Laminado CRGO frente a laminado CRNGO: ¿qué acero para núcleos debe elegir?

Si su trayectoria de flujo es mayoritariamente unidireccional y cada vatio de pérdida sin carga le perjudica, elija CRGO. Si el campo oscila, la geometría es complicada o el coste y la sencillez de perforación importan más que exprimir el último punto porcentual de eficiencia, elija... CRNGO. Todo lo demás no es más que demostrarte esa decisión a ti mismo, a la compra y al presupuesto de pérdidas.

Ya conoces la respuesta del libro de texto

El acero eléctrico de grano orientado (CRGO) está optimizado para la magnetización a lo largo de la dirección de laminación y domina en los transformadores de potencia y distribución; el acero eléctrico de grano no orientado (CRNGO) tiene propiedades casi isótropas en el plano de la chapa y es el predeterminado para motores, generadores y máquinas rotativas.

Esos artículos están bien para ingenieros de primer año. Hablan de la alineación del grano, los pasos de fabricación, el contenido de silicio, a veces incluso muestran una bonita micrografía. Son útiles una vez. Después de eso, las preguntas reales son diferentes: hasta dónde se puede empujar B antes de que explote la pérdida, lo que sucede bajo la tensión de estampado, y cuando es CRNGO "lo suficientemente bueno" para un transformador para que pueda alcanzar un punto de precio sin destruir el coste de funcionamiento de toda la vida. Ahí es donde realmente reside la elección.

Lo que realmente impulsa la decisión en los proyectos reales

Cuando los equipos de diseño discuten entre CRGO y CRNGO, casi nunca discuten sobre definiciones. Discuten sobre tres cosas que son un poco más complicadas que las hojas de datos.

El primero es el patrón de flujo. No el dibujo idealizado, sino el real una vez que se añaden juntas, recortes, muescas y tolerancias. Si la trayectoria principal a través de su pila está alineada y permanece alineada con una dirección de la lámina, CRGO puede realmente ganarse el pan. Si su campo gira en cada ciclo eléctrico, o sus laminaciones se ven forzadas a formas en las que se corta constantemente a través de la dirección de laminación, la ventaja se reduce y CRNGO empieza a parecer la opción más honesta.

En segundo lugar, el cálculo de las pérdidas a la inducción y frecuencia de funcionamiento reales, no las cifras de marketing. El CRGO parece brillante en la prueba clásica de P1,5/50; el CRNGO parece peor por diseño, pero algunos aceros CRNGO de alta calidad están ajustados para frecuencias más altas o densidades de flujo diferentes y el panorama cambia un poco cuando se sale del mundo de 50/60 Hz de los libros de texto.

En tercer lugar, la fabricabilidad y el coste. La calidad del punzonado, la altura de las rebabas, el revestimiento, el alivio de tensiones, la tasa de desechos y la anchura de la bobina. El CRGO suele ser más fino, más sensible a los daños por manipulación y menos tolerante con las herramientas rugosas. El CRNGO suele ser más barato por kilogramo, está más disponible en espesores aptos para motores, como 0,35-0,50 mm, y es más fácil de obtener en las calidades que ya se compran para motores.

Si ignoras esas tres y sólo te fijas en el número de pérdidas de una sola línea de un catálogo, puedes "ganar" una hoja de cálculo y aun así perder el sistema.

Comportamiento magnético en el núcleo que realmente construye

Sobre el papel, el CRGO ofrece una densidad de flujo magnético aproximadamente 30% superior a lo largo de la dirección de laminación en comparación con el acero no orientado, con niveles de silicio similares. Por eso la gente de los transformadores se encariña con él. En un tramo bien diseñado, con las juntas alineadas y la tensión controlada, realmente puede funcionar a mayor B con la misma o menor pérdida en el núcleo.

Pero los verdaderos núcleos no son tiras Epstein. Se cortan, se perforan, se ingletean, se apilan y se sujetan. Cada uno de estos pasos introduce tensiones localizadas y regiones en las que el flujo sigue una trayectoria no ideal. La orientación del grano es más útil cuando la trayectoria del fundente es larga, recta y paralela a la dirección de laminado. Esta ventaja disminuye en esquinas, yugos y uniones en T. Por eso, algunos fabricantes utilizan deliberadamente CRGO de grado superior sólo en las patas principales y aceptan material más ordinario en los yugos, o mezclan grados para equilibrar el coste y el rendimiento.

El CRNGO, por el contrario, está perforado exactamente de la forma que necesitan las máquinas rotativas. Dentro del plano de la chapa, las propiedades están diseñadas para ser lo más uniformes posible. Se sacrifica el mejor rendimiento a lo largo de la rodadura, pero se evitan las regiones catastróficas del peor de los casos cuando el campo gira. Para el diseñador de un motor, este aplanamiento de los extremos suele valer más que una impresionante curva B-H unidireccional.

Así que la pregunta es: ¿cómo de "unidimensional" es tu flujo en el producto final, no en tu FEA con la simetría perfecta del material activada?

Pérdidas, grosor e inducción de funcionamiento: las cifras que mueven su eficiencia

Pongamos algo de escala en la compensación con cifras reales publicadas en lugar de simples adjetivos.

Hoy en día, las láminas CRGO comerciales presentan pérdidas en el núcleo de entre 0,7 y 1,1 W/kg a 1,5 T, 50 Hz, dependiendo del grado (M2 a M6, 0,18-0,35 mm). Los datos de transformadores reales de fabricantes y centros de pruebas suelen citar alrededor de 0,9-1,3 W/kg a 1,5 T, 50 Hz para los aceros que se utilizan realmente en los transformadores de red.

Las calidades CRNGO comerciales abarcan una banda más amplia. Las calidades estándar para motores y transformadores de uso general suelen situarse entre 4 y 6 W/kg a 1,5 T, 50 Hz, con calidades mejoradas por debajo de 4 W/kg y calidades más baratas por encima. El espesor suele ser de 0,35, 0,5 o 0,65 mm, reservándose las chapas más finas para máquinas de alto rendimiento o frecuencias más altas.

Imaginemos un núcleo de 100 kg que funcione a 1,5 T a tensión nominal. Pasar de 1 W/kg de CRGO a 4 W/kg de CRNGO añade unos 300 W de pérdida en vacío. Durante 20 años de funcionamiento continuo, esos 0,3 kW adicionales se convierten en unos 52.000 kWh. Incluso a 0,10 dólares por kWh, el coste energético adicional de un transformador es de unos 5.000 dólares. La diferencia de precio del acero el primer día no suele ser tan grande. En una subestación, CRGO gana casi siempre.

Ahora veamos un pequeño transformador de baja frecuencia de 3 kVA que rara vez funciona a la tensión nominal. La masa del núcleo es diminuta; el ciclo de trabajo es bajo. Esas mismas cifras por kilogramo se reducen al ruido de fondo de toda la instalación. De repente, el precio de compra más bajo y el abastecimiento más fácil de CRNGO pueden ser perfectamente racionales, y muchos vendedores hacen tranquilamente exactamente eso para los equipos de baja potencia.

El contexto cambia la respuesta correcta, incluso con los mismos materiales.

Fabricación, estrés y ruido: lo que insinúan las notas a pie de página de las fichas técnicas

Las hojas de datos aluden a la sensibilidad a la tensión; la producción recuerda que es real. Las bajas pérdidas de CRGO presuponen un cuidadoso recocido de alivio de tensiones o, al menos, una mínima deformación plástica. Un punzonado agresivo, un doblado apretado o una sujeción sin pensar pueden borrar una parte aterradora de la ventaja por la que ha pagado.

Las calidades CRNGO no son inmunes a los daños por punzonado, pero algunas se formulan teniendo en cuenta la resistencia mecánica y la capacidad de punzonado como parte de su objetivo de diseño, sobre todo en las series orientadas a la automoción. Si su planta tiene un utillaje relativamente antiguo, grandes volúmenes y no puede garantizar una manipulación suave, puede que sea más seguro asumir que nunca alcanzará los números CRGO ideales del catálogo.

El ruido es otro diferenciador silencioso. El CRGO tiene una fuerte anisotropía en la magnetostricción; cuando se magnetiza a lo largo de la dirección de laminación y se diseñan bien las juntas, se puede controlar el zumbido audible hasta un grado útil. Un flujo desalineado o una fuerte magnetización transversal pueden hacer que las cosas sean más ruidosas de lo esperado. El CRNGO tiene un comportamiento de magnetostricción más uniforme; entonces, los diseñadores de rotores y estator controlan el ruido acústico mediante la geometría de las ranuras, la inclinación y la excitación, en lugar de depender de la anisotropía del material.

Nada de eso aparece en una simple comparación de marketing "CRGO vs CRNGO", pero determina si su prototipo se comporta como su modelo.

Coste y disponibilidad: la parte que importa a los compradores

Por kilogramo, el CRNGO suele ser más barato que el CRGO de grosor comparable, especialmente en los grados estándar de gran volumen. El CRGO, especialmente el Hi-B y las calidades superiores, conlleva una penalización en el precio y, a veces, en el plazo de entrega. Las fábricas tienen una capacidad limitada para la producción orientada al grano; los revestimientos especializados y las tolerancias más estrictas añaden más limitaciones.

Por otro lado, el CRNGO suele ser el material que su organización ya compra para motores, compresores y alternadores. El volumen por sí solo puede garantizar mejores precios, mejor servicio y más opciones de ancho de bobina. Esta simplificación de la cadena de suministro es una razón silenciosa pero real por la que muchos fabricantes introducen el CRNGO en gamas de transformadores más pequeñas, a menudo de hasta 100-150 kVA, cuando las normativas de eficiencia lo permiten.

Así que cuando alguien dice "CRGO es demasiado caro", la cuestión no es sólo el precio del acero. Se trata de saber cuál es el nivel de eficiencia exigido para su familia de productos, cuál es el ciclo de trabajo y qué parte del coste energético de toda la vida útil de su flota es visible para quien firma la orden de compra.

CRGO vs CRNGO de un vistazo

He aquí una comparación compacta que mantiene los números honestos sin dejar de ser práctica. Los valores son rangos típicos; los grados específicos pueden diferir.

Esta tabla no es la respuesta a un examen. Es un recordatorio de lo que realmente estás negociando.

Donde CRGO casi siempre tiene sentido

Hay casos en los que apenas hace falta pensar.

Si se diseñan transformadores de potencia o distribución de tamaño medio-grande para servicio continuo de red, la normativa y las expectativas de los compradores en torno a las pérdidas en vacío casi obligan a utilizar CRGO o incluso aceros amorfos. La penalización de pérdidas del CRNGO a 50/60 Hz es simplemente demasiado grande una vez que las masas del núcleo alcanzan los cientos de kilogramos. Cualquier ahorro en acero el primer día se evapora en costes operativos y problemas de cumplimiento.

Si la trayectoria del flujo está bien orientada, la línea de fabricación respeta el material (buen punzonado, poca rebaba, apilado adecuado, sujeción controlada) y se respetan unos límites de inducción de funcionamiento realistas, el CRGO sigue siendo el caballo de batalla silencioso. No hace falta una descripción poética de sus granos para justificar esta elección.

Donde la CRNGO gana en silencio

El CRNGO no es un "sustituto barato". Es la respuesta correcta en la mayoría de las máquinas rotativas y una respuesta justa en muchos transformadores pequeños.

En motores, generadores y alternadores, el flujo gira. Los aceros no orientados de alta calidad se diseñan para esta realidad: propiedades equilibradas en todas las direcciones, a menudo con revestimientos y resistencias mecánicas adecuadas para perforar ranuras estrechas y rotores de alta velocidad. Intentar construir un motor de tracción moderno con CRGO de grado transformador sería luchar contra el material.

En transformadores más pequeños, balastos, suministros auxiliares y componentes magnéticos de baja potencia, a veces hay que hacer frente a una limitación diferente: el coste y el suministro. En este caso, CRNGO le permite reutilizar la misma familia de acero y las mismas líneas de procesamiento que sus productos de motor, simplificar las compras y seguir cumpliendo los requisitos de eficiencia porque la masa absoluta del núcleo y el ciclo de trabajo son modestos.

Incluso hay fichas técnicas de fabricantes de acero que dicen que los grados no orientados son aceptables para transformadores de hasta un cierto nivel de potencia (del orden de 150 kVA) si se diseñan en consecuencia. No se trata de un truco, sino de una vía de diseño reconocida.

Casos límite en los que las "reglas" se difuminan

La vida sería aburrida si nunca se rompieran las reglas.

Los transformadores de alta frecuencia de la electrónica de potencia a veces combinan estrategias. Por ejemplo, un diseñador puede elegir un CRNGO muy fino o grados especializados de alta frecuencia cuando el coste o la disponibilidad de metales amorfos y nanocristalinos es limitante, aunque esos grados CRNGO parezcan pobres a 50 Hz. El punto de funcionamiento real está en las decenas de kilohercios; las diferencias relativas cambian.

Los grandes motores con trayectorias de flujo inusualmente fijas o topologías poco convencionales podrían experimentar con aceros orientados en laminaciones específicas, aunque la dificultad de procesamiento es real y las ganancias modestas a menos que el diseño esté muy limitado. El mundo académico ha estudiado texturas parcialmente orientadas en CRNGO para difuminar un poco la línea, cambiando algo de isotropía por un mejor rendimiento en la dirección de laminación.

Y luego está la normativa. A medida que las clases de eficiencia se hacen más estrictas para transformadores y motores, los productores de acero siguen introduciendo nuevas variantes de CRNGO de alta calidad y CRGO mejoradas. La diferencia entre las pérdidas de un CRNGO de calidad superior y un CRGO de gama media en un punto de funcionamiento determinado puede reducirse lo suficiente como para que la decisión sea menos obvia y tenga más que ver con la capacidad de fabricación y las limitaciones mecánicas que con una única cifra de W/kg.

Así que no pierdas de vista las fichas técnicas no porque hayas olvidado lo básico, sino porque la frontera no deja de moverse.

Una forma práctica de decidir, proyecto a proyecto

Cuando elija entre laminados CRGO y CRNGO para un nuevo diseño, puede tratarlo casi como una breve revisión del diseño con usted mismo.

Parta del comportamiento del flujo. Dibuje la trayectoria real a través del núcleo, incluyendo juntas y ranuras, no sólo la pata principal. Si el flujo es mayoritariamente unidireccional y la aplicación está conectada a la red o es sensible a los costes energéticos, asuma CRGO hasta que algo fuerte le empuje a alejarse de ello. Si el flujo gira o pasa mucho tiempo fuera del eje, asuma CRNGO.

A continuación, examine el cálculo de pérdidas a la B y frecuencia reales que utilizará en servicio. Utilice los datos de pérdida en el núcleo del fabricante o sus propias mediciones en ese punto de funcionamiento, no sólo las cifras P1,5/50. Si un cambio a CRNGO añade decenas o centenares de vatios de pérdida continua, calcule el impacto energético de por vida en dinero, no sólo en vatios, y compárelo con el coste de acero añadido de CRGO.

Después, interrogue a la realidad de su fábrica. Antigüedad de las herramientas, control de rebabas, capacidad de recocido, método de apilado, revestimientos, manipulación. Si no puede preservar de forma realista la delicada microestructura del CRGO desde la bobina hasta el núcleo acabado, estará pagando por un rendimiento que nunca verá. En ese caso, el CRNGO, incluso con una mayor pérdida ideal, podría producir un producto acabado más cercano a su ficha técnica que el CRGO.

Por último, reúna en la misma sala las limitaciones de las compras y las normativas. Normas de eficiencia, informes de CO₂, riesgo de suministro, diversificación de proveedores. La "mejor" respuesta técnica que no puede obtenerse a gran escala no es la mejor respuesta.

Nada de esto requiere una teoría dramática. Solo te pide que adaptes el acero a la física y la economía reales de tu diseño, en lugar de al eslogan de marketing del primer artículo que leas.

Conclusión

Rara vez se elige entre CRGO y CRNGO en el vacío. Hay que elegir entre un material con menos pérdidas, direccionalmente optimizado, que exige una manipulación cuidadosa y suele costar más, y un material isótropo más tolerante que conlleva una penalización de pérdidas en los puntos de funcionamiento clásicos de potencia-frecuencia, pero que se integra sin problemas en la producción en serie de máquinas rotativas y estáticas pequeñas.

Si se trata como un eslogan de una sola línea, se obtiene el mismo artículo que publica todo el mundo. Si se toma como punto de partida y se tienen en cuenta las trayectorias de flujo, las geometrías reales de los núcleos, las limitaciones de las fábricas y los costes energéticos a lo largo de la vida útil, la respuesta "correcta" tiende a revelarse con bastante rapidez. Y a menudo será la misma regla simple: los transformadores grandes, eficientes y conectados a la red se inclinan por CRGO; las máquinas rotativas y las unidades sensibles a los costes o más pequeñas se inclinan por CRNGO. El valor no está en memorizar esa regla. Está en saber exactamente por qué y dónde se puede incumplir.