Способ производства анизотропной электротехнической стали с термостабильными лазерными барьерами
METHOD OF PRODUCING ANISOTROPIC ELECTRICAL STEEL WITH THERMOSTABLE LASER BARRIERS

Изобретение относится к металлургии, конкретно к технологии производства листовой анизотропной электротехнической стали, преимущественно, с ориентированной зеренной структурой, которая может быть использована для изготовления различного типа магнитопроводов, в том числе, сердечников трансформаторов и других электрических машин.
Такая сталь должна иметь низкие удельные магнитные потери на перемагничивание и обеспечивать высокую индукцию после сборки магнитопроводов.
Одним из эффективных способов снижения удельных магнитных потерь является создание в поверхностном слое стального листа различных структурных барьеров, которые обеспечивают оптимизацию доменной структуры.
Известен способ изготовления анизотропной электротехнической стали, который включает горячую прокатку, по крайней мере одну холодную прокатку, обезуглероживающий и рекристаллизационный отжиги и обработку поверхности полосы лазером перпендикулярно направлению прокатки в магнитном поле с заданной напряженностью (по пат. SU 1744128 А1 1992). С целью снижения магнитных потерь обработку лазером предложено проводить в магнитном поле, ориентированном вдоль направления прокатки.
Недостатком данного способа является его недостаточно высокая эффективность, кроме того, применение известного решения связано с неизбежными дополнительными энергозатратами и технологическими трудностями применения. Кроме того, наблюдается нестабильность получаемого эффекта после изготовления магнитопровода.
Например, при изготовлении витых магнитопроводов, используемых в трансформаторах высокой и средней мощности, существует необходимость проведения отжига для снятия напряжений полученных в процессе изготовления. Однако, в процессе снятия напряжений, нейтрализуется эффект оптимизации доменной структуры полученный за счет поверхностных структурных барьеров, что приводит к незапланированному росту удельных магнитных потерь. При изготовлении плоских магнитопроводов также существуют проблемы с изменением свойств пакетов стали, поскольку вибрация пластин в процессе эксплуатации под действием сил, формируемых магнитным полем, а также вследствие магнитострикции пластин, приводит к разрыхлению изоляционного покрытия, ослаблению сил трения между пластинами пакета и повышению уровня шума, что часто является недопустимым. Пропитка готовых сердечников диэлектрическими смолами, см., например, http://www.cqham.ru/forum/showthread.php?27131-%C7%F3%E4%E8%F2-%F2%F0%E0%ED%F1%F4%EE%F0%EC%E0%F2%EE%F0&s=a156ae36b330 4af9b295bfa7c479835e, решает проблему, но является дорогостоящей операцией и существенно повышает стоимость готовых изделий.
2
2
2
Наиболее близким к описываемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ производства текстурованного листа электротехнической стали (по пат. RU 2509163 С1 2011), включающий формирование канавок, каждая из которых имеет заданную длину и вытянута в направлении пересечения с направлением транспортировки текстурованного листа электротехнической стали, при заданных интервалах в направлении транспортировки, посредством облучения лазерным лучом при сканировании поверхности, причем лазерный луч представляет собой луч лазера непрерывного излучения с длиной волны λ от 1,0 до 2,1 мкм, с плотностью мощности Pd [Вт/мм], полученной делением интенсивности Р лазерного луча на площадь S сфокусированного луча, составляющей 5-105 Вт/мм или более, при этом плотность мощности Pd [Вт/мм] и скорость сканирования V [мм/с] сфокусированного пятна лазерного луча на поверхности текстурованного листа электротехнической стали удовлетворяет соотношению 0,005⋅Pd+3000≤V≤0,005⋅Pd+40000. При этом возможно формирование затвердевшего слоя на внешней поверхности канавки.
Недостатком данного способа является сложность реализации данной технологии в промышленных условиях с учетом необходимости производить расплавление металла в зоне обработки лазером для получения затвердевшего слоя на внешней поверхности канавки без прожига полосы и обеспечить его застывание без коробления металла. Кроме того, эффект от оптимизации доменной структуры, получаемый после такой обработки, нестабилен и зачастую снижается в результате отжига магнитопроводов.
Таким образом, существующие способы производства электротехнической стали, в том числе, анизотропной электротехнической стали со структурными барьерами не обеспечивают стабильности получаемого эффекта по снижению удельных магнитных потерь после отжига витых магнитопроводов, не являются универсальными и не обеспечивают стабильность механических свойств готовых изделий при эксплуатации.
Предлагаемое техническое решение направлено на решение задачи по получению анизотропной электротехнической стали с барьерами, эффективно снижающими удельные магнитные потери за счет оптимизации доменной структуры и обладающими эффектом термостабильности в процессе отжига витых магнитопроводов. Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в уменьшении удельных магнитных и электрических потерь в сердечниках с одновременной стабилизацией свойств стального листа при изготовлении готовых изделий, в том числе, при проведении технологического отжига, а также в процессе эксплуатации готовых магнитопроводов.
Указанный результат достигается за счет того, что предложен способ изготовления листовой заготовки для производства магнитопроводов, заключающийся в том, что изготавливают лист анизотропной электротехнической стали, с нанесенным на поверхность листа форстеритным защитным покрытием;
наносят на поверхность листа порошковое минеральное покрытие;
закрепляют частицы порошкового минерального покрытия на поверхности листа с формированием диэлектрического покрытия;
и нагревают поверхность листа пучком лазерного излучения, перемещающимся по поверхности листа с обеспечением расплавления поверхностного слоя, формирования канавки на поверхности анизотропной электротехнической стали, и образованием вдоль канавки поверх канавки гранул керамических частиц, связанных стекловидной массой. Перед нагреванием поверхности листа пучком лазерного излучения, в частном случае реализации, закрепляют частицы минерального порошкового покрытия на поверхности листа путем нагрева листа при проведении выпрямляющего отжига. Также, в частном случае реализации, нагрев поверхности листа пучком лазерного излучения, перемещающимся по поверхности листа с обеспечением расплавления поверхностного слоя, формированием канавки на поверхности анизотропной электротехнической стали, и образованием вдоль канавки поверх канавки гранул керамических частиц, связанных стекловидной массой производят до нанесения порошкового минерального покрытия. Еще в одном частном случае реализации, перед нагреванием поверхности листа пучком лазерного излучения, закрепляют частицы минерального порошкового покрытия на поверхности листа путем нагрева листа при проведении выпрямляющего отжига. Нагрев поверхности листа пучком лазерного излучения, перемещающимся по поверхности листа, может быть проведен с обеспечением расплавления поверхностного слоя, формированием канавки на поверхности анизотропной электротехнической стали, и образованием вдоль канавки поверх канавки гранул керамических частиц, связанных стекловидной массой может быть произведен до нанесения на поверхность листа минерального покрытия.
В другом частном случае реализации перед нанесением защитного покрытия проводят завершающую холодную прокатку и обезуглероживающий отжиг стального листа в отдельных случаях совмещенный с азотированием, также перед нанесением защитного покрытия проводят холодную прокатку, обезуглероживающий отжиг и завершающую холодную прокатку стального листа.
Нагрев поверхности листа пучком лазерного излучения, перемещающимся по поверхности листа с обеспечением расплавления поверхностного слоя, формированием канавки на поверхности анизотропной электротехнической стали, и образованием вдоль канавки поверх канавки гранул керамических частиц, связанных стекловидной массой может быть произведен до или перед нанесением на поверхность листа минерального покрытия.
Материал минерального порошкового покрытия может содержать окислы Mg, Si, Al, а также неизбежные примеси.
На фиг. 1 показан внешний вид гранул, формируемых в процессе реализации изобретения.
Изобретение реализуется следующим образом:
На первом этапе производят выплавку слябов из стали с содержанием кремния от 3 до 3,3%, где остальное железо и неизбежные примеси и внесенные элементы для обеспечения технологии, например, алюминий, используемый в качестве раскислителя, азот, формирующий нитриды и сера, используемая для формирования сульфидов.
Далее производится горячая прокатка стали до толщины около 3 мм. В процессе нагрева слябов растворяются сформировавшиеся при выплавке включения, материал которых повторно выпадает при охлаждении, но с уменьшением размера включений относительно исходных.
Далее производится нормализация проката целью охлаждения и формирования однородной структуры в толще листа. А также травление, в процессе которого поверхность листа очищается от окалины и окислов, а результате чего существенно повышается стабильность свойств готовой продукции.
В процессе холодной прокатки до толщины от 0,65 до 1 мм формируется стальной лист с анизотропной структурой, а последующее однократное уменьшение толщины листа в три раза и более, существенно повышает анизотропность проката, обеспечивает стабильность свойств стали при технологическом отжиге, а также при механической обработке, в том числе при точечной сварке, ударных воздействиях и создании зон локальной напряженности, например, при соединении листов в пакет с использованием механического крепежа.
При первичной холодной прокатке листа до толщины менее 0,65 мм, существенное повышение анизотропности стали, при последующем уменьшении толщины листа, не происходит, а при последующей прокатке листа толщиной более 1 мм происходит снижение качества проката в части механической прочности готовой продукции и магнитных свойств проката. Последующее уменьшение толщины стали менее чем в 2,5
раза не обеспечивает существенное повышение анизотропности проката, а максимальное уменьшение толщины проката, обеспечивающее повышение анизотропности, ограничивается только параметрами технологического процесса. Например, образование трещин и разрывов в готовой продукции, при чрезмерном истончении проката, недопустимо.
Обезуглероживающе-рекристаллизационный отжиг проводится в агрегатах непрерывного отжига полосы. При этом происходит разупрочнение металла вследствие проходящей рекристаллизации и из полосы удаляется избыточный углерод, внесенный в процесс выплавки сляба. Кроме этого происходит окисление поверхности полосы с образованием зоны внутреннего окисления (ЗВО) металла глубиной несколько мкм. Данный слой впоследствии используется в качестве подложки для формирования грунтового слоя электроизоляционного покрытия. В частном случае данная операция совмещается с дополнительным азотированием стали.
Нанесение термостойкого покрытия производится на агрегатах защитных покрытий протяжного типа. После задачи и размотки полоса очищается от остатков смазочно-охлаждающей жидкости, сохранившихся после холодной прокатки, после чего на полосу наносится водная суспензия MgO в виде водной суспензии, после чего полоса сушится в процессе прохождения полосы через печь. На выходе из печи полоса сматывается в рулон, после чего проводится высокотемпературный отжиг.
Высокотемпературный отжиг (ВТО) проводится путем отжига рулонов в высокотемпературных печах в атмосфере водорода. Температуры отжига превышают 1100°С. Длительность отжига - несколько суток. В процессе отжига проходит первичная, а затем вторичная рекристаллизация. При этом происходит избирательный рост зерна с получением текстуры Госса. Часть MgO проникает в поверхность ЗВО и формирует на поверхности соединение форстерит.
Последующее нанесение электроизоляционного покрытия и выпрямляющий отжиг проводится в протяжных агрегатах. После размотки полоса промывается от остатков MgO и сушится. Далее наносится электроизоляционное покрытие которое пропитывает грунтовый слой. Покрытие сушится в печи, в процессе чего осуществляется выпрямляющий отжиг для снятия остаточных внутренних напряжений.
Дополнительная лазерная обработка проводится селективно для определенного объема металла. В процессе обработки поверхность проката скрайбируется лазерным пучком по ширине полосы с образованием «дорожки» которая является барьером для областей самопроизвольного магнитного насыщения (магнитных доменов) на которые разбивается ферромагнетик. При этом мощность лазерного излучения и ширина пятна выбираются такими, что обеспечивается расплавление окислов металлов до вязкости, достаточной для формирования стекловидных гранул или керамических частиц, связанных стекловидной массой, содержащих керамические включения, пример которых показан на фиг.1. Кристаллическая структура керамических включений обеспечивает более наиболее плотное сцепление гранул с поверхностью металла, однако, с формированием под гранулами углублений, получение гранул состоящих из керамических частиц, связанных стекловидной массой или полностью стекловидных гранул не снижает прочность сцепления гранул с поверхностью металла за счет повышения общей поверхности границы соприкосновения и общего соотношения вогнутости/выпуклости границ. В частном случае дополнительная лазерная обработка проводится после промывки полосы от остатков MgO и сушки и до нанесения электроизоляционного покрытия.
В процесс лазерной обработки, частицы окислы кремния и магния, входящие в состав электроизоляционного покрытия, избирательно расплавляются и под действием сил поверхностного натяжения, собираются в гранулы, увлекая также тугоплавкие керамические частицы, расположенные на поверхностном слое. Повышенная твердость гранул обеспечивает плотное соединение листов в пакете между собой, что гарантирует стабильность механических свойств пакетов в процессе эксплуатации, также экспериментально установлено, что под гранулами в поверхности листа формируются углубления, которые являются барьерами для областей самопроизвольного магнитного насыщения, магнитных доменов, формирующих микроструктуру ферромагнетика, что существенно снижает магнитные потери в материале. Кроме этого, разделение листов электроизоляционным материалом гранул снижает электрические потери в готовой продукции.
Сформированные дорожки с керамическими включениями являются эффективными барьерами для дробления доменов и при этом стойкими к воздействию температуры и операциям по переработке листа для изготовления магнитопроводов.
Лазерную обработку поверхности проката проводят таким образом, что подбираемая совокупность параметров лазерной обработки, включая размер проекции пятна, мощность излучения и скорость сканирования луча, должны обеспечивать оплавление тонкого поверхностного слоя полосы с образованием в зоне воздействия луча вкраплений керамических соединений, содержащих Mg, Si, О.
Указанные вкрапления керамических соединений являются стойкими к термическому воздействию и при этом эффективно оптимизируют доменную структуры анизотропной электротехнической стали. Последующее дополнительное нанесение электроизоляционного покрытия и его сушка не оказывают влияния на общий характер сформированной доменной структуры, сформированные на дне канавок множество вкраплений керамических соединений являются стойкими к воздействию температуры и операциям по переработке листа и эффективными барьерами для дробления доменов.
Полученный общий эффект по снижению удельных магнитных потерь в результате проведенных операций сохраняется после отжига собранного пакета магнитопровода.