Производство электротехнического листа

Электротехнические стали по способу производства и характеру кристаллографической текстуры делятся на динамные (малотекстурованные изотропные) и трансформаторные (высокотекстурованные анизотропные). Основная масса такой стали выпускается по ГОСТ 21427—83 в виде листа толщиной 0,35— 0,50 мм, шириной 750—1000 мм и длиной до 2000 мм, а также в рулонах шириной 500—1000 мм и массой до 5 т. Меньшая доля листа имеет толщину от 0,05 до 0,20 мм. За последние годы появился спрос на рулонную сталь толщиной 0,025 мм.

К электротехническим сталям предъявляются очень высокие требования по геометрии листов. Волнистость или коробоватость недопустима, допуски по толщине и ширине, а также по продольной и поперечной разнотолщинности более узкие, чем для автомобильной стали. Это связано с тем, что из таких листов набирают магнитопроводы электрических машин и сердечники трансформаторов, реле и т. п. Недопустимы какие-то пустоты между листами, а также остаточные напряжения в них при сборке магнитопроводов, так как все это влияет на уровень магнитных свойств изделия. Шероховатость поверхности листа по той же причине недопустима. На поверхности листа не должно быть никаких дефектов (царапин, наколов и пр.), следов грязи, смазки и продуктов сгорания при отжиге металла.

Основные требования на электротехническую сталь выдвигаются по ее магнитным характеристикам. Трансформаторная сталь должна иметь низкие ваттные потери, которые при перемагничивании в изделии (трансформаторы, реле и пр.) складываются из потерь на вихревые токи — 65—75 %, из гистерезисных потерь, пропорциональных площади петли гистерезиса при перемагничивании, — 20—30 % и из прочих потерь — до 5 %. Эта сталь должна иметь высокую магнитную индукцию и низкую коэрцитивную силу. Эти свойства достигаются прежде всего путем очистки металла от примесей и включений.

На магнитные свойства решающее влияние оказывает химический состав стали. Все входящие в сталь элементы, кроме кремния, ухудшают магнитные свойства и являются нежелательными примесями. Однако экспериментально показано, что минимальное количество примесей в стали помогает формированию определенной текстуры, необходимой для получения высоких магнитных свойств. Кремний повышает удельное электросопротивление, способствует образованию крупных зерен, необходимых для повышения магнитной проницаемости и уменьшения потерь на гистерезис. Количество кремния в трансформаторной стали обычно не превышает 2,8—3,2 %. Такая сталь высокопластична и сравнительно хорошо катается в горячем и холодном состоянии. При содержании углерода менее 0,2 % и кремния менее 3,2 % сталь не испытывает фазовых превращений при термической обработке и демонстрирует стабильные характеристики. При более высоком содержании кремния, особенно при наличии в стали других примесей, фазовые превращения возможны. При этом повышается предел текучести, увеличивается хрупкость стали и снижается пластичность, что создает трудности при холодной прокатке. При содержании кремния выше 6 % трансформаторная сталь становится непластичной, и ее прокатка затруднена даже в горячем состоянии. Кроме железа и кремния в состав стали входят следующие элементы, %: С 0,004—0,008, Мп 0,08-0,20, Р 0,005-0,010, S 0,002-0,005, Ni 0,06, Сг 0,03-0,06, Си 0,08-0,15, А1 0,015-0,020, О 0,003—0,004, N 0,0015-0,0039. Углерод, азот, кислород и сера даже в таких количествах оказывают отрицательное влияние на уровень магнитных свойств, поэтому всеми мерами их содержание в стали уменьшают.

Холоднокатаная трансформаторная сталь имеет на 25—30 % выше магнитную индукцию и в 1,5—2,0 раза меньшие ваттные потери, чем горячекатаная. Применение высококачественной холоднокатаной стали вместо горячекатаной позволяет уменьшить массу и габариты крупных трансформаторов и электрических машин, а также сократить потери электроэнергии, уменьшить перегрев машин, сэкономить расход материалов и средств. Отсюда понятно, что подавляющее количество трансформаторной стали производится в два передела: сначала в горячем состоянии до определенных промежуточных толщин, затем в холодном состоянии. На втором переделе с помощью деформации и термической обработки формируются окончательные свойства металла.

Одной из отличительных особенностей холоднокатаной трансформаторной стали является ее кристаллографическая тексгурованность. Текстурой называется направленное расположение кристаллографических плоскостей атомной решетки металла по отношению к плоскости листа и направлению прокатки. Различают электротехническую сталь с ребровой и кубической текстурой. Ребровая текстура (рис. 17.27, а), имеющая обозначение (110) [100], соответствует такому развороту кристаллографической решетки, когда диагональная плоскость куба (ПО), заштрихованная на рисунке, параллельна плоскости листа и ребро куба [100], которое определяет направление легкого намагничивания, совпадает с направлением прокатки. Направление самого трудного намагничивания [111] (главная диагональ куба) находится под углом 45° к направлению прокатки. По направлению [ПО], расположенному под углом 90° к оси прокатки, намагничивание среднее. Следовательно, у такой стали магнитные свойства анизотропны, т. е. зависят от направления измерения. Они максимальны

Рис. 17.28. Ребровая (а) и кубическая (б) текстуры

в направлении прокатки. При изготовлении трансформаторов учитывают анизотропию магнитных свойств и размещают листы в конструкции так, чтобы магнитный поток совпадал с направлением наименьших ваттных потерь и максимальной магнитной индукцией.

Но при изготовлении электрических машин, где магнитный поток совершает круговое вращение, такие стали применять нельзя. Требуются малотекстурованные изотропные электротехнические стали, свойства которых мало отличаются вдоль и поперек направления прокатки листа. Такими свойствами обладают листы с кубической текстурой (100) [100] (рис. 17.27, б). Грань куба (100) совпадает с плоскостью прокатки, а ребро куба [100] — с направлением прокатки. Направление легкого намагничивания — ребро куба — располагается равнозначно вдоль и поперек направления прокатки, а направление среднего намагничивания [ПО] находится под углом 45° к оси прокатки. Следовательно, магнитные свойства такой стали будут мало зависеть от направления прокатки.

Необходимость формирования текстуры предъявляет особые требования к организации технологии производства холоднокатаного листа. В разноориентированных зернах горячекатаного металла количество кубической и ребровой текстуры в процентном отношении невелико. Ваттные потери на такой стали находятся на уровне 2,5 Вг/кг (2,5 Вт на каждый килограмм железа). При холодной прокатке зерна вытягиваются, и кристаллографические плоскости выстраиваются так, что количество кубической текстуры возрастает. При значительных суммарных деформациях накапливается ребровая текстура. Но зерна металла в трансформаторной стали должны быть равноосными, поэтому в процессе прокатки необходимо часто отжигать металл. После отжига зерна становятся равноосными и мелкими, а накопленная текстура при этом сохраняется. Таким образом, трансформаторную сталь необходимо прокатывать с большой суммарной степенью деформации, причем часто отжигать ее в промежутках. Чем больше степень деформации и больше отжигов, тем большую долю будет составлять ребровая текстура и будут выше электротехнические свойства. При значительной доле ребровой текстуры удается сократить ваттные потери до 0,5 Вт/кг и даже меньше. Конечно, такие рекомендации ограничены разумной стоимостью полученного листа. Практически применяют два, значительно реже — три цикла прокагки-отжига.

Величина зерна также существенно влияет на электротехнические свойства листа: чем крупнее зерно, тем меньше границ, препятствующих процессам перемагничивания, тем выше магнитные свойства стали. Следовательно, в технологии необходимо предусмотреть операцию выращивания зерна.

Большое влияние на формирование электротехнических свойств листа оказывает смазка, применяемая при прокатке. При рассмотрении низких очагов деформации в теории ОМД мы неоднократно подчеркивали возможность использования гипотезы плоских сечений. Однако при исследовании процессов формирования текстуры гипотеза плоских сечений неприемлема. Для таких тонких процессов, как текстурообразование, неравномерность деформации по высоте даже на низком очаге деформации существенна. Наибольшую деформацию получают центральные слои листа, здесь подпирающие силы трения меньше влияют на напряжения и деформации, чем в поверхностных слоях. Применение высококачественной смазки, которая сильно снижает коэффициент трения на контакте, способствует выравниванию деформации по слоям и получению более равномерной текстуры металла. При улучшении смазки увеличивается анизотропия текстуры. На НЛМЗ применение новой смазки позволило уложиться в два цикла прокатки-отжига, чтобы получить свойства, которые при обычной смазке достигаются в три цикла.

Все отмеченные соображения заложены в технологию производства электротехнического листа. Основными производителями этого вида продукции являются НЛМК и Верх-Исетский металлургический завод. Они производят трансформаторную сталь толщиной 0,27—0,50 мм по ГОСТ 21427.1 и динам- ную сталь толщиной 0,18—0,30 мм по ГОСТ 21427.2.

Рассмотрим технологию производства трансформаторной (анизотропной) стали применительно, например, к НЛМК. Исходный сляб получают либо прокаткой из слитка на слябинге (из Запорожстали), либо отливкой на МНЛЗ (производится на НЛМК). Так как литые слябы склонны к образованию поверхностных трещин, то после разливки они отжигаются в камерных печах. Затем слябы нагреваются до температур около 1200 °С в обычных методических печах. Нагрев ведут с учетом того, что электротехнические стали склонны к обезуглероживанию и росту зерна, что может быть использовано для получения стали с низкими ваттными потерями. Горячую прокатку на многих заводах проводят на непрерывных широкополосных станах с температурой конца прокатки не ниже 815 °С. В интервале отмеченных температур трансформаторная сталь имеет высокую пластичность.

Толщина горячекатаного листа обычно находится в пределах 2,0—3,5 мм. Выбор толщины подката для последующей холодной прокатки сильно влияет на условия холодной прокатки. К горячекатаной полосе, помимо жесткого регламентирования по толщине, предъявляются также следующие требования:

• 1) строгое соблюдение размеров по ширине и длине полос;
• 2) качественное состояние кромок;
• 3) отсутствие внутренних напряжений, обусловливающих волнистость и коробоватосгь;
• 4) минимальный слой окалины на поверхности;
• 5) высокая чистота поверхности, отсутствие грязи на поверхности;
• 6) равномерная структура по всем трем направлениям;
• 7) высокие механические свойства.

На ЛМНЗ для горячей прокатки трансформаторной стали используют стан 1200, состоящий из двух реверсивных клетей. Черновая универсальная клеть дуо имеет горизонтальные валки 850 мм и вертикальные валки 600 мм. Чистовая клеть кварто 620 мм снабжена моталками в печи (стан Стеккеля). Это позволяет регулировать скорости прокатки и режимы обжатий в более широких пределах, чем на НШПС, выдерживать стабильную температуру прокатки. Это особенно важно для прокатки высококремнистых сталей, имеющих узкий интервал пластичности. Но в целом станы Стеккеля не имеют существенных преимуществ перед НШПС. Более простые электротехнические марки стали прокатываются по обычной технологии на непрерывном широкополосном стане 2000.

При подготовке металла к холодной прокатке первой операцией может быть высокотемпературный черный отжиг. Он осуществляется в колпаковых электрических печах при температуре 760—850 °С без защитной атмосферы. За счет кислорода окалины и кислорода воздуха происходит выгорание углерода. Однако в колпаковых печах происходят неравномерные реакции по разным виткам, поэтому в современных цехах, имеющих АНО, обезуглероживание в колпаковых печах не производят. Эту операцию совмещают с операциями непрерывного отжига на АНО после первой прокатки.

В этом случае следующая технологическая операция — освобождение полосы от окалины — становится первой. Ее также осуществляют на АНТ, применяемых для обработки низкоуглеродистых сталей. Однако травление плотных окислов кремнийсодержащей стали осуществляется значительно медленнее, чем низкоуглеродистых. Для ускорения процесса травления большая роль отводится дрессировочному стану, входящему в состав АНТ. Кроме того, в процессе травления кремнийсодержащих сталей в растворе накапливается кремниевая кислота, замедляющая процесс травления. В связи с этим обработку полосы ведут путем подачи кислоты на поверхность листа струйным методом.

Режим холодной прокатки листа оказывает решающее влияние на конечные свойства трансформаторной стали. На НЛМК прокатку ведут в два этапа с суммарным обжатием на каждом этапе не меньше 60—65 %. Первую прокатку проводят на непрерывном 4-клетевом стане с толщины, например, 2,50 до 0,85 мм. Вторую прокатку проводят на одноклетевом реверсивном стане за четыре-пять проходов до конечной толщины. Для листов толщиной 0,10 и 0,35 мм для второй прокатки применяют 20-валковые станы, обеспечивающие высокую точность, плоскостность и чистоту поверхности листа. Для листов толщиной 0,5 мм может быть применен одноклетевой реверсивный стан кварто.

В промежутке между прокатками осуществляют светлый отжиг полосы на АНО. Одновременно проводят обезуглероживание стали. Отжиг проводят в горизонтальных или башенных печах непрерывного действия. Как всегда, головная часть агрегата содержит набор установок, обеспечивающих непрерывность процесса. Далее следуют ванны для обезжиривания и очистки поверхности полосы от шламов. Печи для отжига позволяют получать равномерные свойства по длине полосы, а также регулировать процесс обезуглероживания путем изменения скорости движения полосы и состава печной атмосферы. Температура отжига в зависимости от толщины полосы составляет 750—850 °С. Обезуглероживающая атмосфера состоит из водорода, увлажненного водяным паром. В результате обезуглероживания количество углерода в стали сокращается от 0,02—0,05 до 0,004—0,008 %, что улучшает электротехнические характеристики и текстурообразование стали. При такой термообработке происходит также выгорание серы и других вредных примесей.

После второй прокатки лист порулонно на отдельном агрегате покрывают защитным слоем гидрата окиси магния, который должен предотвращать схватывание витков рулона при последующем отжиге. Далее проводится высокотемпературный отжиг в электрических колпаковых печах при температуре 1150— 1180 °С в атмосфере чистого Н₂ или смеси 75 % Н₂ + 25 % М₂. Такой отжиг предназначен для выращивания крупных зерен феррита в стали, а также для снятия наклепа, повышения однородности химсостава металла и уменьшения примесей. После длительной выдержки при указанных температурах, необходимой для получения требуемых крупных зерен, печь охлаждают до 600 °С. Затем под муфель подают защитный газ и переносят муфель на другой стенд, где он охлаждается до комнатной температуры. После термообработки рулоны поступают на непрерывный агрегат, на котором лист проходит чистку в моечно-сушильных установках и отпуск в проходных печах при температуре 700— 800 °С. Этим устраняются остаточные напряжения в металле, возникшие при высокотемпературном отжиге, которые могут привести к искажению формы листа при хранении на складе.

Трансформаторную сталь поставляют заказчику с электроизоляционным двусторонним покрытием, что повышает ее антикоррозионные свойства, уменьшает температуру трансформаторов при эксплуатации и улучшает его характеристики. Нанесение покрытия осуществляют на непрерывном агрегате, который, как всегда, состоит из трех частей. В головной части осуществляются традиционные подготовительные операции по организации непрерывности процесса. Точечная сварка металла внахлест значительно сокращает расходы на эту операцию. На второй части агрегата лист пропускают через водный раствор оргофосфорной кислоты, слой которой на поверхности и является электроизоляционным покрытием. Затем лист проходит ванну с раствором окиси магния, который призван защитить электроизоляционный слой от механических воздействий. После сушки полоса проходит печь отпуска, входящую в состав агрегата, для устранения вновь появившихся остаточных напряжений. На третьей части агрегата вырезается место сварки и производится сматывание полосы в рулон.

Заключительные операции, как и для конструционной стали, осуществляются вне агрегата — резка на АПР или АКР, контроль качества продукции, упаковка, маркировка и т. д.

При производстве динамной стали, которая содержит кремния в пределах 1,3—1,8 %, нет проблем с пластичностью металла, поэтому ее в горячем состоянии прокатывают на НШПС 2000, а холодная прокатка производится на непрерывном 4-клетевом стане 1400, на котором допустима прокатка в холодном состоянии без отжига до 80 %. Можно ограничиться только одним циклом прокатки-отжига. Отжиг проводится в АНО, в котором совмещены процессы рекристаллизационного отжига и обезуглероживания (при 980—1030 °С во влажной атмосфере). В динамной стали нет ярко выраженной текстуры, нет столь крупных зерен, как в трансформаторной стали. Поэтому все технологические операции осуществляются по более мягким режимам.