CZ9901460A3 - Orientovaný elektrotechnický plech a způsob jeho výroby - Google Patents

Abstract

Předložené řešení se týká za tepla válcovaného orientovaného elektrotechnického plechu, spočívajícího v tom, že hmotnostně obsahuje 0,035 až 0,080 % uhlíku C, 2,5 až 4 % křemíku Si, 0,005 až 0,030 % hliníku Al, 0,04 až 0,012 % dusíku N, až 0,5 % mědi Cu, až 0,4 % manganu Mn, až 0,030 % síry S, a zbytek je železo Fe a nečistoty. Tento plech se po přímém nebo dvoustupňovém válcování na konečnou tloušťku a před oduhliěovacím žíháním žíhá při teplotě 550 až 750 °C po dobu 2 min až 20 hod, přičemž se rychlost ohřevu pohybuje v rozmezí 5 až 300 °C/hod. Následně se plech podrobuje oduhliěování a žíhání na vysokou teplotu.

Description

Orientovaný elektrotechnický plech a způsob jeho výroby

Oblast techniky

Vynález se týká orientovaných elektrotechnických plechů, dále se týká oceli, pro tyto plechy a způsobu jejich výroby. Plechy jsou s lepšími elektromagnetickými vlastnostmi které se vyznačují malými měrnými ztrátami, vysokou polarizací a omezením možnosti vzniku křehkosti za tepla válcovaného pásu. Tyto plechy jsou používané v elektrotechnickém průmyslu a v elektrotechnických zařízeních zejména pro transformátory, elektromagnety, velké točivé stroje a podobně.

Dosavadní stav techniky

Elektrotechnické plechy jsou vyráběny obvykle z křemíkové oceli. Patří mezi materiály magneticky měkké. Dochází u nich ke snadné změně polarizace působením vnějšího magnetického pole. Plechy se vyrábí převážně ve formě pásů.

Orientované elektrotechnické pásy („grain-oriented“, anizotropní, případně transformátorové) jsou určeny především pro střední a velké transformátory, kde magnetický tok teče jedním směrem, případně pro velké točivé stroje, motory a generátory. Vyznačují se tzv. Gossovou orientací, tzn. směr snadné magnetizace krystalů [100] je přibližně rovnoběžný se směrem válcování a rovina (110) leží v rovině válcování.

Základním požadavkem jsou u orientovaných elektrotechnických plechů a pásů jejich magnetické vlastnosti v podélném směru (tj. ve směru rovnoběžném se směrem válcování), které jsou ovlivněny složením a technologií výroby. Obvykle jsou garantovány maximální měrné ztráty pi^ , resp. p_R5 při indukci 1,7T resp. 1,5T a minimální hodnota polarizace J₈₀o při intenzitě pole 800A/m. Dosažení požadovaných vlastností u orientovaného elektrotechnického pásu je dáno především ostrostí dosažené Gossovy textury, složením (především obsahem křemíku), velikostí zrna, čistotou oceli a dále tloušťkou pásu.

Zárodky Gossovy textury vznikají při válcování za tepla, k jejímu úplnému rozvinutí dochází až při vysokoteplotním žíhání. Základní podmínkou je existence účinného inhibičního systému ( obvykle precipitáty Mn/S a/nebo A1N o velikosti asi 50 - 100 nm ), který brání normálnímu růstu zrna až do teplot 900 - 1000°C, kdy je anomální růst zrna výhodnější než ·· ·· ·· · ·· ·· ··· · · · ···· ···· · · · · · ·· · • · · · · · ···· · ··· ··· ······ · · ······ ·· · ·· · · normální. Při těchto teplotách dochází k rozpuštění inhibitorů a anomálnímu růstu zrna s požadovanou Gossovou texturou.

Je známo několik variant technologie výroby orientovaných transformátorových plechů, které se liší především použitým inhibičním systémem. Základní technologie používající inhibitory typu Mn/S, případně Mns a AlN, vyždují vysokou teplotu ohřevu bram (1370 1400°C), aby došlo k rozpuštění sulfidů manganu. Přitom dochází ke vzniku tekuté strusky a pec je nutné pravidelně zastavit a odstruskovat. Proto byly hledány jiné inhibiční systémy, které umožní snížit teplotu ohřevu bram pod 1300°C. Řešením se ukázalo buď použití samotných nitridů hliníku, případně modifikace sulfidů manganu mědi.

Obdobně se pro jednotlivé inhibiční systémy liší parametry válcování za tepla. Cílem je dosažení precipitace inhibitorů v jemné formě, případně zachování rozpuštěných inhibitorů v přesycené formě roztoku.

Za tepla válcovaný pás se v závislosti na použitém inhibičním systému válcuje buď přímo nebo dvojím válcováním s mezižíháním. Dále následuje oduhličovací žíhání, nanesení termického separátoru a vysokoteplotní žíhání.

Ocel pro výrobu orientovaných transformátorových pásů obvykle obsahuje 2,8 až 3,5% křemíku, který zvyšuje měrný odpor a tím snižuje ztráty v železe. Obvyklý je obsah uhlíku 0,02 až 0,06%. Obsah dalších prvků závisí na použitém inhibičním systému. Pokud jsou využívány sulfidy manganu, případně selenidy manganu, používá se obsah manganu 0,06 až 0,1% a obsah síry , případně selenu 0,01 až 0,02%. Sulfidy manganu bývají modifikovány mědí v obsahu do 0,5%, přičemž měď má vliv i na obsah austenitu v oceli. V opačném případě, tj. při využití jiného inhibičního systému, je obsah manganu zvýšen na 0,15 až 0,30% a obsah síry snížen na technologicky možné minimum. Pokud jsou využity pro inhibici nitridy hliníku, bývá obvyklý obsah hliníku 0,005 až 0,030%, obsah dusíku 0,001 až 0,010%.

V opačném případě je snaha snížit obsah obou prvků na technologicky možné minimum. Jako nitridotvorný prvek může být využit i bor, který je zároveň aktivní po hranicích zrn. Podobně tj. jako prvky aktivní po hranicích zrn bývají využity i další prvky, například antimon, cín a podobně. Další prvky, případně prvky, které nejsou cíleně využívány, jsou považovány za nečistoty.

Uhlík má při výrobě orientovaných elektrotechnických pásů svou specifickou roli. Je využíván v průběhu výroby, především při zpracování za tepla, kdy ovlivňuje podíl austenitické fáze. Svůj vliv má i při zpracování za studená. Jeho přítomnost ve struktuře ve vhodné formě při válcování za studená ovlivňuje výslednou texturu. Při operaci oduhličovací žíhání je uhlík odstraněn a struktura pásuje dále feritická i při vysokých teplotách.

• · 0

0

Vysoký obsah křemíku obecně způsobuje obtížné zpracování oceli za studená díky zvýšení pevnosti, ale i křehkosti. Obecně se uvádí jako horní hranice zpracovatelnosti obsah křemíku 3,5%. Křehkost za tepla válcovaného pásu se ale může objevit i při nižších obsazích křemíku, pokud dojde k precipitací karbidů v nevhodné formě. Pro odstranění křehkosti pásu je nutná další operace. Například jeho ohřev před válcováním za studená na teploty asi 100°C (viz vynález AO 272345/CZ).

Při výrobě orientovaného pásu technologií dvoustupňového válcování za studená při využití inhibitorů A1N, např. podle vynálezu AO 252183/CZ jsou dosahovány pouze průměrné výsledky. Pokud je použita technologie přímého válcování při využití inhibitorů typu A1N (např. podle patentu EP 0 339474 Al, EP 390140 Al), jsou dosahovány špičkové jakosti obvykle označované Hi-B. Podmínkou je obsah dusíku v oceli na úrovni asi 0,004 až 0,006% a dodatečné nadusičení pásu po oduhličovacím žíhání (např. EP 0 238688 Al, EP 0 400549 A2). Nevýhodou tohoto postupu je nutnost dodatečné operace, ale především technologická náročnost. Je nutné dosáhnout rovnoměrné nadusičení a tím rovnoměrné magnetické vlastnosti v celé ploše pásu. Přitom hloubka nadusičení je ovlivněna i předcházejícími operacemi, především oduhličovacím žíháním, kdy míra oxidace povrchu má výrazný vliv na rychlost nadusičení. Pokud je obsah dusíku zvýšen již v oceli, může při obsahu dusíku nad 0,012% dojít ke vzniku tzv. puchýřů, které znehodnotí celý výrobek. Pokud je obsah dusíku v oceli zvýšen tak, že je v rozmezí 0,08 až 0,012%, jsou výsledné magnetické vlastnosti pouze průměrné. Je známá i technologie (např. EP 0 709470 Al), která kromě nitridů hliníku využívá vlivu mědi a to především k modifikaci sulfidů. Při této technologii je využíván postup s dvojím válcováním, přičemž oduhličování je provedeno současně s rekrystalizačním žíháním. Nevýhodou tohoto procesuje problematické oduhličení pásu ve větší tloušťce (obvykle 0,65 až 0,75 mm), přičemž z hlediska výsledných magnetických vlastností by uvedená tloušťka po první operaci válcování měla být vyšší.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody odstraňuje orientovaný elektrotechnický plech a způsob jeho výroby jehož podstata spočívá v tom, že orientovaný elektrotechnický plech o základním chemickém složení oceli s legujícími prvky, jez oceli o složení v hmotnostních procentech 0,035 až 0,080% uhlíku C, 2,5 až 4% křemíku Si, 0,005 až 0,030% hliníku Al, 0,04 až 0,012% dusíku N, až 0,5% mědi Cu, až 0,4 % manganu Mn, až 0,030 síry S, a zbytek je železo Fe a nečistoty.

·· ··· ·· ·· • · · · · · · ···· · · · · · ·· · • · · · · · ···· · ··· ··· ······ · · ······ ·· 4 · · ··

Další podstatou vynálezu je způsob výroby orientovaného elektrotechnického plechu spočívající vtom, že po přímém, nebo dvoustupňovém válcování na konečnou tloušťku a před oduhličovacím žíháním je pás žíhán při teplotě 550 až 750°C po dobu 2 min až 20 hodin, přičemž rychlost ohřevu je v rozmezí 5 až 300°C/hod. Následně je pás oduhličen a vysokoteplotně žíhán.

Příklady provedení vynálezu

Podstata vynálezu je blíže vysvětlena na níže uvedených příkladech provedení, včetně srovnání se stávajícím stavem.

Příklad 1

Ocel pro výrobu orientovaných elektrotechnických plechů s obsahem 2,9 až 3,2% Si byla na ocelárně zpracována tak, že byl dosažen rozdílný obsah C (různou hloubkou sfoukání kyslíkem na konvertoru). Ocel byla dále odlita do bram. Bramy byly ohřátý na 1250°C a odválcovány za tepla na pás. Dále byl pás podroben vstupnímu žíhání při teplotě 970°C, případně 1050°C, po dobu 2 minut. Z pásu byly odebrány vzorky, které byly podrobeny zkoušce ohybem do lomu přes tm o průměru 10 mm. Počet ohybů do lomu je jednou z možných charakteristik tvařitelnosti za studená. Pás, který je křehký a tudíž vykazuje nízký počet ohybů do lomu, je obtížné válcovat za studená, nebo zpracovávat v průběžných linkách, protože í relativně malý ohyb, může vést k praskání a přetržení pásu. Z tabulky 1 je parné, že při sníženém obsahu uhlíku v rozmezí 0,02 až 0,03% dochází k výraznému zvýšení křehkosti, která se projevuje velmi nízkým počtem ohybů do lomu, při použití vstupního žíhání se počet ohybů do lomu ještě snižuje. Při zvýšení obsahu uhlíku nad hodnotu 0,035% a vyšší, zůstává pás tvárný, počet ohybů do lomu se zvyšuje k hodnotám 8 až 10. Vybrané vzorky byly podrobeny metalografické analýze a bylo zjištěno, že u vzorků s nízkým obsahem uhlíku došlo k nadměrnému růstu feritického zrna a následně k vyloučení karbidů ve formě obálek po hranicích feritických zrn. Vzorky s vyšším obsahem uhlíku vykazují feriticko-perlitickou strukturu. Při vyšších teplotách (tj. v průběhu doválcování za tepla, svinování, případně při vstupním žíhání) vznikl lokálně austenit, který zabránil nadměrnému růstu feritického zrna, při ochlazení austenit transformoval na perlit. Za tepla válcovaný pás s feriticko-perlitickou strukturou je dobře tvárný, nevykazuje křehkost při následném zpracování za studená.

• · · · • · · · • · · · • · · · · ·

Tabulka 1

Obsah Si [%]	Obsah C [%]	Počet ohybů do lomu
Za válcovaný	tepla pás	Pás po vstupním žíhání
970°C	1050°C
2,93	0,022*	1	1	0
3,12	0,025*	1	1	1
2,88	0,029*	3	1	1
3,08	0,038**	6	8	7
3,21	0,044**	9	10	9
3,14	0,052**	10	11	11

* - značí srovnávací výrobek ** - značí výrobek podle tohoto vynálezu

Příklad 2

Ocel A - o složení 0,042%C, 0,27%Mn, 3,26%Ši, 0,012%Al, 0,009%N byla odlita do bram. Bramy byly ohřátý na teplotu 1250°C a odválcovány za tepla na pás. Za tepla válcovaný pás byl podroben průběžnému vstupnímu žíhání při teplotě 970°C, omořen, odválcován na mezitloušťku 0,85 mm, rekrystalizačně žíhán při teplotě 850°C a odválcován na finální tlouštíku.

Ocel B - o složení 0,052%C, 0,26% Mn, 2,93%Si, 0,024%Al, 0,010%N byla odlita do bram. Bramy byly ohřátý na teplotu 1250°C a odválcovány za tepla na pás. Za tepla válcovaný pás byl podroben průběžnému vstupnímu žíhání při teplotě 1050°C, omořen a odválcován na finální tloušťku.

Ocel C - o složení 0,036%C, 0,15 %Mn, 3,20%Si, 0,011%A1, 0,008%N a 0,41%Cu byla odlita do bram. Bramy byly ohřátý na teplotu 1250°C a odválcovány za tepla na pás. Za tepla válcovaný pás byl omořen, odválcován na mezitloušťku 0,75 mm, rekrystalizačně žíhán při teplotě 850°C a odválcován na finální tloušťku.

·· ·· ·» · · · · · • · · ··· · · · · ···· · · · · · · · · • · · · · · ···· * ··· ··· ······ · · ······ · · · · · · ·

Dále byl pás zpracován alternativně buď podle tohoto vynálezu (označeno jako varianta 1), tj. byl podroben žíháni při teplotě 680°C po dobu 2 hodiny s tím, že rychlost ohřevu nepřekročila 20°C/hod, nebo bylo toto žíhání vynecháno (označeno jako varianta 2). Poté byl pás oduhličen ve vlhčené vodíkodusíkové atmosféře pří teplotě 820°C, na pás byl nanesen termoizolační povlak a pás byl vysokoteplotně žíhán, přičemž při ohřevu v oblasti 400 až 900°C byla rychlost ohřevu 20°C/hod a použitá atmosféra se skládala ze 75% vodíku a 25% dusíku. Při rafinační výdrži na teplotě 1180°C byl použit čistý suchý vodík.

Výsledné magnetické vlastnosti jsou uvedeny v tabulce 2, přičemž označení ΑΙ,ΒΙ,Ο znamená zpracování výše uvedených tří taveb podle varianty 1, tedy podle tohoto vynálezu, označení A2,B2,C2 znamená zpracování podle varianty 2, tedy srovnávací.

Z tabulky je zřejmé, že při použití technologie uvedené v tomto vynálezu je možno získat orientovaný elektrotechnický plech s vysokou polarizací a nízkými měrnými ztrátami. Důvodem je vliv rychlosti ohřevu před oduhličovaeím žíháním na vznikající texturu pásu.

Při pomalém ohřevu, který je podstatou tohoto vynálezu je posílena tzv. válcovací textura se zvýšeným podílem složky {111}, která je příznivá pro růst zrn s Gossovou texturou. Navíc se při pomalém ohřevu zvětší velikost primárního zrna. Oba důvody vedou při sekundární rekrystalizaci ke vzniku ostřejší Gossovy textury s větším zrnem. Důsledkem je vyšší hodnota indukce a nižší měrné ztráty v porovnání se srovnávacím zpracováním.

Tabulka2

Varianta	P.,7	J800
Zpracování	[W/kg]	[T]
Al	1,24	1,83
A2	1,43	1,78
B1	1,21	1,85
B2	1,48	1,80
Cl	1,27	1,86
C2	1,54	1,78

Kde: pijjsou měrné ztráty při 50 Hz a při magnetické indukci 1,7 T Jsoo je magnetická polarizace při intenzitě pole 800A/m • · · · ·*· · · · · • · · · · · * I · · • · · · · φ · · φ · · φ • φ · · · · Φ·Φ· · φφφ φφφ • ΦΦΦ·· · · ······ ·· · · · ··

Průmyslová využitelnost

Využití vynálezu je možné u všech výrobců elektrotechnických plechů a u všech výrobců elektrotechnických výrobků.

Claims (2)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Orientovaný elektrotechnický plech o základním chemickém složení oceli s legujícími prvky, vyznačující se tím, že je z oceli o složení v hmotnostních procentech 0,035 až 0,080% uhlíku C, 2,5 až 4% křemíku Si, 0,005 až 0,030% hliníku Al, 0,04 až 0,012% dusíku N, až 0,5% mědi Cu, až 0,4 % manganu Mn, až 0,030 síry S, a zbytek je železo Fe a nečistoty.
2. 2. Orientovaný elektrotechnický plech podle nároku 1, vyznačující se tím, že po válcování na konečnou tloušťku a před oduhličovacím žíháním je pás žíhán při teplotě 550 až 750°C po dobu 2 min až 20 hodin, přičemž rychlost ohřevu je v rozmezí 5 až 300°C/hod.