Produktstatus och utvecklingstrender för orienterat elektriskt stål (kiselstål)

Övergripande utvecklingsriktningar för Oriented Electrical Steel

Spannmåls-orienterat elektriskt stål, vanligtvis kallat orienterat kiselstål, är kärnmaterialet i krafttransformatorer och stora roterande maskiner. Dess utveckling drivs av tre mål: lägre järnförlust, högre magnetisk induktion och tunnare mätare. Dessa förbättringar minskar direkt förlusten av transformatorer utan-last, som debiteras nätoperatören under hela utrustningens livslängd, så även en liten minskning av watt per kilogram sparar en stor mängd energi över transformatorflottan.

Betyg och testning definieras i standarder som GB/T 2521 och IEC 60404, med förlust mätt med Epstein-metoden vid 1,7 T och 50 Hz, och samma ram gäller för de tunna och höga-induktionsgraderna som beskrivs nedan.

Ultra-teknologier med låg järnförlust

Tre produktionstekniker pressar kärnförlusten ner.

Magnetisk domänförfining: laserritning eller liknande behandling delar upp de magnetiska domänerna på remsytan. Detta minskar den onormala virvelströmsförlusten och sänker den totala kärnförlusten av korn-orienterat stål med 10 % till 20 %.

Avsättningsspänningsbeläggning: en oorganisk hög-beläggning som appliceras på båda ytorna minskar förlusten per viktenhet för arket och förbättrar också staplingsfaktorn och hanteringsbeteendet.

Tunnare mätare: minskar tjockleken från 0,30 mm och 0,27 mm ner till 0,23 mm, 0,20 mm och slutligen 0,15 mm minskar virvelströmsförlusten kraftigt, eftersom virvelförlusten skalar med kvadraten på tjockleken. En 0,20 mm-grad är ett mjukt magnetiskt standardmaterial för 400 Hz magnetiska kretsar som flygplan och marina strömförsörjningar, som kombinerar hög induktion med låg förlust vid förhöjd frekvens.

Ultra-höga magnetiska induktionsgrader

Hög magnetisk induktion gör att transformatordesignern kan höja arbetsflödestätheten, vilket minskar kärnans tvärsnitt och därför transformatorns storlek och vikt för samma effekt. Genom att använda dubbel eller trippel omkristallisation, eller en hög-temperaturgradientglödgningsprocess, uppnår moderna sorter en magnetisk polarisation B8 på 1,95 T till 2,0 T vid en fältstyrka på 800 A/m. Höga-induktionskvaliteter specificeras där transformatorns vikt och dimensioner är kritiska, som i UHV-transmissionsutrustning och stora generatortransformatorer.

Dubbla-orienterade och 6,5 % Si-grader

Fint-dubbelt-orienterat kiselstål produceras genom en kisel-oxidavkolningsväg och utvecklar en kubisk textur, så det visar hög induktion i både rullriktningen och tvärriktningen. Dess B8 når 1,85 T till 1,90 T i båda riktningarna, med kärnförlust P1,7/50 under 1,02 W/kg vid 0,30 mm tjocklek, och magnetostriktionen är låg i båda riktningarna. Detta material är av intresse för roterande maskiner och specialkärnor där flödesriktningen ändras kontinuerligt.

När kiselhalten höjs till 6,5 viktprocent når materialet nära -noll magnetostriktion, högre elektrisk resistivitet och lägre virvelströmsförlust, vilket ger överlägsen prestanda vid förhöjd frekvens. Hög-kiselstål är därför en idealisk kandidat för låg-brus, låg-förlust hög-frekvent transformator och reaktorer, och det förblir ett aktivt forskningsämne eftersom det höga kiselinnehållet gör remsan spröd och svår att rulla.

Applikationsfält

Hög-effektiva krafttransformatorer: UHV-transformatorer och distributionstransformatorer som måste uppfylla strikta gränser för ingen-lastförlust.

Ny energiutrustning: vind- och solväxelriktare och-högfrekvenstransformatorer för laddningshögar för elbilar.

Elektriska-avancerade apparater: precisionsinstrumenttransformatorer och hög-reaktorer där låg magnetostriktion och stabil prestanda spelar roll.

Framtida forskningsriktningar

Inhibitor-fritt korn-orienterat stål, som undviker den konventionella inhibitorkemin, tillåter lägre plattvärmetemperaturer och eliminerar avkolningssteget, och dess produktion har delvis implementerats i tillverkningen. Ytterligare arbete behövs på mycket tunna remsor under 0,1 mm producerade genom trippel omkristallisation, orienterade rena järnplåtar med hög mättnadsinduktion och hög-isolering, icke-förorenande isolering och bindande beläggningar. Denna utveckling riktar sig mot samma mål: lägre förlust, högre induktion och tunnare mätare för nästa generations energieffektiva-magnetiska utrustning.

FAQ

Vad betyder B8 i specifikationer för spannmål-orienterat stål?

B8 är den magnetiska polarisationen mätt vid en magnetisk fältstyrka på 800 A/m. Den indikerar hur lätt materialet kan magnetiseras och hur hög flödestäthet kärnan kan nå, med värden som 1,82 T för vanliga kvaliteter och upp till 2,0 T för höga-induktionsgrader.

Varför är tunnare kiselstål bättre för-högfrekvenstransformatorer?

Virvelströmsförlusten ökar med kvadraten på bandtjockleken, så halvering av tjockleken minskar virvelkomponenten med en faktor fyra. Tunnare kvaliteter som 0,20 mm och 0,15 mm är därför nödvändiga vid 400 Hz och uppåt.

Hur minskar förfining av magnetiska domäner kärnförluster?

Laser eller mekanisk behandling delar upp de stora magnetiska domänerna i mindre, vilket förkortar vägen för domänväggens rörelse och minskar den onormala virvelströmsförlusten. Den totala kärnförlusten av korn-orienterat stål minskar med 10 % till 20 %.

Vad är speciellt med 6,5 % silikonstål?

Vid 6,5 viktprocent kisel närmar sig magnetostriktionen noll, resistiviteten är hög och virvelströmsförlusten låg, så materialet är tyst och effektivt vid hög frekvens. Nackdelen är sprödhet, vilket gör rullning och hantering svår.

Vilken kvalitet ska väljas för en distributionstransformator?

För 50 Hz distributionstransformatorer ger vanliga kvaliteter som 23Q110 eller 27Q120 en balanserad förlust och kostnad. Där ingen-lastförlust dominerar driftskostnaden, är domän-raffinerade eller höga-induktionskvaliteter med förlust under 0,9 W/kg motiverade.

Vad är P1.7/50?

Det är den specifika totala kärnförlusten i watt per kilogram mätt vid en topppolarisation på 1,7 T och en frekvens på 50 Hz med Epstein-ramen, standardjämförelsepunkten för kornorienterat elektriskt stål.