Acciaio elettrico

L’acciaio elettrico è una lega ferrosa con un contenuto di silicio che può oscillare da zero a 6,5%. Le leghe commerciali di questi acciai hanno solitamente un contenuto di silicio che arriva fino a 3,2% (percentuali maggiori di solito provocano fragilità durante la laminazione a freddo). Possono contenere manganese ed alluminio fino allo 0,5%.

Il silicio aumenta significativamente la resistività elettrica dell’acciaio, che diminuisce le correnti parassite indotte e restringe il ciclo di isteresi del materiale, riducendo così la perdita nel nucleo (core). Tuttavia, la struttura del grano indurisce e rende fragile il metallo, che influenza negativamente la lavorabilità del materiale, soprattutto quando viene laminato.

Quando si forma la lega, i livelli di carbonio, zolfo, ossigeno e azoto devono essere mantenuti bassi, in quanto questi elementi indicano la presenza di carburi, solfuri, ossidi e nitruri. Questi composti, anche in particelle piccole come un micron di diametro, aumentano le perdite per isteresi ma riducono anche la permeabilità magnetica.

La presenza di carbonio ha un effetto deleterio, più dello zolfo o ossigeno. Il carbonio provoca anche l’invecchiamento magnetico quando lascia lentamente la soluzione solida e precipita come carburo, determinando quindi un aumento della perdita di potenza nel tempo.
Per queste ragioni, il livello di carbonio è mantenuto allo 0,005% o inferiore. Il livello di carbonio può essere ridotto trattando termicamente l’acciaio con ricottura in un’atmosfera decarburata.

PRODUZIONE

Lo sviluppo di queste leghe di acciaio avvenne intorno ai primi anni ’30 del secolo scorso, negli Stati Uniti; tuttora viene implementata la ricerca in questo settore, per offrire materie prime sempre più efficienti all’industria degli apparati elettrici.

L’acciaio elettrico attualmente viene prodotto in nastri laminati a freddo di spessore inferiore a 2 mm. I nastri vengono successivamente tagliati a misura ed impilati per formare il nucleo laminato del trasformatore, dello statore e del rotore di motori elettrici.

I lamierini possono essere tagliati alla loro forma finita utilizzando punzone e matrice o, in quantità minore, possono essere tagliati da un laser, o mediante elettroerosione a filo (WEDM).

RIVESTIMENTI

L’acciaio elettrico è solitamente rivestito per:

– aumentare la resistenza elettrica tra lamierini
– ridurre correnti parassite
– fornire resistenza alla corrosione o ruggine
– agire come un lubrificante durante fustellatura

Inoltre i rivestimenti uniscono benefici ambientali e di sicurezza alle prestazioni.

Esistono vari rivestimenti, organici e inorganici; il rivestimento utilizzato dipende dall’applicazione dell’acciaio.

Il tipo di rivestimento selezionato dipende dal trattamento termico dei lamierini, se la laminazione finale sarà con immersione in olio e dalla temperatura di lavoro del pezzo finito.

Inizialmente si isolava ciascun lamierino con uno strato di carta o un rivestimento di vernice, ma questo ha ridotto il fattore di impilamento del nucleo e limitava la temperatura massima del nucleo.

ORIENTAMENTO DEI GRANI

Acciaio a grani non-orientati

Questo acciaio elettrico vien fabbricato senza particolari lavorazioni per controllare l’orientamento dei cristalli; di solito la lega ha un contenuto di silicio che varia da 2 a 3,5% ed è isotropo, cioè ha proprietà magnetiche simili in tutte le direzioni.

L’abbreviazione CRNGO indica l’acciaio laminato a freddo a grani non orientati (cold-rolled non-grain-oriented steel).

Acciaio a grani orientati

Trattasi di un acciaio magnetico con un livello di silicio del 3%. Questo materiale viene realizzato in modo tale che le proprietà ottimali si sviluppino nella direzione di laminazione, sotto stretto controllo dell’orientamento del cristallo rispetto al foglio (processo sviluppato dallo statunitense Dr. Norman P. Goss negli anni ‘30).
La densità del flusso magnetico aumenta del 30% nella direzione della laminazione del coil, sebbene la sua saturazione magnetica diminuisca del 5%.

CRGO è l’abbreviazione che indica l’acciaio laminato a freddo a grani orientati (cold-rolled grain-oriented steel).

L’acciaio elettrico a grani non-orientati è meno costoso di quello a grani-orientati. Viene utilizzato quando il prezzo è più importante dell’efficienza e per applicazioni in cui la direzione del flusso magnetico non è costante, come nei motori elettrici e generatori con parti in movimento. Può essere utilizzato anche quando non c’è spazio sufficiente per orientare componenti e sfruttare le proprietà direzionali dell’acciaio elettrico a grani orientati.

PRESTAZIONI, VANTAGGI E APPLICAZIONI

Gli acciai elettrici sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, tra cui:

– generatori
– trasformatori
– motori per la trasmissione di energia e reti di trasporto
– piccole unità del settore automobilistico
– macchinari industriali
– elettrodomestici

Gli acciai elettrici svolgono un ruolo fondamentale nella generazione, trasmissione, distribuzione e utilizzo di energia elettrica. Tali acciai sono tra i materiali magnetici più importanti prodotti oggi.

Esiste una vasta gamma di acciai elettrici a grani orientati e non-orientati di ottima qualità che offrono prestazione magnetica costante.

La fornitura di un acciaio elettrico costantemente ad alta efficienza è essenziale per mantenere elevate le prestazioni di generatori, trasformatori e motori nella loro applicazione finale.

Le elevate prestazioni dei materiali in tutto il loro ciclo di vita dell’applicazione vengono garantite grazie a:

– la qualità affidabile dei rivestimenti isolanti applicati agli acciai elettrici
– il mantenimento delle tolleranze esatte
– l’acciaio magnetico a grani orientati

L’acciaio elettrico a grani orientati è un materiale essenziale nella produzione di:

– trasformatori a efficienza energetica
– generatori ad alte prestazioni

Le impareggiabili proprietà magnetiche dell’acciaio elettrico a grani orientati sono il risultato della sua struttura granulare speciale – formata attraverso un complesso processo di produzione partendo da coils laminati a caldo con alti valori di silicio.

Durante il secondario processo di ricristallizzazione alcuni grani crescono fino a oltre 30 mm di lunghezza, mentre nell’acciaio dolce è necessario un microscopio per visualizzare la struttura del grano. L’orientamento della struttura del grano incrementata fornisce proprietà magnetiche significativamente migliori nella direzione di laminazione della lamiera.

Gli acciai elettrici a grani non-orientati sono fondamentali per la fabbricazione di:

– macchine rotanti di ogni dimensione
– piccoli trasformatori
– una varietà di altre applicazioni elettromagnetiche

IL CUORE DI UN MOTORE ELETTRICO

Sono le potenti batterie la cosa più importante per i motori elettrici nelle automobili? Non proprio; è necessario un materiale molto speciale per portare la potenza dalla batteria sulla strada: l’acciaio elettrico.

L’acciaio elettrico è un materiale magnetico dolce. In tale materiale un campo magnetico esterno genera una densità di flusso magnetico che è molte volte superiore a quello che sarebbe senza. In termini semplici, il campo magnetico è rafforzato dai materiali magnetici dolci. La densità del flusso è fondamentale per la coppia di un motore elettrico.

Le perdite nel nucleo sono un altro criterio importante per l’efficienza dei motori elettrici. Queste perdite avvengono a causa della direzione in continuo cambiamento del campo magnetico; come risultato, parte dell’energia utilizzata per alimentare il motore elettrico viene dispersa come calore. Il livello delle perdite nel core dipende dalla frequenza con cui cambia la direzione del campo magnetico – e naturalmente dalla qualità dell’acciaio elettrico.

Migliore flusso magnetico, maggiore efficienza

Per i motori elettrici convenzionali, come quelli utilizzati negli ascensori o macchine utensili, la frequenza è di 50 Hz. Contrariamente, i motori ad alta velocità per macchine ad alimentazione elettrica o ibride hanno frequenze superiori a 400 Hz. Così gli obiettivi per gli sviluppatori degli acciai elettrici sono evidenti: le auto elettriche richiedono materiali magnetici morbidi con elevata densità di flusso e perdite minime alle alte frequenze. Gli acciai elettrici di alcuni produttori riducono le perdite nel nucleo del 30% rispetto ai gradi standard attuali.