Современные процессы рафинирования стали
  13 Особенности технологии производства электротехнической стали

Электротехническую сталь с содержанием кремния 0,8 – 4,8% используют в качестве магнитомягкого материала в конструкциях электрических машин и аппаратов, работающих при частоте 50 – 400 Гц. Преимуществами этого материала являются высокая индукция насыщения и относительно низкая стоимость.

На электротехнические свойства стали сильное влияние оказывает содержание в ней углерода. Растворяясь в феррите и вызывая в нем внутренние напряжения, углерод значительно ухудшает свойства стали, повышая ваттные потери. Отрицательное влияние углерода проявляется уже при весьма низком его содержании. Так, например, снижение концентрации углерода в изотропной электротехнической стали с 0,060 до 0,002% приводит к уменьшению ваттных потерь на 25 – 40%, а с 0,025 до 0,002% – на 10 – 15%. Поэтому одной из главных задач при производстве электротехнической стали является получение низкого содержания углерода, которое в стали обыкновенного качества не должно превышать 0,030%, а в стали особо высокого качества – 0,003%.

Для улучшения магнитных свойств технически чистого железа широко используют легирование его кремнием. Кремний, образуя с железом твердый раствор, увеличивает его удельное электрическое сопротивление, способствует переходу углерода из наиболее вредной для магнитных свойств металла формы – цементита в графит, способствует образованию крупнозернистой структуры, уменьшает магнитную анизотропию и константу магнитоскрипции. В результате указанных изменений улучшаются электротехнические свойства стали: уменьшается коэрцитивная сила, увеличиваются относительная магнитная проницаемость, снижаются потери на вихревые токи и гистерезис. Кроме того, наличие в металле кремния повышает стабильность магнитных свойств стали во времени.

Вместе с тем при повышении содержания кремния ухудшаются механические свойства стали – увеличиваются твердость и хрупкость. Поэтому в кремнистой электротехнической стали содержание кремния не превышает 4,8%.

Электротехническую сталь производят горячекатаной и холоднокатаной. Горячекатаная сталь изотропна, то есть ее магнитные свойства одинаковы в различных направлениях относительно направления прокатки.

Свойства электротехнической стали можно значительно улучшить путем холодной прокатки и последующего отжига при температуре 900 – 1000оС. Такая обработка приводит к возникновению кристаллической текстуры – преимущественной ориентации границ зерен вдоль направления течения металла при прокатке. Текстурированная сталь анизотропна, ее магнитные свойства вдоль направления прокатки существенно выше.

Ограничение рекристаллизации при отжиге достигается выделением по границам зерен металла ингибиторной фазы (MnS, AIN).

При сульфидном варианте ингибирования электротехнической стали ингибиторной фазой являются включения MnS размером 25 – 50 нм. Для этого в стали должно быть достаточное количество серы. Однако, сера ухудшает пластические свойства стали, поэтому содержание ее не должно превышать 0,015%. Марганец, растворяясь в феррите, ухудшает электротехнические свойства стали, поэтому концентрация его в стали не должна превышать 0,1%. Оптимальное содержание марганца составляет 0,06 – 0,08 %. Содержание азота должно быть не более 0,005%.

При нитридном варианте ингибирования ингибиторной фазой являются включения AIN размером 10 – 50 нм. Для этого содержание азота в стали должно составлять 0,010 – 0,012%, а содержание серы – не более 0,003%.

Выплавка электротехнической стали возможна как в кислородных кон-вертерах, так и в дуговых сталеплавильных печах. Однако, в конвертерах проще получить требуемое низкое содержание углерода.

При выплавке полупродукта для последующего легирования содержанием углерода в металле должно составлять не более 0,03 – 0,05%, марганца – 0,06 – 0,08%. При получении такого металла в кислородных конвертерах верхнего дутья содержание FeO в шлаке достигает 18 – 24%, что приводит к значительным потерям железа. Поэтому для выплавки полупродукта целесообразно использовать конвертеры комбинированного дутья с продувкой кислородом сверху и подачей малоактивного газа через днище конвертера. В этом случае содержание FeO в шлаке не превышает 14 – 15%. При этом низкое содержание марганца достигается путем увеличения массы конвертерного шлака и частичного его обновления.

Обычно полупродукт выпускают из конвертера с содержанием углерода 0,03 – 0,04%. При циркуляционном вакуумировании нераскисленной стали концентрацию углерода понижают до 0,02 – 0,03%. После этого на поверхность металла в вакуумной камере дают ферросилиций и продолжают обработку до тех пор, пока коэффициент дополнительной рециркуляции достигнет величины 1 – 2. Обычно этого достаточно для равномерного распределения кремния во всем объеме металла.

Особенность легирования электротехнической стали заключается в выделении большого количества тепла при вводе в металл ферросилиция. Даже при присадке твердого ферросилиция без предварительного нагрева тепловой эффект реакции растворения кремния с избытком компенсирует затраты тепла на плавление ферросплава. Так, например, при вводе в сталь 2% кремния с использованием 60%-ного ферросилиция в количестве 3,3% температура металла повышается на 40оС. Это позволяет выпускать металл из сталеплавильного агрегата без перегрева, необходимого для компенсации тепловых потерь при вакуумировании, и легировать сталь во время вакуумной обработки в ковше.

При сульфидном варианте ингибирования раскисление электротехнической стали проводят только кремнием, который одновременно является и легирующим элементом. При сульфонитридном варианте ингибирования для раскисления металла используют также алюминий.

Фосфор улучшает свойства изотропной электротехнической стали. Как и кремний, он сужает область устойчивого состояния -Fe. Однако, влияние фосфора значительно сильнее. При наличии в металле 0,03% С и 1,8% Si фосфор полностью выклинивает область -Fe уже при содержании его 0,21%. Вместе с тем замена кремния фосфором приводит к улучшению штампуемости металла и способствует выравниванию твердости и механических свойств по ширине листа и длине рулона. В обычной изотропной электротехнической стали допускается наличие фосфора в количестве до 0,050%. Производят и легированную фосфором в количестве до 0,2% безкремнистую изотропную электротехническую сталь высокой штампуемости. Для легирования такой стали в ходе вакуумной обработки используют 15 – 16%-ный феррофосфор.

  13 Особенности технологии производства электротехнической стали
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ