Para agilizar su proyecto, puede etiquetar las pilas de laminación con detalles como tolerancia, material, acabado superficial, si se requiere o no aislamiento oxidado, cantidady mucho más.
En mis años de experiencia en el sector del acero eléctrico, he visto cómo la elección del material adecuado puede ser decisiva para un proyecto. La diferencia clave entre el acero eléctrico de grano orientado y el de grano no orientado es básica, pero a menudo resulta confusa. Este artículo pretende aclarar las cosas y ofrecer una explicación sencilla y práctica de estos dos materiales especiales. Veremos sus características especiales, cómo se fabrican y dónde funcionan mejor. Al final, se sentirá seguro de elegir el acero eléctrico perfecto para su trabajo, asegurándose de obtener el mejor rendimiento y eficacia.
Según mi experiencia, la mayor diferencia entre el acero eléctrico de grano orientado (GO) y el de grano no orientado (NGO) radica en cómo están construidos por dentro, y eso afecta a cómo actúan con los imanes. Piénselo así: el acero eléctrico de grano orientado tiene una estructura de grano muy ordenada, con los diminutos cristales alineados en una dirección. Esta alineación, conseguida mediante un proceso de fabricación especial, crea un camino fácil de seguir para la energía magnética. Como resultado, el acero eléctrico de grano orientado muestra excelentes capacidades magnéticas, pero sólo en esa dirección. Es como tener una superautopista para el magnetismo; el tráfico fluye muy bien, pero sólo en los carriles marcados.
Por otro lado, el acero eléctrico sin grano orientado, a menudo llamado NGO, tiene un patrón de grano aleatorio. Esto significa que sus capacidades magnéticas son las mismas en todas las direcciones de la chapa plana. Volviendo a nuestro ejemplo de las carreteras, el acero NGO es como una buena red urbana, en la que el tráfico puede circular bien en cualquier dirección, pero quizá no tan rápido como en la superautopista. Esta calidad uniforme es una ventaja clave en usos donde el campo magnético cambia de dirección todo el tiempo. La principal diferencia, por tanto, no es sólo un pequeño detalle; decide los mejores usos de cada material, un punto muy importante para cualquier ingeniero o diseñador.
Esta clara diferencia en la estructura del grano afecta directamente a su funcionamiento en usos eléctricos. La fuerte cualidad unidireccional del acero eléctrico de grano orientado lo convierte en el material perfecto para transformadores de potencia y de distribución, donde la energía magnética tiene una trayectoria constante y conocida. Por el contrario, las mismas capacidades magnéticas en todas direcciones del acero eléctrico sin grano orientado lo convierten en la mejor opción para máquinas con piezas giratorias, como motores eléctricos y generadores, donde el campo magnético está siempre girando. Elegir el más adecuado es clave para obtener la eficacia y el rendimiento deseados en estos duros trabajos.
Tras haber participado en la fabricación de ambos tipos de acero eléctrico, puedo decirle que la fabricación de acero eléctrico de grano orientado es mucho más complicada y exacta que la de acero no orientado. La fabricación de CEGO implica una serie de pasos cuidadosamente controlados, como el laminado en caliente, el recocido, el laminado en frío y el calentamiento final a alta temperatura. Este minucioso proceso está diseñado para ayudar al crecimiento de una estructura cristalina especial, conocida como textura Goss, que confiere al material sus sorprendentes capacidades magnéticas en la dirección de laminación. El objetivo de este proceso de GOES es crear esa "superautopista" magnética de la que hablaba antes.
El proceso de producción de las NGOES, aunque sigue necesitando un control minucioso, es más sencillo. Suele consistir en fundir el acero, darle forma de planchón y laminarlo en caliente y en frío hasta conseguir el grosor final. El recocido también forma parte del proceso para liberar la tensión acumulada y mejorar la estructura del grano, pero el objetivo es crear un patrón aleatorio de los granos. El resultado es la misma capacidad magnética en todas las direcciones. La fabricación más sencilla de NGOES es una de las razones por las que suele ser más barato que el tipo de grano orientado.
El último paso de calentamiento es muy importante para ambos tipos, pero tiene objetivos diferentes. En el caso de la GOES, se necesita un recocido a alta temperatura para un proceso en el que se forme el patrón de grano adecuado. Este proceso requiere unas condiciones de aire y calor muy exactas. En el caso de las NGOES, el recocido final se realiza a una temperatura más baja para obtener una nueva estructura con un determinado tamaño de grano, que es un factor clave en sus capacidades magnéticas. Comprender estas diferencias de producción ayuda a entender por qué estos dos productos de acero tienen características y precios tan distintos.
Siempre me ha parecido interesante el papel que desempeña el silicio en el acero eléctrico. Básicamente, todo el acero eléctrico es un tipo de acero al silicio. Añadir silicio al hierro, normalmente en cantidades de 0,5% a 4,8%, es lo que confiere al material sus especiales capacidades magnéticas. La principal razón para añadir silicio es dificultar el paso de la electricidad a través del acero. Esto es importante porque reduce las corrientes parásitas, que son flujos eléctricos no deseados creados en el núcleo de un transformador o motor por un campo magnético cambiante. Al reducir estas corrientes, disminuimos en gran medida la pérdida de energía en forma de calor, lo que se traduce en una mayor eficiencia.
La cantidad de silicio también desempeña un papel importante en la mejora de la permeabilidad magnética del material, que es su capacidad para ayudar a que se forme un campo magnético en su interior. Una permeabilidad magnética alta permite concentrar la energía magnética y conducirla bien a través del núcleo de un dispositivo eléctrico, lo que es necesario para que funcione correctamente. Además, añadir silicio ayuda a reducir lo que se denomina pérdida por histéresis, otro tipo de pérdida de energía que se produce cuando el campo magnético cambia de dirección una y otra vez. El silicio es el ingrediente mágico que convierte el acero normal en un material de alto rendimiento para muchos usos eléctricos.
Es importante saber que la cantidad de silicio añadido es un cuidadoso equilibrio. Más silicio mejora las capacidades magnéticas y reduce las pérdidas en el núcleo, pero también endurece el acero y lo hace más propenso a romperse. Esto puede dificultar la fabricación, especialmente durante el laminado. Por eso hay diferentes tipos de acero al silicio con distintas cantidades de silicio, cada uno para un uso determinado. Por ejemplo, los aceros sin grano orientado suelen tener entre 2% y 3,5% de silicio, mientras que los aceros con grano orientado suelen tener más, entre 3% y 4,5%, para obtener el mejor rendimiento en transformadores.
Desde mi punto de vista, como alguien que trabaja mucho con acero eléctrico, entender la pérdida en el núcleo es muy importante a la hora de diseñar o revisar un motor eléctrico. En términos sencillos, la pérdida en el núcleo, también llamada pérdida de hierro, es la energía que se pierde en forma de calor dentro del núcleo del motor cuando está en funcionamiento. Esta pérdida es un resultado normal del campo magnético cambiante necesario para que el motor funcione. Reducir esta pérdida es un objetivo principal en el diseño de motores, ya que conduce directamente a una mayor eficiencia, temperaturas de funcionamiento más bajas y, al final, un motor en el que se puede confiar y que ahorra dinero.
Hay dos partes principales en la pérdida del núcleo: la pérdida por histéresis y la pérdida por corrientes de Foucault. La pérdida por histéresis se debe a la energía necesaria para magnetizar y desmagnetizar el material del núcleo en cada ciclo de cambio de corriente. Es una especie de fricción magnética. Las características del acero al silicio, como su estructura de grano y el material del que está hecho, influyen mucho en la cantidad de pérdidas. Por otro lado, las pérdidas por corrientes de Foucault se deben a las pequeñas corrientes en bucle que se crean en el interior del material del núcleo al cambiar el campo magnético. Éstas son las pérdidas que se reducen añadiendo silicio al acero.
Para combatir aún más las pérdidas por corrientes de Foucault, los núcleos de los motores eléctricos no están hechos de una pieza sólida de acero. En su lugar, se construyen a partir de finas láminas, o capas, de acero eléctrico que se apilan entre sí. Cada lámina está recubierta de un material que detiene la electricidad para evitar que las corrientes parásitas fluyan entre ellas. Por eso se suele llamar al acero eléctrico acero laminado. Tanto el grosor de las chapas como la calidad del recubrimiento son factores clave para reducir las pérdidas en el núcleo. Elegir la calidad adecuada de acero eléctrico de grano no orientado, con sus características de baja pérdida en el núcleo, es por tanto un paso básico en el diseño de un motor eléctrico de alta eficiencia.
Cuando me preguntan cuáles son las principales diferencias entre las propiedades magnéticas de los aceros eléctricos de grano orientado y los de grano no orientado, siempre vuelvo a las ideas de direccionalidad y uniformidad. El acero eléctrico de grano orientado es anisótropo, lo que significa que sus capacidades magnéticas son fuertes en una dirección. Tiene una permeabilidad magnética extremadamente alta y una pérdida de núcleo muy baja en la dirección del patrón de grano, que es la dirección de laminación durante la fabricación. Sin embargo, no funciona tan bien en otras direcciones. Esto lo convierte en un material especial, perfecto para usos en los que la energía magnética sigue una trayectoria constante y recta.
En cambio, el acero eléctrico no granulado es isótropo, lo que significa que tiene las mismas capacidades magnéticas en todas las direcciones de la chapa plana. Aunque su mejor rendimiento magnético en una dirección no coincide con el de las CEGO en su mejor dirección, esta uniformidad en todas las direcciones es su principal punto fuerte. Este rendimiento uniforme es necesario para usos en los que la energía magnética gira, como ocurre en los motores y generadores eléctricos. La elección entre estos dos materiales, por tanto, depende de conocer cómo funciona el campo magnético en su uso específico.
Por poner cifras, la permeabilidad magnética del acero de grano orientado en su mejor dirección puede ser varias veces superior a la del acero sin grano orientado. Esto permite diseñar transformadores más pequeños y eficientes. Por otro lado, si utilizáramos GOES en una máquina con un campo magnético giratorio, tendríamos unas pérdidas en el núcleo mucho mayores y un rendimiento peor que si utilizáramos NGOES. La densidad de flujo magnético, o la fuerza del campo magnético que puede soportar el material, es otra capacidad importante en la que las CEGO suelen tener ventaja en su dirección específica.
En la práctica, es difícil distinguir entre el acero eléctrico de grano orientado y el de grano no orientado, ya que ambos son chapas finas. Sin embargo, hay algunos signos clave y pruebas que he utilizado. La forma más segura de distinguirlos es consultar la hoja de especificaciones del fabricante. Estas hojas de datos indican claramente el grado del acero y si está orientado al grano (a menudo etiquetado como GO o CRGO para grano orientado laminado en frío) o no orientado al grano (NGO o CRNGO).
Si no puede conseguir las especificaciones, una prueba más práctica es observar cómo actúan con los imanes. Una prueba sencilla que he utilizado consiste en utilizar una pequeña brújula. Si pones una brújula cerca de una hoja de acero de grano orientado, verás una atracción magnética mucho más fuerte a lo largo de la dirección de laminación que en la dirección lateral. Esto es un resultado directo de sus capacidades magnéticas unidireccionales. Con el acero no granulado, la atracción será prácticamente la misma independientemente de cómo gire la chapa cerca de la brújula.
Otra forma, más técnica, consiste en medir las capacidades magnéticas del material, como su permeabilidad o la pérdida de núcleo, en distintas direcciones. Para ello se necesitan herramientas especiales. A veces, el revestimiento de la superficie puede dar una pista. El acero eléctrico de grano orientado suele tener cierto tipo de revestimiento, como una capa base de forsterita (silicato de magnesio), que forma parte del proceso para obtener sus capacidades magnéticas. Pero éste no es un método perfecto, ya que los revestimientos pueden ser diferentes. Al final, para cualquier uso importante, la documentación del fabricante es la forma más segura de asegurarse de que se está utilizando el material correcto.
Según mi experiencia, para la mayoría de los motores eléctricos, el acero eléctrico no granulado es la elección clara. La razón de ello es la principal diferencia en sus capacidades magnéticas. Los motores eléctricos utilizan un campo magnético giratorio para crear fuerza de giro y movimiento. Esto significa que la dirección de la energía magnética dentro del núcleo del motor está siempre cambiando. El acero de grano no orientado, con sus mismas capacidades magnéticas en todas las direcciones, es perfecto para esta situación cambiante. Ofrece un rendimiento estable independientemente de la dirección del campo magnético, lo que es necesario para que el motor funcione bien y sin problemas.
Utilizar acero de grano orientado en un motor eléctrico estándar suele ser una mala elección. Aunque tiene mejores propiedades magnéticas en una dirección, no funciona tan bien en otras. En un campo magnético giratorio, esto provocaría un trabajo desigual, más sacudidas y pérdidas en el núcleo mucho mayores a medida que el campo magnético se aleja de la dirección de grano preferida del acero. Esto acabaría haciendo un motor menos eficiente y con el que no se puede contar tanto. El rendimiento constante y general del acero NGO es lo que lo convierte en el estándar industrial para motores.
Sin embargo, puede haber algunos diseños de motor muy especiales o inusuales en los que la trayectoria de la energía magnética sea mayoritariamente en una dirección. En estos raros casos, es posible que un diseñador piense en utilizar acero de grano orientado. Pero, para la gran mayoría de motores eléctricos estándar de CA y CC, desde pequeños electrodomésticos hasta grandes máquinas industriales, el acero eléctrico no granulado es el mejor material que se puede utilizar. Elegir el grado adecuado de acero para ONG, con el grosor y las características de pérdida en el núcleo que desee, tendrá un gran efecto en el rendimiento y la eficiencia finales del motor.
Por lo que he visto en el mercado a lo largo de los años, existe una diferencia de precio clara y constante entre el acero eléctrico de grano orientado y el de grano no orientado. Por regla general, el acero eléctrico de grano orientado es el más caro de los dos. Este precio más elevado es consecuencia directa de su proceso de fabricación, más complicado y que consume más energía. Como ya he dicho, la obtención de la granulometría exacta necesaria para las CEGO implica un mayor número de pasos cuidadosamente controlados, lo que aumenta el coste total de fabricación.
El sobrecoste del acero de grano orientado puede variar en función de la demanda del mercado, el coste de las materias primas y el grado específico del acero. Sin embargo, es bastante habitual que el acero de grano orientado sea mucho más caro que el de grano no orientado. Por ejemplo, a principios de 2024, el sobrecoste del acero magnético con respecto al acero laminado en frío no magnético era superior a 70%, siendo los precios de NGO históricamente altos, afectados por el mercado del acero GO. Esto demuestra que, aunque NGO suele ser la opción más barata, los cambios del mercado pueden provocar grandes diferencias de precio.
Aunque el primer coste del acero no granulado es inferior, es importante pensar en el coste total del proyecto a lo largo del tiempo. En el caso de un transformador de potencia, el mayor coste inicial del acero de grano orientado suele merecer la pena por su mayor eficacia y menores pérdidas en el núcleo a lo largo de la vida útil del transformador. El ahorro de energía puede ser muy grande, lo que lo convierte en una opción más barata con el tiempo. Para la mayoría de los motores, las ventajas de rendimiento del acero sin granos orientados, junto con su menor precio, lo convierten en la solución más práctica y económica.
En mi trabajo, la búsqueda de la reducción de pérdidas en el núcleo siempre es constante, y la elección del acero eléctrico es una parte clave de este trabajo. Elegir el tipo y la calidad de acero adecuados es una de las mejores formas de reducir el derroche de energía en transformadores y motores. En el caso de los transformadores, el uso de acero eléctrico de grano orientado es muy importante para reducir las pérdidas en el núcleo. Su estructura de grano única facilita el paso de la energía magnética, lo que reduce enormemente las pérdidas por histéresis. Además, la gran cantidad de silicio y las finas láminas del GOES ayudan a detener las corrientes parásitas. El resultado es un transformador que funciona con mucha mayor eficiencia, ahorrando energía y reduciendo los costes de funcionamiento a lo largo de su vida útil. El uso de grados avanzados de CRGO puede reducir las pérdidas en el núcleo hasta en 74% en comparación con los grados estándar más antiguos.
En los motores eléctricos y otras máquinas con piezas giratorias, la clave para reducir las pérdidas en el núcleo es elegir el grado adecuado de acero eléctrico sin grano orientado. Dado que el campo magnético siempre cambia de dirección, se necesitan las mismas capacidades magnéticas del acero NGO para reducir tanto las pérdidas por histéresis como por corrientes de Foucault. Las chapas más finas de acero NGO con valores de pérdida en el núcleo más bajos son, naturalmente, las que hacen que un motor sea más eficiente. Los fabricantes ofrecen una amplia gama de grados NGO, lo que permite a los diseñadores encontrar el equilibrio adecuado entre rendimiento y coste para su trabajo específico. Una buena elección puede reducir considerablemente la temperatura de funcionamiento del motor y aumentar su rendimiento total.
El efecto de elegir el acero adecuado va más allá del funcionamiento inmediato del aparato. Al reducir la pérdida de núcleo, también estamos contribuyendo al objetivo mayor de ahorrar energía y disminuir el impacto de las máquinas eléctricas en el medio ambiente. Menos energía desperdiciada significa que hay que producir menos electricidad. Por tanto, dedicar tiempo a conocer las características del acero eléctrico con y sin granos orientados y hacer una elección inteligente no es sólo una buena práctica de ingeniería; es un paso hacia un futuro que puede durar.
Para agilizar su proyecto, puede etiquetar las pilas de laminación con detalles como tolerancia, material, acabado superficial, si se requiere o no aislamiento oxidado, cantidady mucho más.
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