Силициеви стомани и техните приложения

Първият мек магнитен материал е желязото, което съдържа много примеси. Изследователите установяват, че добавянето на силиций повишава съпротивлението, намалява загубата на хистерезис, увеличава пропускливостта и практически елиминира стареенето.

Използват се значителни количества ориентирана стомана, главно в силови и разпределителни трансформатори. Въпреки това, той не е изместил неориентираната силициева стомана, която се използва широко, когато е необходим евтин материал с ниски загуби, особено във въртящо се оборудване. Трябва да споменем и стоманите за релета, широко използвани в релета, арматури и соленоиди. Релейните стомани съдържат между 1,25 и 2,5 процента Si и се използват в приложения с постоянен ток поради тяхната по-добра пропускливост, по-ниска коерцитивна сила и липса на стареене.

Важни физични свойства на силициевите стомани са съпротивление, индукция на насищане, магнитокристална анизотропия, магнитострикция и температура на Кюри. Съпротивлението, което е доста ниско в желязото, се увеличава значително с добавянето на силиций. По-високото съпротивление намалява загубите в сърцевината чрез намаляване на компонента на вихровия ток. Увеличаването на съдържанието на силиций намалява магнитострикцията, но обработката става по-трудна. Високата температура на Кюри на желязото ще бъде понижена от легиращите елементи, но понижаването е от малко значение за потребителя на силициеви стомани.

Процесът на намагнитване се влияе от примеси, ориентация на зърното, размер на зърното, напрежение, дебелина на лентата и гладкост на повърхността. Един от най-важните начини за подобряване на меките магнитни материали е премахването на примесите, които пречат на движението на домейн стените; те са по-малко вредни, ако присъстват в твърд разтвор. В сравнение с други търговски стомани, силиконовата стомана е изключително чиста. Тъй като въглеродът, интерстициален примес, може да наруши ниската индукционна пропускливост, той трябва да бъде отстранен преди стоманата да бъде отгрята, за да се развие крайната текстура.

Механизмът на растеж на зърната с ориентация на ръба на куба по време на окончателното отгряване не е напълно разбран. Процесът включва вторична рекристализация, която по дефиниция се характеризира с ускорен растеж на набор от зърна във вече рекристализирана матрица.

За вторична рекристализация нормалният растеж на зърната трябва да бъде потиснат по някакъв начин. С повишаването на температурата някои зърна се освобождават от инхибиращите сили и растат екстензивно за сметка на своите съседи. Производителите знаят, че на практика правилните последователности на студено валцуване и рекристализация трябва да се следват внимателно, за да се получат желаните вторични ядра на рекристализация и правилната текстура. Сегашните силициеви стомани използват MnS като инхибитор на растежа на зърната, но други съединения като карбиди, оксиди или нитриди също са ефективни.

Производство и използване на ориентирана стомана

Ориентираната силиконова стомана има по-ограничен състав от неориентираните разновидности. Текстурата се развива чрез поредица от внимателни операции на обработка и отгряване и материалът трябва да остане по същество еднофазен през целия процес, особено по време на окончателното отгряване, тъй като фазовата трансформация разрушава текстурата. За да се избегне Y-образната верига на фазовата система Fe-Si, днешната търговска стомана е около 3,25 процента Si. По-високите разновидности на силиций, които могат да бъдат благоприятствани от повишено съпротивление и намалена магнитострикция, са изключени от трудностите на студеното валцуване.

Температурата, съставът на атмосферата и точката на оросяване са строго контролирани, за да се декарбонизира платното, без да се окислява повърхността. По време на тази обработка се извършва първична рекристализация, която образува малки, еднакви и равноотдалечени зърна. Стъклената облицовка от магнезиев силикат, която се образува, ще осигури електрическата изолация между последователните листове, когато те се сглобят в ядро ​​на трансформатор. В тази фаза стоманата се класифицира чрез изрязване на проби на Epstein от намотката; Пробите се отгряват и сплескват при 790° и се проверява загубата на сърцевина.

Приложенията за ориентирана силиконова стомана включват трансформатори (захранващи, разпределителни, баластни, инструментални, аудио и специални) и генератори за парни турбини и водни колела.

Като цяло сърцевините за мелници използват пълната гама от класове и калибри, ориентирани към зърното. Габаритът и степента на материала за дадено приложение се определят въз основа на икономиката, мощността на трансформатора, изискванията за нивото на шума, изискванията за загубите, работната плътност и дори размера на сърцевината. Тъй като лентата трябва да е плоска, за да се получи добра сърцевина, намотките се сплескват след отгряване при висока температура. След това лентата се покрива с неорганичен фосфат за изолиране. Пробите от всеки край на бобината се класифицират след лабораторно отгряване за облекчаване на напрежението, както е описано по-горе. От такава лента производителят на трансформатора изрязва необходимата дължина, за да подобри изолацията на лентата. Следователно, той намалява загубите от вихрови токове и натрупването на топлина, което е особено важно при трансформатори, които трябва да издържат на импулсен тест.

Както беше отбелязано по-горе, важно изискване при производството на ламинирани сърцевини е да се сведе до минимум шумът от трансформатора. Шумът е функция на производствените и проектните фактори на сърцевината, като характеристиката на материала на сърцевината е една от най-важните. Вече беше посочена зависимостта на магнитострикцията от съдържанието на силиций. В допълнение, магнитострикцията се намалява чрез подобряване на текстурата и въвеждане на напрежения на опън чрез прилагане на подобни на стъкло изолационни покрития. Тъй като напреженията на натиск влияят отрицателно на магнитострикцията, важно е ламинирането да остане плоско за монтиране. Работната индукция също е фактор, който влияе върху шума и всъщност влияе върху общите работни характеристики на трансформатора. Работните индукции на ламинирани трансформатори обикновено са в диапазона от 10.{1}} до 17.000 G; мощностите варират от 500 до 1.000.000 kVA.

Навитите ядра са тороидално навити с кристалографска посока [100] около лентата. Стъпките на обработка са малко по-различни от тези, използвани за трансформаторите Lego, въпреки че изходният материал е същият: голяма тороидално загрята намотка, покрита с магнезиев силикат, който обикновено осигурява достатъчна изолация.

За прилагане на навита сърцевина, нереагиралият MgO прах се отстранява от повърхността на лентата и проба от всеки край на намотката се нарязва на Epstein ленти за тестване, както преди. Веднъж сортирана, намотката се изпраща до производителя на трансформатора, или като нарязани кратни части, или като намотка с пълна ширина за по-нататъшно рязане. Множеството отрязани, навити до дадения размер на сърцевината, трябва да бъдат закалени за освобождаване на напрежението при 790 градуса в суха неокисляваща атмосфера. Тавите и плочите за отгряване трябва да са от стомана с ниско съдържание на въглерод, за да се премахне всяко въглеродно замърсяване, което може да бъде много вредно за качеството.

След отгряване за освобождаване на напрежението сърцевините се нарязват и ядрото на трансформатора се сглобява чрез завързване на стоманата около медни (или алуминиеви) тоководещи намотки. В отгрято състояние за облекчаване на напрежението зърнесто ориентираната стомана е чувствителна към механично напрежение; следователно ядрата трябва да се сглобяват внимателно. Независимо от грижата, с която се извършва сглобяването, крайното качество на сърцевината винаги е по-ниско от това на облекчаването на напрежението, загрято, ненарязано.

Разликата в качеството, обикновено наричана "фактор на унищожаване", се дължи на относителната чувствителност на деформация на зърнесто-ориентираната стомана, процедурата за манипулиране при производството и еднородността и количеството въздушно пространство в сърцевината. Тъй като са функция на дизайна и производството на трансформатора, последните два фактора са най-добре контролираните от производителя. Повечето сърцевини се използват в приложения за разпределителни трансформатори от 25 до 500 kVA.

Производство и използване на неориентирани силициеви стомани

Неориентираните силициеви стомани не използват вторичен процес на рекристализация, за да развият свойствата си и отгряването при висока температура не е от съществено значение. Следователно, по-ниска граница на силиций, като тази, изисквана за ориентирани степени, не е от съществено значение.

Неориентираните степени съдържат между {{0}}.5 и 3,25 процента Si плюс до 0,5 процента Al, добавен за увеличаване на съпротивлението и по-ниска температура на първична рекристализация. Растежът на зърното е много желателен при неориентираните степени, но обикновено е много по-малък, отколкото при ориентираните степени.

Обработката на горещо валцована лента е подобна на описаната за ориентирани към качеството. След кондициониране на повърхността, лентите обикновено се студено валцовани директно до крайния размер и се продават на производителя на трансформатора в едно от двете състояния: напълно обработени или полуобработени. След последното студено валцуване лентата се отгрява, обезвъглеродява се до 0.005 процента C или по-малко и се развива зърнеста структура, необходима за магнитни свойства. След това се вземат проби от всеки край на бобината и се тестват.

Напълно обработените неориентирани силициеви стомани обикновено се използват в приложения, където:

Количествата са твърде малки, за да гарантират облекчаване на стреса от потребителя, или

Листовете са толкова големи, че би било трудно да се поддържа добра физическа форма след отгряване при 843 градуса за освобождаване на напрежението.

Неориентираните стомани не са толкова чувствителни към деформация, колкото ориентираните продукти. Следователно деформациите на срязване са единствените ефекти на деформация, които трябва да влошат магнитното качество. Тъй като ламинациите обикновено са големи, тези деформации на срязване могат да бъдат толерирани. Повечето напълно обработени видове се използват като щамповани ламинирания в приложения като ротори и статори.

Неориентираните стомани имат произволна ориентация. Те обикновено се използват в големи въртящи се съоръжения като променливотокови двигатели, генератори и алтернатори. Напълно обработените стомани се подлагат на "пълно" отгряване (за да се развие оптимално магнитно качество), което ги прави по-меки и по-трудни за пробиване от полуобработените продукти. Класовете с по-високо съдържание на сплав са по-твърди и следователно по-лесни за щанцоване.

Способността за щанцоване в напълно обработени стомани може да се подобри чрез добавяне на органично покритие, което действа като смазка по време на щамповане и осигурява известна допълнителна изолация на основната скала. Ако се изисква добра якост на интерламиниране, може да се закупи напълно обработен материал с основен фурнир.

Полуобработените продукти обикновено се подлагат на нискотемпературно обезвъглеродяване отгряване след окончателното студено валцуване. Въглеродът не се отстранява непременно до същото ниво, както в напълно обработения материал. След това производителят на трансформатора ще закали материала във влажна обезвъглеродяваща атмосфера, за да обезвъглероди допълнително и да развие магнитните свойства. След фабрично отгряване за обезвъглеродяване се вземат проби, нарязват се на купони, обезвъглеродяват се при 843 градуса за най-малко един час и се тестват за класифициране на бобината.

Полуобработените неориентирани силициеви стомани се използват за приложения за обезвъглеродяване и отгряване на клиента. Като цяло тези продукти имат добри характеристики на щанцоване и се използват в различни приложения като малки ротори, статори и малки силови трансформатори. Полуобработените стомани могат да бъдат закупени със силно прилепваща скала или с изолиращо покритие върху ръждата. Органичното покритие действа като смазка по време на щанцоване, но не издържа на температури на отгряване за освобождаване на напрежението; следователно не се прилага за полуобработен материал.

Таблица 1. Най-важните наименования на силиконова стомана, определени от различни стандарти