فولاد الکتریکی یک ماده مغناطیسی نرم با خواص الکتریکی افزایش یافته است که به طور گسترده در کاربردهایی مانند رله های کوچک، شیر برقی، موتورهای الکتریکی، ژنراتورها و بسیاری از وسایل الکترومغناطیسی دیگر استفاده می شود. فولاد الکتریکی به فولاد سیلیکونی، فولاد ترانسفورماتور یا فولاد لمینیت نیز گفته می شود. عمدتاً در سیستم های توزیع نیروی برق و در صنایع خودروسازی استفاده می شود [1].
فولاد برق چیست؟
فولاد الکتریکی یک ماده فرومغناطیسی است که از آهن تشکیل شده و حاوی مقادیر مختلفی سیلیکون (Si) است که از 1٪ تا 6.5٪ متغیر است. توسعه فولادهای الکتریکی توسط دستگاه‌های الکتریکی که به فولادهایی نیاز دارند که می‌توانند اتلاف گرما را کاهش دهند، ایجاد شد، موضوعی که منجر به اتلاف انرژی می‌شود. آهن از نظر اقتصادی مناسب ترین گزینه است، اما ناخالصی های آن بهینه نیستند. مشخص شد که افزودن سیلیکون مقاومت را افزایش می دهد، نفوذپذیری را بهبود می بخشد و از دست دادن هیسترزیس را کاهش می دهد. پرکاربردترین فولاد الکتریکی موجود در بازار حاوی حدود 3.25٪ Si است زیرا محتوای سیلیکون بالاتر باعث می شود که مواد حاصل برای نورد سرد بسیار شکننده شود. فولاد الکتریکی با 6.5% Si دارای بیشترین خواص مغناطیسی و الکتریکی بهبود یافته است، اما برای غلبه بر شکنندگی و شکل پذیری محدود، فرآیندهای ترمومکانیکی بیشتری مورد نیاز است. [1] [2].
خواص فولاد برق
افزودن سیلیکون به آهن خواص فیزیکی فولادهای الکتریکی را تا حد زیادی بهبود می بخشد. فولادهای الکتریکی دارای خواص مطلوب زیر برای پشتیبانی از تولید، توزیع و مصرف برق هستند:
- نفوذپذیری بالا – افزایش ظرفیت برای پشتیبانی از میدان های مغناطیسی
- مغناطیسی کم – تمایل کم به انبساط یا انقباض در میدان های مغناطیسی
- مقاومت الکتریکی بالا – با کاهش مولفه جریان گردابی، تلفات هسته را کاهش می دهد
- کاهش تلفات پسماند – تلفات پسماند کم به معنای انرژی هدر رفته کمتر به شکل گرما ناشی از نیروی مغناطیسی متناوب است. [2]
انواع فولاد برق
فولاد الکتریکی کاملا فرآوری شده غیر جهت دار
فولاد الکتریکی غیر گرا و کاملا فرآوری شده دارای سطوح سیلیکونی متفاوتی است که از 0.5٪ تا 3.25٪ Si می باشد. دارای خواص مغناطیسی یکنواخت در همه جهات است. این نوع فولاد الکتریکی برای توسعه خواص خود به فرآیندهای تبلور مجدد نیاز ندارد. گریدهای آلیاژ سیلیکونی کم، نفوذپذیری مغناطیسی و هدایت حرارتی بهتری را ارائه می دهند. برای گریدهای آلیاژی بالا، عملکرد بهتر در فرکانس های بالا با تلفات بسیار کم انتظار می رود. این نوع برای مدارهای مغناطیسی در موتورها، ترانسفورماتورها و محفظه سیستم الکتریکی عالی است. این نوع کاملاً پردازش شده به دلیل یک فرآیند کامل بازپخت مشکلی در پانچ پذیری ایجاد می کند. پوشش های ارگانیک برای بهبود روانکاری در فرآیند پانچ اضافه می شوند [1].
فولاد الکتریکی نیمه فرآوری شده غیر جهت دار
فولادهای نیمه فرآوری شده الکتریکی غیر جهت دار عمدتاً فولاد آلیاژی غیرسیلیکونی هستند و پس از نورد سرد نهایی در دماهای پایین آنیل می شوند. با این حال، کاربر نهایی باید آنیل تنش‌زدایی نهایی را مطابق با کاربرد مورد نظر فولاد فراهم کند. پانچ پذیری این نوع فولادی الکتریکی بهتر از نوع کاملاً فرآوری شده غیر جهت دار است، بنابراین نیازی به پوشش های ارگانیک نیست. گریدهای نیمه فرآوری شده غیر گرا مواد اصلی خوبی برای روتورهای کوچک، استاتورها و ترانسفورماتورهای قدرت کوچک هستند. [3].
فولاد الکتریکی دانه گرا
فولادهای الکتریکی دانه گرا از آهن با محتوای 3 درصد Si با دانه هایی جهت دار برای ارائه نفوذپذیری بالا و اتلاف انرژی کم تشکیل شده اند. گریدهای دانه گرا دارای خواص کریستالوگرافی قوی هستند. این نوع تحت یک فرآیند تبلور مجدد قرار می گیرد که منجر به ساختار دانه ای پیشرفته می شود که خواص مغناطیسی بهتری را در جهت غلتش ورق از خود نشان می دهد. فولادهای دانه گرا بیشتر برای کاربردهای غیر چرخشی مانند ترانسفورماتور استفاده می شوند [4].
تولید فولاد برق
فولادهای الکتریکی معمولاً به طور مداوم ریخته می شوند یا در کوره های اکسیژن ذوب می شوند. سپس در حین عبور از خط فرآیند بازپخت و رسوب زدایی که در آن کثیفی و رسوب از سطح پاک می شود، نورد گرم می شوند. پس از آن، آنها را از طریق کاهش سرد، که در آن ضخامت فولاد کاهش یافته و با توجه به مشخصات کاربر نهایی اصلاح می شود. متعاقباً، محتوای کربن در فولاد با آنیل کربوهیدسازی کاهش می‌یابد که در آن رول فولادی در مخلوطی از هیدروژن، نیتروژن و بخار آب گرم می‌شود. سایر آلاینده ها مانند گوگرد نیز در این فرآیند حذف می شوند و در نتیجه مواد شکننده کمتری ایجاد می شود. برای فولاد نوع دانه گرا، سیم پیچ در حدود 1100 درجه سانتیگراد به منظور دستیابی به خواص مغناطیسی مورد نیاز و رشد دانه تحت یک آنیل سیم پیچ با دمای بالا (HTCA) قرار می گیرد. [5].
فولاد برق برای چه مواردی استفاده می شود؟
فولادهای الکتریکی، با عملکرد مغناطیسی مفید خود، در بسیاری از سیستم های الکتریکی حیاتی هستند. در زیر برخی از کاربردهایی که در آن از هسته های فولادی الکتریکی استفاده می شود آورده شده است [6]:
ماشین های دوار:
- موتورهای رانندگی وسایل نقلیه الکتریکی
- موتورهای هرمتیک
- موتورهای جریان متناوب (AC).
- موتورهای سرویس متناوب
ماشین های استاتیک:
- ترانسفورماتورهای قدرت و توزیع
- راکتورها و تقویت کننده های مغناطیسی
- ترانسفورماتورهای جوشکاری
- ترانسفورماتورهای صوتی
- ترانسفورماتورهای جریان
- سوئیچ ها و رله های مغناطیسی
- بالاست الکتریکی
[1] A. گلدمن، کتابچه راهنمای مواد فرومغناطیسی مدرن، بوستون: Springer Science & Media، 1999
[2] T. Ros-Yanez, Y. Houbaert, O. Fischer, J. Schneider, “تولید فولاد سیلیکونی بالا برای کاربردهای الکتریکی با پردازش حرارتی مکانیکی.” مجله فناوری پردازش مواد، جلد 143-144، دسامبر، صص 916-921، 2003.
[3] “فولاد برقی” تاستیل، nd [Online] موجود: https://www.tatasteeleurope.com/en/products/engineering/electrical-steel [Accessed Aug. 29, 2019]
[4] D. Raabe، “فولادهای الکتریکی – فولادهای ترانسفورماتور آهن-سیلیکون”، nd [Online]. موجود: http://www.dierk-raabe.com/electrical-steels-fe-3-si/ [Accessed Aug. 29, 2019]
[5] VL Bemmer، “ویژگی های فولادهای الکتریکی و پوشش های آنها”، پایان نامه دکتری، دانشگاه کاردیف، کاردیف، ولز، 2013.
[6] ” ورق های فولادی برق ” JFE Steel Corp، nd [Online] موجود: https://www.jfe-steel.co.jp/en/products/electrical/catalog/f1e-001.pdf [Accessed Aug. 29, 2019]