Blog

Siliciumstål, der videnskabeligt betegnes som Fe-Si-blødmagnetisk legering og også kaldes elektrisk stål, har et siliciumindhold på mellem 0,5% og 6,5%. Det ligner jernplader, der er så tynde som cikadevinger, men med en fremragende “hukommelse”, der gør det muligt at magnetisere det gentagne gange i et vekslende magnetfelt uden, at det let bliver varmt. Dets tre trumfkort – høj magnetisk permeabilitet, lavt jerntab og høj magnetisk mætningsinduktionsintensitet – gør det til det “eneste valg” til jernkerner i motorer, transformere og generatorer. Uden det kan elnettet ikke effektivt overføre hver eneste kilowatt-time elektricitet; uden det ville klimaanlæg med variabel frekvens, nye energikøretøjer og vindmøller alle “stønne som en tyr”.

02 Et århundredes rejse – Køreplan for siliciumstålteknologi

2.1 ◇ Den varmvalsede æra: Det første spring fra kulstoffattigt stål til siliciumstål I 1886 anvendte Westinghouse i USA plader af kulstoffattigt stål med et kulstofindhold på 0,4% som transformerkerner, hvilket medførte betydelige hvirvelstrøms tab og alvorlig magnetisk aldring. I 1902 opdagede den tyske ingeniør Gumlich, at ved at tilsætte en lille mængde silicium steg modstandsværdien markant, faldt tabene drastisk, og den magnetiske aldring blev reduceret. Varmtvalset siliciumstål trådte dermed ind på den historiske scene. Inden for blot få år erstattede det kulstoffattigt stål og blev “grundpillen” i motorer og transformere.

2.2 ◇ Koldvalsningsæraen: Den “unikke egenskab” ved orienteret siliciumstål I 1933 anvendte Gauss to omgange koldvalsning og glødning for at maksimere de magnetiske egenskaber ved 3% Si-stål langs valsningsretningen. I 1953 tog det japanske selskab Nippon Steel endnu et skridt fremad ved at indsætte AIN+MnS-dobbeltinhibitorer i koldvalsede bånd. I 1964 lancerede de “Hi-B”-orienteret siliciumstål med høj magnetisk induktion, hvilket bragte japansk elektrisk stål op på verdensplan. Koldvalset, ikke-orienteret siliciumstål, med sine fordele i form af høj tykkelsespræcision, glat overflade og lav magnetisk anisotropi, spiller fortsat en understøttende rolle i små motorer.

2.3 ◇ Kinas udvikling: Fra at følge efter til at gå side om side. I 1952 tog Taiyuan Iron and Steel Plant føringen med en forsøgsproduktion af varmvalset stål med lavt siliciumindhold. I 1974 indførte Wuhan Iron and Steel det japanske Hi-B-patent, og i 1979 rullede det indenlandsk producerede Hi-B af produktionslinjen, hvilket den dag i dag stadig udgør “ballasten” for det indenlandske siliciumstål. I dag udgør Wuhan Iron and Steel, Baosteel og Shougang en trepartskonfrontation, hvor højkvalitets orienteret siliciumstål eksporteres i store mængder. Elektrostål fremstillet i Kina har udgjort halvdelen af den globale markedsandel.

03 Klassificering og anvendelse – Sådan får man overblik over, “hvem der skal bruge hvem”, ved hjælp af et enkelt diagram

3.1 ◇ Elektrostål med lavt siliciumindhold (Si < 0,5%) efter siliciumindhold: egnet til små husholdningsapparater med lave krav til elektromagnetisk ydeevne, kendetegnet ved en enkel fremstillingsproces, lave omkostninger og en fremstillingsproces, der næsten er “den samme” som for almindeligt kulstofstål.

Elektrisk stål med middel siliciumindhold (0,5% < Si < 4,5%): det vigtigste materiale til motor- og transformerkerner, der findes i flere kvaliteter og udgør et komplekst system.

Elektrisk stål med højt siliciumindhold (4,5% < Si ≤ 6,5%): “udelukkende” til højfrekvente motorer, drosselspoler og magnetisk afskærmning. Det har ringe formbarhed ved stuetemperatur og kan på nuværende tidspunkt kun forarbejdes til tynde bånd ved hjælp af siliciumbehandlingsteknologi.

3.2 ◇ Varmtvalset elektrisk stål inddelt efter produktionsmetode og krystalretning: Denne type er næsten udfaset og anvendes kun til laminater i den lavere prisklasse.

Koldvalset, ikke-orienteret: 0,65–0,35 mm tykkelse, lav magnetisk anisotropi, høj stansningskoefficient, anvendes i vid udstrækning i forskellige motorer.

Koldvalset stål med ensrettet kornstruktur (Goss): Kornene magnetiseres let i valseretningen, med en afvigelsesvinkel på 7° for CGO-stål og B8 ≈ 1,82 T; for Hi-B-stål er afbøjningsvinklen 3°, og B8 ≈ 1,90 T. Det anvendes specifikt til store transformere og drosselspoler.

Koldvalset dobbeltorientering (kubisk): et laboratoriekoncept, der endnu ikke er taget i brug i industrien.

Figur 2 viser et globalt overblik over anvendelsesområderne for siliciumstål: Transformatorer udgør den største andel, tæt fulgt af motorer, og højfrekvensudstyr er i fremgang.

04 Præstationsindikatorer – jerntab og magnetisk induktion er “hård valuta”

4.1 ◇ Jern tab P: “Varmetragten”-jern tabet i et vekselstrømsmagnetfelt = hysteresetab Ph + hvirvelstrøms tab Pe + unormalt tab Pa.

Ikke-orienteret siliciumstål: Ph udgør hovedparten, og P1.5/50 er det centrale element i vurderingen.

Kornorienteret siliciumstål: Permeabiliteten (Pe) er den dominerende faktor, og P1.7/50 bestemmer direkte temperaturstigningen og tomgangstabet i transformatorer.

4.2 ◇ Magnetisk induktionsstyrke B: Den bestemmer, hvor stort et magnetfelt jernkernen kan rumme. En forøgelse af Bm kan reducere jernkernens tværsnitsareal, mindske kobbertrådens vægt og reducere magnetiseringsstrømmen. For ikke-orienterede materialer anvendes B50 (5 kA/m), mens der for orienterede materialer anvendes B8 (T). Jo højere værdien er, desto mere “dyrt” er det.

4.3 ◇ Yderligere krav: Forskellen i jerntab mellem længde- og tværretningen skal være ≤8%, og forskellen i magnetisk induktion skal være ≤10%, hvilket sikrer ensartet ydeevne efter laminering.

Kun ved fuldt ud at optimere den varmvalsede plades form, den koldvalsede overflades ruhed og kvaliteten af isoleringsbelægningen kan vi fremstille et produkt med “dobbelt højt niveau”, der er kendetegnet ved lavt jerntab og høj magnetisk induktion.

05 Metode til karakterangivelse – forstå den “numeriske kode” med et enkelt blik

Figur 3 opdeler kvalitetsreglerne for indenlandsk ikke-orienteret og orienteret siliciumstål i tre kodelinjer: materialekode + serienummer + anvendelseskode, hvilket er enkelt og let at huske.

06 Fremtidsretning – Tyndere, lavere, mere effektiv

Tyndt, ikke-orienteret siliciumstål med lavt jerntab: Ved at skære det yderligere 0,35 mm kan jerntabet reduceres med yderligere 10%, hvilket potentielt kan øge motorens virkningsgrad med 2–3 procentpoint.

Hi-B-orienteret siliciumstål med ekstremt lavt kernetab: Nippon Steel har været i stand til at levere stål med en tykkelse på 0,15–0,35 mm på en stabil måde. Japan Steel Tube Corporation har produceret tynde bånd med højt siliciumindhold ved hjælp af CVD-siliciumbelægning, og kinesiske producenter er ved at indhente forspringet.

Stål med højt siliciumindhold til energibesparende apparater til mellem- og højfrekvensanvendelse: Det “magiske indhold” på 6,5% Si udmærker sig stadig og genererer varme ved høje frekvenser, og motorer til nye energikøretøjer samt fremdrivningssystemer til skibe er ved at blive nye konkurrenceområder.

Revolutionerende teknologi af næste generation: nanokrystallinske, amorfe og siliciumstålkompositter, ultrahurtig afkøling (USAB) + nanometerhæmmere, hvilket potentielt kan indlede en ny æra, hvor jerntabet reduceres til under P17/50.

I takt med at elnettet udvikler sig i retning af at blive grønt, effektivt og decentraliseret, skal hver eneste kilowatt-time elektricitet registreres og spares. Siliciumstål, der fungerer som “hjernen” i motorer og transformere, tager fat på tidens mest presserende spørgsmål set fra et materialeperspektiv: Hvordan kan man gøre stål smartere? Svaret ligger måske i tyndere bånd, lavere jerntab og højere magnetisk induktion – det er udgangspunkterne for den næste energirevolution.