[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Mariusz NAJGEBAUER, Krzysztof CHWASTEK, Jan SZCZYGŁOWSKI
Politechnika Częstochowska, Instytut Elektroenergetyki
Blachy elektrotechniczne o wysokiej zawartości krzemu
- właściwości i zastosowanie
Streszczenie.
W pracy przedstawiono technologię produkcji oraz właściwości magnetyczne blach elektrotechnicznych o wysokiej zawartości
krzemu, na przykładzie blachy 6,5% Si-Fe otrzymywanej w procesie nakrzemiania chemicznego CVD. Właściwości blach wysokokrzemowych
zostały porównane z właściwościami klasycznych blach elektrotechnicznych oraz taśm amorficznych. Zaprezentowano również obszary zastosowań
omawianych blach 6,5% Si-Fe.
Abstract. (Electrical steel sheets with high silicon content - properties and applications).
In this paper a production technology and magnetic
properties of electrical steel sheets with high silicon content were presented, on example of 6,5% Si-Fe steel obtained in Chemical Vapor Deposition
(CVD) process. Properties of high-silicon steel were compared with properties of conventional steel sheets, as well as with amorphous a/loys. A
scope of application of 6,5% Si-Fe steel sheets was also presented..
Słowa kluczowe:
blachy wysokokrzemowe 6,5% Si-Fe, nakrzemianie chemiczne CVD, straty energii, redukcja hałasu.
Keywords:
high silicon steel, electrical steel, power losses.
Wprowadzenie
Rozwój inżynierii materiałów magnetycznych
obserwowany w ostatnich latach przebiega w dwóch
równoległych nurtach. Część ośrodków naukowo-
przemysłowych prowadzi badania nad nowymi jakościowo
materiałami magnetycznymi - taśmami amorficznymi i
nanokrystalicznymi, otrzymywanymi w procesach kontrolo-
wanej krystalizacji ciekłego stopu metalu. Równocześnie
opracowywane są nowe technologie mające na celu
poprawę właściwości klasycznych miękkich materiałów
magnetycznych, czyli blach elektrotechnicznych.
Rezultatem tych badań są materiały o wysokiej zawartości
krzemu - blachy elektrotechniczne 6,5% Si-Fe.
blachy elektrotechnicznej 3% Si-Fe, co przedstawia rysunek
1. Pierwszy etap obejmuję obróbkę termiczną materiału w
atmosferze SiCU. W następstwie reakcji chemicznej:
(D
5Fe + SiCl
4
->
Fe
3
Si + 2FeCl
2
na powierzchni materiału tworzy się warstwa
Fe
3
Si.
W
kolejnym etapie, podczas powtórnego wygrzewania w
atmosferze czystego wodoru, atomy krzemu dyfundują z
wysokokrzemowej warstwy powierzchniowej w głąb ma-
teriału. Otrzymany materiał charakteryzuje się równomier-
nym rozkładem atomów krzemu w całej objętości [1,3-5].
Etap!
SiCL, FeCN
"
\ Reakcjay^-'
4
Utap II
Rozwój technologii blach elektrotechnicznych
Blachy elektrotechniczną są obecnie najczęściej
wykorzystywanym materiałem magnetycznym. Przez wiele
lat prowadzone były badania mające na celu poprawę ich
właściwości magnetycznych, takich jak indukcja nasycenia,
przenikalność magnetyczna, jak również obniżenie straty
energii. Zastosowanie na przestrzeni wielu lat różnych
procesów technologicznych pozwoliło na poprawę tych
parametrów. Uzyskanie w blasze struktury Gossa, czyli
uporządkowanego ułożenia krystalitów poprzez walcowanie
na zimno, umożliwiło zmniejszenie strat i zwiększenie
indukcji nasycenia w kierunku walcowania blachy. Dalsza
poprawa parametrów blach elektrotechnicznych została
osiągnięta poprzez zwiększenie czystości stopu, a tym
samym poprawę struktury domenowej - blachy Hi-B [1,2].
Alternatywnie pracowano nad ograniczeniem strat energii
poprzez zwiększenie zawartości krzemu w stopie. Jednak
wzrost zawartości krzemu powyżej 4% powodował
kruchość materiału, co znacznie utrudniało jego dalszą
obróbkę klasycznymi metodami [1-3]. Dzięki zastosowaniu
złożonych procesów technologicznych możliwa stała się
produkcja wysokokrzemowych blach elektrotechnicznych
6,5% Si-Fe.
D y fu/1 a
Wysoka temperatura
Grubość
\\ \soLa ttmper-itura
A Grubość
A Grubość
Grubość
• 3«.Si
HB
>.
B^^Hhk.
-p.
Si
Si
Rys.1. Etapy produkcji blachy 6,5% Si-Fe w procesie nakrzemiania
chemicznego CVD [1]
Czas nakrzemiania, niezbędny do uzyskania
równomiernego rozkładu atomów krzemu w blasze, wynosi
nawet do kilkunastu godzin. Japońska firma NKK
Corporation opracowała w 1993 roku linię technologiczną
ciągłego nakrzemiania CVD, której konfigurację
przedstawia rysunek 2. Zastosowanie opracowanego przez
Japończyków rozwiązania pozwoliło znacząco skrócić czas
nakrzemiania, a tym samym umożliwiło produkcję blachy o
zawartości krzemu 6,5% na skalę przemysłową. Obecnie tą
metodą wytwarzane są blachy o grubościach 0,05 - 0,30
mm [3,4].
Wysokokrzemowe blachy 6,5% Si-Fe otrzymywane w
procesie nakrzemiania chemicznego CVD
Wysokokrzemowe blachy elektrotechniczne 6,5% Si-Fe
mogą być wytwarzane w różnymi technikami. Najbardziej
efektywną technologią produkcji cienkich blach jest
opracowany w Japonii proces nakrzemiania chemicznego
CVD (Chemical Vapor Deposition) [1-4].
Produkcja blachy wysokokrzemowej metodą CVD
przebiega w 2-etapowym procesie, w wyniku którego
następuje wzbogacenie w krzem walcowanej na zimno
Właściwości blach elektrotechnicznych 6,5% Si-Fe
Blachy elektrotechniczne o zawartości krzemu 6,5%
mają bardzo dobre właściwości magnetyczne, zwłaszcza
niską stratność i niemal zerową magnetostrykcję.
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY R. 80 NR 12/2004
1225
Czujnik Si
Pomiar grubości
Nakrzemianie
Regulacja naciągu
Naciąg taśmy
Schładzanie
Nagrzewanie
Naciąg taśmy
Powlekanie
Piec
6,5% Si-Fe
Oczyszczanie
Rys.2. Schemat linii technologicznej ciągłego nakrzemiania CVD firmy NKK [1
,3-4]
Jest to wynikiem zwiększenia zawartości krzemu w ich
składzie chemicznym, co jednakże wpływa niekorzystnie na
niektóre właściwości blachy. Parametry blachy 6,5% Si-Fe,
w porównaniu z blachą anizotropową
oraz taśmą
Na rysunku 4 przedstawiono zależność strat energii
blachy wysokokrzemowej w funkcji częstotliwości, w
porównaniu z innymi, powszechnie stosowanymi
materiałami magnetycznymi. Należy zwrócić uwagę, że
stratność blachy 6,5% Si-Fe jest większa od taśmy
amorficznej, lecz jednocześnie znacząco niższa od blachy
anizotropowych 3% Si-Fe, zwłaszcza w zakresie wyższych
częstotliwości (tab.1).
amorficzną, zostały przestawione w tabeli 1.
Tabela 1. Podstawowe właściwości wybranych materiałów
magnetycznie miękkich [1,3-4]
Grubość
[mm]
Rezysty
wność
[uflm]
Indukcja
[T]
Stratność [W/kg]
Indukcja nasycenia
Blachy 6,5% Si-Fe
mają strukturę mikro-
krystaliczną, charakte-
ryzującą się ziarnami o
wielkości rzędu 0,1-
10 urn. Struktura do-
menowa tych mate-
riałów jest więc bardzo
rozdrobniona. Wpływa
to niekorzystnie na
wartość indukcji nasy-
cenia, ze względu na
brak możliwości jedno-
litego uporządkowania
ziaren. Dodatkowo, zwiększony udział w blasze pierwiastka
nieferromagnetycznego (krzemu) powoduje również
obniżenie wartości indukcji nasycenia [1]. Wartość indukcji
nasycenia dla blachy 6,5% Si-Fe wynosi ok. 1,3 T (tab.1).
Przenikał
ność )_i
ma
x
Magnetostr
ykcja Xi 0/400
(x10~
6
)
Materiał
w,„/
l
k
18,8
18,7
26,6
39,6
18,5
23,5
35,0
55,0
(x10
3
)
16
23
32
28
W 1.0/50
0,69
0,51
0,44
0,49
0,80
0,72
0,29
0,40
WL 0/400
W 0.1/10 k
5,2
8,3
15,7
20,8
7,1
18,0
30,0
47,0
Blacha
6,5% Fe-Si
0,05
0,10
0,20
0,30
0,05
0,10
0,23
0,35
0,82
1,28
1,29
1,29
1,30
1,79
1,85
1,92
1,93
6,5
5,7
6,8
9,0
7,2
7,2
7,8
12,3
0,1
Blacha
anizotropową
3% Si-Fe
Taśma
amorficzna
na bazie Fe
0,48
24
92
94
-0,8
0,03
1,30
1,38
0,11
1,5
5,5
3,6
300
27,0
Straty energii
Proces nakrzemiania CVD wzbogaca blachę
elektrotechniczną w krzem, w wyniku czego następuje
prawie 2-krotny wzrost jej rezystywność (do wartości 0,82
jiSm), w porównaniu z blachą anizotropową, dla której
rezystywność wynosi 0,48 u!2m [1,3-4]. Powoduje to
znaczne obniżenie start energii w materiale (rys.3).
'3% Si, 0.23 mm
B = l T
6,5% Si, 0.20 mm
25
20-
3% Si, 0.10 mm
15
6,5% Si, 0.10 mm
§
l
•*J
Ifl
10
Taśma amorficzna, 0.03 mm
200
400 600 800
Częstotliwość f [Hz]
1000
1200
Rys.4. Stratność materiałów magnetycznych (opracowanie własne
na podstawie literatury)
:o' ' ' 'W ' ' 'sfio'
Częstotliwość f [Hz]
Magnetostrykcja
Zjawisko magnetostrykcji jest odpowiedzialne za
wytwarzanie hałasu w przemagnesowywanym obwodzie
magnetycznym. Blachy elektrotechniczne 6,5% Si-Fe
posiadają niemal zerową magnetostrykcję As = 0,1-10'
6
.
Rys.3. Wpływ procesu nakrzemiania CVD na starty energii
blachach elektrotechnicznych [2,7]
1226
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY R. 80 NR 12/2004
Dzięki tej właściwości obwody magnetyczne wykonane z
blach 6,5% Si-Fe charakteryzują się bardzo niskim
poziomem emitowanego hałasu, w porównaniu z
materiałami krystalicznymi. Pomiary przeprowadzone dla
rdzeni transformatorów wykazują, że wykonanie rdzenia z
blachy wysokokrzemowej obniża poziomu emitowanego
hałasu o 10-25dB, w szczególności przy wyższych
częstotliwościach [1,5-6], co prezentują rysunki 5 i 6.
wzrostem częstotliwości, następuje redukcja masy - nawet
do 50% [1,5-6].
Tabela 2. Porównanie masy i emitowanego hałasu transformatorów
o różnym materiale rdzenia
[5]
Transformator
z rdzeniem z blachy
orientowanej
Transformator
z rdzeniem z blachy
6,5% Si-Fe
Blacha orientowana 3% Si -Fe
Typ: 200 kVA, f = 400 Hz
Masa:
- całkowita
- rdzenia
- uzwojeń
Hałas
M
S
80
550 kg
320 kg
160kg
80 dB
420 kg
250kg
125 kg
70 dB
01
«£
70
60
50
Blacha 6,5% Si-Fe
Typ: 135kVA, f = 2 kHz
40
Masa:
- całkowita
- rdzenia
- uzwojeń
Hałas
225 kg
119 kg
72 kg
64 dB
113 kg
48 kg
38 kg
64 dB
30
O
0,2 0,4 0,6
Indukcja magnetyczna B [T]
0,8
Ze uwagi na bardzo niską magnetostrykcję, blachy 6,5%
Si-Fe o grubości 0,05 mm mogą być także z powodzeniem
stosowane do produkcji rdzeni zwijanych ciętych.
Niekorzystny wpływ magnetostrykcji w procesie formowania
rdzenia ciętego jest w tych materiałach pomijalny, w
przeciwieństwie do taśm amorficznych [4].
Rys.5. Poziom hałasu transformatorów testowych z rdzeniami
wykonanymi z blachy 6,5% Si-Fe i blachy orientowanej 3% Si-Fe (f
= 1 kHz)
[5]
80
Podsumowanie
Wysokokrzemowe blachy elektrotechniczne 6,5% Si-Fe
otrzymywane w procesie nakrzemiania CVD mają bardzo
dobre właściwości magnetyczne, zwłaszcza w zakresie
wyższych częstotliwości (0,4-10 kHz). Rozwój technologii
ich produkcji jest odpowiedzią na rosnące wymagania
stawiane urządzeniom elektrycznym w zakresie ograni-
czania strat energii, wymiarów oraz poziomu emitowanego
przez nie hałasu.
.S 70
es
K
60
Blacha
6,5%
Si-Fe
Blacha anizotropowa
3% Si-Fe
LITERATURA
[1] Soiński M., Magnetycznie miękkie taśmy mikrokrystaliczne
6,5% Si-Fe i ich zastosowanie.
Wiadomości Elektrotechniczne,
(1999), nr 11, 594-599
[2] Fiorillo F., Advances in Fe-Si properties and their
interpretation.
Journal of Magnetism and Magnetic Materials,
(1996), No 157/158, 428-431
[3] Yamaji T. i in., Magnetic properties and workability of 6.5%
silicon steel sheet manufactured in continuous CVD siliconizing
linę.
Journal of Magnetism and Magnetic Materia/s,
(1994), No
133, 187-189
[4] Haiji H. i in., Magnetic properties and workability of 6.5% Si
steel sheet.
Journal of Magnetism and Magnetic Materials,
(1996), No 160, 109-114
[5] Tanaka Y. i in., Application of 6,5% Si Steel Sheet to Audio
Frequency Transformers.
NNK Technical Review,
(1990), No.
60,9-15
[6] Ninomiya H. i in., Magnetostriction of 6.5% Si Steel Sheets.
IEEE Transaction on Magnetic in Japan,
6 (1991), , No. 3,
208-213
[7] Crottier-Combe S. i in., The Magnetic Properties of Fe-Si
6.5 wt% alloys obtained by a SiCU-based CVD process.
Journal of Magnetism and Magnetic Materia/s,
(1996), No 160,
151-153.
Rys.6. Hałas emitowany przez transformator energetyczny 200
kVA przy częstotliwości f = 0,4 kHz, dla różnych materiałów rdzenia
[1]
Zastosowanie blach elektrotechnicznych 6,5% Si-Fe
Bliska zeru magnetostrykcja oraz mniejsza stratność
materiałów 6,5% Si-Fe, w porównaniu z blachami
anizotropowymi, stwarza szerokie możliwości ich
wykorzystania. Materiały te są głównie stosowane do
produkcji rdzeni pakietowanych dla urządzeń pracujących
przy podwyższonych częstotliwościach (energoelektronika),
jak również w urządzeniach, dla których wymagana jest
redukcja emitowanego hałasu. Typowe zastosowania blach
elektrotechnicznych 6,5% Si-Fe obejmują m. in.:
zasilacze przekształtnikowe,
przekształtniki MOS-FET,
silniki elektryczne z modulacją PWM,
transformatory separujące,
zasilacze UPS,
systemy klimatyzacji,
dławiki energetyczne,
układy zasilania grzania indukcyjnego,
układy zasilania kolei elektrycznej [1,4-5].
Zastosowanie blachy 6,5% Si-Fe na obwody
magnetyczne urządzeń elektrycznych przy podwyższonych
częstotliwościach przynosi dodatkowe korzyści w postaci
zmniejszenia masy urządzenia - tabela 2. Wraz ze
Autorzy:
mgr inż. Mariusz Najgebauer, mgr inż. Krzysztof
Chwastek, prof. dr hab. inż. Jan Szczygłowski, Politechnika
Częstochowska, Instytut Elektroenergetyki, al. Armii Krajowej 17,
42-200 Częstochowa, e-mail: naiaebauer@el.Dcz. czest.pl,
krzych @el.pcz. czest.pl, jszczyg @el.ócz, czest.pl
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY R. 80 NR 12/2004
1227
[ Pobierz całość w formacie PDF ]