مدونة

يحتوي فولاذ السيليكون، المعروف علمياً باسم سبيكة Fe-Si المغناطيسية اللينة ويُشار إليه أيضاً باسم الفولاذ الكهربائي، على نسبة من السيليكون تتراوح بين 0.5% و6.5%. وهو يشبه صفائح الحديد الرقيقة مثل أجنحة الزيز، ولكنه يتمتع بـ“ذاكرة” ممتازة، وقادر على أن يتم مغنطته بشكل متكرر في مجال مغناطيسي متناوب دون أن يسخن بسهولة. إن أوراقه الرابحة الثلاث – النفاذية المغناطيسية العالية، وفقدان الحديد المنخفض، وكثافة الحث المغناطيسي العالية عند التشبع – تجعله “الخيار الفريد” لنوى الحديد في المحركات والمحولات والمولدات. وبدونها، لا يمكن لشبكة الكهرباء أن تنقل بكفاءة كل كيلوواط/ساعة من الكهرباء؛ وبدونها، فإن مكيفات الهواء ذات التردد المتغير، ومركبات الطاقة الجديدة، وتوربينات الرياح ستعمل جميعها “بصعوبة شديدة”.

02 قرن من المسيرة – خارطة طريق تكنولوجيا الفولاذ السيليكوني

2.1 ◇ عصر الدرفلة على الساخن: القفزة الأولى من الفولاذ منخفض الكربون إلى الفولاذ السيليكوني في عام 1886، استخدمت شركة “ويستنجهاوس” في الولايات المتحدة ألواحًا من الفولاذ منخفض الكربون بنسبة كربون تبلغ 0.4% كقلب للمحولات، مما أدى إلى خسائر كبيرة في التيارات الدوامة وشيخوخة مغناطيسية حادة. في عام 1902، اكتشف غومليش من ألمانيا أنه بإضافة كمية صغيرة من السيليكون، ارتفعت المقاومة الكهربائية بشكل كبير، وانخفضت الخسائر بشكل حاد، وتقلصت الشيخوخة المغناطيسية. وهكذا دخل فولاذ السيليكون المدرفل على الساخن المسرح التاريخي. وفي غضون بضع سنوات فقط، حل محل الفولاذ منخفض الكربون وأصبح «الركيزة الأساسية» للمحركات والمحولات.

2.2 ◇ عصر الدرفلة على البارد: “المهارة الفريدة” لفولاذ السيليكون الموجه في عام 1933، استخدم غاوس جولتين من الدرفلة على البارد والتلدين لتحقيق أقصى قدر من الخصائص المغناطيسية لفولاذ 3% Si على طول اتجاه الدرفلة. في عام 1953، خطت شركة “نيبون ستيل” اليابانية خطوة أخرى إلى الأمام بإدخال مثبطات مزدوجة من AIN+MnS في الشرائط المدرفلة على البارد. وفي عام 1964، أطلقت الشركة فولاذ السيليكون الموجه ذي الحث المغناطيسي العالي «Hi-B»، مما دفع فولاذ الكهرباء الياباني إلى القمة العالمية. ولا يزال الفولاذ السيليكوني غير الموجه المدلفن على البارد، بفضل مزاياه المتمثلة في الدقة العالية في السماكة، والسطح الأملس، والتباين المغناطيسي المنخفض، يلعب دورًا داعمًا في المحركات الصغيرة.

2.3 ◇ مسار الصين: من التقليد إلى الموازاة. في عام 1952، كان مصنع تاييوان للحديد والصلب رائدًا في الإنتاج التجريبي للفولاذ المدلفن على الساخن منخفض السيليكون. في عام 1974، أدخل مصنع ووهان للحديد والصلب براءة الاختراع اليابانية “Hi-B”، وفي عام 1979، خرج الفولاذ «Hi-B» المنتج محليًّا من خط الإنتاج، والذي لا يزال حتى يومنا هذا يمثل «الركيزة الأساسية» للفولاذ السيليكوني الموجه محليًّا. في الوقت الحاضر، تشكل شركات ووهان للحديد والصلب، وباوستيل، وشوغانغ ثلاثيًا متنافسًا، حيث يتم تصدير كميات كبيرة من الفولاذ ذي التوجيه عالي الجودة. ويستحوذ الفولاذ الكهربائي المصنوع في الصين على نصف حصة السوق العالمية.

03 التصنيف والتطبيق – فهم مبدأ “من يجب أن يستخدم من” من خلال رسم تخطيطي واحد

3.1 ◇ الفولاذ الكهربائي منخفض السيليكون (Si<0.5%) حسب محتوى السيليكون: مناسب للأجهزة المنزلية الصغيرة ذات المتطلبات المنخفضة من حيث الأداء الكهرومغناطيسي، ويتميز بعملية تصنيع بسيطة وتكلفة منخفضة، كما أن عملية تصنيعه “مماثلة تقريبًا” لعملية تصنيع الفولاذ الكربوني العادي.

الفولاذ الكهربائي السيليكوني المتوسط (0.5%<Si<4.5%): المادة الرئيسية المستخدمة في صناعة نوى المحركات والمحولات، ويتوفر بعدة درجات ونظام معقد.

الفولاذ الكهربائي عالي السيليكون (4.5%<Si≤6.5%): “مخصص حصريًّا” للمحركات عالية التردد، وملفات الخانق، والدرع المغناطيسي. ويتميز بضعف اللدونة في درجة حرارة الغرفة، ولا يمكن معالجته حاليًّا إلا إلى شرائح رفيعة من خلال تقنية إضافة السيليكون.

3.2 ◇ الفولاذ الكهربائي المدرفل على الساخن المصنف حسب طريقة الإنتاج واتجاه البلورات: تم التخلص تدريجيًا من هذا النوع تقريبًا، ولا يُستخدم إلا في التصنيع الرقائقي منخفض الجودة.

مُدرفلة على البارد غير الموجهة: سماكة تتراوح بين 0.65 و0.35 ملم، انيسوتروبيا مغناطيسية منخفضة، معامل تثقيب عالٍ، وتستخدم على نطاق واسع في أنواع مختلفة من المحركات.

فولاذ مدلفن على البارد أحادي الاتجاه (Goss): تتمغنط الحبيبات بسهولة في اتجاه الدرفلة، بزاوية انحراف تبلغ 7° لفولاذ CGO وقيمة B8 ≈ 1.82 تيسلا؛ بالنسبة لفولاذ Hi-B، تبلغ زاوية الانحراف 3°، وB8 ≈ 1.90 تسلا. ويُستخدم هذا النوع بشكل خاص في المحولات الكبيرة وملفات الخنق.

اللف على البارد ثنائي الاتجاه (مكعب): مفهوم مختبري، لم يدخل مرحلة الإنتاج الصناعي بعد.

يوضح الشكل 2 الخريطة العالمية لتطبيقات فولاذ السيليكون: حيث تحتل المحولات الصدارة، تليها المحركات مباشرةً، في حين تشهد الأجهزة عالية التردد نمواً متزايداً.

04 مؤشرات الأداء – يُعد فقدان الحديد والتحريض المغناطيسي “عملة قوية”

4.1 ◇ خسارة الحديد P: خسارة الحديد الناتجة عن “قمع الحرارة” في مجال مغناطيسي متناوب = خسارة التباطؤ Ph + خسارة التيارات الدوامة Pe + الخسارة الشاذة Pa.

فولاذ السيليكون غير الموجه: يمثل النوع «Ph» الغالبية، ويُعد النوع «P1.5/50» محور التقييم.

فولاذ السيليكون ذو الحبيبات الموجهة: تسود خاصية النفاذية (Pe)، ويحدد معامل P1.7/50 بشكل مباشر ارتفاع درجة الحرارة وفقدان الطاقة في حالة عدم التحميل للمحولات.

4.2 ◇ شدة الحث المغناطيسي B: تحدد مقدار المجال المغناطيسي الذي يمكن أن يستوعبه القلب الحديدي. ويمكن أن تؤدي زيادة قيمة Bm إلى تقليل مساحة المقطع العرضي للقلب الحديدي، وخفض وزن السلك النحاسي، وتقليل تيار الإثارة. بالنسبة للمواد غير الموجهة، تُستخدم قيمة B50 (5 كيلو أمبير/متر)، بينما تُستخدم قيمة B8 (تيسلا) للمواد الموجهة. وكلما ارتفعت القيمة، زادت “تكلفة” المادة.

4.3 ◇ المتطلبات الإضافية: يجب ألا يتجاوز الفرق في فقدان الحديد بين الاتجاهين الطولي والعرضي 8%، كما يجب ألا يتجاوز الفرق في الحث المغناطيسي 10%، لضمان أداء متسق بعد عملية التصفيح.

ولا يمكننا إنتاج منتج يتميز بـ“ميزتين رفيعتين” — أي انخفاض خسارة الحديد وارتفاع الحث المغناطيسي — إلا من خلال التحسين الكامل لشكل الألواح المدرفلة على الساخن، وخشونة الألواح المدرفلة على البارد، وجودة طلاء العزل.

05 طريقة تمثيل الدرجات – فهم “الرمز الرقمي” بنظرة واحدة

يوضح الشكل 3 تصنيف قواعد تصنيف فئات فولاذ السيليكون المحلي غير الموجه والموجه إلى ثلاثة أسطر من الرموز: رمز المادة + الرقم التسلسلي + رمز الاستخدام، وهو نظام بسيط وسهل الحفظ.

06 التوجهات المستقبلية – أرق، وأصغر حجمًا، وأكثر كفاءة

فولاذ السيليكون غير الموجه ذو السماكة الرقيقة والفاقد الحديدي المنخفض: يمكن أن يؤدي تقليص سماكته بمقدار 0.35 ملم إضافي إلى خفض الفاقد الحديدي بمقدار 10% آخر، مما قد يؤدي إلى زيادة كفاءة المحرك بنسبة 2–3 نقاط مئوية.

فولاذ السيليكون الموجه من النوع Hi-B ذو الخسارة النووية المنخفضة للغاية: تمكنت شركة «نيبون ستيل» من توفير إمدادات مستقرة من هذا الفولاذ بسمك يتراوح بين 0.15 و0.35 ملم. كما أنتجت شركة «جابان ستيل تيوب كوربوريشن» شرائط رقيقة عالية السيليكون باستخدام تقنية التسيليكون بالترسيب الكيميائي (CVD)، في حين تسعى الشركات الصينية المصنعة إلى اللحاق بالركب.

الفولاذ عالي المحتوى من السيليكون المستخدم في الأجهزة الموفرة للطاقة ذات الترددات المتوسطة والعالية: لا يزال “المحتوى السحري” البالغ 6.5% Si يتألق ويولد الحرارة عند الترددات العالية، وقد أصبحت محركات المركبات التي تعمل بالطاقة الجديدة وأنظمة الدفع البحرية ساحات منافسة جديدة.

تكنولوجيا ثورية من الجيل التالي: مركبات من الفولاذ النانوكريستالي وغير المتبلور والسيليكوني، والتبريد فائق السرعة (USAB) + مثبطات النانومتر، مما قد يفتح الباب أمام عصر جديد يتم فيه تقليل فقدان الحديد إلى ما دون P17/50.

مع تحول شبكة الكهرباء نحو أن تصبح صديقة للبيئة وفعالة وموزعة، يجب حساب كل كيلوواط/ساعة من الكهرباء والحفاظ عليها. ويُعد الفولاذ السيليكوني، الذي يُعتبر “دماغ” المحركات والمحولات، الحل لأكثر الأسئلة إلحاحًا في عصرنا هذا من منظور المواد: كيف يمكن جعل الفولاذ أكثر ذكاءً؟ وقد تكمن الإجابة في شرائح أرق، وفقدان أقل للحديد، وحث مغناطيسي أعلى — فهذه هي نقاط الانطلاق لثورة الطاقة القادمة.