Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
La tôle à grains orientés est l'un des matériaux les plus importants de la chaîne de conversion de l'énergie électrique. La demande d'efficacité environnementale entraîne une évolution des convertisseurs et une amélioration des propriétés des tôles électriques à grains orientés. Moins de pertes, moins de bruits, sont les exigences qui guident le développement de ces produits. Cet article décrit les grands principes de fabrication des différentes familles de tôles à grains orientés et leurs propriétés principales. Il donne un aperçu des normes relatives à leur classification et à l'évaluation de leurs propriétés d'usage.
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Grain riented electrical steel is one of the most important contributors to the chain of energy conversion. The demand for environmental efficiency involves changes in converter structures and improvements in grain oriented electrical steel properties. Lower loss and less noise are the guides for the development of those products. This paper describes the production of the various grain oriented electrical steels and their main properties it brings also an overview of the standards related to their classification and to their property assessment.
Auteur(s)
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Régis LEMAÎTRE : Responsable recherche et technologie de ThyssenKrupp Electrical Steel GmbH (TKES, Gelsenkirchen, Allemagne)
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Thierry BELGRAND : Responsable recherche et développement de ThyssenKrupp Electrical Steel UGO SAS (TKES, Isbergues, France)
INTRODUCTION
La dénomination de la norme NF EN 10107 était jusqu'alors « bandes et tôles magnétiques en acier à grains orientés livrées à l'état fini » ; dans une résolution du 23 décembre 2013, la Commission UF68 de l'AFNOR – système français de normalisation – UTE a adopté la dénomination « bandes et tôles en acier électrique à grains orientés livrées à l'état fini ». Cet acier est communément appelé GO, ou encore acier au silicium à grains orientés.
L'acier à grains orientés fait partie de la famille des matériaux magnétiques doux qui offrent une grande perméabilité au champ magnétique, s'aimantent et se désaimantent facilement. C'est un acier allié au silicium, contenant environ 3 % de silicium en poids, commercialisé sous forme de produit plat et isolé électriquement sur les deux faces par une couche formée à partir de silicates de magnésium complétée d'un film inorganique de type phosphate.
Le procédé de fabrication comprend de multiples étapes depuis l'élaboration de l'acier, le laminage à chaud et les opérations de transformation thermomécanique qui visent à obtenir une texture cristallographique spécifique appelée « texture de Goss ». Cette texture est la raison de leur bonne performance magnétique dans le sens de laminage de la tôle. Elles présentent une polarisation magnétique élevée à saturation et des pertes spécifiques très basses.
Les tôles à grains orientés sont bien adaptées aux emplois en champ unidirectionnel comme dans les machines statiques telles que les transformateurs pour lesquels les rendements électriques visés sont très élevés. En revanche, elles sont moins performantes dans le cas des machines tournantes traditionnelles mais le sont dans les gros générateurs et alternateurs. Leurs caractéristiques sont spécifiées dans la norme qui distingue deux classes de matériaux dans les épaisseurs 0,23, 0,27, 0,30, 0,35 mm :
-
matériau à grains orientés conventionnel, dit CGO ;
-
matériau à grains orientés à haute perméabilité, dit HGO, qui présente des propriétés améliorées pour les transformateurs de puissance.
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KEYWORDS
steel making | electrotechnic | Energy | magnetic materials
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Formation du revêtement et isolation électrique2. Mécanismes de formation de la texture de Goss
La tôle électrique à grains orientés (figure 3) est caractérisée par une structure de grains de taille exceptionnelle, de quelques millimètres à quelques centimètres selon les procédés de fabrication, et par une orientation presque parfaite de tous ses grains, monocristaux, dans la direction de laminage formant une texture dite de Goss {110}<001>, dite aussi de cube sur arête. L'axe <001> du cristal est un axe de facile aimantation du fer cubique centré, qui, aligné avec le sens de laminage, confère au GO ses excellentes propriétés magnétiques dans cette direction. Dans la tôle conventionnelle (CGO), la désorientation moyenne est d'environ 7o, pour les tôles à haute perméabilité (HGO), le procédé de fabrication réduit cette désorientation à moins de 3o.
Cette texture fait du GO un acier anisotrope alors que l'acier à grains non orientés [D 2 122] est isotrope pour ses caractéristiques magnétiques.
La texture de Goss se développe pendant le recuit statique selon une recristallisation secondaire. C'est une croissance anormale d'une minorité de grains de Goss d'orientation {110}<001> au sein d'une matrice recristallisée de grains primaires dont la croissance normale est bloquée au joint de grain par de fins précipités dits inhibiteurs. Dans ce processus de croissance anormale, un grain consomme 30 millions de grains dans son entourage ...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - HASTENRATH (M.), LAHN (L.), LEMAITRE (R.) - New developments in manufacturing of GOES. - Cigré, Cavtat, Croatia, nov. 2009.
-
(2) - Démarrage de la coulée-laminage de ThyssenKrupp. - Revue de Métallurgie, V98, p. 655-666, juil. 2001
-
(3) - SCHOEN (J.W.) - High temperature grain growth during slab reheating of oriented 3%Si-Fe made using continuous casting. - Met. Trans. A, vol. 17, p. 1335-1346, 8 août 1986.
-
(4) - SHIMANAKA (H.) et al - Grain oriented silicon steel having low core loss by continuous casting. - Proc. Symp. on Energy efficient electrical steels, Pittsburg, p. 157-168, oct. 1980.
-
(5) - Procédé de fabrication d'acier magnétique. - Brevets : EP0732413B1, EP0912768B1.
-
(6) - GÜNTHER (K.) - * - Journal of Magnetism and Magnetic Materials,...
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