Thép silicon và các ứng dụng của chúng

Vật liệu từ mềm đầu tiên là sắt, chứa nhiều tạp chất. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng việc bổ sung silicon làm tăng điện trở suất, giảm mất độ trễ, tăng tính thấm và hầu như loại bỏ lão hóa.

Một lượng đáng kể thép định hướng được sử dụng, chủ yếu trong các máy biến áp phân phối và điện. Tuy nhiên, nó vẫn chưa thay thế được thép silic không định hướng, được sử dụng rộng rãi khi cần một vật liệu rẻ tiền, ít hao hụt, đặc biệt là trong các thiết bị quay. Chúng ta cũng phải đề cập đến các loại thép cho rơ le, được sử dụng rộng rãi trong các rơ le, giáp và solenoid. Thép rơle chứa từ 1,25 đến 2,5 phần trăm Si và được sử dụng trong các ứng dụng dòng điện một chiều do tính thấm tốt hơn, lực cưỡng chế thấp hơn và không bị lão hóa.

Các tính chất vật lý quan trọng của thép silicon là điện trở suất, cảm ứng bão hòa, dị hướng từ tinh thể, từ trở và nhiệt độ Curie. Điện trở suất, khá thấp trong sắt, tăng lên rõ rệt khi bổ sung silicon. Điện trở suất cao hơn làm giảm tổn thất lõi bằng cách giảm thành phần dòng điện xoáy. Tăng hàm lượng silicon làm giảm từ tính, nhưng việc xử lý trở nên khó khăn hơn. Nhiệt độ Curie cao của sắt sẽ bị hạ thấp bởi các nguyên tố hợp kim, nhưng việc hạ thấp ít quan trọng đối với người sử dụng thép silicon.

Quá trình từ hóa bị ảnh hưởng bởi tạp chất, hướng hạt, kích thước hạt, biến dạng, độ dày dải và độ nhẵn bề mặt. Một trong những cách quan trọng nhất để cải thiện vật liệu từ mềm là loại bỏ các tạp chất gây cản trở chuyển động của thành miền; chúng ít có hại hơn nếu chúng có mặt trong dung dịch rắn. So với các loại thép thương mại khác, thép silic đặc biệt tinh khiết. Vì cacbon, một tạp chất xen kẽ, có thể làm giảm độ thấm cảm ứng thấp, nên nó phải được loại bỏ trước khi thép được ủ để phát triển kết cấu cuối cùng.

Cơ chế phát triển của hạt với hướng cạnh hình khối trong quá trình ủ cuối cùng chưa được hiểu đầy đủ. Quá trình này bao gồm một quá trình kết tinh lại thứ cấp, theo định nghĩa, được đặc trưng bởi sự phát triển nhanh chóng của một tập hợp các loại ngũ cốc trong một chất nền đã được kết tinh lại.

Đối với quá trình kết tinh lại thứ cấp, sự phát triển bình thường của hạt phải bị ức chế theo một cách nào đó. Khi nhiệt độ tăng lên, một số loại ngũ cốc không bị vỡ ra khỏi các lực ức chế và phát triển trên diện rộng gây thiệt hại cho các hàng xóm của chúng. Các nhà sản xuất biết rằng, trong thực tế, các trình tự cán nguội và kết tinh lại thích hợp phải được tuân thủ cẩn thận để thu được các hạt nhân kết tinh lại thứ cấp mong muốn và kết cấu chính xác. Thép silic hiện nay sử dụng MnS như một chất ức chế sự phát triển của hạt, nhưng các hợp chất khác như cacbua, ôxít hoặc nitrua cũng có hiệu quả.

Sản xuất và sử dụng thép định hướng

Thép silic định hướng có thành phần hạn chế hơn so với các loại thép không định hướng. Kết cấu được phát triển thông qua một loạt các hoạt động làm việc và ủ cẩn thận, và vật liệu về cơ bản vẫn là một pha trong suốt quá trình, đặc biệt là trong quá trình ủ cuối cùng, vì sự chuyển đổi pha phá hủy kết cấu. Để tránh vòng lặp Y của hệ pha Fe-Si, thép thương mại ngày nay có khoảng 3,25 phần trăm Si. Các giống silicon cao hơn, có thể được ưa chuộng do tăng điện trở suất và giảm từ trường, được loại trừ bởi những khó khăn của quá trình cán nguội.

Nhiệt độ, thành phần khí quyển và điểm sương được kiểm soát chặt chẽ để khử cacbon trong dải mà không làm ôxy hóa bề mặt. Trong quá trình xử lý này, quá trình kết tinh lại chính diễn ra tạo thành các hạt nhỏ, đồng đều và cách đều nhau. Lớp phủ thủy tinh magiê silicat được tạo thành sẽ cung cấp cách điện giữa các tấm kế tiếp nhau khi chúng được lắp ráp thành lõi máy biến áp. Trong giai đoạn này, thép được phân loại bằng cách cắt các mẫu Epstein từ cuộn dây; Các mẫu được ủ và làm phẳng ở 790 °, và kiểm tra độ hao hụt lõi.

Các ứng dụng cho thép silicon định hướng bao gồm máy biến áp (điện, phân phối, chấn lưu, thiết bị, âm thanh và đặc biệt) và máy phát điện cho tuabin hơi nước và guồng nước.

Nói chung, lõi máy nghiền sử dụng đầy đủ các cấp và đồng hồ đo hướng hạt. Thước đo và cấp vật liệu cho một ứng dụng nhất định được xác định dựa trên tính kinh tế, công suất máy biến áp, yêu cầu về độ ồn, yêu cầu về tổn hao, mật độ hoạt động và thậm chí cả kích thước lõi. Vì dải phải phẳng để tạo ra lõi tốt, các cuộn dây được làm phẳng sau khi ủ nhiệt độ cao. Băng sau đó được phủ một lớp phốt phát vô cơ để cách ly. Các mẫu từ mỗi đầu của cuộn dây được phân cấp sau khi ủ giảm ứng suất trong phòng thí nghiệm như mô tả ở trên. Từ một dải như vậy, nhà sản xuất máy biến áp cắt giảm chiều dài cần thiết của nó để cải thiện cách điện của dải. Do đó, nó làm giảm tổn thất dòng điện xoáy và sự tích tụ nhiệt, điều này đặc biệt quan trọng trong các máy biến áp phải chịu thử nghiệm xung.

Như đã nói ở trên, một yêu cầu quan trọng trong sản xuất lõi cán là giảm thiểu tiếng ồn của máy biến áp. Tiếng ồn là một chức năng của các yếu tố sản xuất và thiết kế cốt lõi, với đặc tính vật liệu cốt lõi là một trong những yếu tố quan trọng nhất. Sự phụ thuộc của lực hạn chế từ tính vào hàm lượng silic đã được chỉ ra. Ngoài ra, hạn chế từ tính được giảm thiểu bằng cách cải thiện kết cấu và tạo ra ứng suất kéo bằng cách áp dụng các lớp phủ cách điện giống như thủy tinh. Vì ứng suất nén ảnh hưởng tiêu cực đến sự hạn chế từ, điều quan trọng là cán phải phẳng để lắp. Cảm ứng chạy cũng là một yếu tố ảnh hưởng đến tiếng ồn và trên thực tế, ảnh hưởng đến các đặc tính vận hành chung của máy biến áp. Các cảm ứng hoạt động của máy biến áp nhiều lớp thường nằm trong khoảng từ 10. 000 đến 17. 000 g; công suất nằm trong khoảng từ 500 đến 1. 000. 000 kVA.

Các lõi quấn được quấn hình xuyến với hướng tinh thể học [100] xung quanh dải. Các bước xử lý hơi khác so với các bước được sử dụng cho máy biến áp Lego, mặc dù nguyên liệu ban đầu là giống nhau: một cuộn dây lớn được ủ hình xuyến được phủ bằng magie silicat, thường cung cấp đủ cách điện.

Đối với ứng dụng lõi quấn, bột MgO chưa phản ứng được loại bỏ khỏi bề mặt của dải và một mẫu từ mỗi đầu của cuộn được cắt thành các dải Epstein để thử nghiệm như trước đây. Sau khi được phân loại, cuộn dây được chuyển đến nhà sản xuất máy biến áp, dưới dạng bội số đã cắt hoặc dưới dạng cuộn dây có chiều rộng đầy đủ để cắt tiếp. Bội số cắt, được quấn theo kích thước lõi nhất định, phải được ủ giảm ứng suất ở 790 độ trong môi trường không oxy hóa khô. Các khay và đĩa ủ phải làm bằng thép cacbon thấp để loại bỏ bất kỳ ô nhiễm cacbon nào, có thể rất bất lợi cho chất lượng.

Sau khi ủ giảm ứng suất, các lõi được cắt và lõi máy biến áp được lắp ráp bằng cách buộc thép xung quanh các cuộn dây mang dòng bằng đồng (hoặc nhôm). Ở trạng thái ủ giảm ứng suất, thép hướng hạt nhạy cảm với ứng suất cơ học; do đó, các lõi phải được lắp ráp cẩn thận. Bất kể quá trình lắp ráp được tiến hành cẩn thận như thế nào, chất lượng cuối cùng của lõi luôn kém hơn chất lượng của lõi giảm căng thẳng được ủ, không cắt.

Sự khác biệt về chất lượng, thường được gọi là "yếu tố tiêu diệt", là do độ nhạy biến dạng tương đối của thép hướng hạt, quy trình xử lý trong sản xuất, tính đồng nhất và lượng không khí trong lõi. Là một chức năng của thiết kế và sản xuất máy biến áp, hai yếu tố cuối cùng là yếu tố được nhà sản xuất kiểm soát tốt nhất. Hầu hết các vết thương lõi được sử dụng trong các ứng dụng máy biến áp phân phối từ 25 đến 500 kVA.

Sản xuất và sử dụng thép silicon không định hướng

Thép silicon không định hướng không sử dụng quá trình kết tinh lại thứ cấp để phát triển các đặc tính của chúng, và việc ủ nhiệt độ cao là không cần thiết. Do đó, giới hạn silic thấp hơn, chẳng hạn như yêu cầu đối với các cấp định hướng, là không cần thiết.

Các lớp không định hướng chứa từ {{0}}. 5 đến 3,25 phần trăm Si cộng với tối đa 0,5 phần trăm Al, được thêm vào để tăng điện trở suất và giảm nhiệt độ kết tinh lại sơ cấp. Tăng trưởng hạt là rất mong muốn ở các lớp không định hướng, nhưng nói chung là ít hơn nhiều so với các lớp định hướng.

Quá trình xử lý dải cán nóng tương tự như được mô tả để định hướng chất lượng. Sau khi xử lý bề mặt, các dải thường được cán nguội trực tiếp đến thước đo cuối cùng và được bán cho nhà sản xuất máy biến áp ở một trong hai điều kiện: đã qua xử lý hoàn toàn hoặc sơ chế. Sau quá trình cán nguội cuối cùng, dải được ủ, khử cacbon đến 0. 005 phần trăm C hoặc thấp hơn và phát triển cấu trúc hạt cần thiết cho các đặc tính từ tính. Sau đó, các mẫu được lấy từ mỗi đầu của cuộn dây và thử nghiệm.

Thép silicon không định hướng đã qua xử lý hoàn toàn thường được sử dụng trong các ứng dụng:

Số lượng quá nhỏ để đảm bảo người tiêu dùng giảm bớt căng thẳng, hoặc

Các tấm này quá lớn nên rất khó để duy trì hình dạng thể chất tốt sau quá trình ủ giảm căng thẳng 843 độ.

Thép không định hướng không nhạy cảm với biến dạng như sản phẩm định hướng. Do đó, biến dạng cắt là tác động biến dạng duy nhất, làm giảm chất lượng từ tính. Vì các lớp mỏng thường lớn, những biến dạng cắt này có thể chịu được. Hầu hết các lớp được xử lý hoàn chỉnh được sử dụng làm lớp phủ có đóng dấu trong các ứng dụng như rôto và stato.

Thép không định hướng có định hướng ngẫu nhiên. Chúng thường được sử dụng trong các thiết bị quay lớn như động cơ xoay chiều, máy phát điện và máy phát điện xoay chiều. Thép đã qua xử lý hoàn toàn trải qua quá trình ủ "hoàn toàn" (để phát triển chất lượng từ tính tối ưu), làm cho chúng mềm hơn và khó khoan hơn so với các sản phẩm đã qua sơ chế. Các lớp có hàm lượng hợp kim cao hơn khó hơn và do đó dễ đục lỗ hơn.

Khả năng đột dập của thép đã qua xử lý hoàn toàn có thể được cải thiện bằng cách thêm một lớp phủ hữu cơ, hoạt động như một chất bôi trơn trong quá trình dập và cung cấp một số cách điện bổ sung cho quy mô cơ bản. Nếu yêu cầu độ bền xen kẽ tốt, có thể mua vật liệu đã qua xử lý hoàn toàn với veneer cơ bản.

Các sản phẩm sơ chế thường trải qua quá trình ủ khử cacbon ở nhiệt độ thấp sau khi cán nguội cuối cùng. Carbon không nhất thiết phải được loại bỏ đến mức giống như trong vật liệu đã qua xử lý hoàn toàn. Sau đó, nhà sản xuất máy biến áp sẽ ủ vật liệu trong môi trường khử cacbon ướt để khử cacbon hơn nữa và phát triển các đặc tính từ tính. Sau khi ủ khử cacbon tại nhà máy, các mẫu được lấy, cắt thành các phiếu, khử cacbon ở 843 độ trong ít nhất một giờ và được kiểm tra để phân loại cuộn dây.

Thép silicon không định hướng đã qua xử lý được sử dụng cho các ứng dụng ủ khử cacbon của khách hàng. Nhìn chung, các sản phẩm này có đặc tính đột lỗ tốt và được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau như rôto nhỏ, stato và máy biến áp công suất nhỏ. Có thể mua các loại thép đã sơ chế có độ bám dính cao hoặc có lớp phủ cách nhiệt phủ lên vết rỉ sét. Lớp phủ hữu cơ hoạt động như một chất bôi trơn trong quá trình đục lỗ, nhưng không chịu được nhiệt độ ủ giảm căng thẳng; do đó, nó không áp dụng cho nguyên liệu đã sơ chế.

Bảng 1. Các tên quan trọng nhất của thép silic theo các tiêu chuẩn khác nhau