Blog

Stal krzemowa, znana naukowo jako miękki stop magnetyczny Fe-Si, określana również jako stal elektrotechniczna, charakteryzuje się zawartością krzemu w zakresie od 0,5% do 6,5%. Przypomina blachy żelazne tak cienkie jak skrzydła cykady, ale charakteryzuje się doskonałą “pamięcią”, dzięki czemu może być wielokrotnie namagnesowywana w zmiennym polu magnetycznym bez nadmiernego nagrzewania się. Jej trzy atuty – wysoka przenikalność magnetyczna, niskie straty w żelazie oraz wysokie natężenie indukcji magnetycznej nasycenia – sprawiają, że jest to “jedyny właściwy wybór” na rdzenie żelazne silników, transformatorów i generatorów. Bez niej sieć energetyczna nie byłaby w stanie efektywnie przesyłać każdego kilowatogodziny energii elektrycznej; bez niej klimatyzatory o zmiennej częstotliwości, pojazdy napędzane nowymi źródłami energii oraz turbiny wiatrowe “dyszałyby jak byki”.

02 Stulecie podróży – mapa rozwoju technologii stali krzemowej

2.1 ◇ Era walcowania na gorąco: Pierwszy przełom – przejście od stali niskowęglowej do stali krzemowej W 1886 roku firma Westinghouse w Stanach Zjednoczonych zastosowała blachy ze stali niskowęglowej o zawartości węgla 0,4% jako rdzenie transformatorów, co spowodowało znaczne straty prądów wirowych i poważne starzenie magnetyczne. W 1902 roku niemiecki naukowiec Gumlich odkrył, że dodanie niewielkiej ilości krzemu powoduje gwałtowny wzrost oporności właściwej, gwałtowny spadek strat oraz ograniczenie starzenia magnetycznego. W ten sposób stal krzemowa walcowana na gorąco wkroczyła na scenę historyczną. W ciągu zaledwie kilku lat zastąpiła ona stal niskowęglową i stała się “filarem” silników i transformatorów.

2.2 ◇ Era walcowania na zimno: “Unikalna właściwość” stali krzemowej zorientowanej W 1933 roku firma Gauss zastosowała dwa cykle walcowania na zimno i wyżarzania w celu maksymalizacji właściwości magnetycznych stali krzemowej 3% wzdłuż kierunku walcowania. W 1953 roku japońska firma Nippon Steel poszła o krok dalej, wprowadzając podwójne inhibitory AIN+MnS do taśm walcowanych na zimno. W 1964 roku wprowadziła na rynek stal krzemową zorientowaną o wysokim indukcyjności magnetycznej “Hi-B”, co wyniosło japońską stal elektrotechniczną na światowy szczyt. Stal krzemowa walcowana na zimno, nieorientowana, dzięki takim zaletom jak wysoka precyzja grubości, gładka powierzchnia i niska anizotropia magnetyczna, nadal odgrywa rolę pomocniczą w małych silnikach.

2.3 ◇ Trajektoria rozwoju Chin: od naśladowania do równoległego rozwoju. W 1952 r. huta Taiyuan jako pierwsza rozpoczęła próbną produkcję walcowanej na gorąco stali niskokrzemowej. W 1974 r. huta w Wuhan wdrożyła japoński patent Hi-B, a w 1979 r. z linii produkcyjnej zjechała stal Hi-B wyprodukowana w kraju, która do dziś pozostaje “balastem” dla krajowej stali krzemowej zorientowanej. Obecnie zakłady hutnicze w Wuhan, Baosteel i Shougang tworzą trójstronną rywalizację, a wysokiej klasy stal krzemowa zorientowana jest eksportowana w dużych ilościach. Stal elektrotechniczna produkowana w Chinach stanowi połowę udziału w światowym rynku.

03 Klasyfikacja i zastosowanie – zrozumienie zasady “kto powinien korzystać z kogo” na podstawie jednego schematu

3.1 ◇ Stal elektrotechniczna o niskiej zawartości krzemu (Si < 0,5%) według zawartości krzemu: nadaje się do małych urządzeń gospodarstwa domowego o niskich wymaganiach dotyczących właściwości elektromagnetycznych; charakteryzuje się prostym procesem produkcji, niskimi kosztami oraz niemal “takim samym procesem” jak w przypadku zwykłej stali węglowej.

Stal elektrotechniczna o średniej zawartości krzemu (0,5% < Si < 4,5%): główny materiał stosowany do produkcji rdzeni silników i transformatorów, charakteryzujący się wieloma gatunkami i złożonym systemem klasyfikacji.

Stal elektrotechniczna o wysokiej zawartości krzemu (4,5% < Si ≤ 6,5%): przeznaczona “wyłącznie” do silników wysokoczęstotliwościowych, cewek dławiących i ekranowania magnetycznego. Charakteryzuje się słabą plastycznością w temperaturze pokojowej i obecnie można ją przetwarzać wyłącznie na cienkie taśmy przy użyciu technologii krzemowania.

3.2 ◇ Stal elektrotechniczna walcowana na gorąco, sklasyfikowana według metody produkcji i orientacji krystalicznej: Ten rodzaj został niemal całkowicie wycofany z produkcji i jest stosowany wyłącznie do produkcji blach laminowanych niższej klasy.

Walcowane na zimno, nieorientowane: grubość 0,65–0,35 mm, niska anizotropia magnetyczna, wysoki współczynnik wykrawania, szeroko stosowane w różnych silnikach.

Walcowana na zimno o jednokierunkowej orientacji (Goss): ziarna łatwo ulegają namagnesowaniu wzdłuż kierunku walcowania, przy kącie odchylenia wynoszącym 7° dla stali CGO i B8 ≈ 1,82 T; w przypadku stali Hi-B kąt odchylenia wynosi 3°, a B8 ≈ 1,90 T. Stal ta jest stosowana w szczególności do produkcji dużych transformatorów i cewek dławiących.

Walcowanie na zimno z podwójną orientacją (sześcienna): koncepcja laboratoryjna, która nie została jeszcze wdrożona na skalę przemysłową.

Rysunek 2 przedstawia globalną mapę zastosowań stali krzemowej: na pierwszym miejscu znajdują się transformatory, tuż za nimi silniki, a urządzenia wysokoczęstotliwościowe zyskują na popularności.

04 Wskaźniki wydajności – straty żelaza i indukcja magnetyczna to “twarda waluta”

4.1 ◇ Straty w żelazie P: Straty w żelazie typu “lejek cieplny” w polu magnetycznym przemiennym = straty histerezy Ph + straty prądów wirowych Pe + straty anomalne Pa.

Stal krzemowa nieorientowana: większość stanowi gatunek Ph, a podstawą oceny jest gatunek P1.5/50.

Stal krzemowa o zorientowanym ziarnie: Najważniejsza jest przenikalność magnetyczna (Pe), a parametr P1.7/50 bezpośrednio decyduje o wzroście temperatury i stratach bez obciążenia w transformatorach.

4.2 ◇ Natężenie indukcji magnetycznej B: Określa ono, jak duże pole magnetyczne może pomieścić rdzeń żelazny. Zwiększenie wartości Bm pozwala zmniejszyć pole przekroju rdzenia żelaznego, zmniejszyć masę drutu miedzianego oraz obniżyć prąd wzbudzenia. W przypadku materiałów nieorientowanych stosuje się wartość B50 (5 kA/m), natomiast w przypadku materiałów orientowanych – B8 (T). Im wyższa wartość, tym materiał jest “droższy”.

4.3 ◇ Dodatkowe wymagania: Różnica w stratach żelaznych między kierunkiem wzdłużnym a poprzecznym powinna wynosić ≤8%, a różnica w indukcji magnetycznej powinna wynosić ≤10%, co zapewni spójną wydajność po laminowaniu.

Tylko dzięki pełnej optymalizacji kształtu blachy walcowanej na gorąco, chropowatości blachy walcowanej na zimno oraz jakości powłoki izolacyjnej możemy wytworzyć produkt o “podwójnej wysokiej jakości”, charakteryzujący się niskimi stratami żelaznymi i wysoką indukcją magnetyczną.

05 Metoda przedstawiania ocen – szybkie zrozumienie “kodu numerycznego”

Na rysunku 3 przedstawiono podział zasad klasyfikacji krajowej stali krzemowej nieorientowanej i orientowanej na trzy sekcje kodu: kod materiału + numer seryjny + kod zastosowania, co jest prostym i łatwym do zapamiętania systemem.

06 Kierunki rozwoju – cieńsze, niższe, bardziej wydajne

Cienkościenna stal krzemowa nieorientowana o niskich stratach żelaznych: Zmniejszenie jej grubości o dodatkowe 0,35 mm może obniżyć straty żelazne o kolejne 10%, co potencjalnie zwiększy sprawność silnika o 2–3 punkty procentowe.

Stal krzemowa zorientowana Hi-B o wyjątkowo niskich stratach rdzeniowych: firma Nippon Steel jest w stanie zapewnić stabilne dostawy tej stali o grubości 0,15–0,35 mm. Firma Japan Steel Tube Corporation wytwarza cienkie taśmy o wysokiej zawartości krzemu przy użyciu technologii krzemowania CVD, a chińscy producenci nadrabiają zaległości.

Stal wysokokrzemowa do energooszczędnych urządzeń średnio- i wysokoczęstotliwościowych: “Magiczna zawartość” krzemu na poziomie 6,5% nadal błyszczy i generuje ciepło przy wysokich częstotliwościach, a silniki pojazdów napędzanych nowymi źródłami energii oraz morskie układy napędowe stają się nowymi polami walki.

Rewolucyjna technologia nowej generacji: kompozyty z nanokrystalicznej, amorficznej i krzemowej stali, ultraszybkie chłodzenie (USAB) + inhibitory nanometryczne, które mogą zapoczątkować nową erę, w której straty żelaza zostaną zredukowane poniżej poziomu P17/50.

W miarę jak sieć energetyczna przechodzi transformację w kierunku rozwiązań ekologicznych, wydajnych i zdecentralizowanych, należy uwzględniać i oszczędzać każdą kilowatogodzinę energii elektrycznej. Stal krzemowa, pełniąca rolę “mózgu” silników i transformatorów, odpowiada na najpilniejsze pytanie naszych czasów z perspektywy materiałowej: jak uczynić stal inteligentniejszą? Odpowiedź może leżeć w cieńszych taśmach, mniejszych stratach żelaznych i wyższej indukcji magnetycznej — to właśnie punkty wyjścia dla kolejnej rewolucji energetycznej.