Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проект термического отделения для непрерывного обезуглероживающего и рекристаллизационного отжига изотропной электротехнической стали четвертой группы легирования. Годовая программа 130 тысяч тонн



ОГЛАВЛЕНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. Общая часть
• 1.1 Патентная проработка
• 1.2 Обоснование строительства отделения
• 2. Технологическая часть
• 2.1 Выбор марок стали
• 2.2 Влияние легирующих элементов на свойства изотропной электротехнической стали
• 2.3 Влияние примесей на свойства изотропной электротехнической стали
• 2.4 Свойства изотропной электротехнической стали
• 2.5 Обезуглероживание и рекристаллизация
• 2.6 Технологический процесс
• 2.6.1 Принцип функционирования агрегата термической обработки
• 2.6.2 Технико-экономическое обоснование выбранной технологии
• 3. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
• 4. Расчет оборудования и проектирование отделения
• 4.1 Технико-экономическое обоснование выбора основного, дополнительного и вспомогательного оборудования
• 4.2 Тепловой расчет термоагрегата
• 4.2.1 Камера нагрева №1
• 4.2.2 Камера нагрева №2
• 4.2.3 Камера выдержки №1
• 4.2.4 Камера выдержки №2
• 4.3 Расчет количества оборудования
• 4.4 Расчет электрических нагревательных элементов
• 4.5 Расчет производственных площадей, планировка, грузопотоки
• 5. Контроль качества продукции
• 5.1 Контроль качества электротехнической изотропной стали на переделах
• 5.1.1 Горячекатаный подкат
• 5.1.2 Холоднокатаный подкат
• 5.1.3 Контроль процесса обезуглероживания
• 5.2 Аттестация готовой продукции
• 5.2.1 Методика определения магнитных свойств
• 6. Механизация и автоматизация
• 6.1 Механизация
• 6.2 Автоматизированная система управления производством
• 7. Экономическая часть
• 7.1 Расчет капитальных вложений по группам основных фондов
• 7.1.1 Капитальные затраты на возведение зданий
• 7.1.2 Затраты на возведение сооружений
• 6.1.3 Капитальные затраты на силовые машины и силовое оборудование
• 7.1.4 Капитальные затраты на рабочее оборудование
• 7.1.5 Расчет капитальных вложений в нормируемые оборотные средства
• 7.1.6 Энергетика отделения
• 7.3 Штаты термического отделения, фонд заработанной платы и фонд материального поощрения
• 7.3.1 Баланс использования рабочего времени
• 7.3.2 Расчет фонда заработанной платы
• 7.4 Калькуляция себестоимости термической обработки
• 7.5 Определение экономического эффекта
• 8. Охрана труда и промышленная безопасность
• 8.1 Характеристика вредных производственных факторов в термическом отделении
• 8.1.1 Микроклимат производственных помещений
• 8.1.2 Выделение вредных веществ и пыли
• 8.1.3 Шум
• 8.1.4 Вибрация
• 8.1.5 Ионизирующее излучение
• 8.1.6 Электробезопасность
• 8.1.7 Электромагнитное поле
• 8.1.8 Крановый и железнодорожный транспорт
• 8.1.9 Опасность пожара
• 8.1.10 Опасность взрыва
• 8.2 Расчет искусственного освещения
• Библиографический список



ВВЕДЕНИЕ

Электротехнические стали являются наиболее значительной по потреблению в электромашиностроении и трансформаторостроении группой магнитно-мягких материалов. Изотропная электротехническая сталь применяется 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 потребность в изотропной электротехнической стали будет постоянно повышаться.

В докладах на научно-технических конференциях показано, что разработки в области электротехнической стали с неориентированным зерном в настоящее время сосредоточены главным образом на уменьшении магнитных потерь за счет применения тонкой ленты, усовершенствовании технологии разливки полосы, горячей прокатки, отжига и использования новых типов электроизоляционных покрытий. Обращается внимание на возникновение потенциальных магнитных потерь при последующей штамповке, сварке, прессовании.

В процессе обработки на агрегате непрерывного действия рулоны, ленты разматывают и протягивают через печь по опорным роликам. При этом обеспечивается однородность свойств металла, все процессы протекают с большой скоростью, высокая степень механизации и автоматизации, что приводит к увеличению производительности труда и уменьшению цены изделия. Внедрение непрерывных линий позволяет механизировать и автоматизировать процессы, в результате чего достигается высокая производительность труда.



1. Общая часть

1.1 Патентная проработка

Таблица 1

Патенты на изотропную электротехническую сталь

Авторы патента	Страна, год, номер заявки, класс	Краткое содержание и основные положения статьи
1	2	3
Кондратков Д.А. Чеглов А.Е. Заверюха А.А.	Россия, 2004-2005, №2262540, Кл. C21D8/12	Известно, что электротехническая сталь с фосфором обладает лучшим комплексом свойств. Однако при содержании фосфора > 0,03-0,05% выделяется мелкодисперсная фаза, которая является причиной недостаточного улучшения свойств при описанном выше способе производства. Фаза формируется при конечном обезуглероживающе-рекристаллизационном отжиге. Используемые режимы охлаждения не могут обеспечить коалисценции и растворения фазы, т. к. скорость охлаждения выше требуемой. В патенте предложено проведение после отжига в проходной печи дополнительной операции - отжига в колпаковой печи. После отжига при 850°С величина уменьшилась на 18,7%. При этом значение магнитной индукции увеличиваются на 0,01 Тл, а анизотропия удельных потерь и магнитной индукции уменьшается.
Миндлин Б.И. Чеглов А.Е. Барыбин В.А.	Россия, 2005, №2288282, Кл. C21D8/12	В патенте изложен способ улучшения магнитных свойств путем при производстве изотропной электротехнической стали различных групп легирования кремнием и фосфором. Состоит в следующем: холодная прокатка с последующем рекристаллизационным отжигом, при этом содержание фосфора в стали устанавливают равным, масс. %: 0,15-0,30; 0,15-0,20; 0,09-0,15 при суммарном содержании кремния и фосфора 0,40; (0,40-1,30); (1,30-2,0); (2,0-2,6) соответственно и содержании алюминия до 0,50 %, а температуру рекристаллизационного отжига задают в соответствии с условием при и при . Предложенные концентрации фосфора способствуют формированию равноосной микроструктуры сталей и обеспечивают увеличение доли кубических ориентировок {200}{310} в текстуре полуготовых и готовых полос до 50% после рекристаллизационного отжига. Это позволяет получить высокий уровень магнитных свойств. Кроме того, введение в сталь фосфора способствует рафинированию металла т. к. он, обладая большим сродством к кислороду, забирает его на себя и очищает от этой вредной примеси.
Кондратков Д.А. Чеглов А. Е. Слюсарь Н.И. Заверюха А.А.	Россия, 2004-2006, №2270262, Кл. C21D8/12	В патенте изложен способ производства изотропной электротехнической стали с повышенным содержанием фосфора, исключающий одну технологическую операцию - обезуглероживающий отжиг. Способ производства состоит в следующем: выплавка, горячая и холодная прокатки и отжиг и отличается тем, что после выплавки сталь содержит не более 0,01% С и 0,05-0,40% Р, а после холодной прокатки проводят отжиг в колпаковой печи в сухой атмосфере. Это позволяет избежать образования зоны внутреннего окисления, которая приводит к повышению удельных потерь и снижению магнитной индукции.
Чеглов А.Е., Слюсарь Н.И., Заверюха А.А.	Россия, 2004-2006, №2271255, Кл. В21В1/28	В патенте изложен способ улучшения магнитных свойств путем при производстве изотропной электротехнической стали. Способ включает многопроходное обжатие горячекатаной полосы в валках с подачей технологической смазки в очаг деформации при суммарной степени деформации 75-80%. При такой суммарной степени деформации предлагается натяжение полосы между первой и второй клетями поддерживать на уровне 26-30 т при ширине полосы 1000-1200 мм, а между последующими клетями не более 10 т. Изобретение обеспечивает уменьшение количества зерен с ориентировкой {111}<uvw> на 4-6% и соответственно уменьшить удельные потери на 4-6% и несколько повысить магнитную индукцию.
Чеглов А.Е. Миндлин Б.И. Барыбин В.А.	Россия, 2004-2006, №2278171, Кл. C21D8/12	В патенте изложен способ улучшения магнитных свойств путем снижения удельных магнитных потерь за счет получения особо низких концентраций углерода в готовой стали. Этот результат достигают проведением отжига в азотоводородной защитной атмосфере при Т=780-1100°С, при этом содержание водорода в атмосфере устанавливают в зависимости от содержания углерода до отжига и толщины холоднокатаных полос в соответствии с соотношением: , где - содержание водорода в азотоводородной атмосфере при обезуглероживающем отжиге, %; и - экспериментально определенные коэффициенты: =17,5%; - при мм; - толщина холоднокатаных полос, мм; С - содержание углерода до обезуглероживающего отжига, %. Сталь содержит масс. %: 0,0055-0,06 углерода; не более 3,2 кремния; не более 1 алюминия; не более 1,5 марганца; не более 0,40 фосфора.

1.2 Обоснование строительства отделения

Рекристаллизационный отжиг является составной частью длинной цепи технологических переделов электротехнической стали, поэтому строительство термического отделения для отжига целесообразно осуществлять в системе цеха, проводящего полный цикл обработки электротехнической стали; обеспечивает правильное расположение цехов, участков, источников снабжения водой, газом, а также удовлетворяет основному техническому решению, проектированию цеха, и основным технико-экономическим показателям.



2. Технологическая часть

2.1 Выбор марок стали

Для снижения магнитных потерь сталь легируют кремнием или кремнием и алюминием и другими элементами (Al до 0,5%). В зависимости от содержания основного легирующего элемента - кремния, стали подразделяются на пять групп (ГОСТ 21427.2-83).

Таблица 1

Типы электротехнических сталей

№ группы	Группы легирования	Si, % (масс.)	Марки стали
0	Нелегированная	<0,5	2011, 2012, 2013
1	Низколегированная	0,5-0,8	2111, 2112
2	Слаболегированная	0,8-2,1	2211, 2212, 2213, 2214, 2215, 2216
3	Среднелегированная	1,8-2,8	2312, 2311
4	Повышеннолегированная	2,8-3,8	2411, 2412, 2413, 2414, 2421

К четвертой группе легирования принадлежат стали с содержанием кремния от 2,8 до 3,8% (масс.). [3]

Химический состав стали приведен в таблице 2.

Таблица 2

Химический состав изотропной электротехнической стали (содержание углерода приведено до проведения обезуглероживающего отжига)

Марка стали

Химический состав, %

С

Si

Mn

Al

P

S

Cr

Ni

Cu

Ti

N2

не более

0403 П

0,03-0,05

2,8-3,1

0,15-0,4

0,3-0,55

н.б. 0,03

0,005

0,1

0,15

0,2

0,02

0,01

Отличительные особенности сталей 4 группы легирования

Во-первых, содержание кремния в сталях 4 группы легирования 2,8-3,8%. Чем ниже требуемые удельные магнитные потери, т.е. чем выше содержание кремния в стали, тем сложнее технология ее производства. В результате лучшие марки высоколегированной стали 4 группы легирования в 2,2-3,0 раза дороже, чем низкокремнистые 1 группы. Также технологическая особенность заключается в более высокой температуре рекристаллизационного отжига (1050°С).

Следующее отличие заключается в области применения. Типичные области применения электротехнической изотропной стали представлены в таблице 3.

Таблица 3

Типичные области применения изотропной электротехнической стали

Виды электромашин	Группы легирования Si и Al
	0	1	2	3	4
Вращающие магнитопроводы: Двигатели и генераторы повышенной и высокой частоты Крупные гидро- и урбогенераторы, двигатели мощностью 400-1000 кВт Асинхронные двигатели мощностью, кВт: 50-400 10-50 3,75-10 0,75-3,75 До 0,75 Тяговые крановые двигатели, генераторы малой мощности Двигатели холодильников и кондиционеров Двигатели бытовой техники	- - - - + + + - -+	- - - + + + + + ++	- - + + + - - + +-	- - + + - - - - --	+ + + - - - - - --

Примечание. Знаком «+» отмечена область применения

В последнее время в группе высоколегированных изотропных электротехнических сталей достигнуто значительное улучшение магнитных свойств: в стали высших марок с 3,5% и более Si и Al получают магнитные потери , составляющие 2,3-2,5 и 2,1-2,3 Вт/кг при 0,50 и 0,35 мм соответственно. Изотропная электротехническая сталь с такими высокими магнитными свойствами используется для изготовления самых крупных электродвигателей и генераторов, а также средних трансформаторов с шихтованным из пластин сердечников взамен применявшейся для этого анизотропной стали. В результате такой замены достигается улучшение характеристик машин при снижении их стоимости, так как изотропная электротехническая сталь даже высших марок, существенно дешевле заменяемой анизотропной стали.[2]

2.2 Влияние легирующих элементов на свойства изотропной электротехнической стали

Добавки кремния, фосфора, алюминия и марганца необходимы в основном для повышения удельного электросопротивления материала. Благодаря этому можно существенно снизить потери на вихревые токи и, как следствие, общие удельные потери. Одновременно эти же элементы влияют на другие характеристики, такие как размер зерна, текстура, чистота, что в свою очередь сказывается на магнитных свойствах. [2]

В отношении удельного электросопротивления фосфор является наиболее полезным по сравнению с другими перечисленными элементами. [2]

Кремний

Легирование электротехнической стали кремнием производится обычно с целью улучшения ее магнитных и электрических свойств за счет увеличения удельного электросопротивления. При изменении содержания кремния от 1,0 до 4,0% удельное электросопротивление сплава возрастает в 2,5 раза, что существенно уменьшает потери на вихревые токи. Увеличение содержания кремния приводит также к резкому снижению температурного коэффициента электрического сопротивления. Это обеспечивает в стали с повышенным содержанием кремния незначительную температурную зависимость потерь на вихревые токи. Кремний ограничивает -область на диаграмме состояния Fe-Si (рис. 1) уже при содержании 2,0-2,5% и стабилизирует -твердый раствор. Это создает возможность нагрева стали до высоких температур без фазовой перекристаллизации. [2]

Рис. 1. Диаграмма влияния содержания углерода на положение фазовых областей , , для сплавов железо-кремний [2]

Кремний повышает магнитную проницаемость в слабых полях, уменьшает коэрцитивную силу, постоянные магнитной анизотропии и магнитострикции, а также потери на гистерезис и вихревые токи. Кремний уменьшает растворимость углерода и азота в стали и снижает склонность ее к магнитному старению. Кроме того, кремний способствует росту зерна в процессе отжига. Влияние кремния на удельное электросопротивление и магнитные свойства стали представлено на рис. 2.

Отрицательное воздействие кремния проявляется в снижении величины магнитной индукции насыщения (рис. 2). Кроме того, кремний значительно уменьшает пластичность стали при содержании более 2,5%, а также увеличивает ее твердость и хрупкость. Предел текучести и временное сопротивление стали возрастают с повышением содержания кремния до 4,5% и затем резко убывают. Содержание кремния в изотропной электротехнической стали, получаемой обычными способами, не превышает 3,5%. [2]



Рис. 2. Влияние Si на магнитные и электрические свойства Fe-Si сплавов:

1- температура Кюри;

2- индукция насыщения;

3- постоянная магнитной анизотропии;

4- удельное электросопротивление;

5- постоянная магнитострикции насыщения [2]

Алюминий

Механизм действия алюминия, как легирующего элемента, аналогичен механизму действия кремния - повышение электрического сопротивления стали, сужение области -фазы, уменьшение магнитной индукции насыщения. Сталь становится ферритной при 1% Al. Кроме того, общеизвестна роль алюминия как одного из основных раскислителей жидкой стали в повышении чистоты выплавляемой стали за счет связывания кислорода и азота во включения крупных размеров, легко удаляемые в процессе внепечной обработки жидкого металла. Повышение содержания алюминия в кремнистой стали способствует росту зерен в процессе рекристаллизационного отжига обезуглероженных полос, уменьшению склонности стали к старению благодаря связыванию азота в прочные нитриды. [1]

При высоком содержании алюминия ускоряется образование нитридов алюминия и их выделение при высоких температурах (-фаза). Благодаря этому образуются относительно крупные включения нитридов алюминия (0,5-0,7 мкм), которые менее вредны. При низком содержании алюминия образование нитридов происходит при относительно низких температурах (-фаза), и выделения имеют критический размер частиц. При быстром охлаждении металла часть азота может остаться в твердом растворе и при последующей термообработке выделиться в виде мелкодисперсных нитридов. Интервал содержания алюминия, при котором выделяются мелкодисперсные включения нитридов алюминия, равен 0,01-0,1%. Также при низких содержаниях алюминия (около 0,015%) возможно образование газовых пузырей при кристаллизации стали с 3% Si, если содержание азота в металле превышает 0,010%. Поэтому оптимальным для изотропной электротехнической стали считается содержание алюминия в пределах 0,20-0,60%.[2]

Кремний и алюминий - ферритообразующие элементы, поэтому при достижении максимально возможных концентраций этих элементов необходимо принимать во внимание содержание аустенитообразующих элементов - углерода и марганца. Горячую прокатку электротехнической стали легированной кремнием и алюминием, осуществляют в двухфазном состоянии. Наиболее «опасным» является возникновение в структуре горячекатаных полос соотношения (60-50% -фазы + 40-50% -фазы), которая приводит к повышенной хрупкости подката. В связи с этим, соотношение содержания ферритообразующих элементов: кремния, алюминия и аустенитообразующих элементов: углерода, марганца выбирают таким, чтобы сдвинуть двухфазное состояния от наиболее «опасного» соотношения фаз: и в сторону преобладания ферритной составляющей. [2]

Алюминий ухудшает технологичность стали при горячей и холодной прокатках. Уже при 0,08% Al наблюдается образование большого количества рванин на кромках горячекатаных полос. Повышение концентрации Al ухудшает также качество поверхности холоднокатаных полос. [1]

Фосфор

В последнее время в мировой практике производства изотропной электротехнической стали с успехом применяется легирование фосфором.

Добавки фосфора используются и при производстве изотропной электротехнической стали с высокой магнитной индукцией ~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 надежности, что можно уверенно предотвратить получение концентраций фосфора, неблагоприятных для определенного типа сталей. [2]

Влияние фосфора на механические свойства

Фосфор увеличивает прочность железа и стали в большей степени, чем кремний, марганец, молибден, хром, ванадий и некоторые другие элементы. Фосфор повышает модуль сдвига G, характеризующий жесткость материала при упругой деформации сдвига, что является благоприятным условием при штамповке пластин магнитопроводов. Легирование фосфором увеличивает предел текучести и отношение предела текучести к временному сопротивлению , что также улучшает показатель штампуемости стали. Влияние фосфора на механические свойства показаны на рис. 3. [2]



Рис. 3. Зависимость предела текучести , временного сопротивления , отношения и твердости от содержания кремния в стали (толщина 0,5 мм) при содержании фосфора:

1-0,008-0,01%;

2-0,054-0,10% [2]

Влияние фосфора на пластичность стали

Увеличивая прочность и твердость, фосфор снижает пластичность стали. Если сера, например, влияет на пластичность за счет загрязнения металла сульфидной фазой, значительно отличающейся по свойствам от металлической матрицы, то фосфор оказывает влияние путем изменения свойств самой металлической матрицы. Согласно исследованиям сплавы, содержащие до 0,5% Р (масс.), легко поддаются холодной прокатке. Однако уже при содержании фосфора 0,65% прокатка крайне затруднительна, так как при содержании фосфора более 0,5% резко уменьшается относительное удлинение и при 0,7% Р оно становится практически равным нулю. Снижение пластичности стали при добавках фосфора возрастает под действием третьих элементов, особенно углерода и марганца, которые вытесняют фосфор из раствора на границы зерен, что существенно ослабляет межкристаллизационные связи и снижает пластичность и вязкость. [2]

Влияние фосфора на магнитные свойства

Установлено, что легирование фосфором значительно улучшает магнитные свойства изотропной электротехнической стали.

Фосфор, образующий с железом твердый раствор замещения, интенсивнее повышает электросопротивление стали, чем кремний, алюминий и марганец, что оказывает положительное влияние на уменьшение вихревой составляющей удельных магнитных потерь. Удельное электросопротивление чистого железа составляет 0,1 ОмЧмм²/м, нелегированной электротехнической стали с добавлением кремния (0,3-0,5%) и марганца (до 0,3%) -0,12-0,14 ОмЧмм²/м, при легировании стали фосфором до 0,33% удельное электросопротивление возрастает до 0,22 ОмЧмм²/м, т.е. в ~1,5 раза. Увеличение массовой доли фосфора до 0,60% приводит к линейному росту удельного электрического сопротивления.

Фосфор, так же как и кремний суживает -область, повышает критическую точку , но действие его значительно сильнее, чем кремния. Уменьшение -области способствует увеличению размера зерна, и снижению потерь на гистерезис . При этом не увеличиваются потери на вихревые токи , так как с повышением содержания фосфора преобладающее влияние на величинуоказывает увеличение удельного электросопротивления ().

На основе результатов микроструктурных исследований показано, что легирование стали фосфором до ~0,33% не приводит к образованию фосфидов (неметаллических включений), твердый 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, коэффициент старения, увеличивает магнитную индукцию, величину зерна после рекристаллизационного отжига, магнитную проницаемость. Добавки фосфора способствуют увеличению доли кубической составляющей текстуры готовой стали. 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. 4.

Рис. 4. Зависимость среднего размера зерна, полюсной плотности кубических ориентировок (100)[0vw] + (310)[ 0vw] и удельных магнитных потерь готовой стали от содержания фосфора (2,98-3,01% Si) [2]

Из рис. 4 следует, что с увеличением содержания фосфора в стали от 0,013 до 0,071% увеличивается полюсная плотность кубических ориентировок (100)[0vw] + (310)[0 vw] 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.

Положительное влияние фосфора связывают и с его рафинирующим действием. Обладая большим сродством к кислороду, фосфор способствует очистке стали от вредных примесей (А1₂О₃; SiO₂; TiO₂ и др.), ухудшающих магнитные свойства. Фосфор существенно снижает окисление стали при высокотемпературном нагреве. 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. [2]

2.3 Влияние примесей на свойства изотропной электротехнической стали

Углерод является сильным аустенитообразующим элементом, расширяющим область существования аустенита и одной из наиболее вредных примесей в электротехнической стали. Наиболее неблагоприятное влияние на магнитные свойства металла оказывает выделение углерода в форме структурно свободных карбидов, расположенных внутри зерен феррита или по границам зерен. Углерод способствует измельчению зерна. При увеличении углерода более 0,04% магнитные свойства стали ухудшаются - возрастают удельные потери, значение магнитной индукции ниже допустимого уровня.

Выплавлять электротехническую сталь следует с возможно низким содержанием углерода, но снижение его в стали до 0,03-0,02% сопровождается интенсивным насыщением ее кислородом и азотом.

Азот оказывает более вредное действие на магнитные свойства электротехнической стали, чем углерод. Ухудшение Н_c и P происходит благодаря образованию мелкодисперсных нитридов и карбидов.

В процессе выплавки медь и никель переходят в раствор, так как они окисляются слабее железа. Увеличение содержания меди до 0,5% (масс.) приводит к снижению технологичности, обработки стали при прокатке и к возникновению поверхностных трещин.

При небольших присадках никеля улучшаются пластические свойства стали при горячей и холодной прокатке. Влияние никеля и меди на магнитные свойства стали при концентрации Ni=0,15% и Cu=0,20% (масс.) не более изменения очень незначительны.

Титан используют как модификатор. Он является сильным нитридообразующим элементом. Титан оказывает вредное влияние на свойства стали, так как он образует мелкие включения - нитриды и окислы, препятствующие развитию процессов рекристаллизации в стали.

Хром существенно ухудшает магнитные свойства металла, что объясняется образованием в стали устойчивых карбидов из-за большего сродства его к углероду, чем к железу. Концентрация хрома в стали не должна превышать 0,1% (масс.).

Проведенные на НЛМК анализ морфологии дисперсных неметаллических фаз, выполненный с помощью просвечивающего электронного микроскопа, показал, что основную долю включений в горячекатаном подкате изотропной электротехнической стали составляют нитриды прямоугольной и неправильной формы. [2]

Дисперсные включения размерами в диапазоне 0,1-1,0 мкм, т. е. включения размеров, соизмеримых с толщиной границ доменов, оказывают наибольшее негативное влияние, способствуют росту потерь на гистерезис.

Включения оксидов кремния и алюминия, образующиеся при внутреннем окислении в процессе термической обработки, способствуют значительному ухудшению магнитных свойств стали. [2]

Влияние примесей на коэрцитивную силу и потери на гистерезис показано на рис. 5 и рис. 6.



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

Рис. 6. Влияние различных загрязнений на гистерезисные потери железокремнистого сплава с 4 % Si при В=1,0 Тл [2]

2.4 Свойства изотропной электротехнической стали

По условиям работы электротехнических (магнитомягких) сталей требуется высокая магнитная проницаемость (=B/H) и малые потери энергии при перемагничивании. Потери энергии при перемагничивании зависят от площади петли гистерезиса, то есть от остаточной индукции и коэрцитивной силы. Для уменьшения площади петли гистерезиса при высокой магнитной индукции должна быть получена очень маленькая коэрцитивная сила. Потери на вихревые токи тем меньше, чем выше электрическое удельное сопротивление .

Наиболее простым магнитомягким материалом является очень чистое железо. Но удельное электрическое сопротивление его мало, поэтому оно может применяться там, где удельное сопротивление роли не играет. Кроме того, железо подвержено магнитному старению. Поэтому для изотропной стали необходимо легирование железа элементами, повышающими удельное электросопротивление. Уровень магнитных свойств электротехнических сталей в значительной степени зависит от способа их изготовления, содержания, хранения, толщины листов, лент, характера структуры и текстуры металла. [5]

Магнитные и механические свойства стали

Изотропная электротехническая готовая сталь согласно ГОСТ 21427.2-83 нормируется по трем основным магнитным характеристикам: удельным магнитным потерям ; магнитной индукции и анизотропии удельных магнитных потерь . Анизотропия магнитной индукции при напряженности магнитного поля 2500 А/м должна находиться в пределах 0,13?0,16 Тл.

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 зерен, величины неметаллических включений и содержания металлических примесей). Величина потерь на вихревые токи в первую очередь определяется удельным электросопротивлением и толщиной стального листа. Кроме того, удельные потери прямо пропорциональны квадрату частоты переменного тока, что нужно учитывать при использовании изотропных сталей в высокочастотной технике. Удельные магнитные потери - определяются потерями энергии в 1 кг намагниченного переменным током сердечника; измеряются в ваттах на килограмм (Вт/кг). Их можно приблизительно рассчитать по формуле:

где - толщина листа;

- максимальная величина магнитной индукции;

- частота тока;

- удельное электросопротивление.

Магнитная индукция создает магнитный поток, возникающий в сердечнике машины или установки под действием магнитного поля. С увеличением напряженности магнитного поля индукция возрастает до величины, которая соответствует магнитному насыщению металла. Изменение индукции зависит от многих структурных параметров и химического состава металла и является его важнейшим свойством.[2]

Малотекстурованная сталь характеризуется одинаковыми магнитными свойствами во всех направлениях одновременно с достаточно высоким абсолютным уровнем свойств. Магнитная анизотропия весьма нежелательна. Она вызывает дополнительные потери, 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 удается устранить магнитную анизотропию.

Согласно стандарту ГОСТ 21427.2-83, магнитная анизотропия удельных потерь для разных марок стали и толщин нормируется в пределах 6?17%. Следует отметить, что чем ниже удельные магнитные потери, тем выше магнитная анизотропия. Анизотропия магнитных потерь () рассчитывается по формуле

где и ? удельные магнитные потери (Вт/кг) вдоль и поперек прокатки соответственно.[2]

Сталь с >3% Si при высокотемпературном отжиге склонна к вторичной рекристаллизации, сопровождающейся образованием сильной ребровой текстуры. Подавить кристаллографическую текстуру (110)[0vw] в процессе технологической обработки электротехнической стали, т. е. уменьшить магнитную анизотропию, можно тремя способами. Один из них основан на использовании фазового превращения для подавления вторичной рекристаллизации, способствующей образования текстуры. Образование текстуры можно устранить подбором соответствующей температуры отжига, которая должна быть ниже температуры вторичной рекристаллизации, или удалением из стали таких примесных элементов, как азот или сера, способствующих вторичной рекристаллизации стали с образованием ребровой текстуры. В качестве третьего способа снижения магнитной анизотропии иногда используют деформацию с критической степенью обжатия (2?10%). Подавление вторичной рекристаллизации достигается путем применения больших деформаций (>85%) при холодной прокатке. Этот способ позволяет не только уменьшить магнитную анизотропию, но и приводит к увеличению кубической составляющей текстуры (110)[0vw]. [2]

Для исключения ухудшения электромагнитных параметров машин при их длительной эксплуатации необходимо, чтобы используемые магнитные материалы не были подвержены старению. Это означает, что магнитные свойства стали не должны ухудшаться или должны изменяться незначительно при искусственном старении при 120є С в течение 120 ч или при 240є С в течение 24 ч. Поэтому в стандартах на изотропную сталь нормируются максимально допустимые коэффициенты старения (ГОСТ 21427.2?83) или гарантированные магнитные свойства после старения (EN 10106). Коэффициент старения () вычисляют по формуле

где и - удельные потери до и после старения, Вт/кг.

Кроме определенного уровня магнитных свойств, листы и ленты изотропной электротехнической стали должны удовлетворять ряду других требований: механическим и технологическим свойствам, заданным размерам и допускам по размерам, форме. Механические свойства стали должны обеспечивать прежде всего штампуемость без образования заусенцев и стабильность формы и размеров. Пластины магнитопроводов должны иметь высокую механическую изотропность. ГОСТ 21427.2?83 нормирует временное сопротивление (), относительное удлинение (), твердость () и число гибов (перегибов).

Для снижения доли потерь на вихревые токи в готовом изделии необходимо электрически изолировать пластины одну от другой. Толщина покрытия существенно влияет на коэффициент заполнения: чем больше толщина покрытия, тем коэффициент заполнения меньше, тем хуже характеристики магнитопровода. Лучшие изотропные электротехнические стали с покрытием имеют коэффициент заполнения, равный 0,97?0,98.[2]



2.5 Обезуглероживание и рекристаллизация

Термическая обработка в агрегате непрерывного отжига (АНО) с проходной печью общей длиной 260 м включает в себя обезуглероживающий отжиг и высокотемпературный рекристаллизационный отжиг при температуре не более 1050^оС. [3]

Основное назначение отжига - снижение содержания углерода, удаление вредных примесей, снятие наклепа, получаемого при прокатке и проведение рекристаллизации. Для повышения чистоты границ зерен сплава, улучшения условий выгорания углерода применяют отжиг в обезуглероживающих атмосферах (диссоциированном аммиаке). [5]

Обезуглероживание осуществляется, как правило, после прокатки на конечную толщину. При этом массовая доля углерода должна быть уменьшена до уровня, исключающего выделении дисперсных карбидов в процессе эксплуатации магнитопроводов при температурах около 100є С, которое приводит к ухудшению магнитных свойств. Для кремнистой стали этот уровень не должен превышать 0,002% С. [2]

Обезуглероживание проводят в проходных термических агрегатах в условиях прямого доступа увлажненной азотоводородной газовой смеси к обеим поверхностям полосы, нагретой до 800-860^оС.

Механизм обезуглероживания состоит из двух процессов - химической реакции

H₂O+C_ме > CO^+H₂^

на поверхности без образования метана и диффузии углерода внутри стали к поверхности.

В присутствии на поверхности металла оксидов, адсорбированного кислорода или следов влаги метан практически не образуется. Обезуглероживание стали диффундирующим в нее водородом идет только при наличии межкристаллитных трещин. Это вызвано тем, что диффузия метана и водорода невозможна через зерна и по границам зерен даже при больших давлениях газов. Обезуглероживание водородом определяется не скоростями реакций, а структурой стали, наличием трещин и скоростью удаления через них метана. С повышением температуры металла, когда увеличивается скорость диффузии углерода и реакции смещаются в сторону, противоположную направлению реакции с образованием метана, когда с увеличением пластичности металла образование межкристаллитных трещин крайне затруднено, обезуглероживание стали диффундирующим в нее водородом практически исключается. Этот вывод в первую очередь относится к процессу обезуглероживания кремнистых сталей в агрегатах непрерывного отжига. [2]

Скорость процесса обезуглероживания кремнистой стали зависит от многих факторов:

химического состава стали;

начального содержания углерода;

скорости диффузии углерода и легирующих элементов;

содержания водяного пара и водорода в газовой среде печного пространства;

температуры обезуглероживающего отжига;

скорости нагрева ленты;

времени обезуглероживания;

количества и давления газовой смеси в печном пространстве;

состояния поверхности обезуглероживаемой полосы;

толщины ленты;

конструктивных особенностей печи.

Все эти факторы действуют одновременно, но определяющими из них являются: диффузия углерода в металле, температура обезуглероживания, содержания влаги и водорода в защитном газе, время пребывания ленты в зонах обезуглероживания и химический состав стали. [2]

Углерод с железом образует растворы внедрения. Растворимость углерода в феррите значительно меньше, чем в аустените. Это обусловлено тем, что в реальной решетке железа имеются дефекты, особенно многочисленные по границам зерен. В б-железе углерод преимущественно диффундирует по границам зерен. В аустените углерод диффундирует как по границам зерен, так и через сами зерна. Диффузия углерода в феррите и аустените с повышением температуры увеличивается, но при любой температуре в феррите она более чем на порядок выше, чем в аустените, поэтому при термообработке стали необходимо стремится к максимальному проведению обезуглероживания в -области. Следует отметить, что легирующие элементы существенно влияют на скорость диффузии атомов углерода. К элементам, повышающим диффузию углерода, относятся фосфор, кобальт, никель, медь. Кремний при температуре выше 1050є С несколько замедляет, а ниже этой температуры ускоряет диффузию углерода. Карбидообразующие элементы - марганец, хром, молибден, вольфрам препятствуют его диффузии. Диффузия снижается и при легировании его алюминием. [2]

Время обезуглероживания при обезуглероживающем (Т=800є С) и рекристаллизационном (Т=910-1050є С) отжигах для проходных печей НЛМК зависит от содержания углерода перед обезуглероживанием:

исходное содержание углерода, %...............0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

время обезуглероживания, с………………..270 300 325 350 370

С увеличением температуры отжига увеличивается степень обезуглероживания и соответственно, снижается время обезуглероживания.

В результате проведенных исследований была установлена зависимость температуры обезуглероживания от суммарного содержания кремния и алюминия в стали (рис. 7).

Рис. 7. Зависимость температуры обезуглероживающего отжига от содержания кремния и алюминия в изотропной электротехнической стали толщиной 0,50 мм. [2]

Рекристаллизационный отжиг является технологической операцией, в процессе которой формируются кристаллографическая и доменная структуры, а также кристаллическая текстура, определяющие магнитные и механические свойства стали. Рекристаллизационный отжиг проводится в сухой или в слабоувлажненной азотоводородной атмосфере и является заключительной стадией термообработки изотропной электротехнической полностью обработанной стали. [2]

Основными параметрами, характеризующими рекристаллизационный отжиг и влияющими на качество изотропной электротехнической стали, являются: максимальная температура и продолжительность выдержки при этой температуре, скорость нагрева и охлаждения.

Температура заключительного отжига () выбирается главным образом для обеспечения роста оптимального размера зерна (), определяющего требуемые магнитные свойства. Выбор зависит от химического состава стали и в первую очередь от содержания легирующих элементов или добавок (Si, Al, P, Mn, Ni, Sn и т.д.), а также от требуемых магнитных и механических свойств. [2]

Для изотропгой электротехнической стали с разным содержанием кремния (0,01-3,0%) оптимальный размер зерна, обеспечивающий минимальные удельные магнитные потери близок к 150 мкм. Т. е. увеличение температуры отжига, которое приводит к росту зерна, может дать снижение удельных магнитных потерь. [2]

На практике доказано, что повышение содержания кремния в стали замедляет процесс рекристаллизации и требует повышения температуры заключительного отжига для получения оптимального размера зерна. [2]

Кроме того, с увеличением содержания кремния уменьшаются магнитная индукция и кубическая составляющая текстуры в готовой стали. Алюминий ускоряет процесс собирательной рекристаллизации в печах непрерывного отжига при кратковременных выдержках и способствует росту зерна. Однако алюминий также уменьшает магнитную индукцию. На основе исследовательских данных была установлена зависимость

где 845 и 65 - размерные коэффициенты,

Si и Al - содержание в стали кремния и алюминия.

В последнее время в процессе выплавки изотропной электротехнической стали применяется легирование фосфором. Фосфор имеет более высокую электропроводность, чем кремний, он повышает индукцию и проницаемость, кубическую составляющую текстуры, размер зерна, твёрдость, предел текучести и отношение у_т/у_в и уменьшает удельные магнитные потери, поэтому было получено соотношение, учитывающее влияние фосфора

где Si, P - содержание в стали кремния и фосфора.

Из соотношения видно, с увеличением содержания в стали кремния _. увеличивается, а с увеличением содержания фосфора - уменьшается.

Легирование стали фосфором и выбор температуры заключительного отжига по этому соотношению позволили для отдельного сортамента исключить из технологического процесса энергоёмкую операцию - нормализационный отжиг.

Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи в пакетах магнитопроводов, на поверхность металла наносят электроизоляционное покрытие (оксидные плёнки, органические лаки и краски, неорганические фосфато-магнивые покрытия). [2]

2.6 Технологический процесс

Технология производства изотропной электротехнической стали - сложный процесс в черной металлургии. В нем сочетаются процессы выплавки, разливки, пластической деформации (горячей и холодной) и термической обработки. На рис. 8 приведена схема, отражающая маршрутную технологию изготовления изотропной электротехнической стали.

Рис. 8. Маршрутная технология производства изотропной электротехнической стали

Выплавка производится в конвертерах вместимостью 160 тонн. При этом продувка кислородом должна быть осуществлена до минимального содержания углерода, без переокисления металла, а затем после раскисления проводят корректировку по содержанию углерода. Предпочтительным способом десульфурации является обработка синтетическим известково-глиноземистым шлаком. Процесс десульфурации обеспечивает содержание до 0,007% S, а также уменьшение до 0,010 , 0,007% (объемн.) содержания включений. [3]

Непрерывная разливка осуществляется на криволинейной установке непрерывной разливки стали. Защиту зеркала 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. [3]

Горячую прокатку слябов осуществляют на непрерывном широкополосном стане 2000 с производством горячекатаного подката (2,0-2,5)Ч(1080-1280) мм. Температуры нагрева слябов t_н=1160-1250 С, конца горячей прокатки t_кп=850-880 С, смотки горячекатаных полос в рулоны t_см=600-650 С для полос толщиной 2,5 и 2,2 мм соответственно.

Нормализация горячекатаных полос. Подготовленные горячекатаные рулоны подвергаются термической обработке в агрегате нормализации. Печь для нормализации состоит из камер нагрева, выдержки и охлаждения. Температура нагрева и выдержки до 850 С. Скорость прохождения полосы, в агрегате нормализации толщиной 2,2 мм и шириной 1 100 мм, составляет 12?25 м/сек. [3]

Холодная прокатка. В результате проведенных исследований установлены оптимальные пределы обжатий .Это обеспечивает достижение высокого уровня магнитных свойств и минимальной магнитной анизотропии. Прокатка производится на четырех клетьевом стане 1400 на конечную толщину 0,5 мм.

Термическая обработка в агрегате непрерывного отжига с проходной горизонтальной печью общей длиной 260 м включает в себя обезуглероживающий отжиг (камера обезуглероживания длиной 160 м) и высокотемпературный рекристаллизационный отжиг при (камера рекристаллизации длиной 25 м). [3]

Для предотвращения возникновения внутреннего окисления в процессе нагрева при отжиге полос изотропной стали проходные печи желательно оборудовать переходными тамбурами с целью исключения свободного перетока газа из камеры нагрева в камеру обезуглероживания и затем в камеру рекристаллизационного отжига. [3]

Термообработка проводится по базовым режимам. Термообработка без записи скорости транспортировки полосы не допускается. Скорость движения ленты в агрегате непрерывного отжига выбирается в зависимости от содержания углерода в стали. Время обезуглероживания или скорость движения ленты в агрегате выбрана с расчетом времени диффузии (табл. 4).

Таблица 4

Скорость движения полосы в агрегате непрерывного отжига

Содержание углерода в металле перед отжигом, %	Заданное конечное содержание углерода, %	Время обезуглероживания, с	Максимально допустимая скорость движения полосы, м/с
0,03	0,003	270	35,5
0,04	0,003	300	32,0
0,05	0,003	325	30,0
0,06	0,003	350	27,5

Нанесение электроизоляционных покрытий. Тип и марка лаков, применяемых для получения электроизоляционных покрытий, определяется в зависимости от требований потребителей к их техническим и экологическим характеристикам, указанных в контракте.

2.6.1 Принцип функционирования агрегата термической обработки

На рис. 8. показана схема агрегата непрерывного отжига и нанесения электроизоляционного покрытия.

Рис. 8. Схема агрегата непрерывного отжига и нанесения электроизоляционного покрытия

Обработке в линии агрегатов непрерывного отжига подвергаются холоднокатаные полосы после подготовки на агрегатах подготовки. Транспортный шов отдельных полос выполняют сваркой «внахлест».

Очистка полосы от технологических смазок в линии агрегата производится в следующей последовательности:

а) обезжиривание полосы;

б) промывка полосы в щеточно-моечной машине;

в) окончательная промывка полосы в промывочной ванне;

г) сушка полосы горячим воздухом.

Для обезжиривания полосы используется моющий раствор на основе средства моющего технического «Фоскон-203». Массовая концентрация общей щёлочи (по NaOH общ.) в рабочем обезжиривающем растворе должна быть 8,0?15,0 г/дм³. Приготовление обезжиривающего раствора осуществляется на участке приготовления химических растворов БХУ ПДС. Температура обезжиривающих растворов не должна быть менее 80°С. Замену обезжиривающих растворов производят при массовой концентрации механических примесей в растворах более 1,0 г/дм³. Пробу обезжиривающего раствора для контроля массовой концентрации механических примесей отбирает и доставляет в лабораторию УТК технологический персонал термического участка один раз в неделю. Дата замены обезжиривающих растворов фиксируется в технологическом журнале.

Промывка полосы в щеточно-моющей машине осуществляется с помощью капроновых щеток. Количество щеток не менее четырех. Температура промывной воды должна быть не менее 70°С.

Окончательная промывка осуществляется в промывочной ванне путем подачи на полосу сверху и снизу химочищенной воды.

После сушки на поверхности полосы не должно быть мокрых пятен.

Отбор проб обезжиривающего раствора осуществляется технологическим персоналом один раз в смену. Пробы для анализа доставляются технологическим персоналом в лабораторию.

Агрегат термической обработки можно условно разделить на три участка: входной, центральный и выходной.

Режим термической обработки изотропной электротехнической стали четвертой группы легирования показан на рис. 9.

Рис. 9. Режим термической обработки изотропной электротехнической стали четвертой группы легирования

Входной участок

Обвязанные рулоны с весом до 30 т устанавливаются мостовым краном на стеллажи, находящиеся с обеих сторон загрузочной тележки.

Рулон автоматически центрируется по высоте перед разматывателем и устанавливается загрузочной тележкой на барабан разматывателя (d=600 мм).

Затем тележка отводится в исходное положение. Барабан разматывателя расширяется, прижимной ролик опускается на рулон для поддерживания первого витка. Оператор обрезает обвязочную полосу ручными пневматическими ножницами.

Благодаря вращению рулона полоса подается на тянущие ролики. Ролики прижимаются, и полоса перемещается на позицию гильотинных ножниц. Эти ножницы используются для обработки переднего и заднего конца полосы, и если надо для удаления дефектных участков. Передний конец полосы после обработки подается со скоростью ввода (30 м/мин) на сварочную машину для роликовой сварки сопротивления, благодаря вращению разматывателя и тянущих роликов.

Центровка полосы осуществляется с помощью передних боковых направляющих сварочной полосы и боковых направляющих сварочной машины.

Во время сварки двух полос входной участок агрегата остановлен, в то время когда полоса продолжает разматываться в печи тепловой обработки.

После сварки двух полос входной участок включается в нормальный режим работы, для подачи полосы на центральный участок. Подача полосы выполняется с такой скоростью, чтоб входной накопитель, который был опустошен во время ввода новой полосы и во время сварки, для обеспечения нормального функционирования и обеспечения соответствующего количества полосы в печи обработки, мог заново наполниться до максимума.

Максимальная скорость входного участка для накопления входного накопителя должна быть 60 м/мин. Данная скорость автоматически уменьшается до скорости обработки после накопления накопителя.

Перемещение в накопителе обеспечивается рольгангом и разделительными плечами.

Центровка полосы по отношению к продольной оси агрегата обеспечивается центрирующими роликами, а так же направляющими роликами, установленные в тележке накопителя.

Центральный участок

Установка обезжиривания предназначена для обезжиривания, очистки, сушки поверхности полосы.

На входе установки полоса центрируется центрирующими роликами и прежде всего обрабатывается в ванне электролитического обезжиривания, где находятся 4 пары электродов, которые получают электропитание с тиристорных преобразователей. Температура ванны 80 С.

Рабочая среда выливается из ванны электролитического обезжиривания через спускное отверстие, находящееся выше уровня электродов в ванне рециркуляции растворов, откуда раствор подается насосами в ванну обезжиривания.

Качество используемого в ванне раствора контролируется датчиком проводимости, по сигналу которого обеспечивается подача нового раствора автоматически.

Для обеспечения деконцентрации раствора и для компенсации потерь при испарении, необходима подача химически чистой воды.

Раствор фильтруется на входе резервуара, проходя через перфорированный лист, и затем выполняется более тонкая фильтрация сетчатыми фильтрами на всосе насосов.