Laminazione CRGO vs laminazione CRNGO: quale acciaio d'anima scegliere?

Se il percorso del flusso è per lo più unidirezionale e ogni watt di perdita a vuoto è dannoso, scegliere CRGO. Se il campo oscilla, la geometria è disordinata o i costi e la semplicità di punzonatura sono più importanti della ricerca dell'ultimo punto percentuale di efficienza, scegliere CRNGO. Tutto il resto non è altro che la dimostrazione di questa decisione a voi stessi, all'acquisto e al bilancio delle perdite.

Conoscete già la risposta del libro di testo

Ormai è nota la storia standard: l'acciaio elettrico a grani orientati (CRGO) è ottimizzato per la magnetizzazione lungo la direzione di laminazione e domina nei trasformatori di potenza e di distribuzione; l'acciaio elettrico non a grani orientati (CRNGO) ha proprietà quasi isotrope nel piano della lamiera ed è l'ideale per motori, generatori e macchine rotanti.

Questi articoli vanno bene per gli ingegneri del primo anno. Parlano dell'allineamento dei grani, delle fasi di produzione, del contenuto di silicio, a volte mostrano anche una bella micrografia. Utili una volta. Dopodiché, le vere domande sono altre: fino a che punto si può spingere B prima che la perdita esploda, cosa succede sotto le sollecitazioni dello stampaggio e quando il CRNGO è "abbastanza buono" per un trasformatore, in modo da poter raggiungere un punto di prezzo senza distruggere il costo operativo di tutta la vita. È qui che risiede la scelta.

Cosa guida realmente la decisione nei progetti reali

Quando i team di progettazione discutono di CRGO e CRNGO, non discutono quasi mai di definizioni. Discutono di tre cose che sono leggermente più complicate delle schede tecniche.

Il primo è il modello di flusso. Non il disegno idealizzato, ma quello reale una volta aggiunti giunti, ritagli, intagli e tolleranze. Se il percorso principale attraverso la pila è allineato e rimane allineato con una direzione del foglio, il CRGO può davvero guadagnarsi il suo posto. Se il campo ruota a ogni ciclo elettrico o le laminazioni sono costrette a forme in cui si taglia costantemente attraverso la direzione di laminazione, il vantaggio si riduce e CRNGO inizia a sembrare la scelta più onesta.

Il secondo è il bilancio delle perdite alla vostra effettiva induzione e frequenza operativa, non i numeri del marketing. Il CRGO appare brillante nel classico test P1,5/50; il CRNGO appare peggiore per design, ma alcuni acciai CRNGO di alta qualità sono sintonizzati per frequenze più elevate o densità di flusso diverse e il quadro cambia un po' quando si esce dal mondo dei 50/60 Hz.

Il terzo è la producibilità e il costo. Qualità della punzonatura, altezza delle bave, rivestimento, riduzione delle tensioni, tasso di scarto, larghezza della bobina. Il CRGO è spesso più sottile, più sensibile ai danni da manipolazione e meno tollerante nei confronti di un'attrezzatura approssimativa. Il CRNGO è solitamente più economico al chilogrammo, più disponibile in spessori adatti ai motori, come 0,35-0,50 mm, e più facile da reperire nelle qualità che gli acquirenti già acquistano per i motori.

Se si ignorano questi tre aspetti e ci si limita a guardare il numero di perdite su una singola riga di un catalogo, è possibile "vincere" un foglio di calcolo e perdere comunque il sistema.

Comportamento magnetico nel nucleo che si costruisce

Sulla carta, il CRGO offre una densità di flusso magnetico più elevata lungo la direzione di laminazione rispetto all'acciaio non orientato, a livelli di silicio simili. Ecco perché i trasformatori vi si affezionano. In una gamba ben progettata, con giunzioni allineate e sollecitazioni controllate, è davvero possibile ottenere una B più elevata con una perdita del nucleo uguale o inferiore.

Ma le vere anime non sono strisce di Epstein. Si tagliano, si punzonano, si smussano, si impilano, si bloccano. Ognuno di questi passaggi introduce sollecitazioni localizzate e regioni in cui il flusso segue un percorso non ideale. L'orientamento dei grani aiuta soprattutto quando il percorso del flusso è lungo, rettilineo e parallelo alla direzione di laminazione. I vantaggi si riducono in presenza di angoli, gioghi e giunti a T. Questo è il motivo per cui alcuni produttori utilizzano deliberatamente CRGO di grado superiore solo nelle gambe principali e accettano materiale più ordinario nei gioghi, oppure mescolano i gradi per bilanciare costi e prestazioni.

Il CRNGO, al contrario, è noioso esattamente nel modo in cui le macchine rotanti ne hanno bisogno. All'interno del piano della lamiera, le proprietà sono progettate per essere il più possibile uniformi. In questo modo si sacrificano le migliori prestazioni di rotolamento, ma si evitano le regioni catastrofiche del caso peggiore durante la rotazione del campo. Per un progettista di motori, l'appiattimento degli estremi vale spesso più di un'impressionante curva B-H in una sola direzione.

Quindi la domanda diventa tranquillamente: quanto "monodimensionale" è il flusso nel prodotto finito, non nel FEA con la perfetta simmetria del materiale attivata.

Perdita, spessore e induzione di esercizio: i numeri che muovono l'efficienza

Mettiamo in scala il trade-off con numeri reali pubblicati piuttosto che con semplici aggettivi.

Le tipiche laminazioni commerciali CRGO oggi mostrano perdite del nucleo intorno a 0,7-1,1 W/kg a 1,5 T, 50 Hz, a seconda del grado (da M2 a M6, 0,18-0,35 mm). I dati relativi ai trasformatori del mondo reale, forniti dai produttori e dai laboratori di prova, indicano spesso circa 0,9-1,3 W/kg a 1,5 T, 50 Hz per gli acciai effettivamente utilizzati nei trasformatori di rete.

I gradi commerciali CRNGO coprono una fascia più ampia. I gradi standard per motori e trasformatori generici sono spesso compresi tra 4 e 6 W/kg a 1,5 T, 50 Hz, con gradi migliori sotto i 4 W/kg e gradi più economici sopra. Lo spessore è solitamente di 0,35, 0,5 o 0,65 mm, con fogli più sottili riservati a macchine ad alte prestazioni o a frequenze più elevate.

Immaginiamo quindi un nucleo di 100 kg che funziona a circa 1,5 T alla tensione nominale. Passando da 1 W/kg CRGO a 4 W/kg CRNGO si aggiungono circa 300 W di perdita a vuoto. In 20 anni di funzionamento continuo, questi 0,3 kW in più diventano circa 52.000 kWh. Anche a 0,10 dollari per kWh, si parla di circa 5.000 dollari di costi energetici aggiuntivi per un trasformatore. La differenza di prezzo dell'acciaio nel primo giorno è raramente così grande. In una sottostazione, il CRGO vince quasi sempre.

Passiamo ora a un piccolo trasformatore a bassa frequenza da 3 kVA che funziona raramente alla tensione nominale. La massa del nucleo è minima; il ciclo di funzionamento è basso. Gli stessi numeri per chilogrammo si riducono al rumore di fondo dell'intera installazione. Improvvisamente, il prezzo di acquisto più basso e la facilità di approvvigionamento di CRNGO possono essere perfettamente razionali, e molti fornitori fanno tranquillamente proprio questo per le apparecchiature a bassa potenza.

Il contesto cambia la risposta giusta, anche con gli stessi materiali.

Produzione, stress e rumore: le cose che le note a piè di pagina della scheda tecnica lasciano intendere

Le schede tecniche accennano alla sensibilità alle sollecitazioni; la produzione ci ricorda che è reale. I bassi valori di perdita del CRGO presuppongono un'attenta ricottura sotto sforzo o almeno una minima deformazione plastica. Una punzonatura aggressiva, una piegatura stretta o un serraggio non ponderato possono cancellare una parte spaventosa del vantaggio per cui si è pagato.

I gradi CRNGO non sono immuni ai danni da punzonatura, ma alcuni sono formulati con l'obiettivo della resistenza meccanica e della punzonabilità, in particolare nelle serie dedicate al settore automobilistico. Se il vostro impianto ha attrezzature relativamente vecchie, volumi elevati e non potete garantire una manipolazione delicata, potrebbe essere più sicuro presumere che non raggiungerete mai i numeri CRGO ideali del catalogo.

Il rumore è un altro silenzioso elemento di differenziazione. Il CRGO presenta una forte anisotropia nella magnetostrizione; se si magnetizza lungo la direzione di rotolamento e si progettano bene i giunti, è possibile controllare il ronzio udibile in misura utile. Un flusso disallineato o una forte magnetizzazione trasversale possono rendere le cose più rumorose del previsto. Il CRNGO ha un comportamento di magnetostrizione più uniforme; i progettisti di rotore e statore possono quindi gestire il rumore acustico attraverso la geometria delle fessure, l'inclinazione e l'eccitazione piuttosto che affidarsi all'anisotropia del materiale.

Tutto ciò non emerge da un semplice confronto di marketing "CRGO vs CRNGO", ma determina se il vostro prototipo si comporta come il vostro modello.

Costo e disponibilità: la parte che interessa agli acquisti

Al chilogrammo, il CRNGO è solitamente più economico del CRGO di spessore analogo, soprattutto nei gradi standard ad alto volume. Il CRGO, in particolare i gradi Hi-B e premium, comporta una penalizzazione in termini di prezzo e talvolta di tempi di consegna. I mulini hanno una capacità limitata per la produzione orientata al grano; i rivestimenti specializzati e le tolleranze più strette aggiungono ulteriori vincoli.

D'altra parte, il CRNGO è spesso il materiale che la vostra organizzazione già acquista per motori, compressori e alternatori. Il solo volume può garantire prezzi migliori, un servizio migliore e più opzioni di larghezza della bobina. Questa semplificazione della catena di fornitura è una ragione silenziosa ma reale per cui molti produttori spingono il CRNGO in gamme di trasformatori più piccole, spesso fino a circa 100-150 kVA, quando le normative sull'efficienza lo consentono.

Quindi, quando qualcuno dice "il CRGO è troppo costoso", la domanda non è solo il prezzo dell'acciaio. La domanda è: qual è il livello di efficienza forzata per la vostra famiglia di prodotti, qual è il ciclo di lavoro e quanta parte del costo energetico della vostra flotta è visibile a chi firma l'ordine di acquisto.

CRGO vs CRNGO in sintesi

Ecco un confronto compatto che mantiene i numeri onesti pur essendo pratico. I valori sono intervalli tipici; i gradi specifici possono differire.

Questa tabella non è una risposta all'esame. È un promemoria di ciò che state realmente scambiando.

Dove CRGO ha quasi sempre senso

Ci sono casi in cui non c'è quasi bisogno di pensare.

Se si progettano trasformatori di potenza o di distribuzione medio-grandi per il servizio continuo sulla rete, le normative e le aspettative degli acquirenti in merito alle perdite a vuoto costringono quasi a scegliere acciai CRGO o addirittura amorfi. La penalizzazione delle perdite del CRNGO a 50/60 Hz è semplicemente troppo grande quando le masse del nucleo raggiungono le centinaia di chilogrammi. Qualsiasi risparmio di acciaio nel primo giorno evapora in costi operativi e problemi di conformità.

Se il percorso del flusso è orientato in modo pulito, la linea di fabbricazione è in grado di rispettare il materiale (buona punzonatura, bassa bava, accatastamento corretto, serraggio controllato) e ci si vincola a limiti realistici di induzione operativa, il CRGO rimane il cavallo di battaglia silenzioso. Non è necessaria una descrizione poetica dei suoi grani per giustificare questa scelta.

Dove CRNGO vince in silenzio

Il CRNGO non è un "sostituto economico". È la risposta corretta nella maggior parte delle macchine rotanti e una risposta corretta in molti piccoli trasformatori.

Nei motori, nei generatori e negli alternatori, il flusso ruota. Gli acciai non orientati di alta qualità sono progettati per questa realtà: proprietà bilanciate in tutte le direzioni, spesso con rivestimenti e resistenze meccaniche adatte alla perforazione di fessure strette e ai rotori ad alta velocità. Cercare di costruire un moderno motore di trazione con un CRGO di grado trasformatore significherebbe combattere il materiale.

Nei trasformatori più piccoli, nei reattori, nelle alimentazioni ausiliarie e nei magneti a basso consumo, a volte i vincoli sono diversi: costi e forniture. In questo caso, CRNGO consente di riutilizzare la stessa famiglia di acciai e le stesse linee di lavorazione dei prodotti per motori, di semplificare gli acquisti e di soddisfare i requisiti di efficienza, poiché la massa assoluta del nucleo e il ciclo di funzionamento sono modesti.

I produttori di acciaio hanno persino fornito delle schede tecniche in cui si afferma che i gradi non orientati sono accettabili per i trasformatori fino a un certo livello di potenza (dell'ordine di 150 kVA), se progettati di conseguenza. Non si tratta di un trucco, ma di un percorso di progettazione riconosciuto.

Casi limite in cui le "regole" si confondono

La vita sarebbe noiosa se le regole non venissero mai infrante.

I trasformatori ad alta frequenza nell'elettronica di potenza a volte mescolano le strategie. Ad esempio, un progettista può scegliere CRNGO molto sottili o gradi specializzati ad alta frequenza quando il costo o la disponibilità di metalli amorfi e nanocristallini sono limitanti, anche se questi gradi CRNGO sembrano scadenti a 50 Hz. Il punto di funzionamento effettivo è a decine di kilohertz; le differenze relative si spostano.

I motori di grandi dimensioni con percorsi di flusso insolitamente fissi o topologie non convenzionali potrebbero sperimentare acciai orientati in laminazioni specifiche, anche se i problemi di lavorazione sono reali e i guadagni modesti, a meno che il progetto non sia molto vincolato. Il lavoro accademico ha esplorato le strutture parzialmente orientate in CRNGO per sfumare un po' la linea di demarcazione, scambiando un po' di isotropia per migliori prestazioni in direzione di rotolamento.

E poi c'è la normativa. Mentre le classi di efficienza si restringono sia per i trasformatori che per i motori, i produttori di acciaio continuano a introdurre nuove varianti CRNGO di alta qualità e CRGO migliorate. Il divario di perdita tra CRNGO di qualità superiore e CRGO di qualità media in un determinato punto di funzionamento può ridursi a tal punto che la decisione diventa meno ovvia e più legata alla producibilità a valle e ai vincoli meccanici che a un singolo valore di W/kg.

Quindi tenete d'occhio le schede tecniche non perché avete dimenticato le basi, ma perché la frontiera continua a muoversi.

Un modo pratico per decidere, progetto per progetto

Quando si sceglie tra le laminazioni CRGO e CRNGO per un nuovo progetto, si può trattare quasi come una breve revisione del progetto con se stessi.

Partendo dal comportamento del flusso. Disegnare il percorso reale attraverso il nucleo, compresi i giunti e le fessure, non solo la gamba principale. Se il flusso è in gran parte unidirezionale e l'applicazione è connessa alla rete o comunque sensibile ai costi energetici, assumete CRGO fino a quando qualcosa di forte non vi allontana da questa ipotesi. Se il flusso ruota o trascorre un tempo significativo fuori asse, ipotizzare CRNGO.

Quindi, esaminate il bilancio delle perdite alla B e alla frequenza effettive che userete in servizio. Utilizzate i dati di perdita del nucleo del produttore o le vostre misurazioni a quel punto operativo, non solo i dati P1,5/50. Se il passaggio a CRNGO aggiunge decine o centinaia di watt di perdita continua, calcolate l'impatto energetico a vita in denaro, non solo in watt, e confrontatelo con il costo aggiuntivo dell'acciaio di CRGO.

Dopodiché, interrogate la realtà della vostra fabbrica. Età degli utensili, controllo delle bave, capacità di ricottura, metodo di impilaggio, rivestimenti, manipolazione. Se non potete realisticamente preservare la delicata microstruttura del CRGO dal coil all'anima finita, state pagando per prestazioni che non vedrete mai. In questo caso, il CRNGO, anche con una perdita ideale più elevata, potrebbe produrre un prodotto finito più vicino alla sua scheda tecnica rispetto al CRGO.

Infine, portate i vincoli di acquisto e di regolamentazione nella stessa stanza. Standard di efficienza, rendicontazione delle emissioni di CO₂, rischio di fornitura, diversificazione dei fornitori. La "migliore" risposta tecnica che non può essere acquistata su scala non è la migliore risposta.

Tutto ciò non richiede una teoria drammatica. Vi chiede solo di far corrispondere l'acciaio alla fisica e all'economia reali del vostro progetto, invece che allo slogan di marketing del primo articolo che avete letto.

In conclusione

Raramente si sceglie tra CRGO e CRNGO nel vuoto. Si sceglie tra un materiale a bassa perdita, ottimizzato per la direzione, che richiede una gestione accurata e di solito costa di più, e un materiale più indulgente, isotropo, che comporta una penalizzazione della perdita nei punti di funzionamento classici della potenza-frequenza, ma che si integra senza problemi nella produzione di massa per macchine rotanti e statiche di piccole dimensioni.

Se si tratta di uno slogan di una riga, si ottiene lo stesso articolo pubblicato da tutti gli altri. Se invece lo si considera come un punto di partenza e si tiene conto dei percorsi di flusso, delle geometrie reali dei nuclei, delle limitazioni di fabbrica e dei costi energetici nel corso della vita, la risposta "giusta" tende a rivelarsi abbastanza rapidamente. E spesso si tratta della stessa semplice regola: i trasformatori grandi, efficienti e collegati alla rete propendono per il CRGO; le macchine rotanti e le unità più piccole o sensibili ai costi propendono per il CRNGO. Il valore non sta nel memorizzare questa regola. Il valore sta nel sapere esattamente perché e dove è consentito infrangerla.