Blog

Křemíková ocel, vědecky známá jako měkká magnetická slitina Fe-Si a označovaná také jako elektrotechnická ocel, má obsah křemíku v rozmezí od 0,5% do 6,5%. Připomíná plechy z železa tenké jako křídla cikády, ale s vynikající “pamětí”; lze ji opakovaně magnetizovat ve střídavém magnetickém poli, aniž by se snadno zahřívala. Díky svým třem hlavním přednostem – vysoké magnetické permeabilitě, nízkým ztrátám v železe a vysoké intenzitě magnetické indukce při nasycení – je “jedinečnou volbou” pro železné jádra motorů, transformátorů a generátorů. Bez ní by elektrická síť nemohla efektivně přenášet každou kilowatthodinu elektřiny; bez ní by klimatizační jednotky s proměnnou frekvencí, vozidla na nové zdroje energie i větrné turbíny “lapaly po dechu jako býk”.

02 Sto let cesty – Plán rozvoje technologie křemíkové oceli

2.1 ◇ Éra za tepla válcované oceli: První skok od nízkouhlíkové oceli k křemíkové oceli V roce 1886 použila společnost Westinghouse v USA jako jádra transformátorů plechy z nízkouhlíkové oceli s obsahem uhlíku 0,4%, což vedlo k významným ztrátám vířivými proudy a závažnému magnetickému stárnutí. V roce 1902 německý vědec Gumlich objevil, že přidáním malého množství křemíku se výrazně zvýší měrný elektrický odpor, ztráty prudce poklesnou a magnetické stárnutí se sníží. Křemíková ocel válcovaná za tepla tak vstoupila na historickou scénu. Během pouhých několika let nahradila nízkouhlíkovou ocel a stala se “pilířem” motorů a transformátorů.

2.2 ◇ Éra válcování za studena: “Jedinečná vlastnost” orientované křemíkové oceli V roce 1933 společnost Gauss využila dvě fáze válcování za studena a žíhání k maximalizaci magnetických vlastností oceli 3% Si ve směru válcování. V roce 1953 učinila japonská společnost Nippon Steel další krok tím, že do za studena válcovaných pásů přidala duální inhibitory AIN+MnS. V roce 1964 uvedla na trh orientovanou křemíkovou ocel “Hi-B” s vysokou magnetickou indukcí, která vynesla japonskou elektrotechnickou ocel na světovou špičku. Za studena válcovaná neorientovaná křemíková ocel, která se vyznačuje vysokou přesností tloušťky, hladkým povrchem a nízkou magnetickou anizotropií, nadále hraje podpůrnou roli v malých motorech.

2.3 ◇ Vývoj v Číně: Od napodobování k souběžnému vývoji. V roce 1952 se ocelárna Taiyuan stala průkopníkem ve zkušební výrobě za tepla válcované oceli s nízkým obsahem křemíku. V roce 1974 zavedla společnost Wuhan Iron and Steel japonský patent Hi-B a v roce 1979 sjela z výrobní linky domácí ocel Hi-B, která dodnes představuje “základ” pro domácí orientovanou křemíkovou ocel. V současnosti tvoří společnosti Wuhan Iron and Steel, Baosteel a Shougang trojstrannou konkurenci a špičková orientovaná křemíková ocel se ve velkém vyváží. Elektrická ocel vyrobená v Číně představuje polovinu globálního tržního podílu.

03 Klasifikace a použití – Jak na základě jediného diagramu pochopit, “kdo by měl koho používat”

3.1 ◇ Elektrotechnická ocel s nízkým obsahem křemíku (Si < 0,5%) podle obsahu křemíku: vhodná pro malé domácí spotřebiče s nízkými požadavky na elektromagnetické vlastnosti; vyznačuje se jednoduchým zpracováním, nízkými náklady a téměř “stejným zpracováním” jako běžná uhlíková ocel.

Elektrická ocel se středním obsahem křemíku (0,5% < Si < 4,5%): hlavní materiál pro jádra motorů a transformátorů, který se vyrábí v mnoha různých jakostech a tvoří komplexní systém.

Elektrická ocel s vysokým obsahem křemíku (4,5% < Si ≤ 6,5%): “určená výhradně” pro vysokofrekvenční motory, tlumivkové cívky a magnetické stínění. Vyznačuje se nízkou plasticitou při pokojové teplotě a v současné době ji lze zpracovávat pouze na tenké pásky pomocí technologie silikonizace.

3.2 ◇ Elektrická ocel válcovaná za tepla rozdělená podle způsobu výroby a orientace krystalů: Tento typ byl téměř zcela vyřazen z výroby a používá se pouze pro lamely nižší kvality.

Za studena válcované, neorientované: tloušťka 0,65–0,35 mm, nízká magnetická anizotropie, vysoký koeficient děrovatelnosti, široce používané v různých motorech.

Za studena válcovaná ocel s jednosměrnou orientací (Goss): zrna se snadno magnetizují ve směru válcování, přičemž úhel odchylky u oceli CGO činí 7° a B8 ≈ 1,82 T; u oceli Hi-B je úhel odchylky 3° a B8 ≈ 1,90 T. Používá se zejména pro velké transformátory a tlumivky.

Dvojitá orientace válcovaná za studena (kubická): laboratorní koncept, dosud nezavedený do průmyslové výroby.

Obrázek 2 znázorňuje celosvětový přehled použití křemíkové oceli: nejvýraznější podíl mají transformátory, těsně za nimi následují motory a na vzestupu jsou vysokofrekvenční zařízení.

04 Ukazatele výkonnosti – ztráty v železe a magnetická indukce jsou “tvrdá měna”

4.1 ◇ Ztráty v železe P: Ztráty v železe způsobené “tepelným trychtýřem” ve střídavém magnetickém poli = hysterezní ztráty Ph + ztráty vířivými proudy Pe + anomální ztráty Pa.

Neorientovaná křemíková ocel: Většinu tvoří typ Ph a základem hodnocení je typ P1.5/50.

Křemíková ocel s orientovanou strukturou: Rozhodující je permeabilita (Pe) a parametr P1.7/50 přímo určuje nárůst teploty a ztráty transformátorů při volnoběhu.

4.2 ◇ Intenzita magnetické indukce B: Určuje, jak silné magnetické pole je železné jádro schopno pojmout. Zvýšením hodnoty Bm lze zmenšit průřez železného jádra, snížit hmotnost měděného drátu a snížit budicí proud. U neorientovaných materiálů se používá hodnota B50 (5 kA/m), zatímco u orientovaných materiálů se používá hodnota B8 (T). Čím vyšší je tato hodnota, tím je materiál “dražší”.

4.3 ◇ Další požadavky: Rozdíl ve ztrátách v železe mezi podélným a příčným směrem by měl být ≤8% a rozdíl v magnetické indukci by měl být ≤10%, čímž se zajistí konzistentní výkon po laminování.

Pouze díky úplné optimalizaci tvaru za tepla válcovaných plechů, drsnosti za studena válcovaných plechů a kvality izolačního povlaku můžeme vyrobit produkt s “dvojitou vysokou hodnotou”, který se vyznačuje nízkými ztrátami v železe a vysokou magnetickou indukcí.

05 Způsob znázornění známek – pochopení “číselného kódu” na první pohled

Obrázek 3 rozčleňuje pravidla pro třídění tuleňové oceli pro domácí trh (neorientované i orientované) do tří řad kódů: kód materiálu + sériové číslo + kód použití, což je jednoduché a snadno zapamatovatelné.

06 Budoucí směr – tenčí, nižší, účinnější

Tenkostěnná neorientovaná křemíková ocel s nízkými ztrátami v železe: Její ztenčení o dalších 0,35 mm může snížit ztráty v železe o dalších 10%, což může potenciálně zvýšit účinnost motoru o 2–3 procentní body.

Křemíková ocel typu Hi-B s orientací a extrémně nízkými ztrátami v jádru: Společnost Nippon Steel je schopna stabilně dodávat ocel o tloušťce 0,15–0,35 mm. Společnost Japan Steel Tube Corporation vyrábí tenké pásy s vysokým obsahem křemíku pomocí CVD křemíkování a čínští výrobci se jim v tomto ohledu přibližují.

Ocel s vysokým obsahem křemíku pro středofrekvenční a vysokofrekvenční energeticky úsporné spotřebiče: “Magický obsah” 6,5% Si stále září a generuje teplo při vysokých frekvencích, přičemž motory vozidel na nové zdroje energie a lodní pohonných systémy se stávají novými bojišti.

Revoluční technologie nové generace: nanokrystalické, amorfní a kompozity z křemíkové oceli, ultrarychlé chlazení (USAB) + nanometrové inhibitory, které by mohly uvést novou éru, v níž se ztráty železa sníží pod hodnotu P17/50.

Vzhledem k tomu, že se energetická síť mění směrem k ekologičtější, efektivnější a decentralizovanější podobě, je třeba každou kilowatthodinu elektřiny pečlivě sledovat a šetřit. Křemíková ocel, která slouží jako “mozek” motorů a transformátorů, řeší z hlediska materiálů nejnaléhavější otázku naší doby: jak vyrobit chytřejší ocel? Odpověď může spočívat v tenčích páscích, nižších ztrátách v železe a vyšší magnetické indukci – to jsou výchozí body pro další energetickou revoluci.