Nakon završnog hladnog valjanja, traka se žari, razugljikovanjem na 0.005 posto C ili manje i razvijanjem strukture zrna koja je neophodna za magnetna svojstva. Zatim se uzimaju uzorci sa svakog kraja zavojnice i testiraju.

Potpuno obrađeni neorijentisani silicijumski čelici se generalno koriste u aplikacijama gde:

Količine su premale da bi garantovale oslobađanje od stresa od strane potrošača, ili

Listovi su toliko veliki da bi bilo teško održati dobar fizički oblik nakon žarenja od 843 stepena za ublažavanje stresa.

Neorijentisani čelici nisu toliko osjetljivi na deformacije kao orijentirani proizvod. Posljedično, posmična deformacija su jedini efekti deformacije, koji bi trebali degradirati magnetsku kvalitetu. Kako su laminacije obično velike, ove posmične deformacije se mogu tolerirati. Većina potpuno obrađenih vrsta koriste se kao žigosane laminacije u aplikacijama kao što su rotori i statori.

Neorijentisani čelici imaju nasumičnu orijentaciju. Obično se koriste u velikoj rotirajućoj opremi kao što su AC motori, generatori energije i alternatori. Potpuno obrađeni čelici se podvrgavaju "punom" žarenju (da bi se razvio optimalni magnetski kvalitet), što ih čini mekšim i težim za bušenje od poluobrađenih proizvoda. Klase sa većim sadržajem legure su tvrđe i stoga lakše za bušenje.

Sposobnost probijanja u potpuno obrađenim čelicima može se poboljšati dodavanjem organskog premaza, koji djeluje kao mazivo tokom štancanja i pruža dodatnu izolaciju osnovnoj skali. Ako je potrebna dobra međuslojna čvrstoća, potpuno obrađeni materijal se može kupiti sa osnovnim furnirom.

Poluprerađeni proizvodi obično se podvrgavaju niskotemperaturnom razugljičnom žarenju nakon konačnog hladnog valjanja. Ugljik nije nužno uklonjen na istom nivou kao u potpuno obrađenom materijalu. Proizvođač transformatora će zatim žariti materijal u vlažnoj atmosferi za razugljičenje kako bi se dodatno razugljičio i razvio magnetna svojstva. Nakon fabričkog deugljičnog žarenja, uzimaju se uzorci, seku se na kupone, razugljičaruju na 843 stepena najmanje jedan sat i testiraju da bi se kalem klasifikovao.

Poluobrađeni neorijentisani silicijumski čelici koriste se za aplikacije žarenja za razugljikorenje. Generalno, ovi proizvodi imaju dobre karakteristike štancanja i koriste se u različitim aplikacijama kao što su mali rotori, statori i mali energetski transformatori. Poluprerađeni čelici mogu se kupiti s visoko prionjivim kamencem ili sa izolacijskim premazom preko rđe. Organski premaz djeluje kao mazivo tokom probijanja, ali ne podnosi temperature žarenja za ublažavanje naprezanja; stoga se ne odnosi na poluprerađeni materijal.

Tabela 1. Najvažniji nazivi silikonskog čelika specificirani različitim standardima