ВВЕДЕНИЕ
Электроэнергетика составляет важнейшую часть жизнедеятельности мирового сообщества. Выработка и преобразование электрической энергии являются основой современного технического прогресса. Одна из базовых отраслей промышленности — металлургия, особенно электрометаллургия, потребляет электрическую энергию в больших масштабах.
Разнообразие применения и массовость производства электрооборудования определяют потребность в магнитопроводящих материалах высокого качества и доступных для широкого использования. Распространенность и относительная простота изготовления железа в виде стали с разнообразными физико-механическими свойствами, в том числе и магнитными, побудило к изучению и использованию стали в качестве магнитопроводов в электротехнических изделиях. Ферромагнетизм - уже давно стало привычным понятием, а электротехнические стали - самым распространенным материалом электротехнической промышленности. Особенности магнитных свойств и стоимость электротехнических сталей определяют их широкую номенклатуру.
Ежегодно в мире производится 5 — 6 млн. т электротехнических сталей, из которых на долю анизотропной (трансформаторной) стали приходится 30 -35 %. На внешнем рынке существует устойчивый спрос на эту продукцию. В России также накоплен большой опыт производства и использования электротехнических сталей. Так же, как и в мировой практике, в нашей стране рост производства и потребления этих сталей определяется уровнем развития электроэнергетики.
В период реструктуризации российской экономики спрос на электротехнические стали на внутреннем рынке заметно снизился. Крупнейший производитель трансформаторной стали Верх-Исетский металлургический завод (ВИЗ) сократил производство до критического уровня, а его кооперация по производству горячекатаного подката с Челябинским металлургическим комбинатом практически прекратила свое существование (см. рисунок).
н (j
13
|
ю
О
140 -
120 - i
1 ¦
100 -
¦ X
80 ¦ 60 - i - X
г ~
40 • ! i \ / \
\
20 - •
1985
1987
1989
1991
Годы
1993
1995
1997
1999
Динамика производства тонколистовой трансформаторной стали в ООО "ВИЗ-Сталь"
В это же время в ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат" (ММК) осваивались производственные мощности кислородно-конвертерного цеха в комплексе с цехом горячей прокатки слябов ЛПЦ-10. Наращивание производства обуславливало поиск внутренних и внешних рынков сбыта продукции. В этих условиях совпали интересы ММК и ВИЗ. Кооперация ММК — ВИЗ поставила задачу восстановить уровень производства трансформаторной стали такого качества, которое удовлетворяло бы потребности не только внутреннего, но и внешнего рынков.
Для выполнения поставленной задачи необходимо было решить ряд научных и технических проблем. Во-первых, на базе углубленного изучения электромагнитных свойств трансформаторной стали и существующих технологических схем ее производства выбрать наилучший вариант технологии. Во-вторых, определить химический состав и разработать технологию выплавки стали в конвертерах большой вместимости, установить рациональные режимы ковшевой обработки стали и ее разливки на криволинейных машинах непрерывного литья заготовок. В-третьих, в комплексе технологического оборудования для горячей и холодной прокатки ММК - ВИЗ разработать технологические режи-
мы текстурообразования, обеспечивающие мировой уровень потребительских свойств трансформаторной стали.
Металлургическая часть этой большой и многоплановой работы является объектом исследования данной диссертации.
1. АНАЛИЗ МИРОВОГО ОПЫТА ПРОИЗВОДСТВА ТРАНСФОРМАТОРНОЙ СТАЛИ
Трансформаторная сталь относится к классу электротехнических сталей, которые являются основным материалом для изготовления магнитоактивных частей электромашин, вырабатывающих или преобразующих электроэнергию. Уровень магнитных свойств стали определяет основные эксплуатационные характеристики электромашин, работающих в переменных магнитных полях. На перемагничивание затрачивается дополнительная работа, величина которой определяет потерю мощности и снижение коэффициента полезного действия и должна быть минимальной.
Магнитопроводы из трансформаторной стали должны легко намагничиваться и создавать мощный магнитный поток. Эти свойства определяют необходимую массу металла и габариты изделия. Для магнитопровода важное значение имеет и анизотропия электротехнических свойств (высокий уровень свойств в заданном направлении).
1.1. Особенности процессов намагничивания материалов
Как известно, при внесении тел в магнитное поле происходит их намагничивание. Ферромагнетики (железо, низкоуглеродистая сталь, никель, кобальт и др.) отличаются высокой магнитной восприимчивостью, т. е. сильно при внесении их даже в сравнительно слабое магнитное поле. В некотором интервале напряженности поля намагничивание необратимо. После снятия внешнего магнитного поля ферромагнетик сохраняет остаточную индукцию, для уничтожения которой необходимо наложить магнитное поле обратного знака, напряженность которого называется коэрцитивной силой.
Необратимость процесса намагничивания приводит к возникновению петли гистерезиса. Кривые намагничивания железа впервые были изучены в 1871 г. известным отечественным физиком А.Г. Столетовым. Энергия, затрачи-
ваемая на цикл перемагничивания и выделяющаяся в форме теплоты, составляет потери на гистерезис. В случае намагничивания материала переменным током к потерям на гистерезис добавляются потери энергии в виде тепла на вихревые токи. Эти потери зависят от удельного электросопротивления материала, максимальной индукции, частоты тока, толщины листов, размеров зерна и других факторов. Сумма потерь на гистерезис и вихревые токи составляет более 95 % всех потерь.
Электротехнические железокремнистые стали относятся к классу ферромагнитных магнитномягких сплавов, которые характеризуются узкой петлей гистерезиса, малой коэрцитивной силой, высокой магнитной индукцией и проницаемостью, низкими потерями на гистерезис и вихревые токи, а также минимальными общими удельными потерями. Эти стали — самые дешевые из магнитномягких сплавов.
При использовании электротехнических сталей важное значение имеют такие свойства, как магнитострикция и магнитная анизотропия. Магнитострик-цией называют изменение размеров материала при намагничивании. Явление магнитострикции вызывает шум и нагревание сердечников.
Магнитная анизотропия характеризуется изменением магнитных свойств электротехнических сталей в разных кристаллографических направлениях. Так, в обычной горячекатаной трансформаторной стали разница в удельных потерях вдоль и поперек направления прокатки составляет 5-15 %, в малотекстурован-ной - не превышает 30 %, а в стали с ребровой текстурой - 200-400 % [1].
1.2. Физические основы магнитных свойств металлов и сплавов
Магнитные свойства металлов обусловлены их атомным строением, причем решающую роль играет энергетическое взаимодействие электронов.
В результате движения электрона вокруг ядра возникает магнитный момент - так называемый орбитальный момент. Аналогичным образом в результате вращения электрона вокруг собственной оси образуется так называемый
спиновый момент. Само ядро также испытывает вращательное движение и обладает определенным магнитным моментом. Сумма моментов всех электронов определяет магнитные свойства вещества. В атомах диамагнетиков сумма этих моментов равна нулю, в них электронная структура симметрична и магнитные моменты отдельных электронов, направленные в противоположные стороны, взаимно уничтожаются. Если же электронная структура атома несимметрична, то электронные моменты не уничтожают друг друга полностью и сумма элементарных магнитных моментов — так называемый атомный момент — становится отличной от нуля. Атомные или ионные моменты свободных атомов под действием внешнего магнитного поля устанавливаются вдоль поля, что приводит к положительной намагниченности [2].
Атомы, имеющие не до конца заполненные электронные подгруппы (например, элементы с порядковым номером от 21 до 28 — Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, от 39 до 46 и т.д.), обладают известной асимметрией в их электронной структуре. Результирующий момент количества движения всех электронов таких атомов и вместе с тем магнитный момент всего атома становятся отличными от нуля. Мерой магнитного момента атома служит магнетон Бора.
Магнитные свойства металлов и сплавов обусловлены магнитными моментами движущихся электронов. Элементарными носителями магнетизма являются спиновые моменты электронов. Магнетон Бора - магнитный момент, соответствующий спину электрона. Ферромагнитное состояние металла определяется преобладанием электронов с одинаковыми спинами, т. е. наличием некоторого суммарного момента. Тепловое движение атомов нарушает параллельное расположение спинов и выше температуры, называемой точкой Кюри, приводит к превращению ферромагнетика в парамагнетик. Ферромагнитное состояние и точка Кюри определяются природой металла и не зависят от его структуры (размеров и формы зерен).
В кристаллах атомы взаимодействуют друг с другом, их валентные электроны взаимодействуют со всеми окружающими атомами. Изменение распределения электронов, а также изменение энергетических уровней представляется
не в виде линий, четко отделяющихся друг от друга, а в виде полос, перекрывающих друг друга. Под влиянием термического движения электрон может попеременно переходить из одной полосы в другую. Вероятность пребывания электрона в данной полосе выражается в этом случае дробным числом электронов, как это, например, имеет место для состояний 3d- и 4s-aTOMa железа в кристаллической решетке. Поэтому железо в кристаллическом состоянии обладает 2,2 магнетона Бора. В случае легирования железа хромом, марганцем, кобальтом, никелем происходит замена в кристаллической решетке атомов железа атомами легирующего элемента, электроны которого компенсируют атомный магнитный момент. Только в случае сплавов железа с кобальтом атомный магнитный момент увеличивается до 2,4.
Орбитальные моменты электронов в атомах, образующих кристалл, в результате их взаимодействия в большинстве случаев не проявляются, поэтому в твердых парамагнитных и ферромагнитных телах основное значение для проявления магнетизма имеет спиновый момент. Ферромагнетизм является свойством не отдельного атома, а множества атомов, составляющих элементарную область или домен., т.е. коллективным свойством. Этот домен характеризуется тем, что в нем все атомные моменты, возбуждаемые электронами (в основном спиновые моменты), ориентированы параллельно друг другу. Благодаря этому домен намагничен до насыщения. Однако внешне вещество представляется немагнитным, так как отдельные домены намагничены в самых различных направлениях и вследствие этого результирующая намагниченность вещества в целом равна нулю. Такая структура обусловлена требованием минимума свободной энергии ферромагнетика.
Векторы намагниченности соседних доменов параллельны (угол 180°) или перпендикулярны (90°). Граница между доменами имеет некоторую конечную толщину. В ненамагниченном состоянии вследствие взаимной компенсации сумма магнитных моментов всех доменов равна нулю.
Процессы намагничивания и размагничивания могут происходить либо смещением междоменных границ, либо поворотом векторов намагниченности
10
отдельных доменов. В слабых и средних полях изменение намагниченности происходит в основном путем смещения. Процесс вращения протекает обычно в сильных полях.
В магнитномягких материалах коэрцитивная сила зависит от сопротивления движению междоменных границ. Подвижность границ зависит от степени совершенства кристаллической структуры. Смещению границ препятствуют различные дефекты кристаллической решетки: скопление дислокаций, комплексы вакансий, инородных фаз, а также их магнитные поля. В связи с этим коэрцитивная сила, магнитная проницаемость и остаточная индукция являются структурно чувствительными свойствами.
В монокристалле размещение атомов в различных кристаллографических направлениях - в направлении диагонали куба или диагонали грани и т. д. — различно. В соответствии с этим межатомная связь, а вместе с ней и многие свойства, в том числе и магнитные, в различных кристаллографических направлениях также имеют различную величину. В а-модификации железа с объ-емноцентрированной кубической решеткой направление грани куба [100] отчетливо выявляется как направление наиболее легкого намагничивания. У никеля, имеющего гранецентрированную кубическую решетку, таким направлением служит пространственная диагональ [111], а у кобальта - гексагональная ось [0001]. Такое поведение является проявлением существующей в кристалле самопроизвольной ориентировки магнитных моментов доменов. В соответствии с этим говорят о магнитной анизотропии кристалла. Путем создания текстуры прокатки или (и) рекристаллизации поликристаллическим материалам можно придать необходимую достаточно однородную ориентировку.
1.3. Влияние кристаллической ориентировки на магнитные свойства поликристаллических материалов
Картина доменной структуры поликристаллических материалов усложняется наличием большого числа зерен неправильной формы и магнитным взаимодействием соседних зерен. Искажения кристаллической решетки и концен-
11
трация примесей на границах зерен, а также увеличение протяженности границ за счет уменьшения размеров зерен повышают коэрцитивную силу.
Характер кристаллической ориентировки отдельных зерен важен потому, что при их одинаковой ориентировке в поликристаллическом материале существует такая же зависимость магнитных свойств от кристаллографического направления, как и в монокристалле. Одинаковая ориентировка кристаллов может быть достигнута горячей или холодной деформацией, причем в последнем случае с применением рскристаллизационного отжига. Ориентировка кристаллов в определенном кристаллографическом направлении (текстура) по отношению к направлению намагничивания имеет большое влияние на магнитные свойства. Ребро куба [100] является направлением наиболее легкого намагничивания. Если намагничивать кристалл не в этом преимущественном направлении, а в каком-либо другом, то потребуется большая энергия намагничивания. Коэрцитивная сила, как и магнитная проницаемость, различна для разных кристаллографических направлений.
Уже при горячей прокатке может быть получена определенная текстура. Более выраженной текстура получается в том случае, если материал будет подвергаться дополнительной холодной прокатке. В процессе рекристаллизацион-ного отжига текстура прокатки переходит в текстуру рекристаллизации в результате преимущественного роста зародышей определенной ориентировки, в зависимости от энергии деформации, различной в различно ориентированных областях. Путем многократной прокатки в холодном состоянии с промежуточными отжигами можно получать разные текстуры. Так, если лист электротехнической стали прокатать, отжечь его при температуре 930 °С, затем вновь подвергнуть холодной прокатке с почти той же степенью обжатия (более чем 50 %) и окончательному отжигу при температуре 1100 °С, то получается текстура, в которой в направлении прокатки ориентируется ребро куба кристаллической решетки, в то же время после первой прокатки в этом направлении ориентировалась диагональ грани [3]. При этом магнитная проницаемость значительно возрастает. Следует отметить, что разной степени деформации и температуре
12
отжига соответствует разный уровень магнитных свойств стали. Существует тесная связь между характером образующейся текстуры и распределением и видом существующих в материале дефектов кристаллического строения.
При больших степенях деформации кристаллы стремятся принять одно и то же общее кристаллографически выгодное положение по отношению к направлению деформации. Одинаковая ориентировка кристаллов в холоднокатаных материалах, наблюдаемая при сильных степенях деформации, формирует текстуру прокатки. Текстура прокатки железа характеризуется ориентировкой диагонали грани куба [ПО] параллельно направлению прокатки и ориентировкой плоскости куба (100) параллельно плоскости прокатки. По мере возрастания степени деформации в структуре деформированного материала можно наблюдать наличие линий скольжения, а также появление все большего количества поворотов и изгибов плоскостей скольжения [2].
1.4. Роль внутренних напряжений и меры борьбы с ними
К магнитномягким материалам предъявляются требования возможно меньшего значения коэрцитивной силы и крутого подъема кривой намагничивания. Эти требования могут быть выполнены при отсутствии неоднородных напряжений и при осуществлении преимущественной ориентировки доменов кристаллографическим или механическим путем, благодаря чему исключаются процессы вращения при намагничивании. Для устранения неоднородных механических напряжений используют следующие средства:
- тщательное проведение отжига для снятия напряжений;
- устранение нежелательных примесей;
- предотвращение выделений из твердого раствора другой фазы и наруше-
ния сплошности ферромагнитной основы;
- существенное уменьшение количества границ между зернами.
Задача отжига электротехнической стали состоит в том, чтобы путем максимального снижения внутренних напряжений и уменьшения дефектов строения,
13
снизить коэрцитивную силу. Нарушения правильного кристаллического строения - искажения решетки — локализуются прежде всего на границах зерен. Поэтому крупнозернистые листы должны иметь лучшие магнитные свойства, чем мелкозернистые при условии одинаковой текстуры и одинаковой степени чистоты, как в химическом смысле, так и в отношении дефектов кристаллического строения внутри зерна. Выбор температуры отжига и регулирование скорости охлаждения производят таким образом, чтобы кристаллиты по возможности не имели дефектов и чтобы ни в коем случае не было вредных для магнитных свойств процессов выделения дисперсных фаз.
В процессе службы может происходить магнитное старение материала, когда коэрцитивная сила увеличивается вследствие выделений определенной степени дисперсности, препятствующих смещению междоменных границ. Известно, что такие элементы, как азот и кислород способствуют, а углерод, марганец и хром, а также алюминий, ванадий и титан, связывающие азот в стабильные нитриды, препятствуют магнитному старению [4].
1.5. Особенности ребровой и кубической текстуры трансформаторной стали
Железокремнистые сплавы имеют магнитную индукцию насыщения более высокую, чем железоникелевые сплавы. Значительное электросопротивление этих сплавов и их низкая коэрцитивная сила обуславливает возможность достижения малых удельных гистерезисных и вихревых потерь энергии при пере-магничивании сердечников, изготовленных из этих сплавов. Удовлетворительная пластичность сплавов железа с кремнием позволяет получать эти сплавы в виде листов и холоднокатанных лент толщиной 0,5-0,003 мм (чем меньше толщина, тем меньше потери энергии на вихревые токи).
Легирование стали никелем, хромом, алюминием, вольфрамом уменьшает ее индукцию насыщения. Наибольшей индукцией насыщения обладает чистое железо, однако вследствие низкого удельного электросопротивления оно имеет большие потери энергии на вихревые токи. Сильнее других электросопротив-
14
ление железа увеличивают кремний и алюминий [5].
До начала 20-х годов прошлого столетия магнитные свойства стали, используемой в трансформаторостроении, улучшались исключительно за счет увеличения концентрации основного легирующего элемента - кремния и уменьшения толщины листов. Сталь производилась в горячекатаном виде методом пакетной прокатки; концентрация кремния достигала 4-5 %, а толщина полос - 0,4 мм.
В середине 20-х годов М. Кай и Т.Хонде обнаружили эффект магнитной анизотропии монокристаллов железа. Позднее этот эффект был получен в промышленных условиях, когда в результате многочисленных опытов, проведенных в 1930-1935 гг., Н.П. Госсу [3] путем двукратной холодной прокатки удалось получить трансформаторную сталь, имевшую при содержании кремния 3-3,5 % весьма высокие магнитные свойства вдоль направления прокатки. В первых образцах холоднокатаной трансформаторной стали в 1935 г. Н.П. Госсом была получена магнитная проницаемость в 1,5-2 раза превышающая магнитную проницаемость лучшей марки горячекатаной трансформаторной стали.
Такие высокие магнитные свойства получены при наличии кристаллографической текстуры, при которой направление легкого намагничивания в решетке а-железа (ось [100]) совпадает с направлением прокатки, направление трудного намагничивания (ось [111]) находится под углом 55° к направлению прокатки, а ось среднего намагничивания [110] - под углом 90° к направлению прокатки. Такая текстура, получившее название «ребровая» (рис. 1.1), записывается символами: (110), [100]. Это означает, что плоскость (110) совпадает с плоскостью прокатки, а ось [100] совпадает с направлением прокатки.
Позднее (в 1937 г.) на монокристаллах сплава железа с 3,8 % кремния H.J. Williams получил максимальную магнитную проницаемость в направлении [100] и минимальные потери на гистерезис на уровне лучших марок железони-келевых сплавов. Промышленное производство текстурованной трансформаторной стали было освоено в 1940—1945 гг. сначала в США, а затем ивев-
15
[111]
[ПО]
Поперечное направление
Рис. 1.1. Схема ребровой текстуры трансформаторной стали
ропейских странах. Наибольшая анизотропия магнитных свойств стали с ребровой текстурой вдоль и поперек направления прокатки составляет в среднем по удельным потерям 400 %, по магнитной индукции 700 % и по коэрцитивной силе 300 %. В сильных полях наблюдается максимальная анизотропия по удельным потерям, а в слабых — по магнитной индукции и проницаемости.
Магнитные свойства трансформаторной стали с ребровой текстурой заметно ухудшаются с уменьшением толщины ленты до 0,15 -0,10лш и менее. В таких изделиях имеет преимущества сталь с кубической текстурой. Кубической текстурой называется преимущественная ориентация зерен, при которой грань куба - плоскость (100) - совпадает с плоскостью прокатки, а ребро куба — ось [ 100] - ориентируется вдоль направления прокатки. При такой текстуре вдоль и поперек направления прокатки ориентируются ребра куба - направления легкого намагничивания, под углом 45° к направлению прокатки ориентируется ось средней трудности намагничивания [НО], а ось наиболее трудного намагничивания [111] вообще выводится из плоскости намагничивания.
Результаты испытания трансформаторов, изготовленных из стали с кубической текстурой (рис. 1.2), показали, что напряженность магнитного поля, необходимая для получения индукции 1,7 Тл в сердечнике трансформатора, была
16
8,8
6,6
? 4,4
2,2
О
i '¦ /
I 1
1,1
1.3
1,5 В,Тл
1,7
1,9
Рис. 1.2. Удельные потери (Р) в трансформаторах, изготовленных из стали с ребровой (1) и кубической (2) текстурой
в два раза меньше напряженности поля, которая требовалась для получения той же индукции в трансформаторе из стали с ребровой текстурой. Трансформатор имел удельные потери на 60 % меньше, чем трансформатор, изготовленный из стали с ребровой текстурой [6].
1.6. Влияние химического состава на свойства трансформаторной стали
Из всех химических элементов, содержащихся в элетротехнических сталях, кремний оказывает наибольшее влияние на структуру и магнитные свойства трансформаторной стали. С увеличением содержания кремния растет электросопротивление стали и снижаются потери на вихревые токи. Кремний
17 |
