فولادهای سیلیکونی و کاربردهای آنها

اولین ماده مغناطیسی نرم آهن بود که حاوی ناخالصی های زیادی بود. محققان دریافتند که افزودن سیلیکون باعث افزایش مقاومت، کاهش از دست دادن پسماند، افزایش نفوذپذیری و عملاً از بین بردن پیری می شود.

مقادیر قابل توجهی از فولاد جهت دار عمدتاً در ترانسفورماتورهای قدرت و توزیع استفاده می شود. با این حال، فولاد سیلیکونی غیر جهت‌دار را جایگزین نکرده است، که به طور گسترده در مواردی که به مواد کم‌هزینه و کم تلفات نیاز است، به‌ویژه در تجهیزات دوار استفاده می‌شود. همچنین باید به فولادهای رله که به طور گسترده در رله ها، آرمیچرها و سلونوئیدها استفاده می شود اشاره کرد. فولادهای رله حاوی 1.25 تا 2.5 درصد Si هستند و به دلیل نفوذپذیری بهتر، نیروی اجباری کمتر و عدم پیری در کاربردهای جریان مستقیم استفاده می شوند.

خواص فیزیکی مهم فولادهای سیلیکونی عبارتند از: مقاومت، القای اشباع، ناهمسانگردی مغناطیسی کریستالی، مغناطیسی انقباض و دمای کوری. مقاومت، که از نظر آهن بسیار کم است، با افزودن سیلیکون به طور قابل توجهی افزایش می یابد. مقاومت بیشتر با کاهش مولفه جریان گردابی، تلفات هسته را کاهش می دهد. افزایش محتوای سیلیکون انقباض مغناطیسی را کاهش می دهد، اما پردازش دشوارتر می شود. دمای کوری بالای آهن توسط عناصر آلیاژی کاهش می یابد، اما کاهش آن برای استفاده کننده از فولادهای سیلیکونی اهمیت کمی دارد.

فرآیند مغناطیسی تحت تأثیر ناخالصی ها، جهت گیری دانه، اندازه دانه، کرنش، ضخامت نوار و صافی سطح است. یکی از مهم ترین راه ها برای بهبود مواد مغناطیسی نرم، حذف ناخالصی هایی است که در حرکت دیواره های دامنه اختلال ایجاد می کنند. اگر در محلول جامد موجود باشند ضرر کمتری دارند. در مقایسه با سایر فولادهای تجاری، فولاد سیلیکونی بسیار خالص است. از آنجایی که کربن، یک ناخالصی بینابینی، می تواند نفوذپذیری القایی کم را مختل کند، باید قبل از آنیل شدن فولاد برای ایجاد بافت نهایی حذف شود.

مکانیسم رشد دانه با جهت گیری لبه مکعبی در طول بازپخت نهایی به طور کامل درک نشده است. این فرآیند شامل یک تبلور مجدد ثانویه است که طبق تعریف، با رشد تسریع شده مجموعه ای از دانه ها در یک ماتریس از قبل تبلور مجدد مشخص می شود.

برای تبلور مجدد ثانویه، رشد طبیعی دانه باید به نحوی مهار شود. با افزایش دما، برخی از دانه ها از نیروهای بازدارنده رها می شوند و به هزینه همسایگان خود به طور گسترده رشد می کنند. تولیدکنندگان می‌دانند که در عمل، توالی‌های نورد سرد و تبلور مجدد باید به دقت دنبال شود تا هسته‌های تبلور مجدد ثانویه مورد نظر و بافت صحیح به دست آید. فولادهای سیلیکونی فعلی از MnS به عنوان بازدارنده رشد دانه استفاده می کنند، اما ترکیبات دیگری مانند کاربیدها، اکسیدها یا نیتریدها نیز موثر هستند.

ساخت و استفاده از فولاد گرا

فولاد سیلیکونی جهت دار نسبت به انواع غیر جهت دار ترکیب محدودتری دارد. بافت از طریق یک سری عملیات دقیق کار و بازپخت ایجاد می شود و ماده باید اساساً در طول فرآیند، به ویژه در طول بازپخت نهایی، تک فاز باقی بماند، زیرا تبدیل فاز بافت را از بین می برد. برای جلوگیری از حلقه Y سیستم فاز Fe-Si، فولاد تجاری امروزی حدود 3.25 درصد Si است. انواع سیلیکون بالاتر، که ممکن است با افزایش مقاومت و کاهش مغناطیسی مورد علاقه قرار گیرند، با مشکلات نورد سرد جلوگیری می‌شوند.

دما، ترکیب اتمسفر و نقطه شبنم از نزدیک کنترل می شوند تا بدون اکسید شدن سطح، تار را کربن زدایی کنند. در طی این عملیات، تبلور مجدد اولیه صورت می گیرد که دانه های کوچک، یکنواخت و مساوی را تشکیل می دهد. روکش شیشه ای سیلیکات منیزیم که تشکیل می شود عایق الکتریکی بین ورق های متوالی را هنگامی که آنها در یک هسته ترانسفورماتور مونتاژ می شوند فراهم می کند. در این مرحله، فولاد با برش نمونه های اپشتاین از سیم پیچ طبقه بندی می شود. نمونه ها در دمای 790 درجه آنیل و مسطح می شوند و از دست رفتن هسته بررسی می شود.

کاربردهای فولاد سیلیکونی گرا شامل ترانسفورماتورها (قدرت، توزیع، بالاست، ابزار، صدا و تخصصی) و ژنراتورها برای توربین های بخار و چرخ های آب است.

به طور کلی، هسته های آسیاب از طیف کاملی از گریدها و گیج های دانه گرا استفاده می کنند. گیج و درجه مواد برای یک کاربرد معین بر اساس اقتصاد، توان ترانسفورماتور، الزامات سطح نویز، الزامات تلفات، چگالی عملیاتی و حتی اندازه هسته تعیین می شود. از آنجایی که برای تولید یک هسته خوب، نوار باید صاف باشد، سیم پیچ ها پس از بازپخت در دمای بالا صاف می شوند. سپس نوار با یک فسفات معدنی برای جداسازی پوشانده می شود. نمونه ها از هر انتهای سیم پیچ پس از بازپخت تنش زدایی آزمایشگاهی همانطور که در بالا توضیح داده شد درجه بندی می شوند. از چنین نواری، سازنده ترانسفورماتور طول مورد نیاز خود را برای بهبود عایق بندی نوار کاهش می دهد. در نتیجه، تلفات جریان گردابی و ایجاد گرما را کاهش می دهد، که به ویژه در ترانسفورماتورهایی که باید در برابر آزمایش ضربه مقاومت کنند، مهم است.

همانطور که در بالا ذکر شد، یک نیاز مهم در ساخت هسته های لمینیت، به حداقل رساندن صدای ترانسفورماتور است. نویز تابعی از عوامل تولید و طراحی هسته است که ویژگی مواد اصلی یکی از مهمترین آنها است. وابستگی انقباض مغناطیسی به محتوای سیلیکون قبلاً اشاره شده است. علاوه بر این، مغناطیس انقباض با بهبود بافت و ایجاد تنش های کششی با اعمال پوشش های عایق شیشه مانند کاهش می یابد. از آنجایی که تنش های فشاری بر انقباض مغناطیسی تأثیر منفی می گذارد، مهم است که لایه لایه برای نصب صاف بماند. القایی در حال اجرا نیز عاملی است که بر نویز تأثیر می گذارد و در واقع بر ویژگی های عملکرد کلی ترانسفورماتور تأثیر می گذارد. القایی عملکرد ترانسفورماتورهای چند لایه معمولاً در محدوده 10 است.000 تا 17.000 G; توانها از 500 تا 1 است.000.000 کیلوولت آمپر.

هسته های زخم به صورت حلقوی با جهت کریستالوگرافی [100] در اطراف نوار پیچیده می شوند. مراحل پردازش تا حدودی با مراحل استفاده شده برای ترانسفورماتورهای لگو متفاوت است، اگرچه مواد اولیه یکسان است: یک سیم پیچ بزرگ که به صورت حلقوی آنیل شده با سیلیکات منیزیم پوشانده شده است، که معمولاً عایق کافی را فراهم می کند.

برای کاربرد هسته زخم، پودر MgO واکنش نداده از سطح نوار برداشته می‌شود و نمونه‌ای از هر انتهای سیم پیچ به نوارهای اپشتین برای آزمایش مانند قبل بریده می‌شود. پس از مرتب‌سازی، سیم‌پیچ به سازنده ترانسفورماتور ارسال می‌شود، یا به صورت چندتایی برش خورده یا به صورت سیم پیچ تمام عرض برای برش بیشتر. برش چندگانه، زخمی شده به بعد هسته داده شده، باید در دمای 790 درجه در یک فضای خشک غیر اکسید کننده بازپخت شود. تابه ها و صفحات آنیلینگ باید از فولاد کم کربن برای حذف هرگونه آلودگی کربنی باشد که می تواند برای کیفیت بسیار مضر باشد.

پس از بازپخت تنش زدایی، هسته ها بریده می شوند و هسته ترانسفورماتور با بستن فولاد به دور سیم پیچ های حامل جریان مس (یا آلومینیوم) مونتاژ می شود. در حالت بازپخت کاهش تنش، فولاد گرا به تنش مکانیکی حساس است. بنابراین، هسته ها باید با دقت مونتاژ شوند. صرف نظر از دقتی که مونتاژ با آن انجام می شود، کیفیت نهایی هسته همیشه پایین تر از تنش زدایی آنیل شده، بدون برش است.

تفاوت در کیفیت، که معمولاً به عنوان "عامل کشتن" نامیده می شود، به دلیل حساسیت نسبی به کرنش فولاد دانه محور، روش جابجایی در تولید، و یکنواختی و مقدار فضای هوا در هسته است. دو فاکتور آخر که تابعی از طراحی و ساخت ترانسفورماتور هستند، به بهترین نحو توسط سازنده کنترل می شوند. بیشتر زخم های هسته در کاربردهای ترانسفورماتور توزیع از 25 تا 500 کیلو ولت آمپر استفاده می شود.

ساخت و استفاده از فولادهای سیلیکونی غیر جهت دار

فولادهای سیلیکونی غیر جهت دار از فرآیند تبلور مجدد ثانویه برای توسعه خواص خود استفاده نمی کنند و بازپخت در دمای بالا ضروری نیست. بنابراین، یک حد سیلیکون پایین تر، مانند آنچه برای درجه های گرا لازم است، ضروری نیست.

گریدهای غیر جهت دار حاوی بین {0}}.5 تا 3.25 درصد Si به علاوه تا 0.5 درصد Al هستند که برای افزایش مقاومت و کاهش دمای تبلور مجدد اولیه اضافه شده است. رشد دانه در گریدهای غیر جهت دار بسیار مطلوب است، اما به طور کلی بسیار کمتر از گریدهای جهت دار است.

پردازش نوار نورد گرم شبیه به آنچه برای کیفیت گرا توضیح داده شده است. پس از تهویه سطح، نوارها معمولاً به صورت سرد مستقیماً تا گیج نهایی نورد می شوند و در یکی از دو شرایط به سازنده ترانسفورماتور فروخته می شوند: کاملاً فرآوری شده یا نیمه فرآوری شده. پس از نورد سرد نهایی، نوار آنیل می‌شود، آن را تا 005/0 0 درصد سانتی‌گراد یا کمتر از کربن خارج می‌کند و ساختار دانه‌ای لازم برای خواص مغناطیسی را ایجاد می‌کند. سپس از هر انتهای سیم پیچ نمونه برداری شده و مورد آزمایش قرار می گیرد.

فولادهای سیلیکونی غیر جهت دار کاملاً فرآوری شده معمولاً در موارد زیر استفاده می شوند:

مقادیر بسیار کم هستند و نمی توانند استرس را توسط مصرف کننده تضمین کنند

ورقه ها به قدری بزرگ هستند که حفظ شکل فیزیکی خوب پس از بازپخت 843 درجه ای برای کاهش استرس دشوار است.

فولادهای غیر جهت دار به اندازه محصول گرا به تغییر شکل حساس نیستند. در نتیجه، کرنش های برشی تنها اثرات تغییر شکل هستند که باید کیفیت مغناطیسی را کاهش دهند. از آنجایی که لمینیت ها معمولاً بزرگ هستند، این تغییر شکل های برشی را می توان تحمل کرد. بیشتر گریدهای کاملاً فرآوری شده به عنوان لمینیت های مهر شده در کاربردهایی مانند روتور و استاتور استفاده می شوند.

فولادهای غیر جهت دار دارای جهت گیری تصادفی هستند. آنها معمولاً در تجهیزات بزرگ دوار مانند موتورهای AC، ژنراتورهای برق و دینام استفاده می شوند. فولادهای کاملاً فرآوری شده تحت بازپخت «کامل» (برای ایجاد کیفیت مغناطیسی بهینه) قرار می‌گیرند که باعث می‌شود حفاری آن‌ها نرم‌تر و سخت‌تر از محصولات نیمه‌فرآوری شده باشد. نمرات با محتوای آلیاژ بالاتر سخت تر هستند و بنابراین پانچ کردن آنها آسان تر است.

توانایی پانچ در فولادهای کاملاً فرآوری شده را می توان با افزودن یک پوشش آلی بهبود بخشید که به عنوان روان کننده در هنگام مهر زنی عمل می کند و مقداری عایق اضافی را به مقیاس پایه ارائه می دهد. اگر به استحکام لایه‌بندی خوبی نیاز باشد، می‌توان مواد کاملاً فرآوری شده را با روکش پایه خریداری کرد.

محصولات نیمه فرآوری شده معمولاً پس از نورد سرد نهایی، تحت بازپخت کربوریزاسیون در دمای پایین قرار می گیرند. کربن لزوماً به همان سطح مواد کاملاً فرآوری شده حذف نمی شود. سپس سازنده ترانسفورماتور مواد را در یک اتمسفر خشک‌زدایی مرطوب بازپخت می‌کند تا بیشتر کربن‌زدایی کند و خواص مغناطیسی را توسعه دهد. پس از بازپخت کربن زدایی کارخانه، نمونه ها گرفته می شود، به کوپن برش داده می شود، در دمای 843 درجه برای حداقل یک ساعت کربن زدایی می شود و برای طبقه بندی سیم پیچ آزمایش می شود.

فولادهای سیلیکونی غیر گرا نیمه فرآوری شده برای کاربردهای آنیلینگ کربن زدایی مشتری استفاده می شود. به طور کلی، این محصولات دارای ویژگی های پانچ خوبی هستند و در کاربردهای مختلفی مانند روتورهای کوچک، استاتورها و ترانسفورماتورهای قدرت کوچک استفاده می شوند. فولادهای نیمه فرآوری شده را می توان با مقیاس بسیار چسبنده یا با پوشش عایق روی زنگ خریداری کرد. پوشش ارگانیک به عنوان یک روان کننده در هنگام پانچ عمل می کند، اما در برابر دمای بازپخت مقاومتی مقاومت نمی کند. بنابراین، برای مواد نیمه فرآوری شده اعمال نمی شود.

جدول 1. مهم ترین نام های فولاد سیلیکونی مشخص شده توسط استانداردهای مختلف