¿Qué es el acero eléctrico?

¿Qué es el acero al silicio?

El acero al silicio se refiere a la aleación magnética blanda de Fe-Si, también conocida como acero eléctrico. El porcentaje en masa de silicio (Si) en el acero al silicio oscila entre el 0,4% y el 6,5%. Se caracteriza por una alta permeabilidad magnética y una baja pérdida de núcleo, y ofrece excelentes propiedades magnéticas, como una baja pérdida de núcleo de hierro, una alta resistencia a la inducción magnética, una buena calidad de perforación, superficies de placas de acero de alta calidad y recubrimientos de película aislante efectivos. El acero al silicio se utiliza principalmente en la preparación de núcleos para diversos equipos eléctricos, incluidos motores, generadores y transformadores. Es un material funcional metálico indispensable en las industrias eléctrica, electrónica y militar, y es un material clave para mejorar la eficiencia y reducir el consumo de energía de los equipos eléctricos. Como la aleación magnética blanda con mayor volumen, el acero eléctrico se utiliza ampliamente en todos los sectores de la economía real. Mejorar su rendimiento general y su nivel de fabricación desempeña un papel muy importante y tiene un significado significativo para el desarrollo de la economía nacional.

La naturaleza de la conversión electromagnética

La inducción electromagnética se refiere al fenómeno en el que se genera una fuerza electromotriz (EMF) en un conductor cuando se mueve a través de un campo magnético o cuando el campo magnético cambia. Según la ley de inducción electromagnética de Faraday, cuando un conductor atraviesa las líneas del campo magnético, se produce un campo electromagnético en los extremos del conductor, que puede generar una corriente eléctrica en un circuito cerrado. Por el contrario, si una corriente eléctrica pasa a través de un conductor, produce una fuerza en el campo magnético que hace que el conductor se mueva y, por lo tanto, convierte la energía eléctrica en energía mecánica.

Aplicaciones de la conversión electromagnética

Este principio se aplica ampliamente en muchos dispositivos y máquinas eléctricas, como generadores, motores y transformadores. Por ejemplo, un generador utiliza la rotación de los conductores en un campo magnético para generar campos electromagnéticos, convirtiendo la energía mecánica en energía eléctrica. Por otro lado, un motor eléctrico utiliza la fuerza producida por la corriente en un campo magnético para hacer girar el rotor y convertir la energía eléctrica en energía mecánica.

‍El valor del acero eléctrico en la conversión electromagnética

El acero eléctrico, también conocido como acero al silicio o acero electromagnético, es un tipo especial de acero que se caracteriza por una alta permeabilidad magnética y una baja pérdida de histéresis, lo que lo hace muy adecuado para dispositivos electromagnéticos. El papel del acero eléctrico en la inducción electromagnética se refleja principalmente en los siguientes aspectos:

• Reducción de la pérdida por histéresis: el acero eléctrico tiene una pérdida por histéresis baja, lo que significa que se convierte menos energía eléctrica en calor durante el proceso de magnetización y desmagnetización repetidas. Esto es crucial para mejorar la eficiencia de los dispositivos electromagnéticos.
• Mejora de la permeabilidad magnética: el acero eléctrico tiene una alta permeabilidad magnética, lo que facilita la magnetización y la conducción eficaz de los campos magnéticos. Esto ayuda a establecer y mantener campos magnéticos intensos en los dispositivos electromagnéticos.
• Reducir las pérdidas por corrientes parásitas: el acero eléctrico suele tener una estructura laminada delgada con un revestimiento aislante, que ayuda a reducir las corrientes parásitas (corrientes circulantes en los conductores que provocan pérdidas de energía). En dispositivos como motores y transformadores, la reducción de las pérdidas por corrientes parásitas puede mejorar la eficiencia general.
• Estabilización de campos magnéticos: en los generadores y transformadores, las láminas de acero eléctrico se apilan para formar un núcleo que da forma a la trayectoria magnética. Esto asegura una transmisión eficiente del campo magnético dentro del dispositivo, lo que reduce la pérdida de energía.

La historia del desarrollo del acero al silicio

Antes de la llegada del acero al silicio, los núcleos se fabricaban tradicionalmente con hierro puro industrial. En 1886, la estadounidense Westinghouse Electric Corporation utilizó placas de acero con bajo contenido de carbono laminadas en caliente con un contenido de impurezas de alrededor del 0,4% para fabricar núcleos laminados para transformadores. Sin embargo, la baja resistividad del acero con bajo contenido de carbono provocó grandes pérdidas en el núcleo, un alto contenido de carbono y nitrógeno y un grave envejecimiento magnético. En 1902, el alemán Gumlich descubrió que la adición de silicio podía aumentar la resistividad del hierro, reducir las pérdidas por corrientes parásitas y por histéresis, mejorar la permeabilidad y aliviar los fenómenos de envejecimiento magnético.

De 1882 a 1995, fue principalmente la etapa de desarrollo del acero al silicio laminado en caliente. En 1903, los Estados Unidos y Alemania iniciaron la producción de acero al silicio laminado en caliente. En 1905, los Estados Unidos (seguidos por el Reino Unido en 1906) habían comenzado la producción en masa y, en poco tiempo, reemplazaron por completo las planchas de acero con bajo contenido de carbono ordinarias en la fabricación de motores y transformadores. Debido a la superior inducción magnética, la pérdida de núcleo, la procesabilidad por corte, la calidad de la superficie y la calidad del revestimiento aislante del acero al silicio no orientado laminado en frío, junto con la incapacidad de los productos laminados en caliente de producirse en rollos, lo que reduce la eficiencia del punzonado, los principales países industrializados dejaron gradualmente de producir acero al silicio laminado en caliente en la década de 1960.

De 1930 a 1967, fue principalmente la etapa de desarrollo de placas de acero al silicio orientado a granos (CGO) ordinarias laminadas en frío. En 1933, Gauss utilizó un doble método de laminado en frío y recocido para producir acero con un 3% de Si con altas propiedades magnéticas en la dirección de laminación. En 1935, la estadounidense Armco Steel Corporation, aprovechando la tecnología patentada de Gauss en colaboración con Westinghouse, inició la producción de acero al silicio orientado al grano laminado en frío. Tras dos décadas de desarrollo continuo, Armco perfeccionó el proceso de producción de acero al silicio orientado al grano con doble laminado en frío, conocido como proceso Armco, a mediados de la década de 1950. Desde entonces, el proceso Armco ha dominado la producción mundial de acero al silicio orientado a granos laminado en frío, y aproximadamente el 80% de la producción de acero al silicio orientado a granos (CGO) ordinario se fabrica de acuerdo con la patente de Armco.

De 1961 a 1994, fue principalmente la etapa de desarrollo del acero al silicio orientado a granos de alta inducción magnética (Hi-B). En 1953, Tanaka Satoru, de la Nippon Steel Corporation de Japón, demostró que el uso del AlN como principal inhibidor y el empleo de un proceso de laminación en frío de gran reducción podían producir acero al silicio orientado al grano con un mayor grado de magnetismo. En 1961, basándose en la patente de Armco, se inició la primera producción experimental de acero al silicio orientado al grano por alta inducción magnética con inhibidores compuestos de AlN+MnS. La producción comenzó en 1964 y recibió el nombre de Hi-B, aunque las propiedades magnéticas eran inicialmente inestables. Desde que Nippon Steel desarrolló en 1968 productos de acero al silicio orientado al grano con alta inducción magnética, el acero eléctrico laminado en frío de Japón ha superado al de los Estados Unidos en términos de calidad de producto, tecnología y equipos de fabricación, desarrollo de nuevas tecnologías, investigación experimental y tecnología de prueba, lo que le ha permitido ocupar una posición de liderazgo absoluto a nivel mundial.

China produjo por primera vez placas de acero con bajo contenido de silicio laminadas en caliente (1% a 2% de Si) en 1952 y comenzó oficialmente la producción en 1954. En 1957, la Academia China de Investigación del Acero desarrolló con éxito acero al silicio orientado a granos laminado en frío con un 3% de Si. En 1974, Wuhan Iron and Steel Corporation introdujo equipos de fabricación de acero al silicio orientado a granos laminados en frío y patentados por Nippon Steel en Japón. Entre 1976 y 1977, el Instituto de Investigación del Acero desarrolló acero al silicio orientado al grano Hi-B basándose en la verificación y asimilación de las patentes japonesas. En 1979, Wuhan Steel comenzó oficialmente a producir acero al silicio orientado a los cereales y, hasta el día de hoy, sigue siendo una de las principales bases de producción de acero al silicio orientado a los cereales de China.

Acero eléctrico orientado:

• Características del material: El acero eléctrico orientado es altamente anisotrópico, lo que significa que sus propiedades magnéticas en una dirección son significativamente mejores que en otras. Este acero tiene una permeabilidad magnética extremadamente alta y una baja pérdida por histéresis en la dirección de la orientación del grano.
• Proceso de fabricación: Durante la producción de acero eléctrico orientado, los granos del acero se tratan para garantizar un alto grado de alineación en el plano de la lámina. Este tratamiento le da al acero sus mejores propiedades magnéticas en una dirección específica.
• Escenarios de aplicación: Debido a su alta permeabilidad magnética y baja pérdida por histéresis, el acero eléctrico orientado se utiliza principalmente en aplicaciones que requieren alta eficiencia y alta permeabilidad magnética, como los núcleos de transformadores y reactores.

Acero eléctrico no orientado:

• Características del material: El acero eléctrico no orientado no presenta una anisotropía significativa, lo que significa que sus propiedades magnéticas son relativamente uniformes en todas las direcciones. Este acero tiene una permeabilidad magnética promedio y una pérdida de histéresis en todas las direcciones.
• Proceso de fabricación: En la producción de acero eléctrico no orientado, los granos no se tratan para orientarlos, lo que resulta en propiedades magnéticas consistentes en todas las direcciones.
• Escenarios de aplicación: debido a sus propiedades magnéticas uniformes, el acero eléctrico no orientado es adecuado para aplicaciones que requieren buenas propiedades magnéticas en múltiples direcciones, como los núcleos de máquinas rotativas (como motores y generadores).

En resumen, la diferencia entre el acero eléctrico orientado y el no orientado radica principalmente en la orientación de los granos y la anisotropía de las propiedades magnéticas. Estas diferencias conducen a su idoneidad para diferentes escenarios de aplicación electromagnética. El acero eléctrico orientado es adecuado para aplicaciones de campos magnéticos unidireccionales, como los transformadores, mientras que el acero eléctrico no orientado es adecuado para aplicaciones de campos magnéticos multidireccionales, como motores y generadores.

Clasificación y aplicaciones del acero al silicio

Fracción de masa de silicio

El acero al silicio se clasifica según la fracción de masa de silicio en dos tipos: acero eléctrico con Si inferior al 0,5% y acero al silicio con entre el 0,5% y el 4,5% de Si. Ambos se denominan colectivamente placas de acero eléctrico. La primera se usa ampliamente en la fabricación de pequeños electrodomésticos civiles donde los requisitos de rendimiento electromagnético no son altos. Este tipo de chapa de acero al silicio se caracteriza por un contenido de silicio significativamente menor en comparación con el acero eléctrico convencional, un proceso de preparación sencillo y unos costes más bajos, similares a los del acero al carbono ordinario. Este último abarca una compleja variedad de tipos y calidades.

El acero con alto contenido de silicio denota aleaciones de Si-Fe que contienen del 4,5% al 6,7% de Si. Presenta una pérdida de hierro significativamente reducida a altas frecuencias, una alta permeabilidad magnética máxima, una baja coercitividad y propiedades magnéticas superiores. Se utiliza principalmente en la fabricación de motores de alta frecuencia, transformadores de alta frecuencia, bobinas de choque y blindaje magnético de alta frecuencia. Sin embargo, debido a su alto contenido de silicio, tiene una plasticidad extremadamente pobre a temperatura ambiente y no se puede enrollar para darle forma. El 6,5% de Si forma su propia categoría es debido a sus propiedades magnéticas únicas. En la actualidad, solo se encuentra disponible en rollo una cantidad limitada de aleaciones de Si-Fe no orientadas al 6,5% preparadas mediante el proceso de infiltración de silicio, y la preparación de aleaciones de Si-Fe al 6,5% con un rendimiento más ventajoso es aún más difícil.

Proceso de producción

El acero al silicio se puede dividir en acero eléctrico laminado en caliente y laminado en frío según el método de producción. Las placas de acero al silicio laminadas en caliente se han eliminado gradualmente en los últimos años debido a su rendimiento obsoleto. El método más aceptado para clasificar el acero al silicio se basa en el grado de agregación por orientación del cristal en tipos orientados y no orientados. El acero al silicio no orientado laminado en frío se refiere a una aleación que contiene entre el 0,5% y el 4,0% (Si+Al), que se lamina en frío con espesores de 0,65 mm, 0,5 mm y 0,35 mm, y luego se fabrica después del recocido y el recubrimiento. En comparación con el acero al silicio orientado, tiene una textura de grano más dispersa, propiedades magnéticas más uniformes en todas las direcciones y una anisotropía magnética más baja, que se utiliza principalmente como núcleos laminados para varios tipos de motores y generadores. La precisión del espesor, el grado de tolerancia dimensional y la suavidad de la superficie de los productos laminados en frío han alcanzado altos estándares, lo que mejora el coeficiente de laminación y el rendimiento magnético del material. El acero al silicio orientado presenta una alta permeabilidad magnética y características de baja pérdida, lo que facilita la magnetización, lo que permite cumplir con los requisitos de guiado magnético para equipos de potencia estática, como los transformadores, y se utiliza principalmente en la fabricación de varios transformadores grandes, choques y otros componentes electromagnéticos de alta gama en la industria eléctrica.

Indicadores de rendimiento del acero al silicio

El núcleo laminado de acero eléctrico y el cable de cobre funcionan mediante inducción electromagnética, y el núcleo forma un campo magnético alterno. El consumo de energía y la capacidad de magnetización propios del núcleo durante el funcionamiento determinan el rendimiento básico de los equipos eléctricos, incluidos la potencia, el volumen, la eficiencia, la calidad y los costos operativos generales. Por lo tanto, los indicadores de rendimiento requeridos para el acero eléctrico incluyen los siguientes:

1) Corriente de excitación del núcleo, pérdidas de cobre y pérdidas de núcleo, y mejora de la eficiencia de la transformación de energía. Además, la fuerza de magnetización total del núcleo es el producto de su área e inducción magnética. Por lo tanto, un aumento de la densidad del flujo magnético (Bm) permite una reducción correspondiente del área de la sección transversal, lo que a su vez reduce la masa del núcleo y los cables de cobre, lo que reduce las pérdidas y los costos de hierro del aparato eléctrico. El valor garantizado para la inducción magnética del acero al silicio no orientado se toma como B50, que es la fuerza de inducción magnética en un campo magnético de 5000 A/m, mientras que para el acero al silicio orientado, la inducción magnética se toma como B8, siendo la unidad de inducción magnética Tesla. Se adoptan diferentes estándares de densidad de flujo magnético para diferentes tipos de acero eléctrico.

Estos dos indicadores están estrechamente relacionados con el diseño de la composición, el diseño del proceso central y los niveles de control en el proceso de producción del acero eléctrico y son los requisitos más fundamentales para el rendimiento del acero eléctrico. La precisión del laminado en caliente/frío y la calidad del revestimiento aislante también son condiciones esenciales para un acero eléctrico de alta calidad. Además, el acero eléctrico no orientado también requiere anisotropía magnética, lo que significa que la diferencia en la pérdida de hierro entre las direcciones longitudinal y transversal debe ser ≤ 8%, y la diferencia en la inducción magnética debe ser ≤ 10%.

Método de indicación del grado de acero al silicio

El método de indicación de las calidades de acero al silicio está estandarizado para garantizar la claridad y la coherencia en la industria.

Fabricantes nacionales de acero eléctrico y perspectivas del mercado

La producción de acero eléctrico en China está dirigida principalmente por empresas estatales, siendo Baosteel y Shougang los principales actores de la industria. En 2020, Baosteel tenía una participación del 28,42% en el mercado de acero eléctrico no orientado, Shougang tenía el 14,05% y Taiyuan Iron & Steel tenía el 11,53%. En el sector del acero eléctrico orientado, Baosteel dominó con una participación del 53,04%, seguido de Shougang. En el primer semestre de 2023, China produjo 7,2512 millones de toneladas de acero eléctrico, incluidos 1,2295 millones de toneladas de acero eléctrico orientado, un aumento interanual del 16,98% y 6,0217 millones de toneladas de acero eléctrico no orientado, un aumento interanual del 7,23%. Las principales aplicaciones del acero eléctrico incluyen vehículos de nueva energía, voltaje ultra alto proyectos, tránsito ferroviario, motores grandes, electrodomésticos inteligentes, generación de energía fotovoltaica, energía eólica y Internet de las cosas. El acero eléctrico no orientado se utiliza principalmente para fabricar materiales magnéticos en motores, transformadores, aparatos eléctricos e instrumentos eléctricos, mientras que el acero eléctrico orientado se utiliza principalmente en el sector de los transformadores de potencia. La demanda de acero eléctrico está estrechamente relacionada con el desarrollo de la industria de equipos eléctricos. Con el énfasis nacional en la eficiencia energética y la protección del medio ambiente, se espera que la demanda de acero eléctrico de alto rendimiento siga creciendo. En términos de ventas, la demanda del mercado de acero eléctrico está estrechamente relacionada con la macroeconomía, las políticas industriales y el desarrollo tecnológico. Debido a las altas barreras técnicas y de capital en la industria del acero eléctrico, los nuevos operadores se enfrentan a ciertos desafíos. Además, el proceso de certificación de calidad del acero eléctrico es estricto, y establecer relaciones de cooperación estables con los clientes intermedios es crucial para los fabricantes de acero eléctrico. Por lo tanto, aunque existe competencia en el mercado del acero eléctrico, las empresas estatales siguen dominando el sector de productos de alta gama.

El futuro del acero al silicio

Durante los últimos 20 años, la industria china del acero al silicio ha logrado avances significativos, con empresas como Shougang, Wuhan Iron and Steel (WISCO) y Baosteel a la cabeza. Sin embargo, todavía existe una brecha considerable en comparación con Japón en el campo del acero eléctrico de alta gama, especialmente en productos como el acero al silicio no orientado con alta inducción magnética, el acero al silicio orientado al Hi-B con pérdidas ultrabajas de hierro y el acero con alto contenido de silicio. Por ejemplo, Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation puede suministrar de manera estable una serie de acero eléctrico orientado Hi-B con pérdidas de hierro ultrabajas con especificaciones de espesor que oscilan entre 0,15 y 0,35 mm, lo que lidera el desarrollo de la tecnología de acero al silicio orientado. En el campo del acero al silicio para usos especiales, la empresa japonesa JFE ha conseguido suministrar láminas delgadas de acero con alto contenido de silicio mediante el método de infiltración de silicio por deposición química en fase de vapor (CVD). Con la modernización industrial de la industria de fabricación de equipos de China, la demanda de productos de acero al silicio de alta gama será cada vez más urgente. La competencia en este campo entre China y potencias siderúrgicas como Japón y Corea del Sur se volverá más intensa. El futuro de la industria del acero eléctrico incluye bajas pérdidas de hierro, alta inducción magnética para motores eficientes que utilizan acero al silicio no orientado, inducción magnética con altas pérdidas de hierro y especificaciones delgadas para acero al silicio orientado y acero con alto contenido de silicio para aparatos eléctricos que ahorren energía en frecuencias medias y altas.

Baohui Steel Limited, como distribuidor autorizado de Baosteel, tiene un gran inventario de acero laminado en caliente y acero al silicio productos en stock. Si tiene alguna pregunta sobre las calidades o el rendimiento del acero al silicio, póngase en contacto con nosotros. Contaremos con expertos profesionales en acero que le brindarán asistencia personalizada.