Введение
Развитие производства материалов состоит из отдельных этапов, длительность которых определяется скоростью развития человеческого сообщества. Начинается производство какого-то материала с определенным уровнем свойств. Используются определенные объемы знаний, технология, исходные материалы и оборудование. Все они обладают какими-то предельными параметрами и возможностями, и это определяет свойства производимого материала. Однако с течением времени требования к свойствам материала начинают превышать получаемые. Возникает необходимость привлечения к производству материала новых знаний, оборудования, технологии и, зачастую, новых исходных материалов, т.е. переходу к следующему этапу производства. Динамично развивается то производство, при котором постоянно уделяется внимание накоплению новых знаний.
Изотропная электротехническая сталь является магнитомягким материалом, применяемым для изготовления магнитопроводов электрической аппаратуры, работающих во вращающемся переменном магнитном поле (статоры и роторы электродвигателей, электрогенераторов и др.). Основной характеристикой оценки качества этой стали являются магнитные свойства - потери энергии на процесс перемагничивания, магнитная индукция и анизотропия этих свойств. Магнитные свойства стали и их анизотропия определяются ее химическим составом, параметрами структуры и текстуры. Готовая сталь имеет структуру, полученную
g
процессами первичной и собирательной рекристаллизации при конечном обезуглероживающе—рекристаллизационном отжиге. Прогрессивная и наиболее широко используемая технология производства этой стали включает выплавку и непрерывную разливку, горячую прокатку, нормализацию или без нее, холодную прокатку и конечный отжиг. Представляемая диссертационная работа посвящена производству стали по этой технологии и разработке новых перспективных технологий. Содержание основного легирующего элемента кремния зависит от назначения стали и изменяется от 0,30 до 3,20%. Это усложняет управление качеством стали, т.к. существенно изменяется кинетика физико-химических процессов и механические свойства стали. Не только химический состав, но и режимы каждой технологической операции влияют на формирование структуры и текстуры готовой стали. Зачастую изменение режима какой-то технологической операции оказывает противоположное с точки зрения получения необходимых величин действие на параметры структуры и текстуры. Совокупность большого количества внутренних и внешних факторов влияния на структуру и текстуру стали, неоднозначность этого влияния и необходимость формирования определенного комплекса структуры и текстуры определяют сложность производства этого материала и необходимость, безусловно, глубокого понимания физики процессов, происходящих в нем в процессе производства.
За последние Ю-г-20 лет наряду с требованиями к улучшению свойств материалов чуть ли не на первое место вышли требования по снижению их
9 стоимости, уменьшению энергоемкости технологий производства,
повышению экологичности как материалов, так и технологий. В диссертации приводятся результаты разработки и внедрения трёх таких технологий производства изотропной стали, которые могут постепенно полностью заменить технологию, используемую в настоящее время.
Работа над диссертацией выполнена в академическом стиле. Вначале проводилось изучение закономерностей большого количества различных физико-химических процессов в стали, их зависимости от внешних и внутренних факторов и установление функциональной связи с технологическими режимами. После этого на основе известных и разработанных фундаментальных знаний осуществлялась разработка и внедрение технологических режимов, корректировка которых проводилась уже эмпирически в процессе освоения режима.
Требования человечества к качеству материалов практически безграничны. В обозримом будущем металлические материалы, в частности -изотропная электротехническая сталь, сохранят свое лидирующее положение конструкционных материалов. Это определяет необходимость улучшения ее свойств, технологий изготовления и актуальность работ, направленных на достижение этих целей и, в частности, предлагаемой диссертационной работы.
Цель работы - разработать и довести до промышленной реализации научные и технологические принципы производства электротехнической изотропной стали для магнитных сердечников с высоким коэффициентом
10
полезного действия (изотропный магнитомягкий материал с низкими удельными потерями и высокой магнитной индукцией и магнитной проницаемостью).
Для достижения поставленной цели было необходимо решить
следующие задачи:
- разработать новый принцип улучшения магнитных свойств на основе комплексного легирования стали с фосфорсодержащим ингибитором;
-исследовать закономерности кинетики первичной и собирательной рекристаллизации и текстурообразования при окончательном отжиге стали в присутствии мелкодисперсной фосфорсодержащей фазы - ингибитора;
- исследовать возможности регулирования структурного и текстурного состояния комплексно-легированной стали за счет оптимизации технологических параметров получения и термической обработки горячекатаной заготовки, холодной прокатки и термической обработки холоднокатаного проката при одностадийном процессе;
-разработать и внедрить в промышленное производство принципы получения комплексно-легированной высокопроницаемой
электротехнической изотропной стали по полупроцессной технологии;
-разработать и внедрить в промышленное производство принципы
получения комплексно-легированной высокопроницаемой полностью обработанной электротехнической изотропной стали.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Закономерности формирования структуры и текстуры в процессе производства стали и влияние на них кремния и фосфора,
2. Закономерности формирования фосфорсодержащей фазы и ее влияния на формирование структуры и текстуры стали.
3. Режимы горячей и холодной прокаток, нормализации и обезуглероживающе-рекристаллизационного отжига.
11
4. Энергосберегающая и полупроцессная технологии производства стали, технология производства высокопроницаемой стали.
Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов, списка литературы из 115 наименований, изложена на 321 странице машинописного текста, содержит 116 рисунков и 11 таблиц.
В приложении, изложенном на 72 страницах, представлены 96 таблиц, справка об экономической эффективности работ соискателя, справки о внедрении и использовании вышеперечисленных трех новых технологий.
12
Глава 1. Эволюция структуры и текстуры в процессе производства стали
В производстве изотропной стали существует концепция, высказанная профессором Б.В. Молотиловым, на базе которой исследователи и технологи проводят свою работу. Концепция заключается в том, что основное полезное, с точки зрения свойств стали, воздействие на параметры структуры и текстуры готовой стали осуществляется при горячей прокатке и нормализации. На долю воздействия деформацией при холодной прокатке и температурно-временными режимами при конечном отжиге отводится около 20%. Трансформация структуры и текстуры идет по определенным законам, свойственным поликристаллическим ОЦК металлам. Для совершенного воздействия на формирование структуры и текстуры стали необходимо знать особенности этих законов, которыми отличается каждый химический состав стали и каждая технология ее изготовления.
1.1.Формирование структуры стали
Проведено исследование закономерностей формирования структуры и текстуры стали в процессе ее производства по существующей технологии (технология описана во введении) после всех технологических операций начиная с горячей прокатки. В работе использована изотропная сталь всех групп легирования. Плавочный химический состав стали приведен в таблице 1 (Приложение). Механические и магнитные свойства готовой стали показаны в таблице 2 (Приложение) и на рисунках 1 и 2.
Сопоставляя данные о химическом составе и свойствах готовой стали, можно установить определенные закономерности. Данные рисунка 1
13 соответствуют известной зависимости уменьшения удельных потерь и
магнитной индукции с повышением содержания кремния в стали. В данном случае содержание кремния изменяется от 0,07 до 3,20%. Как будет показано дальше в этой и других главах, фосфор можно эффективно использовать для воздействия на формирование структуры и текстуры, электросопротивление, т.е. на свойства стали. Поэтому представляется целесообразным рассмотрение всех зависимостей и процессов с учетом содержания фосфора в стали. Влияние фосфора по данным рисунка 1 проследить нельзя. Для этого целесообразно использование данных о каком-то количестве плавок стали с близким содержанием кремния и различным содержанием фосфора.
I 6
ч \
V А \ V
—*> -0- -ч V »&—
1,6*
г*
I
1,66
1,64 1,62
1,60
а ж>
1,58
1,56 1,54
00 *н
S S
2 ? S 8 8 8
2 ? S 8 8 8
Р S 8 м- <*. s- ^ Содержание Si и Р, %
Рис. 1. Влияние кремния и фосфора на магнитные свойства стали различных групп
0.07(0.190) 0.15(0.180)
0.49(0.131)r
1.01(0.159)
1.02(0.093). 1.25(0.120)
1.38(0.010)
1.47(0.105) 1.71(0.023)
1.81(0.021). 2.00(0.065)
2.20(0.010
2.95(0.00:) jr
3.00(0.03j I
3.20(0.0110
Гибы,шт. Относительное удлинение, %
о 5
ft S -
8 К S
S
Твердость HVj
h-* H>* *^
ё S S
Предел прочности, НЛ-м2 Предел текучести, Н/мм2
Ы U 4
?88
/
1
>
{
V
S
<
Ч
>
<
>
«
<
> *>
< 1
J
< <
> >
< <
ч. ч
> >
< s
\
} > )
1 1
15
Однако на представленных рисунках 1 и 2 плавный ход зависимости в ряде случаев нарушается, и это свидетельствует о влиянии на свойства стали не только ее химического состава, но и режимов технологических операций. Данные о влиянии химического состава стали на механические свойства свидетельствуют об увеличении прочностных и снижении пластических характеристик с повышением количества кремния в стали. В этом случае можно отметить и влияние фосфора, действие которого аналогично действию кремния.
1.1.1. Структура горячекатаных полос стали
Структуру стали по толщине горячекатаных полос целесообразно разделять на две зоны: поверхностную и центральную. В поверхностном слое в стали любого (из исследованных) химического состава присутствуют Ш' равноосные рекристаллизованные зерна. Глубина этого поверхностного слоя с обеих сторон полосы приблизительно одинакова. Центральный слой стали 4 группы, как правило, характеризуется вытянутыми вдоль направления прокатки зернами с большим количеством дефектов кристаллического строения, рис.3. В одном случае зерна этого слоя являются продуктом рекристаллизации, прошедшей в период транспортировки полос стали от черновых к чистовым клетям, и последующей деформации в чистовых клетях, в другом окончательное формирование структуры этого слоя происходит в период охлаждения полос после горячей прокатки за счет процессов полигонизации и рекристаллизации. Структура стали 0-3 групп легирования и в центральных слоях имеет практически равноосное зерно, рис.4. Это свидетельствует о том,
16
»
•It 1ft 1
xl60
Рис.3. Структура горячекатаной стали, содержащей 3%Si и 0,038%Р.
ft
х160
Рис.4. Структура горячекатаной стали, содержащей l,02%Si и 0,093%Р.
Ш MMU ША
х160 Рис.5. Структура горячекатаной стали, содержащей 2,95%Si и 0,007%Р.
17 что кремний тормозит развитие рекристаллизации в центральных слоях стали 4
группы. Структура стали после горячей прокатки характеризуется большой неоднородностью не только между разными группами легирования, но и внутри одной группы. Размер зерна и глубина поверхностной зоны изменяются в очень широких пределах. Существует определенная зависимость увеличения глубины поверхностной зоны с увеличением размера зерна. Центральный слой характеризуется наибольшим непостоянством параметров структуры. В части стали, кроме 4 группы, в этом слое полностью прошла первичная рекристаллизация, и зерна по всей толщине полос имеют равноосную форму, отличаясь только размером. В образцах такой стали в центральной зоне часто прослеживается повышенная разнозернистость, когда очень мелкие зерна и очень крупные зерна располагаются слоями или небольшими полосами. В части ¦ образцов такой стали в центральном слое остаются редкие вытянутые вдоль направления прокатки полигонизованные зерна, вперемешку с очень мелкими зародышами зерен первичной рекристаллизации. В других образцах такой стали встречается много вытянутых полигонизованных зерен и небольшое количество мелких, а иногда очень крупных рекристаллизованных. Только в стали 4 группы с 3 и 3,2%Si в центральном слое сохраняется структура деформированного металла, ближе к поверхности находится слой, где встречаются и рекристаллизованные, и полигонизованные, и деформированные зерна попеременно узкими слоями, табл.3 (Приложение) и рис.5. По толщине полос формируются как бы три зоны: поверхностная, промежуточная и центральная. |
