Enovasense

01 — Wprowadzenie

Powłoki izolacyjne: kilka mikrometrów, które decydują o sprawności silników i transformatorów

Stal elektrotechniczna stanowi rdzeń magnetyczny każdego transformatora, silnika elektrycznego i generatora. Aby ograniczyć straty na prądy wirowe, rdzeń buduje się z cienkich blach — zwykle o grubości od 0,20 do 0,65 mm — układanych w pakiety lub zwijanych. Każda blacha musi być elektrycznie odizolowana od sąsiednich. Zadanie to spełnia powłoka izolacyjna, cienka warstwa nakładana na obie strony taśmy na końcu procesu hutniczego.

Produkuje się dwie rodziny stali elektrotechnicznej, każda z własną architekturą powłoki:

Teksturowana (GO) Nieteksturowana (NO / NGO) Lakiery samosklejające

Stal teksturowana, stosowana w transformatorach, ma warstwę forsterytu powstałą podczas wyżarzania wysokotemperaturowego z separatora MgO, pokrytą fosforanową powłoką naprężającą. Stal nieteksturowana, stosowana w silnikach i generatorach — w tym w silnikach trakcyjnych pojazdów elektrycznych — otrzymuje jedną warstwę lakieru izolacyjnego. W zależności od zastosowania powłoki te są nieorganiczne, organiczne lub hybrydowe (na przykład klasy C3, C5 i C6 według ASTM A976) i coraz częściej bezchromowe. Coraz większa część taśmy NO otrzymuje także lakiery samosklejające, które zastępują spawanie lub zatrzaskiwanie blach w pakiecie.

We wszystkich przypadkach powłokę nakłada się w stanie ciekłym za pomocą powlekarek walcowych, a następnie suszy i utwardza w piecu przelotowym przed zwinięciem w krąg.

Klasy powłok i typowe produkty

Powłoki izolacyjne klasyfikuje się według ASTM A976 (klasy od C-0 do C-6), z odpowiadającymi im oznaczeniami EC w IEC 60404-1-1. Poniżej zestawiono klasy najczęściej stosowane na liniach powlekania wraz z przykładami produktów handlowych mierzonych lub przewidzianych do pomiaru czujnikami Enovasense.

Przykłady handlowych powłok w tej dziedzinie (lista niewyczerpująca):

• Rembrandtin / Kansai Helios — REMISOL® — powłoki do stali elektrotechnicznej, np. REMISOL EB 5308, EB 5320 (bezchromowa, stal teksturowana), EB 5340, EB 5350S i EB 5002M.
• Axalta — Voltatex® — powłoki do stali elektrotechnicznej i lakiery samosklejające, np. Voltatex 1175W, 1230 i 1250V.
• ELANTAS (ALTANA) — lakiery izolacyjne do blach rdzeniowych.
• Kluthe — powłoki izolacyjne do stali elektrotechnicznej.
• Fosforanowe powłoki naprężające do stali teksturowanej, np. powłoki typu CARLITE®, oraz własne formulacje producentów stali.

Wszystkie znaki towarowe należą do ich właścicieli. Ich wymienienie służy wyłącznie wskazaniu rodzaju powłoki i nie oznacza rekomendacji ani partnerstwa.

02 — Wymagania jakościowe

Dlaczego grubość powłoki trzeba kontrolować po obu stronach i na całej taśmie

Powłoka izolacyjna mieści się w wąskim oknie procesowym. Typowe grubości na sucho wynoszą od kilku dziesiątych mikrometra do około 10 µm na stronę, a specyfikacje często wyraża się jako masę powłoki w g/m². Odchylenia w jedną lub drugą stronę mają bezpośredni wpływ na gotową maszynę elektryczną.

Zbyt cienka: utrata izolacji

Powłoka miejscowo zbyt cienka nie zapewnia już wymaganej rezystancji międzyblachowej. Kontakt elektryczny między blachami tworzy w rdzeniu ścieżki zwarciowe, które zwiększają straty na prądy wirowe i lokalne nagrzewanie. W przypadku lakierów samosklejających niewystarczająca warstwa osłabia również wytrzymałość połączenia pakietu.

Zbyt gruba: niższy współczynnik wypełnienia i problemy technologiczne

Każdy dodatkowy mikrometr powłoki to materiał niemagnetyczny wewnątrz rdzenia. Zbyt gruba powłoka obniża współczynnik wypełnienia — udział stali w objętości rdzenia — a tym samym sprawność silnika lub transformatora. Może też pogorszyć wykrawalność, spawalność i przyczepność oraz zwiększa zużycie materiału powłokowego.

Dryf powlekarki walcowej i reformulacja bezchromowa

Zużycie walców, zmiany lepkości, wahania szczeliny między walcami lub prędkości oraz efekty brzegowe zmieniają nakładaną grubość na szerokości i wzdłuż kręgu. Jednocześnie ogólnobranżowe przechodzenie na formulacje bezchromowe zmusza producentów do ponownej kwalifikacji mas powłok. Tylko gęsty pomiar na całej szerokości taśmy, po obu stronach, ujawnia te odchylenia przed wysyłką kręgu.

03 — Wyzwania pomiarowe

Dlaczego konwencjonalne metody pozostawiają linię powlekania bez wglądu

Powłoki izolacyjne są cienkie, mają niską gęstość, często są przezroczyste i nakłada się je na podłoże ferromagnetyczne poruszające się z dużą prędkością. Większość producentów stali nadal opiera się na metodach laboratoryjnych stosowanych na próbkach pobranych z końców kręgu.

Metoda grawimetryczna (zdejmowanie powłoki i ważenie): dokładna, ale niszcząca i powolna

Masę powłoki określa się, ważąc próbkę przed chemicznym usunięciem powłoki i po nim. Metoda ta jest zwyczajowym odniesieniem, ale jest niszcząca, czasochłonna i daje jedną wartość na próbkę — zwykle z początku lub końca kręgu. Dryf występujący w środku kręgu pozostaje niezauważony.

Badania rezystancji izolacji: kontrola funkcjonalna, a nie pomiar grubości

Badania powierzchniowej rezystancji izolacji (takie jak test Franklina) potwierdzają, że powłoka izoluje, ale nie podają jej grubości. Wykonuje się je poza linią i nie wskazują operatorowi, jak wyregulować powlekarkę walcową.

Mierniki kontaktowe i w linii: ograniczone przez samą powłokę

Ręczne sondy indukcyjne lub wiroprądowe podają grubość, ale wymagają kontaktu i pozostają kontrolą punktową na wyciętych próbkach. Mierniki w linii oparte na absorpcji promieniowania rentgenowskiego lub na fluorescencji mają inne ograniczenia: w pierwszym przypadku niską gęstość i zmienny skład powłok, w drugim konieczność obecności składnika fluorescencyjnego lub pigmentu — co wyklucza wiele powłok nieorganicznych i przezroczystych.

Argumenty za bezkontaktowym mapowaniem grubości

• Mierzony jest każdy krąg, a nie tylko próbka z jego początku lub końca.
• Kontrolowane są obie strony, dzięki czemu odchylenie na jednej powlekarce jest natychmiast identyfikowane.
• Powłoki organiczne, nieorganiczne i hybrydowe są mierzone tą samą metodą, niezależnie od tego, czy są przezroczyste, czy pigmentowane.
• Korekta w pętli zamkniętej powlekarki walcowej staje się możliwa, co zmniejsza zużycie materiału powłokowego i ilość materiału niezgodnego ze specyfikacją.

04 — Porównanie technologii

Dlaczego laserowa radiometria fototermiczna sprawdza się w przypadku powłok izolacyjnych

Opatentowana przez Enovasense laserowa radiometria fototermiczna mierzy powłokę za pośrednictwem jej właściwości cieplnych. Modulowana wiązka laserowa generuje na powierzchni falę cieplną; detektor podczerwieni rejestruje ciepło dyfundujące z powrotem; grubość powłoki wyznacza się z fazy odpowiedzi cieplnej. Ponieważ powłoki izolacyjne i stal mają bardzo różne właściwości cieplne, kontrast jest duży nawet dla warstw submikrometrowych. Metoda jest w pełni bezkontaktowa, nieniszcząca i nie zależy od koloru ani przezroczystości powłoki.

05 — Właściwości metrologiczne

Studium przypadku: powłoki izolacyjne zintegrowanego producenta stali

Zintegrowany producent stali dostarczył próbki powlekanej taśmy ze swoich linii stali elektrotechnicznej, obejmujące klasy C3, C5 i C6 przy kilku masach powłoki. Próbki zmierzono bezkontaktowo czujnikiem Enovasense w laboratoryjnej stacji kontrolnej, w następującej konfiguracji:

Podane poniżej wartości odpowiadają konfiguracji pomiarowej zastosowanej w tym badaniu. Rzeczywiste parametry w danym zastosowaniu zależą od wybranego układu optycznego, formulacji powłoki i jej zakresu grubości.

Dokładność: korelacja z kontaktowym miernikiem referencyjnym

Wyniki Enovasense porównano z wartościami grubości uzyskanymi na tych samych próbkach kontaktowym miernikiem indukcyjnym / wiroprądowym. Obie metody wykazują korelację liniową z R² = 0,96 w zakresie 2–8 µm objętym pomiarami referencyjnymi, z jedną prostą regresji dla wszystkich trzech klas powłok.

Powtarzalność

Wykonano dziesięć kolejnych pomiarów dokładnie w tym samym punkcie próbki C5. Średnia grubość wynosi 5,41 µm przy odchyleniu standardowym 0,09 µm, co odpowiada względnemu odchyleniu standardowemu 1,7 % — znacznie poniżej typowej tolerancji specyfikacji masy powłoki.

Tolerancja odległości roboczej

Płaskość taśmy, jej drgania i zmiany linii przejścia zmieniają odległość między czujnikiem a powierzchnią. Próbkę zmierzono, zmieniając tę odległość wokół wartości nominalnej: błąd systematyczny pomiaru pozostaje pomijalny w oknie ±5 mm, które jest zalecaną tolerancją roboczą dla tej konfiguracji optycznej.

06 — Integracja przemysłowa

Od mapowania laboratoryjnego do kontroli w linii

Enovasense wspiera producentów stali i przetwórców kręgów na każdym etapie, od kwalifikacji nowej formulacji po ciągłą kontrolę linii produkcyjnej.

Kontrola laboratoryjna przy linii

Próbki z końców kręgów umieszcza się w stacji kontrolnej Enovasense, która automatycznie mapuje grubość powłoki po obu stronach. Wynik zastępuje lub uzupełnia badania grawimetryczne w ciągu minut zamiast godzin i jest najszybszym sposobem kwalifikacji formulacji bezchromowych lub nowych mas powłoki.

Pomiar w linii

Na linii głowice pomiarowe Enovasense instaluje się za piecem utwardzającym, po jednej lub obu stronach taśmy, w stałych pozycjach lub na ramie trawersującej. Na okno wyjściowe nadmuchiwane jest powietrze, które chroni optykę. Odległość robocza wynosząca kilka centymetrów utrzymuje głowicę z dala od taśmy, a tolerancja odległości ±5 mm kompensuje zmiany linii przejścia. Wyniki są przesyłane w czasie rzeczywistym przez Ethernet (TCP/IP) do automatyki linii oraz systemów L2 lub MES, na potrzeby dokumentacji kręgów i korekty powlekarki walcowej.

Etapy wdrożenia