DE60205647T2

DE60205647T2 - Verfahren zur Herstellung von (100)[001]kornorientiertem Elektrostahl unter Verwendung des Bandgießens

Info

Publication number: DE60205647T2
Application number: DE60205647T
Authority: DE
Inventors: W. Jerry SCHOEN; S. Glenn HUPPI
Original assignee: AK Steel Properties Inc
Current assignee: Cleveland Cliffs Steel Properties Inc
Priority date: 2001-09-13
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2022-09-14
Also published as: EP1436433B1; KR20040045437A; RU2285058C2; JP4268042B2; CA2459479A1; CN1564873A; EP1436433A4; MXPA04002448A; RU2004110996A; JP2005527372A; PL197050B1; PL372816A1; KR100640510B1; CN1261599C; WO2003023075A1; US6749693B2; US20030155040A1; ATE302291T1; DE60205647D1; CA2459479C

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Die vorliegende Anmeldung beansprucht Priorität aus der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/318 970, Schoen, et. al., eingereicht am 13. September 2001.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Bändern, die geeignet für die weitere Verarbeitung sind, um zu einem kornorientierten Elektrostahl bzw. Magnetstahl zu führen, der über einen geringen Kernverlust und hohe magnetische Permeabilität verfügt, wobei der Stahl aus einer Stahlschmelze erzeugt wird, die zunächst als dünnes Blech oder Band gegossen wird. Anschließend wird er weiter verarbeitet, um ein fertiges Band der gewünschten Dicke zu erzeugen. Das fertige Band wird weiterhin wenigstens einer Glühbehandlung ausgesetzt, in der die magnetischen Eigenschaften entwickelt werden, wodurch das Stahlblech der vorliegenden Erfindung geeignet zur Verwendung in elektrischen Maschinen wie Motoren oder Transformatoren wird.
Insbesondere befasst sich die vorliegende Erfindung mit einem Verfahren zur Herstellung eines zur weiteren Verarbeitung geeigneten Bandes, um Würfel-auf-der-Kante-orientiertem Elektrostahlband und -blech zu erzeugen. Die Würfel-auf-Kante-Orientierung wird bezeichnet mit (110)[001] entsprechend den Miller'schen Indices. Insbesondere schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von (110)[001]-kornorientiertem Elektrostahl aus einem dünnen Band wie einem kontinuierlich gegossenen dünnen Band. Dieses dünne gegossene Band wird weiter verarbeitet, um die Rekristallisation von der Oberflächenschicht des Bandes (S = 0) bis in die Vierteldicke des Bandes (S = 0,2 bis 0,3) zu begünstigen. Wie hier benutzt, bedeutet der Ausdruck S einen Bezug auf die planare Position über die Band- oder Blechdicke. Gemäß der in dieser Offenbarung verwendeten Form bezieht sich die Position S = 0 auf die planare Dickenposition, die an genau der Oberfläche oder unter 0% der Dicke des Bandes sich befindet; S = 0,2–0,3 bezieht sich auf die planare Position, die zwischen 20% und 30% der Dicke des Bandes sich befindet; S = 0,5 bezieht sich auf die planare Dickenposition, auf dem halben Weg über die Dicke des Bandes.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Kornorientierte Elektrobleche werden in großem Umfang als magnetisches Kernmaterial in einer Vielzahl elektrischer Maschinen und Einrichtungen eingesetzt, insbesondere bei Transformatoren, wo die hohen magnetischen Richteigenschaften, entwickelt in Blechrichtung parallel zur Walzrichtung des Blechs, verwendet werden können. Typische Anwendungen kornorientierter Elektro- oder Magnetbleche umfassen Magnetkerne in Leistungstransformatoren, Verteilertransformatoren, großen Generatoren und einer großen Vielzahl kleiner Transformatoren. Kernkonfigurationen können geschnittene oder gescherte flache Laminate, gewundene Kerne, segmentierte Laminate für große Generatoren und einige „E-" und „I"-Typen umfassen.
Die Leistung kornorientierter Elektrobleche zeichnet sich typischerweise durch eine Kernverlust genannte magnetische Eigenschaft aus, bei der es sich um ein Maß für den Leistungsverlust während Magnetisierung in einem Wechselstromfeld (AC) handelt. Kernverlust ist die elektrische Energie, die im Kernstahl verloren geht, ohne zur Arbeit der Einrichtung beizutragen. Kernverlust wird angegeben in Watt pro Kilogramm im SI-System und in Watt pro englischem Pfund, wenn das englische System Anwendung findet. Der Kernverlust eines kornorientierten Elektrostahls kann beeinflusst werden durch den spezifischen Volumenwiderstand des Blechs sowie die technischen Eigenschaften des fertigen Blechs wie die Blechdicke, die Qualität der (110)[001]-Kristalltextur des Bandes und den Intrinsic- und Extrinsic-Faktoren, die den Blochwandabstand (domain wall spacing) beeinflussen, wie es die Größe der (110)[001]-Körner im fertigen Blech, das Vorhandensein einer Spannung, die einen Überzug auf das fertige Blech oder die Anwendung einer Sekundärbehandlung wie Laseranreißen oder -schneiden an der Oberfläche des fertigen Blechs zeigen.
Die Produktion kornorientierter Elektrobleche erfordert nachhaltige und vorhersehbare Bedingungen, innerhalb deren das sekundäre Kornwachstum bewerkstelligt werden soll. Zwei verfahrensmäßige Bedingungen zum Entwickeln einer hohen Qualität (110)[001]-Kornorientierung sind: (1) das Stahlblech muss eine Struktur rekristallisierter Körner mit den gewünschten Orientierungen vor dem Hochtemperaturteil des abschließenden Glühschritts haben, wobei ein als Sekundärkornwachstum bekannter Prozess auftritt; und (2) das Vorhandensein eines Kornwachstumsinhibitors zur Beschneidung des primären Kornwachstums im abschließenden Glühschritt bis zum sekundären Kornwachstum wird im Wesentlichen abgeschlossen. Die erste Vorbedingung erfordert, dass das Stahlblech und insbesondere die Oberfläche und die nahe an der Oberfläche befindlichen Bereiche des Stahlblechs eine rekristallisierte Kornstruktur und kristallographische Textur, geeignet für das Sekundärwachstum, haben. Die (110)[001]-Körner, die ein starkes sekundäres Kornwachstum erfahren, sind typischerweise in diesen Bereichen der Oberfläche oder nahe der Oberfläche des Bandes lokalisiert. Die zweite Vorbedingung erfordert eine Phase, bei der das primäre Kornwachstum behindert wird, während diese primären Körner, die durch die Wachstumskörner von (110)[001] verbraucht werden, möglich werden. Eine Dispersion feiner Partikel wie Mangansulfide und/oder Selenide, Aluminiumnitride oder beide sind wirksame und wohl bekannte Mittel, um eine primäre Kornwachstumsinhibition zu liefern.
Kornorientierte Elektrobleche zeichnen sich weiterhin aus durch den Typ der eingesetzten Kornwachstumsinhibitoren, die verwendeten Verfahrensschritte und das Niveau der entwickelten magnetischen Eigenschaften. Typischerweise werden kornorientierte Elektro- oder Magnetstähle in zwei Klassifikationen unterteilt, die konventionelle (oder regelmäßige) kornorientierte, und die auf hohe Permeabilität kornorientierte, basierend auf dem Niveau der magnetischen im fertigen Stahlblech erhaltenen Permeabilität.
Die magnetische Permeabilität kornorientierter Elektrostähle wird beeinflusst durch die Qualität der Kristallorientierung des fertigen Stahlblechs. Das Verarbeiten orientierter Elektrostähle führt dazu, dass die meisten Körner so angeordnet sind, dass die Kanten der Einheitskuben, die jedes Korn aufweist, parallel zur Walzrichtung in einer Kubus-auf-Kante-Position mit Flächendiagonalen in Querrichtung ausgerichtet sind. Da jeder Kubus ganz leicht längs seiner Kante, der [001]-Richtung, magnetisiert wird, sind die magnetischen Eigenschaften orientierter Elektrostähle typischerweise in Walzrichtung am besten. Die Flächendiagonale, die [110]-Richtung jedes Kubus ist typischerweise schwieriger zu magnetisieren als die Kubuskante und die Kubusdiagonale, die [111]-Richtung, welche am schwierigsten zu magnetisieren ist. Somit sind in einem typischen kornorientierten Elektrostahl die magnetischen Eigenschaften typischerweise in Walzrichtung am besten, schlechter unter 90° zur Walzrichtung und am schlechtesten unter 55°. Die magnetische Permeabilität kornorientierter Elektrostähle, typischerweise gemessen bei einer magnetischen Felddichte von 796 A/m, sorgt für eine Messung der Qualität der (110)[001]-Kornorientierung in Walzrichtung des fertigen Stahlblechs.
Konventionelle kornorientierte Elektrostähle haben typischerweise eine magnetische Permeabilität, gemessen bei 796 A/m von mehr als 1700 und unter 1880. Regelmäßig kornorientierte Elektrostähle enthalten typischerweise Mangan und Schwefel (und/oder Selen), die sich kombinieren, um die Hauptkorngrößeninhibitoren zu bilden, und werden unter Verwendung von ein oder zwei Reduktionsschritten verarbeitet, wobei typischerweise ein Glüh- oder Anlassschritt zwischen zwei Kaltreduktionsstufen zwischengeschaltet ist. Aluminium liegt im Allgemeinen bei weniger als 0,005% und andere Elemente wie Antimon, Kupfer, Bor und Stickstoff können verwendet werden, um das Inhibitorsystem, um die Korngrößeninhibition zu schaffen, zu ergänzen. Übliche kornorientierte Elektrostähle sind auf dem Fachgebiet wohl bekannt. Die US-Patentschriften 5 288 735 und 5 702 539 beschreiben exemplarische Prozesse zur Herstellung konventionellen kornorientierten Elektrostahls.
Kornorientierte Elektrostähle hoher Permeabilität haben typischerweise eine magnetische Permeabilität, gemessen bei 796 A/m von mehr als 1880 und weniger als 1980. Kornorientierte Elektrobleche hoher Permeabilität enthalten typischerweise Aluminium und Stickstoff, die sich verbinden, um den Hauptkorngrößeninhibitor bei ein oder zwei Kaltreduktionsstufen zu bilden, mit einer Glühstufe, die typischerweise vor der letzten Kaltreduktionsstufe Verwendung findet. Andere Zugaben können verwendet werden, um die Korngrößeninhibition der Aluminiumnitridphase zu ergänzen. Solche Zusätze können Mangan, Schwefel und/oder Selen, Zinn, Antimon, Kupfer und Bor umfassen. Kornorientierte Elektrobleche hoher Permeabilität sind auf dem Fachgebiet wohl bekannt. Die US-Patentschriften 3 853 641 und 3 287 183 beschreiben exemplarisch Methoden zur Erzeugung kornorientierter Elektrostähle hoher Permeabilität.
Kornorientierte Elektrostähle werden typischerweise erzeugt, indem Rohblöcke oder kontinuierlich gegossene Brammen als Ausgangsmaterial Verwendung finden. Unter Verwendung dieser konventionellen Produktionsmethoden werden kornorientierte Elektrostähle verarbeitet, wobei die gegossenen Ausgangsbrammen oder Rohblöcke bis auf eine erhöhte Temperatur erwärmt werden, typischerweise im Bereich von etwa 2192°F (1200°C) bis etwa 2552°F (1400°C) und werden zu einem Band warmgewalzt, das typischerweise eine Dicke zwischen etwa 0,06'' (1,5 mm) bis etwa 0,16'' (4,0 mm) hat, was für die weitere Verarbeitung geeignet erscheint.
Eine Wiedererwärmung der Brammen löst die Korngrößeninhibitoren, die anschließend ausgeschieden werden, um eine fein dispergierte Kornwachstumsinhibitorphase zu bilden. Die Inhibitorausscheidung oder Prezipitation kann erreicht werden während oder nach dem Schritt des Warmwalzens, Glühens des warmgewalzten Bandes und/oder Glühens des kaltgewalzten Bandes. Ein Vorwalzen von Bramme oder Rohblock vor der Wiedererwärmung von Bramme oder Rohblock bei der Vorbereitung des Warmwalzens kann bei der Produktion kornorientierter Elektrobleche eingesetzt werden. Die US-Patentschriften 3 764 406 und 4 718 951 beschreiben exemplarische Methoden des Standes der Technik für das Vorwalzen, das Wiedererwärmen der Bramme und das Warmwalzen des Bandes, das für die Erzeugung kornorientierter Elektrostähle benutzt wird.
Zusätzlich erfährt das Band im Allgemeinen eine oder mehrere Kaltreduktionsstufen. Das Band wird zwischen Mehrfachkaltreduktionen geglüht. Das Endergebnis dieser Verarbeitung ist ein dünnes Blechmaterial, das typischerweise über eine Dicke von etwa 0,06'' (1,5 mm) bis etwa 0,16'' (4,0 mm) verfügt und für die weitere Verarbeitung geeignet ist.
Typische konventionelle Verfahren, die zur Verarbeitung kornorientierter Elektrostähle eingesetzt werden, können Warmbandglühen, Beizen des warmgewalzten oder warmgewalzten und geglühten Bandes, ein oder mehrere Kaltwalzschritte, einen Glühschritt zwischen Kaltwalzschritten und ein dekarburierendes Glühen zwischen Kaltwalzschritten oder nach dem Kaltwalzen auf Enddicke umfassen. Das entkohlte Band wird anschließend mit einem Glühseparatorüberzug überzogen und einem abschließenden Glühschritt hoher Temperatur ausgesetzt, wo die (110)[001]-Kornorientierung entwickelt wird.
Ein Bandgießverfahren ist vorteilhaft für die Produktion kornorientierter Elektrostähle, da eine Anzahl der üblichen Verfahrensschritte zur Erzeugung eines Bandes, die für die weitere Verarbeitung geeignet sind, eliminiert werden können. Bandgießverfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung von Kohlenstoffstählen und rostfreien Stählen sind auf dem Fachgebiet wohl bekannt, beispielsweise US-Patentschriften 6 257 315; 6 237 673; 6 164 366; 6 152 210; 6 129 136; 6 032 722; 5 983 981; 5 924 476; 5 871 039; 5 816 311; 5 810 070; 5 720 335; 5 477 911 und 5 049 204.
Die EP-A-193373 offenbart ein Verfahren zur Erzeugung von Siliziumstahlblech, das Kubus-auf-Kante-orientiert ist, und zwar aus einer stranggegossenen Bramme. Eine besondere thermomechanische Bedingung wird für eine begünstigte Kornstruktur genommen.
Bei Einsatz eines Bandgießverfahrens werden wenigstens eine Gießwalze und bevorzugt zwei im Gegensinn drehende Gießwalzen verwendet, um ein Band zu erzeugen, das weniger als 0,39'' (10 mm) Dicke und bevorzugt weniger als 0,20'' (5 mm) Dicke hat und noch bevorzugter über 0,12'' (3 mm) Dicke verfügt. Die Verarbeitungsschritte, die eliminiert werden können, können umfassen, ohne darauf begrenzt zu sein: Brammen- oder Rohblockgießen, Brammen- oder Rohblockwiedererwärmen, Brammen- oder Rohblockvorwalzen (breakdown rolling), einen warmen Aufrauhvorgang und/oder ein Warmbandwalzen. Zusätzlich wird mit der kombinierten Verwendung des Warmwalzens eines dünnen vergossenen Bandes zur Herstellung von Kohlenstoffstahl und rostfreien Stählen die Menge an Warmreduktion notwendigerweise minimiert.
Auf dem Fachgebiet wohl bekannt ist, dass sowohl für Kohlenstoffstähle wie für rostfreie Stähle die Anwendung einer Warmreduktion auf dünnes gegossenes Band brauchbar sein kann, um die Oberflächencharakteristiken des fertigen Bandes zu verbessern. Ein dünnes gegossenes Band hat oft eine Schrumpfporosität, die geschlossen werden muss, um ein Band zur Verfügung zu stellen, das über die geeigneten physikalischen Eigenschaften verfügt. Zusätzlich werden texturierte Gießwalzen üblicherweise für das Direktgießen von Band verwendet. Die Oberflächenrauhigkeit des gegossenen Bandes reflektiert die Oberflächenrauhigkeit der Gießwalzen, was die Oberfläche eines gegossenen Bandes weniger wünschenswert für viele Anwendungsfälle macht, wo eine glatte Oberfläche hoher Qualität gefordert wird.
Die Anwendung des Bandgießens auf die Produktion kornorientierter Elektrostähle unterscheidet sich von rostfreien Stählen und Kohlenstoffstählen, welche unter Verwendung des Bandgießens hergestellt werden, wegen der verschiedenen technischen Anforderungen an Kornstruktur, Textur und Kornwachstuminhibition (wie MnS, MnSe, AlN und dergleichen), bei denen es sich um Vorbedingungen zur Erzeugung der gewünschten (110)[001]-Textur durch das Verfahren des sekundären Kornwachstums handelt. So sorgt die vorliegende Erfindung für die Produktion eines Bandes, welches zur weiteren Verarbeitung, um zu einem hochqualitäts-(110)[001]-kornorientierten Elektroblech aus einer dünnen gegossenen Bramme oder einem dünnen gegossenen Band zu kommen, geeignet ist.
ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung gemäß Anspruch 1 stellt ein Verfahren zur Erzeugung eines Bandes zur Verfügung, das für eine spätere Verarbeitung geeignet ist, wobei dieses Verfahren Kaltwalzen und Sekundärrekristallisation umfasst, um zu einem (110)[001]-kornorientierten Elektrostahl zu führen, wobei das Verfahren umfasst die Stufen des:

a. Erhaltens eines Bandes mit einer Dicke von weniger als oder gleich 0,39 englische Zoll (10 mm);
b. Warmwalzens des gegossenen Bandes;
c. Glühens des warmgewalzten Bandes; und
d. mit einem Spannungs- bzw. Dehnungs-/Rekristallisationsparameter, (K*)^–1, ≥ 6500;

T_HBA: die Glühtemperatur des Bandes des Schrittes c (in °Kelvin),
T_HR: die Warmwalztemperatur des Bandes des Schrittes b (in °Kelvin),
έ: die Formänderungsgeschwindigkeit bzw. Spannungsrate des Warmwalzens,
t_c: die Anfangsdicke des Bandes im Schritt a vor dem Warmwalzen, und
t_f: die Enddicke des Bandes nach dem Warmwalzen des Schrittes b ist.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine graphische Darstellung der H-10-Permeabilität aufgetragen über die zweite Stufe der Kaltreduktion (wahre Beanspruchung oder Dehnung) der Proben des Beispiels 1.
2 ist eine graphische Darstellung der magnetischen Permeabilität bei 796 A/m aufgetragen über der Kaltreduktion bis zur Enddicke, in % des Beispiels 1.
3 ist eine graphische Darstellung der magnetischen Permeabilität bei 796 A/m aufgetragen über den berechneten Dehnungs-/Rekristallisationsparameter (K*^–1) des Beispiels 2.
DETAILBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Produktion eines hochqualitäts-(110)[001]-kornorientierten Elektrostahlblechs erfordert, dass vor dem Start des sekundären Kornwachstums das Stahlblech über eine rekristallisierte Mikrostruktur verfügen muss, die aus Kornkernen besteht, welche die (110)[001]-Sekundärkörner innerhalb einer Matrix der Primärkörner anderer Orientierungen bilden werden, welche ohne weiteres durch das Wachstum der (110)[001]-Sekundärkörner verbraucht werden. Beim üblichen Gießen dicker Brammen ist es bekannt, dass die Mirkostruktur- und Texturentwicklung ausgelöst werden im Prozess der Brammenwiedererwärmung und des Warmbandwalzens. Weiterhin ist bekannt, dass das Vorhandensein eines großen Anteils unkristallisierter (oder „feuerfester") Körner in der Mikrostruktur des warmgewalzten Bandes die Entwicklung der gewünschten (110)[001]-Orientierung in dem endgültigen kornorientierten Elektrostahlblech negativ beeinflussen kann.
Dies kann besonders akut sein, wenn eine einzige Stufe des Kaltreduktionsprozesses zur Anwendung kommt, wodurch eine schlechtere Textur, insbesondere bezüglich der (110)[001]-Kerne verwendet wird, als dann, wenn zwei oder mehr Kaltreduktions- und Glühstufen zur Anwendung kommen. Mikrostruktur und Rekristallisationstextur der Oberfläche (S = 0) und von Schichten nahe der Oberfläche (S = 0,2–0,3) des Bandes sind besonders wichtig, da gerade in dieser Region das Sekundärwachstum am ehesten ausgelöst wird.
Mikrostrukturstudien konventioneller kornorientierter Elektrostähle, die unter Verwendung dünner vergossener Bandproben gemacht wurden, demonstrieren, dass eine unzureichende Rekristallisation während des Glühens des gegossenen Bandes erhalten werden können, es sei denn, ein Kalt- oder Warmreduktionsschritt ist durchgeführt worden. Ein dünnes gegossenes Band, das einem Warmwalzschritt bei einer Temperatur von etwa 1697°F (925°C) ausgesetzt wurde, kann eine unvollständige Rekristallisation in der Oberfläche (S = 0) und in Schichten nahe der Oberfläche (S = 0,2–0,3) zeigen, und zwar nach dem Glühen bei einer Temperatur von etwa 1832°F (1000°C). Diese Proben, wenn sie verarbeitet werden, entweder unter Anwendung einer einstufigen oder zweistufigen Kaltreduktion versagen, wenn sie unbedingtes Sekundärkornwachstum erzeugen sollen, und erzeugen typischerweise eine Permeabilität, gemessen bei 796 W/m von weniger als 1800.
Unter Verwendung der richtigen Kombination der Warmwalztemperatur und der Größe der Reduktion kann eine wesentliche Rekristallisation in der Oberfläche und in Schichten nahe der Oberfläche des gegossenen warmgewalzten und geglühten Bandes hervorrufen. Diese Proben, wenn sie entweder in einstufiger oder zweistufiger Kaltreduktion bearbeitet werden, können unbedingtes oder starkes Sekundärkornwachstum hervorrufen und erzeugen typischerweise eine magnetische Permeabilität bei 796 A/m von 1820 bis 1850.
Es wurde ein mathematisches Modell entwickelt, das beschreibt, wie die Arbeitsbedingungen, die für das Gießen, Warmwalzen und das Glühen herangezogen werden, die Verformung bei Dehnungs-/Rekristallisation im Verhalten des dünnen gegossenen warmgewalzten und geglühten Bandes beeinflussen. Dieses Modell beschreibt das Verhältnis unter den Verfahrensparametern, welche die Herstellung eines dünnen Substrates ermöglichen, insbesondere eines dünnen gegossenen Bandes mit einer hochkristallisierten Mikrostruktur, die für ein weiteres Verarbeiten zu einem kornorientierten Elektrostahlblech geeignet ist.
Das Verfahren nach der Erfindung macht die Bestimmung der Verarbeitungsparameter und Anforderungsprofile einschließlich der Dicke des gegossenen Bandes, der Temperatur, bei der das gegossene Band warmgewalzt wird, der Menge der Kaltreduktion und der Reduktionsrate, die beim Warmwalzen anzuwenden ist sowie der für das Glühen des gegossenen und warmgewalzten Bandes verwendet wird, bei der sich eine Mikrostruktur mit ausreichender Rekristallisation vor dem Walzen ergeben kann, möglich. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung trägt dazu bei, die spezifischen Prozessbedingungen für das Bandgießen, Warmbandwalzen und Kaltwalzen und Warmbandglühen zu bestimmen, die notwendig sind, um eine gewünschte Banddicke zu erzeugen. Bei Anwendung der vorliegenden Erfindung lassen sich die für die hohen Produktionsraten oder -geschwindigkeiten notwendigen Parameter bestimmen, insbesondere für ein Bandgießverfahren. Die Entwicklung des Konstrukts für das Verformungsdehnungs-/Rekristallisations-Modell basiert zum Teil auf einem mathematischen Modell, das in der US-Patentschrift 4 718 951 (EP-A-193373) beschrieben ist. Das Modell war darauf gerichtet, die Rekristallisation in einer dicken gegossenen Bramme zu optimieren.
Beim Verfahren der vorliegenden Erfindung lässt sich das gegossene Band Warmwalzen und glühen, um zu einem Band zu führen, das geeignet für die weitere Verarbeitung ist und um einen kornorientierten Elektrostahl zu liefern, der über ausgezeichnete magnetische Eigenschaften verfügt. Warmwalzen und Glühen können als zwei diskrete Vorgänge auftreten oder sie können als ein Tandemvorgang durchgeführt werden. Bessere magnetische Eigenschaften können erhalten werden, wenn die Warmwalz- und Warmbandglühbedingungen für eine wesentliche Rekristallisation der gegossenen Mikrostruktur vor dem Kaltwalzen auf Enddicke sorgen.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung werden die Verformungsbedingungen für das Warmwalzen im Modell festgelegt, um die Forderungen für die Warmverformung zu bestimmen, wodurch die Beanspruchungs- und Dehnungsenergie, die vom Warmwalzen ausgeht, ausreichend ist, um eine extensive Rekristallisation des vergossenen Bandes zu begünstigen. Dieses Modell wird beschrieben in den Gleichungen I bis VII.
Die Dehnungs- oder Beanspruchungsenergie, die vom Walzen ausgeht, lässt sich berechnen als:
Hierbei ist W die Arbeit, die beim Walzer verloren geht, θ_c ist die Beanspruchungsbruchfestigkeit des Stahls und R die Größe der Reduktion beim Walzen in Dezimalfraktion, d.h. die Anfangsdicke des gegossenen Bandes (t_c, in mm) geteilt durch die Enddicke des gegossenen und warmgewalzten Bandes (tf, in mm). Die wahre Dehnung/Beanspruchung beim Kaltwalzen lässt sich berechnen als: ∊ = K1W (II)
Hierbei ist ∊ die wahre Dehung bzw. Beanspruchung und K₁ ist eine Konstante. Kombiniert man die Gleichung I und II, so ergibt sich die wahre Dehnung/Beanspruchung beim Warmwalzen als:
Die Beanspruchung der Bruch- oder Streckfestigkeit θ_c steht in Beziehung zur Streck- oder Bruchfestigkeit des gegossenen Stahlbandes beim Warmwalzen. Beim Warmwalzen erfolgt die Erholung (recovery) dynamisch, und somit nimmt man an, dass das Kalthärten während des Warmwalzens nicht beim Verfahren nach der Erfindung auftritt. Jedoch hängt die Bruchfestigkeit erheblich von der Temperatur und von der Dehnungs- oder Beanspruchungsrate ab, und die Anmelder haben hier eine Lösung basierend auf der Zener-Holloman-Beziehung eingebaut, wobei die Bruch- oder Streckfestigkeit berechnet wird basierend auf der Verformungstemperatur und der Verformungsrate und auch als Beanspruchungs- oder Dehnungsrate wie folgt bezeichnet wird.
Hierbei ist θ_T die Temperatur und die durch die Streckrate kompensierte Bruchfestigkeit des Stahls während des Walzens, έ ist die Dehnungs- oder Beanspruchungsrate beim Walzen und T ist die Temperatur in °K des Stahls beim Walzen. Für die Zwecke der Erfindung wird θ_T der Gleichung IV substituiert für θ_c in Gleichung III und man erhält:
wo K₂ eine Konstante ist.
Nimmt man die Verformungsgradienten, wie sie beim Walzen dünnen Bandes üblich sind, an, so ist es oft schwierig, die spezifische Dehungs- bzw. Beanspruchungsrate in der Oberfläche (S = 0) und dem oberflächennahen Bereich (S = 0,2–0,3) zu bestimmen. Somit wird Gleichung VI verwendet, um eine vereinfachte Methode zu schaffen und die mittlere Beanspruchungsrate έ_m beim Warmwalzen zu schaffen und zwar als:
Hierbei ist D der Durchmesser der Arbeitswalze in mm, n ist die Walzendrehrate in Umdrehungen pro Sekunde und K₃ ist eine Konstante. Die oben genannten Ausdrücke können umgesetzt und vereinfacht werden, indem man έ_m der Gleichung VI für έ der Gleichung V setzt und den Konstanten K₁, K₂ und K₃ den Wert 1 gibt. Hierdurch lässt sich die nominelle Walzbeanspruchung/Walzdehnung ∊_nominal berechnen, wie in Gleichung VIII gezeigt, als:
Die Endkomponente des Modells ist die Beziehung zwischen der Warmwalzbeanspruchung ∊_nominal, vorgesehen an dem gegossenen Band gemäß der Gleichung VII und der Rekristallisationskorngröße d_REX des Bandes nach dem Glühen. Basierend auf der Gleichung VIII, erarbeitet im Rekristallisationsprinzip, wird die rekristallisierte Korngröße d_REX auch beeinflusst durch die Anfangskorngröße des gegossenen Bandes d₀ und die Rekristallisationsrate der Kernbildung und des Kernwachstums D zu: dREX = ∊–1d0D (VIII)
Zusätzlich hängt die Rekristallisationsrate der Kernbildung und des Kernwachstums D ab von einem Diffusionsprozess innerhalb des Stahls beim Glühen und ist hierdurch abhängig von der Aktivierungsenergie für Rekristallisation und Korngröße Q_REX sowie die Glühtemperatur T_HBA, gezeigt in Gleichung IX:
hierbei ist R die Boltzmann-Konstante und D₀ ist ein Bezugswert für die Diffusionsrate oder -geschwindigkeit des Eisens. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung stellte es sich heraus, dass für Änderungen in den d₀ anscheinend keinen beachtlichen Einfluss haben und dass d₀ aus Gleichung VIII eliminiert werden kann, wodurch die Gleichung VIII reduziert wird zu: dREX = C1∊–1D (X)hierbei ist C₁ eine Konstante. Um auf das Einfachdeformationsbeanspruchungs-/Rekristallisationsmodell zu kommen, wird die Gleichung IX substituiert in Gleichung VIII und kann dargestellt werden als Gleichung XI:
wobei C₂ eine Konstante ist. Angenommen, die Rekristallisationskorngröße ist eine Konstante, lässt sich die Gleichung XI reduzieren zu:
hierbei ist C₃ eine einfache Konstante und unter Kombination von R, Q_REX, d_REX und C₂ der Gleichung XII lässt sich dies darstellen als:
Die nominale Beanspruchung oder Dehnung aus dem Warmwalzen ∊_nominal der Gleichung VII kann dann substituiert werden in Gleichung XIV und man erhält:
wobei (K*)^–1 definiert ist als der Verformungs-/Rekristallisationsparameter.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Deformationsbeanspruchungs-/Rekristallisationsparameter (K*)^–1 größer oder gleich 7000. In einer anderen Ausführungsform ist der Deformationsbeanspruchungs-/Rekristallisationsparameter (K*)^–1 größer oder gleich 8000.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Glühen des gegossenen warmgewalzten Bandes ausgeführt werden unter Verwendung eines kontinuierlichen Glühens vom Bandtyp, wo das warmgewalzte Band auf eine Temperatur erwärmt wird, die typischerweise oberhalb 1472°F (800°C) liegt. In einer anderen Ausführungsform wird das Band auf eine Temperatur erwärmt, die typischerweise oberhalb 1832°F (1000°C) liegt, und zwar über einen Zeitraum von weniger als etwa 10 Minuten.
Beim Verfahren nach der Erfindung wird ein Band mit einer Dicke von etwa 0,39'' (10 mm) oder dünner nach irgend einem bekannte Verfahren gegossen, bevorzugt unter Verwendung des Verfahrens des Zwillingswalzenbandgießens. Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird das gegossene Band einem schnellen Kühlen gemäß dem Verfahren ausgesetzt, das in der hiermit zusammen hängenden Patentanmeldung WO-A-03/023074 beschrieben ist, mit dem Titel „Method of Continuously Casting Electrical Steel Strip With Controlled Spray Cooling" (deutscher Titel: Verfahren zum kontinuierlichen Gießen von Elektrostahlband mit geregelter Sprühkühlung), eingereicht am 13. September 2002 unter Beanspruchung der Priorität aus der Patentanmeldung SN 60/318 971, eingereicht am 13. September 2001.
Beim Verfahren der vorliegenden Erfindung lässt sich das gegossene Band direkt auf die zum Warmwalzen gewünschte Temperatur, bevorzugt in einem einzigen Durchgang, kühlen oder bevorzugt kann das gegossene und gekühlte Band auf die gewünschte Temperatur für das Warmwalzen wieder erwärmt oder angelassen werden. Anlassen oder Wiedererwärmen des gegossenen Bandes vor dem Warmwalzen kann günstig sein, da beliebige Temperaturgradienten, die beim Band während des Kühlens nach dem Bandgießen auftreten und dies auch bei irgend einer Sekundärkühlung, reduziert oder eliminiert werden können. Das gegossene und warmgewalzte Band wird anschließend geglüht, ein anderes Verfahren ist auf dem Fachgebiet wohl bekannt, um eine wesentliche Rekristallisation der Kornstruktur herbeizuführen. Die Warmwalz- und Glühprozesse können zu einem Verformungsbeanspruchungs-/Rekristallisationsparameter (K*)^–1 größer oder gleich 6500 führen.
Die oben beschriebenen Prozesse lassen sich als Einzelprozesse oder kombiniert im Teil oder vollständig in einer kontinuierlichen Sequenz von Prozessen ausführen.
Beispiel 1
Eine Reihe von Laborproben bzw. Laborchargen wurden zu den in Tafel I gezeigten Zusammensetzungen geschmolzen. Die Stahlschmelzen werden auf eine Temperatur zwischen 1525°C bis 1565°C erwärmt und werden dann in dünne Blechproben mit einer Dicke von entweder 2 mm oder 3 mm gegossen und einem raschen Kühlen bis unterhalb einer Temperatur von 700°C ausgesetzt.
Tafel I Chargenzusammensetzung – alle Elemente in Gewichtsprozent angegeben
Die Bleche werden auf zwei verschiedene Arten bearbeitet. Die 2 mm dicken Bleche werden weiter in dem gegossenen Zustand nach Glühen bzw. Anlassen bei einer Temperatur von 1050°C bearbeitet, während die 3 mm Dicken bis auf eine Nenndicke von 2 mm unter Verwendung der in Tafel II gezeigten Bedingungen warmgewalzt werden.
Tafel II
Die gegossenen Proben, die einer Warmwalzbehandlung vor dem Glühen/Anlassen ausgesetzt wurden, werden erst auf eine Temperatur etwa 1035°C in nicht oxidierender Atmosphäre erwärmt und in Luft gekühlt, bevor sie Warmreduktionen in einem einzigen Stich/Durchgang zwischen etwa 30%, 40% und etwa 50% ausgesetzt wurden, und zwar bei Temperaturen, die zwischen etwa 815°C, etwa 900°C und etwa 980°C betrugen. Die resultierenden warmgewalzten Bänder werden bei einer Temperatur von etwa 1050°C geglüht, liefern die in Tafel II gezeigten (K*)^–1-Werte, bevor sie weiter verarbeitet werden.
Nach dem Glühen werden sowohl die gegossenen wie die gegossenen und warmgewalzten Proben auf eine Zwischendicke von etwa 0,45 mm oder etwa 0,60 mm kaltgewalzt. Die kaltgewalzten Zwischenproben werden bei einer Temperatur von etwa 980°C zwischengeglüht und weiter auf eine Enddicke von etwa 0,27 mm kaltgewalzt.
Die kaltgewalzten Proben werden anschließend entkohlend in einer angefeuchteten Wasserstoff-Stickstoff-Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 875°C über einen Zeitraum geglüht, der ausreicht, um den Kohlenstoff auf weniger als 0,0025% zu senken und mit einem Glühseparatorüberzug überzogen, der im Wesentlichen aus Magnesiumoxid bestand. Die entkohlten und überzogenen Bleche werden dann einem abschließenden Hochtemperaturglühschritt in einer Wasserstoffatmosphäre ausgesetzt, wobei sie erwärmt werden auf und gehalten werden bei einer Temperatur von etwa 1150°C über einen Zeitraum von etwa 15 Stunden, um das Sekundärkornwachstum herbeizuführen und Verunreinigungen wie Schwefel und Stickstoff aus dem fertigkornorientierten Elektrostahlblech zu beseitigen, wonach die Proben auf magnetische Permeabilität bei 796 A/m getestet werden: die Ergebnisse sind in 1 gezeigt.
Diese Ergebnisse zeigen, dass schlechtes Sekundärkornwachstum bei Proben erhalten werden kann, die direkt von einem gegossenen und geglühten Band verarbeitet werden; verwendet man jedoch das Warmreduktionsverfahren der vorliegenden Erfindung, so erzeugt das gegossene warmgewalzte und geglühte Band sehr gute und konsistente magnetische Permeabilität bei 796 A/m und Kernverluste, die typisch für ein 0,27 mm dickes konventionelles kornorientiertes Elektrostahlblech sind. Die Daten der magnetischen Permeabilität sind auch in 2 dargestellt, wo darüber hinaus gezeigt ist, dass Werte von (K*)^–1 größer oder gleich etwa 6500 zu stabilem sekundärem Kornwachstum beitragen können, und dass die Verwendung von (K*)^–1 oberhalb etwa 7000 ein viel heftigeres Sekundärkornwachstum hervorrief.
Beispiel 2
Eine Stahlschmelze wird hergestellt mit der in Tafel III gezeigten Zusammensetzung, auf eine Temperatur von etwa 1565°C erwärmt und in die Form eines dünnen Bandes mit einer Dicke von etwa 2,7 mm unter Verwendung einer Zwillingswalzen-Bandgießmaschine gegossen. Nachdem das Band den Gießprozess verlässt, wird das Band bei einer Geschwindigkeit von weniger als etwa 15°C pro Sekunde auf eine Temperatur von etwa 1230°C gekühlt, wobei bei dieser Temperatur das gegossene Band einem schnellen Kühlen bei einer Geschwindigkeit von etwa 100°C pro Sekunde auf eine Temperatur von unterhalb etwa 700°C ausgesetzt wird. Das gegossene Band wird dann bei einer Temperatur etwa unter 650°C gehaspelt und anschließend auf Umgebungstemperatur gekühlt.
Das gegossene Band wird in einer Reihe von Proben zur Verarbeitung im Labor geschnitten, wo die Bänder auf eine Temperatur von etwa 1025°C in nicht oxidierender Atmosphäre wieder erwärmt, in Luft auf variierende Temperaturen gekühlt und in einem einzigen Durchgang auf variierende Dicke, gezeigt in Tafel IV, gewalzt werden. Die entstehenden warmgewalzten Bleche werden dann bei einer Temperatur von etwa 1050°C geglüht, was die (K*)^–1-Werte zwischen etwa 7000 und etwa 9000 ergibt. Nach dem Warmbandglühen werden die Proben auf eine Zwischendicke von etwa 0,56 mm kaltgewalzt, bei einer Temperatur von etwa 980°C geglüht und weiter auf eine Enddicke von etwa 0,27 mm kaltgewalzt. Die kaltgewalzten Proben werden dann entkohlend in einer angefeuchteten Wasserstoff-Stickstoff-Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 875°C über einen ausreichenden Zeitraum geglüht, um den Kohlenstoff auf weniger als 0,0025% zu senken und werden mit einem Glühseparatorüberzug überzogen, der im Wesentlichen aus Magnesiumoxid (MgO) bestand. Die entkohlten und überzogenen Bleche werden dann einem abschließenden Hochtemperaturglühschritt in einer Wasserstoffatmosphäre ausgesetzt, wobei sie erwärmt werden auf und gehalten werden bei einer Temperatur von etwa 1150°C, und zwar über einen Zeitraum von etwa 15 Stunden, um das Sekundärkornwachstum herbeizuführen und Verunreinigungen wie Schwefel und Stickstoff von dem fertigen kornorientierten Elektrostahlblech zu entfernen; anschließend werden die Proben auf magnetische Permeabilität bei 796 A/m getestet. Die Ergebnisse sind in Tafel IV wiedergegeben.
Diese Ergebnisse zeigen, dass gutes Sekundärkornwachstum bei Proben erhalten werden kann, die aus einem Zwillingswalzengießband gemacht wurden, welches dann weiter warmgewalzt und geglüht wird unter Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung. Wie Tafel IV zeigt, erzeugen die gegossenen warmgewalzten und geglühten Bänder der vorliegenden Erfindung eine sehr gute und konsistente magnetische Permeabilität bei 796 A/m, die typisch für ein konventionelles kornorientiertes Elektrostahlblech von 0,27 mm Dicke ist. Die Daten der magnetischen Permeabilität sind in 3 dargestellt und zeigen, dass ein Erhöhen des Wertes von (K*)^–1 über etwa 6500 zu günstigeren Ergebnissen führt, was auf das stabilere Sekundärkornwachstum zurückzuführen ist.
Die Ergebnisse zeigen, dass heftiges Sekundärkornwachstum unter Verwendung des Verfahrens nach der Erfindung erhalten werden kann, wodurch ein gegossenes warmgewalztes und geglühtes Band verwendet werden kann, um ein kornorientiertes Elektrostahlblech mit guten magnetischen Eigenschaften zu erzeugen.
Tafel IV

Claims

Verfahren zur Herstellung von zur weiteren Verarbeitung geeignetem Bandstahl, wobei die Verarbeitung Kaltwalzen und Sekundärrekristallisation umfasst, zur Erzeugung eines (110)[001] kornorientierten Elektrostahls, wobei das Verfahren umfasst die Schritte des: a. Erhaltens eines Bandes mit einer Anfangsdicke ≤ 0,39 englische Zoll (10 mm); b. Warmwalzens des Bandes des Schrittes a; c. Glühens des Bandes des Schrittes b; und d. mit einem Verformungs- bzw. Dehnungs-/Rekristallisationsparameter, (K*)^–1, ≥ 6500; wobei
T_HBA die Glühtemperatur des Bandes des Schrittes c (in °Kelvin), T_HR die Warmwalztemperatur des Bandes des Schrittes b (in °Kelvin), έ die Formänderungsgeschwindigkeit bzw. Spannungsrate des Warmwalzens, t_c die Anfangsdicke des Bandes im Schritt a vor dem Warmwalzen, und t_f die Enddicke des Bandes nach dem Warmwalzen des Schrittes b ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem (K*)^–1 ≥ 7000.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem (K*)^–1 ≥ 8000.