СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТОВОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ АНИЗОТРОПНОЙ СТАЛИ И ЛИСТОВАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ АНИЗОТРОПНАЯ СТАЛЬ
PRODUCTION OF ANISOTROPIC STALLOY AND FINISHED STALLOY

Предлагаемые изобретения относятся к области черной металлургии, в частности к производству холоднокатаной листовой электротехнической анизотропной стали, применяемой для изготовления шихтованных и витых магнитопроводов с низкими удельными потерями энергии на перемагничивание.
Известно, что одним из способов снижения удельных потерь энергии на перемагничивание (далее также кратко - магнитных потерь) в готовой листовой электротехнической анизотропной стали является создание в поверхностном слое листа различного рода структурных барьеров, приводящих к искажению магнитной текстуры в локальных участках поверхности металла и образованию более дисперсной структуры областей (доменов) спонтанного намагничивания.
В последние годы при производстве полос холоднокатаной листовой электротехнической анизотропной стали с электроизоляционным покрытием все чаще применяется лазерная обработка поверхности. Возникающие в зоне воздействия лазерного луча внутренние напряжения и структурные дефекты (дислокации, вакансии, искажения кристаллической решетки) приводят к формированию особой магнитной структуры. На субструктурных прослойках сосредоточиваются магнитные заряды, приводящие к появлению замыкающих доменов и ограничивающие размеры основных доменов, что ведет к снижению вихретоковой составляющей магнитных потерь.
Известен способ улучшения магнитных свойств листовой электротехнической анизотропной стали посредством формирования лазерным излучением на обеих сторонах полосы стали линейных или пунктирных канавок и (или) слоев термического воздействия (см. публикацию ЕР 0992591 A3 заявки на выдачу патента; (IPC1-7): C21D 8/12; 07.02.2011). Способ предполагает формирование канавок (слоев термического воздействия), устойчивых к отжигу и имеющих эффект измельчения доменной структуры. В публикации ЕР 0992591 A3 раскрываются особенности, обусловленные расположением канавок (слоев термического воздействия) с обеих сторон полосы стали в идентичных позициях напротив друг друга. Недостатком данного способа является сохранение на прежнем уровне или снижение плотности магнитного потока в готовой листовой электротехнической анизотропной стали. Причиной этого является уменьшение магнитной проницаемости материала при увеличении канавки (слоев термического воздействия) до размеров, обеспечивающих их стабильность при рекристаллизации и эффект измельчения доменной структуры. То есть эффект снижения магнитных потерь и снижение магнитной проницаемости материала связаны прямой зависимостью.
Известен способ изготовления листовой анизотропной электротехнической стали (см. публикацию CN 102031342 (А) заявки на выдачу патента; C21D 1/09; C21D 1/26; C21D 8/12; 27.04.2011), который включает выплавку стали, непрерывную разливку, горячую прокатку, нормализацию, холодную прокатку, обезуглероживающий отжиг, нанесение защитного покрытия, высокотемпературный отжиг, нанесение электроизоляционного покрытия, выпрямляющий отжиг. С целью снижения магнитных потерь предложено до обезуглероживающего отжига проводить обработку лазерным излучением, так чтобы сформировать на поверхности стальной полосы линейные следы лазерного воздействия в виде линейных областей напряжений, параллельные друг другу и расположенные через одинаковые интервалы 10-20 мм под углом 60-120 градусов к направлению прокатки. Недостатком данного способа является слабость эффекта дробления доменной структуры в готовой стали и, как следствие, недостаточно высокая его эффективность в снижении магнитных потерь.
Недостатки рассмотренных технических решений (ЕР 099259; CN 102031342), а также недостатки иных известных аналогов обусловлены, в частности, также тем, что линейный след лазерного воздействия на поверхности полосы листовой электротехнической анизотропной стали образуют однократным проходом лазерного луча. Этим ограничиваются возможности варьировать соотношение характерных размеров периферийной области следа со структурой частичной рекристаллизации, с одной стороны, центральной области в виде канавки, с другой стороны, и промежуточной области с литой структурой, с третьей стороны. Поскольку каждая из указанных областей вносит свой вклад в формирование структуры и свойств листовой электротехнической анизотропной стали на следующих стадиях производства, возникает потребность в инструменте, расширяющем возможности производителя регулировать соотношения размеров указанных областей следа лазерного воздействия.
Техническое решение, раскрытое в публикации CN 102031342, в настоящей заявке принято в качестве ближайшего аналога, в сравнении с которым будет раскрыта сущность предлагаемого способа.
Задача, на решение которой направлены предлагаемые изобретения, заключается в повышении технических характеристик холоднокатаной листовой электротехнической анизотропной стали и в создании способа производства холоднокатаной листовой электротехнической анизотропной стали, обеспечивающего повышение ее технических характеристик, а именно снижение магнитных потерь при повышении уровня магнитной индукции и обеспечение температурной устойчивости величины магнитных потерь в готовой стали к последующим отжигам при температурах до 850°C. Дополнительными задачами являются предотвращение избыточного лазерного воздействия на листовую электротехническую анизотропную сталь на стадии ее обработки лазерным излучением, расширение арсенала источников лазерного излучения, пригодных для ее обработки, в сторону менее мощных источников, снижение производственных затрат, снижение себестоимости выпускаемой продукции и получение дополнительной прибыли от ее реализации.
Вышеуказанные задачи решаются тем, что в соответствии с предлагаемым способом производства листовой электротехнической анизотропной стали, включающим операции выплавки стали, непрерывной разливки, горячей прокатки с получением полосы стали, холодной прокатки полосы стали, обезуглероживающего отжига, нанесения защитного покрытия, высокотемпературного отжига, нанесения электроизоляционного покрытия, выпрямляющего отжига, а также включающим обработку полосы стали лазерным излучением с образованием на ее поверхности линейных следов лазерного воздействия, расположенных параллельно друг другу под углом к направлению прокатки, обработку полосы стали лазерным излучением выполняют после ее холодной прокатки в конечную толщину листа, но до высокотемпературного отжига, лазерное излучение создают с помощью источника непрерывного лазерного луча и источника импульсного лазерного луча, причем импульсный лазерный луч характеризуется меньшим значением диаметра проекции на поверхность полосы стали, чем непрерывный лазерный луч, и большим значением плотности энергии излучения в проекции на поверхность полосы стали, чем непрерывный лазерный луч, каждый линейный след лазерного воздействия образуют путем синхронизованного перемещения проекций непрерывного и импульсного лазерных лучей по поверхности полосы стали с отставанием импульсного лазерного луча от непрерывного, при этом воздействием непрерывного лазерного луча формируют осевую область линейного следа лазерного воздействия с литой структурой и периферийную область со структурой частичной рекристаллизации, а воздействием импульсного лазерного луча образуют в осевой области с литой структурой канавку.
Здесь и далее под проекцией луча понимается освещенное «пятно», создаваемое лучом.
В общем случае осуществления предлагаемый способ отличается от ближайшего аналога тем, что обработку полосы стали лазерным излучением выполняют после ее холодной прокатки в конечную толщину листа, но до высокотемпературного отжига, лазерное излучение создают с помощью источника непрерывного лазерного луча и источника импульсного лазерного луча, причем импульсный лазерный луч характеризуется меньшим значением диаметра проекции на поверхность полосы стали, чем непрерывный лазерный луч, и большим значением плотности энергии излучения в проекции на поверхность полосы стали, чем непрерывный лазерный луч, каждый линейный след лазерного воздействия образуют путем синхронизованного перемещения проекций непрерывного и импульсного лазерных лучей по поверхности полосы стали с отставанием импульсного лазерного луча от непрерывного, при этом воздействием непрерывного лазерного луча формируют осевую область линейного следа лазерного воздействия с литой структурой и периферийную область со структурой частичной рекристаллизации, а воздействием импульсного лазерного луча образуют в осевой области с литой структурой канавку.
В первом частном случае предлагаемый способ дополнительно отличается от общего случая тем, что осевую область линейного следа лазерного воздействия с литой структурой формируют шириной от 0,2 до 0,35 конечной толщины листа и глубиной от 0,15 до 0,2 конечной толщины листа, периферийную область со структурой частичной рекристаллизации формируют толщиной от 0,2 до 0,3 конечной толщины листа, а канавку в осевой области с литой структурой образуют шириной от 0,05 до 0,1 конечной толщины листа и глубиной от 0,05 до 0,1 конечной толщины листа.
i
con
Во втором частном случае предлагаемый способ дополнительно отличается от общего случая тем, что плотность энергии излучения импульсного лазерного луча в проекции на поверхность полосы стали W и плотность энергии излучения непрерывного лазерного луча в проекции на поверхность полосы стали W определяют соответственно по формулам:
i
i
i
0
2
W=4/π (E  f γ b sin φ/D а V) [Дж/м],
con
con
con
2
W=4/π (N b sin φ/D a V) [Дж/м],
con
con
i
i
0
-1
где V - скорость перемещения полосы стали, м/с, а - ширина полосы стали, м, φ - угол, под которым образуемые канавки располагаются к направлению прокатки, градус, b - расстояние между осями соседних образуемых канавок, расположенных на одной стороне поверхности полосы стали, м, N - мощность источника непрерывного лазерного луча, Вт, D - диаметр проекции непрерывного лазерного луча на поверхность полосы стали, м, E  - энергия излучения единичного импульса импульсного лазерного луча, Дж, f -частота импульсов, с, γ - скважность импульса, D - диаметр проекции импульсного лазерного луча на поверхность полосы стали, м, π - число, равное отношению длины окружности к ее диаметру.
В третьем частном случае предлагаемый способ дополнительно отличается от общего случая тем, что мощности источников непрерывного и импульсного лазерных лучей регулируют в соответствии с соотношением:
con
i
N
N/N=k,
con
i
N
где N - мощность источника непрерывного лазерного луча, Вт, N - мощность источника импульсного лазерного луча, Вт, k - эмпирический коэффициент, равный:
N
k=(10÷15).
В четвертом частном случае предлагаемый способ дополнительно отличается от общего случая тем, что отставание импульсного лазерного луча от непрерывного лазерного луча выражается в отставании задней границы его проекции на поверхности полосы стали от задней границы проекции на поверхности полосы стали непрерывного лазерного луча, составляющем от 0 до 1 диаметра проекции на поверхности полосы стали импульсного лазерного луча в направлении перемещения проекций лазерных лучей.
В пятом частном случае предлагаемый способ дополнительно отличается от общего случая тем, что при обработке полосы стали лазерным излучением каждый линейный след лазерного воздействия образуют под углом 87-93 градуса к направлению прокатки.
В шестом частном случае предлагаемый способ дополнительно отличается от общего случая тем, что при обработке полосы стали лазерным излучением каждый линейный след лазерного воздействия образуют на расстоянии 2-20 мм вдоль направления прокатки от соседнего линейного следа лазерного воздействия.
В седьмом частном случае предлагаемый способ дополнительно отличается от общего случая тем, что обработке лазерным излучением подвергают одну сторону поверхности полосы стали.
В восьмом частном случае предлагаемый способ дополнительно отличается от общего случая тем, что обработке лазерным излучением подвергают обе стороны поверхности полосы стали.
Операции выплавки стали, непрерывной разливки, горячей прокатки с получением полосы стали, холодной прокатки полосы стали, обезуглероживающего отжига, нанесения защитного покрытия, высокотемпературного отжига, нанесения электроизоляционного покрытия, выпрямляющего отжига характеризуют обычный способ производства листовой электротехнической анизотропной стали, обусловлены назначением предлагаемого технического решения. Перечень этих операций можно эквивалентно заменить выражением «обычный способ производства листовой электротехнической анизотропной стали». Операции холодных прокаток и отжигов участвуют в создании и закреплении анизотропной структуры. Холодная прокатка может быть выполнена в одну стадию или в несколько стадий, между которыми могут выполняться иные операции, например промежуточные отжиги. В результате одной или нескольких холодных прокаток сталь приобретает конечную толщину листа. Нанесение защитного и электроизоляционного покрытия отвечает требованиям условий производства листовой электротехнической анизотропной стали и особенностям работы магнитопроводов - изделий, в которых находит применение производимая листовая электротехническая анизотропная сталь. Предлагаемый способ может включать и иные операции, не препятствующие достижению технического результата, например удаление шероховатости, грязи, подготовка поверхности к нанесению покрытий и т.д. Обработка полосы стали лазерным излучением с образованием на ее поверхности линейных следов лазерного воздействия, расположенных параллельно друг другу под углом к направлению прокатки, обеспечивает создание структурных барьеров, приводящих при дальнейшей обработке к искажению магнитной текстуры в локальных участках поверхности металла и образованию более дисперсной структуры областей (доменов) спонтанного намагничивания, чем в полосе стали, не подвергнутой такой лазерной обработке.
Выполнение обработки полосы стали лазерным излучением после ее холодной прокатки в конечную толщину листа обусловлено тем, что следы лазерного воздействия, образованные до холодной прокатки, устраняются деформацией в ходе холодной прокатки.
Выполнение обработки полосы стали лазерным излучением до ее высокотемпературного отжига приводит к тому, что на поверхности стали формируется дефект, который не поглощается в ходе аномального роста зерен. Напряжения, возникающие вокруг канавки и фрагментов литой структуры, обеспечивают заданную дисперсность дробления доменной структуры. При этом сформированная доменная структура обладает термической устойчивостью по сравнению с отсутствием термической устойчивости у доменных структур, сформированных в листовых электротехнических анизотропных сталях, произведенных теми известными способами, которые включают обработку лазерным излучением лишь после выполнения высокотемпературного отжига, но не до его выполнения.
Создание лазерного излучения с помощью источника непрерывного лазерного луча и источника импульсного лазерного луча обеспечивает возможность формировать различные области линейного следа лазерного воздействия посредством лазерных лучей с разными параметрами воздействия. Выбором каждого из источников лазерного луча и фокусирующей системы, которые известны в технике, можно обеспечить нужный диаметр луча и ширину следа воздействия каждого луча. Импульсный лазерный луч при достаточно высокой интенсивности излучения в импульсе позволяет использовать технологию лазерной абляции при формировании канавки.
Поперечные сечения лазерных лучей и их проекции на поверхность полосы стали имеют приблизительно круговую форму. Меньшее значение диаметра проекции на поверхность полосы стали импульсного лазерного луча, чем значение диаметра проекции на поверхность полосы стали непрерывного лазерного луча, позволяет использовать импульсный лазерный луч для воздействия не на все области образуемого линейного следа лазерного воздействия, а только на его осевую область (строго говоря, здесь имеется в виду диаметр проекции, измеренный в направлении, перпендикулярном линейному следу лазерного воздействия). Подразумевается, что предварительно определяют и обеспечивают такие диаметры проекций лазерных лучей, чтобы диаметр проекции импульсного лазерного луча был меньше ширины осевой области с литой структурой.
Большее значение плотности энергии излучения в проекции на поверхность полосы стали импульсного лазерного луча, чем значение плотности энергии излучения в проекции на поверхность полосы стали непрерывного лазерного луча, позволяет в осевой области следа лазерного воздействия осуществлять нагрев с большей скоростью и до более высоких температур, что позволяет при достаточной интенсивности излучения в импульсе испарять часть материала в проекции импульсного лазерного луча, при этом избегая значительного прогрева окружающего материала за пределами проекции импульсного лазерного луча.
Образование каждого линейного следа лазерного воздействия путем синхронизованного перемещения проекций непрерывного и импульсного лазерных лучей по поверхности полосы стали с отставанием импульсного лазерного луча от непрерывного лазерного луча, позволяет воздействовать импульсным лазерным лучом на участки поверхности полосы стали, предварительно нагретые воздействием непрерывного лазерного луча. Это позволяет снизить требования к интенсивности излучения в импульсе источника импульсного лазерного луча и к его мощности и позволяет снизить себестоимость выпускаемой продукции, так как дает возможность использовать менее дорогостоящий источник импульсного лазерного луча. Подразумевается, что опытным или расчетным путем предварительно определяют необходимые плотности энергии лазерных лучей, мощность источника непрерывного лазерного луча, мощности источника импульсного лазерного луча в импульсе и в периоде.
Формирование воздействием непрерывного лазерного луча осевой области линейного следа лазерного воздействия с литой структурой и периферийной области со структурой частичной рекристаллизации позволяет обеспечить нужную толщину периферийной области и нужные размеры осевой области независимо от размеров формируемой затем канавки в осевой области воздействием импульсного лазерного луча или с учетом степени влияния импульсного лазерного луча при некоторых условиях, например при больших размерах канавки.
Образование канавки в осевой области с литой структурой воздействием импульсного лазерного луча позволяет обеспечить нужные размеры канавки независимо от размеров областей с литой структурой и со структурой частичной рекристаллизации. Также в общем следе воздействия двух лазерных лучей толщину слоя с литой структурой, окружающего канавку, можно регулировать независимо от толщины слоя со структурой частичной рекристаллизации путем расширения и/или углубления канавки.
Формирование осевой области линейного следа лазерного воздействия с литой структурой шириной от 0,2 до 0,35 конечной толщины листа и глубиной от 0,15 до 0,2 конечной толщины листа, периферийной области со структурой частичной рекристаллизации толщиной от 0,2 до 0,3 конечной толщины листа, в совокупности с образованием в осевой области с литой структурой канавки шириной от 0,05 до 0,1 конечной толщины листа и глубиной от 0,05 до 0,1 конечной толщины листа, позволяет добиться снижения магнитных потерь и увеличения магнитной индукции в готовой продукции в оптимальном соотношении, причем величина магнитных потерь получает термическую устойчивость. Это было установлено авторами изобретения в условиях производственного предприятия заявителя опытным путем и на основе теоретических знаний. Границы указанных областей линейного следа лазерного воздействия наблюдают визуально с помощью микроскопа на поперечном разрезе полосы стали и на ее поверхности (границы канавки).
i
con
Определение плотности энергии излучения импульсного лазерного луча в проекции на поверхность полосы стали W и плотности энергии излучения непрерывного лазерного луча в проекции на поверхность полосы стали W соответственно по формулам:
i
i
i
0
2
W=4/π (E  f γ b sin φ/D а V) [Дж/м],
con
con
con
2
W=4/π (N b sin φ/D a V) [Дж/м],
con
con
i
i
i
con
0
-1
где V - скорость перемещения полосы стали, м/с, а - ширина полосы стали, м, φ - угол, под которым образуемые канавки располагаются к направлению прокатки, градус, b - расстояние между осями соседних образуемых канавок, расположенных на одной стороне поверхности полосы стали, м, N - мощность источника непрерывного лазерного луча, Вт, D- диаметр проекции непрерывного лазерного луча на поверхность полосы стали, м, E  - энергия излучения единичного импульса импульсного лазерного луча, Дж, f - частота импульсов, с, γ - скважность импульса, D - диаметр проекции импульсного лазерного луча на поверхность полосы стали, м, π - число, равное отношению длины окружности к ее диаметру, позволяет поддерживать постоянство размеров областей линейного следа лазерного воздействия, канавки и расстояния между соседними следами лазерного воздействия при изменении скорости перемещения полосы стали. Этим поддерживается постоянство и однородность значений магнитных потерь и магнитной индукции в партии продукции. Указанные величины W и W являются условными параметрами, отражающими интенсивность излучения в проекции на поверхность полосы стали соответственно импульсного лазерного луча (в импульсе) и непрерывного лазерного луча.
Мощности источников непрерывного и импульсного лазерных лучей предпочтительно регулировать в соответствии с соотношением:
con
i
N
N/N=k,
con
i
N
где N - мощность источника непрерывного лазерного луча, Вт, N - мощность источника импульсного лазерного луча, Вт, k - эмпирический коэффициент, учитывающий объем материала и температурное воздействие, а также теплофизические свойства стали в различных агрегатных состояниях, и равный:
N
k=(10÷15).
N
N
Заявитель и авторы установили экспериментальным путем, что при оптимальной величине линейного следа воздействия непрерывного лазера (с литой структурой и периферийной областью со структурой частичной рекристаллизации) и значениях k менее 10 возможно образование слишком широкой и глубокой канавки, что приводит к снижению плотности магнитного потока вследствие уменьшения эффективного сечения магнитопровода, а при значениях k более 15 образование канавки носит неустойчивый характер. В обоих указанных случаях технический результат изобретения может быть ослабленным.
Предпочтительно, чтобы проекция импульсного лазерного луча располагалась непосредственно за проекцией непрерывного лазерного луча и касалась ее, либо чтобы проекции лучей взаимно частично перекрывались, так чтобы задняя точка проекции импульсного лазерного луча не опережала заднюю точку проекции непрерывного лазерного луча. Отставание импульсного лазерного луча от непрерывного лазерного луча, выражающееся в отставании задней границы его проекции на поверхности полосы стали от задней границы проекции на поверхности полосы стали непрерывного лазерного луча, составляющем от 0 до 1 диаметра проекции на поверхности полосы стали импульсного лазерного луча (строго говоря, здесь имеется в виду диаметр проекции, измеренный в направлении, параллельном линейному следу лазерного воздействия), не оставляет временного промежутка между воздействиям непрерывного лазерного луча и импульсного лазерного луча в области образования канавки и в то же время обеспечивает завершение воздействия непрерывного лазерного луча к моменту завершения воздействия импульсного лазерного луча в перемещающейся области проекции импульсного лазерного луча. В таком случае сталь, расплавленная действием непрерывного лазерного луча, не успевает остыть прежде, чем подвергнется действию импульсного лазерного луча. Это позволяет снизить мощность импульсного лазерного луча, так как в этом случае он действует на сталь, предварительно разогретую и расплавленную воздействием непрерывного лазерного луча, и испарение стали при образовании канавки требует меньших затрат энергии. Возможно применение менее мощного источника импульсного лазерного луча. Благодаря этому снижаются производственные затраты производителя листовой электротехнической анизотропной стали.
Образование каждого линейного следа лазерного воздействия под углом 87-93 градуса к направлению прокатки обеспечивает наибольшую степень измельчения доменной структуры в готовой листовой стали. В случае если угол к направлению прокатки выходит за границы интервала 87-93 градуса, технический результат может проявляться слабо, или его обнаружение может быть затруднено, в зависимости от чувствительности контролирующих приборов и от однородности свойств в готовой продукции.
Образование каждого линейного следа лазерного воздействия на расстоянии 2-20 мм вдоль направления прокатки от соседнего линейного следа лазерного воздействия является предпочтительным. При меньшем, чем 2 мм, расстоянии между соседними линейными следами суммарный эффект от вносимых структурных дефектов оказывает заметное влияние на магнитную проницаемость электротехнической анизотропной стали, и технический результат может быть ослабленным. При большем, чем 20 мм, расстоянии между линейными следами, слабая дисперсность доменной структуры не позволяет значительно уменьшить магнитные потери в готовой продукции.
Обработка лазерным излучением только одной стороны поверхности полосы стали позволяет снизить затраты производителя на обустройство участка обработки полосы стали лазерным излучением.
Обработка лазерным излучением обеих сторон поверхности полосы стали позволяет повысить дисперсность доменной структуры с обеих сторон поверхности готовой листовой электротехнической анизотропной стали и усилить проявление технического результата - снижение магнитных потерь и термическую устойчивость магнитных потерь в готовой стали к последующим отжигам.
Сравнительный анализ предложенного решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями выявил, что способы производства листовой электротехнической анизотропной стали, включающие плавку, непрерывную разливку, горячую прокатку, одно- или двукратную холодную прокатку, обезуглероживающий отжиг, обезжиривание, нанесение защитного покрытия, высокотемпературный отжиг, нанесение электроизоляционного покрытия, выпрямляющий отжиг, а также включающие электромагнитное воздействие на поверхность движущейся полосы сканирующим лазерным лучом, широко известны. Однако совокупность всех существенных признаков заявленного изобретения не известна в технике, а связь этой совокупности существенных признаков с достижением технического результата не является очевидной для специалиста.
Предлагаемый способ поясняется примером его использования и следующими прилагаемыми упрощенными рисунками.
Фиг.1. Схема отставания импульсного лазерного луча от непрерывного лазерного луча (вид на поверхность полосы стали в плане).
Фиг.2. Предпочтительная схема отставания импульсного лазерного луча от непрерывного лазерного луча (вид на поверхность полосы стали в плане).
Фиг.3. Предпочтительная схема отставания импульсного лазерного луча от непрерывного лазерного луча (вид на поверхность полосы стали в плане).
Фиг.4. Предпочтительная схема отставания импульсного лазерного луча от непрерывного лазерного луча (вид на поверхность полосы стали в плане).
Фиг.5. Поперечное сечение линейного следа лазерного воздействия с формируемыми областями литой структуры и структуры частичной рекристаллизации до начала формирования канавки в изображенном сечении.
Фиг.6. Поперечное сечение линейного следа лазерного воздействия со сформированными областями литой структуры и структуры частичной рекристаллизации и с образованной канавкой в изображенном сечении до высокотемпературного отжига.
Фиг.7. Поперечное сечение линейного следа лазерного воздействия после высокотемпературного отжига.
Фиг.8. Произведенная листовая электротехническая анизотропная сталь (вид на поверхность полосы в плане).
Пример использования предлагаемого способа при изготовлении предлагаемой стали.
1
i
i
На предприятии заявителя ООО «ВИ3-Сталь» была произведена по технологииООО «ВИ3-Сталь» опытная партия листовой электротехнической анизотропной стали по ГОСТ 53934-2010 «Прокат тонколистовой холоднокатаный из электротехнической анизотропной стали» толщиной 0,23 мм с отличием, заключающимся в использовании предлагаемого способа. В качестве источников лазерных лучей использовали оптоволоконные непрерывный и импульсный лазеры. Излучение непрерывного и импульсного источников синхронизировали единой оптической системой развертки таким образом, чтобы получить на полосе стали проекции лазерных лучей в соответствии со схемой, изображенной на фиг.2. Схема на фиг.3 соответствует крайнему значению 1 предпочтительного интервала значений (0÷1) отставания импульсного лазерного луча от непрерывного лазерного луча, выраженных через диаметр проекции импульсного лазерного луча D. Схема на фиг.4 соответствует крайнему значению 0 предпочтительного интервала значений (0÷1) отставания импульсного лазерного луча от непрерывного лазерного луча, выраженных через диаметр проекции импульсного лазерного луча D. Полоса стали на прилагаемых фигурах обозначена позицией 1, ее поверхность (одна из двух сторон) - 2, проекция непрерывного лазерного луча - 3, проекция импульсного лазерного луча - 4, линейный след лазерного воздействия 5, направление перемещения проекций лазерных лучей обозначено стрелкой 6, направление прокатки обозначено стрелкой 7, угол между направлением прокатки и линейным следом лазерного воздействия -<р. Штрихпунктирной линией обозначена примерная ось линейного следа лазерного воздействия 5. Эту же ось можно считать осью области с литой структурой 8, осью канавки 9 и линией, по которой перемещаются центры проекций 3, 4 лазерных лучей. На фиг.1-4 линейный след лазерного воздействия, его области и канавка выделены фигурными скобками, границы следа, его областей и канавки на поверхности полосы стали условно показаны штриховыми линиями. Сплошными линиями условно (в искаженном масштабе) показаны движущиеся границы областей следа лазерного воздействия при его образовании.
C
С
Л
Л
Р
К
К
Сталь выплавили в конвертере, непрерывно разлили выплавленную сталь в слябы, подвергли ее нагреву в методических печах и горячей прокатке на непрерывном широкополосном стане горячей прокатки с получением полосы стали 1. Подвергли полученную полосу стали 1 травлению, первой холодной прокатке, обезуглероживающему отжигу, второй холодной прокатке - в конечную толщину листа 0,23 мм. После холодной прокатки в конечную толщину листа полосу стали обезжирили. Затем в специальном устройстве обработки лазерным излучением, позволяющем воздействовать последовательно непрерывным, а затем импульсным лазером, воздействием непрерывного лазера в материале полосы стали 1 с обеих сторон ее поверхности сформировали под углом φ в 90 градусов к направлению прокатки 7 на расстоянии b друг от друга, равном 7 мм, термические линейные следы лазерного воздействия 5 шириной L около 190 мкм (0,83 конечной толщины листа) и глубиной Н около 100 мкм (0,43 конечной толщины листа), состоящие из области литой структуры 8 шириной L около 70 мкм (0,30 конечной толщины листа), глубиной Н до 40 мкм (0,17 конечной толщины листа), и термически измененной холоднокатаной матрицы с частично рекристаллизованным зерном - области со структурой частичной рекристаллизации 10 толщиной Т около 60 мкм (0,26 конечной толщины листа), см. фиг.5. Изображение фиг.5 условное, поскольку в действительности формирование области со структурой частичной рекристаллизации 10 может завершаться после образования канавки 9 в данном сечении, вследствие относительно медленного прогрева области 10. Последующим воздействием импульсным лазером вызвали испарение части металла и образование канавки 9 глубиной Н около 15-20 мкм (0,065-0,087 конечной толщины листа) и шириной L около 15-20 мкм (0,065-0,087 конечной толщины листа), см. фиг.6. Глубина и ширина канавки указаны приблизительно, так как допустимы небольшие колебания ширины и глубины канавки в зависимости от частоты и скважности импульсов импульсного лазерного луча. Отношение плотностей энергий излучения лазерных лучей составляло:
i
con
W/W=40;
отношение мощностей непрерывного лазера и импульсного лазера составляло:
con
i
N
N/N=k=12,6.
i
K
СГ
ЛГ
2,3
Отставание импульсного лазерного луча от непрерывного лазерного луча, выраженное в отставании задней границы 11 его проекции 4 на поверхности 2 полосы стали от задней границы 12 проекции 3 на поверхности 2 полосы стали непрерывного лазерного луча, составляло 0,5 D. Полученный таким способом глубокий термический след лазерного воздействия 5 создает растягивающие напряжения по всему объему рекристаллизуемого материала полосы 1, что в совокупности с последующим высокотемпературным отжигом приводит к усилению остроты кристаллической текстуры и повышению магнитной проницаемости электротехнической анизотропной стали. При высокотемпературном отжиге в процессе вторичной рекристаллизации растущие зерна поглощают все дефектные объемы матрицы за исключением канавки 9, окруженной фрагментами литой структуры. Эти устойчивые к термическому воздействию объекты обеспечивают эффект дробления доменной структуры в готовой листовой электротехнической анизотропной стали, снижая магнитные потери на вихревые токи. А проведение процесса рекристаллизации в присутствии дополнительных растягивающих напряжений обеспечивает увеличение остроты кристаллической текстуры и увеличение магнитной проницаемости материала. Канавка 9 на поверхности полосы 2 и большая часть окружающих ее элементов области с литой структурой 8 не поглощаются при высокотемпературном отжиге растущими зернами госсовской ориентации и обеспечивают эффект дробления доменной структуры в готовой стали. Область со структурой частичной рекристаллизации 10 в результате последующего высокотемпературного отжига поглощается растущей структурой госсовской ориентации. Непрерывный лазер обеспечивает нагрев и плавление металла, а импульсный лазер обеспечивает испарение части материала с образованием канавки 9. Такое разделение позволяет получить необходимый глубокий термический линейный след лазерного воздействия и выраженную область литой структуры, сохраняющуюся после высокотемпературного отжига в значительной степени, а также канавку 9 минимальной глубины H, которая не оказывает существенного влияния на снижение магнитного потока в готовой полосе листовой электротехнической анизотропной стали. Также это позволяет использовать лазерные источники пониженной мощности, что снижает стоимость капитальных вложений в оборудование и эксплуатационные затраты. После обработки полосы стали 1 лазерным излучением на нее нанесли защитное покрытие (не показано) и подвергли высокотемпературному отжигу. Затем нанесли электроизоляционное покрытие 13 и подвергли выпрямляющему отжигу. Полученная сталь является примером осуществления технического решения «листовая электротехническая анизотропная сталь», раскрытого ниже в настоящем описании. В полученной готовой стали остаточный след лазерного воздействия 5г состоит из остаточной области с литой структурой 8г с канавкой 9 (см. фиг.8). Ширина L следа лазерного воздействия 5г в готовой стали совпадает с шириной L области с литой структурой 8г.
Из произведенной листовой электротехнической анизотропной стали отобрали листовые образцы размером 305 мм × 150 мм для определения свойств. Образцы отбирали из соседних участков полосы для исключения влияния изменения свойств по длине рулона.
Свойства тонколистовой электротехнической анизотропной стали толщиной 0,23 мм, полученной в результате опытного использования предлагаемого технического решения, измеренные на установке SST ("single sheet test"), изготовитель Brockhaus Messtechnik (Германия), представлены в таблице 1.
Из анализа данных таблицы 1 можно сделать вывод, что в стали, обработанной лазером, потери на перемагничивание ниже, а магнитная индукция выше, чем в стали, которая такую обработку не проходила. Снижение магнитых потерь в образце в стандартном испытании может составлять от 0,01 до 0,11 Вт/кг. Повышение магнитной индукции в образце в стандартном испытании может составлять от 0,00 до 0,06 Тл. Электромагнитные свойства стали, обработанной лазером, соответствуют или превосходят свойства по ГОСТ для марки T95-23D. При этом данные свойства сохраняются при любых последующих технологических отжигах, то есть сталь, полученную предлагаемым способом, можно применять для изготовления как шихтованных, так и витых магнитопроводов. Электромагнитные свойства стали, полученной с использованием предлагаемого способа - выше, чем у стали, полученной известными способами. Образцы готовой стали подвергли повторным отжигам при температуре 850°C в течение 10 минут в проходной печи с защитной атмосферой и провели повторные испытания магнитных свойств. Среднее увеличение магнитных потерь в образцах в результате повторного отжига составило, Вт/кг:
0,01 при однократном повторном отжиге при температуре 850°C в течение 10 мин;
0,01 при двукратном повторном отжиге при температуре 850°C в течение 10 мин в каждом повторном отжиге.
Использование предлагаемого способа производства листовой электротехнической анизотропной стали позволяет не только снизить магнитные потери при повышении уровня магнитной индукции, но также снизить себестоимость выпускаемой продукции и получить дополнительную прибыль от ее реализации.
Предлагаемый способ производства листовой электротехнической анизотропной стали может применяться на существующих предприятиях по производству трансформаторных сталей с использованием известных источников лазерного излучения и известных оптических систем развертки и синхронизации.
Известна листовая электротехническая анизотропная сталь (см. публикацию ЕР 0992591 A3 заявки на выдачу патента; (IPC1-7):C21D 8/12; 07.02.2011), содержащая на своей поверхности линейные следы лазерного воздействия в виде канавок или структурных следов термического воздействия (литая структура), расположенные параллельно друг другу под углом к направлению прокатки. Эта сталь рассматривается в качестве ближайшего аналога предлагаемой листовой электротехнической анизотропной стали. Линейные следы лазерного воздействия, расположенные параллельно друг другу под углом к направлению прокатки, являются барьерами при формировании доменной структуры, обеспечивают термическую стабильность магнитных свойств ближайшего аналога при обработке и эксплуатации. Недостатком является ограниченная величина канавки и (или) области с литой структурой. В ближайшем аналоге размер области с литой структурой прямо связан с размером канавки, так как они выполнены одним лазерным лучом. При этом не достигается оптимальное соотношение их размеров для обеспечения дисперсности доменной структуры. Уменьшение размеров канавки и области с литой структурой ведет к ослаблению эффекта дробления доменной структуры. Увеличение глубины канавки ведет к нежелательному снижению магнитной индукции. Другим недостатком ближайшего аналога является сохранение на прежнем уровне или снижение магнитной проницаемости после нанесения следов лазерного воздействия.
Указанная выше задача повышения технических характеристик холоднокатаной листовой электротехнической анизотропной стали, а именно снижения магнитных потерь при повышении уровня магнитной индукции, а также получения термической устойчивости величины магнитных потерь, решается тем, что на поверхности листовой электротехнической анизотропной стали образованы линейные следы лазерного воздействия, расположенные параллельно друг другу под углом к направлению прокатки, причем каждый линейный след лазерного воздействия выполнен в виде области с литой структурой, имеющей оптимальные размеры: ширина от 0,2 до 0,35 толщины листа и глубина от 0,15 до 0,2 толщины листа. Вдоль оси области с литой структурой образована канавка, размеры которой оптимизированы особо: ширина от 0,05 до 0,1 толщины листа и глубина от 0,05 до 0,1 толщины листа.
В общем случае осуществления предлагаемая сталь отличается от ближайшего аналога тем, что каждый линейный след лазерного воздействия выполнен в виде области с литой структурой шириной от 0,2 до 0,35 толщины листа и глубиной от 0,15 до 0,2 толщины листа, с канавкой шириной от 0,05 до 0,1 толщины листа и глубиной от 0,05 до 0,1 толщины листа вдоль области с литой структурой.
В первом частном случае осуществления предлагаемая сталь дополнительно отличается тем, что каждый линейный след лазерного воздействия расположен под углом 87-93 градуса к направлению прокатки.
Во втором частном случае осуществления предлагаемая сталь дополнительно отличается тем, что каждый линейный след лазерного воздействия расположен на расстоянии 2-20 мм вдоль направления прокатки от соседнего линейного следа лазерного воздействия.
В третьем частном случае осуществления предлагаемая сталь дополнительно отличается тем, что линейные следы лазерного воздействия расположены с одной стороны ее поверхности.
В четвертом частном случае осуществления предлагаемая сталь дополнительно отличается тем, что линейные следы лазерного воздействия расположены с обеих сторон ее поверхности.
Образованные на поверхности предлагаемой стали линейные следы лазерного воздействия, расположенные параллельно друг другу под углом к направлению прокатки, являются барьерами при формировании доменной структуры, обеспечивают термическую стабильность магнитных свойств стали при последующих температурных нагрузках.
Выполнение каждого линейного следа лазерного воздействия в виде области с литой структурой шириной от 0,2 до 0,35 толщины листа и глубиной от 0,15 до 0,2 толщины листа и с канавкой шириной от 0,05 до 0,1 толщины листа и глубиной от 0,05 до 0,1 толщины листа вдоль оси области с литой структурой обеспечивает в совокупности температурную устойчивость величины магнитных потерь предлагаемой стали к последующему отжигу (до 850°C) и повышенную магнитную индукцию в сравнении с прототипом и другими известными листовыми электротехническими анизотропными сталями. Эти устойчивые к термическому воздействию объекты обеспечивают эффект дробления доменной структуры в готовой листовой электротехнической анизотропной стали при ее последующем отжиге, что обеспечивает устойчивость к отжигу величины магнитных потерь на вихревые токи. Указанные размеры канавки достаточно малы, чтобы не оказывать существенного отрицательного влияния на магнитную проницаемость листовой электротехнической анизотропной стали, при этом достаточно глубокий термический линейный след лазерного воздействия создает в процессе последующего высокотемпературного отжига (до 850°C) готовой полосы стали растягивающие напряжения по всему объему рекристаллизуемого материала, что обеспечивает увеличение остроты кристаллической текстуры и повышение магнитной проницаемости предлагаемой листовой электротехнической анизотропной стали после такого отжига, в отличие от прототипа и иных аналогов. Авторами изобретения установлено экспериментально, что указанные размеры области с литой структурой и размеры канавки в готовой стали являются оптимальными для выполнения ими функции термически устойчивых структурных барьеров при последующих отжигах.
Расположение каждого линейного следа лазерного воздействия под углом 87-93 градуса к направлению прокатки обеспечивает наибольшую степень проявления эффекта дробления доменной структуры и снижения величины магнитных потерь. В случае если угол к направлению прокатки выходит за границы интервала 87-93 градуса, дисперсность доменной структуры может снижаться.
Расположение каждого линейного следа лазерного воздействия на расстоянии 2-20 мм вдоль направления прокатки от соседнего линейного следа лазерного воздействия является предпочтительным. При меньшем, чем 2 мм, расстоянии между соседними линейными следами при последующих отжигах суммарный эффект от вносимых структурных дефектов оказывает заметное влияние на магнитную проницаемость листовой электротехнической анизотропной стали, и технический результат может быть ослабленным. При большем, чем 20 мм, расстоянии между линейными следами, слабая дисперсность доменной структуры не позволяет значительно уменьшить магнитные потери в готовой продукции.
Расположение линейных следов лазерного воздействия с одной стороны поверхности предлагаемой стали позволяет ограничить производственные затраты при ее получении в сравнении с двухсторонней обработкой лазерным излучением.
Расположение линейных следов лазерного воздействия с обеих сторон поверхности предлагаемой стали позволяет дополнительно снизить магнитные потери и обеспечить термическую устойчивость величины магнитных потерь предлагаемой стали к отжигу при температуре до 850°C, так как без существенного влияния на магнитную проницаемость стали увеличивается общее количество линейных следов лазерного воздействия. Увеличение числа структурных барьеров укрупнения доменной текстуры повышает их совокупный вклад в достижение технического результата.
СГ
ЛГ
ЛГ
K
K
Существенные признаки предлагаемой стали и их связь с техническим результатом поясняются схематическими изображениями на прилагаемых фиг.7, фиг.8 и описанием примера ее производства предлагаемым способом, приведенным выше в настоящем описании. На фиг.7 и фиг.8 обозначены листовая электротехническая анизотропная сталь 1 с толщиной листа 0,23 мм, ее поверхность 2, линейный след лазерного воздействия 5г, область с литой структурой 8г, канавка 9, расстояние b между соседними линейными следами лазерного воздействия, ширина L линейного следа лазерного воздействия 5г, совпадающая с шириной L области с литой структурой 8г и равная 70 мкм (0,3 толщины листа), глубина Н области с литой структурой 8г, равная 40-45 мкм (0,17-0,2 толщины листа), ширина L канавки 9, равная 15-20 мкм (0,065-0,087 толщины листа), глубина Н канавки 9, равная 15-20 мкм (0,065-0,087 толщины листа), стрелка 6 направления линейных следов лазерного воздействия, стрелка 7 направления, в котором сталь подвергалась прокатке при ее производстве, угол φ между направлением линейных следов лазерного воздействия и направлением, в котором сталь подвергалась прокатке, равный 90 градусам.
Предлагаемую листовую электротехническую анизотропную сталь можно получить на существующих предприятиях с использованием технического решения «Способ производства листовой электротехнической анизотропной стали», раскрытого выше в настоящем описании.
Предлагаемая листовая электротехническая анизотропная сталь может найти применение в производстве шихтованных и витых магнитопроводов с низкими потерями энергии на перемагничивание и высокой магнитной индукцией.
Литература
1. Лобанов М.Л., Русаков Г.М., Редикульцев А.А. Электротехническая анизотропная сталь // Металловедение и термическая обработка металлов. №7, 8 М., 2011.
2. Беляков А.И., Борисенко В.Г., Духанова З.И. и др. Влияние растяжения полос при термической обработке в проходной печи на магнитные свойства трансформаторной стали // Сталь. 1967. №5. С.455-458.
3. Соколов Б.К., Губернаторов В.В. Влияние натяжения при рекристаллизационных отжигах на структуру и свойства трансформаторной стали. В сб.: Структура и свойства трансформаторной стали. Свердловск: ИФМ УНЦ АН СССР, 1977. С.60-65.
Таблица 1
№ образца и вид обработки
Р1,5/50, Вт/кг
Р1,7/50, Вт/кг
В100, Тл
В800, Тл
В2500, Тл
1.1 - без обработки
0,66
0,95
1,72
1,88
1,94
1.2 - обработано лазером
0,64
0,91
1,74
1,88
1,95
2.1 - без обработки
0,66
0,98
1,70
1,86
1,93
2.2 - обработано лазером
0,64
0,93
1,73
1,88
1,94
3.1 - без обработки
0,66
0,95
1,72
1,87
1,94
3.2 - обработано лазером
0,65
0,93
1,73
1,88
1,95
4.1 - без обработки
0,69
1,00
1,69
1,86
1,94
4.2 - обработано лазером
0,63
0,89
1,75
1,89
1,95
5.1 - без обработки
0,68
0,97
1,71
1,87
1,94
5.2 - обработано лазером
0,66
0,95
1,71
1,87
1,94
6.1 - без обработки
0,67
0,96
1,72
1,87
1,94
6.2 - обработано лазером
0,64
0,92
1,75
1,88
1,94
7.1 - без обработки
0,70
1,01
1,71
1,87
1,94
7.2 - обработано лазером
0,64
0,92
1,73
1,88
1,95
В100, В800, В2500 - магнитная индукция (Тл), измеренная при напряженности магнитного поля соответственно 100, 800, 2500 А/м;
Р1,7/50, Р1,5/50 - удельные магнитные потери (Вт/кг), измеренные при магнитной индукции в магнитопроводе соответственно 1,7 и 1,5 Тл и частоте электромагнитного поля 50 Гц.