CZ306162B6

CZ306162B6 - Způsob výroby anizotropního elektrotechnického plechu

Info

Publication number: CZ306162B6
Application number: CZ2012-30A
Authority: CZ
Inventors: Yuriy Ivanovich Larin; Mikhail Yurievich Poliakov; Vladimir Nikolaevich Polyakov; Alexy Yurievich Shishov; Sergey Andreevich Krysanov; Boris Mikhailovich Chernenilov
Original assignee: Open Joint Stock Company Novolipetsk Steel
Priority date: 2009-08-03
Filing date: 2010-07-27
Publication date: 2016-08-31
Also published as: BR112012001806B1; PL218343B1; CZ201230A3; BR112012001806A2; PL398130A1; RU2405841C1; WO2011016758A1

Abstract

Způsob výroby anizotropního elektrotechnického plechu zahrnuje výrobu oceli, kontinuální lití, válcování za tepla, válcování za studena, oduhličování žíhání, odmašťování, nanášení ochranné vrstvy, žíhání při vysoké teplotě, pokrývání elektrické izolace, tepelné žíhání a elektromagnetickou expozici povrchu pásu, která je prováděna při nastavitelném napnutí, generujícím 5 až 80 N/mm.sup.2.n. vnitřní pnutí v oceli a kontinuální multi-režimové laserové záření s nekruhovým průřezem se používá pro danou elektromagnetickou expozici při 0,015 až 0,050 J/mm P/V což je poměr: radiační výkon vůči rychlosti skenování, zde tedy poměr délky a šířky průřezu nekruhového paprsku je 0,005 až 0,075, kde napětí pásu při expozici laseru bude určeno následovně: F = k Bd/(P/V).sup.1/2.n., kde F- je externí aplikovaná síla v kN, B a d - šířka pásu respektive jeho tloušťka v mm, k - koeficient proporcionality se rovná 0,002 až 0,010 v závislosti na chemickém obsahu a mechanických vlastnostech oceli, která má být ošetřena.

Description

Způsob výroby anizotropního elektrotechnického plechu

Oblast techniky

Navrhovaný vynález se vztahuje k metalurgii železa, především k výrobě za studená válcovaného elektrotechnického plechu s orientovanými zrny, používaného pro výrobu velkých magnetických jader s nízkou magnetizační ztrátou.

Dosavadní stav techniky

Je všeobecně známo, že jedním ze způsobů jak snížit specifickou magnetickou ztrátu hotové transformátorové oceli, je vytvoření různých strukturálních bariér na povrchu plechu, což vede k distorzi magnetické textury v lokálních plochách povrchu oceli a k vytvoření komplexní struktury oblastí (domén ) spontánní magnetizace.

V poslední době se stále častěji používá laserové zpracování povrchu při výrobě za studená válcovaného anizotropního elektrotechnického plechu s elektrickou izolací. Vnitřní napětí a strukturální defekty v oblasti expozice laseru (dislokace, mezery, distorze matrice) vedou k vytvoření speciální magnetické struktury. To podporuje vyšší magnetickou vnímavost a eventuálně nižší komponentu vířivého proudu specifické ztráty v jádře.

Existuje způsob výroby elektrické GO oceli dle patentu RF 1 744 128, třída C21D 8/12, který zahrnuje válcování za tepla, alespoň jedno válcování za studená, oduhličení a rekrystalizační žíhání a opracování povrchu laserem napříč směru válcování v magnetickém poli zvolené síly. Aby došlo ke snížení magnetické ztráty, navrhuje se používat laser v magnetickém poli ve směru válcování.

Nevýhodou dané metody je její účinnost, která není dostatečně vysoká, takže navrhované řešení nevyhnutelně vede k vyšší spotřebě energie a k problémům s aplikací technologie.

Je znám způsob zlepšení magnetických charakteristik texturované elektrické silikonové oceli zpracováním laserem dle patentu RF 2 238 340, třída C21D 8/12, kde dochází ke generování záření a expozici povrchu CO₂ laserem. S ohledem na určité specifické vlastnosti ošetření CO₂laserem má GO ocel významné nevýhody v porovnání s vláknovým yterbiovým laserem. První a nejvýznamnější z nich je založena na rozdílu vlnové délky záření. U vláknového laseru je vlnová délka λ = 1,07 pm a absorpční koeficient oceli se jeví jako výrazně vyšší než při vlnové délce λ = 10,46 pm, která je typická pro CO₂ laser. To poskytuje výhodu vláknovému laseru, protože to vede k vyššímu koeficientu využití užitečného výkonu při nižší energii záření. Na druhé straně schopnost absorpce elektrické izolační vrstvy, která se zvyšuje s prodloužením vlnové délky, vede - v případě použití CO₂ laseru - k lokálnímu přehřátí materiálu a ke vzniku viditelných stop po zpracování. Se zvyšováním λ se komplikuje úkol vytvoření jemně zaostřených skvrn. A konečně, problémy ve využívání a komplikované nastavení optického systému a specifické podmínky chlazení snižují účinnost aplikace CO₂ laseru.

Jsme přesvědčeni, že metodou, která je nejbližší navrhovanému technickému řešení z hlediska technické vhodnosti a z pohledu dosažitelných výsledků, je metoda zpracování plechu z elektrotechnické oceli, popsaná v patentu RF 2 301 839, třída C21 D 8/12. Tato metoda navrhuje použití různých metod zpracování při skenování kontinuálním jemně zaměřeným paprskem vláknového laseru s vlnovou délkou 1,07 až 2,10 pm.

Ovšem aplikace navrhované metody je založena na záření s relativně nízkým výstupním výkonem (od 10 W). Nezbytnost vytvořit jemně zaměřený paprsek s pouze 0,01 mm průměrem bodu v místě zaměření je v tomto případě způsobena výběrem záření v jednotlivém režimu, které není

- 1 CZ 306162 B6 schopno poskytnout záření nad 1 kW. Povrchová úprava s paprskem, zaměřeným na malý úsek, vede k vysokým stoupáním teploty v bodové oblasti. Hloubka ohřevu oceli a šířka sledovaného paprsku nedosahují více než 20 pm. Za takových podmínek povede jakékoli další zvýšení hustoty laser na bázi zvýšení výkonu nevyhnutelně k tavení oceli v oblasti koncentrovaného energetického toku a k destrukci izolačního povrchu. I když autoři poukazují na možnost použití laserů o vysokém výstupním výkonu (až do 50 kW), daná změna poměru rozsahu výkonu vůči rychlosti skenování (P/V) nepřekročí 0,012 J/mm, což odpovídá 200 W výstupního radiačního výkonu pro specifikovaný rozsah rychlostí skenování 3000 až 16000 mm/s. Při tak nízkém výstupním výkonu laseru nelze zajistit účinnost laserového zpracování, požadovanou pro průmyslové aplikace (při rychlost opracování 50 až 70m/min) bez dodatečných laserů. Proto tedy vytvoření stabilního jemně zaměřeného paprsku při vysoké hustotě špičkového výkonu vyžaduje dodatečné technické prostředky, které eventuálně vedou k vyšším kapitálovým investicím a eventuálně k vyšším nákladům na výsledný hotový produkt.

Podstata vynálezu

Úkolem tohoto technického řešení je vyřešit/snížit magnetickou ztrátu u za studená válcovaných GO ocelových pásů při zachování vysoké magnetické indukce a odolnosti izolačního potahu. Pomáhá dosáhnout snížení nákladů na hotový výrobek a dodatečného zisku z jeho prodeje.

Výše uvedené nevýhody podobných a prototypových systémů jsou eliminovány, protože při výrobě ploché GO oceli, včetně výroby oceli, kontinuálního lití, válcování za tepla, jednoduchého nebo dvojitého válcování za studená, oduhličovacího žíhání, odmašťování, nanášení ochranné vrstvy, tepelným žíháním a elektromagnetickém zpracování pohybujícího se pásu se skenovacím laserovým paprskem nekruhového průměru táhnoucím se ve směru skenování, je elektromagnetické opracování prováděno při nastavitelném tahu pásu, kdy vzniká vnitřní napětí 5 až 80 N/mm²v oceli a pro elektromagnetickou expozici se používá kontinuální multi-režimové laserové záření s poměrem radiačního výkonu / rychlosti skenování 0,015 až 0,050 J/mm; proto tedy poměr délky a šířky řezu nekruhového paprsku ve směru válcování se rovná 0,005 až 0,075; napětí pásu v průběhu laserového opracování je stanoveno následujícím vzorcem:

F=kBd/(P/V)^}'\ kde F-je externí aplikovaná síla (kN),

B a d- šířka pásu respektive jeho tloušťka (mm), k - koeficient proporcionality se rovná 0,002 až 0,010 v závislosti na chemickém obsahu a mechanických vlastnostech oceli, která má být ošetřena.

Srovnávací analýza nárokovaného technického řešení a předchozí znalosti ukazují, že rozdíl výše uvedeného je v tom, že elektromagnetická expozice povrchu je prováděna při nastavitelném pnutí, generujícím 5 až 80 N/mm² vnitřní pnutí v oceli a kontinuální multi-režimové laserové záření s nekruhovým průřezem se používá pro danou elektromagnetickou expozici při 0,015 až 0,050 J/mm P/V (poměr: radiační výkon vůči rychlosti skenování), zde tedy poměr délky / šířky průřezu nekruhového paprsku, táhnoucího se ve směru skenování je 0,005 až 0,075 ve směru válcování. Tímto tedy daný způsob odpovídá kritériu vynálezu „Novinka“.

Porovnání předmětného řešení nejenom s prototypem, ale také s dalšími technickými řešeními ukázalo, že metody výroby elektrického GO pásu včetně kontinuálního lití, válcování za tepla, jednoduchého nebo dvojitého válcování za studená, oduhličovacího žíhání, odmašťování, nanášení ochranné vrstvy, žíhání při vysoké teplotě, nanášení povrchu elektrické izolace, tepelného žíhání a elektromagnetického zpracování pohybujícího se pásu se skenovacím laserovým paprskem nekruhového průměru táhnoucím se ve směru skenování, jsou široce známé. Ovšem zavede

-2CZ 306162 B6 ní nastavitelného napínání pásu, což vede ke vzniku vnitřního napětí v oceli v striktně nastaveném rozsahu (5 až 80 N/mm“) a skenovacího paprsku s určitými charakteristikami do metody výroby elektrického GO pásu a interakce s dalšími etapami procesu pomáhají nejen při snižování magnetické ztráty, při zachování vysoké magnetické indukce GO oceli, ale také dosáhnout snížení nákladů na dokončený produkt a získání dodatečného zisku z prodeje. Proto tedy nárokovaná sada významných rozdílů zajišťuje uváděný technický výsledek, u nějž se autoři domnívají, že vyhovuje kritériu „úroveň vynálezu“.

Objasnění výkresů

Pro lepší pochopení vynálezu se prosím níže podívejte na příklady specifické aplikace předmětného způsobu, s referencemi na přiložené obrázky, kde:

Obr. 1 zobrazuje doporučené schéma implementace způsobu.

Příklady uskutečnění vynálezu

Způsob se používá následovně.

Ocel, vyrobená v elektrické obloukové peci nebo BOF a odlívaná do desek, znovu ohřátá v pecích a za tepla válcovaná ve válcovně pro válcování za tepla, mořená, za studená válcovaná s jedním nebo dvěma průchody, oduhličená, odmaštěná a pokrytá elektrickou izolační vrstvou, žíhaná při vysoké teplotě, izolovaná izolační vrstvou a tepelně vyrovnaná žíháním, je zpracována laserem.

Dle schématu nárokovaného způsobu (viz obr. I) je v průběhu laserového opracování pás 1 transportován při nastavitelném napětí N generujícím 5 až 80 N/mm' vnitřní pnutí v oceli, poměr radiačního výkonu vůči rychlosti skenování laserového paprsku 2 je udržován v rozsahu 0,015 až 0,050 J/mm, přičemž se poměr délka c/šířka b průřezu nekruhového paprsku rozšířil ve směru skenování a dosáhl 0,005 až 0,075 ve směru válcování.

Multi-režimový vláknový laser 4 s regenerační vlnovou délkou 1070 Nm a výstupním výkonem 1,5 až 3,5 se používá jako laserový zdroj. Pro dosažení požadovaného technického výsledku, tj. pro významné snížení magnetické ztráty při zachování stejné magnetické indukce a nedotčené izolační vrstvy, je pás 1 vystaven bodu 3, který má odlišné rozměry ve směru skenování a napříč. Toho je dosaženo použitím speciálního optického systému včetně sady válcovitých čoček, uspořádaných podél skenovací linie paprsku. Geometrie a rozměry bodu 3 ovlivňují dobu činnosti laseru, teplotu zahřátí povrchové vrstvy a hloubku pronikání tepla. Šířka laserového bodu b určuje dobu trvání laserové expozice na povrchu pásu. Proto tedy je při vytváření bodu táhnoucího se kolem skenovací linie možné zajistit jak ostrý ohřev lokální povrchové plochy s maximálním teplotním gradientem na okrajích, tak i povlovné ohřívání s bodem širokým 20 až 30 mm b, kdy dochází k hloubkovému prohřátí. Evidentně je zvýšení bodové expanze doprovázeno proporčním snížením laserové hustoty v každém bodě expozice. V rámci současného vynálezu tato skutečnost umožňuje praktickou aplikaci laserů s více než IkW kapacity při P/V poměru rovném 0,015 až 0,050 J/mm, aby bylo dosaženo vysoce účinného opracování (až do 70 m/min) GO pásu bez tavení oceli nebo poničení povrchové vrstvy.

Výpočty, provedené pro rychlost skenování 110 m/s a celkový laserový výkon 2,5 kW prokazují, že expanze 3,5mm šířky bodu b až na 25mm při délce c (100/300 pm) odpovídá změně v hloubce pronikání tepla do oceli z 30 na 100 pm. Hloubka pronikání teplaje tedy chápána jako vzdálenost od povrchu, v níž se teplota ve stupních celsia zvyšuje o polovinu.

-3 CZ 306162 B6

Plochy hlubokého průniku tepla, vytvořené podél směru skenování R-paprsku 2 umožňují využívání pozitivního vlivu elastického napětí, vytvářeného v oceli aplikovanými vnějšími napínacími silami N. Vysoká účinnost navrhovaného kombinovaného postupu se především vztahuje ke změně stavu magnetické struktury v lokálních plochách expozice laseru. Emise koncentrovaného tepla a ohřívání povrchu v průběhu laserového ošetření podporují změny elasticity oceli a tažnosti daných ploch. Například opracování 0,27 mm silného pásu skenovacím paprskem 2 o délce 130 pm a výkonu 2,5 kW (P) při rychlosti skenování 100 až 120 (V), zahřátí nad 400 °C, je dosaženo v celé sekci. V tomto případě, na rozdíl od plochy za těmi exponovanými, mají předmětné plochy tendenci vyvíjet podmínky pro plastické pnutí. Proto vede aplikace vnějších napínacích sil N k distorzím pnutí matice a 1,5 až 3krát vyšší hustotě dislokace ve srovnání s režimem bez napětí laserového opracování. Zavedení vnitřního pnutí σ = 5 až 80 N/mm² na základě napínání pásu slouží jako dodatečná záloha pro snížení magnetické ztráty o 2 až 3 % ve srovnání s režimem bez napětí laserového opracování. Jasné výhody opracování pásu pod napětím také zahrnují zvýšenou tepelnou odolnost efektu magnetické ztráty.

Proto tedy pouze společné působení těchto tří faktorů - laserová expozice s bodem 3 pokračující ve směru skenování R s požadovanými charakteristikami, při poměru P/V 0,015 až 0,050 J/mm a s aplikovanými externími napínacími silami N - umožňuje významně (o 9 až 13 %) snížit magnetickou ztrátu P] 7/50 při zachování magnetické indukce a původního odporu elektrické izolační vrstvy.

Volba optimálních hodnot externích sil závisí na geometrii pásu a poměru P/V. V tomto vynálezu je výpočet externí síly proveden pomocí následujícího vzorce:

F= k Bd/íP/V)' \ kde F-je externí aplikovaná síla (kN),

B a d- šířka pásu respektive jeho tloušťka (mm).

Koeficient proporcionality k může být zvolen (ze škály k= 0,002 až 0,010) na základě praktické úvahy v závislosti na chemickém složení a mechanických vlastnostech oceli, která má být ošetřena.

Pokud je vnitřní napětí v oceli nižší, než 5 N/mm² a poměr laserového výkonu k rychlosti skenování (P/V) je nižší, než 0,015 J/mm, ocel není dostatečně prohřátá v oblasti expozice a nejsou vytvořeny dostatečné napínací síly pro generování podmínek pro tvárnost oceli v oblasti expozice, což brání jakýmkoli dodatečným efektům redukce magnetické ztráty s ohledem na laserové ošetření bez napnutí pásu.

Vnitřní pnutí nad 80 N/mm² ošetřované oceli vede k drastickému snížení magnetické indukce pod přípustnou hodnotu. Pokud je poměr laserového výkonu ke skenovací rychlosti (P/V) vyšší, než 0,050 J/mm, izolační vrstva povrchu oceli je zničena, což je nepřijatelné, protože to narušuje vzhled produktu a může to snížit i odolnost povrchu.

Pokud se poměr délky c paprsku 2 nekruhového průměru, táhnoucího se ve směru skenování R kjeho šířce b vyšší než 0,075, v celé škále poměru laserového výkonu k rychlosti skenování P/V se rovná 0,015 až 0,050 J/mm - je dosaženo vysoké laserové hustoty, což vede k zahřátí oceli v oblasti zaměřeného toku laserové energie až na teploty, vedoucí k narušení izolační vrstvy. Snížení poměru délky vůči šířce paprsku o nekruhovém průřezu pod 0,005 při existujících omezeních výkonu u moderních laserů s optickými vlákny vede ke snížení laserové hustoty a eventuálně k nedostatečnému pronikání tepla v exponované oblasti, což uzavírá aplikaci pnutí tak, aby došlo k dodatečnému snížení specifické magnetické ztráty.

-4CZ 306162 B6

Příklad

V závodě přihlašovatele bylo provedeno experimentální ošetření elektrotechnického tenkého ocelového plechu s orientovanými zrny v souladu s nárokovaným způsobem. Ocel byla následně realizována v BOF a odlita do desek, znovu ohřátá v pecích a za tepla válcována ve válcovně pro kontinuální válcování za tepla, mořena, za studená válcována, oduhličena žíháním, znovu za studená válcována, odmaštěna a pokryta elektrickou izolační vrstvou, následně tepelně vyrovnána žíháním, poté byla vystavena elektromagnetické radiaci laserovým paprskem o výstupním výkonu 2,5 kW, s nekruhovým průřezem o délce 150 pm ve směru skenování a o šířce 20 mm ve směru posunu pásu; a pnutí 18 N/mm² v oblasti expozice.

Charakteristiky tenkého elektrotechnického plechu GO, dosažené v důsledku experimentální aplikace nárokovaného technického řešení, najdete v tabulce 1.

Analýza tabulky 1 nám umožňuje dojít k závěru, že elektromagnetické charakteristiky a kvalita povrchu, dosažené pomocí nárokovaného způsobu, jsou lepší než ty, kterých bylo dosaženo s předchozím stavem techniky.

Tabulka 1

Způsob zpracování	Parametry	Počáteční vlastnosti	Konečné vlastnosti	Účinnost zpracování
P/V, J/mm	σ, N/mm²	Pl.7/50, W/kg	Pl.7/50, W/kg	Δ P1.7/50 %
Předchozí stav techniky (prototyp) patent č.2301839)	0,0065	žádný	0,90	0,83	8,0
0,0106	žádný	0,95	0,89	6,5
Nárokovaný způsob	0,017	žádný*	1,06	0,97	8,6
0,024	žádný*	1,03	0,98	5,1
0,017	6	1,08	0,96	11,2
0,017	6	0,95	0,85	10,9
0,017	18	1,05	0,94	10,7
0,017	18	0,98	0,88	10,4
0,017	35	1,08	0,99	8,4
0,017	85	1,10	1,03	6,7

* srovnávací data pro navržený způsob (některé parametry jsou mimo rozsah vynálezu)

Průmyslová využitelnost

S ohledem na výše uvedené, nárokovaný způsob výroby GO elektrotechnického ocelového plechu nejen umožňuje snížit magnetickou ztrátu při zachování vysoké magnetické indukce, ale také snižuje náklady na produkty a tím získává příjmy z prodeje navíc.

Cíle tohoto technického řešení je tedy dosaženo, protože je dosaženo výše uvedeného technického výsledku.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

10 1. Způsob výroby elektrotechnického plechu s orientovanými zrny, zahrnující výrobu oceli, kontinuální lití, válcování za tepla, válcování za studená s jedním nebo dvěma průchody, oduhličení žíháním, odmaštění, nanesení ochranné vrstvy, vysokoteplotní žíhání, pokrytí elektrickou izolací, tepelné žíhání a elektromagnetickou expozici povrchu pohyblivého pásu skenovacímu laserovému paprsku s nekruhovým průřezem, který postupuje ve směru skenování, vyzna15 čující se tím, že pás se vystavuje elektromagnetickému působení, ve kterém v důsledku vnějšího řízeného napětí, se generuje vnitřní pnutí v kovu v rozmezí 5 až 80 N/mm², a tím, že pás se elektromagneticky vystavuje kontinuálnímu multirežimovému laseru s poměrem laserového výkonu vůči rychlosti skenování P/V 0,015 až 0,050 J/mm, a s poměrem délky k šířce 0,005 až 0,075 řezu nekruhového laserového paprsku.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že napětí pásu po laserovém zpracování se stanoví s ohledem na geometrické rozměry pásu, poměr PV, chemické složení a mechanické vlastnosti zpracované oceli.