Использование кремниевой стали

1. Основные области применения
Благодаря своим мягким магнитным свойствам кремнистая сталь является основным материалом для электромагнитного преобразования в электротехнике, электронике и бытовой технике. Она в основном используется для производства электромагнитных устройств, таких как трансформаторы, двигатели, реакторы и реле. Конкретные области применения включают в себя:
1. Энергетика
Силовые трансформаторы:
Железное сердечник больших силовых трансформаторов, используемых на электростанциях и подстанциях, требует кремнистой стали с низкими потерями железа (снижение потерь мощности) и высокой интенсивностью магнитной индукции для повышения эффективности трансформатора и снижения тепловыделения.
Распределительные трансформаторы:
Материал сердечника низковольтных распределительных трансформаторов в городских электросетях должен учитывать низкие потери и экономичность.
2. Бытовая техника и потребительская электроника
Двигатель компрессора кондиционера:
В железном сердечнике компрессора кондиционера с частотным регулированием используется высококачественная кремнистая сталь (например, высококачественная холоднокатаная неорентированная кремнистая сталь), которая требует низких потерь и высокой интенсивности магнитной индукции насыщения на высоких частотах для повышения энергоэффективности.
Двигатель компрессора холодильника:
Бесшумные и высокоэффективные компрессоры требуют кремнистой стали с низкими потерями на гистерезис и хорошими технологическими свойствами.
Трансформатор микроволновой печи:
Маленький высокочастотный трансформаторный сердечник требует кремнистой стали для поддержания низких потерь в условиях высокой частоты.
3. Промышленные двигатели и приводная техника
Промышленные двигатели:
Сердечники статора и ротора асинхронных и синхронных двигателей используют неорентированную кремнистую сталь, которая требует высокой магнитной проницаемости и низких потерь для повышения эффективности двигателя (например, двигатели с энергоэффективностью IE3/IE4).
Серводвигатели и прецизионные приводы:
Серводвигатели прецизионного оборудования, такого как станки с ЧПУ и роботы, требуют кремнистой стали для поддержания низких потерь и высокой скорости отклика на высоких частотах.
4. Новые энергетические и энергосберегающие области
Приводные двигатели электромобилей:
Сердечники приводных двигателей электромобилей (например, синхронных двигателей с постоянными магнитами) используют высококачественную неорентированную кремнистую сталь, которая требует низких потерь, высокой плотности магнитного насыщения и устойчивости к высокочастотным переменным магнитным полям для повышения выносливости и мощностных характеристик.
Ветрогенераторы:
Сердечники генераторов крупных ветроэнергетических установок требуют кремнистой стали с высокой прочностью и низкими потерями для адаптации к длительной работе на открытом воздухе.
Энергосберегающие трансформаторы (варианты замены аморфного сплава):
В некоторых случаях кремнистая сталь конкурирует с аморфными сплавами, и кремнистая сталь имеет больше преимуществ в отношении перегрузочной способности и технологических затрат.
5. Специальные применения
Военная и аэрокосмическая промышленность:
Специальные трансформаторы и сердечники датчиков в радиолокационном и навигационном оборудовании требуют кремнистой стали для поддержания стабильных магнитных свойств в экстремальных условиях (например, при высокой температуре и сильном излучении).
Высокочастотные электронные устройства:
Например, сердечники импульсных источников питания (ИИП) и инверторов используют тонкую кремнистую сталь (например, толщиной менее 0,15 мм) для уменьшения высокочастотных потерь.
II. Классификация и характеристики кремнистой стали
В зависимости от технологического процесса и магнитных свойств кремнистая сталь в основном делится на два типа: неорентированная кремнистая сталь и ориентированная кремнистая сталь. Различия следующие:
1. Неорентированная кремнистая сталь
Характеристики:
Ориентация зерен в листе кремнистой стали распределена случайным образом, и магнитные свойства однородны во всех направлениях. Она в основном используется в ситуациях с переменными магнитными полями и изменяющимися направлениями магнитного поля (например, сердечники двигателей).
Обозначение марки:
Обычно обозначается как "W" (неорентированная) + значение потерь железа + толщина, например:
35W250: толщина 0,35 мм, значение потерь железа 2,5 Вт/кг (измерено при 50 Гц, 1,5 Т).
Низкие марки (высокие потери железа) используются для обычных двигателей, а высокие марки (низкие потери железа) - для высокоэффективных и энергосберегающих двигателей.
Типичные области применения:
Сердечники статора/ротора различных двигателей и генераторов, таких как промышленные двигатели, компрессоры бытовой техники и приводные двигатели электромобилей.
2. Ориентированная кремнистая сталь
Характеристики:
Благодаря специальному процессу зерна упорядочены вдоль направления прокатки (т.е. вдоль направления листа кремнистой стали), и магнитная проницаемость вдоль направления прокатки чрезвычайно высока, а потери железа чрезвычайно низки, но характеристики в перпендикулярном направлении плохие. Она в основном используется в ситуациях с однонаправленным сильным магнитным полем (например, сердечники трансформаторов).
Подтипы:
Обычная ориентированная кремнистая сталь (GO):
Используется для трансформаторов промышленной частоты (50/60 Гц), таких как распределительные трансформаторы, с такими марками, как 30Q120 (толщина 0,30 мм, потери железа 1,2 Вт/кг, измерено при 50 Гц, 1,7 Т).
Высококачественная ориентированная кремнистая сталь (HiB сталь, т.е. ориентированная кремнистая сталь с высокой магнитной индукцией):
Более высокая магнитная проницаемость и более низкие потери железа, используется в больших силовых трансформаторах (например, сверхвысоковольтных трансформаторах 500 кВ и выше), марки, такие как 23ZH105 (толщина 0,23 мм, потери железа 1,05 Вт/кг, измерено при 400 Гц, 1,7 Т).
Типичные области применения:
Сердечники силовых трансформаторов, взаимных индуктивностей и реакторов, таких как трансформаторы больших генераторов и тяговые трансформаторы высокоскоростных железных дорог.
III. Ключевые показатели эффективности
Характеристики кремнистой стали напрямую влияют на энергоэффективность и надежность оборудования. Ключевые показатели включают в себя:
Потери железа (P):
Потери энергии (Вт/кг), выделяемые единицей массы кремнистой стали в переменном магнитном поле. Чем ниже, тем лучше, что определяет тепловыделение и энергоэффективность оборудования.
В низкочастотных (50/60 Гц) сценариях фокусируются на P1.5/50 (потери железа при 1,5 Т и 50 Гц);
В высокочастотных сценариях (например, электромобили) фокусируются на P1.7/400 (потери железа при 1,7 Т и 400 Гц).
Интенсивность магнитной индукции (Bs):
Чем выше интенсивность магнитной индукции насыщения, тем компактнее может быть конструкция сердечника (например, уменьшение числа витков) и тем выше плотность мощности.
Коэффициент заполнения (SF):
Доля эффективной магнитопроводимой площади после укладки листов электротехнической стали. Чем выше эффективность магнитной цепи (идеальное значение близко к 1).
Толщина:
Чем меньше толщина, тем ниже высокочастотные потери, но тем выше стоимость обработки. Распространенные толщины: 0,15 мм, 0,23 мм, 0,30 мм, 0,35 мм.
IV. Ключевые моменты производственного процесса
Производственный процесс электротехнической стали сложен, и состав, и структура должны быть точно контролируемыми:
Плавка:
Для плавки используется электропечь или конвертер, при этом строго контролируется содержание кремния (для предотвращения ликвации), примесей (таких как углерод, сера, азот) и легирующих элементов (таких как алюминий и марганец).
Прокатка:
Горячая прокатка: Изготавливаются толстые листы (например, 2-3 мм), используемые для низкосортной не ориентированной электротехнической стали.
Холодная прокатка: Изготавливаются тонкие листы (например, 0,15-0,65 мм) путем многократной холодной прокатки. Ориентированная электротехническая сталь требует специальных процессов холодной прокатки (таких как отжиг для обезуглероживания и вторичная рекристаллизация), чтобы зерна росли направленным образом.
Отжиг:
Отжиг для обезуглероживания: уменьшение содержания углерода (<0,003%) для предотвращения влияния карбидов на магнитные свойства.
Высокотемпературный отжиг: способствует росту зерна и уменьшает потери на границах зерен (ориентированная электротехническая сталь должна образовывать гауссову текстуру).
Покрытие:
Поверхность покрывается изолирующим слоем (например, MgO, фосфат) для уменьшения потерь на вихревые токи между листами и обеспечения защиты от коррозии.
V. Тенденции развития отрасли
Высокая эффективность и энергосбережение:
Глобальное повышение стандартов энергоэффективности (например, EU IE4, Китай GB 18613-2020) стимулирует рост спроса на высококачественную электротехническую сталь (например, 50W350, 35W250).
Малая толщина и высокая частота:
Высокочастотные сценарии, такие как электромобили и возобновляемые источники энергии, стимулируют развитие технологии тонколистовой электротехнической стали (например, менее 0,15 мм).
Низкие потери и низкое загрязнение:
Разработка низкотемпературного процесса отжига и технологии безхромового покрытия для не ориентированной электротехнической стали для снижения энергопотребления и экологической нагрузки.
Конкуренция альтернативных материалов:
Аморфные сплавы (более низкие потери на железо) частично заменяют ориентированную электротехническую сталь в области распределительных трансформаторов, но электротехническая сталь по-прежнему имеет преимущества в механической прочности и стоимости обработки.