Silicijeva jekla in njihova uporaba

Prvi mehki magnetni material je bilo železo, ki je vsebovalo veliko primesi. Raziskovalci so ugotovili, da je dodatek silicija povečal upornost, zmanjšal izgubo zaradi histereze, povečal prepustnost in skoraj odpravil staranje.

Znatne količine orientiranega jekla se uporabljajo predvsem v energetskih in distribucijskih transformatorjih. Vendar pa ni izpodrinil neorientiranega silicijevega jekla, ki se pogosto uporablja, kjer je potreben poceni material z majhnimi izgubami, zlasti v rotacijski opremi. Omeniti moramo tudi jekla za releje, ki se pogosto uporabljajo v relejih, armaturah in solenoidih. Jekla za releje vsebujejo med 1,25 in 2,5 odstotka Si in se uporabljajo v aplikacijah z enosmernim tokom zaradi boljše prepustnosti, nižje prisilne sile in pomanjkanja staranja.

Pomembne fizikalne lastnosti silicijevih jekel so upornost, indukcija nasičenja, magnetokristalna anizotropija, magnetostrikcijska in Curiejeva temperatura. Upornost, ki je v železu precej nizka, se izrazito poveča z dodatkom silicija. Večja upornost zmanjša izgubo jedra z zmanjšanjem komponente vrtinčnega toka. Povečanje vsebnosti silicija zmanjša magnetostrikcijo, vendar postane obdelava težja. Visoko Curiejevo temperaturo železa bodo znižali legirni elementi, vendar znižanje ni pomembno za uporabnika silicijevih jekel.

Na proces magnetizacije vplivajo nečistoče, orientacija zrn, velikost zrn, deformacija, debelina traku in gladkost površine. Eden najpomembnejših načinov za izboljšanje mehkih magnetnih materialov je odstranjevanje nečistoč, ki motijo ​​gibanje domenskih sten; so manj škodljivi, če so prisotni v trdni raztopini. V primerjavi z drugimi komercialnimi jekli je silicijevo jeklo izjemno čisto. Ker lahko ogljik, intersticijska nečistoča, poslabša nizko indukcijsko prepustnost, ga je treba odstraniti, preden se jeklo žari, da se razvije končna tekstura.

Mehanizem rasti zrn z orientacijo roba kocke med končnim žarjenjem ni popolnoma razumljen. Proces vključuje sekundarno rekristalizacijo, za katero je po definiciji značilna pospešena rast niza zrn v že rekristalizirani matrici.

Za sekundarno rekristalizacijo je treba normalno rast zrn na nek način zavreti. Ko se temperatura dvigne, se nekatera zrna osvobodijo zaviralnih sil in obsežno rastejo na račun svojih sosedov. Proizvajalci vedo, da je treba v praksi skrbno upoštevati pravilna zaporedja hladnega valjanja in rekristalizacije, da dobimo želena sekundarna rekristalizacijska jedra in pravilno teksturo. Trenutna silicijeva jekla uporabljajo MnS kot zaviralec rasti zrn, učinkovite pa so tudi druge spojine, kot so karbidi, oksidi ali nitridi.

Izdelava in uporaba orientiranega jekla

Orientirano silicijevo jeklo ima bolj omejeno sestavo kot neorientirane različice. Tekstura se razvije z nizom skrbnih obdelav in operacij žarjenja, material pa mora ostati v bistvu enofazen skozi celoten proces, zlasti med končnim žarjenjem, saj fazna transformacija uniči teksturo. Da bi se izognili Y-zanki faznega sistema Fe-Si, je današnje komercialno jeklo približno 3,25 odstotka Si. Višje različice silicija, ki jim lahko daje prednost povečana upornost in zmanjšana magnetostrikcija, so izključene zaradi težav pri hladnem valjanju.

Temperatura, sestava ozračja in rosišče so natančno nadzorovani za razogljičenje koprene brez oksidacije površine. Med to obdelavo pride do primarne rekristalizacije, ki tvori majhna, enakomerna in enako oddaljena zrna. Oblikovana obloga iz magnezijevega silikatnega stekla bo zagotovila električno izolacijo med zaporednimi ploščami, ko so sestavljene v jedro transformatorja. V tej fazi se jeklo razvrsti z rezanjem Epsteinovih vzorcev iz tuljave; Vzorci so žarjeni in sploščeni pri 790° in preverjena je izguba jedra.

Aplikacije za usmerjeno silicijevo jeklo vključujejo transformatorje (električne, distribucijske, balastne, instrumentalne, avdio in posebne) in generatorje za parne turbine in vodna kolesa.

Na splošno jedra mlinov uporabljajo celotno paleto zrn usmerjenih razredov in meril. Merilo in razred materiala za določeno aplikacijo sta določena na podlagi ekonomičnosti, moči transformatorja, zahtev glede ravni hrupa, zahtev glede izgube, delovne gostote in celo velikosti jedra. Ker mora biti trak raven za dobro jedro, se tuljave po žarjenju pri visoki temperaturi sploščijo. Trak je nato prevlečen z anorganskim fosfatom za izolacijo. Vzorci z vsakega konca tuljave so razvrščeni po laboratorijskem žarjenju za razbremenitev, kot je opisano zgoraj. Iz takega traku proizvajalec transformatorja odreže zahtevano dolžino, da izboljša izolacijo traku. Posledično zmanjša izgube zaradi vrtinčnih tokov in kopičenje toplote, kar je še posebej pomembno pri transformatorjih, ki morajo vzdržati impulzni preizkus.

Kot je navedeno zgoraj, je pomembna zahteva pri izdelavi laminiranih jeder zmanjšanje hrupa transformatorja. Hrup je funkcija proizvodnih dejavnikov jedra in konstrukcijskih dejavnikov, pri čemer je značilnost materiala jedra ena najpomembnejših. Na odvisnost magnetostrikcije od vsebnosti silicija smo že opozorili. Poleg tega se z izboljšanjem teksture in uvedbo nateznih napetosti z nanosom steklu podobnih izolacijskih premazov zmanjša magnetostrikcijo. Ker tlačne napetosti negativno vplivajo na magnetostrikcijo, je pomembno, da laminat ostane raven za namestitev. Delovna indukcija je tudi dejavnik, ki vpliva na hrup in dejansko vpliva na splošne karakteristike delovanja transformatorja. Delovne indukcije laminiranih transformatorjev so običajno v območju od 10.000 do 17.000 G; moči segajo od 500 do 1.000.000 kVA.

Navita jedra so toroidno navita v kristalografski smeri [100] okoli pasu. Koraki obdelave so nekoliko drugačni od tistih, ki se uporabljajo za Lego transformatorje, čeprav je začetni material enak: velika toroidno žarjena tuljava, prevlečena z magnezijevim silikatom, ki običajno zagotavlja zadostno izolacijo.

Za uporabo navitega jedra se s površine traku odstrani nezreagirani prah MgO, vzorec z vsakega konca tuljave pa se razreže na Epsteinove trakove za testiranje kot prej. Ko je tuljava razvrščena, se odpošlje proizvajalcu transformatorja, bodisi kot razrezani večkratniki ali kot tuljava polne širine za nadaljnje rezanje. Večkratni rez, navit na dano dimenzijo jedra, je treba za razbremenitev napetosti žariti pri 790 stopinjah v suhi neoksidacijski atmosferi. Ponve in plošče za žarjenje morajo biti iz jekla z nizko vsebnostjo ogljika, da se odstrani morebitna kontaminacija z ogljikom, ki je lahko zelo škodljiva za kakovost.

Po žarjenju za razbremenitev napetosti se jedra razrežejo in jedro transformatorja sestavi tako, da se jeklo privije okoli bakrenih (ali aluminijastih) tokovnih tuljav. V žarjenem stanju za razbremenitev napetosti je zrnato jeklo občutljivo na mehanske obremenitve; zato je treba jedra skrbno sestaviti. Ne glede na skrb, s katero je montaža izvedena, je končna kakovost jedra vedno slabša od kakovosti žarjenega, neobrezanega.

Razlika v kakovosti, ki se običajno imenuje "faktor ubijanja", je posledica relativne občutljivosti na deformacije zrnato usmerjenega jekla, postopka ravnanja v proizvodnji ter enakomernosti in količine zračnega prostora v jedru. Ker sta funkcija zasnove in proizvodnje transformatorja, sta zadnja dva dejavnika najbolj nadzorovana s strani proizvajalca. Večina jedrnih ran se uporablja v distribucijskih transformatorjih od 25 do 500 kVA.

Proizvodnja in uporaba neorientiranih silicijevih jekel

Neorientirana silicijeva jekla ne uporabljajo postopka sekundarne rekristalizacije za razvoj svojih lastnosti in visokotemperaturno žarjenje ni nujno. Zato nižja meja količine silicija, kot je zahtevana za usmerjene razrede, ni bistvena.

Neorientirani razredi vsebujejo med {{0}}.5 in 3,25 odstotka Si plus do 0,5 odstotka Al, ki je dodan za povečanje upornosti in nižjo temperaturo primarne rekristalizacije. Rast zrnja je zelo zaželena v neorientiranih razredih, vendar je na splošno precej manjša kot v orientiranih razredih.

Obdelava vroče valjanih trakov je podobna opisani za kakovostno usmerjene. Po kondicioniranju površine se trakovi običajno hladno valjajo neposredno do končne širine in se prodajajo proizvajalcu transformatorja v enem od dveh pogojev: popolnoma obdelani ali delno obdelani. Po končnem hladnem valjanju se trak žari, razogljiči na 0,005 odstotka C ali manj in razvije zrnato strukturo, potrebno za magnetne lastnosti. Nato se vzamejo vzorci z vsakega konca tuljave in preskusijo.

Popolnoma obdelana neorientirana silicijeva jekla se običajno uporabljajo v aplikacijah, kjer:

Količine so premajhne, ​​da bi potrošniku olajšale stres oz

Listi so tako veliki, da bi težko ohranili dobro fizično obliko po žarjenju za razbremenitev 843 stopinj.

Neorientirana jekla niso tako občutljiva na deformacije kot orientirani izdelki. Posledično so strižne deformacije edini deformacijski učinki, ki bi morali poslabšati magnetno kakovost. Ker so laminati običajno veliki, je te strižne deformacije mogoče tolerirati. Večina popolnoma obdelanih vrst se uporablja kot žigosane laminate v aplikacijah, kot so rotorji in statorji.

Neorientirana jekla imajo naključno orientacijo. Običajno se uporabljajo v veliki rotacijski opremi, kot so AC motorji, električni generatorji in alternatorji. Popolnoma obdelana jekla so podvržena "polnemu" žarjenju (za razvoj optimalne magnetne kakovosti), zaradi česar so mehkejša in jih je težje vrtati kot polpredelane izdelke. Vrste z višjo vsebnostjo zlitin so trše in jih je zato lažje luknjati.

Sposobnost prebijanja v popolnoma obdelanih jeklih je mogoče izboljšati z dodajanjem organske prevleke, ki deluje kot mazivo med vtiskovanjem in zagotavlja dodatno izolacijo osnovne luske. Če je potrebna dobra prepletena trdnost, je mogoče kupiti popolnoma obdelan material z osnovnim furnirjem.

Polpredelani izdelki so običajno podvrženi nizkotemperaturnemu razogljičenju po končnem hladnem valjanju. Ogljik ni nujno odstranjen do enake ravni kot pri popolnoma predelanem materialu. Proizvajalec transformatorja bo nato material žaril v mokri atmosferi za razogljičenje, da se dodatno razogljiči in razvije magnetne lastnosti. Po tovarniškem žarjenju za razogljičenje se vzamejo vzorci, razkosijo na kupone, razogljičijo pri 843 stopinjah vsaj eno uro in testirajo za razvrstitev tuljave.

Delno obdelana neorientirana silicijeva jekla se uporabljajo za aplikacije žarjenja za razogljičenje. Na splošno imajo ti izdelki dobre lastnosti prebijanja in se uporabljajo v različnih aplikacijah, kot so majhni rotorji, statorji in majhni energetski transformatorji. Delno obdelana jekla je mogoče kupiti z visoko oprijemljivo lestvico ali z izolacijsko prevleko nad rjo. Organska prevleka deluje kot mazivo med prebijanjem, vendar ne vzdrži temperatur žarjenja za razbremenitev; zato se ne uporablja za polpredelane materiale.

Tabela 1. Najpomembnejša imena silicijevega jekla, določena z različnimi standardi