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El acero al silicio, conocido científicamente como aleación magnética blanda de Fe-Si y también denominado “acero eléctrico”, tiene un contenido de silicio que oscila entre 0,5% y 6,5%. Se asemeja a láminas de hierro tan finas como las alas de una cigarra, pero con una excelente “memoria”, capaz de magnetizarse repetidamente en un campo magnético alterno sin calentarse fácilmente. Sus tres bazas —alta permeabilidad magnética, bajas pérdidas en el hierro y alta intensidad de inducción magnética de saturación— lo convierten en la “opción única” para los núcleos de hierro de motores, transformadores y generadores. Sin él, la red eléctrica no podría transmitir de forma eficiente cada kilovatio-hora de electricidad; sin él, los aparatos de aire acondicionado de frecuencia variable, los vehículos de nuevas energías y las turbinas eólicas «jadearían como un toro».

02 Un siglo de trayectoria: hoja de ruta de la tecnología del acero al silicio

2.1 ◇ La era del laminado en caliente: el primer salto del acero con bajo contenido en carbono al acero al silicio. En 1886, la empresa estadounidense Westinghouse utilizó chapas de acero con bajo contenido en carbono (0,41 % de carbono) como núcleos de transformadores, lo que provocó importantes pérdidas por corrientes parásitas y un grave envejecimiento magnético. En 1902, Gumlich, de Alemania, descubrió que, al añadir una pequeña cantidad de silicio, la resistividad se disparaba, las pérdidas se reducían drásticamente y se mitigaba el envejecimiento magnético. Así, el acero al silicio laminado en caliente entró en escena. En tan solo unos años, sustituyó al acero de bajo contenido en carbono y se convirtió en el “pilar” de los motores y transformadores.

2.2 ◇ La era del laminado en frío: la “técnica exclusiva” del acero al silicio orientado. En 1933, Gauss utilizó dos ciclos de laminado en frío y recocido para maximizar las propiedades magnéticas del acero 3% Si a lo largo de la dirección de laminado. En 1953, la empresa japonesa Nippon Steel dio un paso más al introducir inhibidores duales AIN+MnS en las bandas laminadas en frío. En 1964, lanzó el acero al silicio orientado de alta inducción magnética “Hi-B”, lo que situó al acero eléctrico japonés en la cima mundial. El acero al silicio laminado en frío no orientado, con sus ventajas de alta precisión en el espesor, superficie lisa y baja anisotropía magnética, sigue desempeñando un papel secundario en los motores pequeños.

2.3 ◇ La trayectoria de China: de imitar a avanzar en paralelo. En 1952, la planta siderúrgica de Taiyuan fue pionera en la producción experimental de acero laminado en caliente con bajo contenido en silicio. En 1974, la empresa siderúrgica de Wuhan introdujo la patente japonesa Hi-B y, en 1979, el acero Hi-B de fabricación nacional salió de la cadena de producción, lo que sigue siendo hasta hoy el “pilar” del acero al silicio orientado nacional. En la actualidad, Wuhan Iron and Steel, Baosteel y Shougang forman un triángulo competitivo, y el acero al silicio orientado de alta gama se exporta a gran escala. El acero eléctrico fabricado en China representa la mitad de la cuota de mercado mundial.

03 Clasificación y aplicación: comprender “quién debe utilizar a quién” con un único diagrama

3.1 ◇ Acero eléctrico con bajo contenido en silicio (Si < 0,5%) según su contenido en silicio: adecuado para pequeños electrodomésticos con requisitos de rendimiento electromagnético reducidos; se caracteriza por un proceso sencillo, un bajo coste y un proceso prácticamente “idéntico” al del acero al carbono simple.

Acero eléctrico de silicio de grado medio (0,5% < Si < 4,5%): el material principal para los núcleos de motores y transformadores, con múltiples calidades y un sistema complejo.

Acero eléctrico con alto contenido en silicio (4,5% < Si ≤ 6,5%): “exclusivo” para motores de alta frecuencia, bobinas de choque y blindaje magnético. Presenta una plasticidad deficiente a temperatura ambiente y, en la actualidad, solo puede transformarse en tiras finas mediante la tecnología de silicización.

3.2 ◇ Acero eléctrico laminado en caliente clasificado según el método de producción y la orientación cristalina: este tipo de acero se ha ido eliminando progresivamente y solo se utiliza para laminaciones de gama baja.

Laminado en frío, no orientado: espesor de 0,65 a 0,35 mm, baja anisotropía magnética, alto coeficiente de punzonado; se utiliza ampliamente en diversos motores.

Laminado en frío de orientación única (Goss): los granos se magnetizan fácilmente a lo largo de la dirección de laminación, con un ángulo de desviación de 7° para el acero CGO y B8 ≈ 1,82 T; en el caso del acero Hi-B, el ángulo de desviación es de 3° y B8 ≈ 1,90 T. Se utiliza específicamente para transformadores de gran tamaño y bobinas de choque.

Laminado en frío de doble orientación (cúbico): un concepto de laboratorio que aún no se ha industrializado.

La figura 2 muestra el mapa mundial de las aplicaciones del acero al silicio: destacan los transformadores, seguidos de cerca por los motores, y los dispositivos de alta frecuencia están en auge.

04 Indicadores de rendimiento: la pérdida de hierro y la inducción magnética son “moneda de cambio”

4.1 ◇ Pérdida por hierro P: La pérdida por hierro del “embudo térmico” en un campo magnético alterno = pérdida por histéresis Ph + pérdida por corrientes parásitas Pe + pérdida anómala Pa.

Acero al silicio no orientado: el Ph representa la mayor parte, y el P1.5/50 es el elemento central de la evaluación.

Acero al silicio de grano orientado: la permeabilidad (Pe) es el parámetro predominante, y el P1,7/50 determina directamente el aumento de temperatura y las pérdidas en vacío de los transformadores.

4.2 ◇ Intensidad de la inducción magnética B: Determina la cantidad de campo magnético que puede soportar el núcleo de hierro. Al aumentar Bm se puede reducir la sección transversal del núcleo de hierro, disminuir el peso del alambre de cobre y reducir la corriente de excitación. Para los materiales no orientados se utiliza B50 (5 kA/m), mientras que para los materiales orientados se utiliza B8 (T). Cuanto mayor sea el valor, más “caro” resulta.

4.3 ◇ Requisitos adicionales: La diferencia en la pérdida de hierro entre las direcciones longitudinal y transversal debe ser ≤8%, y la diferencia en la inducción magnética debe ser ≤10%, lo que garantiza un rendimiento homogéneo tras el laminado.

Solo optimizando al máximo la forma de la chapa laminada en caliente, la rugosidad de la chapa laminada en frío y la calidad del recubrimiento aislante podremos fabricar un producto de “doble alta calidad” con bajas pérdidas en el hierro y alta inducción magnética.

05 Método de representación de calificaciones: comprender el “código numérico” de un solo vistazo

La figura 3 desglosa las normas de clasificación del acero al silicio nacional, tanto no orientado como orientado, en tres líneas de código: código de material + número de serie + código de aplicación, lo cual resulta sencillo y fácil de recordar.

06 Perspectivas de futuro: más delgadas, más bajas y más eficientes

Acero al silicio no orientado de bajo espesor y bajas pérdidas en hierro: recortarlo 0,35 mm más puede reducir las pérdidas en hierro en otros 10%, lo que podría aumentar la eficiencia del motor entre 2 y 3 puntos porcentuales.

Acero al silicio orientado Hi-B con pérdidas en el núcleo ultrabajas: Nippon Steel ha logrado suministrar de forma estable acero con un espesor de entre 0,15 y 0,35 mm. Japan Steel Tube Corporation ha fabricado tiras finas con alto contenido en silicio mediante silicización CVD, y los fabricantes chinos están ganando terreno.

Acero con alto contenido en silicio para electrodomésticos de bajo consumo de media y alta frecuencia: el “contenido mágico” de 6,5% Si sigue brillando y generando calor a altas frecuencias, y los motores de los vehículos de nueva energía y los sistemas de propulsión marítima se están convirtiendo en nuevos campos de batalla.

Tecnología revolucionaria de última generación: compuestos de acero nanocristalino, amorfo y de silicio, enfriamiento ultrarrápido (USAB) + inhibidores nanométricos, que podrían marcar el inicio de una nueva era en la que la pérdida de hierro se reduzca por debajo de P17/50.

A medida que la red eléctrica evoluciona hacia un modelo más ecológico, eficiente y distribuido, es necesario contabilizar y ahorrar cada kilovatio-hora de electricidad. El acero al silicio, que actúa como el “cerebro” de los motores y transformadores, aborda la cuestión más acuciante de la época desde el punto de vista de los materiales: ¿cómo hacer que el acero sea más inteligente? La respuesta podría estar en bandas más finas, menores pérdidas en el hierro y una mayor inducción magnética: estos son los puntos de partida para la próxima revolución energética.