Aços de silício e suas aplicações

O primeiro material magnético macio foi o ferro, que continha muitas impurezas. Os pesquisadores descobriram que a adição de silício aumentou a resistividade, diminuiu a perda de histerese, aumentou a permeabilidade e praticamente eliminou o envelhecimento.

Quantidades consideráveis ​​de aço orientado são utilizadas, principalmente em transformadores de potência e distribuição. No entanto, não suplantou o aço silício não orientado, que é amplamente utilizado onde é necessário um material de baixo custo e baixa perda, principalmente em equipamentos rotativos. Devemos mencionar também os aços para relés, amplamente utilizados em relés, armaduras e solenóides. Os aços relé contêm entre 1,25 e 2,5 por cento de Si e são usados ​​em aplicações de corrente contínua devido à sua melhor permeabilidade, menor força coercitiva e ausência de envelhecimento.

Propriedades físicas importantes dos aços de silício são resistividade, indução de saturação, anisotropia magnetocristalina, magnetostrição e temperatura de Curie. A resistividade, que é bastante baixa em ferro, aumenta acentuadamente com a adição de silício. A resistividade mais alta diminui a perda do núcleo, reduzindo o componente de corrente parasita. O aumento do teor de silício reduz a magnetostrição, mas o processamento se torna mais difícil. A alta temperatura Curie do ferro será diminuída pelos elementos de liga, mas a redução é de pouca importância para o usuário de aços silício.

O processo de magnetização é influenciado por impurezas, orientação do grão, tamanho do grão, deformação, espessura da banda e lisura da superfície. Uma das formas mais importantes de melhorar os materiais magnéticos macios é remover impurezas, que interferem no movimento das paredes de domínio; são menos prejudiciais se estiverem presentes em solução sólida. Comparado a outros aços comerciais, o aço silício é excepcionalmente puro. Como o carbono, uma impureza intersticial, pode prejudicar a baixa permeabilidade à indução, ele deve ser removido antes que o aço seja recozido para desenvolver a textura final.

O mecanismo de crescimento de grãos com orientação da borda do cubo durante o recozimento final não é totalmente compreendido. O processo envolve uma recristalização secundária que, por definição, é caracterizada pelo crescimento acelerado de um conjunto de grãos em uma matriz já recristalizada.

Para recristalização secundária, o crescimento normal do grão deve ser inibido de alguma forma. À medida que a temperatura aumenta, alguns grãos se libertam das forças inibidoras e crescem extensivamente às custas de seus vizinhos. Os produtores sabem que, na prática, as sequências adequadas de laminação a frio e recristalização devem ser cuidadosamente seguidas para obter os núcleos de recristalização secundária desejados e a textura correta. Os aços silício atuais usam MnS como inibidor de crescimento de grãos, mas outros compostos como carbonetos, óxidos ou nitretos também são eficazes.

Fabricação e uso de aço orientado

O aço silício orientado tem uma composição mais restrita do que as variedades não orientadas. A textura é desenvolvida através de uma série de cuidadosas operações de trabalho e recozimento, e o material deve permanecer essencialmente monofásico durante todo o processo, especialmente durante o recozimento final, pois a transformação de fase destrói a textura. Para evitar o circuito em Y do sistema de fase Fe-Si, o aço comercial de hoje tem cerca de 3,25% de Si. Variedades mais altas de silício, que podem ser favorecidas pelo aumento da resistividade e diminuição da magnetostrição, são impedidas pelas dificuldades da laminação a frio.

A temperatura, a composição da atmosfera e o ponto de orvalho são controlados de perto para descarbonizar a teia sem oxidar a superfície. Durante este tratamento, ocorre uma recristalização primária que forma grãos pequenos, uniformes e equidistantes. O revestimento de vidro de silicato de magnésio que é formado fornecerá o isolamento elétrico entre as folhas sucessivas quando elas forem montadas em um núcleo de transformador. Nesta fase, o aço é classificado cortando amostras de Epstein da bobina; As amostras são recozidas e achatadas a 790°, e a perda do núcleo é verificada.

As aplicações para o aço silício orientado incluem transformadores (energia, distribuição, lastro, instrumento, áudio e especialidade) e geradores para turbinas a vapor e rodas d'água.

Em geral, os núcleos de moinhos usam toda a gama de classes e calibres orientados a grãos. O calibre e o grau do material para uma determinada aplicação são determinados com base na economia, potência do transformador, requisitos de nível de ruído, requisitos de perda, densidade operacional e até mesmo tamanho do núcleo. Como a tira deve ser plana para produzir um bom núcleo, as bobinas são achatadas após o recozimento em alta temperatura. A banda é então revestida com um fosfato inorgânico para isolamento. As amostras de cada extremidade da bobina são classificadas após o recozimento de alívio de tensão em laboratório, conforme descrito acima. A partir de tal tira, o fabricante do transformador corta o comprimento necessário para melhorar o isolamento da tira. Consequentemente, diminui as perdas por correntes parasitas e o acúmulo de calor, o que é especialmente importante em transformadores que devem suportar um teste de impulso.

Como observado acima, um requisito importante na fabricação de núcleos de laminação é minimizar o ruído do transformador. O ruído é uma função dos fatores de fabricação e design do núcleo, sendo a característica do material do núcleo uma das mais importantes. A dependência da magnetostrição do teor de silício já foi apontada. Além disso, a magnetostrição é reduzida melhorando a textura e introduzindo tensões de tração através da aplicação de revestimentos isolantes tipo vidro. Como as tensões de compressão afetam negativamente a magnetostrição, é importante que a laminação permaneça plana para a montagem. A indução de funcionamento também é um fator que afeta o ruído e, de fato, afeta as características gerais de operação do transformador. As induções operacionais de transformadores laminados estão normalmente na faixa de 10.000 a 17.000 G; as potências variam de 500 a 1.000.000 kVA.

Os núcleos enrolados são toroidalmente enrolados com a direção cristalográfica [100] ao redor da banda. As etapas de processamento são um pouco diferentes daquelas usadas para transformadores Lego, embora o material de partida seja o mesmo: uma grande bobina toroidalmente recozida revestida com silicato de magnésio, que geralmente fornece isolamento suficiente.

Para a aplicação do núcleo da ferida, o pó de MgO não reagido é removido da superfície da tira e uma amostra de cada extremidade da bobina é cortada em tiras de Epstein para teste como antes. Uma vez classificada, a bobina é enviada ao fabricante do transformador, como múltiplos de corte ou como uma bobina de largura total para corte adicional. O corte múltiplo, enrolado na dimensão do núcleo, deve ser recozido para alívio de tensão a 790 graus em uma atmosfera seca não oxidante. Panelas e placas de recozimento devem ser de aço de baixo carbono para remover qualquer contaminação de carbono, o que pode ser muito prejudicial à qualidade.

Após o recozimento de alívio de tensão, os núcleos são cortados e o núcleo do transformador é montado amarrando o aço em torno de bobinas de cobre (ou alumínio) portadoras de corrente. No estado recozido de alívio de tensão, o aço orientado ao grão é sensível ao estresse mecânico; portanto, os núcleos devem ser montados com cuidado. Independentemente do cuidado com que a montagem seja realizada, a qualidade final do núcleo é sempre inferior à do alívio de tensões recozido, não cortado.

A diferença na qualidade, comumente chamada de "fator de morte", deve-se à relativa sensibilidade à tensão do aço orientado ao grão, ao procedimento de manuseio na fabricação e à uniformidade e quantidade de espaço de ar no núcleo. Sendo uma função do projeto e fabricação do transformador, os dois últimos fatores são os mais bem controlados pelo fabricante. A maioria dos núcleos são usados ​​em aplicações de transformadores de distribuição de 25 a 500 kVA.

Fabricação e uso de aços silício não orientados

Os aços siliciosos não orientados não utilizam um processo de recristalização secundária para desenvolver suas propriedades, e o recozimento em alta temperatura não é essencial. Portanto, um limite inferior de silício, como o exigido para classes orientadas, não é essencial.

As classes não orientadas contêm entre {{0}},5 e 3,25 por cento de Si mais até 0,5 por cento de Al, adicionados para aumentar a resistividade e diminuir a temperatura de recristalização primária. O crescimento de grãos é altamente desejável em grades não orientadas, mas geralmente é muito menor do que em grades orientadas.

O processamento de tiras laminadas a quente é semelhante ao descrito para orientação de qualidade. Após o condicionamento da superfície, as tiras são normalmente laminadas a frio diretamente para a bitola final e vendidas ao fabricante do transformador em uma das duas condições: totalmente processadas ou semiprocessadas. Após a laminação a frio final, a tira é recozida, descarbonetando-a a 00,005 por cento C ou menos e desenvolvendo a estrutura de grão necessária para propriedades magnéticas. As amostras são então retiradas de cada extremidade da bobina e testadas.

Aços de silício não orientados totalmente processados ​​são geralmente usados ​​em aplicações onde:

As quantidades são muito pequenas para garantir alívio do estresse por parte do consumidor, ou

As folhas são tão grandes que seria difícil manter uma boa forma física após um recozimento de alívio de tensão de 843 graus.

Aços não orientados não são tão sensíveis à deformação quanto o produto orientado. Consequentemente, as deformações de cisalhamento são os únicos efeitos de deformação, que devem degradar a qualidade magnética. Como as laminações são geralmente grandes, essas deformações de cisalhamento podem ser toleradas. A maioria das classes totalmente processadas são usadas como laminações estampadas em aplicações como rotores e estatores.

Aços não orientados têm uma orientação aleatória. Eles são normalmente usados ​​em grandes equipamentos rotativos, como motores CA, geradores de energia e alternadores. Os aços totalmente processados ​​passam por um recozimento "completo" (para desenvolver a qualidade magnética ideal), tornando-os mais macios e mais difíceis de perfurar do que os produtos semiprocessados. Classes com maior teor de liga são mais duras e, portanto, mais fáceis de puncionar.

A capacidade de puncionamento em aços totalmente processados ​​pode ser melhorada pela adição de um revestimento orgânico, que atua como lubrificante durante a estampagem e fornece algum isolamento adicional à escala de base. Se for necessária uma boa resistência à interlaminação, o material totalmente processado pode ser adquirido com folheado de base.

Os produtos semiprocessados ​​geralmente passam por um recozimento de descarbonetação a baixa temperatura após a laminação final a frio. O carbono não é necessariamente removido no mesmo nível do material totalmente processado. O fabricante do transformador irá então recozer o material em uma atmosfera de descarbonetação úmida para descarbonetar ainda mais e desenvolver as propriedades magnéticas. Após o recozimento de descarbonetação na fábrica, as amostras são retiradas, cortadas em cupons, descarbonetadas a 843 graus por pelo menos uma hora e testadas para classificar a bobina.

Aços silício não orientados semiprocessados ​​são usados ​​para aplicações de recozimento de descarbonetação do cliente. Em geral, esses produtos possuem boas características de puncionamento e são utilizados em diversas aplicações, como pequenos rotores, estatores e pequenos transformadores de potência. Os aços semiprocessados ​​podem ser adquiridos com escamas altamente aderentes, ou com revestimento isolante sobre a ferrugem. O revestimento orgânico atua como lubrificante durante a punção, mas não suporta temperaturas de recozimento de alívio de tensão; portanto, não se aplica ao material semiprocessado.

Tabela 1. Os nomes mais importantes do aço silício especificados por diferentes padrões