Acero eléctrico - Electrical steel

Estructura policristalina de acero eléctrico después de que se haya eliminado el revestimiento.

Acero eléctrico ( de acero laminado , de acero eléctrico de silicio , acero al silicio , acero relé , acero transformador ) es un hierro de la aleación adaptado para producir específicos magnéticos propiedades: pequeña histéresis área que resulta en una baja pérdida de potencia por ciclo, baja pérdida en el núcleo , y de alta permeabilidad .

El acero eléctrico se suele fabricar en tiras laminadas en frío de menos de 2 mm de espesor. Estas tiras se cortan a la forma necesaria para hacer láminas que se apilan juntas para formar los núcleos laminados de los transformadores y el estator y el rotor de los motores eléctricos . Las laminaciones se pueden cortar a su forma final con un punzón y matriz o, en cantidades más pequeñas, se pueden cortar con un láser o con electroerosión por hilo .

Metalurgia

El acero eléctrico es una aleación de hierro que puede tener de cero a 6.5% de silicio (Si: 5Fe). Las aleaciones comerciales suelen tener un contenido de silicio de hasta un 3,2% (concentraciones más altas producen fragilidad durante el laminado en frío). Se puede añadir manganeso y aluminio hasta un 0,5%.

El silicio aumenta la resistividad eléctrica del hierro en un factor de aproximadamente 5; este cambio disminuye las corrientes parásitas inducidas y estrecha el bucle de histéresis del material, reduciendo así la pérdida del núcleo en aproximadamente tres veces en comparación con el acero convencional. Sin embargo, la estructura del grano endurece y fragiliza el metal; este cambio afecta negativamente la trabajabilidad del material, especialmente al enrollarlo. Cuando se realiza una aleación, la contaminación debe mantenerse baja, ya que los carburos , sulfuros , óxidos y nitruros , incluso en partículas tan pequeñas como un micrómetro de diámetro, aumentan las pérdidas por histéresis al tiempo que disminuyen la permeabilidad magnética . La presencia de carbono tiene un efecto más perjudicial que el azufre o el oxígeno. El carbono también causa envejecimiento magnético cuando abandona lentamente la solución sólida y se precipita como carburos, lo que resulta en un aumento de la pérdida de potencia con el tiempo. Por estas razones, el nivel de carbono se mantiene al 0,005% o menos. El nivel de carbono se puede reducir recociendo la aleación en una atmósfera descarburante , como hidrógeno .

Acero relé de hierro-silicio

Tipo de acero Composición nominal Descripción alternativa
1 1,1% Si-Fe Hierro con núcleo de silicio "A"
1F Mecanizado sin 1,1% de Si-Fe Hierro con núcleo de silicio "A-FM"
2 2,3% Si-Fe Hierro con núcleo de silicio "B"
2F 2,3% de mecanizado libre de Si-Fe Hierro con núcleo de silicio "B-FM"
3 4.0% Si-Fe Hierro con núcleo de silicio "C"

Ejemplos de propiedades físicas

  • Punto de fusión : ~ 1500 ° C (ejemplo para ~ 3,1% de contenido de silicio)
  • Densidad : 7650 kg / m 3 (ejemplo para un contenido de silicio del 3%)
  • Resistividad (3% de contenido de silicio): 4,72 × 10 −7 Ω · m (a modo de comparación, resistividad de hierro puro: 9,61 × 10 −8 Ω · m)

Orientación del grano

Acero al silicio eléctrico no orientado (imagen realizada con sensor magneto-óptico y microscopio polarizador)

El acero eléctrico fabricado sin un procesamiento especial para controlar la orientación de los cristales, el acero no orientado , generalmente tiene un nivel de silicio de 2 a 3,5% y tiene propiedades magnéticas similares en todas las direcciones, es decir, es isotrópico . El acero laminado en frío sin grano orientado a menudo se abrevia como CRNGO.

El acero eléctrico de grano orientado generalmente tiene un nivel de silicio del 3% (Si: 11Fe). Se procesa de tal manera que las propiedades óptimas se desarrollan en la dirección de laminación, debido a un estricto control (propuesto por Norman P. Goss ) de la orientación del cristal con respecto a la hoja. La densidad de flujo magnético aumenta en un 30% en la dirección de enrollado de la bobina, aunque su saturación magnética se reduce en un 5%. Se utiliza para los núcleos de transformadores de potencia y distribución , el acero de grano orientado laminado en frío a menudo se abrevia como CRGO.

El CRGO es normalmente suministrado por los molinos de producción en forma de bobina y tiene que cortarse en "laminaciones", que luego se utilizan para formar un núcleo de transformador, que es una parte integral de cualquier transformador. El acero de grano se utiliza en grandes transformadores de distribución y potencia y en determinados transformadores de salida de audio.

CRNGO es menos costoso que CRGO. Se utiliza cuando el costo es más importante que la eficiencia y para aplicaciones donde la dirección del flujo magnético no es constante, como en motores eléctricos y generadores con partes móviles. Se puede utilizar cuando no hay suficiente espacio para orientar los componentes y aprovechar las propiedades direccionales del acero eléctrico de grano orientado.

Acero amorfo

Este material es un vidrio metálico que se prepara vertiendo una aleación fundida en una rueda giratoria enfriada, que enfría el metal a una velocidad de aproximadamente un megakelvin por segundo, tan rápido que no se forman cristales. El acero amorfo se limita a láminas de aproximadamente 50 µm de espesor. Las propiedades mecánicas del acero amorfo dificultan la estampación de laminaciones para motores eléctricos. Dado que la cinta amorfa se puede moldear a cualquier ancho específico por debajo de aproximadamente 13 pulgadas y se puede cortar con relativa facilidad, es un material adecuado para núcleos de transformadores eléctricos enrollados. En 2019, el precio del acero amorfo fuera de los EE. UU. Es de aproximadamente $ .95 / libra en comparación con el acero de grano orientado HiB, que cuesta aproximadamente $ .86 / libra. Los transformadores con núcleos de acero amorfo pueden tener pérdidas de núcleo de un tercio de las de los aceros eléctricos convencionales.

Recubrimientos de laminación

El acero eléctrico generalmente se recubre para aumentar la resistencia eléctrica entre laminaciones, reducir las corrientes parásitas, para proporcionar resistencia a la corrosión u óxido y para actuar como lubricante durante el troquelado . Existen varios recubrimientos, orgánicos e inorgánicos , y el recubrimiento utilizado depende de la aplicación del acero. El tipo de recubrimiento seleccionado depende del tratamiento térmico de las laminaciones, si la laminación terminada se sumergirá en aceite y la temperatura de trabajo del aparato terminado. Una práctica muy temprana consistía en aislar cada laminación con una capa de papel o una capa de barniz, pero esto reducía el factor de apilamiento del núcleo y limitaba la temperatura máxima del núcleo.

ASTM A976-03 clasifica diferentes tipos de revestimiento para acero eléctrico.

Clasificación Descripción Para rotores / estatores Tratamiento antiadherente
C0 Óxido natural formado durante el procesamiento del molino No No
C2 Vidrio como película No No
C3 Recubrimiento de esmalte o barniz orgánico No No
C3A Como C3 pero más delgado No
C4 Recubrimiento generado por procesamiento químico y térmico No No
C4A Como C4 pero más delgado y soldable No
C4AS Variante antiadherente del C4
C5 Alta resistencia similar al C4 más relleno inorgánico. No
C5A Como C5, pero más soldable No
C5AS Variante antiadherente del C5
C6 Revestimiento orgánico con relleno inorgánico para propiedades aislantes

Propiedades magnéticas

La permeabilidad relativa típica (μ r ) del acero eléctrico es 4000 veces mayor que la del vacío.

Las propiedades magnéticas del acero eléctrico dependen del tratamiento térmico , ya que al aumentar el tamaño medio del cristal se reduce la pérdida por histéresis. La pérdida de histéresis se determina mediante un comprobador estándar de Epstein y, para los grados comunes de acero eléctrico, puede oscilar entre 2 y 10 vatios por kilogramo (1 a 5 vatios por libra) a 60 Hz y una intensidad de campo magnético de 1,5 tesla .

El acero eléctrico se puede entregar en un estado semielaborado para que, después de perforar la forma final, se pueda aplicar un tratamiento térmico final para formar el tamaño de grano de 150 micrómetros normalmente requerido. El acero eléctrico completamente procesado generalmente se entrega con un recubrimiento aislante , tratamiento térmico completo y propiedades magnéticas definidas, para aplicaciones donde el punzonado no degrada significativamente las propiedades del acero eléctrico. La flexión excesiva, el tratamiento térmico incorrecto o incluso el manejo brusco pueden afectar negativamente las propiedades magnéticas del acero eléctrico y también pueden aumentar el ruido debido a la magnetoestricción .

Las propiedades magnéticas del acero eléctrico se prueban utilizando el método de marco de Epstein estándar internacionalmente .

El tamaño de los dominios magnéticos en la chapa de acero eléctrico se puede reducir trazando la superficie de la chapa con un láser o mecánicamente. Esto reduce en gran medida las pérdidas por histéresis en el núcleo ensamblado.

Aplicaciones

NGOES se utiliza principalmente en equipos rotativos, por ejemplo, motores eléctricos, generadores y convertidores de sobrefrecuencia y alta frecuencia. GOES, por otro lado, se utiliza en equipos estáticos como transformadores.

Ver también

Referencias

enlaces externos