DE102008061983B4

DE102008061983B4 - Verfahren zum Herstellen eines verbesserten Elektrobandes, Elektroband und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102008061983B4
Application number: DE102008061983A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Bogner Jochen; Franz Citroni; Gerald Kasberger
Original assignee: Voestalpine Stahl GmbH
Current assignee: Voestalpine Stahl GmbH
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2011-12-08
Anticipated expiration: 2028-12-13
Also published as: BRPI0916493A2; KR20110111404A; JP2012511628A; PL2356263T3; DE102008061983A1; SI2356263T1; RU2499845C2; RU2011128544A; EP2356263B1; WO2010066497A1; US20110297292A1; EP2356263A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Elektrobandes, insbesondere eines mit Eisenoxiden sowie Rein- und Mischoxiden aus den Stahlbandlegierungselementen beschichteten Stahlbandes, wobei das Stahlblechband in einem kontinuierlichen Prozess einem Behandlungsraum zugeführt wird, wobei das Elektroband hierbei mit einer Temperatur zwischen 400°C und 600°C, insbesondere 430°C bis 500°C in den Behandlungsraum zugeführt und dort mit einer Sauerstoffkonzentration zwischen 0,05% und 0,2% Sauerstoff gemessen in der Behandlungsraumatmosphäre beaufschlagt wird, wobei die erzeugte Oxidschicht zu mehr als 70% aus Eisenoxiden besteht und der Restanteil aus Rein- und Mischoxiden der vorhandenen Legierungselemente des Stahlbandes besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines verbesserten Elektrobandes sowie das mit dem Verfahren hergestellte Elektroband und dessen Verwendung.
Stator- und Rotorpakete von Elektromotoren, Generatoren und Transformatoren werden aus sogenanntem Elektroband hergestellt. Beim Elektroband handelt es sich um ein Bandstahlblech, beispielsweise mit Dicken zwischen 0,1 mm und 2,0 mm.
Dieses Bandstahlblech wird in die benötigten Formen gestanzt und aus den einzelnen gestanzten Bestandteilen werden die entsprechenden Pakete zusammengefügt, welche anschließend zu fertigen Elektromotoren, Generatoren oder Transformatoren verarbeitet werden. Wird in eine Spule ein derartiger Eisenkern (paketierte Bleche) eingesetzt, so wird durch dessen ferromagnetische Eigenschaften, die vom Stahlhersteller voreingestellt werden, oder zumindest soweit vorbereitet werden, dass sie durch ein abschließendes Glühen beim Anwender eingestellt werden, die Permeabilität und damit auch die magnetische Flussdichte in der Spule erhöht. Hierdurch kann die Anzahl der Windungen verringert werden, um eine benötigte Induktivität zu erreichen.
Weil das Eisen des Kerns ein elektrischer Leiter ist, fließt in einer von Wechselstrom durchflossenen Spule mit Eisenkern in diesem ein Strom in einer quasi kurzgeschlossenen Windung, der Wirbelstrom genannt wird. Dieser Wirbelstrom wird geringer, wenn der Kern nicht aus einem Stück Eisen sondern aus einem Stapel der bereits beschriebenen Eisenbleche besteht. Um jedoch diesen Wirbelstrom wirklich zu verringern, müssen die Eisenbleche bzw. Eisenlamellen voneinander isoliert werden.
Für die Isolierung dieser Lamellen aus Elektroband gegeneinander gibt es vier gängige Möglichkeiten, nämlich die Stahloberfläche mit einem organischen Lack zu beschichten, die Stahloberfläche mit einem anorganischen Lack zu beschichten, die Stahloberfläche mit einem Mischlacksystem bestehend aus anorganischen und organischen Lacken zu beschichten oder die Stahloberfläche zu oxidieren. Das Oxidieren der Stahloberfläche wird insbesondere bei Elektroband durchgeführt, welches für Statoren von Kleinmotoren, d. h. Motoren z. B. in der Haushaltsgeräteindustrie, verwendet wird.
Derartige Schichten, die durch Oxidieren erzielt werden, sind Mischschichten aus FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄ und Spuren an Oxiden aus den Stahlbandlegierungselementen in Reinform, beispielsweise SiO₂ oder MnO₂ und als Mischoxide, beispielsweise FeMnO_x oder FeSiO_x. Diese Oxidationsbehandlungen werden beim Anwender in Glühöfen in Kombination mit eigens dafür konzipierten Oxidationsöfen durchgeführt. Eine derartige Oxidationsvorrichtung nach dem Stand der Technik, wie sie bei vielen Anwendern von Elektrobändern eingesetzt wird, ist in 2 gezeigt.
Bei dieser Anlage 101 wird von einem Bund 102 aus aufgewickeltem Stahlband 103 an einer Abhaspelstation 104 das Band 103 abgehaspelt. Das Stahlband 103 läuft in eine Stanze 105 ein, wobei in der Stanze aus dem Stahlband die Bleche, beispielsweise für einen Spulenkern, aus dem Band 103 ausgestanzt werden. Die ausgestanzten Bleche laufen dann einzeln aufgefädelt 106 in einen Glühofen 107 ein. Nach einer definierten Durchlaufzeit bei einer Temperatur von 650°C bis 800°C gelangen die Stanzteile 106 in einen Oxidationsofen 108. Im Oxidationsofen 108 wird im Innenraum 109 eine Atmosphäre eingestellt, die bei etwa 500°C Temperatur für das Substrat, nämlich das Eisen, oxidierend wirkt. Nach der vorbestimmten hinreichenden Durchlaufzeit gelangen die Stanzteile 106 in eine Stapelanlage 111 und dann als fertige Produktstapel 110 aus der Anlage 101 heraus, wobei die Fertigprodukte eine Mischschichtauflage aus FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄ und Spuren an Oxiden aus den Stahlbandlegierungselementen in Reinform und als Mischoxide haben.
Aus der DE 102 58 531 B3 ist ein Verfahren zur Herstellung korrosionsbeschichteter Stähle bekannt, wobei die korrosionsschutzbeschichteten Stähle sauerstoffaffine Legierungsanteile aufweisen, mit den Schritten: Glühen des Stahls in einer Glühzone, Behandeln der Oberfläche des Stahls mittels einer hohen Energie in einer Vorbehandlungszone und Beschichtung der Oberfläche des Stahles in einer Beschichtungszone. Hierbei soll zunächst eine Oxidation der Legierungsbestandteile erfolgen, wobei diese Oxidschicht anschließend mit Plasma oder Laserstrahlen entfernt werden soll. Anschließend soll eine Verzinkung erfolgen.
Aus dem Merkblatt 401 ”Elektroband und -blech” des Stahlinformationszentrums, Ausgabe 2005 sind die unterschiedlichsten, an sich bekannten Herstellungsverfahren für Elektroband bekannt.
Aus der JP 55 158 220 A ist ein Verfahren zum Herstellen einer isolierenden Schicht auf einem Elektrostahlband bekannt, wobei in diesem Verfahren, während eines Glühprozesses mit 700°C bis 750°C für 0,2 min bis 3 min und 0,03% und 0,1% Sauerstoff in der Atmosphäre eine Oxidschicht ausgebildet werden soll.
Bei den bisherigen Verfahren ist von Nachteil, dass die Isolation mit Lacken relativ aufwendig ist und bei Lacken grundsätzlich Problematiken bezüglich der Umwelt auftreten, insbesondere auch, was eine spätere Entsorgung betreffen kann.
Beim Oxidieren ist von Nachteil, dass dies ebenfalls ein zusätzlicher Arbeitsschritt ist, und zudem derartige Prozesse oft beim Anwender durchgeführt werden, ohne dass die Eigenschaften wirklich zuverlässig gleich bleibend wären.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Elektrobandes zu schaffen, welches einfach und kostengünstig durchführbar ist, eine Isolierschicht mit einer zuverlässigen Isolierung mit gut kontrollierbaren gleichbleibenden Eigenschaften sicherstellt und zudem kostengünstig ist.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Elektroband zu schaffen, das mit einer guten Isolierung ausgebildet ist und ohne weitere Nachbearbeitung zur Herstellung von Blechpaketen verwendbar ist.
Die Aufgabe wird mit einem Elektroband mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß wird das Elektroband bereits beim Stahlhersteller in einem kontinuierlichen Prozess und insbesondere während des Rekristallisationsglühens in einer kontinuierlichen Glühe (Kontiglühe) mit einer isolierenden Schicht ausgebildet. Die erfindungsgemäß hergestellten Elektrobänder besitzen eine Isolierschichtauflage von lediglich 500 nm oder weniger.
Mit dieser Isolierleistung kann das erfindungsgemäß hergestellte oxidierte Elektroband das übliche Lackieren, oder das beim Kunden übliche Schlussglühen mit anschließendem Oxidieren überflüssig machen, was in beiden Fällen einen erheblichen Kostenvorteil gegenüber lackierten bzw. schlussgeglühten, oxidierten Blechen darstellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, das Elektroband nach der Kühlung also im Bereich des Rapid Jet Cooling (Schnellkühlung), Over Aging (Überalterung), Final Jet Cooling (Schlusskühlung), bevorzugt beim Eintritt in die Schlusskühlung, in der es eine Temperatur zwischen 400°C und 600°C, insbesondere 430°C bis 500°C besitzt, mit oxidierenden Gasen bzw. Gasmischungen wie CO₂, CO, H₂O (g), O₂, etc. zu beaufschlagen. Hierbei wird eine Sauerstoffkonzentration zwischen 0,050% und 0,200%, insbesondere 0,065 bis 0,100% Sauerstoff, gemessen im Ofenraum der Schlusskühlung, eingestellt. Die Gleichmäßigkeit der erzielten Oxidschicht wird einerseits durch das Einbringen der oxidierenden Gase bzw. Gasmischungen im Bereich der Schlusskühlung und die damit erzielte gleichmäßige Sauerstoffkonzentration, und andererseits durch die gleichmäßige Bandtemperatur sichergestellt.
Die oxidierende Atmosphäre im unmittelbaren Bandbereich wird rein durch Einbringen von oxidierenden Gasen bzw. Gasmischungen erzielt. Dieser oxidierte Zustand der Stahlbandoberfläche muss durch Absenken der Temperatur unmittelbar nach dem Oxidationsprozess eingefroren werden. Würde das Band eine eher reduzierende Atmosphäre vorfinden, würden Teile der Oxidschicht wieder reduziert werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Schicht erzielt, die ein derart hohes Isolationsvermögen besitzt, dass es ohne Weiteres als Ersatz für lackierte Elektrobänder verwendet werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zudem eine sehr hohe Gleichmäßigkeit sowohl bezüglich der Isolationsleistung und Zusammensetzung der Schicht als auch der Dicke der Schicht erreicht.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen dabei:
1: den erfindungsgemäßen Verfahrensablauf in einer stark schematisierten Ansicht;
2: den Verfahrensablauf nach dem Stand der Technik in einer stark schematisierten Ansicht.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird insbesondere eine kontinuierliche Glühanlage 1 verwendet. Hierbei wird zunächst von einem Bund 2 aus aufgerolltem Stahlband 3 das Stahlband 3 bei einer Abhaspelstation 4 abgehaspelt und sodann durch eine Bandreinigungsanlage 5 geführt. Von der Bandreinigungsanlage 5 gelangt das Stahlband 3 in einen Einlaufspeicher 6. Der an sich bekannte Einlaufspeicher 6 hat die Aufgabe, den Lauf des Stahlbandes 3 durch die nachfolgenden Aggregate zu vergleichmäßigen, denn um einen kontinuierlichen Prozess sicherzustellen, wird an der Abhaspelstation 4 nach dem Abhaspeln eines ersten Stahlbundes ein nächster Stahlbund abgehaspelt und das vordere Ende des neuen Stahlbundes an das hintere Ende des alten Stahlbundes angeschweißt, um auch das neue Stahlband 3 durch die kontinuierliche Anlage durchzuziehen. Vom Einlaufspeicher 6 gelangt das Stahlband 3 in den eigentlichen Glühofen bzw. die eigentliche Glühvorrichtung 7. Hierbei gelangt das Stahlband zunächst in eine Heiz- und Kühlzone 8 und gelangt aus der Heiz- und Kühlzone 8 in eine sogenannte Überalterungszone 9. Von der Überalterungszone 9 gelangt das Stahlband 3 in eine abschließende Schlusskühlzone 10, wobei das Band mit etwa 400°C bis 600°C insbesondere 430°C bis 500°C aus der Überalterungszone 9 in die abschließende Schlusskühlzone eingeführt wird. In der abschließenden Schlusskühlzone findet erfindungsgemäß eine Beaufschlagung des Stahlbandes 3 mit oxidierenden Gasen bzw. Gasmischungen in entsprechenden Bereichen 11 statt. Anschließend läuft das Stahlband 3 aus der abschließenden Schlusskühlung aus und gelangt in einen Auslaufspeicher 12, welcher die Aufgabe hat, Stahlband 3 aufzunehmen, während ein erstes Stahlband aufgehaspelt wurde und das nachfolgende zweite Stahlband vom ersten Stahlband getrennt wird, um anschließend aufgehaspelt zu werden.
Das Stahlband 3 wird im anschließenden Dressiergerüst 13 je nach Anforderung undressiert (= offenes Dressiergerüst) oder dressiert (mit Dressiergraden > 0,1%) produziert, um dann an einer Aufhaspelstation 14 wieder zu einem Coil 15 aufgehaspelt zu werden.
Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass die Oxidation bzw. die Erzeugung einer isolierenden Oxidschicht auf der Oberfläche des Stahlbandes zur Verwendung als Elektrostahlband in einer sehr hohen Gleichmäßigkeit und mit einer überragenden Güte derart erfolgt, dass sich die Isolationsleistung der Oxidschicht bereits bei Schichtauflagen von lediglich 100 nm ergibt.
Damit ist das erfindungsgemäß erzeugte Elektroband mit einer Oxidschichtauflage in der Lage lackierte Elektrobänder zu ersetzen.
Zudem fallen beim Endkunden Lackieranlagen oder Oxidationsanlagen weg, was einerseits einen Investitionsvorteil gewährt, andererseits – insbesondere bei beim Kunden vorhandenen Oxidationsanlagen – den Vorteil bietet, dass das erfindungsgemäß mit der Oxidschicht versehene Stahlband von besserer Qualität ist, als ein Stahlband, welches in herkömmlichen Oxidationsöfen beim Kunden herstellbar ist.
Bezugszeichenliste

1: kontinuierliche Glühanlage
2: Bund
3: Stahlband
4: Abhaspelstation
5: Bandreinigungsanlage
6: Einlaufspeicher
7: Glühvorrichtung
8: Heiz- und Kühlzone
9: Überalterungszone
10: Schlusskühlzone
11: Bereiche des Oxidierens
12: Auslaufspeicher
13: Dressiergerüst
14: Aufhaspelstation
15: Coil
101: Oxidationsanlage
102: Bund
103: Stahlband
104: Abhaspelstation
105: Stanze
106: Stanzteile
107: Glühofen
108: Oxidationsofen
109: Innenraum
110: fertiger Produktstapel

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Elektrobandes, insbesondere eines mit Eisenoxiden sowie Rein- und Mischoxiden aus den Stahlbandlegierungselementen beschichteten Stahlbandes, wobei das Stahlblechband in einem kontinuierlichen Prozess einem Behandlungsraum zugeführt wird, wobei das Elektroband hierbei mit einer Temperatur zwischen 400°C und 600°C, insbesondere 430°C bis 500°C in den Behandlungsraum zugeführt und dort mit einer Sauerstoffkonzentration zwischen 0,05% und 0,2% Sauerstoff gemessen in der Behandlungsraumatmosphäre beaufschlagt wird, wobei die erzeugte Oxidschicht zu mehr als 70% aus Eisenoxiden besteht und der Restanteil aus Rein- und Mischoxiden der vorhandenen Legierungselemente des Stahlbandes besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektroband in dem Behandlungsraum mit einer Sauerstoffkonzentration zwischen 0,065% bis 0,1% Sauerstoff, gemessen in der Behandlungsraumatmosphäre, beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in der Schlusskühlzone einer kontinuierlichen Rekristallisationsglühanlage durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektroband mit oxidierenden Gasen bzw. Gasmischungen wie CO₂, CO, H₂O (g), O₂ oxidiert wird.
Elektroband zur Verwendung als Statoren und Rotoren von Elektromotoren, Generatoren, Transformatoren, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrobandband oberflächlich eine Oxidschicht besitzt, wobei die Oxidschicht mehr als 90% Eisenoxide enthält.
Elektroband nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidschichtauflage kleiner gleich 500 nm dick ist.
Elektroband nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidschichtauflagen 100 nm dick ist.
Verwendung eines Elektrobandes nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 7, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für die Herstellung von Blechlamellenpaketen mit gegeneinander isolierten Blechen für Statoren und Rotoren von Elektromotoren, Generatoren, Transformatoren.