Способ получения высокотекстурованной ребровой холоднокатаной железокремнистой трансформаторной стали

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству электротехнической холоднокатаной трансформаторной стали. Ребровую текстуру получают при прокатке полосы в профильных валках с кольцевыми канавками на его рабочей поверхности, натяжение полосы поддерживают 30-50% от предела упругости материала полосы, с получением на поверхности одной стороны полосы долевых выступов. Вкатывание выступов ведут гладкими валками с натяжением ее до 50-80%. Основная масса матрицы полосы за счет вкатанных в полосу выступов получает растягивающие напряжения, а участки вкатанных выступов получают сжимающие напряжения. При проведении высокотемпературного отжига присутствующие в полосе растягивающие напряжения обеспечивают ориентировку зеренной структуры в направлении прокатки и в плоскости прокатки при одновременном равноосном пластическом растяжении полосы, что улучшает планшетность полос. Определенная часть растягивающих напряжений в полосе остается, они способствуют снижению части работы магнитострикции на гистерезис. Присутствующие касательные напряжения в полосе, между растягивающими и сжимающими напряжениями, позволяют управлять размерами зеренной структуры полосы, которые реализуются при высокотемпературном рекристаллизационном отжиге.

Предложение относится к металлургической промышленности, в частности к производству электротехнической холоднокатанной трансформаторной стали и может быть внедрено на НЛМК, в ЛПЦ-2.

В процессе производства холоднокатанную трансформаторную сталь подвергают обработке давлением как в горячем, так и в холодном состоянии. Это позволяет совершенствовать кристаллографическую текстуру деформации матрицы горячекатанной и холоднокатанной полос и создавать условия для получения совершенной ребровой текстуры, образующейся при высокотемпературном рекристаллизованном отжиге. В конечном итоге, основными показателями качества кремнистой электротехнической трансформаторной стали являются удельные потери и магнитная проницаемость при работе ее в магнитопроводах.

Низкие удельные потери и высокая магнитная проницаемость стали являются признаками высокого совершенства текстуры отжига и отсутствия деформаций в кристаллической решетке.

При холодной деформации трансформаторной кремнистой стали прокатными валками трудно изменить характер текстур, а при достаточно большой степени холодной деформации зерна матрицы полос дробятся на субзерна, которые могут поворачиваться и принимать любые возможные ориентировки, что обуславливает деформирование текстуры деформации, а затем и текстуры высокотемпературного отжига.

Сталь прокатанная при холодной прокатке, с суммарным обжатием до 50% и выше, а это установившаяся технология прокатки трансформаторной стали в настоящее время имеет весьма несовершенную текстуру рекристаллизации. В этом случае наблюдается отклонение плоскости элементарного куба (110) от плоскости листа в пределах до 2^o, а направление грани элементарного куба (001) от направления осей прокатки в среднем до 20^o, которые уже не могут быть исправлены при высокотемпературном рекристаллическом отжиге. До настоящего времени не наработаны приемы, позволяющие исправлять отклонения от совершенства текстуры. Нет и удовлетворительной теории для объяснения текстур, наблюдаемых в прокатанных металлах кремнистой стали, и технология холодной прокатки в промышленных масштабах была разработана методом проб и ошибок.

Однако достоверно установлено, что если в полосе при высокотемпературном отжиге присутствуют растягивающие полосу напряжения, направленные вдоль полосы, вносимые термо- и электроизоляционным покрытием поверхности полосы или другим иным способом, то текстура высокотемпературной рекристаллизации становится более совершенной.

Известен способ прокатки полос в линии стана горячей прокатки, в котором заготовку деформируют в рифленых и гладких валках, при этом осуществляют многократное преобразование формы поверхности, от плоской к рифленой, с продольными рифами, и от рифленой к плоской, в чистовом проходе. Причем впадины рифленой заготовки, полученные в предшествующем проходе, заменяют выступами, формируемыми в последующем проходе, а прокатка в чистовом проходе происходит гладкими валками (см. а.с. СССР N 869871, кл. B 21 B, 1/22, 1980). Это способствует дроблению крупнозернистой структуры матрицы полосы на субзерна, которые поворачиваются в любом из возможных направлений и принимают любые ориентировки, направленные от совершенства текстуры. Хотя в этом случае повышаются механические свойства материала полосы, как вдоль, так и поперек направления прокатки, данный способ годится разве только для прокатки динамных сталей.

Известен способ прокатки полос трансформаторной стали, включающий первую холодную прокатку в гладких валках, промежуточный рекристаллизационный с обезуглероживанием отжиг, вторую холодную прокатку в профильных валках с рельефным рисунком, промежуточный рекристаллизационный отжиг, для создания структурных барьеров, и холодную прокатку гладкими валками для устранения профиля на поверхности полосы и высокотемпературный рекристаллизационный отжиг (см. а.с. СССР N 331100).

Прокатка в профильных валках с рельефным рисунком /рельеф-выступ, выпуклость на плоской поверхности/ сопровождается нанесением на поверхность полосы подобного рисунка в виде канавок /углублений/ на поверхности прокатанной полосы. При закатывании канавок, которые расположены в основном вдоль направления осей прокатки, в местах канавок обжатие практически совсем не происходит, а соседние участки, контактирующие с канавками, прокатываются нормальным образом и удлиняются на размер режима обжатия полосы. При этом участки матрицы полосы, находящиеся под канавками, не прокатываясь, принудительно растягиваются за счет соседних прокатываемых участков и в таком напряженном состоянии остаются после снятия натяжения между моталками стана. А прокатываемые участки, сдерживаемые матрицей на прокатываемых участков в местах канавок, получают сжимающие напряжения.

Растягивающие напряжения в местах канавок занимают малую долю площади на поверхности полосы и служат для создания структурных барьеров, а участки, подвергающиеся нормальному обжатию, лежащие между канавок, занимают большую часть площади поверхности полосы и служат для формирования в них зеренной структуры заданных размеров по ширине между канавками, а затем уже текстуры высокотемпературного отжига.

В ограниченных канавками участках, которые при прокатке получили сжимающие напряжения, формирование текстуры при высокотемпературном отжиге идет практически с принудительным нарушением образования текстуры, обусловленным напряженностью сжатия фрагментов матрицы полосы. Движимые разносторонней напряженностью матрицы полосы, субзерна поворачиваются в любом из возможных направлений и отклоняются от осей прокатки и плоскости прокатки на значительные углы от совершенства текстуры. А на пограничных участках, где наблюдается некоторое расширение сжимаемых участков для заполнения канавок субзерна своими осями устанавливаются поперек осей прокатки.

Эксперименты показывают, что действительно в полосе можно получить зеренную структуру по форме рельефного рисунка, выполненного на прокатных валках, однако при этом значительно нарушается текстура деформации, так и все др. возможные текстуры, формируемые при высокотемпературном отжиге, т.к. полученные ранее разноплановые напряжения в полосе разориентируют текстуру деформации не только при прокатке, но и при высокотемпературном отжиге в силу присутствия разноплановых напряжений в полосе при высокотемпературном отжиге.

Целью данного предложения является повышение ребровой текстуры высокотемпературного отжига до высокого совершенства, снижение удельных потерь и повышение магнитной проницаемости в кремнистой трансформаторной стали.

Поставленная задача состоит в том, что "способ получения высокотекстурованной холоднокатаной железокремнистой трансформаторной стали", включающий холодную прокатку в гладких валках, промежуточный рекристаллизационный с обезуглероживанием отжиг, вторую холодную прокатку в профильных валках и высокотемпературный отжиг, согласно предложения, вторую холодную прокатку осуществляют в первом из двух проходов профильным и гладким валками, а второй проход, на конечную толщину, осуществляют только гладкими валками, причем без предварительного рекристализационного отжига, при этом профильный валок выполнен с кольцевыми канавками на его рабочей поверхности, полученными путем нанесения их на рабочую поверхность валка вибронакаткой, которые в своем поперечном сечении имеют вид полукруглой и трапециевидной формы, позволяющей получать на поверхности полосы выступы этой же формы и размеров: высотой 10-35%, принятой от размера толщины полосы, прокатываемой в этом проходе, и таким же размером ширины выступов у их основания, а шаг между выступами принят в пределах 2-10 мм, при этом натяжение полосы между моталками прокатного стана в первом проходе прокатки полосы с профильным валком устанавливают в пределах 25-50%, принятых от предела упругости материала прокатываемой полосы, а во втором проходе прокатки полосы на конечную толщину и закатывания выступов в полосу прокатку осуществляют гладкими валками, до плоского состояния полосы и с натяжением полосы между моталками стана на уровне 50-80%, принятых от предела упругости материала прокатываемой полосы, причем при движении смотанных в рулон полос дальше по технологической цепочке после прокатки на конечную толщину во время нанесения на полосу термостойкого покрытия перед высокотемпературным отжигом сматывание покрытых полос в трехполосный рулон осуществляют стороной вкатанных в полосу выступов, направленной к центру рулона.

Существенное отличие предложенного способа от ранее известного способа прокатки полос в профильных валках с рельефным рисунком заключается в том, что полосу прокатывают при второй холодной прокатке в первом из двух проходов на промежуточную толщину профильным и гладким валками, при этом профильный валок выполнен с кольцевыми канавками на рабочей поверхности образующей валка, позволяющих получать на плоской поверхности полосы выступы только вытянутыми вдоль направления прокатки, причем без какого-либо промежуточного отжига, они тут же закатываются в полосу во втором проходе на конечную толщину, а при движении дальше по технологической цепочке прокатанных таким образом полос, смотанных в трехполосный рулон во время нанесения на полосу термостойкого покрытия перед высокотемпературным отжигом, сматывание покрытых полос в рулон осуществляют стороной вкатанных в полосу выступов, направленной к центру рулона.

При вкатывании выступов в полосу гладкими валками, а не раскатывание выступов по поверхности матрицы полосы, которому способствует 50-80% упругое растяжение полосы, принятое от предела упругости материала полосы, после снятия натяжения между моталками стана полоса на некоторый размер так и остается растянутой и предварительно напряженной за счет определенного объема некоторой массы вкатанных в полосу выступов. При этом участки вкатанных выступов получают сжимаемые напряжения, а соседние с ними участки получают растягивающие напряжения в пределах упругости материала полосы.

Растягивающие напряжения, полученные в основе матрицы полосы, которые занимают на полосе основную часть площади и объема полосы, и сжимающие напряжения, полученные только в местах вкатанных выступов, которые занимают незначительный объем и площадь на полосе, а также сматывание полос в рулон, после термостойкого покрытия полос перед высокотемпературным отжигом, которое осуществляют стороной вкатанных выступов в направлении к центру рулона, что усиливает работу растягивающих напряжений в местах вкатанных выступов на их распирающую полосу способность, приложенную и с обратной стороны полосы за счет изгиба напряженного сжатием вкатанного выступа по радиусу смотки в рулон, что позволяет перераспределять напряжение вкатанных выступов как по всему объему толщины полосы, так и по обеим сторонам полосы. При этом одновременно усиливаются касательные напряжения, расположенные по границам сжимающих и растягивающих напряжений. Они позволяют получать полноценную рекристаллизованную зеренную структуру на всю глубину толщины полосы и в заданных размерах, равных шагу выступов на полосе. С помощью предложенных упомянутых выше приемов удается получать готовую магнитомягкую железокремнистую трансформаторную сталь с низкими удельными потерями и высокой магнитной проницаемостью, отвечающей стандартам высокотекстурованной трансформаторной стали с ребровой текстурой.

Это обусловлено тем, что при высокотемпературном отжиге в области высоких температур рекристаллизации структуры деформации в текстуру высокотемпературной рекристаллизации напряженное состояние полосы нейтрализуется работой на совершенствование зеренной структуры путем принудительного поворота образующейся зеренной структуры в направлении осей прокатки и в плоскость планшетной полосы, т.е. в направлении осей легкого намагничивания, характеризующего высокое совершенство текстуры отжига. Происходит равномерное и равноосное пластическое растяжение каждого в отдельности из фрагментов матрицы полосы, располагая их по осям легкого намагничивания, совпадающего с осями наличия растягивающих сил в полосе.

В результате всех вышеперечисленных технологических приемов предложенного способа отклонение плоскости элементарного куба (110), ребровой текстуры, от плоскости листа наблюдается не более чем на 3^o, а направление граней элементарного куба (001) от направления осей прокатки не более чем на 5^o.

Если просматривать дальнейшее влияние вкатанных выступов в полосе, то при высокотемпературном отжиге полоса частично удлинятся за счет наличия в ней ощутимых растягивающих напряжений в полосе. Некоторая определенная часть из этих напряжений частично нейтрализуется. Однако ощутимая часть этих растягивающих напряжений остается в полосе и после высокотемпературного отжига. Но эти остаточные растягивающие напряжения не ухудшают качество трансформаторной стали, а способствуют снижению удельных потерь за счет снижения магнитострикции. Это достоинство стали особенно ценно при работе ее в силовых трансформаторах в качестве магнитопроводов.

Стоит особо отметить, что удлинение полосы при высокотемпературном отжиге за счет присутствия в ней растягивающих напряжений повышает планшетность полос, что обеспечивает высокий коэффициент заполнения магнитопроводов в силовых трансформаторах.

Пример конкретного выполнения предложенного способа.

Проверка ряда вариантов способа проводилась в соответствии со сквозной, годами отработанной технологической инструкцией, не нарушая отработанных приемов получения готового продукта в виде железокремнистой магнитомягкой ребровой текстурованной трансформаторной стали.

Эксперименты проводились методом проб и ошибок, которые оказались весьма эффективными и показательно простыми, т.к. данные экспериментов получали путем сравнения различных способов второй холодной прокатки на конечную толщину, и не более, причем при всех равных условиях обработки полос по технологической цепочке, как до второй холодной прокатки на конечную толщину, так и после второй холодной прокатки до получения готового продукта и отбора проб на магнитные характеристики.

Для этого от рядовых плавок, прокатанных на пятиклетьевом стане, по схемам прокатки: на толщину - 0,7, 0,65 и 0,6 и поступивших на первый двадцативалковый стан, на вторую холодную прокатку отбирались по одной полосе от каждой плавки и формировалась сборная плавка из трехполосных рулонов с толщиной полос: 0,7, 0,65 и 0,6 мм.

Когда накапливалась сборная плавка из полос, достаточных на полную загрузку колпаковой печи для высокотемпературного отжига, сборную плавку начинали прокатывать, причем только по половине каждой из отдельных полос, по обычным схемам прокатки, по устоявшейся инструкции, а когда весь тройник был прокатан по половине полосы, то производилась перевалка одного из гладких валков на профильный с кольцевыми канавками, и остальные половины полос прокатывали по предложенному варианту прокатки с профильным валком по схемам: 0,7-0,42-0,35, 0,65-0,40-0,33 и 0,6-0,40-0,30 с промежуточной перевалкой профильного валка на гладкий прокатный валок и прокатывали на конечную толщину готового продукта, вкатывая выступы в полосу.

Натяжение полосы в первом проходе прокатки с профильным валком сохраняли в пределах: переднее натяжение - 5 Т.с, заднее натяжение - 6 Т.с, а во втором проходе прокатки в обычных гладких валках, соответственно, 8 и 9 Т.с при ширине полосы 750 мм.

После второй холодной прокатки сборную плавку обрабатывали по всем остальным переделам технологической цепочки и вели за плавкой полный контроль. На участке термостойкого покрытия перед высокотемпературным отжигом особое внимание обращали на правильность смотки полос, стороной вкатанных выступов в направлении к центру рулона.

Пробы на магнитные характеристики отбирались в линии электроизоляционного покрытия, от каждой половины полосы и строго по технологической инструкции, прокатанных как в обычном порядке, так и по варианту прокатки с профильным валком. Пробы испытывали на удельные потери. Испытания на магнитную проницаемость и контроля на магнитострикцию не проводилось совсем за ненадобностью, т.к. магнитная проницаемость, магнитострикция и совершенство текстуры увязаны напрямую с удельными потерями и химическим составом материала трансформаторной стали. Нормального прибора для измерения магнитострикции пока еще нет.

В итоге всех испытаний проб на удельные потери P_15/50 потери на пробах отобранных отплавок, которые прокатывались обычным порядком, составили в среднем 108-136 Вт/кг, участки полос, прокатанные с профильным прокатным валком, их пробы показали потери в среднем P_15/50 0,76-0,89 Вт/кг.

Практически получены результаты, которые доказывают, что выгодность предложенного варианта самоочевидна.

Исследования структуры стали обоих вариантов прокатки показали, что ориентировки (110) и (001) в основном есть ребровая текстура, но отклонения от плоскости прокатки и направления прокатки в металле, прокатанном по устоявшейся известной технологии, оказались весьма значительными в сравнении с металлом, прокатанным с профильным валком, и совершенства текстуры там и в помине нет.

Что касается изготовления профильных прокатных рабочих валков для двадцативалкового прокатного стана, диаметром 55 мм, на изготовление которых необходимо вложить некоторые минимальные затраты, то они окупятся прокаткой первой полосы, в крайнем случае, прокаткой трехполосного рулона. Профильные валки готовятся на валцешлифовальном станке вибронакаткой с помощью гребенчатого твердосплавного ролика, у которого форма и размеры кольцевых выступов на образующей поверхности ролика изготовлены в размер и по форме канавок. Размеры и форма канавок оговорены в описании и формуле изобретения.

Формула изобретения

1. Способ получения высокотекстурованной ребровой холоднокатаной железокремнистой трансформаторной стали, включающий холодную прокатку полос в гладких рабочих прокатных валках, промежуточный рекристаллизационный с обезуглероживанием отжиг, вторую холодную прокатку в профильных и гладких валках, закатывающих выступы до получения плоской поверхности полосы и высокотемпературный отжиг, отличающийся тем, что вторую холодную прокатку осуществляют в два прохода, сначала профильным и гладким валками, а затем гладкими валками, прокатку в первом проходе ведут с помощью профильного прокатного валка с кольцевыми канавками на его гладкой рабочей поверхности, канавки в поперечном сечении имеют полукруглую и трапециевидную форму, позволяющую получать на поверхности полосы выступы такой же формы и размеров высоты и ширины у основания, составляющих 10 - 35 % от исходной толщины полосы в этом проходе, с шагом между выступами в пределах 2 - 10 мм, натяжение полосы между моталками стана поддерживают в пределах 25 - 50 % принятых от предела упругости материала полосы в первом проходе, во втором проходе прокатку полосы осуществляют на конечную толщину с натяжением между моталками прокатного стана на уровне 50 - 80 %, принятых от предела упругости материала прокатываемой полосы во втором проходе, после второй холодной прокатки полосу сматывают в рулон и проводят нанесение на полосу термостойкого покрытия и во время нанесения покрытия осуществляют сматывание полосы в рулон стороной вкатанных в полосу выступов, направленной в центр рулона.