Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТА ИЗ ТЕКСТУРИРОВАННОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ С ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТЬЮ МАГНИТНОГО ПОТОКА

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к способу производства текстурированной электротехнической листовой стали, в частности к способу производства листа из текстурированной электротехнической стали с высокой плотностью магнитного потока.

Предшествующий уровень техники

Традиционный процесс производства текстурированной электротехнической стали с высокой плотностью магнитного потока заключается в следующем. После выплавки в конвертере или электропечи расплавленную сталь подвергают вторичному рафинированию и легированию, а затем путем непрерывного литья получают стальные слябы. Базовый химический состав следующий, мас.%: Si - 2,5-4, С - 0,06-0,10, Mn - 0,03-0,1, S - 0,012-0,050, Al - 0,02-0,05, N - 0,003-0,012. Некоторые составы дополнительно содержат один или несколько из следующих элементов: Cu, Mo, Sb, В, Bi и т.п., остальное составляет железо Fe и неизбежные примеси. Стальной сляб нагревают до температуры выше 1350°С в специальной печи и выдерживают при такой температуре более 45 мин для образования полного твердого раствора полезных включений MnS или AlN, затем прокаткой получают стальную полосу с конечной температурой более 950°С; после этого полосу быстро охлаждают до температуры ниже 500°С струей воды и сматывают ее в рулон. Затем в процессе нормализации выделяют из электротехнической стали мелкие и диспергированные частицы вторичных фаз, а именно депрессанты. После нормализации выполняют травление горячекатаной стальной полосы и снятие окалины, после чего путем холодной прокатки получают листы с толщиной, соответствующей итоговому изделию из листовой стали. Холоднокатаный лист подвергают обезуглероживающему отжигу и покрывают изолирующим веществом (основной состав - MgO). Содержание углерода в листе путем обезуглероживания снижается так, чтобы не оказывать влияния на магнитные свойства итогового изделия из листовой стали (как правило, оно должно быть ниже 30 ppm); в процессе высокотемпературного отжига в стальном листе происходят физические и химические изменения, например, вторичная перекристаллизация, образование нижнего слоя силиката магния и очищение (элементы S, N и т.д, отрицательно влияющие на магнитные свойства, удаляются из стального листа), в результате чего получается высокотекстурированная электротехническая листовая сталь с низкими потерями железа и высокой магнитной индукцией; наконец, после нанесения изоляционного слоя и проведения отжига для уменьшения напряжений, получают коммерчески доступное изделие из текстурированной электротехнической листовой стали.

Недостатки вышеуказанного процесса производства заключаются в том, что для получения полного твердого раствора депрессанта температура нагрева должна доходить до 1400°С. Это соответствует верхнему пределу температур традиционных нагревательных печей. Кроме того, из-за высокой температуры нагрева потери при обжиге велики, и нагревательную печь приходится часто ремонтировать, в результате чего она имеет низкий коэффициент использования. Также это приводит к высокому энергопотреблению. Кроме того, смотанная в рулон горячекатаная полоса часто имеет увеличенные краевые трещины, что может вызывать затруднения во время последующей холодной прокатки и приводит к низкому объему выпуска, неудовлетворительным магнитным свойствам В₈ итогового изделия, а также к увеличению производственных затрат.

В связи с вышесказанным, исследователи разных стран провели множество исследований, направленных на уменьшение температуры нагрева текстурированной электротехнической стали. Исследования можно разделить на два вида. Первый предполагает нагрев стального сляба до температуры в диапазоне 1250-1320°С и использование AlN и Cu в качестве депрессантов. Второй предусматривает нагрев сляба до температуры в диапазоне 1100-1250°С и получение депрессантных свойств за счет использования депрессанта, который образуется при нитрировании после обезуглероживания.

В настоящее время наблюдается активное развитие технологии нагрева стального сляба при более низкой температуре. Например, в патенте US 5,049,205 и патенте JP 1993-112827 А стальной сляб нагревают до температуры не выше 1200°С и прокатывают в полосу. Во время завершающей процедуры холодной прокатки полосу прокатывают в листы с большим коэффициентом обжатия 80%, а после обезуглероживающего отжига катаный стальной лист подвергают непрерывной обработке нитрированием при помощи аммиака для получения высокотекстурированных вторично перекристаллизованных зерен. Однако, поскольку в данной технике депрессантный эффект получается за счет депрессанта, образуемого при нитрировании катаного стального листа после его обезуглероживания, при использовании этой технологии очень сложно избежать сильного окисления поверхностей стального листа, а также сложно выполнить его равномерное нитрирование. В результате сложно обеспечить получение и равномерное распределение депрессанта указанного типа в стальном листе, что влияет на депрессантные свойства и на равномерность распределения вторично перекристаллизованных зерен, и в итоге приводит к неодинаковым магнитным свойствам итогового изделия из электротехнической листовой стали.

В патенте CN 200510110899 описан новый способ, согласно которому стальные слябы нагревают при температуре не выше 1200°C, а нитрирование холоднокатаных стальных листов, прокатанных до толщины итогового изделия, выполняют перед обезуглероживающим отжигом. Однако в данном способе необходимо строго контролировать точку росы во время нитрирования, кроме того, возникает новая проблема - увеличение сложности обезуглероживания.

Патент KR 2002074312 описывает нагрев стальных слябов до температуры не выше 1200°C и одновременное проведение обезуглероживания и нитрирования катаных листов. Хотя сложность проведения обезуглероживания и нитрирования после прокатки может быть решена, неравномерное нитрирование по-прежнему неизбежно, что приводит к неодинаковым магнитным свойствам итогового изделия из электротехнической листовой стали, также возможно увеличение производственных затрат.

Также предлагают добавлять элемент Nb (ниобий). Например, в патентах JP 6025747 и JP 6073454 в состав расплавленной стали добавляют ниобий в количестве 0,02-0,20%. Это направлено на образование карбида ниобия и нитрида ниобия, чтобы таким образом увеличить мелкозернистость текстуры перекристаллизации, улучшить распределение зерен и совокупную текстуру стальных листов после обезуглероживающего отжига, использовать карбид ниобия и нитрид ниобия в качестве вспомогательного депрессанта для подавления роста нормальных зерен во время высокотемпературного отжига и, таким образом, улучшить магнитные свойства листов из электротехнической стали. Однако проблема с вышеуказанными патентами заключается в том, что стальные слябы необходимо нагревать до очень высокой температуры, чтобы выделить нитрид ниобия перед горячей прокаткой, что, естественно, приводит к увеличению потерь при обжиге, росту потребления энергии, понижению доли готового продукта и увеличению производственных затрат.

Согласно патентам JP 51106622 и US 4,171,994, добавляют нитраты Al, Fe, Mg и Zn в сепаратор MgO. Целью является их разложение во время высокотемпературного отжига и выделение оксида азота для нитрирования стальных листов. Однако оксид азота и кислород, выделяемые из разложившихся нитратов, создают риск взрыва при практическом применении.

Согласно патентам JP 52039520 и US 4,010,050, добавляют сульфаниловую кислоту в сепаратор MgO. Целью является разложение сульфаниловой кислоты при высокой температуре, в результате которого выделяются нитриды для нитрирования. Однако сульфаниловая кислота является органическим веществом и разлагается при более низкой температуре (около 205°C), а выделяемый при такой низкой температуре азот сложно использовать для нитрирования стального листа.

Согласно патентам JP 61096080 и JP 62004811, нитрирование стальных листов в процессе высокотемпературного отжига выполняется путем добавления нитридов Mn и Si. Проблема этого способа заключается в том, что эти нитриды имеют высокую термостойкость. Таким образом, эффективное и быстрое разложение этих нитридов не представляется возможным. Для выполнения требований к нитрированию необходимо продлить период высокотемпературного отжига или увеличить объем таких нитридов.

Касательно скорости увеличения температуры в процессе высокотемпературного отжига, патенты JP 54040227 и JP 200119751 говорят о возможности получения текстурированной электротехнической стали с высокой плотностью магнитного потока путем снижения скорости увеличения температуры в процессе высокотемпературного отжига. Однако простое снижение скорости увеличения температуры может привести к существенному снижению темпов производства.

Раскрытие изобретения

Перед настоящим изобретением ставится задача создания способа производства листа из текстурированной электротехнической стали с высокой плотностью магнитного потока, который решает проблему сложности нитрирования при производстве текстурированной электротехнической листовой стали с высокой плотностью магнитного потока, при котором стальные слябы нагревают при более низкой температуре. Настоящее изобретение эффективно обеспечивает безопасное и стабильное производство, а также продолжительный срок службы плавильных печей благодаря технике нагрева при более низкой температуре. В процессе производства листы текстурированной электротехнической стали могут быть полностью нитрированы в процессе высокотемпературного отжига, что обеспечивает идеальное выполнение вторичной перекристаллизации и, таким образом, позволяет получить листы из текстурированной электротехнической стали с высокой плотностью магнитного потока и превосходными магнитными свойствами.

Для решения вышеуказанной задачи в настоящем изобретении используется следующее техническое решение.

В процессе выплавки в состав текстурированной электротехнической стали добавляют некоторое количество ниобия Nb для упрощения нитрирования листов из текстурированной электротехнической стали, поскольку содержание азота в стали является важнейшим фактором при определении того, соответствуют ли магнитные свойства готового изделия из текстурированной электротехнической листовой стали спецификациям. Определенное количество нитратов добавляют в сепаратор MgO, после чего сепаратор MgO с добавленными в него нитратами наносят на поверхности стальных листов перед началом их высокотемпературного отжига. В процессе высокотемпературного отжига нитраты разлагаются и выделяют азот, благодаря которому стальные листы могут быть полностью нитрированы. Скорость нагрева во время высокотемпературного отжига регулируется в соответствии с содержанием ниобия Nb, содержанием азота N перед началом вторичного нагрева и начальной температурой вторичного нагрева, что обеспечивает идеальную вторичную перекристаллизацию и, таким образом, позволяет получить листы из текстурированной электротехнической стали с высокой плотностью магнитного потока и превосходными магнитными свойствами.

В частности, согласно настоящему изобретению предлагается способ производства листа из текстурированной электротехнической стали с высокой плотностью магнитного потока, включающий этапы:

выплавку стали, содержащей, мас.%: С - 0,035-0,065, Si - 2,9-4,0, Mn - 0,05-0,20, S - 0,005-0,01, Al - 0,015-0,035, N - 0,004-0,009, Sn - 0,005-0,090, Nb - 0,200-0,800, Fe и неизбежные примеси - остальное, во вращающейся печи или электрической печи, вторичное рафинирование расплавленной стали и отливку ее в стальной сляб;

нагрев стального сляба в нагревательной печи до 1090-1200°С, горячую прокатку для получения стальной полосы при температуре начала прокатки 1180°С и температуре окончания прокатки 860°С, охлаждение стальной полосы ламинарным потоком воды до температуры ниже 650°С и смотку ее в рулон;

нормализацию смотанной в рулон горячекатаной полосы, которую проводят сначала при температуре 1050-1180°С в течение 1-20 с, затем при 850-950°С в течение 30-200 с и сразу ведут охлаждение полосы со скоростью 10-60°С/с;

холодную прокатку стальной полосы с суммарным коэффициентом обжатия не менее 75% и с получением листа конечной толщины;

обезуглероживающий отжиг стального листа при нагреве со скоростью 15-35°С/с до температуры 800-860°С и выдержке в течение 90-160 с;

нанесение на поверхность листа покрытия, содержащего компоненты, мас.%: NH₄Cl - 0,1-10, P₃N₅ - 0,5-30 и MgO - остальное;

высокотемпературный отжиг листа при нагреве сначала до температуры 700-900°С, а затем со скоростью нагрева 9-17°С/ч до 1200°С с выдержкой при этой температуре в течение 20 ч для очищения листа;

нанесение слоя изоляционного покрытия на поверхность стального листа, отжиг для снятия напряжений и выравнивающий отжиг.

Согласно настоящему изобретению, в электротехническую сталь добавляют некоторое количество ниобия Nb. Это делается по двум причинам. Во-первых, текстурированную электротехническую сталь, в составе которой есть ниобий, намного проще нитрировать, т.к. d-подуровень предвнешних оболочек атома Nb не насыщен электронами, и ниобий намного проще превратить в нитриды, чем Fe или Mn, кроме того, нитрид Nb крайне стабилен. Во-вторых, атомы азота N, проникающие в листы стали во время высокотемпературного отжига, могут образовывать связи с алюминием Al с образованием основного депрессанта AlN, который необходим для получения текстурированной электротехнической листовой стали с высокой плотностью магнитного потока; также атомы азота могут образовывать Nb₂N и NbN. Нитриды Nb могут выступать в роли вспомогательных депрессантов и усиливать депрессантный эффект в отношении роста нормальных кристаллических зерен. В целом данное решение является весьма предпочтительным для улучшения магнитных свойств листа из текстурированной электротехнической стали.

Согласно настоящему изобретению, в жидкое покрытие MgO добавляют некоторое количество NH₄Cl и P₃N₅. Это делается для того, чтобы использовать разложение обоих нитридов во время высокотемпературного отжига для осуществления нитрирования листов электротехнической стали, заменяя, таким образом, нитрирование, происходящее за счет разложения аммиака во время обезуглероживающего отжига, при этом наибольшим преимуществом данного решения является обеспечение равномерного нитрирования стальных листов. В качестве нитрирующего материала, разлагающегося при высокой температуре, выбирают NH₄Cl и P₃N₅, т.к. NH₄Cl разлагается при 330-340°С, a P₃N₅ разлагается примерно при 760°С. Разложение двух разных нитридов при разных температурах обеспечивает равномерное высвобождение активных атомов азота в течение довольно длительного времени в рамках процедуры высокотемпературного отжига, что является предпочтительным для нитрирования листов стали и для поддержания содержания азота N в стали в стандартных пределах 200-250 ppm.

Согласно настоящему изобретению, скорость нагрева при вторичном нагреве в процессе высокотемпературного отжига регулируется так, чтобы обеспечить достижение превосходных магнитных свойств итогового изделия из текстурированной электротехнической листовой стали за счет задания правильной скорости вторичного нагрева. Это объясняется тем, что диапазон вторичного нагрева при высокотемпературном отжиге охватывает весь диапазон температур вторичной перекристаллизации. Таким образом, правильно выбранная скорость нагрева позволяет обеспечить значительное улучшение ориентации (угол отклонения <3°) и магнитных свойств гауссовых зерен, которые вырастают во время вторичной перекристаллизации.

Согласно настоящему изобретению, сравнительно низкая скорость нагрева во время высокотемпературного отжига может усовершенствовать вторичную перекристаллизацию и обеспечить улучшенные магнитные свойства листовой стали. Это объясняется тем, что постепенное укрупнение и разложение AlN, как и вторичная перекристаллизация, могут происходить одновременно во время вторичного нагрева для высокотемпературного отжига, и депрессантный эффект при этом пропадает тоже одновременно. Если температура в этом диапазоне будет увеличиваться слишком быстро, это приведет к разложению депрессанта и потере депрессантных свойств прежде, чем закончится вторичная перекристаллизация. Как известно, плохо проведенная вторичная перекристаллизация ухудшает магнитные свойства итогового изделия из текстурированной электротехнической листовой стали.

Лучший вариант осуществления изобретения

Далее настоящее изобретение подробно описано со ссылками на варианты осуществления.

Первый вариант осуществления изобретения

Сталь для получения текстурированной электротехнической листовой стали с химическими составами, указанными в таблице 1, расплавляют, а затем отливают слябы. Слябы с различным химическим составом нагревают до температуры 1155°С в нагревательной печи и выдерживают при этой температуре в течение 1,5 ч, а затем при помощи горячей прокатки получают полосу толщиной 2,3 мм при начальной температуре 1062°C и конечной температуре 937°C. Нормализацию горячекатаной полосы выполняют в две фазы: при 1120°C в течение 15 сек и при 870°C в течение 150 сек ((1120°С×15 сек)+(870°C×150 сек)), а затем охлаждают ее со скоростью охлаждения - 15°C/сек. После выполнения травления горячекатаную полосу при помощи холодной прокатки сматывают в рулон листовой стали с толщиной 0,30 мм, соответствующей итоговому изделию из листовой стали, а затем последовательно нагревают рулоны холоднокатаной листовой стали при темпе роста температуры 25°C/сек до температуры обезуглероживания 820°C и выдерживают при этой температуре в течение 140 сек для выполнения обезуглероживающего отжига; наносят и покрывают толстым слоем сепаратора, который в качестве основного компонента содержит MgO, а также содержит NH₄Cl в количестве 4,5% и P₃N₅ в количестве 15%; нагревают до 800°C для проведения высокотемпературного отжига и замеряют содержание азота b перед вторичным нагревом; проводят вторичный нагрев до температуры 1200°C и выдерживают при этой температуре в течение 20 ч для проведения очищающего отжига. После разматывания рулонов в стальные листы некоторой длины, на листы наносят изоляционное покрытие, а затем подвергают отжигу для уменьшения напряжений и выравнивающему отжигу. В Таблице 1 приведено содержание азота b перед вторичным нагревом, а также магнитные свойства итогового изделия из листовой стали.

Как видно из Таблицы 1, в производственных процессах настоящего изобретения выбор различных химических составов согласно вариантам осуществления изобретения соответствует стандартной спецификации (для выплавки и отливки). Однако выбор содержания компонента ниобий Nb в сравнительных примерах не укладывается в стандартный диапазон 0,200-0,800, следовательно, количество азота N, измеряемое перед вторичным нагревом, тоже не укладывается в стандартный диапазон 200-250 ppm, что приводит к увеличению потерь железа (P_17/50) и плохим магнитным свойствам (В₈) итогового изделия из текстурированной электротехнической листовой стали.

Второй вариант осуществления изобретения

Слябы из текстурированной электротехнической стали состоят из следующих элементов: С - 0,05%, Si - 3,25%, Mn - 0,15%, S - 0,009%, Al - 0,032%, N - 0,005%, Sn - 0,02%, Nb - 0,5%, а остальное составляет Fe и неустранимые включения. Слябы нагревают до температуры 1155°C в нагревательной печи и выдерживают при этой температуре в течение 1,5 ч, а затем при помощи горячей прокатки получают полосу толщиной 2,3 мм при начальной температуре 1080°C и конечной температуре 910°C. Нормализацию горячекатаной полосы выполняют в две фазы: при 1110°C в течение 10 сек и при 910°C в течение 120 сек ((1110°C×15 сек)+(910°C×120 сек)), а затем охлаждают ее со скоростью охлаждения -35°C/сек. После выполнения травления горячекатаную полосу при помощи холодной прокатки сматывают в рулон листовой стали с толщиной 0,30 мм, соответствующей итоговому изделию из листовой стали, затем последовательно нагревают рулоны холоднокатаной листовой стали до температуры обезуглероживания 840°C при темпе роста температуры 25°C/сек и выдерживают при этой температуре в течение 130 сек для выполнения обезуглероживающего отжига; наносят и покрывают толстым слоем сепаратора, который в качестве основного компонента содержит MgO, а также содержит NH₄Cl и P₃N₅ в определенных малых количествах; нагревают до 800°C для проведения высокотемпературного отжига и замеряют содержание азота b перед вторичным нагревом; проводят вторичный нагрев до температуры 1200°C и выдерживают при этой температуре в течение 20 ч для проведения очищающего отжига. После разматывания рулонов в стальные листы некоторой длины, на листы наносят изоляционное покрытие, а затем подвергают отжигу для уменьшения напряжений и выравнивающему отжигу. В Таблице 2 приведено содержание азота b перед вторичным нагревом, а также магнитные свойства итогового изделия из листовой стали.

Как видно из Таблицы 2, в производственных процессах настоящего изобретения выбор содержания NH₄Cl и P₃N₅ согласно варианту осуществления соответствует стандартным диапазонам 0,1-10% и 0,5-30% (в покрытии MgO). Однако выбор содержания NH₄Cl и P₃N₅ в сравнительных примерах, при котором содержание любого из этих веществ не укладывается в стандартный диапазон, приводит к тому, что количество азота N, измеряемое перед вторичным нагревом, тоже не укладывается в стандартный диапазон 200-250 ppm, что приводит к увеличению потерь железа (P_17/50) и плохим магнитным свойствам (В₈) итогового изделия из текстурированной электротехнической листовой стали.

Третий вариант осуществления изобретения

Слябы из текстурированной электротехнической стали состоят из следующих элементов: С - 0,05%, Si - 3,25%, Mn - 0,15%, S - 0,009%, Al - 0,032%, N - 0,005%, Sn - 0,02%, Nb - (а)0,2-0,8%, а остальное составляет Fe и неустранимые включения. Слябы нагревают до температуры 1155°C в нагревательной печи и выдерживают при этой температуре в течение 2,5 ч, а затем при помощи горячей прокатки получают полосу толщиной 2,3 мм при начальной температуре 1050°C и конечной температуре 865°C. Нормализацию горячекатаной полосы выполняют в две фазы: при 1120°C в течение 15 сек и при 900°C в течение 120 сек ((1120°C×15 сек)+(900°C×120 сек)), а затем охлаждают ее со скоростью охлаждения -25°C/сек. После выполнения травления горячекатаную полосу при помощи холодной прокатки сматывают в рулон листовой стали с толщиной 0,30 мм, соответствующей итоговому изделию из листовой стали, затем последовательно нагревают рулоны холоднокатаной листовой стали до температуры обезуглероживания 850°C при темпе роста температуры 25°C/сек и выдерживают при этой температуре в течение 115 сек для выполнения обезуглероживающего отжига; наносят и покрывают толстым слоем сепаратора, который в качестве основного компонента содержит MgO, а также содержит NH₄Cl в количестве 7,5% и P₃N₅ в количестве 12,5%; нагревают до 700-900°C в качестве начальной температуры (с) вторичного нагрева для проведения высокотемпературного отжига и замера содержания азота (b) перед вторичным нагревом; нагревают до температуры 1200°C при определенном темпе роста температуры (V) и выдерживают при этой температуре в течение 20 ч для выполнения очищающего отжига. После разматывания рулонов в стальные листы некоторой длины, на листы наносят изоляционное покрытие, а затем подвергают отжигу для уменьшения напряжений и выравнивающему отжигу. Данные по третьему варианту осуществления приведены в Таблице 3.

Как видно из Таблицы 3, в случае, когда содержание Nb (а), содержание N перед вторичным нагревом (b) и начальная температура вторичного нагрева (с) одни и те же, а также в случае, когда фактическая скорость вторичного увеличения температуры в вариантах осуществления составляет 9-17°С/ч, а разница между теоретически рассчитанными и фактическими значениями является положительной, магнитные свойства итоговых изделий из электротехнической листовой стали становятся лучше и в вариантах осуществления изобретения, и в сравнительных примерах. При обратных условиях условия сравнительных объектов становятся неблагоприятными, и их электромагнитные свойства ухудшаются.

Производство текстурированной электротехнической листовой стали посредством нагрева стальных слябов при более низкой температуре обладает рядом преимуществ, например, длительный срок службы нагревательной печи, пониженное энергопотребление и снижение производственных затрат. Однако существуют такие проблемы, как неравномерное обезуглероживание и неравномерное нитрирование в последующих процедурах, а также сложность осуществления эффективного регулирования и контроля над процессом производства в течение длительного времени. Такие случаи оказывают влияние на депрессантный эффект в некоторых частях стального листа или во всем листе, что приводит к некачественному проведению вторичной перекристаллизации и нестабильным магнитным свойствам итогового изделия.

Итого, настоящее изобретение предлагает новый способ производства текстурированной электротехнической листовой стали с высокой плотностью магнитного потока, основанный на процедуре нагрева стальных слябов при более низкой температуре. В соответствии с предлагаемым в настоящем изобретении способом, эффективно решаются все вышеуказанные проблемы. Данный способ отличается тем, что стальные листы могут быть легко нитрированы в процессе высокотемпературного отжига путем добавления в расплавленную сталь определенного количества ниобия Nb; стальные листы могут быть равномерно нитрированы в процессе высокотемпературного отжига путем добавления определенного количества нитридов в сепаратор MgO, которые будут разлагаться во время высокотемпературного отжига; в течение высокотемпературного отжига скорость увеличения температуры может регулироваться в соответствии с содержанием ниобия Nb, содержанием азота N и начальной температурой вторичного нагрева для обеспечения правильного проведения вторичной перекристаллизации. Все указанные решения обеспечивают получение текстурированной электротехнической листовой стали с высокой плотностью магнитного потока и превосходными магнитными свойствами.