Dodatek krzemu(Si) do żelaza(Fe) w odpowiednich proporcjach za pomocą określonego procesu produkcyjnego znacznie poprawia właściwości magnetyczne i elektryczne żelaza. Pod koniec XIX wieku odkryto, że dodanie krzemu do żelaza znacznie poprawiło rezystywność żelaza i w ten sposób opracowano stal krzemową lub to, co obecnie znamy jako stal elektrotechniczną. Nie tylko zmniejszono straty prądów wirowych w stali, ale zaobserwowano znaczną poprawę przepuszczalności magnetycznej i zmniejszenie magnetostrykcji. Poniższa tabela pokazuje, jak pewne elektryczne i magnetyczne właściwości żelaza zmieniają się po dodaniu krzemu.
NP Goss, pierwszy wynalazca procesu produkcji stali krzemowej walcowanej na zimno o zorientowanym ziarnie lub CRGO w 1933 r., podał ten pomysł własnymi słowami: „Mam dowody doświadczalne, które pozwalają mi sądzić, że istnieje wyraźny związek między wielkością ziarna a ciągliwością próbki i jej właściwości magnetycznych. Testy te pokazują, że małe, jednolite ziarna i wysoka ciągliwość towarzyszą wysokiej przepuszczalności." Pomysł ten wywołał rewolucję w przemyśle stalowym, która doprowadziła do produkcji stali wysokiej jakości. W zależności od orientacji ziaren, istnieją dwa rodzaje stali krzemowych:
Stal krzemowa o zorientowanym ziarnie (GO).
Stal krzemowa niezorientowana na ziarno (GNO).
W kolejnych sekcjach porozmawiamy o stali GO. W szczególności porozmawiamy o walcowanej na zimno stali krzemowej o zorientowanym ziarnie (CRGO) i jej zastosowaniach.
stal walcowana na zimno
Ma to na celu zmniejszenie grubości stali w zakresie 0,1 mm do 2 mm, czego nie można osiągnąć przez walcowanie na gorąco. Podczas tego procesu, w ściśle kontrolowanych warunkach, uzyskuje się optymalne właściwości magnetyczne w kierunku walcowania. Kierunek ten jest również znany jako tekstura Gossa (110)[001], który jest kierunkiem łatwego namagnesowania w kierunku walcowania. Można to pokazać na poniższym rysunku. Stal o zorientowanym ziarnie nie jest stosowana w obrotowych maszynach elektrycznych, w których pole magnetyczne znajduje się w płaszczyźnie płyt, ale kąt między polem magnetycznym a kierunkiem walcowania stale się zmienia. Stosuje się do tego stal krzemową o ziarnie niezorientowanym.
Właściwości stali CRGO
Jest to miękki materiał magnetyczny i ma następujące właściwości
Wysoka przepuszczalność magnetyczna.
Zmniejszona magnetostrykcja.
Wysoka rezystywność.
Wysoki współczynnik układania lub laminowania pozwalający na zwartą konstrukcję rdzenia.
Niskie straty.
Gatunki stali CRGO
Najwcześniejsze gatunki stali znane były jako M7 (0,7 W/funt przy 1,5T/6{7}}Hz) i M6 (0,6 W/funt przy 1,5T/60Hz).
Podobnie pod koniec lat 60. opracowano gatunki M5, M4 i M3.
Nowy materiał o nazwie Hi-B ma niezwykły stopień orientacji i jest o 2-3 stopnie lepszy niż konwencjonalne produkty ze stali CRGO.
Zastosowanie stali krzemowej CRGO jako rdzenia transformatora
Stal gatunku CRGO jest stosowana głównie jako materiał rdzeniowy do transformatorów mocy i transformatorów rozdzielczych. Można to wyjaśnić w następujący sposób
Wysoka przenikalność magnetyczna prowadzi do niskich prądów wzbudzenia i niższych indukcji.
Niska histereza i straty prądów wirowych.
Doskonały współczynnik toczenia pozwala na tworzenie lepszych i bardziej kompaktowych konstrukcji, a zatem wymaga mniej materiału.
Wysoka charakterystyka nasycenia kolan.
Bardzo niski poziom magnetostrykcji pozwala na redukcję hałasu.
Zwiększa łatwość nawijania i poprawia wydajność.
Przyszły zakres stali krzemowej CRGO
Chociaż istniały alternatywy dla gatunków stali CRGO, takie jak nikiel-żelazo, mu-metal, taśma amorficznego boru, superszkło itp., stal CRGO jest nadal najlepszym wyborem w przemyśle transformatorowym. Wykazano, że stopy, takie jak metal amorficzny Fe78-B13-Si9, mają znacznie mniejsze straty w rdzeniu, gdy są stosowane jako rdzeń transformatora rozdzielczego, w porównaniu ze stalą gatunku CRGO. Optymalny dodatek krzemu do stali może zmienić teksturę, aby osiągnąć pożądane właściwości magnetyczne, gdy jest wytwarzany w kontrolowanych warunkach.
