Χάλυβες πυριτίου και οι εφαρμογές τους

Το πρώτο μαλακό μαγνητικό υλικό ήταν ο σίδηρος, ο οποίος περιείχε πολλές ακαθαρσίες. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η προσθήκη πυριτίου αύξησε την ειδική αντίσταση, μείωσε την απώλεια υστέρησης, αύξησε τη διαπερατότητα και ουσιαστικά εξαλείφει τη γήρανση.

Χρησιμοποιούνται σημαντικές ποσότητες προσανατολισμένου χάλυβα, κυρίως σε μετασχηματιστές ισχύος και διανομής. Ωστόσο, δεν έχει αντικαταστήσει τον μη προσανατολισμένο χάλυβα πυριτίου, ο οποίος χρησιμοποιείται ευρέως όπου απαιτείται υλικό χαμηλού κόστους και χαμηλής απώλειας, ιδιαίτερα σε περιστρεφόμενο εξοπλισμό. Πρέπει επίσης να αναφέρουμε τους χάλυβες για ρελέ, που χρησιμοποιούνται ευρέως σε ρελέ, οπλισμούς και ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες. Οι χάλυβες ρελέ περιέχουν μεταξύ 1,25 και 2,5 τοις εκατό Si και χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές συνεχούς ρεύματος λόγω της καλύτερης διαπερατότητάς τους, της χαμηλότερης δύναμης καταναγκασμού και της έλλειψης γήρανσης.

Σημαντικές φυσικές ιδιότητες των χαλύβων πυριτίου είναι η ειδική αντίσταση, η επαγωγή κορεσμού, η μαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία, η μαγνητοσυστολή και η θερμοκρασία Κιουρί. Η ειδική αντίσταση, η οποία είναι αρκετά χαμηλή σε σίδηρο, αυξάνεται σημαντικά με την προσθήκη πυριτίου. Η υψηλότερη ειδική αντίσταση μειώνει την απώλεια πυρήνα μειώνοντας τη συνιστώσα του δινορευματικού ρεύματος. Η αύξηση της περιεκτικότητας σε πυρίτιο μειώνει τη μαγνητοσυστολή, αλλά η επεξεργασία γίνεται πιο δύσκολη. Η υψηλή θερμοκρασία Κιουρί του σιδήρου θα μειωθεί από τα στοιχεία κραματοποίησης, αλλά η μείωση είναι μικρής σημασίας για τον χρήστη πυριτιούχων χάλυβων.

Η διαδικασία μαγνήτισης επηρεάζεται από τις ακαθαρσίες, τον προσανατολισμό των κόκκων, το μέγεθος των κόκκων, την παραμόρφωση, το πάχος της ταινίας και την ομαλότητα της επιφάνειας. Ένας από τους πιο σημαντικούς τρόπους βελτίωσης των μαλακών μαγνητικών υλικών είναι η απομάκρυνση των ακαθαρσιών, οι οποίες παρεμβαίνουν στην κίνηση των τοιχωμάτων της περιοχής. είναι λιγότερο επιβλαβή εάν υπάρχουν σε στερεό διάλυμα. Σε σύγκριση με άλλους εμπορικούς χάλυβες, ο χάλυβας πυριτίου είναι εξαιρετικά καθαρός. Δεδομένου ότι ο άνθρακας, μια διάμεση ακαθαρσία, μπορεί να βλάψει τη χαμηλή επαγωγική διαπερατότητα, πρέπει να αφαιρεθεί πριν από την ανόπτηση του χάλυβα για την ανάπτυξη της τελικής υφής.

Ο μηχανισμός ανάπτυξης κόκκων με προσανατολισμό στην άκρη του κύβου κατά την τελική ανόπτηση δεν είναι πλήρως κατανοητός. Η διαδικασία περιλαμβάνει μια δευτερεύουσα ανακρυστάλλωση που, εξ ορισμού, χαρακτηρίζεται από την επιταχυνόμενη ανάπτυξη ενός συνόλου κόκκων σε μια ήδη ανακρυσταλλωμένη μήτρα.

Για δευτερογενή ανακρυστάλλωση, η κανονική ανάπτυξη των κόκκων πρέπει να ανασταλεί με κάποιο τρόπο. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, ορισμένοι κόκκοι απελευθερώνονται από τις ανασταλτικές δυνάμεις και αναπτύσσονται εκτενώς εις βάρος των γειτόνων τους. Οι παραγωγοί γνωρίζουν ότι, στην πράξη, οι κατάλληλες ακολουθίες ψυχρής έλασης και ανακρυστάλλωσης πρέπει να ακολουθούνται προσεκτικά για να ληφθούν οι επιθυμητοί δευτερεύοντες πυρήνες ανακρυστάλλωσης και η σωστή υφή. Οι τρέχοντες χάλυβες πυριτίου χρησιμοποιούν MnS ως αναστολέα ανάπτυξης κόκκων, αλλά άλλες ενώσεις όπως καρβίδια, οξείδια ή νιτρίδια είναι επίσης αποτελεσματικές.

Κατασκευή και χρήση προσανατολισμένου χάλυβα

Ο προσανατολισμένος χάλυβας πυριτίου έχει πιο περιορισμένη σύνθεση από τις μη προσανατολισμένες ποικιλίες. Η υφή αναπτύσσεται μέσω μιας σειράς προσεκτικών εργασιών επεξεργασίας και ανόπτησης και το υλικό πρέπει να παραμείνει ουσιαστικά μονοφασικό σε όλη τη διαδικασία, ειδικά κατά την τελική ανόπτηση, καθώς ο μετασχηματισμός φάσης καταστρέφει την υφή. Για να αποφευχθεί ο βρόχος Υ του συστήματος φάσης Fe-Si, ο σημερινός εμπορικός χάλυβας είναι περίπου 3,25 τοις εκατό Si. Ποικιλίες υψηλότερου πυριτίου, οι οποίες μπορεί να ευνοούνται από αυξημένη ειδική αντίσταση και μειωμένη μαγνητοσυστολή, αποκλείονται από τις δυσκολίες της ψυχρής έλασης.

Η θερμοκρασία, η σύνθεση της ατμόσφαιρας και το σημείο δρόσου ελέγχονται στενά για την απανθρακοποίηση του ιστού χωρίς να οξειδώνεται η επιφάνεια. Κατά τη διάρκεια αυτής της επεξεργασίας, λαμβάνει χώρα μια πρωτογενής ανακρυστάλλωση που σχηματίζει μικρούς, ομοιόμορφους και ισαπέχοντες κόκκους. Η επένδυση γυαλιού από πυριτικό μαγνήσιο που σχηματίζεται θα παρέχει την ηλεκτρική μόνωση μεταξύ των διαδοχικών φύλλων όταν αυτά συναρμολογούνται σε έναν πυρήνα μετασχηματιστή. Σε αυτή τη φάση, ο χάλυβας ταξινομείται με την κοπή δειγμάτων Epstein από το πηνίο. Τα δείγματα ανόπτονται και ισοπεδώνονται στις 790° και ελέγχεται η απώλεια πυρήνα.

Οι εφαρμογές για προσανατολισμένο χάλυβα πυριτίου περιλαμβάνουν μετασχηματιστές (ισχύς, διανομή, έρμα, όργανο, ήχος και ειδικότητα) και γεννήτριες για τουρμπίνες ατμού και τροχούς νερού.

Σε γενικές γραμμές, οι πυρήνες μύλου χρησιμοποιούν το πλήρες φάσμα ποιοτήτων και μετρητών προσανατολισμένων σε κόκκους. Το μετρητή και η ποιότητα υλικού για μια δεδομένη εφαρμογή καθορίζονται με βάση τα οικονομικά στοιχεία, την ισχύ του μετασχηματιστή, τις απαιτήσεις επιπέδου θορύβου, τις απαιτήσεις απώλειας, την πυκνότητα λειτουργίας και ακόμη και το μέγεθος του πυρήνα. Καθώς η λωρίδα πρέπει να είναι επίπεδη για να παράγει καλό πυρήνα, τα πηνία ισοπεδώνονται μετά από ανόπτηση σε υψηλή θερμοκρασία. Η ταινία στη συνέχεια επικαλύπτεται με ένα ανόργανο φωσφορικό άλας για απομόνωση. Τα δείγματα από κάθε άκρο του πηνίου ταξινομούνται μετά από εργαστηριακή ανόπτηση ανακούφισης καταπόνησης όπως περιγράφεται παραπάνω. Από μια τέτοια λωρίδα, ο κατασκευαστής του μετασχηματιστή κόβει το απαιτούμενο μήκος του για να βελτιώσει τη μόνωση της λωρίδας. Κατά συνέπεια, μειώνει τις απώλειες δινορευμάτων και τη συσσώρευση θερμότητας, κάτι που είναι ιδιαίτερα σημαντικό σε μετασχηματιστές που πρέπει να αντέχουν σε μια δοκιμή παλμών.

Όπως σημειώθηκε παραπάνω, μια σημαντική απαίτηση στην κατασκευή πυρήνων πλαστικοποίησης είναι η ελαχιστοποίηση του θορύβου του μετασχηματιστή. Ο θόρυβος είναι συνάρτηση παραγόντων κατασκευής και σχεδιασμού πυρήνα, με το χαρακτηριστικό του υλικού πυρήνα να είναι ένα από τα πιο σημαντικά. Η εξάρτηση της μαγνητοσυστολής από την περιεκτικότητα σε πυρίτιο έχει ήδη επισημανθεί. Επιπλέον, η μαγνητοσυστολή μειώνεται βελτιώνοντας την υφή και εισάγοντας τάσεις εφελκυσμού με την εφαρμογή μονωτικών επικαλύψεων που μοιάζουν με γυαλί. Εφόσον οι θλιπτικές τάσεις επηρεάζουν αρνητικά τη μαγνητοσυστολή, είναι σημαντικό η πλαστικοποίηση να παραμένει επίπεδη για τοποθέτηση. Η επαγωγή λειτουργίας είναι επίσης ένας παράγοντας που επηρεάζει το θόρυβο και, στην πραγματικότητα, επηρεάζει τα συνολικά χαρακτηριστικά λειτουργίας του μετασχηματιστή. Οι επαγωγές λειτουργίας των πολυστρωματικών μετασχηματιστών είναι συνήθως στην περιοχή από 10.000 έως 17.000 G; οι ισχύς κυμαίνονται από 500 έως 1.000.000 kVA.

Οι πυρήνες του τραύματος τυλίγονται σπειροειδώς με την [100] κρυσταλλογραφική κατεύθυνση γύρω από την ταινία. Τα στάδια επεξεργασίας είναι κάπως διαφορετικά από εκείνα που χρησιμοποιούνται για τους μετασχηματιστές Lego, αν και το αρχικό υλικό είναι το ίδιο: ένα μεγάλο σπειροειδώς ανοπτημένο πηνίο επικαλυμμένο με πυριτικό μαγνήσιο, το οποίο συνήθως παρέχει επαρκή μόνωση.

Για την εφαρμογή του πυρήνα του τραύματος, η σκόνη MgO που δεν έχει αντιδράσει αφαιρείται από την επιφάνεια της λωρίδας και ένα δείγμα από κάθε άκρο του πηνίου κόβεται σε λωρίδες Epstein για δοκιμή όπως πριν. Μόλις ταξινομηθεί, το πηνίο αποστέλλεται στον κατασκευαστή του μετασχηματιστή, είτε ως πολλαπλάσια κοπής είτε ως πηνίο πλήρους πλάτους για περαιτέρω κοπή. Το πολλαπλό κόψιμο, τυλιγμένο στη δεδομένη διάσταση του πυρήνα, θα πρέπει να ανόπτεται για ανακούφιση από την πίεση στις 790 μοίρες σε ξηρή μη οξειδωτική ατμόσφαιρα. Τα τηγάνια και οι πλάκες ανόπτησης πρέπει να είναι χάλυβας χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα για την απομάκρυνση τυχόν μόλυνσης από άνθρακα, η οποία μπορεί να είναι πολύ επιζήμια για την ποιότητα.

Μετά την ανακούφιση από την ανόπτηση, οι πυρήνες κόβονται και ο πυρήνας του μετασχηματιστή συναρμολογείται συνδέοντας τον χάλυβα γύρω από πηνία μεταφοράς ρεύματος από χαλκό (ή αλουμίνιο). Στην κατάσταση ανόπτησης ανακούφισης της τάσης, ο χάλυβας με προσανατολισμό κόκκων είναι ευαίσθητος στη μηχανική καταπόνηση. Επομένως, οι πυρήνες πρέπει να συναρμολογούνται με προσοχή. Ανεξάρτητα από τη φροντίδα με την οποία πραγματοποιείται η συναρμολόγηση, η τελική ποιότητα του πυρήνα είναι πάντα κατώτερη από αυτή της ανακούφισης του στρες, ανόπτησης, άκοπης.

Η διαφορά στην ποιότητα, που συνήθως αναφέρεται ως "παράγοντας σκοτώματος", οφείλεται στη σχετική ευαισθησία καταπόνησης του χάλυβα με προσανατολισμό κόκκους, στη διαδικασία χειρισμού στην κατασκευή και στην ομοιομορφία και την ποσότητα του εναέριου χώρου στον πυρήνα. Ως συνάρτηση του σχεδιασμού και της κατασκευής του μετασχηματιστή, οι δύο τελευταίοι παράγοντες είναι αυτοί που ελέγχονται καλύτερα από τον κατασκευαστή. Τα περισσότερα τραύματα πυρήνα χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές μετασχηματιστών διανομής από 25 έως 500 kVA.

Κατασκευή και χρήση μη προσανατολισμένων χάλυβων πυριτίου

Οι μη προσανατολισμένοι χάλυβες πυριτίου δεν χρησιμοποιούν δευτερεύουσα διαδικασία ανακρυστάλλωσης για να αναπτύξουν τις ιδιότητές τους και η ανόπτηση σε υψηλή θερμοκρασία δεν είναι απαραίτητη. Επομένως, ένα χαμηλότερο όριο πυριτίου, όπως αυτό που απαιτείται για τις προσανατολισμένες ποιότητες, δεν είναι απαραίτητο.

Οι μη προσανατολισμένες ποιότητες περιέχουν μεταξύ {{0}},5 και 3,25 τοις εκατό Si συν έως και 0,5 τοις εκατό Al, που προστίθεται για να αυξηθεί η ειδική αντίσταση και να μειωθεί η αρχική θερμοκρασία ανακρυστάλλωσης. Η ανάπτυξη των κόκκων είναι ιδιαίτερα επιθυμητή σε μη προσανατολισμένες ποιότητες, αλλά είναι γενικά πολύ μικρότερη από ό,τι σε προσανατολισμένες ποιότητες.

Η επεξεργασία της ταινίας θερμής έλασης είναι παρόμοια με αυτή που περιγράφεται για την ποιότητα. Μετά την προετοιμασία της επιφάνειας, οι λωρίδες τυπικά έλασης ψυχρής έλασης απευθείας στο τελικό εύρος και πωλούνται στον κατασκευαστή του μετασχηματιστή σε μία από τις δύο συνθήκες: πλήρως επεξεργασμένες ή ημιεπεξεργασμένες. Μετά την τελική ψυχρή έλαση, η λωρίδα ανόπτεται, αποανθρακώνεται σε 0,005 τοις εκατό C ή λιγότερο και αναπτύσσεται η δομή των κόκκων που είναι απαραίτητη για τις μαγνητικές ιδιότητες. Στη συνέχεια λαμβάνονται δείγματα από κάθε άκρο του πηνίου και ελέγχονται.

Οι πλήρως επεξεργασμένοι μη προσανατολισμένοι χάλυβες πυριτίου χρησιμοποιούνται γενικά σε εφαρμογές όπου:

Οι ποσότητες είναι πολύ μικρές για να δικαιολογήσουν ανακούφιση από το άγχος από τον καταναλωτή, ή

Τα φύλλα είναι τόσο μεγάλα που θα ήταν δύσκολο να διατηρηθεί η καλή φυσική κατάσταση μετά από ανόπτηση ανακούφισης από το στρες 843 μοιρών.

Οι μη προσανατολισμένοι χάλυβες δεν είναι τόσο ευαίσθητοι στην παραμόρφωση όσο το προσανατολισμένο προϊόν. Κατά συνέπεια, οι διατμητικές παραμορφώσεις είναι τα μόνα φαινόμενα παραμόρφωσης, τα οποία θα πρέπει να υποβαθμίσουν τη μαγνητική ποιότητα. Καθώς τα ελάσματα είναι συνήθως μεγάλα, αυτές οι διατμητικές παραμορφώσεις μπορούν να γίνουν ανεκτές. Οι περισσότερες πλήρως επεξεργασμένες ποιότητες χρησιμοποιούνται ως σφραγισμένες ελασματοποιήσεις σε εφαρμογές όπως ρότορες και στάτορες.

Οι μη προσανατολισμένοι χάλυβες έχουν τυχαίο προσανατολισμό. Συνήθως χρησιμοποιούνται σε μεγάλους περιστρεφόμενους εξοπλισμούς όπως κινητήρες AC, γεννήτριες ισχύος και εναλλάκτες. Οι πλήρως επεξεργασμένοι χάλυβες υφίστανται «πλήρη» ανόπτηση (για την ανάπτυξη της βέλτιστης μαγνητικής ποιότητας), καθιστώντας τους πιο μαλακούς και πιο δύσκολο να τρυπηθούν από τα ημιεπεξεργασμένα προϊόντα. Οι ποιότητες με υψηλότερη περιεκτικότητα σε κράμα είναι πιο σκληρές και επομένως πιο εύκολο να τρυπηθούν.

Η ικανότητα διάτρησης σε πλήρως επεξεργασμένους χάλυβες μπορεί να βελτιωθεί με την προσθήκη μιας οργανικής επίστρωσης, η οποία λειτουργεί ως λιπαντικό κατά τη σφράγιση και παρέχει κάποια πρόσθετη μόνωση στην κλίμακα βάσης. Εάν απαιτείται καλή αντοχή διαστρωμάτωσης, μπορείτε να αγοράσετε πλήρως επεξεργασμένο υλικό με καπλαμά βάσης.

Τα ημιεπεξεργασμένα προϊόντα συνήθως υποβάλλονται σε ανόπτηση αποξανθράκωσης σε χαμηλή θερμοκρασία μετά την τελική ψυχρή έλαση. Ο άνθρακας δεν αφαιρείται απαραίτητα στο ίδιο επίπεδο όπως στο πλήρως επεξεργασμένο υλικό. Ο κατασκευαστής του μετασχηματιστή στη συνέχεια θα ανόπτει το υλικό σε μια υγρή ατμόσφαιρα απανθράκωσης για περαιτέρω απανθράκωση και ανάπτυξη των μαγνητικών ιδιοτήτων. Μετά την εργοστασιακή ανόπτηση απανθρακοποίησης, λαμβάνονται δείγματα, κόβονται σε κουπόνια, αποανθρακώνονται στους 843 βαθμούς για τουλάχιστον μία ώρα και δοκιμάζονται για την ταξινόμηση του πηνίου.

Ημιεπεξεργασμένοι μη προσανατολισμένοι χάλυβες πυριτίου χρησιμοποιούνται για εφαρμογές ανόπτησης απανθράκωσης από πελάτες. Γενικά, αυτά τα προϊόντα έχουν καλά χαρακτηριστικά διάτρησης και χρησιμοποιούνται σε διάφορες εφαρμογές όπως μικρούς ρότορες, στάτορες και μετασχηματιστές μικρής ισχύος. Οι ημιεπεξεργασμένοι χάλυβες μπορούν να αγοραστούν με ζυγαριά υψηλής πρόσφυσης ή με μονωτική επίστρωση πάνω από τη σκουριά. Η οργανική επίστρωση δρα ως λιπαντικό κατά τη διάτρηση, αλλά δεν αντέχει σε θερμοκρασίες ανόπτησης ανακούφισης από την πίεση. Συνεπώς, δεν ισχύει για ημιεπεξεργασμένο υλικό.

Πίνακας 1. Οι πιο σημαντικές ονομασίες πυριτιούχου χάλυβα που καθορίζονται από διαφορετικά πρότυπα