ورق سیلیکون استیل چیست؟ + انواع و کاربردها

در دنیای امروز که بهره‌وری انرژی و بهینه‌سازی مصرف برق اهمیت ویژه‌ای دارد، متریال‌هایی که بتوانند تلفات الکتریکی و مغناطیسی را کاهش دهند، ارزش بالایی پیدا کرده‌اند. ورق سیلیکون استیل (Silicon Steel Sheet) یا همان فولاد سیلیکونی یکی از این مواد کلیدی است که در قلب تجهیزات برقی و مغناطیسی مانند ترانسفورماتورها، موتورهای الکتریکی و ژنراتورها به کار می‌رود.

این ورق‌ها با افزودن مقدار مشخصی سیلیسیم (Si) به فولاد تولید می‌شوند تا خاصیت مغناطیسی آن بهبود یابد و تلفات انرژی به حداقل برسد. در ادامه با ساختار، انواع، ویژگی‌ها و کاربردهای ورق سیلیکون استیل آشنا می‌شوید.

ورق سیلیکون استیل چیست؟

تعریف و ترکیب شیمیایی

ورق سیلیکون استیل نوعی فولاد الکتریکی (Electrical Steel) است که معمولاً بین ۰٫۵ تا ۶٫۵ درصد سیلیسیم در ترکیب خود دارد. وجود سیلیس باعث افزایش مقاومت الکتریکی و کاهش تلفات هیسترزیس در میدان‌های مغناطیسی می‌شود.
به بیان ساده‌تر، هرچه میزان سیلیس بیشتر باشد، انرژی کمتری در اثر تغییر جهت میدان مغناطیسی تلف می‌شود و راندمان دستگاه بالاتر می‌رود.

تاریخچه تولید فولاد سیلیکونی

فولاد سیلیکونی برای نخستین‌بار در دهه‌ی ۱۹۳۰ میلادی معرفی شد تا مشکل تلفات آهن در ترانسفورماتورها برطرف شود. از آن زمان تاکنون، با پیشرفت فناوری نورد سرد و عملیات حرارتی، کیفیت و بازده این ورق‌ها به‌طور چشمگیری افزایش یافته است.
شرکت‌هایی مانند Nippon Steel (ژاپن)، POSCO (کره جنوبی) و Thyssenkrupp (آلمان) از پیشگامان تولید جهانی آن هستند.

تفاوت فولاد سیلیکونی با فولاد معمولی

برخلاف فولاد کربنی یا ضدزنگ، فولاد سیلیکونی تمرکز خود را بر ویژگی‌های مغناطیسی و الکتریکی گذاشته است. در فولادهای معمولی هدف استحکام مکانیکی است، اما در فولاد سیلیکونی، هدف کاهش تلفات انرژی در میدان مغناطیسی می‌باشد.
افزودن تنها ۱٪ سیلیس می‌تواند تلفات آهن را تا ۲۰٪ کاهش دهد.

انواع ورق سیلیکون استیل

ورق‌های سیلیکون استیل بر اساس ساختار کریستالی و جهت‌گیری دانه‌ها به دو نوع اصلی تقسیم می‌شوند:

۱. ورق سیلیکون استیل با دانه جهت‌دار (Grain Oriented – GO)

در این نوع، بلورهای فولاد در یک جهت خاص منظم شده‌اند تا خطوط شار مغناطیسی راحت‌تر عبور کنند.
ویژگی‌ها:

• هدایت مغناطیسی بسیار بالا در یک راستا

• تلفات آهن بسیار کم

• ضخامت بین ۰٫۲ تا ۰٫۳ میلی‌متر
  کاربرد:

• مخصوص ترانسفورماتورهای قدرت و توزیع برق

۲. ورق سیلیکون استیل بدون جهت (Non Grain Oriented – NGO)

در نوع NGO، بلورها به صورت چندجهتی پخش شده‌اند و در تمام جهت‌ها خاصیت مغناطیسی یکسانی دارند.
ویژگی‌ها:

• عملکرد یکنواخت در میدان‌های دوار

• مقاومت مکانیکی بالاتر

• ضخامت ۰٫۳ تا ۰٫۶ میلی‌متر
  کاربرد:

• مناسب برای موتورها، ژنراتورها و تجهیزات الکترومغناطیسی

تفاوت ورق GO و NGO

گریدهای مختلف ورق سیلیکون استیل

استانداردهای جهانی مانند ASTM A677، IEC 60404 و JIS C2552 گریدهای متنوعی از این ورق را تعریف کرده‌اند.
رایج‌ترین گریدها شامل M15، M19، M27، M36، M43، M47 و M50 هستند.
هرچه شماره گرید بالاتر باشد، تلفات مغناطیسی بیشتر و قیمت پایین‌تر است.

ویژگی‌ها و خواص ورق سیلیکون استیل

خاصیت مغناطیسی بالا

به لطف ساختار بلوری کنترل‌شده و میزان مناسب سیلیس، این ورق‌ها دارای نفوذپذیری مغناطیسی بالا هستند؛ یعنی میدان مغناطیسی به راحتی از آنها عبور می‌کند.

کاهش تلفات هیسترزیس

افزودن سیلیس موجب کاهش اصطکاک مولکولی هنگام تغییر جهت میدان مغناطیسی می‌شود، در نتیجه گرمای کمتری تولید شده و راندمان انرژی بالاتر می‌رود.

مقاومت در برابر حرارت و اکسیداسیون

ورق سیلیکون استیل در دماهای بالا پایداری خود را حفظ می‌کند و نسبت به فولاد معمولی دیرتر اکسید می‌شود. همین ویژگی باعث شده در ترانسفورماتورهای قدرت، موتورهای صنعتی و ژنراتورهای سنگین مورد استفاده قرار گیرد.

خاصیت عایق الکتریکی و سطح اکسیدی

در سطح این ورق‌ها، لایه‌ای از پوشش عایق یا اکسید کنترل‌شده وجود دارد که از تشکیل جریان‌های گردابی (Eddy Currents) جلوگیری کرده و تلفات انرژی را کاهش می‌دهد.

کاربرد ورق سیلیکون استیل در صنایع مختلف

استفاده در ترانسفورماتورهای قدرت

در ترانسفورماتور، هسته‌ی مغناطیسی مهم‌ترین بخش است. استفاده از ورق سیلیکون استیل تلفات هیسترزیس را تا ۳۰٪ کاهش داده و بازده کلی را بالا می‌برد.

موتورهای الکتریکی و ژنراتورها

در تجهیزات دوار، از نوع NGO استفاده می‌شود تا در هر جهت چرخش میدان مغناطیسی، عملکرد یکسانی داشته باشد. این ویژگی باعث کاهش دما و افزایش عمر مفید موتور می‌شود.

تجهیزات الکترومغناطیسی

در چوک‌ها، رله‌ها و آهنرباهای صنعتی از این ورق‌ها برای کنترل دقیق جریان و میدان مغناطیسی بهره گرفته می‌شود.

لوازم خانگی برقی و صنعتی

موتورهای پمپ، یخچال، کولر، فن و سایر تجهیزات دارای هسته مغناطیسی از فولاد سیلیکونی استفاده می‌کنند تا مصرف انرژی کاهش یابد.

نحوه تولید و فرآیند ساخت ورق سیلیکون استیل

نورد گرم و نورد سرد

تولید از فولاد خام با روش نورد گرم آغاز می‌شود، سپس برای رسیدن به ضخامت‌های دقیق و سطح صاف‌تر، مرحله‌ی نورد سرد انجام می‌شود.

عملیات حرارتی و آنیلینگ

در این مرحله با حرارت‌دهی کنترل‌شده، جهت بلورهای فولاد تنظیم می‌شود تا ویژگی مغناطیسی بهینه حاصل گردد. نوع GO نیازمند آنیل دقیق و چندمرحله‌ای است.

پوشش سطحی و عایق‌کاری

در پایان، سطح ورق با لایه‌ای از اکسید سیلیکات یا پوشش آلی عایق پوشانده می‌شود تا از تماس الکتریکی بین لایه‌ها و خوردگی جلوگیری کند.

نکات مهم در انتخاب و خرید ورق سیلیکون استیل

ضخامت و گرید مناسب

ضخامت ورق معمولاً بین ۰٫۲ تا ۰٫۶ میلی‌متر است. برای ترانسفورماتورها ضخامت کمتر و برای موتورها ضخامت بیشتر توصیه می‌شود.

برندهای معتبر و تولیدکنندگان

• خارجی: Nippon Steel (ژاپن)، POSCO (کره جنوبی)، Thyssenkrupp (آلمان)

• داخلی: فولاد مبارکه در حال توسعه تولید ورق‌های NGO است.

فاکتورهای مؤثر بر قیمت

1. نوع ورق (GO یا NGO)

2. ضخامت و گرید

3. برند و کشور سازنده

4. نوسانات نرخ دلار و بازار جهانی فولاد

به طور میانگین، ورق‌های GO به دلیل فرآیند تولید پیچیده‌تر، حدود ۲۰ تا ۳۰ درصد گران‌تر از نوع NGO هستند.

مزایا و معایب استفاده از ورق سیلیکون استیل

مزایا

• کاهش قابل‌توجه تلفات انرژی در تجهیزات الکتریکی

• افزایش راندمان و کاهش گرمایش داخلی

• مقاومت بالا در برابر حرارت و اکسیداسیون

• طول عمر بالا و پایداری مغناطیسی

• امکان عایق‌کاری مؤثر برای کاهش جریان‌های گردابی

معایب و محدودیت‌ها

• قیمت بالاتر نسبت به فولاد معمولی

• حساسیت به نحوه‌ی برش و جهت‌گیری در نوع GO

• در دسترس‌نبودن گریدهای خاص در بازار داخلی

پرسش‌های متداول درباره ورق سیلیکون استیل

۱. آیا ورق سیلیکون استیل ضد زنگ است؟
خیر، به‌طور کامل ضدزنگ نیست؛ اما به دلیل وجود سیلیس، مقاومت خوبی در برابر اکسیداسیون دارد و معمولاً با پوشش محافظ عایق پوشیده می‌شود.

۲. چرا از آن در ترانسفورماتور استفاده می‌شود؟
چون تلفات مغناطیسی را کاهش داده و باعث افزایش راندمان و کاهش دمای کاری می‌شود.

۳. تفاوت GO و NGO چیست؟
GO دارای ساختار جهت‌دار برای عبور شار در یک راستا است (مخصوص ترانس)، در حالی‌که NGO چندجهتی است (مناسب موتور و ژنراتور).

۴. ضخامت استاندارد ورق چقدر است؟
بین ۰٫۲ تا ۰٫۶ میلی‌متر، بسته به کاربرد و نوع تجهیزات.

۵. آیا ورق سیلیکون استیل در ایران تولید می‌شود؟
تولید محدود در فولاد مبارکه آغاز شده، اما بیشتر نیاز بازار از برندهای خارجی تأمین می‌شود.

۶. آیا برش یا خم‌کاری آن ممکن است؟
بله، اما باید با دستگاه‌های برش سرد و با رعایت جهت دانه (در نوع GO) انجام شود تا خاصیت مغناطیسی کاهش نیابد.

۷. آیا نوع GO واقعاً راندمان بالاتری دارد؟
بله، در حدود ۳۰٪ بازده مغناطیسی بهتر نسبت به NGO دارد، اما قیمت آن نیز بالاتر است.