СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ХОЛОДНОКАТАНОЙ ПОЛУОБРАБОТАННОЙ ЛЕГИРОВАННОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ
PRODUCTION METHOD OF COLD-ROLLED SEMI-FINISHED ALLOY ELECTRIC STEEL

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к технологии производства холоднокатаной полуобработанной легированной электротехнической изотропной стали с улучшенными механическими и магнитными свойствами, предназначенной для изготовления деталей магнитопровода, а именно статора и ротора электрического двигателя, методом высокоскоростной штамповки, сборки и отжига пакетов.
Одним из определяющих качеств полуобработанной электротехнической стали является ее способность к штамповке в пластины без сбоев на высоких скоростях работы штампов до 300 и более ударов в минуту, при этом на изготовленных пластинах должен отсутствовать заусенец и другие дефекты кромки. Электротехническая полуобработанная сталь должна соответствовать определенному комплексу механических свойств, например Барановический станкостроительный завод (предприятие производящее компрессоры для холодильников), использующий сталь марки М450-50К по EN 10341, с целью обеспечения способности стали к штамповке на высоких скоростях без образования дефектов, предъявляет требования, указанные в таблице 1:
Таблица 1
Марка стали
Твердость HV, ед., не менее
Предел прочности σ<sub>в</sub>, Н/мм<sup>2</sup>, не менее
Относительное удлинение δ, %
Отношение предела текучести к пределу прочности (рекомендуемое значение)
Удельные магнитные потери при 1,5 Тл (50 Гц), Вт/кг, не более
М450-50К
148
420
2032
0,80-0,86
4,5
Известен способ производства полуобработанной электротехнической стали, включающей горячую прокатку стального сляба, отжиг горячекатаной полосы, холодную прокатку и отжиг холоднокатаной полосы, согласно которому температуру выдержки при отжиге горячекатаной полосы, содержащей мас.%: 0,2-2,6 кремния; 0,01-0,5 алюминия; не более 0,05 углерода; 0,1-1,5 марганца; 0,01-0,16 фосфора; не более 0,01 серы устанавливают по зависимости:
Тв=911+K×(Si-Mn), °C
где Тв - температура выдержки при отжиге горячекатаной полосы, °C;
911 - температура фазового превращения перлита в аустенит в чистом железе, °C;
Si - содержание кремния в стали, мас.%;
Mn - содержание марганца в стали, мас.%;
K - эмпирический коэффициент, учитывающий влияние содержания в стали кремния и марганца на температуру фазового превращения перлита в аустенит, равный (10-20)°C/%,
выдержку при этой температуре осуществляют в течение 80-200 с, а отжиг холоднокатаной стали полосы производить при температуре 780-850°C с обезуглероживанием металла до содержания углерода ≤0,010%. При необходимости после обезуглероживающего отжига холоднокатаной полосы осуществляют дрессировку с обжатием 1,0-7,0% (Патент РФ №2180925, МПК C21D 8/12, опубл. 27.03.2002 г.).
Недостатком данного способа являться обезуглероживание стали до содержания углерода ≤0,010%, что может привести к неоднородности по содержанию углерода и структуре готового металла, электромагнитные свойства стали при этом ухудшаться. Так же обработка металла по известному способу приводит к росту себестоимости продукции, так как после горячей прокаткой перед травлением необходимо осуществлять обработку в отдельностоящем агрегате (отжиг горячекатаной полосы в проходной печи).
Наиболее близким по технической сущности являться способ производства холоднокатаной полуобработанной электротехнической стали, включающий горячую прокатку стального раскисленного сляба, холодную прокатку и отжиг холоднокатаной полосы, согласно которому отжиг холоднокатаной стали, содержащей, мас.%: 0,01-1,6 кремния; 0,02-0,5 алюминия; не более 0,07 углерода; 0,1-1,5 марганца; 0,01-0,20 фосфора; не более 0,025 серы производят в атмосфере защитного газа в течение 5,5-11 мин при температуре в соответствии с соотношением t=K1+K2×Si±20°C,
где t - температура отжига стали, °C;
K1, K2 - экспериментально определенные коэффициенты: K1=600°C; K2=100°C/%;
Si - содержание кремния в стали, мас.%.
При необходимости после отжига холоднокатаной стали осуществляют дрессировку металла с обжатием 2-8% (Патент РФ №2178006, МПК C21D 8/12, опубл. 10.01.2002 г.).
Недостаток известного способа состоит в том, что готовый металл может иметь: внутренние структурные напряжения вследствие однократного отжига после холодной прокатки, разнобальность зерен феррита. Что не обеспечивает получение механических свойств на готовом прокате, которые стабильно гарантировали высокую скорость работы штампов без сбоев в подаче, а также отсутствие на изготовленных пластинах заусенцев и других дефектов кромки.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение качества проката за счет получения стабильных механических свойств, позволяющих гарантировать высокую скорость работы штампов при изготовлении заготовок (пластин статора и ротора), а так же отсутствие после штамповки дефектов кромки и заусенцев, при полном сохранении требований к магнитным свойствам.
Технический результат достигается тем, что в способе производства холоднокатаной полуобработанной легированной электротехнической стали, включающем выплавку стали, разливку, горячую прокатку, охлаждение водой, смотку полос в рулоны, травление, холодную прокатку и обработку в непрерывном комбинированном агрегате, согласно изобретению выплавляют сталь, содержащую мас.%: 0,020-0,045 углерода, 0,5-2,10 кремния, 0,10-0,80 марганца, не более 0,015 серы, не более 0,15 фосфора, не более 0,10 хрома, не более 0,15 никеля, не более 0,15 меди, 0,10-0,60 алюминия, 0,002-0,010 азота, остальное железо и неизбежные примеси, окончательную деформацию полосы в чистовой группе непрерывного широкополосного стана осуществляют при температуре входа раската - не более 1070°C, температуру конца прокатки поддерживают 780-880°C, ускоренное охлаждение водой ведут со скоростью 20-45°C/с, температуру смотки устанавливают 480-640°C, рекристаллизационный отжиг холоднокатаного проката в непрерывном комбинированном агрегате ведут с частичным обезуглероживанием, до содержания углерода 0,012-0,030% с температурой 780-820°C, после чего осуществляют отпуск с температурой 450-600°C в течение 150-250 секунд. При необходимости после термической обработки холоднокатаного проката осуществляют дрессировку с обжатием 0,5-5%.
Сущность изобретения состоит в следующем. На механические и магнитные свойства полуобработанной легированной электротехнической стали влияют как химический состав стали, так и режимы деформационно-термической обработки на стане горячей прокатки, режим рекристаллизационного отжига, возможность проведения обезуглероживания и отпуска стали.
Углерод - один из упрочняющих элементов, определяющий конечную структуру стали, при ее производстве без проведения операции обезуглероживания. При содержании углерода менее 0,020% прочностные свойства стали ниже допустимого уровня, так же сталь имеет высокую неоднородность, разнобальность, штамповка стали с высокими скоростями работы штампов (число ходов до 300 ударов в минуту) невозможна. Увеличение содержания углерода более 0,045% приводит к сильному снижению пластичности стали, чрезмерному росту прочности, что недопустимо.
Кремний в стали применен как легирующий элемент, определяющий магнитные и механические свойства. При содержании кремния менее 0,50% сталь пластична, при штамповке на изделиях могут образовываться заусенцы, низкое содержание кремния приводит к росту электромагнитных потерь. При содержании кремния в стали более 2,10% снижается пластичность, имеет место охрупчивание стали, так же данное содержание кремния приводит к уменьшению магнитной индукции.
Марганец вводится в сталь с целью связать серу и обеспечить получение заданных механических свойств проката. При содержании марганца менее 0,10% при горячей прокатке возможно возникновение дефектов кромки. Увеличение содержания марганца более 0,80% чрезмерно упрочняет сталь, ухудшает ее пластичность.
Алюминий введен в сталь как легирующий элемент, обеспечивающий связывание азота и определяющий магнитные и механические свойства. При содержании алюминия менее 0,10% в растворе феррита может остаться несвязанный азот, который отрицательно влияет на магнитные свойства, сталь может становиться склонной к старению. Увеличение содержания алюминия более 0,60% приводит к загрязнению стали неметаллическими включениями, снижению магнитной индукции.
Сера отрицательно влияет на магнитные свойства стали, а так же может приводить к возникновению дефектов кромки при горячей прокатке. Поэтому ее содержание ограничено - не более 0,015%.
Хром, никель, медь в целом при высоких содержаниях могут вызвать ухудшения электромагнитных свойств стали: росту удельных электромагнитных потерь, снижение магнитной индукции. Содержание данных элементов ограничено хром - не более 0,10; никель - не более 0,15%; медь - не более 0,15%.
Фосфор добавляется в сталь как легирующий элемент. Увеличенное содержание фосфора благоприятно сказывается на механических и магнитных свойствах: увеличивается прочность стали, увеличивается отношения предела текучести к пределу прочности, снижается удлинение, снижается уровень электромагнитных потерь, увеличивается магнитная индукция. Содержание фосфора ограничено - не более 0,15%, так как его увеличение выше данного значение может привести к чрезмерному охрупчиванию стали.
Горячая прокатка с температурой начала прокатки в чистовой группе клетей не более 1070°C и последующая чистовая прокатка при температуре конца прокатки 780-880°C/с, охлаждение полосы на отводящем рольганге со скоростью 20-45°C/с, смотка полосы в рулон с температурой 480-640°C обеспечивают формирование оптимальной микроструктуры с высокой стабильностью и равномерностью зерен, данная структура сохраняется (наследуется) и после проведения операций холодной прокатки и отжига (при условии, что отжиг сопровождается операцией частичного обезуглероживания). Выше заявленных температурных пределов технический результат не достигался, а именно сталь приобретала структуру с высокой неоднородностью разнобальностью зерен феррита, неблагоприятную для штамповки и не обеспечивающую требуемые магнитные свойства.
Проведение рекристаллизационного отжига с частичным обезуглераживанием, до содержания углерода 0,012-0,030%, при температуре 780-820°C, с последующим отпуском при температуре 450-550°C в течение 150-250 секунд обеспечивает получение мелкозернистой полностью рекристаллизованной структуры, зерно феррита не менее 7 балла, наследуемой структуры г/к проката, с отсутствием внутренних напряжений. Данная структура обеспечивает получение требуемых значений механических свойств, указанных в таблице 1, при сохранении требуемых магнитных свойств стали. Комплекс указанных механических свойств обеспечивает высокую скорость работы штампов при изготовлении заготовок (пластин статора и ротора), а так же отсутствие после штамповки дефектов кромки и заусенцев.
При необходимости после термической обработки холоднокатаного проката осуществляют дрессировку с обжатием 0,5-5%. Дрессировку проводят с целью придания прокату требуемой шероховатости, чтобы предотвратить возможное слипание пластин при отжиге у потребителя. Обжатие в выбранных пределах приводит к оптимальному формированию размера микрозерна при отжиге металла у потребителя, после изготовления магнитопровода.
Примеры реализации способа. В кислородном конвертере выплавили 4 опытные плавки, химический состав которых приведен в таблице 2 (в т.ч. марки стали М450-50Е).
Таблица 2
Химический состав экспериментальных плавок
№ состава
C, %
Si, %
Mn, %
P, %
Cr, %
S, %
Ni, %
Cu, %
Al, %
N, %
1
0,026
1,57
0,223
0,056
0,024
0,0029
0,019
0,026
0,37
0,006
2
0,031
1,56
0,28
0,053
0,037
0,006
0,02
0,039
0,45
0,005
3
0,040
1,54
0,291
0,051
0,038
0,003
0,025
0,058
0,4
0,004
4
0,033
1,54
0,249
0,058
0,046
0,0033
0,035
0,061
0,44
0,006
Используемый для производства данной стали чугун предварительно обрабатывали на установке десульфурации для обеспечения в стали содержания серы не более 0,015%. Выплавленную сталь разливали на машине непрерывного литья в слябы сечением 250×1070 мм. Слябы нагревали в нагревательной печи с шагающими балками до температуры 1200-1250°C в течение 2,5-3,5 часов и прокатывали на непрерывном широкополосном стане 2000 в полосы толщиной 2,0 мм. Горячекатаные полосы на отводящем рольганге охлаждали водой до определенных температур и сматывали в рулоны. Охлажденные рулоны подвергали сернокислотному травлению в непрерывном травильном агрегате и правке в изгибо-растяжной машине. Затем травленые полосы прокатывали на 5-ти клетевом стане до конечной толщины 0,5 мм. Холоднокатаные рулоны обрабатывали на непрерывном комбинированном агрегате.
Деформационно-термические режимы обработки и свойства проката представлены в таблице 3.
Из таблиц 2-3 видно, что в случае реализации предложенного способа (варианты №1-№4 режим а) достигаются механические свойства проката, которые характеризуются дальнейшей способностью стали к обработке (штамповке, вырубке) на высоких скоростях хода штампа.
В случае запредельных значений заявленных параметров (вариант №4 режим в), а также при реализации известного способа (вариант №4 режим б) из-за низкого отношения предела текучести к пределу прочности технический результат получить не удалось.
Предлагаемая технология производства холоднокатаной полуобработанной легированной электротехнической стали обеспечивает также отсутствие дефектов кромки и заусенцев на изготовленных изделиях после проведения операции штамповки (вырубки).
Таблица 3
Технологические параметры производства и показатели механических свойств
№ состава
Температура начала прокатки в чистовой группе клетей Тнп, °C
Температура конца прокатки Ткп, °C
Скорость охлаждения на отводящем рольганге, °C
Температура смотки Тсм, °C
Температура отжига, °C
Температура отпуска, °C
Обжатие при дрессировке, %
Предел прочности σ<sub>B</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
σ<sub>T</sub>/σ<sub>B</sub>
Относительное удлинение δ, %
Твердость, HV
Удельные магнитные потери при 1,5 Тл (50 Гц), Вт/кг
1
957
820
25
600
790
580
500
0,80
26
156
4,1
2
961
841
31
603
780
540
1,5
530
0,86
28
167
3,8
3
985
835
32
601
785
460
540
0,81
27
170
4,2
4 режим а
964
846
28
596
795
510
530
0,85
25
160
4,1
4 режим б
970
832
30
610
754 без обезуглероживания
без отпуска
580
0,75
26
171
4,2
4 режим в
970
836
29
603
795 без обезуглероживания
без отпуска
570
0,76
28
168
4,1