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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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Caractérisation des principales propriétés des tôles électriques
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7. Tôles à grains orientés et normalisation
Le marché des tôles à grains orientés est mondial. Dans ce contexte, leurs propriétés commerciales sont régies par une norme établie par le Comité Électrotechnique International (CEI). Une norme existe également au niveau européen, établie par l'ECISS, déclinée au niveau national par le système français de normalisation (AFNOR – UTE). La classification des produits obéit à une nomenclature définie et les propriétés d'usage des matériaux font appel à des méthodes de caractérisation normalisées.
7.1 Nomenclature
Dans la norme européenne EN 10107 ou internationale CEI 60404-8-7, les qualités sont classées d'après la valeur des pertes totales spécifiques maximales en watts par kilogramme et d'après l'épaisseur nominale du produits (0,23 mm, 0,27 mm, 0,30 mm et 0,35 mm). La désignation symbolique de l'acier comprend dans l'ordre :
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la lettre M, pour magnétique ;
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le centuple de la valeur spécifiée des pertes totales spécifiques maximales à 1,7 T et 50 Hz, exprimées en watts par kilogramme, et correspondant à l'épaisseur nominale du produit ;
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le centuple de l'épaisseur nominale du produit, en millimètres ;
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la lettre caractéristique :
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S pour les qualités conventionnelles,
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P pour les qualités à haute perméabilité ;
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le dixième de la fréquence 50 Hz, soit 5.
M75-23P5 pour une tôle ou bande magnétique laminée à froid en acier à grains orientés de haute perméabilité avec des pertes totales spécifiques maximales à 1,7 T de 0,85 W/kg à 50 Hz et une épaisseur nominale de 0,23 mm, livrée à l'état fini.
7.2 Exigences techniques
Elles regroupent un ensemble de caractéristiques physiques et géométriques auxquelles doivent satisfaire les tôles à grains orientés dans leur état de livraison.
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Tôles à grains orientés et normalisation
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...
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