El uso de acero al silicio

1. Áreas de aplicación principales
Las propiedades magnéticas blandas del acero al silicio lo convierten en el material central para la conversión electromagnética en los campos de la electricidad, la electrónica y los electrodomésticos. Se utiliza principalmente para fabricar dispositivos electromagnéticos como transformadores, motores, reactores y relés. Las aplicaciones específicas incluyen:
1. Industria energética
Transformador de potencia:
El núcleo de hierro de los grandes transformadores de potencia utilizados en centrales eléctricas y subestaciones requiere que el acero al silicio tenga bajas pérdidas de hierro (reduciendo la pérdida de potencia) y una alta intensidad de inducción magnética para mejorar la eficiencia del transformador y reducir la generación de calor.
Transformador de distribución:
El material del núcleo de hierro de los transformadores de distribución de bajo voltaje en las redes eléctricas urbanas debe tener en cuenta las bajas pérdidas y la economía.
2. Electrodomésticos y electrónica de consumo
Motor del compresor de aire acondicionado:
El núcleo de hierro del compresor de aire acondicionado de frecuencia variable utiliza acero al silicio de alta calidad (como acero al silicio no orientado laminado en frío de alta calidad), que requiere bajas pérdidas y alta intensidad de inducción magnética de saturación a alta frecuencia para mejorar la eficiencia energética.
Motor del compresor de refrigerador:
Los compresores silenciosos y de alta eficiencia requieren acero al silicio con bajas pérdidas por histéresis y buen rendimiento de procesamiento.
Transformador de horno de microondas:
El núcleo de hierro del pequeño transformador de alta frecuencia requiere que el acero al silicio mantenga bajas pérdidas en condiciones de alta frecuencia.
3. Motores industriales y equipos de accionamiento
Motores industriales:
Los núcleos del estator y el rotor de los motores asíncronos y los motores síncronos utilizan acero al silicio no orientado, que requiere alta permeabilidad magnética y bajas pérdidas para mejorar la eficiencia del motor (como los motores con estándar de eficiencia energética IE3/IE4).
Servomotores y accionamientos de precisión:
Los servomotores de equipos de precisión como máquinas herramienta CNC y robots requieren que el acero al silicio mantenga bajas pérdidas y alta velocidad de respuesta a altas frecuencias.
4. Nuevas energías y campos de ahorro de energía
Motores de accionamiento de vehículos de nueva energía:
Los núcleos de los motores de accionamiento de vehículos eléctricos (como los motores síncronos de imán permanente) utilizan acero al silicio no orientado de alta calidad, que requiere bajas pérdidas, alta densidad magnética de saturación y resistencia a campos magnéticos alternos de alta frecuencia para mejorar la resistencia y el rendimiento de potencia.
Aerogeneradores:
Los núcleos del generador de grandes equipos de energía eólica requieren acero al silicio con alta resistencia y bajas pérdidas para adaptarse al funcionamiento a largo plazo al aire libre.
Transformadores de ahorro de energía (escenarios de sustitución de aleaciones amorfas):
En algunos escenarios, el acero al silicio compite con las aleaciones amorfas, y el acero al silicio tiene más ventajas en la resistencia a sobrecargas y los costos de procesamiento.
5. Usos especiales
Militar y aeroespacial:
Los transformadores y núcleos de sensores especiales en equipos de radar y navegación requieren que el acero al silicio mantenga propiedades magnéticas estables en entornos extremos (como altas temperaturas y radiación fuerte).
Dispositivos electrónicos de alta frecuencia:
Por ejemplo, los núcleos de las fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) y los inversores utilizan acero al silicio delgado (como un grosor inferior a 0,15 mm) para reducir las pérdidas de alta frecuencia.
II. Clasificación y características del acero al silicio
Según el proceso de producción y las propiedades magnéticas, el acero al silicio se divide principalmente en dos categorías: acero al silicio no orientado y acero al silicio orientado. Las diferencias son las siguientes:
1. Acero al silicio no orientado
Características:
La orientación del grano en la lámina de acero al silicio se distribuye aleatoriamente, y las propiedades magnéticas son uniformes en todas las direcciones. Se utiliza principalmente en escenas con campos magnéticos alternos y direcciones de campo magnético variables (como núcleos de motor).
Denominación de grado:
Por lo general, se expresa como "W" (no orientado) + valor de pérdida de hierro + espesor, por ejemplo:
35W250: espesor 0,35 mm, valor de pérdida de hierro 2,5 W/kg (medido a 50 Hz, 1,5 T).
Los grados bajos (alta pérdida de hierro) se utilizan para motores ordinarios, y los grados altos (baja pérdida de hierro) se utilizan para motores de alta eficiencia y ahorro de energía.
Aplicaciones típicas:
Núcleos de estator/rotor de varios motores y generadores, como motores industriales, compresores de electrodomésticos y motores de accionamiento de vehículos de nueva energía.
2. Acero al silicio orientado
Características:
Mediante un proceso especial, los granos se disponen de forma ordenada a lo largo de la dirección de laminación (es decir, la dirección longitudinal de la lámina de acero al silicio), y la permeabilidad magnética a lo largo de la dirección de laminación es extremadamente alta y la pérdida de hierro es extremadamente baja, pero el rendimiento en la dirección vertical es deficiente. Se utiliza principalmente en escenarios de campo magnético fuerte unidireccional (como núcleos de transformador).
Tipo de subdivisión:
Acero al silicio orientado ordinario (GO):
Utilizado para transformadores de frecuencia industrial (50/60 Hz), como transformadores de distribución, con grados como 30Q120 (espesor 0,30 mm, pérdida de hierro 1,2 W/kg, medido a 50 Hz, 1,7 T).
Acero al silicio orientado de alta calidad (acero HiB, es decir, acero al silicio orientado de alta inducción magnética):
Mayor permeabilidad magnética y menor pérdida de hierro, utilizado en grandes transformadores de potencia (como transformadores de ultra alta tensión de 500 kV y superiores), grados como 23ZH105 (espesor 0,23 mm, pérdida de hierro 1,05 W/kg, medido a 400 Hz, 1,7 T).
Aplicaciones típicas:
Núcleos de transformadores de potencia, inductores mutuos y reactores, como transformadores de generadores grandes y transformadores de tracción ferroviaria de alta velocidad.
III. Indicadores de rendimiento clave
El rendimiento del acero al silicio afecta directamente a la eficiencia energética y la fiabilidad del equipo. Los indicadores principales incluyen:
Pérdida de hierro (P):
Pérdida de energía (W/kg) generada por la unidad de peso de acero al silicio en un campo magnético alterno. Cuanto menor sea, mejor, lo que determina la generación de calor y la eficiencia energética del equipo.
Los escenarios de baja frecuencia (50/60 Hz) se centran en P1.5/50 (pérdida de hierro a 1,5 T y 50 Hz);
Los escenarios de alta frecuencia (como los vehículos de nueva energía) se centran en P1.7/400 (pérdida de hierro a 1,7 T y 400 Hz).
Intensidad de inducción magnética (Bs):
Cuanto mayor sea la intensidad de inducción magnética de saturación, más compacto podrá ser el diseño del núcleo (como la reducción del número de vueltas) y mayor será la densidad de potencia.
Factor de apilamiento (SF):
La proporción del área de conducción magnética efectiva después de apilar las láminas de acero al silicio. Cuanto mayor sea la eficiencia del circuito magnético (el valor ideal está cerca de 1).
Espesor:
Cuanto menor sea el espesor, menor será la pérdida de alta frecuencia, pero mayor será el costo de procesamiento. Espesores comunes: 0,15 mm, 0,23 mm, 0,30 mm, 0,35 mm.
IV. Puntos clave del proceso de producción
El proceso de producción del acero al silicio es complejo, y la composición y la organización deben controlarse con precisión:
Fundición:
Se utiliza la fundición en horno eléctrico o convertidor para controlar estrictamente el contenido de silicio (para evitar la segregación), las impurezas (como el carbono, el azufre, el nitrógeno) y los elementos de aleación (como el aluminio y el manganeso).
Laminación:
Laminación en caliente: Se convierte en placas gruesas (como 2-3 mm), utilizadas para acero al silicio no orientado de baja calidad.
Laminación en frío: Se convierte en placas delgadas (como 0,15-0,65 mm) mediante múltiples laminaciones en frío. El acero al silicio orientado requiere procesos específicos de laminación en frío (como recocido de descarburación y recristalización secundaria) para que los granos crezcan de manera direccional.
Recocido:
Recocido de descarburación: Reducir el contenido de carbono (<0,003%) para evitar que los carburos afecten las propiedades magnéticas.
Recocido a alta temperatura: Promover el crecimiento de grano y reducir la pérdida de límite de grano (el acero al silicio orientado necesita formar una textura gaussiana).
Recubrimiento:
La superficie está recubierta con una capa aislante (como MgO, fosfato) para reducir la pérdida de corriente parásita entre láminas y proporcionar protección contra la oxidación.
V. Tendencias de desarrollo de la industria
Alta eficiencia y ahorro de energía:
La actualización del estándar global de eficiencia energética (como la UE IE4, China GB 18613-2020) promueve el crecimiento de la demanda de acero al silicio de alta calidad (como 50W350, 35W250).
Calibre delgado y alta frecuencia:
Escenarios de alta frecuencia como vehículos de nueva energía y energías renovables promueven el desarrollo de la tecnología de acero al silicio de calibre delgado (como por debajo de 0,15 mm).
Baja pérdida y baja contaminación:
Desarrollar un proceso de recocido a baja temperatura y una tecnología de recubrimiento sin cromo para acero al silicio no orientado para reducir el consumo de energía y la carga ambiental.
Competencia de materiales alternativos:
Las aleaciones amorfas (menor pérdida de hierro) reemplazan parcialmente el acero al silicio orientado en el campo de los transformadores de distribución, pero el acero al silicio todavía tiene ventajas en resistencia mecánica y costo de procesamiento.