Acciai al silicio e loro applicazioni

Il primo materiale magnetico morbido era il ferro, che conteneva molte impurità. I ricercatori hanno scoperto che l'aggiunta di silicio aumentava la resistività, diminuiva la perdita di isteresi, aumentava la permeabilità e praticamente eliminava l'invecchiamento.

Vengono utilizzate notevoli quantità di acciaio orientato, principalmente nei trasformatori di potenza e distribuzione. Tuttavia, non ha soppiantato l'acciaio al silicio non orientato, ampiamente utilizzato dove è necessario un materiale a basso costo e a basse perdite, in particolare nelle apparecchiature rotanti. Da menzionare anche gli acciai per relè, ampiamente utilizzati in relè, indotti e solenoidi. Gli acciai per relè contengono tra l'1,25 e il 2,5 percento di Si e sono utilizzati nelle applicazioni a corrente continua grazie alla loro migliore permeabilità, alla minore forza coercitiva e alla mancanza di invecchiamento.

Importanti proprietà fisiche degli acciai al silicio sono resistività, induzione di saturazione, anisotropia magnetocristallina, magnetostrizione e temperatura di Curie. La resistività, che è piuttosto bassa nel ferro, aumenta notevolmente con l'aggiunta del silicio. Una maggiore resistività riduce la perdita del nucleo riducendo la componente di correnti parassite. L'aumento del contenuto di silicio riduce la magnetostrizione, ma l'elaborazione diventa più difficile. L'elevata temperatura di Curie del ferro sarà abbassata dagli elementi di lega, ma l'abbassamento è di poca importanza per l'utilizzatore di acciai al silicio.

Il processo di magnetizzazione è influenzato da impurità, orientamento del grano, dimensione del grano, deformazione, spessore del nastro e levigatezza della superficie. Uno dei modi più importanti per migliorare i materiali magnetici morbidi è rimuovere le impurità, che interferiscono con il movimento delle pareti del dominio; sono meno dannosi se presenti in soluzione solida. Rispetto ad altri acciai commerciali, l'acciaio al silicio è eccezionalmente puro. Poiché il carbonio, un'impurità interstiziale, può compromettere la bassa permeabilità a induzione, deve essere rimosso prima che l'acciaio venga ricotto per sviluppare la struttura finale.

Il meccanismo di crescita del grano con orientamento del bordo del cubo durante la ricottura finale non è completamente compreso. Il processo prevede una ricristallizzazione secondaria che, per definizione, è caratterizzata dalla crescita accelerata di un insieme di grani in una matrice già ricristallizzata.

Per la ricristallizzazione secondaria, la normale crescita del grano deve essere inibita in qualche modo. All'aumentare della temperatura, alcuni chicchi si liberano dalle forze inibitorie e crescono ampiamente a spese dei loro vicini. I produttori sanno che, in pratica, le corrette sequenze di laminazione a freddo e di ricristallizzazione devono essere seguite attentamente per ottenere i nuclei di ricristallizzazione secondari desiderati e la consistenza corretta. Gli attuali acciai al silicio utilizzano l'MnS come inibitore della crescita del grano, ma sono efficaci anche altri composti come carburi, ossidi o nitruri.

Produzione e uso di acciaio orientato

L'acciaio al silicio orientato ha una composizione più ristretta rispetto alle varietà non orientate. La trama viene sviluppata attraverso una serie di attente operazioni di lavorazione e ricottura e il materiale deve rimanere essenzialmente monofase durante tutto il processo, specialmente durante la ricottura finale, poiché la trasformazione di fase distrugge la trama. Per evitare l'anello a Y del sistema di fase Fe-Si, l'acciaio commerciale odierno contiene circa il 3,25 percento di Si. Le varietà di silicio più elevate, che potrebbero essere favorite da una maggiore resistività e da una diminuzione della magnetostrizione, sono precluse dalle difficoltà della laminazione a freddo.

La temperatura, la composizione dell'atmosfera e il punto di rugiada sono strettamente controllati per decarbonizzare il nastro senza ossidare la superficie. Durante questo trattamento avviene una ricristallizzazione primaria che forma granelli piccoli, uniformi ed equidistanti. Il rivestimento in vetro di silicato di magnesio che si forma fornirà l'isolamento elettrico tra le lastre successive quando vengono assemblate in un nucleo del trasformatore. In questa fase, l'acciaio viene classificato tagliando campioni di Epstein dalla bobina; I campioni vengono ricotti e appiattiti a 790° e viene controllata la perdita del nucleo.

Le applicazioni per l'acciaio al silicio orientato includono trasformatori (alimentazione, distribuzione, ballast, strumenti, audio e specialità) e generatori per turbine a vapore e ruote idrauliche.

In generale, le anime dei mulini utilizzano l'intera gamma di qualità e calibri orientati alla grana. Il calibro e il grado del materiale per una determinata applicazione sono determinati in base all'economia, alla potenza del trasformatore, ai requisiti di livello di rumore, ai requisiti di perdita, alla densità operativa e persino alle dimensioni del nucleo. Poiché la striscia deve essere piatta per produrre un buon nucleo, le bobine vengono appiattite dopo la ricottura ad alta temperatura. La banda viene quindi rivestita con un fosfato inorganico per l'isolamento. I campioni da ciascuna estremità della bobina vengono classificati dopo la ricottura di sollievo dallo stress in laboratorio come descritto sopra. Da tale striscia, il produttore del trasformatore taglia la lunghezza richiesta per migliorare l'isolamento della striscia. Di conseguenza, riduce le perdite di correnti parassite e l'accumulo di calore, che è particolarmente importante nei trasformatori che devono resistere a un test ad impulso.

Come notato sopra, un requisito importante nella produzione di nuclei di laminazione è ridurre al minimo il rumore del trasformatore. Il rumore è una funzione dei principali fattori di produzione e progettazione, con la caratteristica del materiale principale che è una delle più importanti. La dipendenza della magnetostrizione dal contenuto di silicio è già stata evidenziata. Inoltre, la magnetostrizione viene ridotta migliorando la struttura e introducendo sollecitazioni di trazione mediante l'applicazione di rivestimenti isolanti simili al vetro. Poiché le sollecitazioni di compressione influiscono negativamente sulla magnetostrizione, è importante che la lamina rimanga piatta per il montaggio. Anche l'induzione di marcia è un fattore che influisce sul rumore e, di fatto, influisce sulle caratteristiche operative complessive del trasformatore. Le induzioni di funzionamento dei trasformatori laminati sono in genere comprese tra 10.{1}} e 17.000 G; le potenze vanno da 500 a 1.000.{7}} kVA.

I nuclei della ferita sono avvolti toroidalmente con la direzione cristallografica [100] attorno alla fascia. Le fasi di lavorazione sono in qualche modo diverse da quelle utilizzate per i trasformatori Lego, sebbene il materiale di partenza sia lo stesso: una grande bobina ricotta toroidalmente rivestita di silicato di magnesio, che di solito fornisce un isolamento sufficiente.

Per l'applicazione del nucleo avvolto, la polvere di MgO non reagita viene rimossa dalla superficie della striscia e un campione da ciascuna estremità della bobina viene tagliato in strisce di Epstein per il test come prima. Una volta smistata, la bobina viene spedita al produttore del trasformatore, come multipli di taglio o come bobina a larghezza intera per ulteriori tagli. Il multiplo tagliato, avvolto alla dimensione del nucleo data, dovrebbe essere ricotto con sollievo dallo stress a 790 gradi in un'atmosfera secca non ossidante. Le pentole e le piastre di ricottura dovrebbero essere in acciaio a basso tenore di carbonio per rimuovere qualsiasi contaminazione da carbonio, che può essere molto dannosa per la qualità.

Dopo la ricottura di distensione, i nuclei vengono tagliati e il nucleo del trasformatore viene assemblato legando l'acciaio attorno a bobine che trasportano corrente in rame (o alluminio). Nello stato ricotto di distensione, l'acciaio a grano orientato è sensibile alle sollecitazioni meccaniche; pertanto, i nuclei devono essere assemblati con cura. Indipendentemente dalla cura con cui viene eseguito l'assemblaggio, la qualità finale del nucleo è sempre inferiore a quella del distensione ricotto, non tagliato.

La differenza di qualità, comunemente indicata come "fattore di uccisione", è dovuta alla relativa sensibilità alla deformazione dell'acciaio a grani orientati, alla procedura di manipolazione nella produzione e all'uniformità e alla quantità di spazio d'aria nel nucleo. Essendo una funzione della progettazione e fabbricazione del trasformatore, gli ultimi due fattori sono quelli meglio controllati dal produttore. La maggior parte degli avvolgimenti del nucleo viene utilizzata nelle applicazioni dei trasformatori di distribuzione da 25 a 500 kVA.

Produzione e utilizzo di acciai al silicio non orientati

Gli acciai al silicio non orientati non utilizzano un processo di ricristallizzazione secondaria per sviluppare le loro proprietà e la ricottura ad alta temperatura non è essenziale. Pertanto, un limite di silicio inferiore, come quello richiesto per i gradi orientati, non è essenziale.

I gradi non orientati contengono tra {{0}},5 e 3,25 percento di Si più fino allo 0,5 percento di Al, aggiunti per aumentare la resistività e abbassare la temperatura di ricristallizzazione primaria. La crescita del grano è altamente desiderabile nei gradi non orientati, ma generalmente è molto inferiore rispetto ai gradi orientati.

La lavorazione del nastro laminato a caldo è simile a quella descritta per la qualità orientata. Dopo il condizionamento della superficie, le strisce vengono in genere laminate a freddo direttamente allo spessore finale e vendute al produttore del trasformatore in una delle due condizioni: completamente lavorate o semilavorate. Dopo la laminazione a freddo finale, il nastro viene ricotto, decarburandolo a 0,005 percento C o meno e sviluppando la struttura del grano necessaria per le proprietà magnetiche. I campioni vengono quindi prelevati da ciascuna estremità della bobina e testati.

Gli acciai al silicio non orientati completamente lavorati sono generalmente utilizzati in applicazioni in cui:

Le quantità sono troppo piccole per giustificare un sollievo dallo stress da parte del consumatore, o

I fogli sono così grandi che sarebbe difficile mantenere una buona forma fisica dopo una ricottura di sollievo dallo stress di 843 gradi.

Gli acciai non orientati non sono sensibili alla deformazione come il prodotto orientato. Di conseguenza, le deformazioni di taglio sono gli unici effetti di deformazione, che dovrebbero degradare la qualità magnetica. Poiché i lamierini sono generalmente di grandi dimensioni, queste deformazioni di taglio possono essere tollerate. La maggior parte delle qualità completamente lavorate vengono utilizzate come lamierini stampati in applicazioni come rotori e statori.

Gli acciai non orientati hanno un orientamento casuale. Sono tipicamente utilizzati in grandi apparecchiature rotanti come motori CA, generatori di corrente e alternatori. Gli acciai completamente lavorati subiscono una ricottura "completa" (per sviluppare una qualità magnetica ottimale), che li rende più morbidi e più difficili da forare rispetto ai prodotti semilavorati. I gradi con un contenuto di lega più elevato sono più duri e quindi più facili da perforare.

La capacità di punzonatura negli acciai completamente lavorati può essere migliorata aggiungendo un rivestimento organico, che funge da lubrificante durante lo stampaggio e fornisce un ulteriore isolamento alla scala di base. Se è richiesta una buona resistenza all'interlaminazione, è possibile acquistare materiale completamente lavorato con rivestimento di base.

I semilavorati di solito subiscono una ricottura di decarburazione a bassa temperatura dopo la laminazione a freddo finale. Il carbonio non viene necessariamente rimosso allo stesso livello del materiale completamente lavorato. Il produttore del trasformatore farà quindi ricotturare il materiale in un'atmosfera di decarburazione umida per decarburare ulteriormente e sviluppare le proprietà magnetiche. Dopo la ricottura di decarburazione in fabbrica, i campioni vengono prelevati, tagliati in coupon, decarburati a 843 gradi per almeno un'ora e testati per classificare la bobina.

Gli acciai al silicio semilavorati non orientati vengono utilizzati per applicazioni di ricottura di decarburazione dei clienti. In generale, questi prodotti hanno buone caratteristiche di punzonatura e sono utilizzati in varie applicazioni come piccoli rotori, statori e piccoli trasformatori di potenza. Gli acciai semilavorati possono essere acquistati con una scaglia molto aderente, oppure con un rivestimento isolante sulla ruggine. Il rivestimento organico funge da lubrificante durante la punzonatura, ma non resiste alle temperature di ricottura antistress; pertanto, non si applica al materiale semilavorato.

Tabella 1. I nomi più importanti dell'acciaio al silicio specificati da diversi standard