O que é aço elétrico (eletrossilício)?

O que é aço eletrossilício?

O aço eletrossilício refere-se à liga magnética mole Fe-Si, também conhecida como aço elétrico ou aço para usinas elétricas. A porcentagem em massa de silício (Si) no aço eletrossilício varia de 0,4% a 6,5%. É caracterizado por alta permeabilidade magnética e baixa perda no núcleo, oferecendo excelentes propriedades magnéticas, como baixa perda no núcleo de ferro, alta indução magnética, boa qualidade de punção, superfícies de alta qualidade e revestimentos de filme isolante eficazes. O aço eletrossilício é usado principalmente na preparação de núcleos para vários equipamentos elétricos, incluindo motores, geradores e transformadores. É um material funcional metálico indispensável nas indústrias de energia, eletrônica e militar, sendo um material-chave para melhorar a eficiência e reduzir o consumo de energia de equipamentos elétricos. Como a liga magnética mole de maior volume, o aço elétrico é extensivamente usado em todos os setores da economia real. O aprimoramento de seu desempenho global e nível de fabricação desempenha papel muito importante e tem significado relevante para o desenvolvimento da economia nacional.

A natureza da conversão eletromagnética

A indução eletromagnética refere-se ao fenômeno em que uma força eletromotriz (FEM) é gerada em um condutor quando ele se move através de um campo magnético ou quando o campo magnético muda. Segundo a lei de indução eletromagnética de Faraday, quando um condutor corta as linhas de campo magnético, uma FEM é produzida nas extremidades do condutor, podendo gerar uma corrente elétrica em um circuito fechado. Inversamente, se uma corrente elétrica passa por um condutor, ela produz uma força no campo magnético, fazendo com que o condutor se mova, convertendo assim energia elétrica em energia mecânica.

Aplicações da conversão eletromagnética

Esse princípio é amplamente aplicado em muitos dispositivos e máquinas elétricas, como geradores, motores e transformadores. Por exemplo, um gerador usa a rotação de condutores em um campo magnético para gerar FEM, convertendo energia mecânica em energia elétrica. Por outro lado, um motor elétrico usa a força produzida pela corrente em um campo magnético para girar o rotor, convertendo energia elétrica em energia mecânica.

‍O valor do aço elétrico na conversão eletromagnética

O aço elétrico, também conhecido como aço eletrossilício ou aço eletromagnético, é um tipo especial de aço caracterizado por alta permeabilidade magnética e baixa perda por histerese, tornando-o altamente adequado para dispositivos eletromagnéticos. O papel do aço elétrico na indução eletromagnética reflete-se principalmente nos seguintes aspectos:

• Redução da perda por histerese: o aço elétrico tem baixa perda por histerese, o que significa que menos energia elétrica é convertida em calor durante o processo de magnetização e desmagnetização repetidas. Isso é crucial para melhorar a eficiência de dispositivos eletromagnéticos.
• Aumento da permeabilidade magnética: o aço elétrico tem alta permeabilidade magnética, facilitando sua magnetização e conduzindo efetivamente os campos magnéticos. Isso ajuda a estabelecer e manter campos magnéticos fortes em dispositivos eletromagnéticos.
• Redução das perdas por correntes parasitas (correntes de Foucault): o aço elétrico tipicamente tem uma estrutura laminada fina com revestimento isolante, o que ajuda a reduzir as correntes parasitas (correntes circulantes nos condutores que causam perda de energia). Em dispositivos como motores e transformadores, a redução das perdas por correntes parasitas pode melhorar a eficiência global.
• Estabilização dos campos magnéticos: em geradores e transformadores, as chapas de aço elétrico são empilhadas para formar um núcleo que molda o caminho magnético. Isso garante a transmissão eficiente do campo magnético dentro do dispositivo, reduzindo a perda de energia.

A história do desenvolvimento do aço eletrossilício

Antes do advento do aço eletrossilício, os núcleos eram tradicionalmente feitos de ferro puro industrial. Em 1886, a americana Westinghouse Electric Corporation usou chapas de aço carbono laminadas a quente com teor de impurezas de cerca de 0,4% para fabricar núcleos laminados de transformadores. No entanto, a baixa resistividade do aço carbono resultava em altas perdas no núcleo, alto teor de carbono e nitrogênio e severo envelhecimento magnético. Em 1902, Gumlich, da Alemanha, descobriu que a adição de silício poderia aumentar a resistividade do ferro, reduzir as perdas por correntes parasitas e por histerese, aumentar a permeabilidade e aliviar os fenômenos de envelhecimento magnético.

De 1882 a 1995, foi principalmente a fase de desenvolvimento do aço eletrossilício laminado a quente. Em 1903, os Estados Unidos e a Alemanha iniciaram a produção de aço eletrossilício laminado a quente. Até 1905, os Estados Unidos (seguidos pelo Reino Unido em 1906) haviam começado a produção em massa e, em curto espaço de tempo, substituíram completamente as chapas comuns de aço carbono na fabricação de motores e transformadores. Devido à indução magnética superior, perda no núcleo, conformabilidade de corte, qualidade de superfície e qualidade do revestimento isolante do aço eletrossilício não orientado laminado a frio, juntamente com a impossibilidade de os produtos laminados a quente serem produzidos em bobinas, reduzindo a eficiência de punção, os principais países industrializados cessaram gradualmente a produção de aço eletrossilício laminado a quente na década de 1960.

De 1930 a 1967, foi principalmente a fase de desenvolvimento das chapas de aço eletrossilício laminado a frio com orientação de grãos comum (CGO). Em 1933, Gauss utilizou um método de dupla laminação a frio e recozimento para produzir aço com 3% de Si com altas propriedades magnéticas ao longo da direção de laminação. Em 1935, a americana Armco Steel Corporation, aproveitando a tecnologia patenteada de Gauss em colaboração com a Westinghouse, iniciou a produção de aço eletrossilício laminado a frio com orientação de grãos. Após duas décadas de desenvolvimento contínuo, a Armco aperfeiçoou o processo de produção de aço eletrossilício com orientação de grãos por dupla laminação a frio, conhecido como processo Armco, em meados da década de 1950. Desde então, o processo Armco dominou a produção mundial de aço eletrossilício laminado a frio com orientação de grãos, com aproximadamente 80% da produção de aço eletrossilício com orientação de grãos comum (CGO) sendo fabricada segundo a patente Armco.

De 1961 a 1994, foi principalmente a fase de desenvolvimento do aço eletrossilício com orientação de grãos de alta indução magnética (Hi-B). Em 1953, Tanaka Satoru, da Nippon Steel Corporation no Japão, demonstrou que o uso de AlN como inibidor principal e a aplicação de um processo de laminação a frio com grande redução poderiam produzir aço eletrossilício com orientação de grãos de maior qualidade magnética. Em 1961, com base na patente Armco, iniciou-se a primeira produção experimental de aço eletrossilício com orientação de grãos de alta indução magnética com inibidores compostos AlN+MnS. A produção começou em 1964 e foi nomeada Hi-B, embora as propriedades magnéticas fossem inicialmente instáveis. Desde que a Nippon Steel desenvolveu produtos de aço eletrossilício com orientação de grãos de alta indução magnética em 1968, o aço elétrico laminado a frio do Japão superou os Estados Unidos em qualidade de produto, tecnologia e equipamentos de fabricação, desenvolvimento de novas tecnologias, pesquisa experimental e tecnologia de ensaio, assegurando posição de liderança absoluta global.

A China produziu pela primeira vez experimentalmente chapas de aço eletrossilício laminadas a quente com baixo teor de silício (1% a 2% de Si) em 1952 e iniciou oficialmente a produção em 1954. Em 1957, a Academia Chinesa de Pesquisa em Aço desenvolveu com sucesso o aço eletrossilício laminado a frio com orientação de grãos com 3% de Si. Em 1974, a Wuhan Iron and Steel Corporation introduziu equipamentos e patentes de fabricação de aço eletrossilício laminado a frio com orientação de grãos da Nippon Steel, do Japão. Entre 1976 e 1977, o Instituto de Pesquisa em Aço desenvolveu o aço eletrossilício Hi-B com orientação de grãos com base na verificação e assimilação das patentes japonesas. Em 1979, a Wuhan Steel começou oficialmente a produzir aço eletrossilício com orientação de grãos e permanece até hoje uma das principais bases de produção de aço eletrossilício com orientação de grãos da China.

Aço elétrico orientado:

• Características do material: o aço elétrico orientado é altamente anisotrópico, o que significa que suas propriedades magnéticas em uma direção são significativamente melhores do que nas outras. Esse aço tem permeabilidade magnética extremamente alta e baixa perda por histerese na direção de orientação dos grãos.
• Processo de fabricação: durante a produção do aço elétrico orientado, os grãos do aço são tratados para garantir alto grau de alinhamento no plano da chapa. Esse tratamento confere ao aço suas melhores propriedades magnéticas em uma direção específica.
• Cenários de aplicação: devido à sua alta permeabilidade magnética e baixa perda por histerese, o aço elétrico orientado é usado principalmente em aplicações que exigem alta eficiência e alta permeabilidade magnética, como os núcleos de transformadores e reatores.

Aço elétrico não orientado:

• Características do material: o aço elétrico não orientado não exibe anisotropia significativa, o que significa que suas propriedades magnéticas são relativamente uniformes em todas as direções. Esse aço tem permeabilidade magnética e perda por histerese médias em todas as direções.
• Processo de fabricação: na produção do aço elétrico não orientado, os grãos não são tratados para orientação, resultando em propriedades magnéticas consistentes em todas as direções.
• Cenários de aplicação: devido às suas propriedades magnéticas uniformes, o aço elétrico não orientado é adequado para aplicações que exigem boas propriedades magnéticas em múltiplas direções, como os núcleos de máquinas rotativas (como motores e geradores).

Em resumo, a diferença entre aço elétrico orientado e não orientado reside principalmente na orientação dos grãos e na anisotropia das propriedades magnéticas. Essas diferenças levam à sua adequação a diferentes cenários de aplicação eletromagnética. O aço elétrico orientado é adequado para aplicações de campo magnético unidirecional, como transformadores, enquanto o aço elétrico não orientado é adequado para aplicações de campo magnético multidirecional, como motores e geradores.

Classificação e aplicações do aço eletrossilício

Fração em massa de silício

O aço eletrossilício é categorizado com base na fração em massa de silício em dois tipos: aço elétrico com Si inferior a 0,5% e aço eletrossilício com 0,5% a 4,5% de Si. Ambos são referidos coletivamente como chapas de aço elétrico. O primeiro é amplamente usado na fabricação de pequenos eletrodomésticos civis onde os requisitos de desempenho eletromagnético não são altos. Esse tipo de chapa de aço eletrossilício é caracterizado por teor de silício significativamente menor que o do aço elétrico convencional, processo de preparação simples e custos mais baixos, semelhantes aos do aço carbono comum. O último abrange uma variedade complexa de tipos e graus.

O aço eletrossilício de alto teor de silício (HiSi) denota ligas Fe-Si contendo 4,5% a 6,7% de Si. Apresenta perda de ferro significativamente reduzida em altas frequências, máxima permeabilidade magnética alta, baixa coercitividade e propriedades magnéticas superiores. É utilizado principalmente na fabricação de motores de alta frequência, transformadores de alta frequência, bobinas de bloqueio (choke coils) e blindagem magnética de alta frequência. No entanto, devido ao alto teor de silício, tem plasticidade extremamente pobre em temperatura ambiente e não pode ser laminado em forma final. O teor de 6,5% de Si forma sua própria categoria devido às suas propriedades magnéticas únicas. Atualmente, apenas uma quantidade limitada de materiais de liga Fe-Si não orientada com 6,5% de Si preparados pelo processo de infiltração de silício está disponível em bobinas, e a preparação de ligas Fe-Si orientadas com 6,5% de Si com vantagens de desempenho é ainda mais desafiadora.

Processo de produção

O aço eletrossilício pode ser dividido em aço elétrico laminado a quente e laminado a frio com base no método de produção. As chapas de aço eletrossilício laminadas a quente têm sido gradualmente eliminadas nos últimos anos devido ao seu desempenho ultrapassado. O método de categorização mais amplamente aceito do aço eletrossilício baseia-se no grau de agregação da orientação cristalina em tipos orientado e não orientado. O aço eletrossilício não orientado laminado a frio refere-se a uma liga contendo 0,5% a 4,0% de (Si+Al), que é laminada a frio em espessuras de 0,65 mm, 0,5 mm e 0,35 mm, e depois fabricada após recozimento e revestimento. Comparado com o aço eletrossilício orientado, tem textura de grãos mais dispersa, propriedades magnéticas mais uniformes em todas as direções e menor anisotropia magnética, sendo usado principalmente como núcleos laminados para vários tipos de motores e geradores. A precisão de espessura, classe de tolerância dimensional e lisura de superfície dos produtos laminados a frio atingiram altos padrões, melhorando assim o coeficiente de empilhamento e o desempenho magnético do material. O aço eletrossilício orientado exibe características de alta permeabilidade magnética e baixa perda na direção de fácil magnetização, atendendo aos requisitos de condução magnética para equipamentos estáticos de energia, como transformadores, sendo usado principalmente na fabricação de vários grandes transformadores, bobinas de bloqueio e outros componentes eletromagnéticos de alto padrão na indústria de energia.

Indicadores de desempenho do aço eletrossilício

O núcleo laminado de aço elétrico e o fio de cobre operam por indução eletromagnética, com o núcleo formando um campo magnético alternado. O consumo de energia e a capacidade de magnetização do próprio núcleo durante a operação determinam o desempenho do núcleo do equipamento elétrico, incluindo potência, volume, eficiência, qualidade e custos operacionais gerais. Portanto, os indicadores de desempenho exigidos para o aço elétrico incluem o seguinte:

1) Perda no núcleo: corrente de excitação, perdas no cobre e perdas no núcleo, e melhoria da eficiência da transformação de energia. Além disso, a magnetização total do núcleo é o produto de sua indução magnética e área. Portanto, um aumento na densidade de fluxo magnético (Bm) permite uma redução correspondente na área da seção transversal, o que por sua vez reduz a massa do núcleo e dos fios de cobre, diminuindo as perdas de ferro e os custos do aparelho elétrico. O valor garantido para a indução magnética do aço eletrossilício não orientado é tomado como B50, que é a indução magnética sob campo magnético de 5000 A/m, enquanto para o aço eletrossilício orientado a indução magnética é tomada como B8, sendo a unidade de indução magnética o Tesla. Diferentes normas de densidade de fluxo magnético são adotadas para diferentes tipos de aço elétrico.

Esses dois indicadores estão intimamente relacionados ao design de composição, ao design do processo do núcleo e aos níveis de controle no processo de produção do aço elétrico, sendo os requisitos mais fundamentais para o desempenho do aço elétrico. A precisão da laminação a quente/fria e a qualidade do revestimento isolante também são condições essenciais para o aço elétrico de alta qualidade. Além disso, o aço elétrico não orientado também exige anisotropia magnética, ou seja, a diferença de perda de ferro entre as direções longitudinal e transversal deve ser ≤8%, e a diferença de indução magnética deve ser ≤10%.

Método de indicação de graus do aço eletrossilício

O método de indicação de graus do aço eletrossilício é padronizado para garantir clareza e consistência na indústria.

Fabricantes domésticos de aço elétrico e percepções de mercado

A produção de aço elétrico na China é liderada principalmente por empresas estatais, com Baosteel e Shougang sendo os principais players do setor. Em 2020, a Baosteel detinha 28,42% do mercado de aço elétrico não orientado, a Shougang tinha 14,05% e a Taiyuan Iron & Steel tinha 11,53%. No setor de aço elétrico orientado, a Baosteel dominava com 53,04% de participação, seguida pela Shougang. No primeiro semestre de 2023, a China produziu 7,2512 milhões de toneladas de aço elétrico, incluindo 1,2295 milhão de toneladas de aço elétrico orientado, aumento de 16,98% ano a ano, e 6,0217 milhões de toneladas de aço elétrico não orientado, aumento de 7,23% ano a ano. As principais aplicações do aço elétrico incluem veículos elétricos de nova energia, projetos de ultra-alta tensão, tráfego ferroviário, grandes motores, eletrodomésticos inteligentes, geração fotovoltaica, energia eólica e Internet das Coisas. O aço elétrico não orientado é usado principalmente para fabricação de materiais magnéticos em motores, transformadores, aparelhos e instrumentos elétricos, enquanto o aço elétrico orientado é usado principalmente no setor de transformadores de energia. A demanda por aço elétrico está intimamente relacionada ao desenvolvimento da indústria de equipamentos elétricos. Com a ênfase nacional em eficiência energética e proteção ambiental, espera-se que a demanda por aço elétrico de alto desempenho continue crescendo. Em termos de vendas, a demanda de mercado por aço elétrico está intimamente relacionada à macroeconomia, políticas do setor e desenvolvimento tecnológico. Devido às altas barreiras técnicas e de capital na indústria de aço elétrico, novos entrantes enfrentam certos desafios. Além disso, o processo de certificação de qualidade do aço elétrico é rigoroso, e o estabelecimento de relações de cooperação estáveis com clientes downstream é crucial para os fabricantes de aço elétrico. Portanto, embora haja competição no mercado de aço elétrico, as empresas estatais ainda dominam o setor de produtos de alto padrão.

O futuro do aço eletrossilício

Ao longo dos últimos 20 anos, a indústria de aço eletrossilício da China fez progressos significativos, com empresas como Shougang, Wuhan Iron and Steel (WISCO) e Baosteel liderando o caminho. No entanto, ainda há uma lacuna considerável em relação ao Japão no campo do aço elétrico de alto padrão, particularmente em produtos como aço eletrossilício não orientado de alta indução magnética, aço eletrossilício orientado Hi-B de ultra-baixa perda de ferro e aço de alto teor de silício. Por exemplo, a Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation pode fornecer de forma estável uma série de aço elétrico orientado Hi-B de ultra-baixa perda de ferro com especificações de espessura variando de 0,15 a 0,35 mm, liderando o desenvolvimento da tecnologia de aço eletrossilício orientado. No campo do aço eletrossilício de uso especial, a JFE, do Japão, alcançou o fornecimento de tiras finas de aço de alto teor de silício por meio do método de infiltração de silício por deposição química de vapor (CVD). Com a modernização industrial da indústria de fabricação de equipamentos da China, a demanda por produtos de aço eletrossilício de alto padrão tornar-se-á cada vez mais urgente. A competição nesse campo entre a China e potências siderúrgicas como Japão e Coreia do Sul tornar-se-á mais intensa. O futuro da indústria de aço elétrico inclui baixa perda de ferro e alta indução magnética para motores eficientes usando aço eletrossilício não orientado, espessuras finas de ultra-baixa perda de ferro e alta indução magnética para aço eletrossilício orientado, e aço de alto teor de silício para eletrodomésticos economizadores de energia em médias e altas frequências.

A Baohui Steel Limited, como distribuidora autorizada da Baosteel, mantém grande estoque de produtos de aço laminado a quente e aço eletrossilício. Se tiver qualquer dúvida sobre os graus ou o desempenho do aço eletrossilício, fale conosco. Teremos especialistas em aço profissionais oferecendo assistência um-a-um a você.