Способ получения форстеритной изоляционной пленки на поверхности анизотропной электротехнической стали

 

Способ получения форстеритной изоляционной пленки на поверхности анизотропной электротехнической стали относится к металлургии, включает обезуглероживающий отжиг, высокотемпературный отжиг смотанной в рулон полосы конечной толщины, покрытой MgO, в атмосфере регулируемого состава, предполагающий для улучшения качества пленки с получением высоких магнитных свойств стали выполнение нагрева ВТО в интервале 400 - 800^oC в окислительной по отношению к Fe и Si атмосфере, исходя из получения в конце указанного интервала температуры точки росы в диапазоне от -10 до +20^oС в зависимости от соотношения водорода и азота. Температура т. р. в диапазоне от -10^o до +5^oС достигается подачей в атмосферу печи азота, от +5 до +20^oС достигается увлажнением водорода. Влажность межвитковой атмосферы регулируется изменением степени гидратации MgO в диапазоне от 5 до 20%. Влажность межвитковой атмосферы дополнительно регулируется добавкой к MgO компонентов, диссоциирующих в интервале 600-900^oC с выделением гидроксила. Торцевые части рулонов теплоизолируются. 5 з.п.ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству анизотропной электротехнической стали с электроизоляционным покрытием.

По условиям эксплуатации в трансформаторе готовый лист должен иметь высокую магнитную индукцию и низкие удельные потери, а на поверхности - тонкую однородную изоляционную пленку с хорошей адгезией к металлу. В формировании требуемых свойств стали и изоляции решающая роль принадлежит 2-м операциям термообработки: обезуглероживающему и высокотемпературному отжигам (ОО и ВТО).

В процессе первого из них, осуществляемого при 700-900^oC во влажной смеси водорода и азота, выгорает углерод и образуется пленка фаялита SiO₂·FeO. Перед ВТО полосу покрывают водной суспензией MgO и сматывают в рулон. ВТО с медленным нагревом до 1150-1200^oC должен обеспечить вторичную рекристаллизацию (ВР) с формированием ребровой текстуры и образование на поверхности форстерита MgO·SiO₂ - тонкой равномерной пленки с высокой адгезией к металлу (грунтовый слой) [1].

Используемые на практике режимы ВТО, как правило, включают медленный нагрев или выдержку в интервале 850-1000^oC в атмосфере сухого H₂ для формирования совершенной ребровой текстуры в процессе ВР. Такая технология обеспечивает удовлетворительное качество грунтового слоя при распространенном способе производства анизотропной стали, основанном на сульфидном ингибировании структуры. При специальных процессах производства стали (например, модифицированной сурьмой и селеном), направленных на получение высокой степени совершенства текстуры [2] и предусматривающих длительную выдержку при ВТО в интервале температур, близких к вторичной рекристаллизации, использование восстановительной атмосферы неприемлемо из-за резкого ухудшения качества грунтового слоя. Чтобы этого избежать, в способе [3] рекомендуется отжигать сталь в атмосфере сухого инертного газа (азот) до завершения процессов вторичной рекристаллизации и грунтообразования.

Однако этих мер недостаточно в случае, когда для улучшения магнитных свойств используются нитриды алюминия (нитридный вариант). Технология производства такой стали включает обезуглероживание в промежуточной толщине (а не в конечной, как для сульфидного варианта) и медленный нагрев (5-15^oC/час) в интервале температур возврата и первичной рекристаллизации (400-700^oC) [4] . Из-за недостаточной толщины образованного при ОО слоя фаялита SiO₂·FeO даже при последующем нагреве в атмосфере инертных газов качество грунтового слоя ухудшается, особенно в прикромочной области, где вследствие градиента температур увеличивается межвитковый зазор и пары воды удаляются задолго до начала процесса грунтообразования.

Целью настоящего изобретения является получение форстеритной пленки с хорошей адгезией в сочетании с высоким уровнем магнитных свойств на стали с нитридным ингибированием. Поставленная цель достигается регулированием влажности (температуры точки росы) атмосферы печи в процессе медленного нагрева от 400 до 800^oC за счет повышения окислительного потенциала путем замены водорода на азот, увлажнения, оптимальной гидратации MgO, добавки к MgO веществ, выделяющих воду в межвитковом пространстве, а также теплоизоляции торцевых частей рулонов.

Предлагаемое изобретение распространяется на стали с 2,8-3,2% Si, 0,030-0,045% C, 0,15-0,25% Mn, 0,003-0,015% S, 0,010-0,030% Al, 0,06-0,6% Cu. Необходимый уровень магнитных свойств получается в таких сталях при обработке по технологии с 2-кратной холодной прокаткой и промежуточным обезуглероживающим отжигом (в толщине 0,65-0,75 мм), как указывалось выше. Последнее обстоятельство осложняет задачу получения при ВТО качественного форстеритного покрытия, поскольку необходимым условием его образования является наличие на полосе перед нанесением MgO достаточно массивной (толщиной 1-4 мкм) пленки фаялита SiO₂·FeO. Пленка указанной толщины действительно получается при ОО, но последующая холодная прокатка с обжатием более 50% утоняет ее, поэтому при ВТО формированию грунтового слоя (форстерита) должно предшествовать утолщение пленки фаялита за счет окисления.

Отмеченные обстоятельства определяют нижнюю границу заявляемого в изобретении интервала температуры точки росы при введении в печь азота - -10^oC. При увлажнении водорода (который сам является сильным восстановителем) указанная граница смещается в сторону увеличения окислительного потенциала - до +5^oC.

Ниже этих величин не происходит образование дополнительных количеств фаялита. При влажности более +10^oC в азоте и более +20^oC во влажном водороде окисление Fe и Si настолько интенсифицируется, что формируется массивное покрытие с низкой адгезией и плохим товарным видом. Кроме того, увеличивается коэффициент заполнения готовых листов.

Общий признак известного и заявляемого решений заключается в повышении окислительного потенциала атмосферы для предотвращения восстановления фаялита водородом в процессе ВТО. Отличительными признаками являются получение заданной влажности в атмосфере печи при нагреве за счет изменения состава подаваемого газа, степени гидратации MgO, а также добавки к ней веществ, диссоцирующих в интервале 600-900^oC с выделением гидроксида.

Кроме того, для стабилизации межвиткового зазора предлагается утеплять торцевые части рулонов с целью уменьшения градиента температур по ширине полос. При отжиге в азоте увлажнение газа можно не производить. Но с повышением в смеси азота и водорода концентрации последнего смесь следует увлажнять.

Совокупность известных и отличительных признаков предлагаемого технического решения обеспечивает получение пленки форстерита с хорошей адгезией и внешним видом на стали с высокими магнитными свойствами.

Предлагаемый способ был опробован в полупромышленных условиях на сталях следующего химического состава /%/ (см. табл.1).

Горячекатаные полосы подвергали травлению, 2-кратной холодной прокатке с промежуточным обезуглероживающим отжигом в толщине 0,7 мм. Полосу конечной толщины /0,3 мм/ покрывали суспензией MgO со степенью гидратации от 5 до 20%, без добавок и с добавкой MgSO₄ /0,4-1,2 г/л/ и сматывали в рулон, который отжигали по режимам способа-прототипа, предлагаемого способа и с отклонениями от последнего. Скорость нагрева при ВТО от 400 до 650^oC составляла 5-15^oС/час. Режимы отжигов и полученные показатели покрытия и металла приведены в табл. 2.

Как видно из табл. 2, на сталях данного состава ВТО с длительной выдержкой не дает возможности получить требуемое высокое качество покрытия. Предлагаемые режимы во всех случаях обеспечивают получение высококачественного покрытия в сочетании с высокими магнитными свойствами, соответствующими и даже превосходящими требования каталогов фирм-производителей стали.

Все приведенные выше приемы регулирования окислительного потенциала межвитковой атмосферы в разной степени эффективны для повышения качества грунтового слоя, а их оптимальное сочетание обеспечивает одновременно и высокие магнитные свойства, и отличное качество грунтового слоя (эксперимент 10, табл. 2).

Массовое опробование варианта 10 в промышленных условиях подтверждает высокую его эффективность. Готовая сталь нитридного варианта по уровню комплекса свойств превосходит уровень, характерный для сульфидного варианта.

Формула изобретения

1. Способ получения форстеритной изоляционной пленки на поверхности анизотропной электротехнической стали, включающий обезуглероживающий отжиг с образованием пленки SiO₂ · FeO и высокотемпературный отжиг смотанной в рулон полосы конечной толщины, покрытой MgO, в атмосфере регулируемого состава, отличающийся тем, что при ВТО нагрев в интервале 400 - 800^oС ведут в окислительной по отношению к Fe и Si атмосфере, содержащей водород и/или азот, исходя из условия получения в конце указанного интервала температуры точки росы в диапазоне от -10 до +20^oС, в зависимости от соотношения водорода и азота.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру точки росы в диапазоне от -10 до +5^oС получают посредством подачи в атмосферу печи азота.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру точки росы в диапазоне от +5 до +20^oС получают посредством увлажнения водорода.

4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что влажность межвитковой атмосферы регулируют изменением степени гидратации MgO в диапазоне 5 - 20%.

5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что влажность межвитковой атмосферы дополнительно регулируют посредством добавки к MgO компонентов, диссоциирующих в интервале 600 - 900^oС с выделением гидроксила.

6. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что торцевые части рулонов теплоизолируют.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3