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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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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 :
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matériau à grains orientés conventionnel, dit CGO ;
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matériau à grains orientés à haute perméabilité, dit HGO, qui présente des propriétés améliorées pour les transformateurs de puissance.
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Qui sont les producteurs de tôles électriques à grains orientés ?
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4. Affinement des domaines magnétiques
L'affinement des domaines magnétiques est destiné à réduire les pertes spécifiques (§ 6.5.3). Il est d'autant plus efficace que les grains de Goss sont larges avec de longs domaines magnétiques et que l'orientation est parfaite (haute polarisation). L'effet croît avec la diminution de l'épaisseur de la tôle. La technologie consistant à irradier la surface de la tôle à l'aide d'un faisceau laser, aussi appelé scratching laser, est la plus fréquemment utilisée dans l'industrie (figure 6).
4.1 Affinement des domaines magnétiques par laser
Le type de source laser utilisé est soit un laser de type solide pour lequel le résonateur est constitué d'un cristal enrichi en ion (Yb:YAG, Yttrium-Aluminium-Garnet dopé à l'Ytterbium ou Nd:YAG, Yttrium-Aluminium-Garnet dopé au Néodyme), soit un laser de type gazeux (CO2). Le fonctionnement peut être en mode continu ou pulsé. Le faisceau laser est déplacé sur la surface de la bande, perpendiculairement à la direction du laminage, grâce à un miroir polygonal rotatif (figure 7). L'intervalle entre les lignes d'impact est déterminé par la combinaison de la vitesse de défilement de la bande et celle de balayage du faisceau laser. En fonction de la vitesse de défilement de la bande, il peut être installé plusieurs sources de laser si l'énergie du faisceau est insuffisante.
Le contrôle de la distribution spatiale et temporelle de l'énergie d'irradiation déposée est essentiel afin d'optimiser la réduction des pertes totales massiques et du bruit des noyaux de transformateur ...
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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.
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(6) - GÜNTHER (K.) - * - Journal...
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