Способ производства изотропной электротехнической стали
Владельцы патента RU 2270261:
Липецкий государственный технический университет (ЛГТУ) (RU)
Изобретение относится к области металлургии, конкретно к производству изотропной электротехнической стали, применяемой для изготовления магнитопроводов электрической аппаратуры, работающей во вращающемся магнитном поле. Способ включает выплавку, горячую и холодную прокатки и отжиг. После выплавки стали содержит не более 0,01% углерода и 0,05÷0,40% фосфора, а после холодной прокатки проводят рекристаллизационный отжиг в колпаковой печи и затем выпрямляющий отжиг в проходной печи с нанесением электроизоляционного покрытия. Способ позволяет в электротехнической стали с фосфором после любой технологии устранить одну из основных причин повышения удельных потерь - неметаллические включения: окислы в зоне внутреннего окисления и мелкодисперсную фосфорсодержащую фазу. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.
Предлагаемое изобретение относится к металлургии, конкретно к производству изотропной электротехнической стали, применяемой для изготовления магнитопроводов электрической аппаратуры, работающей во вращающемся магнитном поле.
Главными характеристиками качества изотропной стали являются магнитные и механические свойства. В магнитных свойствах оцениваются такие величины, как удельные потери энергии на перемагничивание, магнитная индукция и их анизотропия. Анизотропия и потери должны быть минимальны, а индукция максимальной. В механических свойствах основное внимание уделяется отношению предела текучести к пределу прочности, которое должно быть выше 0,85. Механические свойства стали, в основном, определяются химическим составом стали, а магнитные свойства - не только химическим составом, но параметрами микроструктуры, текстуры и неметаллических включений.
В силу требования к низкой анизотропии свойств изотропной стали существует проблема получения стали с низкими удельными потерями и высокой магнитной индукцией. Она была частично решена путем замены кремния фосфором. Эта замена удачна и с точки зрения механических свойств стали. Например, в способе производства изотропной электротехнической стали улучшение магнитных свойств достигается за счет легирования стали фосфором и регламентации режимов технологических операций (патент РФ №2223338, С1 7 C 21 D 8/12, 2004 г.). В этом способе, включающем выплавку, горячую прокатку, нормализацию, травление, холодную прокатку и обезуглероживающе-рекристаллизационный отжиг, концентрация фосфора зависит от содержания кремния и определяется уравнением Р=-0,004[Si, %]2-0,02[Si, %]+0,168±0,02% при содержании углерода в стали после выплавки менее 0,015% и кремния в пределах 1,4÷3,4%. В способе производства изотропной электротехнической стали, включающем выплавку, горячую прокатку, нормализацию, травление, холодную прокатку и обезуглероживающе-рекристаллизационный отжиг (патент РФ №2215796, С1 7 C 21 D 8/12, 2003 г.), температуру нормализации выбирают с учетом содержания кремния и фосфора по уравнению tН=950-45[Si, %]+100[Р, %]±10°С при изменении содержания кремния в пределах 1,60-2,69%, фосфора - 0,05÷0,15%.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения изотропной электротехнической стали, включающий выплавку, горячую и холодную прокатки, обезуглероживающе-рекристаллизационный отжиг (патент РФ №2155234, С1 7 C 21 D 8/12, 2000 г.). Способ отличается тем, что температуру окончательного рекристаллизационного отжига после холодной прокатки определяют с учетом содержания кремния и фосфора из соотношения Т=(3,7[Si, %]/[Р, %])+880±10°С при изменении содержания кремния 1,4÷2,6% и фосфора 0,05-0,15%. Этот способ выбран в качестве прототипа. Техническим результатом этого способа является исключение из технологии операции нормализации горячекатаных полос. Это позволяет повысить пластичность стали и содержание фосфора до 0,15%, получать магнитные свойства, соответствующие маркам 2411, и снизить себестоимость стали. Исключение операции нормализации вызывает необходимость определения температуры обезуглероживающе-рекристаллизационного отжига в зависимости от содержания кремния и фосфора. Однако в известном способе не учтены все особенности производства стали с повышенным содержанием фосфора и влияние обезуглероживающего отжига на свойства стали. Это не позволяет существенно улучшить магнитные свойства стали и является недостатком.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в улучшении магнитных свойств стали.
Она достигается тем, что согласно предлагаемому способу проводят выплавку стали, содержащей не более 0,01% углерода и 0,05-0,40% фосфора, горячую и холодную прокатки и рекристаллизационный отжиг в колпаковой печи. При необходимости, проводят выпрямляющий отжиг в проходной печи с нанесением электроизоляционного покрытия.
Сущность изобретения состоит в следующем. Как показали исследования (Причины неоднородности магнитных свойств в изотропной электротехнической стали. Сталь, 2003. №9, стр.87-92), при обезуглероживающе-рекристаллизационном отжиге в поверхностных слоях стали неизбежно происходит ее окисление и образуется зона внутреннего окисления. Зона внутреннего окисления представляет собой или отдельные включения или сплошной слой окислов. Присутствие зоны внутреннего окисления приводит к повышению удельных потерь и снижению магнитной индукции. Повышение удельных потерь может составлять около 10%. Кардинальным путем решения этой проблемы является отказ от операции обезуглероживания посредством выплавки стали с содержанием углерода не более 0,010%. При существующем химическом составе стали содержание углерода после выплавки составляет 0,03÷0,05%. В то же время, содержание углерода в готовой стали не должно превышать 0,004÷0,005%. Для достижения такого содержания углерода и проводится обезуглероживающе-рекристаллизационный отжиг стали во влажной атмосфере. При выплавке стали с содержанием углерода не более 0,010% необходимость в обезуглероживающе-рекристаллизационном отжиге отпадает. В процессе горячей прокатки содержание углерода снижается до значений не выше 0,005%. После холодной прокатки на конечную толщину можно проводить только рекристаллизационный отжиг в сухой атмосфере и избежать образования зоны внутреннего окисления.
Таким образом, технология производства изотропной стали должна включать выплавку, горячую прокатку, холодную прокатку и рекристаллизационный отжиг. Исследованиями установлено, что при такой технологии для получения необходимых магнитных свойств сталь должна содержать 0,05-0,40% фосфора. При этом в процессе рекристаллизационного отжига при температурах 850-900°С в стали выделяется мелкодисперсная фосфоросодержащая фаза. Ее количество в готовой стали может достигать 1013 шт/см3. Известно, что такие фазы тормозят движение границ доменов при перемагничивании ферромагнитного материала и повышают расход энергии на этот процесс. Это может являться причиной ухудшения магнитных свойств стали. Используемые режимы охлаждения после отжига в проходных печах не могут обеспечить коалесценции и растворения фазы, т.к. скорость охлаждения выше требуемой. Это позволяют осуществить режимы охлаждения стали после отжига в колпаковой печи. Чем выше температура отжига, тем больше времени находится сталь в условиях более полного осуществления коалесценции и растворения фосфоросодержащей фазы, тем значительнее снижение удельных потерь. В колпаковых печах сталь отжигается в плотно смотанных рулонах. Чем выше температура отжига, тем больше полосы стали приобретают рулонную кривизну. Кроме того, применяемые электроизоляционные покрытия чаще всего не обладают достаточной термостойкостью. В совокупности это делает целесообразным проведение после рекристаллизационного отжига в колпаковой печи выпрямляющий отжиг в проходной печи с нанесением электроизоляционного покрытия.
Верхняя граница по содержанию углерода 0,010% объясняется тем, что при больших содержаниях не обеспечивается его количество в готовой стали не более 0,005%. Верхняя граница по содержанию фосфора 0,40 мас.% выбрана исходя из того, что сталь с большим содержанием фосфора становится нетехнологичной, т.е. труднообрабатываемой, особенно при холодной прокатке. Нижняя граница 0,05 мас.% фосфора обусловлена ухудшением магнитных свойств стали.
Поиск совокупности признаков предлагаемого способа в русской и зарубежной научно-технической литературе не дал результатов. Можно считать, что предлагаемое изобретение отвечает критерию "новизна".
Пример реализации способа.
Сталь выплавляют в конверторе, а слябы получают путем непрерывной разливки. Слябы нагревают в методической печи и проводят горячую прокатку до толщины полос 2,2 мм с температурой конца прокатки не менее 900°С и охлаждением полос на воздухе. Затем полосы подвергают травлению, холодной прокатке до толщины полос 0,50 мм, рекристаллизационному отжигу в колпаковой печи при температуре 880°С и отжигу в проходной печи при температуре 780°С с нанесением электроизоляционного покрытия. В таблице 1 приведены магнитные свойства стали предлагаемого способа и способа прототипа при близком содержании кремния и фосфора. Результаты свидетельствуют, что во всех случаях происходит уменьшение удельных потерь и увеличение магнитной индукции при получении стали предлагаемым способом.
Заявляемый способ универсален, т.к. в электротехнической стали с фосфором после любой технологии устраняет одну из основных причин повышения удельных потерь - неметаллические включения: окислы в зоне внутреннего окисления и мелкодисперсную фосфоросодержащую фазу.
| Таблица 1 Химический состав и магнитные свойства предлагаемого способа и способа-прототипа | |||||||||
| № п/п | Предлагаемый способ | Прототип | |||||||
| Содержание, мас.%: | P1,5/50, Вт/кг | В2500, Тл | Содержание, мас.%: | Р1,5/50, Вт/кг | В2500, Тл | ||||
| С | Si | Р | Si | Р | |||||
| 1 | 0,008 | 1,72 | 0,100 | 3,27 | 1,60 | 1.78 | 0,063 | 3,42 | 1,58 |
| 2 | 0,009 | 2,00 | 0,090 | 3,17 | 1,60 | 2,10 | 0,073 | 3,45 | 1,59 |
| 3 | 0,007 | 2,68 | 0,079 | 3,12 | 1,60 | 2,62 | 0,069 | 3,19 | 1,59 |
| 4 | 0,008 | 3,00 | 0,073 | 2,81 | 1,58 | - | - | - | - |
1. Способ производства изотропной электротехнической стали, включающий выплавку, горячую и холодную прокатки и отжиг, отличающийся тем, что после выплавки сталь содержит не более 0,01% углерода и 0,05÷0,40% фосфора, а после холодной прокатки проводят рекристаллизационный отжиг в колпаковой печи.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после рекристаллизационного отжига проводят выпрямляющий отжиг в проходной печи с нанесением электроизоляционного покрытия на полосу.
