Silikon Çelikler ve Uygulamaları

İlk yumuşak manyetik malzeme, birçok yabancı madde içeren demirdi. Araştırmacılar, silikon ilavesinin direnci artırdığını, histerezis kaybını azalttığını, geçirgenliği artırdığını ve yaşlanmayı neredeyse tamamen ortadan kaldırdığını buldular.

Ağırlıklı olarak güç ve dağıtım transformatörlerinde önemli miktarda yönlendirilmiş çelik kullanılır. Bununla birlikte, özellikle dönen ekipmanlarda düşük maliyetli, düşük kayıplı bir malzemeye ihtiyaç duyulan yerlerde yaygın olarak kullanılan yönlendirilmemiş silikon çeliğin yerini almamıştır. Rölelerde, armatürlerde ve solenoidlerde yaygın olarak kullanılan röle çeliklerinden de bahsetmeliyiz. Röle çelikleri yüzde 1,25 ila 2,5 arasında Si içerir ve daha iyi geçirgenlikleri, daha düşük zorlayıcı kuvvetleri ve yaşlanma olmaması nedeniyle doğru akım uygulamalarında kullanılır.

Silikon çeliklerin önemli fiziksel özellikleri özdirenç, doyma indüksiyonu, manyetokristal anizotropi, manyetostriksiyon ve Curie sıcaklığıdır. Demirde oldukça düşük olan özdirenç, silikon ilavesiyle belirgin şekilde artar. Daha yüksek direnç, girdap akımı bileşenini azaltarak çekirdek kaybını azaltır. Artan silikon içeriği manyetostriksiyonu azaltır, ancak işleme daha zor hale gelir. Demirin yüksek Curie sıcaklığı, alaşım elementleri tarafından düşürülecektir, ancak bu düşüşün silikon çelik kullanıcıları için çok az önemi vardır.

Mıknatıslanma süreci, kirlilikler, tane oryantasyonu, tane boyutu, gerinim, bant kalınlığı ve yüzey düzgünlüğünden etkilenir. Yumuşak manyetik malzemeleri iyileştirmenin en önemli yollarından biri, alan duvarlarının hareketine müdahale eden yabancı maddeleri çıkarmaktır; katı çözeltide bulunurlarsa daha az zararlıdırlar. Diğer ticari çeliklerle karşılaştırıldığında, silikon çelik son derece saftır. Bir arayer safsızlığı olan karbon, düşük endüksiyon geçirgenliğini bozabileceğinden, nihai dokuyu geliştirmek için çelik tavlanmadan önce çıkarılmalıdır.

Son tavlama sırasında küp kenar yönelimli tane büyümesinin mekanizması tam olarak anlaşılmamıştır. İşlem, tanım gereği, hali hazırda yeniden kristalize edilmiş bir matriste bir dizi tanenin hızlandırılmış büyümesi ile karakterize edilen ikincil bir yeniden kristalleşmeyi içerir.

İkincil yeniden kristalleşme için normal tane büyümesi bir şekilde engellenmelidir. Sıcaklık arttıkça, bazı tahıllar engelleyici kuvvetlerden kurtulur ve komşuları pahasına geniş ölçüde büyür. Üreticiler, pratikte, istenen ikincil yeniden kristalleşme çekirdeklerini ve doğru dokuyu elde etmek için uygun soğuk haddeleme ve yeniden kristalleşme dizilerinin dikkatle izlenmesi gerektiğini bilirler. Mevcut silikon çelikler, tane büyüme inhibitörü olarak MnS kullanır, ancak karbürler, oksitler veya nitrürler gibi diğer bileşikler de etkilidir.

Yönlendirilmiş çelik üretimi ve kullanımı

Yönlendirilmiş silikon çeliği, yönlendirilmemiş çeşitlerden daha kısıtlı bir bileşime sahiptir. Doku, bir dizi dikkatli çalışma ve tavlama işlemiyle geliştirilir ve faz dönüşümü dokuyu yok ettiğinden, özellikle son tavlama sırasında, malzeme süreç boyunca esasen tek fazlı kalmalıdır. Fe-Si faz sisteminin Y-döngüsünden kaçınmak için günümüzün ticari çeliği yaklaşık %3,25 Si'dir. Artan özdirenç ve azalan manyetostriksiyon ile tercih edilebilecek daha yüksek silikon çeşitleri, soğuk haddelemenin zorluklarıyla engellenir.

Sıcaklık, atmosfer bileşimi ve çiy noktası, yüzeyi oksitlemeden şeridi karbondan arındırmak için yakından kontrol edilir. Bu işlem sırasında, küçük, düzgün ve eşit uzaklıkta taneler oluşturan bir birincil yeniden kristalleşme meydana gelir. Oluşan magnezyum silikat cam kaplama, bir transformatör çekirdeğine monte edildiklerinde ardışık levhalar arasında elektrik yalıtımı sağlayacaktır. Bu aşamada çelik, bobinden Epstein numuneleri kesilerek sınıflandırılır; Numuneler 790°'de tavlanır ve düzleştirilir ve çekirdek kaybı kontrol edilir.

Yönlendirilmiş silikon çelik uygulamaları, buhar türbinleri ve su çarkları için transformatörleri (güç, dağıtım, balast, enstrüman, ses ve özel) ve jeneratörleri içerir.

Genel olarak, değirmen maçaları, tahıl odaklı kalitelerin ve ölçülerin tamamını kullanır. Belirli bir uygulama için ölçü ve malzeme sınıfı, ekonomi, trafo gücü, gürültü seviyesi gereksinimleri, kayıp gereksinimleri, çalışma yoğunluğu ve hatta çekirdek boyutuna göre belirlenir. İyi bir çekirdek üretmek için şeridin düz olması gerektiğinden, bobinler yüksek sıcaklıkta tavlamadan sonra düzleştirilir. Bant daha sonra izolasyon için inorganik bir fosfat ile kaplanır. Bobinin her bir ucundan alınan numuneler, yukarıda açıklandığı gibi laboratuvar gerilim giderme tavlamasından sonra derecelendirilir. Böyle bir şeritten, transformatör üreticisi şeridin yalıtımını iyileştirmek için gerekli uzunluğunu keser. Sonuç olarak, bir darbe testine dayanması gereken transformatörlerde özellikle önemli olan girdap akımı kayıplarını ve ısı birikimini azaltır.

Yukarıda belirtildiği gibi, laminasyon göbeklerinin imalatında önemli bir gereklilik, transformatör gürültüsünü en aza indirmektir. Gürültü, çekirdek malzeme özelliğinin en önemlilerinden biri olduğu, temel üretim ve tasarım faktörlerinin bir işlevidir. Manyetostriksiyonun silikon içeriğine bağımlılığı zaten belirtilmişti. Ek olarak, cam benzeri yalıtkan kaplamalar uygulanarak dokuyu geliştirerek ve çekme gerilimleri oluşturarak manyetostriksiyon azaltılır. Basma gerilmeleri manyetostriksiyonu olumsuz etkilediğinden, laminasyonun montaj için düz kalması önemlidir. Çalışan indüksiyon da gürültüyü etkileyen bir faktördür ve aslında transformatörün genel çalışma özelliklerini etkiler. Katmanlı transformatörlerin çalışma indüksiyonları tipik olarak 10.000 ila 17 arasındadır.000 G; güçler 500 ila 1.000 arasında değişir.000 kVA.

Sarılmış çekirdekler, bant etrafında [100] kristalografik yön ile toroidal olarak sarılır. Başlangıç ​​malzemesi aynı olmasına rağmen, işlem adımları Lego transformatörleri için kullanılanlardan biraz farklıdır: genellikle yeterli yalıtım sağlayan magnezyum silikat ile kaplanmış, toroidal olarak tavlanmış büyük bir bobin.

Sarılmış maça uygulaması için, reaksiyona girmemiş MgO tozu şeridin yüzeyinden çıkarılır ve daha önce olduğu gibi test için bobinin her iki ucundan bir numune Epstein şeritleri halinde kesilir. Bobin ayrıldıktan sonra, ya katları kesilmiş olarak ya da daha fazla kesim için tam genişlikte bir bobin olarak transformatör üreticisine gönderilir. Verilen çekirdek boyutuna sarılmış çoklu kesim, kuru, oksitleyici olmayan bir atmosferde 790 derecede tavlanmalıdır. Tavlama tepsileri ve plakaları, kaliteye çok zarar verebilecek herhangi bir karbon kirliliğini gidermek için düşük karbonlu çelikten olmalıdır.

Gerilim giderme tavlamasından sonra, çekirdekler kesilir ve çeliğin bakır (veya alüminyum) akım taşıyan bobinlerin etrafına bağlanmasıyla transformatör çekirdeği monte edilir. Gerilim giderme tavlanmış durumda, tane yönelimli çelik mekanik gerilime duyarlıdır; bu nedenle, çekirdekler dikkatli bir şekilde monte edilmelidir. Montajın ne kadar özenle yapıldığına bakılmaksızın, çekirdeğin nihai kalitesi her zaman gerilim giderme tavlanmış, kesilmemiş olandan daha düşüktür.

Genel olarak "öldürme faktörü" olarak adlandırılan kalite farkı, tane odaklı çeliğin nispi gerilim hassasiyetinden, imalattaki taşıma prosedüründen ve çekirdekteki hava boşluğunun homojenliği ve miktarından kaynaklanmaktadır. Transformatörün tasarım ve imalatının bir fonksiyonu olan son iki faktör, üretici tarafından en iyi kontrol edilen faktörlerdir. Çoğu çekirdek yaraları, 25 ila 500 kVA arasındaki dağıtım trafosu uygulamalarında kullanılır.

Yönlendirilmemiş silikon çeliklerin üretimi ve kullanımı

Yönlendirilmemiş silikon çelikler, özelliklerini geliştirmek için ikincil bir yeniden kristalleştirme işlemi kullanmazlar ve yüksek sıcaklıkta tavlama gerekli değildir. Bu nedenle, yönlendirilmiş kaliteler için gerekli olan gibi daha düşük bir silikon limiti gerekli değildir.

Yönlendirilmemiş kaliteler {{0}}.5 ile yüzde 3.25 arasında Si artı yüzde 0.5'e kadar Al içerir, direnci artırmak ve birincil yeniden kristalleşme sıcaklığını düşürmek için eklenir. Tane büyümesi oryantasyonsuz kalitelerde oldukça arzu edilir, ancak genellikle oryantasyonlu kalitelerden çok daha azdır.

Sıcak haddelenmiş şeridin işlenmesi, kalite odaklı olarak tarif edilene benzer. Yüzey koşullandırmadan sonra, şeritler tipik olarak doğrudan son ölçüye kadar soğuk haddelenir ve transformatör üreticisine iki koşuldan birinde satılır: tamamen işlenmiş veya yarı işlenmiş. Son soğuk haddelemeden sonra, şerit tavlanır, yüzde 0.005 veya daha düşük bir sıcaklığa kadar karbonsuzlaştırılır ve manyetik özellikler için gerekli tane yapısı geliştirilir. Daha sonra bobinin her iki ucundan numuneler alınır ve test edilir.

Tamamen işlenmiş oryantasyonsuz silikon çelikler genellikle aşağıdaki uygulamalarda kullanılır:

Miktarlar, tüketici tarafından stresin giderilmesini garanti edemeyecek kadar küçüktür veya

Levhalar o kadar büyüktür ki, 843 derecelik bir gerilim giderme tavlamasından sonra iyi bir fiziksel şekli korumak zor olacaktır.

Yönlendirilmemiş çelikler, yönlendirilmiş ürün kadar deformasyona duyarlı değildir. Sonuç olarak, manyetik kaliteyi düşürmesi gereken tek deformasyon etkisi kayma şekil değiştirmeleridir. Laminasyonlar genellikle büyük olduğundan, bu kayma deformasyonları tolere edilebilir. Tam olarak işlenmiş kalitelerin çoğu, rotorlar ve statorlar gibi uygulamalarda damgalı laminasyonlar olarak kullanılır.

Yönlendirilmemiş çelikler rastgele bir yönelime sahiptir. Genellikle AC motorlar, güç jeneratörleri ve alternatörler gibi büyük dönen ekipmanlarda kullanılırlar. Tam işlenmiş çelikler "tam" tavlamaya tabi tutulur (optimum manyetik kaliteyi geliştirmek için), bu da onları yarı işlenmiş ürünlere göre daha yumuşak ve delinmesi daha zor hale getirir. Daha yüksek alaşım içeriğine sahip kaliteler daha serttir ve bu nedenle delinmesi daha kolaydır.

Tamamen işlenmiş çeliklerde delme yeteneği, damgalama sırasında yağlayıcı olarak işlev gören ve taban ölçeğine bir miktar ek yalıtım sağlayan organik bir kaplama eklenerek geliştirilebilir. İyi bir interlaminasyon mukavemeti gerekiyorsa, taban kaplama ile tamamen işlenmiş malzeme satın alınabilir.

Yarı işlenmiş ürünler genellikle son soğuk haddelemeden sonra düşük sıcaklıkta karbonsuzlaştırma tavına tabi tutulur. Karbon, tamamen işlenmiş malzemede olduğu gibi mutlaka aynı seviyeye çıkarılmaz. Transformatör üreticisi daha sonra manyetik özellikleri daha fazla karbondan arındırmak ve geliştirmek için malzemeyi ıslak karbonsuzlaştırma atmosferinde tavlayacaktır. Fabrika dekarbürizasyon tavlamasından sonra numuneler alınır, kuponlar halinde kesilir, 843 derecede en az bir saat dekarburize edilir ve kangalın sınıflandırılması için test edilir.

Yarı işlenmiş oryantasyonsuz silikon çelikler, müşteri dekarbürizasyon tavlama uygulamaları için kullanılır. Genel olarak, bu ürünler iyi delme özelliklerine sahiptir ve küçük rotorlar, statorlar ve küçük güç transformatörleri gibi çeşitli uygulamalarda kullanılır. Yarı işlenmiş çelikler, oldukça yapışkan bir ölçekle veya pas üzerinde yalıtkan bir kaplama ile satın alınabilir. Organik kaplama, zımbalama sırasında bir yağlayıcı görevi görür, ancak gerilim giderme tavlama sıcaklıklarına dayanmaz; bu nedenle yarı işlenmiş malzemeye uygulanmaz.

Tablo 1. Farklı standartlarda belirtilen silikon çeliğin en önemli isimleri