Проект термического отделения высокотемпературного отжига анизотропной электротехнической стали толщиной 0,35 мм. Годовая программа 150 тысяч тонн (стр. 8 из 22)
С увеличением содержания фосфора площадь петли гистерезиса уменьшается, соответственно снижаются гистерезисные потери. Потери на вихревые токи также уменьшаются.
Магнитная проницаемость стали, увеличивается с увеличением содержания фосфора. На индукцию насыщения фосфор влияет незначительно.
Положительное влияние фосфора на уровень магнитных свойств связано с его рафинирующим действием. Он обладает большим сродством к кислороду, что способствует очистке, стали от этой вредной примеси.
Было изучено влияние фосфора, на уровень механических характеристик стали в отожженном состоянии. С увеличением содержания фосфора все прочностные характеристики стали повышаются.
Фосфор более интенсивно, чем кремний, упрочняет сталь. При содержании фосфора 0,33 (% масс.) холодная прокатка затрудняется из-за повышения жесткости металла. В связи с этим целесообразно содержание фосфора в стали ограничить пределом 0,12 – 0,20 (% масс.) [1].
Сера
По мере увеличения содержания серы в листах наблюдается повышение коэрцитивной силы, удельных потерь и снижение магнитной индукции в средних полях. Максимальная магнитная проницаемость по мере возрастания содержания серы также заметно снижается. С увеличением содержания серы размеры зерен феррита уменьшаются.
Вредное влияние серы можно объяснить тем, что при застывании анизотропной электротехнической стали, сера полностью выделяется из жидкого раствора в виде включений сернистого железа, сернистого марганца и ряда других соединений. Выделившиеся включения являются барьерами, препятствующими нормальному росту зерен феррита при отжиге.
Сера приводит к ухудшению не только магнитных свойств, но и технологичности стали вследствие красноломкости. С повышением в металле серы с 0,014 (% масс.) до 0,025 (% масс.) увеличиваются удельные потери на 0,5 Вт/кг [4].
АлюминийАлюминий – активный раскислитель. При производстве электротехнической стали, алюминий используют наряду с кремнием. Кроме того, он способствует, росту зерна кремнистой стали и выделению углерода в форме графита. Алюминий увеличивает электросопротивление, уменьшает склонность стали к старению, а также резко уменьшает растворимость в стали кислорода и, в меньшей степени, азота. В то же время алюминий увеличивает хрупкость. Действие алюминия во многом аналогично действию кремния. Сталь становится ферритной при одном проценте алюминия. Однако укрупнение зерна феррита алюминием наблюдается до температуры отжига 850 °С.
При высокотемпературном отжиге (1100 °С – 1150 °С) магнитные свойства анизотропной электротехнической стали, при легировании алюминием, ухудшаются в связи с окислением алюминия и образованием глинозема. Размер зерна феррита в листах после ВТО заметно уменьшается с увеличением содержания алюминия. Это объясняется тем, что при ВТО в условиях недостаточной защиты металла от окисления образуются оксиды и нитриды алюминия, препятствующие, нормальному росту зерен феррита и ухудшающие магнитные свойства стали. Он также подавляет, склонность стали к старению благодаря связыванию азота в прочные нитриды.
Нитриды алюминия тормозят нормальный рост зерен, создавая условия для протекания вторичной рекристаллизации с образованием ребровой текстуры.
Алюминий, широко применяется, при производстве анизотропной стали по нитридному варианту, его влияние (при содержании 0,01 – 0,03 % масс.) связано с его способностью, образовывать с азотом трудно растворимые соединения – нитриды. Дисперсные нитриды алюминия, выделяясь в процессе нагрева, тормозят нормальный рост зерен, создавая условия только для роста ребровых зерен и, обеспечивая, таким образом, протекание вторичной рекристаллизации с образованием текстуры (110) [001]. Следовательно, при выплавке анизотропной электротехнической стали, предназначаемой для ВТО в вакууме, следует стремиться к тому, чтобы содержание алюминия в ней было минимальным. В этом случае алюминий не следует применять ни в предварительном, ни в окончательном раскислении. В ферросилиции, применяемом, для раскисления анизотропной электротехнической стали, содержание алюминия не должно превышать 0,6 – 0,8 (% масс.).
Алюминий резко снижает растворимость в стали кислорода.
Алюминий, ухудшает, технологичность стали при горячей и холодной прокатках. Уже при 0,08 (% масс.) алюминия наблюдается образование большого количества рванин на кромках горячекатаных полос. Повышение концентрации алюминия ухудшает также качество поверхности холоднокатаных полос.
В целом, полезное действие алюминия (в пределах 0,01 – 0,02 % масс.) связано с его положительным влиянием на текстурообразование [1].
Титан
Титан является вредной примесью в электротехнической стали. Он образует стабильные мелкодисперсные включения TiN и TiO2. Так же, как Al2O3, они стойки к высоким температурам отжига. То есть удаление этих фаз при ВТО практически невозможно.
На практике в промышленной анизотропной электротехнической стали, содержится 0,05 – 0,08 (% масс.) Ti. Поскольку титан имеет большое сродство к азоту, чем алюминий и кремний, то весь он будет находиться в виде нитридов, количество которых, не достаточно для того, чтобы титан был ответственным за текстурообразование. А наличие нескольких ингибиторов вследствие различных температур растворения и коагуляции отрицательно сказывается на процессе текстурообразования.
Кислород
Вредное действие кислорода проявляется в образовании мелкодисперсных оксидов (Al2O3, SiO2 и т.д.), ухудшающих магнитные свойства стали. Кроме того, кислород может привести к образованию под корковых пузырей [4].
Водород
Отжиг листа в токе сухого водорода повышает электротехнические свойства листа, то есть способствует его обезуглероживанию и рафинированию от вредных примесей. Однако после того как водород выполнил свою функцию, его следует удалять из стали путем длительной выдержки или подогрева до 100 °С – 200 °С. Наличие водорода в металле вызывает изменение энергетических уровней атомов и переходов их из одного энергетического состояния в другое, что сопровождается ухудшением механических и магнитных свойств листа.
Азот
Влияние азота на качество анизотропной электротехнической стали весьма велико. Азот вызывает химическую и структурную неоднородность, может явиться причиной рваной кромки, измельчает зерно, портит текстуру и ухудшает электротехнические свойства листа. Увеличение содержания азота в готовом листе в десять раз (от 0,002 до 0,02 % масс.) увеличивает коэрцитивную силу и потери на гистерезис соответственно в 4 и 6 раз. Увеличение концентрации азота ведет к уменьшению магнитной индукции, а также к резкому расширению петли гистерезиса.
Азот является наиболее вредной примесью в стали. Азот увеличивает коэрцитивную силу, и удельные потери в стали благодаря образованию мелкодисперсных нитридов и карбонитридов. Сохранение же азота в твердом растворе (феррите) приводит, к магнитному старению стали. Это обусловлено выделением из пересыщенного твердого раствора метастабильного (Fe16 N2) и стабильного (Fe4 N) нитридов железа.
Азот используется, при производстве электротехнической стали по нитридному варианту. Выделение азота в виде нитридов в интервале протекания собирательной рекристаллизации при окончательном отжиге обеспечивает стабилизацию матрицы, и протекание вторичной рекристаллизации в анизотропной стали. Увеличение концентрации азота до 0,010% способствует совершенствованию текстуры и повышению магнитных свойств [4].
Неметаллические включения
Для оценки влияния примесей на магнитные свойства необходимо учитывать размеры включений и напряжения, которые создаются вокруг включений.
Неферромагнитные включения, находящиеся в ферромагнитном окружении, увеличивают магнитостатическую энергию, которая является наибольшей, когда размеры включений соизмеримы с шириной доменных стенок (доли микрометра). На рисунке показано изменение коэрцитивной силы от диаметра включений углерода.
Также магнитные свойства ухудшаются из-за наличия зоны искажений матрицы вблизи включений из-за различия коэффициентов термического расширения. Зона искажений может быть в несколько раз больше размера включений, и в этой зоне имеется повышенная плотность дислокаций. Из-за магнитоупругой энергии ферромагнетика происходит возрастание коэрцитивной силы. Наиболее вредными включениями по этой причине являются AlN, Si2N4, Al2O3, цементит и т.д.
Рис. 8. Зависимость коэрцитивной силы от размера включений углерода
Зависимость общих потерь от содержания примесей является более сложной. Если потери от гистерезиса возрастают с увеличением включений при одной дисперсности, то потери от вихревых токов, как правило, уменьшаются. Это связано с искажением доменной структуры и уменьшением размеров доменов.
Установлено также влияние примесей на структуро – и текстурообразование и магнитные свойства стали посредством их воздействия на твердость, то есть на уровень внутренней энергии при деформации.
2.3.3 Процесс образования ребровой текстуры в электротехнических сталях
Первичная рекристаллизация приводит только к появлению в текстуре четкой компоненты {110} <100>, но при этом последняя не является доминирующей. Превращение этой компоненты в основную происходит на стадии вторичной рекристаллизации, во время которой центры {110} <100> растут быстрее, чем центры других ориентировок. Чтобы это произошло, границы основной массы зерен должны быть стабилизированы дисперсными частицами вторых фаз [6].