Acero eléctrico

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El acero eléctrico ( acero E, acero laminado , acero eléctrico al silicio , acero al silicio , acero para relés , acero para transformadores ) es un acero especial que se utiliza en los núcleos de dispositivos electromagnéticos como motores, generadores y transformadores porque reduce la pérdida de potencia. Es una aleación de hierro con silicio como principal elemento aditivo (en lugar de carbono). La fórmula exacta está diseñada para producir propiedades magnéticas específicas: área de histéresis pequeña que da como resultado una baja pérdida de potencia por ciclo, baja pérdida de núcleo y alta permeabilidad .

El acero eléctrico se fabrica generalmente en tiras laminadas en frío de menos de 2 mm de espesor. Estas tiras se cortan a la forma adecuada para formar láminas que se apilan entre sí para formar los núcleos laminados de los transformadores y el estator y el rotor de los motores eléctricos . Las láminas se pueden cortar a su forma final mediante un punzón y una matriz o, en cantidades más pequeñas, se pueden cortar con un láser o mediante mecanizado por descarga eléctrica de alambre .

El acero eléctrico es una aleación de hierro que puede tener entre 0 y 6,5 % de silicio (Si:5Fe). Las aleaciones comerciales suelen tener un contenido de silicio de hasta 3,2 % (concentraciones más altas dan lugar a fragilidad durante el laminado en frío). Se puede añadir manganeso y aluminio hasta en un 0,5 %. ^[1]

El silicio aumenta la resistividad eléctrica del hierro en un factor de aproximadamente 5; este cambio disminuye las corrientes de Foucault inducidas y estrecha el bucle de histéresis del material, reduciendo así la pérdida del núcleo en aproximadamente tres veces en comparación con el acero convencional. ^{[1] [2]} Sin embargo, la estructura del grano endurece y fragiliza el metal; este cambio afecta negativamente la trabajabilidad del material, especialmente al laminar. Al alearse, la contaminación debe mantenerse baja, ya que los carburos , sulfuros , óxidos y nitruros , incluso en partículas tan pequeñas como un micrómetro de diámetro, aumentan las pérdidas por histéresis al mismo tiempo que disminuyen la permeabilidad magnética . La presencia de carbono tiene un efecto más perjudicial que el azufre o el oxígeno. El carbono también causa envejecimiento magnético cuando abandona lentamente la solución sólida y precipita como carburos, lo que resulta en un aumento de la pérdida de potencia con el tiempo. Por estas razones, el nivel de carbono se mantiene en 0,005% o menos. El nivel de carbono se puede reducir recociendo la aleación en una atmósfera descarburante , como el hidrógeno . ^{[1] [3]}

• Punto de fusión : ~1500 °C (ejemplo para un contenido de silicio de ~3,1 %) ^[9]
• Densidad : 7,650 kg/m3 ⁽ ejemplo para un contenido de silicio del 3%)
• Resistividad (contenido de silicio del 3 %): 4,72×10 ⁻⁷ Ω·m (a modo de comparación, resistividad del hierro puro: 9,61×10 ⁻⁸ Ω·m)

El acero eléctrico fabricado sin un procesamiento especial para controlar la orientación de los cristales, el acero no orientado , generalmente tiene un nivel de silicio de 2 a 3,5% y tiene propiedades magnéticas similares en todas las direcciones, es decir, es isotrópico . El acero no orientado al grano laminado en frío a menudo se abrevia como CRNGO.

El acero eléctrico de grano orientado suele tener un nivel de silicio del 3% (Si:11Fe). Se procesa de tal manera que las propiedades óptimas se desarrollan en la dirección de laminado, debido a un control estricto (propuesto por Norman P. Goss ) de la orientación del cristal con respecto a la chapa. La densidad de flujo magnético aumenta un 30% en la dirección de laminado de la bobina, aunque su saturación magnética disminuye un 5%. Se utiliza para los núcleos de transformadores de potencia y distribución , el acero de grano orientado laminado en frío a menudo se abrevia como CRGO.

El acero CRGO suele suministrarse por las plantas productoras en forma de bobinas y debe cortarse en "laminaciones", que luego se utilizan para formar un núcleo de transformador, que es una parte integral de cualquier transformador. El acero de grano orientado se utiliza en grandes transformadores de potencia y distribución y en ciertos transformadores de salida de audio. ^[10]

El CRNGO es menos costoso que el CRGO. Se utiliza cuando el costo es más importante que la eficiencia y para aplicaciones donde la dirección del flujo magnético no es constante, como en motores eléctricos y generadores con partes móviles. Se puede utilizar cuando no hay suficiente espacio para orientar los componentes y aprovechar las propiedades direccionales del acero eléctrico de grano orientado.

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  Dominios magnéticos y paredes de dominio en acero al silicio orientado (imagen realizada con CMOS-MagView)
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  Dominios magnéticos y paredes de dominio en acero al silicio orientado (imagen realizada con CMOS-MagView)
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  Dominios magnéticos y paredes de dominio en acero al silicio no orientado (imagen realizada con CMOS-MagView)

Este material es un vidrio metálico preparado vertiendo aleación fundida sobre una rueda giratoria refrigerada, que enfría el metal a una velocidad de aproximadamente un megakelvin por segundo, tan rápido que no se forman cristales. El acero amorfo está limitado a láminas de aproximadamente 50 μm de espesor. Las propiedades mecánicas del acero amorfo dificultan las laminaciones de estampación para motores eléctricos. Dado que la cinta amorfa se puede moldear a cualquier ancho específico por debajo de aproximadamente 13 pulgadas y se puede cortar con relativa facilidad, es un material adecuado para núcleos de transformadores eléctricos bobinados. En 2019, el precio del acero amorfo fuera de los EE. UU. es de aproximadamente $ 0,95 / libra en comparación con el acero orientado al grano HiB que cuesta aproximadamente $ 0,86 / libra. Los transformadores con núcleos de acero amorfo pueden tener pérdidas de núcleo de un tercio de las de los aceros eléctricos convencionales.

El acero eléctrico suele estar recubierto para aumentar la resistencia eléctrica entre las láminas, reducir las corrientes parásitas, proporcionar resistencia a la corrosión o al óxido y actuar como lubricante durante el troquelado . Existen varios recubrimientos, orgánicos e inorgánicos , y el recubrimiento utilizado depende de la aplicación del acero. ^[11] El tipo de recubrimiento seleccionado depende del tratamiento térmico de las láminas, de si la lámina terminada se sumergirá en aceite y de la temperatura de trabajo del aparato terminado. Una práctica muy temprana era aislar cada lámina con una capa de papel o una capa de barniz, pero esto reducía el factor de apilamiento del núcleo y limitaba la temperatura máxima del núcleo. ^[12]

La norma ASTM A976-03 clasifica diferentes tipos de recubrimiento para acero eléctrico. ^[13]

La permeabilidad relativa típica (μ _r ) del acero eléctrico es de 4.000 a 38.000 veces la del vacío, en comparación con 1,003 a 1.800 para el acero inoxidable. ^{[15] [16] [17]}

Las propiedades magnéticas del acero eléctrico dependen del tratamiento térmico , ya que al aumentar el tamaño promedio de los cristales se reduce la pérdida por histéresis. La pérdida por histéresis se determina mediante un comprobador de Epstein estándar y, para los grados comunes de acero eléctrico, puede oscilar entre 2 y 10 vatios por kilogramo (1 a 5 vatios por libra) a 60 Hz y una intensidad de campo magnético de 1,5 tesla .

El acero eléctrico se puede entregar en un estado semiprocesado de modo que, después de perforar la forma final, se pueda aplicar un tratamiento térmico final para formar el tamaño de grano de 150 micrómetros normalmente requerido. El acero eléctrico completamente procesado se entrega generalmente con un revestimiento aislante , tratamiento térmico completo y propiedades magnéticas definidas, para aplicaciones en las que el punzonado no degrada significativamente las propiedades del acero eléctrico. La flexión excesiva, el tratamiento térmico incorrecto o incluso la manipulación brusca pueden afectar negativamente las propiedades magnéticas del acero eléctrico y también pueden aumentar el ruido debido a la magnetostricción . ^[12]

Las propiedades magnéticas del acero eléctrico se prueban utilizando el método de marco de Epstein, estándar internacional . ^[18]

El tamaño de los dominios magnéticos en las láminas de acero eléctrico se puede reducir rayando la superficie de la lámina con un láser o mecánicamente. Esto reduce en gran medida las pérdidas por histéresis en el núcleo ensamblado. ^[19]

El acero eléctrico de grano no orientado (NGOES) se utiliza principalmente en equipos rotativos, por ejemplo, motores eléctricos, generadores y convertidores de alta y alta frecuencia. El acero eléctrico de grano orientado (GOES), por otro lado, se utiliza en equipos estáticos como transformadores. ^[20]

• Ferrosilicio , material de partida para el acero al silicio

• Vídeo sobre el movimiento dinámico de dominios: YouTube
• Resumen de los aceros al silicio