Lorsque l’on pense à la modernisation et à la décarbonisation de nos infrastructures de transport, on imagine qu’elles sont dominées par des matériaux exotiques. Les moteurs de véhicules électriques et les générateurs d’éoliennes ont besoin d’aimants fabriqués à partir de métaux des terres rares (qui ne sont pas si rares), les batteries des voitures et le stockage sur réseau ont besoin de lithium et de cobalt, et bien sûr, une abondance de silicium extrêmement pur est nécessaire pour fournir le une puissance de calcul qui fait que tout fonctionne. Ajoutez des pincées saines de graphène, de composites de fibre de carbone et de céramique, ainsi que de minéraux comme le molybdène, et la recette commence à paraître assez exotique.
Aussi nécessaires soient-ils, tous ces matériaux exotiques ne valent rien sans une base de matériaux plus familiers, ceux que les humains extraient et exploitent depuis des éternités. Extrayez tout le néodyme que vous voulez, mais sans des matériaux comme le cuivre pour les enroulements du moteur et du générateur, votre véhicule électrique ne va nulle part et les éoliennes ne sont que de gros ornements de pelouse. Mais le fer est tout aussi important, en particulier l’acier allié, qui forme non seulement les éléments structurels de presque tout ce qui est mécanique, mais apparaît également dans les stators et les rotors des moteurs et des générateurs, ainsi que dans les noyaux des transformateurs géants qui alimentent le réseau électrique. est construit à partir de.
Cependant, n’importe quel acier ne convient pas à un usage électrique ; des formulations spéciales, collectivement appelées acier électrique, sont nécessaires pour construire ces dispositifs électromagnétiques. L’acier électrique est simple dans son concept mais complexe dans ses détails et est devenu absolument vital pour le fonctionnement de la société moderne. Il est donc utile d’examiner ce qu’est l’acier électrique, comment il fonctionne et pourquoi nous n’allons nulle part sans lui.
Fer contre acier
L’idée d’un reportage sur l’acier électrique est née d’un article déplorant les retards affectant les projets d’énergie renouvelable aux États-Unis, principalement en raison de problèmes de chaîne d’approvisionnement avec les transformateurs nécessaires à la mise à niveau et à l’expansion du réseau électrique. Construire des parcs éoliens et solaires est une chose ; leur connexion au réseau existant en est une autre, qui nécessite souvent la construction de sous-stations entièrement nouvelles et la rénovation de celles existantes pour rassembler la production de générateurs géographiquement dispersés et la porter à une tension appropriée pour le transport sur de longues distances. Les sous-stations ont souvent besoin de transformateurs, souvent en grand nombre, et les transformateurs sont des appareils volumineux et complexes qui sont le plus souvent construits sur mesure. Les délais de livraison des gros transformateurs de puissance dépassent désormais régulièrement les 150 semaines !
La cause profonde de l’attente de trois ans pour les grands transformateurs de puissance est due à des problèmes de chaîne d’approvisionnement en matières premières, notamment en acier électrique. Le marché de l’acier électrique est mondial, tant du côté de l’offre que de la demande, de sorte que les perturbations dans une partie du monde peuvent se répercuter sur l’ensemble du marché. Les perturbations actuelles du marché de l’acier électrique peuvent être imputées à une multitude de facteurs : fermetures de mines et d’usines en période de pandémie, sanctions internationales, droits de douane et différends commerciaux, délocalisation de la fabrication, et probablement une douzaine d’autres facteurs. Cependant, tout cela signifie qu’il y a trop peu de matériel spécialisé pour tout le monde.
Alors, qu’est-ce que l’acier électrique ? À certains égards, le nom est inapproprié ; Alors que les alliages d’acier électrique sont formulés spécifiquement pour modifier leurs caractéristiques électriques, ces changements entraînent des propriétés magnétiques différentes, ce qui est la clé pour comprendre ce qu’elles sont et pourquoi elles sont importantes. L’acier électrique, qui est utilisé dans les noyaux de presque tous les appareils utilisant le magnétisme, est probablement mieux appelé « acier magnétique ». Le matériau porte quelques autres surnoms qui reflètent mieux cela, tels que « acier à relais » et « acier pour transformateur », mais le nom « acier au silicium » est peut-être le plus descriptif chimiquement, pour des raisons qui deviendront bientôt évidentes.
Tous les aciers sont simplement des alliages composés principalement de fer et de carbone, et l’acier électrique n’est pas différent. Le fer pur est assez mou et ductile ; l’ajout de carbone en juste quantité sert d’agent de durcissement qui confère à l’alliage sa résistance à la traction accrue et d’autres propriétés souhaitables. Étant principalement composé d’un élément métallique, l’acier est un bon conducteur d’électricité. Cela semble être une propriété bénéfique, et cela peut effectivement l’être, comme dans le cas des systèmes électriques automobiles, qui utilisent souvent la carrosserie et le châssis en acier comme chemin de retour à faible impédance.
Contrôle de l’hystérésis
Cependant, dans les assemblages électromagnétiques tels que les moteurs, les générateurs et les transformateurs, la conductivité de l’acier au carbone finit par poser des problèmes qui doivent être résolus. Cela est lié aux propriétés ferromagnétiques du fer dans l’acier, telles que la perméabilité magnétique et la coercivité magnétique. La perméabilité magnétique mesure la mesure dans laquelle un champ magnétique externe, tel qu’une bobine de fil transportant un courant électrique, induit un champ magnétique dans un matériau. La perméabilité est ce qui fait que l’acier adhère à un aimant permanent : l’aimant induit un champ magnétique temporaire dans l’acier à haute perméabilité, provoquant le collage des deux. La coercivité, quant à elle, mesure le degré auquel un matériau ferromagnétique peut résister à la déformation. demagnétisé par un champ appliqué extérieurement.
Les composants électromagnétiques tels que les transformateurs présentent une hystérésis, qui fait simplement référence à la façon dont l’histoire d’un système peut affecter son état actuel. Dans un électro-aimant, par exemple, le noyau reste magnétique pendant un certain temps après que le courant cesse de circuler dans la bobine. De même, dans un transformateur, le champ magnétique créé dans le noyau par le courant alternatif traversant la bobine ne s’effondre pas instantanément lorsque le courant inverse la polarité. Au contraire, il est quelque peu en retard, créant la forme caractéristique observée sur un diagramme de boucle d’hystérésis, qui cartographie la force magnétique appliquée par la bobine par rapport à la densité du champ magnétique dans le noyau de fer.
Les détails expliquant pourquoi le diagramme de boucle d’hystérésis magnétique ressemble à ce qu’il est ne sont pas vraiment importants pour comprendre l’acier électrique, sauf pour dire que plus la boucle est étroite, plus le transformateur (ou le moteur ou le générateur) est efficace. En effet, le champ magnétique induit dans le noyau passe moins de temps à s’opposer au champ magnétique dans les bobines. Mais cela conduit à un paradoxe : le fer pur a une boucle d’hystérésis très fine, tandis que l’alliage du fer avec du carbone élargit la boucle. Il semble que l’acier soit donc un mauvais choix pour les noyaux de transformateur plutôt que le fer pur. Ce qui donne?
Comme pour tout ce qui concerne l’ingénierie – et la vie en général – il y a des compromis à faire. Bien que le fer pur puisse être le meilleur choix en termes de minimisation des pertes par hystérésis, le fer est un métal mou et ductile qui serait difficile à transformer en noyaux de transformateur mécaniquement stables. Le problème serait encore pire dans les moteurs et les générateurs, où les rotors et les stators doivent résister au couple produit ou appliqué. L’acier est le matériau de choix pour ces applications, mais l’astuce consiste à l’allier de manière à le rendre mécaniquement solide tout en minimisant les pertes électriques.
Pertes par courants de Foucault
Mais attendez, les pertes par hystérésis ne sont pas les seules pertes auxquelles l’acier électrique doit faire face. Il existe également des pertes dues aux courants de Foucault, qui sont des courants électriques induits dans les métaux par les lignes de force magnétiques qui les traversent. Les courants de Foucault s’opposent physiquement au couple des moteurs et des générateurs et dissipent l’énergie électrique par chauffage. Étant donné que l’ampleur des courants de Foucault est proportionnelle à la surface du conducteur – le noyau de fer, dans ce cas – il est avantageux de réduire la taille du noyau. Ou, comme c’est le cas plus généralement, de construire des noyaux à partir d’empilements de tôles minces, chacune électriquement isolée les unes des autres mais qui agissent magnétiquement comme un composant monolithique.
De plus, les courants de Foucault sont inversement proportionnels à la résistivité du matériau du noyau. Mettez tout cela ensemble et ce dont vous avez besoin est un matériau doté de la perméabilité magnétique et de la coercivité du fer pur, des propriétés structurelles de l’acier au carbone et des propriétés électriques qui se situent quelque part entre les deux. C’est de l’acier électrique.
L’ingrédient magique qui confère à l’acier électrique ses propriétés recherchées est le silicium. Comme tous les métaux, le fer est conducteur d’électricité grâce aux électrons non appariés présents dans ses coquilles orbitales externes. Le silicium, quant à lui, est un semi-conducteur doté d’une résistivité plus élevée (mesurée en ohmmètres, ou Ω·m). Lorsque le silicium est allié au fer et au carbone à une concentration comprise entre 3 et 6 % en poids du métal fini, il augmente la résistivité de l’acier obtenu. Cela se produit grâce à une combinaison de raffinement de la structure des grains (des grains plus petits signifient une résistivité plus élevée) et de formation d’une solution solide, où le silicium se dissout dans la matrice fer-carbone et réduit le nombre d’électrons libres disponibles. La plus faible résistivité de l’acier au silicium réduit la boucle d’hystérésis et contribue à réduire les pertes dues aux courants de Foucault par rapport à l’acier au carbone, tout en conservant une grande partie des propriétés magnétiques du fer pur et en offrant les propriétés structurelles nécessaires à l’application.
Aller avec le grain
Étant donné que presque tout l’acier électrique est utilisé pour fabriquer des noyaux, des rotors et des stators laminés, il est généralement fabriqué sous forme de bobines laminées à froid de moins de 2 mm d’épaisseur mais parfois d’une épaisseur allant jusqu’à 0,2 mm. Les aciers électriques sont classés selon leur structure et leur orientation de grain. Les aciers à grains non orientés sont moins chers à fabriquer et possèdent des propriétés magnétiques similaires dans toutes les directions. Cet isotropisme rend l’acier à grains non orientés plus adapté à une utilisation dans des applications telles que les moteurs et les générateurs où le flux magnétique change constamment.
Pour les applications où le flux magnétique ne change pas beaucoup avec le temps, comme les gros transformateurs de puissance qui sont si rares de nos jours, l’acier électrique à grains orientés est souhaitable. Les lignes de force magnétiques dans les transformateurs s’alignent principalement avec l’axe long des tôles, le matériau du noyau doit donc avoir une plus grande perméabilité magnétique dans cette direction. Les aciers à grains orientés conviennent mieux à cette application car les moments magnétiques dans le métal s’alignent dans le sens du laminage, ce qui confère des propriétés magnétiques fortement anisotropes. La première personne à fabriquer de l’acier au silicium à grains orientés fut un certain Norman Goss, qui inventa en 1934 une méthode alternant le laminage à froid et le traitement thermique de l’acier au silicium pour produire un acier dont les grains étaient alignés dans le sens du laminage. Le processus donne un acier avec un aspect distinctif connu sous le nom de « texture Goss ».
Étant donné que la plupart des aciers électriques sont destinés à être laminés, les bobines sont également souvent recouvertes de divers matériaux non conducteurs en usine. Les revêtements peuvent être aussi simples que des revêtements de vernis ou d’émail, qui sont souvent utilisés pour les bobines destinées aux rotors et stators, jusqu’aux revêtements de verre et même de céramique.
Seulement environ 1 % des 2 milliards de tonnes d’acier produites en 2020 étaient de l’acier électrique. C’est certes une quantité impressionnante, mais nous allons devoir trouver un moyen de répondre à la demande d’acier électrique non orienté pour les moteurs de traction hybrides et électriques, ainsi que d’acier à grains orientés nécessaire pour construire tous les moteurs de traction hybrides et électriques. les nouveaux composants du réseau et les bornes de recharge dont ils auront besoin. Espérons que les fabricants trouveront un moyen de maintenir la magie.
