Способ производства анизотропной электротехнической стали

 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при производстве холоднокатаной электротехнической анизотропной стали для повышения ее магнитных свойств и улучшения качества грунтового электроизоляционного покрытия. Сущность изобретения: предложен способ производства анизотропной электротехнической стали, включающий ее выплавку, разливку, горячую прокатку, одно- или двухстадийную холодную прокатку с обезуглероживающим отжигом между ними или в конечной толщине, а также высокотемпературный отжиг в водороде или азотно-водородных смесях, причем дополнительно изменяют влажность атмосферы при высокотемпературном отжиге в пределах от 30 до 0^oC по точке росы до температуры металла 600^oC, от +5 до -10^oC до температуры металла 1150-1250^oC и от -25 до -50^oC на окончательной выдержке посредством периодического и/или апериодического изменения окислительного потенциала атмосферы, задаваемого соотношением PH₂/PH₂O, достигаемого путем изменения концентрации водорода в диапазоне от 20% до 100% в общем по пилообразной функциональной зависимости, задаваемой программно, в зависимости от температуры отжигаемого металла. 1 ил., 2 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству холоднокатаных анизотропных электротехнических сталей.

Известен ряд способов производства анизотропных электротехнических сталей, включающий выплавку, разливку, горячую прокатку, нормализацию, холодную прокатку в одну или две стадии, обезуглероживание в промежуточной или конечной толщине, нанесение термостойкого покрытия на основе MgO, заключительный высокотемпературный отжиг в водороде или азотно-водородных смесях и последующий выпрямляющий отжиг с нанесением на поверхность полос электроизоляционного покрытия на основе фосфатов магния и/или алюминия. Конечным итогом этих последовательно выполняемых операций является получение в стали остронаправленной ребровой текстуры Гесса, что обеспечивает при намагничивании высокие значения магнитной индукции и низкие значения удельных потерь. При этом на поверхности полос при высокотемпературном отжиге формируется грунтовый магний-силикатный слой, на который при выпрямляющем отжиге наносятся фосфаты магния или алюминия и формируется окончательное электроизоляционное покрытие.

Для улучшения условий текстурообразования при высокотемпературном отжиге в температурном интервале протекания вторичной рекристаллизации используется технологический прием разбавление водорода азотом, т.е. использование в этом диапазоне азотно-водородных атмосфер.

Так в патенте США N4338144 от 6 июля 1982 г. предлагается способ производства листа кремнистой стали в атмосфере азота и водорода, по которому в температурном интервале 800-1050^oC используется азотно-водородная атмосфера, состоящая из 55% азота и 45% водорода.

В патенте США N3.959.033 от 25 мая 1976 г. при высокотемпературном отжиге используется азотно-водородная атмосфера, состоящая из 10-15% водорода и 50-90% азота.

В патенте США N4.225.366 от 30 сентября 1980 г. (Приоритет Япония N53-120440 от 2 октября 1978 г.) описывается процесс получения текстурированной кремнистой электротехнической стали, содержащей алюминий, при котором в процессе нагрева металла при высокотемпературном отжиге в интервале 850-950^oC парциальное давление азота в контролируемой атмосфере ограничено до 20% от общего давления восстановительной атмосферы, а при дальнейшем повышении температуры, когда завершается вторичная рекристаллизация, парциальное давление азота в атмосфере сохраняется на уровне не более 3% В рассмотренных аналогах достигается цель по получению высоких значений магнитной индукции в металле, но не рассматриваются вопросы формирования грунтового магний-силикатного слоя на поверхности полос. Поэтому значение влажности атмосферы отжига не приводится, хотя известно, что влажность печной атмосферы существенно влияет на процессы и кинетику формирования грунтового слоя на поверхности полос кремнистой стали. Так в патенте США N4.127.429 от 28 ноября 1978 года (приоритет Японии N51-79720 от 5 июля 1976 г.) предлагается способ формирования качественного грунтового слоя (форстерита) за счет использования в температурном интервале 800-920^oC инертного газа и, далее, на стадии повышения температуры до 1150-1250^oC водорода, однако рекомендуется поддерживать влажность атмосферы на стадии повышения температуры до 1150-1250^oC на уровне от +20 до -20^oC по точке росы и не более +10^oC по точке росы на стадии сохранения температуры отжига (на выдержке) в том же интервале 1150-1250^oC. При этом необходимо учитывать, что период воздействия атмосферы с точкой росы выше +10^oC с металлом не должен превышать 5 ч. Однако в данном патенте совершенно не рассматриваются методы достижения и регулирования заданной печной атмосферы, находящейся в контакте с отжигаемым металлом.

Таким образом, имеется ряд патентов, имеющих целью улучшение условий текстурообразования и получение в металле высоких значений магнитной индукции, а также патенты, имеющие основной целью получение на поверхности полос качественного грунтового слоя форстерита. В практике эти два момента являются одинаково необходимыми для того, чтобы электротехническая сталь имела высокую потребительскую ценность.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является способ производства анизотропной электротехнической стали, включающий ее выплавку, разливку, горячую прокатку, двухстадийную холодную прокатку с обезуглероживающим отжигом между ними, а также высокотемпературный отжиг в колпаковых печах, продуваемых азотным и/или водородным газами, в котором состав и параметры атмосферы печи изменяются совместно с изменением температуры печи. На этом основании способ производства анизотропной электротехнической стали по АС СССР N1468934 от 1 декабря 1986 г. выбран в качестве прототипа. Однако недостатком способа по АС СССР N1468934 является отсутствие явно выраженного режима изменения концентрации и давления водорода, позволяющего активно воздействовать на межвитковую атмосферу, учитывающую реальную инерционность печи и плотно смотанного рулона электротехнической стали. Кроме того, ограничение скорости изменения концентрации водородной компоненты значением не более 15%/ч не позволяет в требуемой мере обеспечить диффузионный процесс обмена в межвитковом пространстве плотносмотанного рулона стали.

Введение процесса в периодический и/или апериодический режим изменения концентрации водородной компоненты на выбранных интервалах нагрева позволяет интенсивно воздействовать на межвитковую атмосферу рулона, в то же время сохраняя заданные усредненные значения концентрации водорода согласно выбранного режима отжига. Это обусловливает получение металла с более высокими значениями магнитной индукции и более низкими удельными потерями по сравнению с перечисленными аналогами и выбранным прототипом.

Целью изобретения является повышение магнитной индукции и снижение удельных потерь в стали за счет активного воздействия на состав и влажность межвитковой атмосферы посредством периодического и/или апериодического изменения концентрации водорода в рабочем объеме печи.

Известно, что повышение концентрации водорода в рабочем объеме печи сопровождается, соответственно, увеличением или уменьшением влажности атмосферы вследствие протекания реакции: MeO + H₂ Me + H₂O (1) Константа равновесия реакции (Кр) или окислительный потенциал атмосферы определяется отношением: Кp PH₂/PH₂O, где PH₂ и PH₂O -парциальные давления водорода и влаги. Величина константы равновесия определяется в основном температурой и химсоставом металла.

Таким образом, за счет изменения состава атмосферы имеется возможность активно воздействовать на окислительно-восстановительные процессы непосредственно на поверхности отжигаемых полос и за счет этого воздействовать на процессы текстурообразования и формирования грунтового магний-силикатного слоя.

Поставленная в изобретении цель по повышению магнитной индукции, снижению удельных потерь и повышения качества грунтового магний-силикатного слоя достигается в способе, включающем выплавку, разливку, горячую прокатку, одно или двухстадийную холодную прокатку с обезуглероживающим отжигом между ними или в конечной толщине, а также высокотемпературный отжиг в водороде или азотно-водородных смесях, отличающийся тем, что дополнительно изменяют периодически и/или апериодически окислительный потенциал атмосферы при высокотемпературном отжиге посредством изменения концентрации водорода от 20 до 100% по пилообразной функциональной зависимости, задаваемой программно, в зависимости от температуры отжигаемого металла.

Пилообразный характер изменения концентрации водорода в атмосфере печи позволяет изменять также и концентрацию водорода в межвитковом пространстве рулона вследствие высокой проникающей способности водорода и протекания диффузионных процессов. В то же время, чрезмерно большое изменение концентрации водорода вызывает соответственно и чрезмерно высокое повышение влажности атмосферы, что отрицательно сказывается на магнитных свойствах стали. С другой стороны, очень низкие значения влажности защитной атмосферы сопровождаются резким ухудшением качества грунтового магний-силикатного слоя вследствие недостатка SiO₂ для нормального протекания реакции образования форстерита 2MgO + SIO₂ 2MgOSiO₂ (2) По этой причине влажность атмосферы необходимо поддерживать в диапазоне от 30 до 0^oC по точке росы при температуре 600^oC, а на стадии повышения температуры до 1150-1250^oC в пределах от +5 до -10^oC и на стадии поддержания этой температуры от -25 до -50^oC.

На чертеже в графическом виде показаны варианты газовых режимов высокотемпературных отжигов, один из оторых соответствует изобретению и две таблицы 1 и 2 Табл. 1 химсостав плавок; табл. 2 газовые режимы и полученные магнитные свойства.

В конверторе выплавлены 3 плавки с химсоставом, указанным в табл.1. Металл разливали на УНРС, подвергали горячей прокатке на непрерывном стане на полосу 2,5 мм. После первой холодной прокатки на толщину 0,70 мм металл подвергали обезуглероживающему отжигу в увлажненной азотно-водородной (20%H20) атмосфере до содержания углерода не более 0,004% На холоднокатаные полосы толщиной 0,23- -0,27 мм наносили слой малогидратированного термостойкого покрытия на основе M_gO и подвергали высокотемпературному отжигу в колпаковых печах при температуре 1150^oC с выдержкой 30 ч.

При отжиге по газовому режиму N1 получены неудовлетворительные магнитные свойства и качество электроизоляционного покрытия, т.к. атмосфера отжига состояла из 100% водорода. Для металла толщиной 0,30мм и менее для получения удовлетворительных магнитных свойств необходимо в интервале протекания вторичной рекристаллизации присутствие в атмосфере отжига азота в количестве не менее 15% Это полностью соответствует данным приведенных аналогов и прототипа.

Отжиг по газовому режиму N2 позволяет получать удовлетворительные магнитные свойства металла, однако качество электроизоляционного покрытия не вполне удовлетворяет возрастающим требованиям рынка.

При отжиге по газовому режиму N3, используемому как изобретение, получено более высокое качество металла как по магнитным свойствам, так и по однородности и сплошности электроизоляционного покрытия. Используемые варианты газового режима приведены на чертеже. Химсостав плавок приведен в табл.1. Магнитные свойства даны в табл.2.

Формула изобретения

Способ производства анизотропной электротехнической стали, включающий ее выплавку, разливку, горячую прокатку, одно- или двухстадийную холодную прокатку с обезуглероживающим отжигом между ними или в конечной толщине, а также высокотемпературный отжиг в водороде или азотно-водородных смесях, отличающийся тем, что дополнительно изменяют влажность атмосферы при высокотемпературном отжиге в пределах от 30 до 0^oС по точке росы до температуры металла 600^oС, от +5 до -10^oС до температуры металла 1150 1250^oС и от -25 до -50^oС на окончательной выдержке посредством периодического и/или апериодического изменения окислительного потенциала атмосферы, задаваемого соотношением достигаемого путем изменения концентрации водорода в диапазоне от 20 до 100% в общем по пилообразной функциональной зависимости, задаваемой программно, в зависимости от температуры отжигаемого металла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2