Титан

Титан является вредной примесью в электротехнической стали. Он образует стабильные мелкодисперсные включения TiN и TiO₂. Так же, как Al₂O₃, они стойки к высоким температурам отжига. То есть удаление этих фаз при ВТО практически невозможно. На практике в промышленной анизотропной электротехнической стали, содержится 0,05-0,08 (% масс.) Ti.

Поскольку титан имеет большое сродство к азоту, чем алюминий и кремний, то весь он будет находиться в виде нитридов, количество которых, не достаточно для того, чтобы титан был ответственным за текстурообразование. А наличие нескольких ингибиторов вследствие различных температур растворения и коагуляции отрицательно сказывается на процессе текстурообразования.

Кислород

Вредное действие кислорода проявляется в образовании мелкодисперсных оксидов, ухудшающих магнитные свойства стали. Кроме того, кислород может привести к образованию под корковых пузырей [4].

Водород

Отжиг листа в токе сухого водорода повышает электротехнические свойства листа, то есть способствует его обезуглероживанию и рафинированию от вредных примесей. Однако после того как водород выполнил свою функцию, его следует удалять из стали путем длительной выдержки или подогрева до 100-200°С. Наличие водорода в металле вызывает изменение энергетических уровней атомов и переходов их из одного энергетического состояния в другое, что сопровождается ухудшением механических и магнитных свойств листа.

Азот

Влияние азота на качество анизотропной электротехнической стали весьма велико. Азот вызывает химическую и структурную неоднородность, может явиться причиной рваной кромки, измельчает зерно, портит текстуру и ухудшает электротехнические свойства листа. Увеличение содержания азота в готовом листе в десять раз увеличивает коэрцитивную силу и потери на гистерезис соответственно в 4 и 6 раз. Увеличение концентрации азота ведет к уменьшению магнитной индукции, а также к резкому расширению петли гистерезиса. Азот является наиболее вредной примесью в стали. Азот увеличивает коэрцитивную силу, и удельные потери в стали благодаря образованию мелкодисперсных нитридов и карбонитридов. Сохранение же азота в твердом растворе (феррите) приводит, к магнитному старению стали. Это обусловлено выделением из пересыщенного твердого раствора метастабильного (Fe₁₆ N₂) и стабильного (Fe₄ N) нитридов железа. Азот используется, при производстве электротехнической стали по нитридному варианту. Выделение азота в виде нитридов в интервале протекания собирательной рекристаллизации при окончательном отжиге обеспечивает стабилизацию матрицы, и протекание вторичной рекристаллизации в анизотропной стали. Увеличение концентрации азота до 0,010% способствует совершенствованию текстуры и повышению магнитных свойств [4].

Неметаллические включения

Для оценки влияния примесей на магнитные свойства необходимо учитывать размеры включений и напряжения, которые создаются вокруг включений. Неферромагнитные включения, находящиеся в ферромагнитном окружении, увеличивают магнитостатическую энергию, которая является наибольшей, когда размеры включений соизмеримы с шириной доменных стенок (доли микрометра). На рисунке показано изменение коэрцитивной силы от диаметра включений углерода.

Также магнитные свойства ухудшаются из-за наличия зоны искажений матрицы вблизи включений из-за различия коэффициентов термического расширения. Зона искажений может быть в несколько раз больше размера включений, и в этой зоне имеется повышенная плотность дислокаций. Из-за магнитоупругой энергии ферромагнетика происходит возрастание коэрцитивной силы. Наиболее вредными включениями по этой причине являются AlN, Si₂N₄, Al₂O₃, цементит и т.д.

Рис. 8. Зависимость коэрцитивной силы от размера включений углерода

Зависимость общих потерь от содержания примесей является более сложной. Если потери от гистерезиса возрастают с увеличением включений при одной дисперсности, то потери от вихревых токов, как правило, уменьшаются. Это связано с искажением доменной структуры и уменьшением размеров доменов.

Установлено также влияние примесей на структуро - и текстурообразование и магнитные свойства стали посредством их воздействия на твердость, то есть на уровень внутренней энергии при деформации.

2.3.3 Процесс образования ребровой текстуры в электротехнических сталях

Первичная рекристаллизация приводит только к появлению в текстуре четкой компоненты, но при этом последняя не является доминирующей. Превращение этой компоненты в основную происходит на стадии вторичной рекристаллизации, во время которой центры растут быстрее, чем центры других ориентировок. Чтобы это произошло, границы основной массы зерен должны быть стабилизированы дисперсными частицами вторых фаз [6].

Необходимо чтобы частицы стабилизировали матрицу только до определенной температуры. Выше этой температуры выделения должны растворяться, чтобы могла начаться вторичная рекристаллизация. Количество и дисперсность выделений должны быть достаточными, чтобы задержать преждевременный массовый рост зерен, но и не чрезмерно большими, чтобы это препятствие снялось при высокотемпературном нагреве, иначе будет происходить «перестабилизация» матрицы. Существенны и требования к скорости растворения дисперсных частиц. Во избежание массового роста зерен скорость растворения выделений должна быть небольшой.

Таким образом, правильный выбор состава сплавов и технологических режимов обработки, обеспечивающих оптимальную стабилизацию структуры - важнейшее условие получение ребровой текстуры.

Формирование ребровой текстуры в электротехнической стали - результат протекания вторичной рекристаллизации [7].

Одним из условий для протекания вторичной рекристаллизации с образованием ребровой текстуры является торможение нормального роста зерен (так называемая «стабилизация матрицы»), которое в принципе может осуществляться:

а) при наличии дисперсной неметаллической фазы;

б) в условиях сегрегации примесных атомов на границах зерен;

в) под воздействием канавок термического травления (эффект толщины);

г) в условиях текстурного торможения.

В промышленной анизотропной электротехнической стали, стабилизация матрицы осуществляется включениями второй фазы.

Другим условием является исключение б-г - превращений при окончательном отжиге листов. Для развития процесса текстурообразования необходим определенный режим холодной прокатки, причем наиболее важное значение имеет степень деформации (е) при последней прокатке. Оптимум е приходится на 40-70% обжатия (при больших и особенно при малых обжатиях текстура ослабляется почти до полного подавления при деформациях, близких к кристаллическим).

Вторичная рекристаллизация в электротехнической стали сопровождается резким изменением преимущественной ориентировки от рассеянной многокомпонентной с главными составляющими типа {111} <112> и {112} <110> ± 15° к однокомпонентной {110} <001>. В случае когда условия отжига неблагоприятны для развития вторичной рекристаллизации, например при высокой температуре, или большой скорости нагрева, в образующейся текстуре все равно усиливается составляющая {110} <001>. Повышение термической устойчивости дисперсной фазы, которая обеспечивает протекание вторичной рекристаллизации, приводит к получению текстуры {110} <001> с уменьшенным рассеянием.

В ходе первичной рекристаллизации зерна {110} <001> возникают позже зёрна других ориентировок. Образование ребровой текстуры в анизотропной электротехнической стали, объясняется ориентационной зависимостью скорости роста кристаллитов. Т.е. в текстуре, которая создается после завершения первичной рекристаллизации листа, зерна {110} <001> обладают более высокой эффективной подвижностью границ, что позволяет наиболее крупным из этих зерен в ходе нормального роста перед началом вторичной рекристаллизации превзойти по размеру зерна других ориентировок.

Ребровая текстура образуется при вторичной рекристаллизации вследствие того, что при окончательном отжиге на стадии первичной рекристаллизации и нормального роста зерен в ней формируется такая преимущественная ориентировка, при которой зерна {110} <001> имеют границы с наиболее высокой эффективной подвижностью. Текстура матрицы, обеспечивающая развитие вторичной рекристаллизации с формированием текстуры {110} <001>, должна состоять из 35-38% зерен с ориентировкой {111} <uvw>, 48-50% {112} <uvw>, 5-7% {110} <001> и 7-10% {110} <001> [10].

Следует обратить внимание на роль дисперсной фазы и сегрегации примесей на границах в обеспечении отбора ориентировок зерен, превращающихся в зародыши вторичной рекристаллизации. Частицы дисперсной фазы не только задерживают нормальный рост зерен, вызывая развитие вторичной рекристаллизации, их тормозящее действие обеспечивает сохранение текстуры, способствующей ускоренному росту крупных зерен с точной ориентировкой {110} <001> и, следовательно, превращению в зародыши вторичной рекристаллизации именно этих зерен. Для получения ребровой текстуры существенно сохранение текстуры матрицы и во время вторичной рекристаллизации. Если ослабление тормозящей силы, связанное с растворением дисперсных частиц, окажется слишком значительным, в участках еще сохранившейся матрицы будет интенсивно развиваться нормальный рост зерен, что уменьшит скорость роста центров вторичной рекристаллизации с точной ориентировкой {110} <001> вследствие изменения текстуры в этих участках. Кроме того, это приведет к возникновению зародышей вторичной рекристаллизации с ориентировкой, отклоняющейся от {110} <001>.

Таким образом, отбор ориентировок крупных кристаллитов, происходящий на стадии их превращения в зародыши вторичной рекристаллизации во время нормального роста зерен, обеспечивает возможность образования ребровой текстуры при вторичной рекристаллизации в электротехнической стали. Формирование ребровой текстуры при вторичной рекристаллизации определяется не только избирательным ростом, но и ориентированным зарождением [7].

Зародыши вторичной рекристаллизации с ориентировкой {110} <001> возникают, в листах холоднокатаной стали в подповерхностных слоях на глубине около 1/6 от толщины листа. На этих горизонтах поперечного сечения оказываются усиленной составляющая {111} <uvw> текстуры матрицы вторичной рекристаллизации и уменьшенным средний размер зерна. В средних слоях листа условия менее благоприятны для формирования зародышей вторичной рекристаллизации. Благодаря этому в листе с удаленным поверхностным слоем вторичная рекристаллизация замедляется, а рассеяние ребровой текстуры возрастает. Крупные зерна {110} <001>, находившиеся в подповерхностном слое горячекатаной полосы, при холодной прокатке и первичной рекристаллизации вновь дают зерна с точной ориентировкой {110} <001>, которые в ходе высокотемпературного отжига и становятся зародышами вторичной рекристаллизации.

Образование ребровой текстуры при вторичной рекристаллизации в анизотропной электротехнической стали, обусловлено тем, что при нормальном росте, предшествующем вторичной рекристаллизации, кристаллиты с точной ориентировкой {110} <001> растут быстрее зерен с другими ориентировками. Благодаря этому большинство зародышей вторичной рекристаллизации имеет точную ориентировку {110} <001>. Кроме того, и в ходе вторичной рекристаллизации центры с точной ориентировкой {110} <001> растут быстрее центров с отклоняющейся ориентировкой. Основная причина ускоренного роста зерен {110} <001> как на инкубационном периоде, так и в ходе развития вторичной рекристаллизации - благоприятная текстура матрицы вторичной рекристаллизации, главная составляющая которой {112} <112> обеспечивает границам зерен {110} <001> повышенную эффективную подвижность [7].

2.4 Технологический процесс

Технология производства анизотропной электротехнической стали - сложный процесс в черной металлургии, в котором сочетаются процессы выплавки, пластической деформации (горячей и холодной) и термической обработки. Рассмотрим, основные этапы технологического процесса производства анизотропной электротехнической стали.

Электротехническая анизотропная сталь по сортаменту, магнитным свойствам, типу и коэффициенту сопротивления покрытия должна соответствовать требованиям контрактов и заказов.

Технические требования, правила приемки, методы испытаний, маркировка, упаковка, транспортирование и хранение должны соответствовать отечественным и зарубежным стандартам (ГОСТ 21427.1-83, GB/T 2521-1996, ТУ 14-106-612-2001, ТУ 14-106-700-2003, ТУ 14-106-618-2001, ТУ 14-106-553-2001, EN 10107, ASТМ А876М, JIS 2553, DIN 46400/3 и др.).

Для производства электротехнической анизотропной стали используются: горячекатаный подкат из ПГП выплавки КЦ, холоднокатаный или обезуглероженный подкат толщиной 0,70 мм обработанный по схеме КЦ - ПГП - ПТС.

Холоднокатаный подкат должен удовлетворять следующим требованиям:

- неплоскостность полосы после прокатки должна быть не более 6 мм на 1 м;

- в поперечном сечении толщина в середине и в точке, отстоящей от кромки на расстоянии 15 мм, не должна иметь разницу более 0,02 мм;

на прокатанной полосе не допускаются отпечатки валков глубиной (высотой) более 0,02 мм, сквозные дыры;

- толщина на концевых участках полос должна быть не более 0,75 мм для подката толщиной 0,70 мм. Длина утолщенных участков должна составлять не более 30 м (контролируются по диаграммам толщины).

- прокатанный рулон должен быть обвязан по периметру обручной лентой и замаркирован с сохранением исходного номера перед прокаткой. Подмотка в исходный рулон участков из других рулонов запрещается.

- телескопичность рулона должна быть не более 10 мм, отдельные витки не должны выступать более, чем на 5 мм.

Каждый рулон, поступающий в травильно-прокатный участок из ПГП, взвешивается на весах вальцовщиком по сборке и перевалке валков. Масса рулонов записывается в паспорт плавки и журнал учета массы рулонов вальцовщиком по сборке и перевалке валков

1. Выплавка в кислородно-конверторных печах КЦ.

Выплавка анизотропной стали, производится в конверторных печах кислородно-конверторного цеха.

2. Горячая прокатка слябов в ПГП на полосу толщиной 2,5 мм.

Нагрев под горячую прокатку в ПТС производится в методических печах строго поплавочно. Слябы прокатываются на стане «1320». В черновой клети семь проходов. Обжатие с 150 до 15 мм. Температура начала прокатки 1100°С, температура конца прокатки 910° С. Чистовая клеть с печными моталками в 3 прохода, обжатие с 15 до 2,5 мм. Скорость прокатки 3,6-7,2 м/с. Температура конца прокатки полосы должна быть в пределах 890°С -920°С. После прокатки лента подвергается душированию для предотвращения образования цементита третичного, который охрупчивает сталь. Готовые рулоны передаются по подземному цепному транспортеру в цех холодной прокатки ПТС. Готовая горячекатаная полоса должна отвечать следующим требованиям:

Номинальные размеры (толщина 2,5±0,1 мм, ширина 870+15 мм);

Продольная разнотолщинность в пределах одной полосы (1000+15) мм; (1050+15) мм не должна превышать 0,15 мм;

На поверхности полосы не допускаются вкатанная окалина, плены, грубые отпечатки валков, рванины, заворот кромки, царапины механического происхождения и другие дефекты.

3. Холодная прокатка, термическая обработка и покрытие анизотропной электротехнической стали толщиной 0,35 мм осуществляется в соответствии с технологической инструкцией ТИ 05757665-ПТС-16-2004.

Для производства электротехнической анизотропной стали используются: горячекатаный подкат из ПГП выплавки КЦ, холоднокатаный или обезуглероженный подкат толщиной 0,70 мм обработанный по схеме КЦ - ПГП - ПДС.

Горячекатаный подкат должен соответствовать требованиям
ТУ-14-106-595-2004.

Массовая доля химических элементов в литой анизотропной электротехнической стали, выплавленной и разлитой согласно ТК 1-3-5-117, должна соответствовать, изложенным в табл. 13

кристаллографический сталь анизотропный печь

Таблица 13. Химический состав литой стали

· * - На 10% плавок допускается массовая доля углерода 0,032-0,034

· ** - На 15% плавок допускается массовая доля кремния 3,16-3,20

Горячекатаные рулоны в ПТС обрабатываются по следующей технологической схеме:

Травление с обрезкой кромки;

Травление выполняется в непрерывном травильном агрегате, включающем четыре ванны:

220-180 г./л H₂SO₄+120 г./л FeSO₄;

220-180 г./л H₂SO₄+120 г./л FeSO₄;

190-130 г./л H₂SO₄+120 г./л FeSO₄;

160-120 г./л H₂SO₄+120 г./л FeSO₄.

В ванну присаживается ингибитор 1,5 кг/мі, температура 75°-95°С. После травления производится промывка сначала в холодной, затем в горячей воде; очистка поверхности осуществляется в чистильно-моечной машине.

В процессе травления старший травильщик оценивает качество металла по технологической пластичности, состоянию кромок, серповидности, неплоскостности и при необходимости отбирает образцы для предъявления виновнику и для анализа в лабораторию металловедения и металлофизики Инженерного центра.

После травления полоса проходит промывочные ванны с холодной и горячей водой, ЩММ с металлическими щетками и сушильное устройство. После травления, непосредственно перед сверточной машиной, полоса должна быть сухой, иметь ровный матовый цвет по всей поверхности и соответствовать эталону.

Ширина полос после НТА должна соответствовать заданию ПРО ПТС. При удовлетворительном состоянии кромки горячекатаного подката обработка металла в линиях НТА может производиться без подрезки кромок после травления.

Для удаления кромочных дефектов производится обрезка кромок полосы дисковыми ножницами. Подрезка кромок должна быть симметричной. Симметричность подрезки проверяется измерением ширины обрезаемых кромок с обеих сторон полосы. Разница между шириной левой и правой кромок при измерении на расстоянии не менее 20 м от концов полос должна быть не более 5 мм.

Первая холодная прокатка. Первая холодная прокатка производится на толщину (0,700,02) мм, для конечной толщины 0,27-0,35 мм, и на толщину (0,750,03) или (0,850,03) мм для конечной толщины 0,50 мм. Скорость прокатки на выходе из 5-ой клети должна быть не более 7 м/с. Продольная разнотолщинность полосы не должна превышать 0,02 мм.

Толщина на концевых участках полос должна быть не более 0,75 мм для подката толщиной 0,70 мм и не более 0,90 мм для подката толщиной 0,85 мм. Длина утолщенных участков должна составлять не более 30 м (контролируются по диаграммам толщины).

Библиографический список

1. Дубров, Н.Ф. Электротехнические стали /Н.Ф. Дубров, Н.И. Лапкин. М.: Металлургия, 1963.

2. Чуйко, И.М. Трансформаторные стали /И.М. Чуйко, Н.И. Машкевич, А.Т. Перевязко, Ю.П. Галицкий. М.: Металлургия, 1970.

3. Поволоцкий, Д.Я. Электрометаллургия стали и ферросплавов /Д.Я. Поволоцкий, В.Е. Рощин. М.: Металлургия, 1974.

4. Казаджан, Л.Б. Магнитные свойства электротехнических сталей и сплавов /Л.Б. Казаджан. М.: Наука и техника, 2000.

5. Дружинин, В.В. Магнитные свойства электротехнической стали /В.В. Дружинин. М.: Энергия, 1974.

6. Гуляев, А.П. Металловедение /А.П. Гуляев. М.: Металлургия, 1986.

7. Горелик, С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов /С.С. Горелик. М.: Металлургия, 1967.

8. Новиков, И.И. Теория термической обработки металлов /И.И. Новиков. М.: Металлургия, 1978.

9. Соколов, К.Н. Технология термической обработки и проектирование термических цехов /К.Н. Соколов. М.: Металлургия, 1988.

10. Аптерман, В.И. Колпаковые печи /В.И. Аптерман, В.Г. Двейран,

В.М. Тымчак. М.: Металлургия, 1965.

11. Райцес, Н.Г. Термическая обработка на металлургических заводах /Н.Г. Райцес. М.: Металлургия, 1971.

12. Шубин, Р.П. Технология и оборудование термического цеха /Р.П. Шубин. М.: Машиностроение, 1971.

13. Рустем, С.Л. Оборудование и проектирование термических цехов /С.Л. Рустем. М.: Машиздат, 1971.

14. Горбунов, И.П. Методические указания по расчёту потерь тепла через кладку печи с применением ЭВМ /И.П. Горбунов. Липецк: ЛГТУ, 1989.

15. Горбунов, И.П. Методические указания по расчету термических электропечей и электрических нагревательных элементов /И.П. Горбунов. Липецк: ЛГТУ, 1998.

16. Солодихин, А.Г. Технология, организация и проектирование термических цехов /А.Г. Солодихин. М.: Высшая школа, 1987.

17. Богомолова, Е.П. Методические указания к выполнению экономической части дипломной работы (проекта) для специальности «Металловедение и термическая обработка» /Е.П. Богомолова. Липецк: ЛГТУ, 2000.

18. Горбунов, И.П. Основное электротермическое оборудование и особенности дипломирования /И.П. Горбунов. Липецк: ЛГТУ, 1999.

19. Долотов, Г.П. Оборудование термических цехов и лабораторий испытания металлов /Г.П. Долотов. М.: Машиностроение, 1988.

20. Алёшин, А.С. Вопросы безопасности в дипломных проектах и работах. Общие методические указания по содержанию и выполнению раздела безопасности труда для студентов инженерно - технических специальностей /А.С. Алёшин Липецк: ЛГТУ, 1990.

21. Алёшин, А.С. Методические указания к расчету сопротивления защитного заземляющего устройства производственных помещений при дипломном проектировании /А.С. Алёшин. Липецк: ЛГТУ, 1981.

22. Демиденко, Г.П. Защита объектов народного хозяйства от оружия массового поражения /Г.П. Демиденко. Киев: Высшая школа, 1989.

23. Горбунов, И.П. Основное электротермическое оборудование и особенности дипломирования /И.П. Горбунов. Липецк: ЛГТУ, 1999.

24. Технологическая инструкция ОАО «НЛМК». Холодная прокатка, термическая обработка и покрытие анизотропной электротехнической стали толщиной 0,15 мм. ТИ 05757665 - ПХЛ. - 05-2000.

Размещено на Allbest.ru