Структура и текстура вакуумированной и невакуумированной изотропной электротехнической стали после горячей прокатки, нормализации и окончательной термической обработки

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Магнитные материалы играют в современной технике весьма важную роль. Такие электротехнические агрегаты, как электромашины, генераторы, трансформаторы, реле, дроссели, преобразователи энергии, могут быть созданы только с использованием магнитных материалов. Магнитные материалы являются также основой и более миниатюрных изделий: элементов памяти в вычислительной технике, деталей управляемых систем автоматики и электроники, элементов систем накопления и хранения информации. Уровень магнитных свойств материалов определяет основные рабочие эксплуатационные характеристики перечисленных выше агрегатов и изделий. Кроме того, от уровня магнитных свойств зависят также надёжность, габариты, масса, потребление мощности, коэффициент полезного действия.

Электротехнические стали, представляющие собой сплав железа с кремнием (до 6,5%), являются наиболее значительной по потреблению в электромашиностроении и трансформаторостроении группой магнито-мягких материалов. Важное место в этой группе по объёму (около 80%) занимает изотропная электротехническая сталь, применяемая для изготовления вращающихся магнитопроводов, низковольтной и высоковольтной аппаратуры, трансформаторов, радиодросселей, реле и т.д.

Качество этих сталей определяет эксплуатационные показатели, затраты на производство, степень использования материала и эффективность преобразования в электрических установках.

В ближайшие десятилетия физический принцип преобразования энергии едва ли претерпит какие-либо существенные изменения. Поэтому потребность в изотропной электротехнической стали будет постоянно повышаться. К этому нужно добавить неуклонно растущие требования электротехнической промышленности к магнитным и механическим свойствам стали. Поэтому в высокоразвитых промышленных странах фирмы-поставщики ведут интенсивные исследования, направленные на улучшение качества изотропной электротехнической стали и на разработку способов получения новых марок стали с особо низкими удельными магнитными потерями и повышенной индукцией. Кроме того, жёсткая конкуренция на рынке требует искать новые пути снижения себестоимости стали при её производстве.

1. Аналитический обзор

1.1 Литературный обзор

1.1.1 Классификация изотропных электротехнических сталей

Изотропные - это все марки малотекстурованной холоднокатаной стали с анизотропией магнитных свойств, ограниченной определённым уровнем, и марки горячекатаной стали, имеющие слабо выраженную текстуру.

Электротехническая изотропная сталь подразделяется на пять групп в зависимости от содержания кремния и алюминия - основных легирующих элементов.

Таблица 1. Группы легирования кремнием электротехнической изотропной стали (ГОСТ 21427.2-83)

№ п/п	Группы легирования	Si+Al,%, (масс)	Марки стали
0 1 2 3 4а 4б	Нелегированииая Низколегированная Слаболегированная Среднелегированная Повышеннолегированная Повышеннолегированная	<0,5 0,5-0,8 0,8-2,1 1,8-2,8 2,5-3,8 2,8-3,8	2011, 2012, 2013 2111, 2112 2211, 2212, 2213, 2214, 2215, 2216 2312 2411, 2412 ,2413, 2414 2421

Легирование кремнием и алюминием приводит к повышению электрического сопротивления стали и, соответственно, способствует снижению вихретоковой составляющей потерь на перемагничивание. Кроме того, легирование кремнием и алюминием позволяет «связать» в неметаллические включения оксидов и нитридов избыточное содержание кислорода и азота в жидкой стали. Особенно благоприятно связывание азота во включения AlN. Наличие включений AlN крупных размеров в кремнистой стали способствует предотвращению условий возможного формирования текстуры (110) [001] в процессе термической обработки холоднокатаных полос.

Наименование марки складывают из 4-х цифр: первая цифра означает способ производства (1 - горячекатаная, 2 - холоднокатаная), вторая - содержание Si в стали, третья - группу по основной нормируемой характеристике, четвертая - порядковый номер типа стали.

По основной нормируемой характеристике электротехническую сталь подразделяют на группы: 0 - удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц (Р1,7/50); 1 - удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл и частоте 50 Гц (Р1,5/50); 2 - удельные потери при магнитной индукции 1,0 Тл и частоте 400 Гц (Р1,0/400); 6 - магнитная индукция в слабых магнитных полях при напряженности поля 0,4 А/м (В0,4); 7 - магнитная индукция в средних магнитных полях при напряженности поля 10 А/м (В10).

Электротехническая сталь, выпускаемая в листах, рулонах и ленте, имеет следующие нормируемые показатели качества: по точности прокатки по толщине (Н - нормальная точность, П - повышенная), по неплоскостности (классы 1 и 2), по термической обработке (термически обработанная на магнитные свойства - ТО, без термической обработки на магнитные свойства - без обозначения), по виду покрытия (без покрытия с металлической поверхностью - без обозначения, с термостойким покрытием, не ухудшающим штампуемость - М, с нетермостойким электроизоляционным покрытием, улучшающим штампуемость - ТШ, с термостойким электроизоляционным покрытием не ухудшающим штампуемость - Т), по коэффициенту заполнения (группы А и В), по точности изготовления по ширине (нормальной точности - без обозначения, повышенной точности - Ш).

Так, рулон 0,50Ч1000 - П - Ш - 1 - ТО - НШ - А - 2312 ГОСТ 21427.2-75 означает, что электротехническая сталь поставляется в рулонах толщиной 0,5 мм, шириной 1 000 мм, повышенной точности прокатки, повышенной точности изготовления по ширине, неплоскостности класса 1, термически обработанной, с термостойким электроизоляционным покрытием, улучшающим штампуемость, с коэффициентом заполнения А из стали марки 2312 по ГОСТ 21427.2-75.

Электротехническая сталь, выпускаемая за рубежом, имеет фирменное наименование, состоящее из слов и букв, обозначающих тип стали с цифрами, показывающими величину магнитных свойств.

Свойства электротехнической стали почти во всех странах нормируются ГОСТом, который определяет минимально допустимый уровень качества и магнитных свойств стали.

Изотропная электротехническая готовая сталь согласно EN 10106 - 96 (Евронормы распространяемые, на все страны Европейского объединения) нормируется по трём основным магнитным характеристикам: удельным магнитным потерям P1,5/50; магнитной индукции B2500, B5000, B10000 и анизотропии магнитных удельных потерь ?P1,5/50. В стандартах других стран имеются свои различия и особенности. По стандарту ГОСТ 21427.2-83 магнитная индукция B5000 и B10000 не определяется и обеспечивается технологией изготовления. Анизотропия магнитной индукции при напряжённости магнитного поля 2500 А/м нормируется и для различных марок стали должна находиться в пределах 0,13-0,16 Тл (до 0,13 Тл для стали с содержанием Si до 1,8%, свыше 1,8% 1,16 Тл).

В стандартах ASTM A677/A677М - 99 (США) и GB/T 2521-1996 (КНР) анизотропия магнитных потерь и магнитной индукции не нормируются. В ASTM не нормируется магнитная индукция, однако нормируется относительная пиковая проницаемость (мр) при индукции 15kG (1,5 Тл), которая для разных марок стали и толщин (0,35; 0,47 и 0,64 мм) находится в пределах 700-2 500. Чем выше удельные потери в стали и больше толщина, тем выше относительная пиковая проницаемость. Кроме того, этот стандарт нормирует удельные магнитные потери P1,5 при частоте переменного тока 50 и 60 Гц. Стандарт КНР нормирует удельные магнитные потери Р1,5/50 и индукцию В5000. Следует отметить, что при составлении контрактов на поставку стали, как правило, по требованию заказчика устанавливаются дополнительные требования по магнитным свойствам (полная петля гистерезиса, кривые общих удельных потерь в различных полях при частоте перемагничивания от 25 до 10000 Гц, кривые магнитной проницаемости в слабых и сильных полях и др.) [1].

1.1.2 Магнитные свойства

Электротехническая изотропная сталь относится к классу ферромагнитных магнитно-мягких сплавов, которые характеризуются узкой петлёй гистерезиса, малой коэрцитивной силой, высокой магнитной индукцией и проницаемостью, низкими потерями на гистерезис и вихревые токи, а также минимальными общими удельными потерями.

Магнитная индукция (B) - величина магнитного потока, отнесённая к единице площади поперечного сечения магнитопровода: B=Ц/S; измеряется в теслах (Тл). Напряжённость магнитного поля (H) - магнитодвижущая сила на единицу длинны магнитной цепи, которая необходима для создания указанного магнитного потока; измеряется в амперах на метр (А/м) [2].

Магнитная проницаемость характеризует относительное увеличение магнитного потока, вызванное внесением в поле магнитного материала [3].

Удельные магнитные потери (P) определяются потерями энергии в 1 кг намагниченного переменным током сердечника; измеряются в ваттах на килограмм (Вт/кг). Их можно приблизительно рассчитать по формуле [4]:

P=d2Bm2ѓ2/г, (1)

где d - толщина листа;

Bm - максимальная величина магнитной индукции;

ѓ - частота тока;

г - удельное электросопротивление.

Удельные потери, вызывающие нагрев сердечника, состоят из потерь на гистерезис (которые пропорциональны площади петли гистерезиса), потерь на вихревые токи и так называемых дополнительных (или остаточных) потерь. Первая составляющая - потери на гистерезис - зависит, прежде всего, от структуры металла (размера зёрен, величины неметаллических включений и содержания металлических примесей) [5]:

Рг=Sѓ/г, (2)

где S - площадь квазистатического цикла гистерезиса, Тл•А/м;

ѓ - частота переменного тока, Гц;

г - плотность ферромагнитного материала, кг/м3.

Величина потерь на вихревые токи в первую очередь определяется удельным электросопротивлением и толщиной стального листа.

Рв=( 4B2maxѓ2h2k2ѓ)•10-10/3гс, Вт/кг, (3)

где Bmax - максимальное (амплитудное) значение магнитной индукции, Тл;

ѓ - частота переменного тока, 50 Гц;

h - толщина полосового образца, мм;

kѓ - коэффициент синусоидальной формы индукции;

г - плотность стали, кг/м3;

с - удельное электрическое сопротивление, Ом•м.

Кроме того, удельные потери прямо пропорциональны квадрату частоты переменного тока, что нужно учитывать при использовании изотропных сталей в высокочастотной технике.

Для изготовления крупных машин (мощностью 400-1 000 кВт и более) используется сталь с повышенным содержанием Si, минимальными магнитными потерями и соответственно относительно меньшей магнитной индукцией. Для электродвигателей средней мощности (50-400 кВт) требуется сталь с промежуточным содержанием кремния и сочетанием среднего уровня двух главных характеристик магнитных свойств. При снижении мощности до 20-40 кВт превалирующее значение приобретает магнитная индукция при умеренных удельных магнитных потерях. Для электродвигателей мощностью 10 кВт и менее определяющей характеристикой становится величина магнитной индукции в рабочих полях, которая должна быть возможно более высокой. В большинстве случаев применения электродвигатели малой мощности работают в режиме эпизодического и кратковременного включения - не более 1-5% рабочего времени. Расходы при использовании дорогой стали, даже с высокими магнитными свойствами, не окупаются за весь срок службы таких двигателей. Поэтому стоимость при выборе изотропной электротехнической стали для этой группы двигателей является таким же важным критерием, как и магнитная индукция.

Магнитная анизотропия в изотропной электротехнической стали весьма нежелательна. Она вызывает более или менее сильную пульсацию магнитного потока прежде всего во вращающихся сердечниках электрических машин, что приводит к неравномерному ходу машины и дополнительным потерям электроэнергии, а также отрицательно влияет на эксплуатацию электродвигателей. При изготовлении стали не всегда удаётся устранить магнитную анизотропию, поэтому в стандартах устанавливают допустимые пределы магнитной анизотропии для изотропных электротехнических сталей.

Согласно стандарту EN 10106, магнитная анизотропия удельных потерь для различных марок стали и толщин нормируется в пределах 6-17%. Следует отметить, что чем ниже удельные магнитные потери, тем выше магнитная анизотропия.

Магнитострикция - изменение объёма или формы ферромагнетика. Магнитострикция поликристаллических образцов железа с повышением напряжённости магнитного поля изменяет не только величину, но и знак. В слабых магнитных полях образцы железа удлиняются, с увеличением напряжённости поля - укорачиваются (рис. 1). Несмотря на то, что величины продольной магнитострикции малые, эффект магнитострикции используется в практике.

Рис. 1. Зависимость продольной магнитострикции поликристаллических образцов железа от напряжённости магнитного поля H

Намагничивание ферромагнетика осуществляется сначала за счёт процессов обратимого смещения границ доменов, затем следуют необратимые процессы смещения, далее - процесс вращения. При уменьшении или снятии поля во время процессов необратимого смещения границ доменов или вращения происходит отставание изменений обратных величин намагниченности, имеет место явление магнитного гистерезиса. Снятием намагничивающего поля намагниченность ферромагнитного образца не обращается в нуль, имеет место остаточная намагниченность (Jr). Чтобы уменьшить остаточную намагниченность (Jr) до нуля, необходимо приложить магнитное поле обратного знака и определённой величины напряжённости, называемое коэрцитивной (размагничивающей) силой (Hc).

1.1.3 Влияние химического состава на магнитные свойства

Согласно современной теории ферромагнетизма, процессы намагничивания и перемагничивания ферромагнетиков осуществляются путём смещения границ доменов и вращения вектора намагничивания. Процессы смещения границ доменов по сравнению с вращением требуют меньшей затраты энергии, поэтому в слабых и средних полях изменение намагниченности происходит в основном путём смещения. В реальных ферромагнетиках подвижность границ доменов в процессе их смещения зависит от степени совершенства кристаллической структуры. Наличие различных дефектов кристаллической решётки: скоплений дислокаций, комплексов вакансий, инородных фаз, границ блоков, зёрен и т.п. тормозит смещение границ доменов и тем самым снижает уровень структурночувствительных магнитных свойств: магнитной индукции и проницаемости, коэрцитивной силы, потерь на перемагничивание.

Наиболее вредными примесями в электротехнической стали являются С, N, O и S. Содержание этих элементов в стали превышает предел их растворимости в твёрдом растворе, и они выделяются в виде неметаллических включений: карбидов, нитридов, сульфатов и оксидов.

Концентрация С, Mn, S, P и Cr оказывают значительное влияние на магнитные характеристики стали. Химический состав изотропных электротехнических сталей подбирают из соображения низких удельных потерь и наиболее высокой магнитной индукции.

Углерод

Углерод является одной из наиболее вредных примесей в электротехнической стали, расширяющей область существования аустенита.

На рис. 2 [6] приведена зависимость примесей на коэрцитивную силу железа технической чистоты. Увеличение содержания углерода по негативному влиянию на магнитные свойства (Hc) железа уступает только азоту. Растворимость углерода в б-железо значительно ниже, чем в аустенит.

На рис. 3 показано влияние углерода на кривые перемагничивания железа. Снижение содержания углерода в стали на 0,015% в исследуемом интервале 0,03-0,05% способствует уменьшению удельных потерь на 0,5 Вт/кг и повышению магнитной индукции на 0,15 Тл. Степень влияния углерода на магнитные свойства зависит от формы его выделения в твёрдом растворе в виде цементита (пластинчатого или глобулярного) или графита. Наиболее неблагоприятное влияние на магнитные свойства металла оказывает выделение в форме структурно-свободных карбидов, расположенных внутри зёрен феррита или по границам зёрен. Выделение углерода внутри зёрен в форме графита оказывает незначительное влияние. Значения коэрцитивной силы при одном и том же содержании углерода в металле, но при разных его формах выделения могут отличаться в 1,5-2 раза.

Размеры углеродсодержащих включений в электротехнической стали обычно составляют 5-20 мкм, что значительно больше критических размеров (d < 1 мкм), оказывающих максимальное тормозящее действие на смещающиеся доменные границы. Максимальная коэрцитивная сила получается при диаметре включений 0,12 мкм [6].

Форма выделения углерода зависит от параметров горячей обработки металла: температуры нагрева и продолжительности томления слябов в методической печи, температура конца прокатки и смотки, скорости охлаждения после горячей прокатки, температуры отжига горячекатаных и холоднокатаных рулонов и скорости их охлаждения. Медленное охлаждение способствует выделению углерода в виде крупных частиц, быстрое - выделению дисперсных частиц и фиксации углерода в твёрдом растворе. Последующее выделение углерода из твёрдого раствора является причиной магнитного старения.



Рис. 2. Влияние примесей на коэрцитивную силу железа технической чистоты: 1 - азот; 2 - углерод; 3 - сера; 4 - фосфор; 5 - кислород; 6 - марганец

Рис. 3. Влияние примеси углерода на кривые намагничивания железа

Углерод оказывает решающее влияние на рост зерна и коэрцитивную силу, особенно при быстром нагреве и охлаждении [7]. При скоростном нагреве и охлаждении фазовое превращение происходит в условиях некоторого перегрева и значительного переохлаждения, когда образуется много зародышевых центров новой фазы, в результате чего зерно сильно измельчается. При отжиге изотропной электротехнической стали (1,6% Si) увеличение содержания углерода с 0,02 до 0,05% уменьшает размер зерна в 12 раз. Однако это влияние при медленном нагреве проявляется в значительно меньшей степени, чем при быстром. Медленный нагрев создаёт условия для перераспределения углерода, коагуляции и укрупнения участков аустенита, что облегчает рост ферритных зёрен. Углеродсодержащая фаза в зависимости от формы выделения значительно влияет на пластичность электротехнической стали при холодной прокатке, особенно после нормализационного отжига горячекатаных рулонов [8].

Введение в сталь карбидообразующих элементов приводит к образованию устойчивых карбидов и ухудшению магнитных свойств.

Рис. 4. Влияние различных загрязнений на гистерезисные потери железокремнистого сплава с 4% Si; при В = 1,0 Тл

Важным для улучшения магнитных свойств и пластичности металла является выплавка изотропной электротехнической стали с углеродом менее 0,005%. Другие способы - обезуглероживание и рафинирование металла в конечной толщине менее эффективны. Недостатком первого способа является длительность операции и недостаточно глубокое обезуглероживание (до 0,008-0,010%). При втором способе, хотя и проводится глубокое обезуглероживание (до 0,002-0,005%), но отжиг во влажной атмосфере приводит к внутреннему окислению. Включения оксидов кремния, образующиеся при внутреннем окислении в процессе обезуглероживания, значительно ухудшают магнитные свойства стали.

Кремний

Кремний является основным легирующим элементом в электротехнических сталях. Легирование кремнием повышает магнитную проницаемость в слабых и средних магнитных полях (рис. 5), уменьшает коэрцитивную силу, потери на гистерезис, вихревые токи и постоянную магнитострикции, сильнее других элементов уменьшает энергию магнитной анизотропии (рис. 6).

Рис. 5. Влияние кремния на величину максимальной магнитной проницаемости

Наибольшую индукцию насыщения имеет чистое железо, однако вследствие низкого удельного электросопротивления оно имеет большие потери на вихревые токи. Легирование увеличивает электросопротивление (рис. 7), но сильнее других его увеличивает кремний, и соответственно более других уменьшает вихретоковые потери.

С увеличением содержания кремния происходит значительное сужение г-области. Сталь с содержанием 2% кремния и 0,002% углерода становится чисто ферритной, что обеспечивает получение в металле крупного зерна феррита проведением отжига при 1 100о С без фазовой перекристаллизации.

Рис. 6. Первая постоянная магнитной анизотропии сплавов в зависимости от атомной концентрации легирующих элементов

Рис. 7. Влияние различных элементов на электросопротивление железа при 20о С

Кремний уменьшает растворимость углерода и азота в стали и снижает склонность её к магнитному старению. Введение в сталь 1% кремния снижает магнитное старение до 6-8%.

Вредное влияние кремния проявляется в снижении величины магнитной индукции насыщения, что связано с образованием соединения Fe3Si (рис. 8). В электротехнических изделиях и агрегатах, требующих высокий уровень магнитной индукции в средних и сильных полях, применяют сталь с содержанием кремния не более 0,5%. В нелегированной электротехнической стали, содержащей 0,1-0,5% алюминия, повышают концентрацию кремния до 0,8% и путём определения режимов обработки на прокатных переделах обеспечивают высокий уровень удельных потерь и магнитной индукции.

Рис. 8. Зависимость магнитной индукции от содержания кремния

В промышленности используются сплавы железо - кремний, в которых содержание кремния находится в пределах 0,5-4,5%. Горячая прокатка сплава затруднена при содержании свыше 4,5% кремния. Для холоднокатаных листов содержание кремния не превышает 3,5-3,8%, из-за хрупкости подката.

Алюминий

При производстве электротехнической стали алюминий используют наряду с кремнием. Его широкое применение обусловлено положительным влиянием на магнитные свойства указанной стали. Действие алюминия во многом аналогично действию кремния. Так, он увеличивает электросопротивление и снижает индукцию насыщения почти в той же степени, что и кремний. Сталь становится ферритной при 1% алюминия. Однако укрупнение зерна феррита наблюдается до температуры отжига 850о С. При высокотемпературном отжиге (1 100-1 150о С) магнитные свойства ухудшаются в связи с окислением алюминия и образованием глинозёма.

Общеизвестна роль алюминия, как одного из основных раскислителей жидкой стали, в повышении чистоты выплавляемой стали за счёт связывания кислорода и азота во включения крупных размеров, легко удаляемых в процессе внепечной обработки жидкого металла. Он также подавляет склонность стали к старению благодаря связыванию азота в прочные нитриды [9].

В последнее время алюминий в количестве 0,2-0,4% стали вводить в нелегированную изотропную электротехническую сталь для улучшения её магнитных свойств.

Алюминий ухудшает технологичность стали при горячей и холодной прокатках. Уже при 0,08% алюминия наблюдается образование большого количества рванин на кромках горячекатаных полос. Ухудшается также качество поверхности холоднокатаных полос.

Содержание 1-5% алюминия в стали значительно повышает уровень магнитных свойств, а при содержании до 0,05% - уровень магнитных свойств снижается.

Содержание связанного азота в стали по мере роста концентрации алюминия увеличивается (рис. 9), коэффициент старения снижается до 0-1%.



Рис. 9. Изменение количества связанного азота от концентрации кислорастворимого алюминия в стали

Кремний и алюминий - ферритообразующие элементы, поэтому при достижении максимально возможных концентраций этих элементов необходимо принимать во внимание содержание аустенитообразующих элементов - углерода и марганца. Фазовый состав при высоких температурах оказывает существенное влияние на пластичность железокремнистых сталей при горячей прокатке. При определённом количественном соотношении б-железа и аустенита из-за неравномерной деформации этих фаз наблюдается повышенная хрупкость стали. Наиболее «опасным» в структуре горячекатаных полос является соотношение содержании ферритообразующих элементов (кремния, алюминия) и аустенитообразующих элементов (углерода и марганца) выбирают таким, чтобы сдвинуть двухфазное (б+г) состояние от наиболее «опасного» соотношения фаз б и г в сторону преобладания ферритной составляющей.

Фосфор

В последнее время в мировой практике производства изотропной электротехнической стали с успехом применяется легирование фосфором. Это относится к производству как нелегированной, так и легированной изотропной электротехнической стали. Добавки фосфора используются и при производстве стали с высокой магнитной индукцией (В2500~1,7 Тл).

Ранее считалось, что содержание фосфора в стали должно быть минимальным, потому что фосфор, как известно, оказывает охрупчивающее действие на сталь. Однако со временем появились стали, в которые фосфор специально вводится для повышения прочности. Это стало возможным благодаря тому, что был выяснен механизм охрупчивающего действия фосфора. Кроме того техника легирования достигла такой надёжности, что можно уверенно предотвратить получение концентраций фосфора, неблагоприятных для определённого типа сталей. Фосфор увеличивает прочность железа, и стали в большей степени, чем кремний, марганец, молибден, хром, ванадий и некоторые другие элементы.

При производстве изотропной электротехнической нелегированной стали, фосфор так же использовался для увеличения прочности и, как следствие, улучшения штампуемости. Это было вызвано тем, что при недостатке кремния пластины магнитопроводов нелегированной стали после штамповки имеют кромочный дефект - заусенец.

Изучено влияние фосфора на уровень механических характеристик стали в отожжённом состоянии. Определены предел прочности, предел текучести, относительное удлинение и модуль сдвига G. Прочностные характеристики стали с увеличением содержания фосфора повышаются, что улучшает показатель штампуемости стали (рис. 10). При 0,33% фосфора твёрдость HV достигает 170 единиц, предел прочности равен 470 МПа, предел текучести равен 340 МПа. При увеличении содержания фосфора от 0,09 до 0,33% относительное удлинение снижается с 36 до 22%.



Рис. 10. Влияние фосфора на ув, ут и HV нелегированной электротехнической стали

Дальнейшие исследования полностью изменили представления о фосфоре как элементе, повышающем только твёрдость и прочность стали. Установлено, что легирование фосфором значительно улучшает магнитные свойства изотропной электротехнической стали.

Фосфор, образующий с железом твёрдый раствор замещения, интенсивнее повышает сопротивление стали, чем кремний, алюминий и марганец, что оказывает положительное влияние на уменьшение вихревой составляющей удельных магнитных потерь. Удельное электросопротивление чистого железа составляет 0,1 Ом·мм2/м, нелегированной электротехнической стали с добавлением кремния (0,3-0,5%) и марганца (до 0,3%) - 0,12-0,14 Ом·мм2/м, при легировании стали фосфором до 0,33% удельное электросопротивление возрастает до 0,22 Ом·мм2/м, т.е. в ~1,5 раза (рис. 12). Увеличение массовой доли фосфора до 0,6% приводит к линейному росту удельного электрического сопротивления. Дальнейшее повышение содержания фосфора практически не влияет на эту характеристику.



Рис. 11. Влияние содержания различных легирующих элементов на предел текучести ут б-железа

Рис. 12. Влияние содержания фосфора на удельное электросопротивление

Фосфор, так же как и кремний, относится к элементам, суживающим г-область, но действие его значительно сильнее, чем кремния. Уменьшение г-области способствует увеличению размера зерна и снижению потерь на гистерезис (Рг). При этом не увеличиваются потери на вихревые токи (Рв), так как с повышением содержания фосфора преобладающее влияние на величину потерь на вихревые токи оказывает увеличение удельного электросопротивления (с), что определяет монотонное снижение общих удельных потерь.

На основе результатов микроструктурных исследований показано, что легирование стали фосфором до ~ 0,33% не приводит к образованию фосфидов (неметаллических включений), твёрдый раствор состоит из одной фазы - феррита.

Анализ результатов многих исследований позволяет сделать выводы, что легирование изотропной электротехнической стали фосфором снижает удельные магнитные потери, коэрцитивную силу (рис. 13), коэффициент старения, увеличивает магнитную индукцию, величину зерна после рекристаллизационного отжига, магнитную проницаемость.

Рис. 13. Влияние содержания фосфора на коэрцитивную силу

В области сильных и средних полей (до 50 А/м) крутизна кривых намагничивания, т.е. проницаемость стали с 0,09% фосфора составляет 7600·10-1/(1/р) Тл/(А/м), стали с 0,33% фосфора 9050·10-1/(1/р) Тл/(А/м) (рис. 14). В полях свыше 50 А/м кривые намагничивания сливаются, т.е. индукция в больших полях для всех изученных сталей практически одинакова и не зависит от содержания фосфора.



Рис. 14. Зависимость магнитной проницаемости нелегированной электротехнической стали от содержания фосфора, %; 1 - 0,09; 2 - 0,16; 3 - 0,33

Добавки фосфора способствуют увеличению доли кубической составляющей текстуры готовой стали. Положительное влияние фосфора связывают с его рафинирующим действием. Обладая большим сродством к кислороду, фосфор способствует очистке стали от вредных примесей (Al2O3; SiO2; TiO2 и др.), ухудшающих магнитные свойства. Зависимость содержания H2 и N2 от содержания фосфора не обнаружена. Фосфор существенно снижает окисление стали при высокотемпературном нагреве.

Влияние содержания фосфора в стали на величину зерна, кубическую составляющую текстуры (100)[0VW] и (310)[0VW] и удельные магнитные потери после рекристаллизационного отжига показано на рис. 15.

С увеличением содержания фосфора от 0,013 до 0,071% величина зерна (dср) после рекристаллизационного отжига при температуре 1050° C увеличивается с 96,7 до 126,2 мкм. Эти данные хорошо согласуются с результатами исследований влияния добавок фосфора в нелегированную и легированную изотропную электротехническую готовую и легированную полуготовую стали. Подобные результаты получены при рекристаллизационном отжиге чистого железа и углеродистой стали с добавками фосфора в холоднокатаной стали марки 08ЮП приводит к ускорению процесса рекристаллизации, особенно на стадии собирательной рекристаллизации.

Рис. 15. Зависимость среднего размера зерна, полюсной плотности кубических ориентировок (100) [0VW]+(310)[0VW] и удельных магнитных потерь P1,5/50 готовой стали от содержания фосфора (2,98-3,01 Si)

Влияние фосфора на размер зерна после рекристаллизационного отжига можно объяснить тем, что он является ферритообразующим элементом, резко сужающим г-область и повышающим критическую точку Ас3.

Из рис. 15 следует, что с увеличением содержания фосфора в стали от 0,013 до 0,071% увеличивается полюсная плотность кубических ориентировок (100)[0VW]+(310)[0VW] после рекристаллизационного отжига от 2,811 до 3,425. С увеличением размера зерна и доли кубических ориентировок в готовой изотропной электротехнической стали снижаются удельные магнитные потери Р1,5/50.

Таким образом, увеличение содержания фосфора через структурный фактор и текстуру благоприятных ориентировок способствует уменьшению удельных магнитных потерь готовой стали.

Важным фактором в пользу легирования стали фосфором является и более низкая цена феррофосфора по сравнению с ферросилицием. Кроме того, добавки в сталь фосфора (десятые или сотые доли процента) в несколько раз меньше по сравнению с легированием кремнием (проценты или десятые доли процента). Таким образом, частичная замена кремния фосфором при выплавке может уменьшить себестоимость стали. Поэтому ведущие фирмы по производству изотропной электротехнической стали интенсивно ведут разработки по усовершенствованию технологии, используя легирование стали фосфором.

Сера

Сера при кристаллизации стали образует легкоплавкую эвтектику, состоящую из железа и сульфидов железа и марганца, и поэтому увеличивает коэрцитивную силу, удельные магнитные потери, снижает магнитную индукцию и максимальную магнитную проницаемость. Отрицательное влияние серы (в пределах её содержания 0,005-0,03%) на магнитные свойства изотропной электротехнической стали объясняется присутствием сернистых включений в большинстве случаев внутри зёрен и свободной серы на границах зёрен. Снижение серы положительно влияет на удельные магнитные потери вплоть до её содержания 0,002%. Сера оказывает негативное влияние на магнитные свойства изотропных электротехнических сталей как с низким (0,3-0,6%), так и с повышенным содержанием кремния.

Оптимальным содержанием серы в изотропной электротехнической стали считается не более 0,005%.

Неметаллические включения

Степень влияния неметаллических включений на магнитные свойства электротехнической стали зависит от их числа, размеров, состава, формы и создаваемых ими напряжений. При перемагничивании стали включения препятствуют движению доменных границ, увеличивая магнитостатическую энергию. Последняя достигает наибольших значений, когда размеры включений соизмеримы с шириной доменных стенок (доли микрона) (рис. 16).

Включения, имеющие неправильную, остроугольную форму (нитриды, корунд, цементит), вызывают сильное искажение матрицы, большие микронапряжения. Основным источником внутренних напряжений в стали является пластическая деформация, приводящая к резкому увеличению степени дефектности решётки (плотность дислокаций в деформированной электротехнической стали возрастает с 106-108 до 109-1011 на 1см).

Влияние формы неметаллических включений на магнитные свойства стали определяется степенью и характером искажения её кристаллической решётки. Пластические включения глобулярной формы меньше искажают микроструктуру близлежащих объёмов и потому слабее воздействуют на магнитные свойства, чем иглообразные и твёрдые частицы. Включения создают вокруг себя напряжённую зону. Напряжения возникают в процессе охлаждения металла из-за большого различия коэффициентов термического расширения металла и включений [10], они могут вызывать перестройку доменной структуры на участках, в 300 и более раз превышающих объём включений [11].



Рис. 16. Зависимость коэрцитивной силы Hc от размеров неметаллических включений

В процессе прокатки и термической обработки некоторые металлические включения типа нитридов, сульфидов могут растворяться с последующим выделением более дисперсной фазы и с изменением состава (мелкодисперсные нитриды и карбонитриды являются более вредными включениями в сплаве железо - кремний и железе технической чистоты, чем карбиды; это объясняется тем, что нитриды имеют значительно меньший размер частиц, чем карбиды). Но, в процессе высокотемпературного отжига в результате распада нитридов и удаления азота из металла окисляется алюминий с образованием мелкодисперсной фазы Al2O3, значительно ухудшающей магнитные свойства стали. Разложение неустойчивых оксидных включений типа FeO, MnO в процессе обработки кипящей электротехнической стали вызывает значительное её обезуглероживание.

Содержание кислорода и оксидных неметаллических включений в нелегированной электротехнической стали определяется в основном концентрациями кремния (при содержании < 0,01% Al) или Al, если его содержание превышает 0,01%. С увеличением в металле концентрации кремния объёмное содержание включений и их размеры уменьшаются. В стали с содержанием > 0,01% Al включения представлены сложными оксидами на базе глинозёма. С увеличением концентрации Al содержание оксидов уменьшается.

Другие элементы

Марганец положительно влияет на магнитные свойства изотропной электротехнической стали вследствие повышения удельного электросопротивления и улучшения текстуры. В связи с хорошей растворимостью марганца в б-железе введение его в сталь не приводит к заметному изменению микронапряжений после конечного отжига. Марганец, как и кремний, тормозит диффузию атомов азота в феррите, что обуславливает его положительное влияние на уменьшение склонности к магнитному старению.

Как карбидообразующий элемент марганец может повышать потери на гистерезис. При исследовании нелегированной изотропной электротехнической стали (0,3-0,7% Mn) показано, что с увеличением содержания марганца более 0,53% наряду с цементитом образуются нитриды марганца Mn3N2 и Mn4N. По мере дальнейшего роста содержания марганца до 0,7% происходит интенсивное коагулирование нитридов марганца, что приводит к снижению удельных потерь и увеличению магнитной индукции (рис. 17).

Для нелегированной изотропной электротехнической стали оптимальным является содержание марганца 0,55-0,65%.



Рис. 17. Зависимость удельных магнитных потерь P1,5/50 (а) и магнитной индукции B2500 (б) нелегированной изотропной электротехнической стали (0,01-0,02% Si) от содержания марганца

Титан обычно добавляли в изотропную электротехническую сталь для связывания азота в нитриды титана. Небольшие добавки титана в нелегированную изотропную сталь при низких температурах смотки (< 700о С) горячекатаных полос приводят к образованию карбидов и нитридов титана (TiC, TiN), причём выделение на границах зёрен первого или второго соединения определяется соотношением титан/углерод > 0,5. Нелегированная электротехническая сталь обладает высоким уровнем магнитных свойств, если в её составе имеются нитриды титана, а содержание цементита минимально. Это связано с благоприятным влиянием нитридов титана на оптимальную текстуру рекристаллизации. Кроме того, связывание азота титаном уменьшает старение стали. Оптимальным содержанием в нелегированной стали Ti Ванчиков В.А., Бочков Н.Г. и Молотилов Б.В. считают 0,02-0,03% [6].Увеличение содержания титана более 0,04% приводит к измельчению зерна после окончательного отжига.

Для изотропной электротехнической стали с 1,8-3,2% кремния при нормализационном отжиге горячекатаной полосы регламентированное охлаждение до 400о С, определяемое отношением титана к содержанию кремния по формуле (4) приводит к улучшению магнитных свойств.

Vохл=0,83(%Ti/%Si)·t, (4)

где t - температура отжига, оС.

Охлаждение металла со скоростью определяемой формулой (4), приводит к образованию в металле нитридов титана правильной формы и плотностью (8-10)·1012 шт/см3, которые способствуют избирательному росту зёрен с ориентировкой (100) [0VW], благоприятной для магнитных свойств. Содержание титана в этом случае должно быть в пределах 0,01-0,05%.

Исследования, проведённые в последнее время на НЛМК на 1 500 партиях изотропной электротехнической стали с содержанием при выплавке 2,9-3,1% кремния, 0,39-0,44% алюминия, 0,032-0,040% углерода и 0,005-0,007% азота, показали, что увеличение содержания титана с 0,006 до 0,018% увеличивает удельные магнитные потери P1,5/50 на 0,10-0,12 Вт/кг (рис. 18).



Рис. 18. Зависимость удельных магнитных потерь P1,5/50 изотропной электротехнической стали (2,9-3,1% Si, 0,39-0,44% Al) от содержания титана

Аналогичные результаты отрицательного влияния титана на уровень удельных магнитных потерь получены и при исследовании изотропной электротехнической стали с содержанием кремния 0,9-1,4%

Согласно действующей на НЛМК технологии титан попадает в металл из синтетического шлака содержащего TiO2, за счёт восстановления его алюминием. 30% неметаллических включений в изотропной электротехнической стали (2,8-3,2% кремния) производства НЛМК приходится на нитриды и оксиды титана. Поэтому уменьшение содержания титана в стали, а следовательно, и неметаллических включений (TiN, TiO2) приводит к уменьшению удельных магнитных потерь.

Причинами противоречивых выводов о влиянии титана на магнитные свойства изотропной электротехнической стали могут быть различная чистота металла (особенно по содержанию азота), а также отжиг горячекатаного подката или его отсутствие в технологическом процессе.

Хром существенно ухудшает магнитные свойства электротехнической стали. Это объясняется образованием устойчивых карбидов хрома благодаря большему сродству его к углероду, чем к железу. Однако добавки хрома имеют и положительное влияние. Высокое сродство хрома к азоту проявляется в резком снижении активности последнего в твёрдом растворе железа, однако с повышением температуры влияние хрома на активность азота снижается. Кроме того, легирование хромом подавляет охрупчивание стали и обеспечивает ей высокую коррозионную стойкость.

Структура и текстура

Увеличение размеров зерна в изотропной электротехнической стали приводит к повышению магнитной проницаемости и магнитной индукции слабых и средних полях. Магнитная индукция в сильных полях с увеличением размера зерна снижается. Однако это снижение наблюдается только при увеличении размера зерна в направлении нормали к плоскости листов, увеличение же этого размера в плоскости листов (увеличение коэффициента формы зерна) способствует даже некоторому увеличению магнитной индукции. Полученный результат согласуется с тем, что объём поверхностных замыкающих доменов, возрастает с увеличением размера зерна в направлении толщины листов, но не зависит от протяжённости зерна в плоскости листов. Следует отметить весьма значительную величину полученного эффекта: увеличение d+ в пределах 20-400 мкм вызывает снижение магнитной индукции В25 на ~0,15 Тл или на ~10%. Следовательно, для получения высокой магнитной индукции в сильных полях в малотекстурованной стали необходимо иметь возможно более сплюснутое зерно.

Характер зависимости коэрцитивной силы Нс от величины зерна (рис. 19) отвечает современным представленим о влиянии границ зёрен на процесс перемагничивания, что даёт осногвания предполагать тождественный характер зависимости гистерезисной доли удельных потерь от размера зерна, т.е. уменьшения при увеличении зерна.

С увеличением разнозернистости структуры удельные потери возрастают.

Для железа и кремнистого железа направлением лёгкого намагничивания является ось [100], направлением наиболее трудного намагничивания - ось [111]. Ось [110] занимает в этом отношении промежуточное положение.

В листах с ребровой текстурой в большинстве зёрен одна из осей лёгкого намагничивания [100] приблизительно совпадает с направлением прокатки. Вследствие анизотропии формы зёрен ориентирование векторов Тs доменов вдоль других двух осей типа <100>, составляющих с плоскостью листа углы ~45°, энергетически не выгодно (они образуют замыкающие домены, называемые С-доменами). Совершенство ребровой текстуры (110) [001] определяет минимальный уровень потерь на перемагничивание электротехнической анизотропной стали в широком диапазоне толщин (за счёт уменьшения потерь на магнитный гистерезис).

Рис. 19. Зависимость индукции В25пр=1,706-0,0247d (кривая 1) и коэрцитивной силы Нс=63,051-101,572d (кривая 2) нелегированной электротехнической стали

Анизотропия магнитных свойств в пластинах вращающихся сердечников вызывает дополнительные потери, пульсацию тока, искрение на коллекторах и другие нежелательные явления. Поэтому разница значений В25 на продольных и поперечных пробах, по которой оценивают анизотропию магнитных свойств, не должно превышать в малотекстурованной стали 0,06-0,08 Тл. Изотропная сталь с повышенным содержанием Si (> 2,5%) вследствие небольшого объёма фазовых превращений при высокотемпературном отжиге склонна к вторичной рекристаллизации, сопровождающейся образованием сильной ребровой текстуры.

Перспективной в качестве материала для магнитопроводов машин переменного тока и небольших трансформаторов является сталь с кубической текстурой, свойства которой вдоль и поперёк направления прокатки примерно одинаковы, а направление наиболее трудного намагничивания - ось [111] - вообще выведено из плоскости листа [12, 13].

Благодаря ориентации элементов кубической решётки (100) [001], при котором рёбра кубов располагаются вдоль прокатки и, кроме того, две грани куба оказываются параллельными плоскости прокатки, в материале образуется два направления лёгкого намагничивания с приблизительно одинаковыми свойствами: одно вдоль прокатки (0°) и второе также в плоскости ленты, но в поперечном направлении (90°). Широкое применение этих сталей, особенно толщиной свыше 0,3 мм, лимитируется относительно большой сложностью процессов их изготовления.

Улучшение характеристик машин малой и средней мощности может быть получено за счёт использования стали с плоскостной структурой. Кристаллы в этой стали ориентированы таким образом, что их грани оказываются расположенными параллельно или перпендикулярно плоскости листа, но рёбра имеют произвольную ориентацию. Вследствие этого материал обладает изотропными магнитными свойствами в плоскости прокатки и легко намагничивается по любому направлению. По магнитным свойствам эта сталь занимает промежуточное положение между материалом с ребровой или кубической текстурой и нетекстурованной ЭТС.

Технология производства изотропных сталей в условиях ОАО «НЛМК»

Производство динамной стали (ПДС) ОАО «НЛМК» рассчитано на производство 480 тыс.т. в год высококачественной стали, отвечающей требованиям мирового рынка. В сортаменте готовой продукции, выпускаемой производством. 78 марок стали ИЭТС и 28 марок низкоуглеродистой стали специального назначения.

В основу создания комплекса положена сквозная технология производства изотропной электротехнической стали, разработанная и внедрённая учёными и инженерами НЛМК и ЦНИИЧермета.

Рис. 20. Технологическая схема изготовления изотропной электротехнической стали

Выплавка

Выплавка электротехнических изотропных сталей осуществляется в конверторном цехе в 160-ти тонных кислородных конвертерах с последующей разливкой стали на машинах непрерывного литья заготовок вертикального типа в слябы размером (240-250)Ч(1120-1280) мм массой до 30 т. Для выплавки стали применяют металлическую шихту, состоящую из передельного чугуна и стального лома. Комплексная технология предусматривает продувку жидкой стали инертными газами, циркуляционное ваккумирование, внепечную обработку жидкой стали синтетическими шлаками и твёрдыми шлакообразующими смесями. Для раскисления применяют металлический марганец марок МР-1, МР-2, алюминий первичный или алюминий марки АВ-97, ферросилиций марки ФС-65, феррофосфор.

Защиту металла в сталеразливочном, промежуточном ковшах и в кристаллизаторе от вторичного окисления и азотирования осуществляют засыпкой шлакообразующей смесью. Защиту струи металла из сталеразливочного ковша в промежуточный, из промежуточного ковша в кристаллизатор осуществляют металлопроводом с подводом струи металла под уровень.

В 1998 г. введена в строй современная установка непрерывной разливки стали. Высокая скорость разливки на криволинейной установке, более качественная защита струи металла от вторичного окисления по сравнению с УНРС вертикального типа изменили структуру литого металла, состояние мелкодисперсных неметаллических включений и уменьшили их количество на 0,006-0,011%. Содержание азота в стали уменьшилось в среднем на 0,002%.

Горячие слябы кремнистой стали после непрерывной разливки характеризуют повышенной склонностью к трещинообразованию. В конвертерном цехе имеется оборудование для термостатирования и отжига слябов высоколегированных марок сталей.

Горячая прокатка

Горячую прокатку слябов осуществляют на непрерывном широкополосном стане 2000 с производством горячекатаного проката (2,0-2,5)Ч(1080-1280) мм.

Горячая прокатка изотропной электротехнической стали, как и выплавка, оказывает значительное влияние на магнитные и механические свойства готовой стали, так как характер формирующихся при высокотемпературной деформации структуры и текстуры влияет на поведение материала при последующих операциях холодной прокатки и рекристаллизации, а, следовательно, и на качество готового металла.

Большое значение для магнитных свойств стали имеет температура нагрева слябов. По сравнению с анизотропной сталью температуру томления слябов изотропной стали устанавливают ниже, что позволяет ограничить переход фазообразующих элементов в твёрдый раствор. Имеющиеся в слябах относительно крупные включения AlN и MnS могут в случае их растворения при нагреве слябов перед прокаткой и последующем быстром охлаждении в процессе горячей прокатки выделиться в виде мелкодисперсных частиц, что заметно ухудшает магнитные свойства стали [4]. При этом минимальная температура горячей прокатки определяется по максимальным силовым нагрузкам при прокатке на стане.

С этих позиций оптимальная температура нагрева слябов составляет 1180-1260° С.

Нормализация

В последние годы в производстве изотропной электротехнической стали в нашей стране достигнут определённый прогресс, связанный прежде всего с термообработкой высоколегированного (~ 3% Si) подката в печи нормализации Новолипецкого комбината. Эта операция является одной из главных в технологической цепи и позволяет при определённых условиях обеспечить возможность формирования на последующих переделах оптимального сочетания структурных и текстурных параметров и в конечном счёте высокого уровня магнитных свойств (рис. 21).

Рис. 21. Зависимость удельных магнитных потерь P1,5/50 (а) и магнитной индукции B2500 (б) изотропной электротехнической стали от содержания кремния: 1 - без нормализационного отжига; 2 - с отжигом при температуре 800-900о С

В стали с нормализационным отжигом уменьшаются удельные магнитные потери Р1,5/50 на 0,15-0,28 Вт/кг (рис 21, а) и увеличивается магнитная индукция B2500 на 0,015-0,025 Тл (рис. 21, б) по сравнению со сталью без нормализации. При горячей прокатке нелегированной стали (Тк.п. = 830-850о С) без душирования горячекатаных полос нормализация способствует укрупнению структуры стали, образованию благоприятной текстуры и улучшению магнитных свойств.

Травление

Травление горячекатаных полос производят в непрерывных травильных агрегатах (НТА) горизонтального типа в растворе соляной кислоты с максимальной скоростью в выходной части 500 м/мин. Промывку полосы производят в холодной ванне водой под давлением с последующей промывкой водой с температурой ? 90о С. Сушку полосы производят подачей снизу и сверху на полосу воздуха, нагретого до 90-100о С. Наносят на поверхность пассивирующие растворы, предохраняющие металл от коррозии. В результате травления происходит наводороживание металла, что способствует повышению его твёрдости. Для устранения неравномерного травления применяют кислотные растворы с добавлением ингибиторов (25% каталина, 25% уротропина, 25% концентрированной соляной кислоты и 25% воды).

Холодная прокатка

Холодная прокатка производится на непрерывном четырёхклетьевом стане 1400 на конечную толщину до 0,35 мм с использованием высокоэффективных технологических смазок и возможностью контроля поперечного профиля полосы. При холодной прокатке изотропной стали оптимальный режим обжатий составляет Еопт = 70-75%. Обеспечивается достижение высокого уровня магнитных свойств и минимальной магнитной анизотропии. При уменьшении конечной толщины изотропной электротехнической стали с 0,65-0,50 до 0,35-0,15 мм снижаются потери на перемагничивание за счёт уменьшения вихретоковой составляющей, по при этом процесс формирования высокосовершенной текстуры (100) [001] при вторичной рекристаллизации является неустойчивым.

Обезуглероживающе-рекристаллизационный отжиг

Термическая обработка в агрегате непрерывного отжига (АНО) с проходной печью общей длиной 260 м включает в себя обезуглероживающий отжиг (камера обезуглероживающего отжига длиной 160 м) и высокотемпературный рекристаллизационный отжиг при температуре не более 1050о С (камера рекристаллизации 25 м).