Способ производства особонизкоуглеродистой холоднокатаной электротехнической изотропной стали с высоким комплексом магнитных и механических свойств
METHOD FOR PRODUCING ULTRA LOW CARBON COLD-ROLLED ELECTROTECHNICAL ISOTROPIC STEEL WITH HIGH COMPLEX OF MAGNETIC AND MECHANICAL PROPERTIES

Изобретение относится к черной металлургии, конкретно к производству особонизкоуглеродистой холоднокатаной электротехнической изотропной стали с высоким комплексом магнитных и механических свойств, используемой для изготовления высокочастотных двигателей для электромобилей и электротехнических устройств с высокой энергоэффективностью.
Характерной особенностью качества такой стали является сочетание низких удельных магнитных потерь, высокой магнитной индукции и высокого уровня прочностных свойств (предел текучести, временное сопротивление разрыву). Во многом эти характеристики достигаются оптимизацией структурного и текстурного состояний стали, которые в значительной степени определяются химическим составом и технологией обработки металла.
Одним из способов снижения удельных магнитных потерь, увеличения магнитной индукции и управления уровнем прочностных свойств является снижение содержания примесных элементов (углерода, азота, серы, титана), легирование такими элементами как кремний и алюминий, а также управление процессами текстурообразования при холодной прокатке и термической обработке.
Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип к предложенному изобретению является способ производства электротехнической изотропной стали, приведенный в патенте РФ №2521921 «Способ производства особонизкоуглеродистой холоднокатаной изотропной электротехнической стали», в котором для улучшения характеристик готовой стали при легировании и внепечной обработке используют материалы с низким содержанием углерода. Применение таких материалов позволяет получить в готовой стали особонизкое содержание углерода и снизить уровень удельных магнитных потерь. Недостатком данного способа является относительно низкий уровень магнитных и неоптимальный уровень прочностных свойств готового металла. В этом способе не учитывается влияние прочих легирующих и примесных элементов, а также изменение текстуры при холодной прокатке и термической обработке.
Технической задачей, на осуществление которой направлено техническое решение предлагаемого изобретения, является получение низкого содержания примесных элементов (углерода, азота, серы, титана), обеспечение требуемого химического состава по содержанию легирующих элементов и получение благоприятных текстурных ориентировок в готовой электротехнической изотропной стали. При этом достигается получение такого технического результата, как обеспечение низких удельных магнитных потерь, высокой магнитной индукции и высокого уровня прочностных свойств (предел текучести, временное сопротивление разрыву) в готовой стали.
2
3
Для решения поставленной задачи в предлагаемом способе производства особонизкоуглеродистой холоднокатаной электротехнической изотропной стали с высоким комплексом магнитных и механических свойств, включающем выплавку стали, содержащую, масс. % менее 0,005 углерода, от 2,5 до 3,5 кремния, от 0,05 до 1,00 марганца, менее 0,013 азота, менее 0,015 серы, от 0,1 до 1,5 алюминия, 0,01-0,10 сурьмы, менее 0,01 титана, железо и неизбежные примеси - остальное, с комбинированной продувкой металла в конвертере, обезуглероживанием металла в вакууме, легированием стали рафинированным от углерода ферросилицием, непрерывную разливку стали в слябы, горячую прокатку, нормализационный отжиг, травление, холодную прокатку на окончательную толщину и окончательный отжиг с нанесением электроизоляционного покрытия. При производстве слябов в качестве твердой металлошихты используют горячебрикетированное железо с расходом до 200 кг/т стали, для наведения шлака в сталеразливочном ковше используют известь металлургическую и высокоглиноземистый материалы (с содержанием AlO не менее 70%) в соотношении 1:1, в процессе легирования во время вакуумирования присаживают ферросилиций с содержанием углерода не более 0,01% в количестве, обеспечивающем содержание кремния в расплаве в пределах от 2,5 до 3,5%, используют бетонные монолитные сталеразливочные ковши (шлаковый пояс - из периклазоуглеродистого кирпича с содержанием углерода не более 10%), разливку ведут с использованием ассимилирующей шлакообразующей смеси для промежуточного ковша с содержанием углерода не более 0,35% и шлакообразующей смеси для кристаллизатора с содержанием углерода не более 2,1%.
При этом режимы холодной прокатки имеют следующие вариации:
- холодная прокатка на окончательную толщину производят в 2 этапа с промежуточным отжигом по следующей схеме - прокатка на промежуточную толщину, промежуточный отжиг, прокатка на конечную толщину;
- суммарная степень деформации при холодной прокатке на окончательную толщину составляет не менее 70%.
- степень деформации при холодной прокатке на промежуточную толщину составляет не менее 30%.
Такие элементы как хром, никель и медь в электротехнической изотропной стали оказывают отрицательное влияние на уровень магнитных свойств за счет дополнительного рассеяния магнитного поля на данных примесных атомах. Использование при выплавке стали в качестве твердой металлошихты горячебрикетированного железа с расходом до 200 кг/т стали позволяет обеспечить низкое содержание примесных элементов.
2
3
Кроме вышеназванных элементов негативное влияние на удельные магнитные потери оказывает и такой элемент как сера. Для минимизации содержания серы в стали используют металлургическую известь и высокоглиноземистый материалы (с содержанием AlO не менее 70 мас. %) в соотношении 1:1 для наведения шлака в сталеразливочном ковше. Использование этих материалов в таком соотношении позволяет наиболее полно удалить серу из металла при внепечной обработке.
На уровень магнитных и механических свойств, а также получение их определенного соотношения свойств значимое влияние оказывают получение низкого содержания углерода и содержания кремния в узких допусках. Данные эффекты достигают за счет того, что в процессе легирования во время вакуумирования присаживают ферросилиций с содержанием углерода не более 0,01% в количестве, обеспечивающем содержание кремния в расплаве в пределах от 2,5 до 3,5% (с точностью регулирования его в пределах ±0,05%).
Для в предлагаемом изобретении используют бетонные монолитные сталеразливочные ковши (шлаковый пояс - из периклазоуглеродистого кирпича с содержанием углерода не более 10%). Данный прием позволяет минимизировать поступление углерода в сталь при внепечной обработке.
Также получения низкого содержания углерода в стали предусмотрена разливка с использованием ассимилирующей шлакообразующей смеси для промежуточного ковша с содержанием углерода не более 0,35% и шлакообразующей смеси для кристаллизатора с содержанием углерода не более 2,1% (минимизация поступления углерода при разливке из шлакообразующих материалов).
На основании проведенных лабораторных и промышленных опытов установлены граничные условия режимов холодной прокатки стали (количество проходов, степень деформации).
Для одновременного получения высокого комплекса магнитных свойств (низкие удельные магнитные потери и высокая магнитная индукция) и высокого уровня прочностных характеристик необходимо формирование в готовой стали оптимального размера микрозерна феррита и увеличение полюсной плотности кубической ориентировки текстуры (200) и близкой к ней ориентировки (310).
Результаты проведенных исследований позволяют утверждать, что для получения оптимального размера микрозерна и повышения полюсной плотности ориентировок (200) и (310) в текстуре холоднокатаных отожженных полос необходимо холодную прокатку проводить в два этапа с промежуточным отжигом (прокатка на промежуточную толщину, промежуточный отжиг, прокатка на конечную толщину). При проведении одностадийной холодной прокатки получают более низкий уровень магнитных свойств. Проведение холодной прокатки в три этапа приводит к значительному снижению производительности задействованного оборудования и увеличению расходов на производство без значимого улучшения качества и является технически и экономически нецелесообразным.
На основе результатов проведенных работ было установлено, что увеличение суммарной степени деформации при холодной прокатке на окончательную толщину приводит к увеличению полюсной плотности ориентировок текстуры (200) и (310), что, в свою очередь, обеспечивает улучшение магнитных свойств. Увеличение степени деформации также приводит к уменьшению размера зерна феррита и, соответственно, к повышению предела текучести и временного сопротивления разрыву. Нижний предел суммарной степени деформации при холодной прокатке на окончательную толщину составляет не менее 70% и обусловлен тем, что при данной величине отмечается получение стабильного оптимального сочетания магнитных и механических характеристик готовой стали, полностью отвечающего требованиям стандартов. При деформации менее 70% отмечается получение нестабильного уровня как магнитных, так и механических свойств - возможно получение отклонений от требований стандартов как по магнитным, так и по механическим свойствам.
На основании проведенных опытов было установлено, что кроме суммарной степени деформации на свойства готовой стали оказывают влияние и степень деформации при холодной прокатке на промежуточную толщину. Данный параметр влияет также на технологичность обработки стали при термической обработке и последнем этапе холодной прокатки. Низкая степень деформации при холодной прокатке на промежуточную толщину приводит к ухудшению текстуры (низкая полюсная плотность ориентировок (200) и (310)) и, как следствие, ухудшению уровня магнитных свойств. Кроме того, низкая степень деформации приводит к повышенной хрупкости холоднокатаного металла, из-за чего при задаче металла на термическую обработку происходят обрывы полосы, а также травмирование кромки (увеличение риска обрыва на втором этапе холодной прокатки). Нижний предел степени деформации при холодной прокатке на промежуточную толщину составляет не менее 30% и необходим для предотвращения снижения полюсной плотности благоприятных компонент текстуры и обеспечения удовлетворительной пластичности металла при термической обработке и последующей холодной прокатке.
Анализ патентной литературы показывает отсутствие отличительных признаков заявленного способа с признаками известных технических решений. На основании этого делается вывод о соответствии заявленного технического решения критерию «изобретательский уровень».
1,5/50
1,0/400
Применение предлагаемого изобретения позволяет улучшить магнитные свойства холоднокатаной электротехнической изотропной стали, в том числе снизить удельные магнитные потери P и P на 0,1-0,3 Вт/кг и 0,4-0,6 Вт/кг соответственно, повысить магнитную индукцию В5000 на 0,01-0,02 Тл, повысить предел текучести и временное сопротивление разрыву на 30-50 МПа.
Ниже приведены варианты осуществления изобретения, не исключающие другие варианты в пределах формулы изобретения.
Пример.
3
В ПАО «НЛМК» проводилось опытное производство холоднокатаной электротехнической изотропной стали по предлагаемому способу. В конвертерном цехе №1 в конвертере емкостью 160 т вели комбинированную продувку металла, при которой в расплав жидкого металла через верхнюю фурму подавался кислород, а через донные продувочные устройства не позже чем за 3 минуты до окончания продувки, в расплав в течение 50 с подавали инертный газ (аргон) с расходом 0,15 Нм/мин. Затем полученный расплав сливали в 'заранее подготовленный сталеразливочный ковш, выпускное отверстие которого было заранее заполнено малоуглеродистой засыпкой. Футеровка сталеразливочного ковша была выполнена из огнеупорного материала с содержанием углерода 1,3-1,8%. Обезуглероживание жидкого металла вели в вакууме с использованием циркуляционного вакууматора в течение заданного времени, после чего в расплав, находящийся в сталеразливочном ковше, присаживали ферросилиций с содержанием углерода не более 0,01-0,02% в количестве 20 кг/т, обеспечивающем заданное содержание кремния в расплаве, причем ферросилиций присаживали порциями, равномерно до окончания процесса вакуумной обработки. Затем на МНЛЗ вели непрерывную разливку жидкого металла через промежуточный ковш емкостью 50 т и кристаллизатор в слябы, размером 250×(900-1300) мм. В промежуточный ковш присаживали ассимилирующую шлакообразующую смесь с содержанием углерода 0,13-0,18%, а в кристаллизаторе использовали шлакообразующую смесь, содержащую 1,5% углерода. Затем в цехе горячей прокатки была проведена горячая прокатка полученных слябов. Слябы нагревались до температуры 1210-1220°C, время нагрева 3,5-4,0 час. Прокатка производилась на толщину 2,0 мм, температура конца черновой прокатки 940-960°C, температура конца чистовой прокатки 770-790°C. Прокатанные полосы сматывались в рулон с температурой смотки 620-640°C. После этого в цехе динамных сталей была проведена дальнейшая обработка полученных рулонов. Нормализационный отжиг производили в агрегате нормализации при температуре 800°C. Травление нормализованных рулонов было проведено на НТА в соляной кислоте. Холодную прокатку проводили на реверсивном стане на толщины 0,50; 0,35; 0,30; 0,27 мм в один или два этапа (с промежуточной термической обработкой при температуре 900°C). После холодной прокатки был проведен окончательный (рекристаллизационный) отжиг в азото-водородной защитной атмосфере с содержанием водорода 30-40% при температуре 1000°C.
Свойства электротехнической изотропной стали, полученные в результате опытного использования предлагаемого технического решения, представлены в таблице.
1,5/50
1,0/400
5000
т
в
Из анализа представленных данных (таблица) можно сделать вывод, что комплекс магнитных и механических свойств (удельные магнитные потери P и P, магнитная индукция В, предел текучести σ, временное сопротивление разрыву σ) полученной стали с использованием предлагаемого способа выше, чем стали, полученной по ранее известному способу.
Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет обеспечить соответствие характеристик получаемой продукции как стандартным требованиям, так и дополнительным требованиям потребителей по магнитным и механическим свойствам.
Следовательно, задача, на решение которой направлено технической решение, выполняется, при этом достигается получение вышеуказанного технического результата.