Siliciumstaal en hun toepassingen

Het eerste zachtmagnetische materiaal was ijzer, dat veel onzuiverheden bevatte. De onderzoekers ontdekten dat de toevoeging van silicium de weerstand verhoogde, het hystereseverlies verminderde, de permeabiliteit verhoogde en veroudering vrijwel elimineerde.

Aanzienlijke hoeveelheden georiënteerd staal worden gebruikt, voornamelijk in stroom- en distributietransformatoren. Het heeft echter niet het niet-georiënteerde siliciumstaal verdrongen, dat veel wordt gebruikt waar een goedkoop materiaal met weinig verlies nodig is, met name in roterende apparatuur. We moeten ook de staalsoorten voor relais noemen, die veel worden gebruikt in relais, armaturen en elektromagneten. Relaisstaalsoorten bevatten tussen 1,25 en 2,5 procent Si en worden gebruikt in gelijkstroomtoepassingen vanwege hun betere permeabiliteit, lagere dwangkracht en gebrek aan veroudering.

Belangrijke fysische eigenschappen van siliciumstaal zijn soortelijke weerstand, verzadigingsinductie, magnetokristallijne anisotropie, magnetostrictie en Curietemperatuur. De soortelijke weerstand, die vrij laag is in ijzer, neemt aanzienlijk toe met de toevoeging van silicium. Een hogere soortelijke weerstand vermindert het kernverlies door de wervelstroomcomponent te verminderen. Het verhogen van het siliciumgehalte vermindert de magnetostrictie, maar de verwerking wordt moeilijker. De hoge Curie-temperatuur van ijzer wordt verlaagd door de legeringselementen, maar de verlaging is van weinig belang voor de gebruiker van siliciumstaal.

Het magnetisatieproces wordt beïnvloed door onzuiverheden, korreloriëntatie, korrelgrootte, rek, banddikte en oppervlaktegladheid. Een van de belangrijkste manieren om zacht magnetische materialen te verbeteren, is het verwijderen van onzuiverheden die de beweging van domeinwanden belemmeren; ze zijn minder schadelijk als ze in vaste oplossing aanwezig zijn. In vergelijking met andere commerciële staalsoorten is siliciumstaal uitzonderlijk zuiver. Aangezien koolstof, een interstitiële onzuiverheid, de lage inductiepermeabiliteit kan aantasten, moet het worden verwijderd voordat het staal wordt uitgegloeid om de uiteindelijke textuur te ontwikkelen.

Het mechanisme van korrelgroei met kubusrandoriëntatie tijdens het uiteindelijke gloeien is niet volledig begrepen. Het proces omvat een secundaire herkristallisatie die per definitie wordt gekenmerkt door de versnelde groei van een reeks korrels in een reeds herkristalliseerde matrix.

Voor secundaire herkristallisatie moet de normale korrelgroei op de een of andere manier worden geremd. Naarmate de temperatuur stijgt, breken sommige granen los van de remmende krachten en groeien ze uitgebreid ten koste van hun buren. Producenten weten dat in de praktijk de juiste koudwals- en herkristallisatiesequenties zorgvuldig moeten worden gevolgd om de gewenste secundaire herkristallisatiekernen en de juiste textuur te verkrijgen. Huidige siliciumstaalsoorten gebruiken MnS als korrelgroeiremmer, maar andere verbindingen zoals carbiden, oxiden of nitriden zijn ook effectief.

Vervaardiging en gebruik van georiënteerd staal

Georiënteerd siliciumstaal heeft een beperktere samenstelling dan niet-georiënteerde varianten. De textuur wordt ontwikkeld door een reeks zorgvuldige werk- en gloeibewerkingen, en het materiaal moet gedurende het hele proces in wezen eenfasig blijven, vooral tijdens het laatste gloeien, omdat de fasetransformatie de textuur vernietigt. Om de Y-lus van het Fe-Si-fasesysteem te vermijden, is het huidige commerciële staal ongeveer 3,25 procent Si. Hogere siliciumvariëteiten, die begunstigd kunnen worden door een verhoogde weerstand en verminderde magnetostrictie, worden uitgesloten door de moeilijkheden van koudwalsen.

Temperatuur, atmosfeersamenstelling en dauwpunt worden nauwkeurig gecontroleerd om de strip te decarboniseren zonder het oppervlak te oxideren. Tijdens deze behandeling vindt een primaire herkristallisatie plaats die kleine, uniforme en equidistante korrels vormt. De gevormde magnesiumsilicaatglasbekleding zorgt voor de elektrische isolatie tussen opeenvolgende platen wanneer ze worden samengevoegd tot een transformatorkern. In deze fase wordt het staal geclassificeerd door Epstein-monsters uit de spoel te snijden; Monsters worden uitgegloeid en afgeplat bij 790°, en kernverlies wordt gecontroleerd.

Toepassingen voor georiënteerd siliciumstaal zijn onder meer transformatoren (stroom, distributie, ballast, instrument, audio en specialiteit) en generatoren voor stoomturbines en waterraderen.

Over het algemeen gebruiken freeskernen het volledige assortiment korrelgeoriënteerde kwaliteiten en kalibers. De meter en materiaalkwaliteit voor een bepaalde toepassing worden bepaald op basis van economie, transformatorvermogen, geluidsniveau-eisen, verliesvereisten, bedrijfsdichtheid en zelfs kerngrootte. Omdat de strip vlak moet zijn om een ​​goede kern te produceren, worden de spoelen na gloeien bij hoge temperatuur afgeplat. De band wordt vervolgens voor isolatie gecoat met een anorganisch fosfaat. Monsters van elk uiteinde van de spoel worden gesorteerd na ontlaten in het laboratorium, zoals hierboven beschreven. Van zo'n strip snijdt de transformatorfabrikant de benodigde lengte af om de isolatie van de strip te verbeteren. Dientengevolge vermindert het wervelstroomverliezen en warmteontwikkeling, wat vooral belangrijk is in transformatoren die een impulstest moeten doorstaan.

Zoals hierboven opgemerkt, is een belangrijke vereiste bij de vervaardiging van lamineerkernen het minimaliseren van transformatorruis. Lawaai is een functie van kernproductie- en ontwerpfactoren, waarbij de kernmateriaalkarakteristiek een van de belangrijkste is. Op de afhankelijkheid van magnetostrictie van het siliciumgehalte is al gewezen. Bovendien wordt de magnetostrictie verminderd door de textuur te verbeteren en trekspanningen te introduceren door het aanbrengen van glasachtige isolerende coatings. Aangezien drukspanningen de magnetostrictie negatief beïnvloeden, is het belangrijk dat de laminering vlak blijft voor montage. Lopende inductie is ook een factor die ruis beïnvloedt en in feite de algehele bedrijfskenmerken van de transformator beïnvloedt. De bedrijfsinducties van gelamineerde transformatoren liggen typisch in het bereik van 10.000 tot 17.000 G; de vermogens variëren van 500 tot 1.000.000 kVA.

De gewikkelde kernen zijn toroïdaal gewonden met de [100] kristallografische richting rond de band. De bewerkingsstappen zijn iets anders dan die voor Lego-transformatoren, hoewel het uitgangsmateriaal hetzelfde is: een grote ringkerngegloeide spoel gecoat met magnesiumsilicaat, die meestal voldoende isolatie biedt.

Voor het aanbrengen van de wondkern wordt niet-gereageerd MgO-poeder van het oppervlak van de strip verwijderd en wordt een monster van elk uiteinde van de spoel in Epstein-strips gesneden om zoals eerder te testen. Eenmaal gesorteerd, wordt de spoel naar de fabrikant van de transformator verzonden, hetzij als gesneden veelvouden of als een spoel over de volledige breedte voor verder snijden. Het gesneden veelvoud, gewikkeld tot de gegeven kernafmeting, moet spanningsvrij worden uitgegloeid op 790 graden in een droge niet-oxiderende atmosfeer. Gloeipannen en platen moeten van koolstofarm staal zijn om eventuele koolstofverontreiniging te verwijderen, wat zeer nadelig kan zijn voor de kwaliteit.

Na spanningsontlastingsgloeien worden de kernen gesneden en wordt de transformatorkern geassembleerd door het staal rond koperen (of aluminium) stroomvoerende spoelen te binden. In de spanningsontlastende gegloeide toestand is korrelgeoriënteerd staal gevoelig voor mechanische spanning; daarom moeten de kernen met zorg worden gemonteerd. Ongeacht de zorg waarmee de montage wordt uitgevoerd, is de uiteindelijke kwaliteit van de kern altijd inferieur aan die van de spanningsontlasting gegloeid, ongesneden.

Het verschil in kwaliteit, gewoonlijk de "kill-factor" genoemd, is te wijten aan de relatieve spanningsgevoeligheid van op korrel georiënteerd staal, de verwerkingsprocedure bij de productie en de uniformiteit en hoeveelheid luchtruimte in de kern. Omdat het een functie is van het ontwerp en de fabricage van de transformator, worden de laatste twee factoren het best gecontroleerd door de fabrikant. De meeste kernwonden worden gebruikt in distributietransformatortoepassingen van 25 tot 500 kVA.

Vervaardiging en gebruik van niet-georiënteerd siliciumstaal

Niet-georiënteerde siliciumstaalsoorten gebruiken geen secundair herkristallisatieproces om hun eigenschappen te ontwikkelen, en gloeien bij hoge temperatuur is niet essentieel. Daarom is een lagere siliciumlimiet, zoals vereist voor georiënteerde soorten, niet essentieel.

Niet-georiënteerde soorten bevatten tussen {{0}},5 en 3,25 procent Si plus tot 0,5 procent Al, toegevoegd om de weerstand te verhogen en de primaire herkristallisatietemperatuur te verlagen. Korrelgroei is zeer wenselijk in niet-georiënteerde soorten, maar is over het algemeen veel minder dan in georiënteerde soorten.

De verwerking van warmgewalst bandstaal is vergelijkbaar met die beschreven voor kwaliteitsgericht. Na oppervlaktebehandeling worden de strips doorgaans direct koudgewalst tot de uiteindelijke dikte en verkocht aan de fabrikant van de transformator in een van de volgende twee omstandigheden: volledig verwerkt of semi-verwerkt. Na het laatste koudwalsen wordt de strip gegloeid, ontkolend tot 00,005 procent C of minder en ontwikkelt de korrelstructuur die nodig is voor magnetische eigenschappen. Vervolgens worden aan elk uiteinde van de spoel monsters genomen en getest.

Volledig bewerkte niet-georiënteerde siliciumstaalsoorten worden over het algemeen gebruikt in toepassingen waar:

De hoeveelheden zijn te klein om stressverlichting door de consument te rechtvaardigen, of

De platen zijn zo groot dat het moeilijk zou zijn om een ​​goede fysieke vorm te behouden na een 843 graden spanningsontlastingsgloeien.

Niet-georiënteerde staalsoorten zijn niet zo gevoelig voor vervorming als het georiënteerde product. Dientengevolge zijn schuifspanningen de enige vervormingseffecten die de magnetische kwaliteit zouden moeten verminderen. Omdat de lamellen meestal groot zijn, kunnen deze afschuifvervormingen worden getolereerd. De meeste volledig bewerkte soorten worden gebruikt als gestempelde lamineringen in toepassingen zoals rotoren en stators.

Niet-georiënteerde staalsoorten hebben een willekeurige oriëntatie. Ze worden meestal gebruikt in grote roterende apparatuur zoals AC-motoren, stroomgeneratoren en dynamo's. Volledig bewerkte staalsoorten ondergaan "volledige" gloeiing (om een ​​optimale magnetische kwaliteit te ontwikkelen), waardoor ze zachter en moeilijker te boren zijn dan halfbewerkte producten. Soorten met een hoger legeringsgehalte zijn harder en daardoor gemakkelijker te ponsen.

Het ponsvermogen in volledig bewerkt staal kan worden verbeterd door een organische coating toe te voegen, die tijdens het stempelen als smeermiddel werkt en voor extra isolatie van de basisschaal zorgt. Als een goede interlaminatiesterkte vereist is, kan volledig verwerkt materiaal worden gekocht met basisfineer.

Halfverwerkte producten ondergaan meestal een ontkolingsgloeiing bij lage temperatuur na het laatste koudwalsen. Koolstof wordt niet noodzakelijkerwijs op hetzelfde niveau verwijderd als in volledig verwerkt materiaal. De transformatorfabrikant zal het materiaal vervolgens uitgloeien in een natte ontkolingsatmosfeer om de magnetische eigenschappen verder te ontkolen en te ontwikkelen. Na ontkolingsgloeien in de fabriek worden monsters genomen, in coupons gesneden, gedurende ten minste een uur bij 843 graden ontkoold en getest om de spoel te classificeren.

Halfverwerkte niet-georiënteerde siliciumstaalsoorten worden gebruikt voor ontkolingsgloeitoepassingen van klanten. Over het algemeen hebben deze producten goede ponseigenschappen en worden ze gebruikt in verschillende toepassingen, zoals kleine rotoren, stators en kleine stroomtransformatoren. Halfbewerkte staalsoorten kunnen worden gekocht met een sterk hechtende schaal of met een isolerende coating over de roest. De organische coating werkt als een smeermiddel tijdens het ponsen, maar is niet bestand tegen ontlastende gloeitemperaturen; daarom is het niet van toepassing op halfbewerkt materiaal.

Tabel 1. De belangrijkste namen van siliciumstaal gespecificeerd door verschillende normen