Per velocizzare il progetto, è possibile etichettare le pile di laminazione con dettagli quali tolleranza, materiale, finitura superficiale, se è necessario o meno un isolamento ossidato, quantitàe altro ancora.
Nei miei anni di lavoro nel settore dell'acciaio elettrico, ho potuto constatare come la scelta del materiale giusto possa fare la differenza tra un progetto e l'altro. La differenza fondamentale tra acciaio elettrico a grani orientati e acciaio elettrico non a grani orientati è fondamentale, ma spesso crea confusione. Questo articolo è il mio tentativo di fare chiarezza e di fornire una spiegazione semplice e pratica di questi due materiali speciali. Ne analizzeremo le caratteristiche speciali, il modo in cui vengono prodotti e i settori in cui funzionano meglio. Alla fine, sarete sicuri di scegliere l'acciaio elettrico perfetto per il vostro lavoro, assicurandovi le migliori prestazioni e la massima efficienza.
Secondo la mia esperienza, la differenza più grande tra l'acciaio elettrico a grani orientati (GO) e quello non orientato ai grani (NGO) sta nel modo in cui sono costruiti all'interno e che influisce sul loro comportamento con i magneti. Pensate a questo: l'acciaio elettrico a grani orientati ha una struttura a grani molto ordinata, con i piccoli cristalli allineati in una direzione. Questo allineamento, ottenuto attraverso uno speciale processo di produzione, crea un percorso facile da seguire per l'energia magnetica. Di conseguenza, l'acciaio elettrico a grani orientati mostra eccellenti capacità magnetiche, ma solo in quella direzione. È come avere una superstrada per il magnetismo; il traffico scorre molto bene, ma solo nelle corsie contrassegnate.
D'altra parte, l'acciaio elettrico non orientato ai grani, spesso chiamato NGO, ha un andamento casuale dei grani. Ciò significa che le sue capacità magnetiche sono le stesse in tutte le direzioni della lastra piatta. Per riprendere l'esempio delle strade, l'acciaio NGO è come una buona griglia cittadina, dove il traffico può muoversi bene in ogni direzione, ma forse non alla stessa velocità delle autostrade. Questa qualità uniforme è un vantaggio fondamentale negli impieghi in cui il campo magnetico cambia continuamente direzione. La differenza principale, quindi, non è solo un piccolo dettaglio, ma decide gli usi migliori per ciascun materiale, un punto molto importante per qualsiasi ingegnere o progettista.
Questa netta differenza nella struttura dei grani influisce direttamente sul loro funzionamento negli impieghi elettrici. La forte qualità unidirezionale dell'acciaio elettrico a grani orientati lo rende il materiale perfetto per i trasformatori di potenza e di distribuzione, dove l'energia magnetica ha un percorso costante e noto. Al contrario, le stesse capacità magnetiche in tutte le direzioni dell'acciaio elettrico non orientato ai grani lo rendono la scelta migliore per le macchine con parti rotanti come i motori elettrici e i generatori, dove il campo magnetico è sempre in rotazione. Scegliere quello giusto è fondamentale per ottenere l'efficienza e le prestazioni desiderate in questi lavori difficili.
Avendo partecipato alla produzione di entrambi i tipi di acciaio elettrico, posso dire che la fabbricazione dell'acciaio elettrico a grani orientati è molto più complicata e precisa di quella dell'acciaio non a grani orientati. La produzione di GOES prevede una serie di fasi attentamente gestite, tra cui la laminazione a caldo, la ricottura, la laminazione a freddo e il riscaldamento finale ad alta temperatura. Questo processo dettagliato è progettato per favorire la crescita di una speciale struttura cristallina, nota come struttura Goss, che conferisce al materiale le sue sorprendenti capacità magnetiche nella direzione di laminazione. Questo processo per GOES serve a creare quella "superstrada magnetica" di cui ho parlato prima.
Il processo di produzione delle NGOES, pur richiedendo un controllo accurato, è più semplice. Di solito prevede la fusione dell'acciaio, la sua formatura in lastre e la successiva laminazione a caldo e a freddo fino allo spessore finale. Il processo prevede anche una fase di riscaldamento, chiamata ricottura, per rilasciare le tensioni accumulate e migliorare la struttura dei grani, ma l'obiettivo è quello di creare un modello casuale dei grani. In questo modo si ottengono le stesse capacità magnetiche in tutte le direzioni. La produzione più semplice di NGOES è uno dei motivi per cui di solito è più economica di quella orientata ai grani.
L'ultima fase di riscaldamento è molto importante per entrambi i tipi, ma ha obiettivi diversi. Per il GOES, è necessaria una ricottura ad alta temperatura per ottenere un processo in cui si forma il giusto disegno dei grani. Questo processo richiede condizioni di aria e calore molto precise. Per le ONGES, la ricottura finale viene effettuata a una temperatura inferiore per ottenere una nuova struttura con una certa dimensione dei grani, che è un fattore chiave per le sue capacità magnetiche. La comprensione di queste differenze di produzione aiuta a capire perché questi due prodotti in acciaio hanno caratteristiche e prezzi così diversi.
Ho sempre trovato interessante il ruolo del silicio nell'acciaio elettrico. In pratica, tutto l'acciaio elettrico è un tipo di acciaio al silicio. L'aggiunta di silicio al ferro, di solito in quantità da 0,5% a 4,8%, conferisce al materiale le sue speciali capacità magnetiche. La ragione principale dell'aggiunta di silicio è quella di rendere più difficile il passaggio dell'elettricità attraverso l'acciaio. Questo è importante perché riduce le correnti parassite, che sono flussi elettrici indesiderati creati nel nucleo di un trasformatore o di un motore da un campo magnetico mutevole. Riducendo queste correnti, si riduce notevolmente la perdita di energia sotto forma di calore, con conseguente miglioramento dell'efficienza.
La quantità di silicio gioca anche un ruolo importante nel migliorare la permeabilità magnetica del materiale, ovvero la sua capacità di favorire la formazione di un campo magnetico al suo interno. Un'elevata permeabilità magnetica consente di concentrare l'energia magnetica e di condurla bene attraverso il nucleo di un dispositivo elettrico, il che è necessario per il suo corretto funzionamento. Inoltre, l'aggiunta di silicio contribuisce a ridurre la cosiddetta perdita per isteresi, un altro tipo di perdita di energia che si verifica quando il campo magnetico cambia continuamente direzione. Quindi, il silicio è l'ingrediente magico che trasforma il normale acciaio in un materiale ad alte prestazioni per molti usi elettrici.
È importante sapere che la quantità di silicio aggiunta è un attento equilibrio. Una maggiore quantità di silicio migliora le capacità magnetiche e riduce le perdite del nucleo, ma rende anche l'acciaio più duro e più soggetto a rotture. Questo può rendere più difficile la produzione, soprattutto durante la laminazione. Per questo motivo si trovano diversi tipi di acciaio al silicio con quantità diverse di silicio, ognuno dei quali è destinato a determinati usi. Ad esempio, gli acciai non orientati al grano hanno solitamente una quantità di silicio compresa tra 2% e 3,5%, mentre gli acciai orientati al grano ne hanno spesso di più, circa 3% - 4,5%, per ottenere le migliori prestazioni nei trasformatori.
Dal mio punto di vista di persona che lavora molto con l'acciaio elettrico, la comprensione della perdita di nucleo è molto importante quando si progetta o si controlla un motore elettrico. In parole povere, la perdita di nucleo, detta anche perdita di ferro, è l'energia che si perde sotto forma di calore all'interno del nucleo del motore quando questo è in funzione. Questa perdita è il normale risultato della variazione del campo magnetico necessaria per il funzionamento del motore. La riduzione di questa perdita è uno degli obiettivi principali nella progettazione dei motori, perché porta direttamente a una migliore efficienza, a temperature di funzionamento più basse e, in definitiva, a un motore su cui si può contare e che fa risparmiare.
La perdita del nucleo è dovuta a due fattori principali: la perdita per isteresi e la perdita per correnti parassite. La perdita per isteresi è dovuta all'energia necessaria per magnetizzare e smagnetizzare il materiale del nucleo a ogni ciclo di variazione della corrente. Si può pensare a una sorta di attrito magnetico. Le caratteristiche dell'acciaio al silicio, come la struttura dei grani e il materiale di cui è fatto, sono un fattore importante per determinare la quantità di perdite. Le perdite dovute alle correnti parassite, invece, sono causate da piccole correnti circolari create all'interno del materiale del nucleo dal cambiamento del campo magnetico. Sono queste le perdite che l'aggiunta di silicio all'acciaio è in grado di ridurre.
Per contrastare ulteriormente le perdite per correnti parassite, i nuclei dei motori elettrici non sono costituiti da un solido pezzo di acciaio. Sono invece costituiti da sottili fogli, o strati, di acciaio elettrico impilati tra loro. Ogni foglio è ricoperto da un materiale che blocca l'elettricità per evitare che le correnti parassite scorrano tra di loro. Per questo motivo si sente spesso parlare di acciaio elettrico. laminazione acciaio. Lo spessore di queste lamiere e la qualità del rivestimento sono entrambi elementi fondamentali per ridurre la perdita di nucleo. La scelta del giusto tipo di acciaio elettrico non orientato ai grani, con le sue caratteristiche di bassa perdita di nucleo, è quindi un passo fondamentale nella progettazione di un motore elettrico ad alta efficienza.
Quando mi viene chiesto di indicare le principali differenze tra le proprietà magnetiche dell'acciaio elettrico a grani orientati e quelle dell'acciaio elettrico non a grani orientati, torno sempre al concetto di direzionalità o uniformità. L'acciaio elettrico a grani orientati è anisotropo, il che significa che le sue capacità magnetiche sono forti in una direzione. Ha una permeabilità magnetica estremamente elevata e una perdita di nucleo molto bassa nella direzione del disegno dei grani, che è la direzione di laminazione durante la produzione. Tuttavia, non funziona altrettanto bene nelle altre direzioni. Questo lo rende un materiale speciale, perfetto per gli usi in cui l'energia magnetica segue un percorso costante e rettilineo.
Al contrario, l'acciaio elettrico non orientato alla grana è isotropo, cioè ha le stesse capacità magnetiche in tutte le direzioni della lastra piatta. Sebbene le sue migliori prestazioni magnetiche in una direzione non corrispondano a quelle del GOES nella sua direzione migliore, questa coerenza in tutte le direzioni è il suo principale punto di forza. Queste prestazioni uniformi sono necessarie per gli usi in cui l'energia magnetica ruota, come nei motori e nei generatori elettrici. La scelta tra questi due materiali, quindi, dipende dalla conoscenza del funzionamento del campo magnetico nell'uso specifico.
Per dare qualche numero, la permeabilità magnetica dell'acciaio a grani orientati nella sua direzione migliore può essere molte volte superiore a quella dell'acciaio non a grani orientati. Questo ci permette di progettare trasformatori più piccoli e più efficienti. D'altra parte, se si utilizzasse il GOES in una macchina con un campo magnetico rotante, si avrebbero perdite di nucleo molto più elevate e prestazioni peggiori rispetto all'utilizzo del NGOES. La densità di flusso magnetico, o la forza del campo magnetico che il materiale può sopportare, è un'altra importante capacità in cui GOES ha solitamente un vantaggio nella sua direzione specifica.
In pratica, è difficile distinguere tra acciaio elettrico a grana orientata e acciaio elettrico non a grana orientata, dato che si tratta di fogli di acciaio sottili. Tuttavia, ci sono alcuni segni e test chiave che ho utilizzato. Il modo più sicuro per distinguerli è controllare la scheda tecnica del produttore. Queste schede tecniche indicano chiaramente la qualità dell'acciaio e se è orientato alla grana (spesso etichettato come GO o CRGO per i laminati a freddo orientati alla grana) o non orientato alla grana (NGO o CRNGO).
Se non è possibile ottenere le specifiche, un test più pratico consiste nell'osservare come si comportano con i magneti. Un semplice test che ho utilizzato consiste nell'uso di una piccola bussola. Se si avvicina una bussola a una lastra di acciaio a grani orientati, si noterà un'attrazione magnetica molto più forte lungo la direzione di rotolamento rispetto alla direzione laterale. Questo è il risultato diretto delle sue capacità magnetiche unidirezionali. Con l'acciaio non orientato ai grani, l'attrazione sarà per lo più la stessa, indipendentemente dal modo in cui si ruota la lamiera vicino alla bussola.
Un altro metodo, più tecnico, consiste nel misurare le capacità magnetiche del materiale, come la permeabilità o la perdita di nucleo, in diverse direzioni. Questo, ovviamente, richiede strumenti speciali. A volte, il rivestimento superficiale può dare un'indicazione. L'acciaio elettrico a grani orientati ha spesso un certo tipo di rivestimento, come uno strato di base di forsterite (silicato di magnesio), che fa parte del processo per ottenere le sue capacità magnetiche. Ma questo non è un metodo perfetto, poiché i rivestimenti possono essere diversi. In definitiva, per qualsiasi uso importante, il modo più sicuro per essere certi di utilizzare il materiale giusto è utilizzare i documenti del produttore.
Secondo la mia esperienza, per la maggior parte dei motori elettrici, l'acciaio elettrico non granulare è la scelta migliore. Il motivo di questa scelta risiede nella differenza principale tra le loro capacità magnetiche. I motori elettrici utilizzano un campo magnetico rotante per creare forza di rotazione e movimento. Ciò significa che la direzione dell'energia magnetica all'interno del nucleo del motore cambia continuamente. L'acciaio non granulare, con le stesse capacità magnetiche in tutte le direzioni, è perfetto per questa situazione mutevole. Offre prestazioni costanti indipendentemente dalla direzione del campo magnetico, necessarie per il buon funzionamento del motore.
L'utilizzo di acciaio a grani orientati in un motore elettrico standard è di solito una scelta sbagliata. Sebbene abbia migliori capacità magnetiche in una direzione, non funziona altrettanto bene in altre direzioni. In un campo magnetico rotante, ciò causerebbe un lavoro non uniforme, maggiori scuotimenti e perdite del nucleo molto più elevate, poiché il campo magnetico si allontana dalla direzione preferita dei grani dell'acciaio. Questo finirebbe per creare un motore meno efficiente e su cui non si può contare più di tanto. Le prestazioni costanti e complete dell'acciaio NGO ne fanno lo standard industriale per i motori.
Tuttavia, potrebbero esserci progetti di motori molto particolari o insoliti in cui il percorso dell'energia magnetica è prevalentemente in una direzione. In questi rari casi, è possibile che il progettista pensi di utilizzare un acciaio a grani orientati. Tuttavia, per la maggior parte dei motori elettrici standard in c.a. e c.c., dai piccoli elettrodomestici alle grandi macchine industriali, l'acciaio elettrico non orientato ai grani è il materiale giusto e migliore da utilizzare. La scelta del giusto tipo di acciaio ONG, con lo spessore e le caratteristiche di perdita del nucleo desiderate, avrà un grande effetto sulle prestazioni finali e sull'efficienza del motore.
Da quanto ho visto sul mercato nel corso degli anni, esiste una chiara e costante differenza di prezzo tra l'acciaio elettrico a grani orientati e quello non a grani orientati. In generale, l'acciaio elettrico a grani orientati è il più costoso dei due. Questo prezzo più elevato è il risultato diretto del suo processo di produzione più complicato e ad alto consumo energetico. Come ho già detto, l'ottenimento dell'esatto modello di grana necessario per il GOES comporta un maggior numero di passaggi accuratamente controllati, che aumentano il costo totale di produzione.
Il costo aggiuntivo dell'acciaio a grani orientati può variare in base alla domanda del mercato, al costo delle materie prime e alla qualità specifica dell'acciaio. Tuttavia, è abbastanza comune che le GOES siano molto più costose delle NGOES. Ad esempio, all'inizio del 2024, il costo aggiuntivo dell'acciaio magnetico rispetto all'acciaio non magnetico laminato a freddo era superiore a 70%, con i prezzi NGO storicamente elevati, influenzati dal mercato dell'acciaio GO. Questo dimostra che, sebbene le ONG siano di solito l'opzione più economica, i cambiamenti del mercato possono portare a grandi differenze di prezzo.
Sebbene il costo iniziale dell'acciaio non orientato ai grani sia inferiore, è importante pensare al costo totale nel tempo del progetto. Per un trasformatore di potenza, il costo iniziale più elevato dell'acciaio a grani orientati spesso vale la pena grazie alla sua migliore efficienza e alle minori perdite del nucleo nel corso della vita del trasformatore. Il risparmio energetico può essere molto elevato, rendendo la scelta più conveniente nel tempo. Per la maggior parte degli usi motoristici, i vantaggi in termini di prestazioni dell'acciaio non orientato ai grani, insieme al suo prezzo più basso, lo rendono la soluzione più pratica e conveniente.
Nel mio lavoro, la ricerca di ridurre la perdita del nucleo è sempre in corso e la scelta dell'acciaio elettrico è una parte fondamentale di questo lavoro. Scegliere il tipo e il grado di acciaio giusto è uno dei modi migliori per ridurre lo spreco di energia nei trasformatori e nei motori. Per i trasformatori, l'utilizzo di acciaio elettrico a grani orientati è estremamente importante per ridurre la perdita del nucleo. La sua particolare struttura a grani offre un percorso facile per l'energia magnetica, riducendo notevolmente le perdite per isteresi. Inoltre, l'elevata quantità di silicio e i fogli sottili di GOES aiutano a bloccare le correnti parassite. Il risultato è un trasformatore che funziona con un'efficienza molto migliore, risparmiando energia e riducendo i costi di gestione nel corso della sua vita. L'utilizzo di gradi avanzati di CRGO può ridurre le perdite del nucleo fino a 74% rispetto ai gradi standard più vecchi.
Per i motori elettrici e altre macchine con parti rotanti, la chiave per ridurre la perdita del nucleo è la scelta della giusta qualità di acciaio elettrico non orientato ai grani. Poiché il campo magnetico cambia continuamente direzione, le stesse capacità magnetiche dell'acciaio ONG sono necessarie per ridurre le perdite per isteresi e per correnti parassite. Lamiere più sottili di acciaio ONG, con valori di perdita del nucleo dichiarati più bassi, produrranno naturalmente un motore più efficiente. I produttori offrono un'ampia gamma di gradi ONG, consentendo ai progettisti di trovare il giusto equilibrio tra prestazioni e costi per il loro lavoro specifico. La scelta giusta può portare a una notevole riduzione della temperatura di funzionamento del motore e a un aumento della sua efficienza totale.
L'effetto della scelta dell'acciaio giusto va oltre il funzionamento immediato del dispositivo. Riducendo la perdita di nucleo, contribuiamo anche all'obiettivo più grande di risparmiare energia e ridurre l'impatto ambientale delle macchine elettriche. Meno energia sprecata significa meno elettricità da produrre. Quindi, prendersi il tempo necessario per comprendere le caratteristiche dell'acciaio elettrico a grani orientati e non a grani orientati e fare una scelta intelligente non è solo una buona pratica ingegneristica, ma è un passo verso un futuro che può durare.
Per velocizzare il progetto, è possibile etichettare le pile di laminazione con dettagli quali tolleranza, materiale, finitura superficiale, se è necessario o meno un isolamento ossidato, quantitàe altro ancora.
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