DE60306365T2

DE60306365T2 - Verfahren zum kontinuierlichen giessen von nichtorientiertem elektrostahlband

Info

Publication number: DE60306365T2
Application number: DE60306365T
Authority: DE
Inventors: W. Jerry Middletown SCHOEN; Jr. Robert Trenton COMSTOCK
Original assignee: AK Steel Properties Inc
Current assignee: Cleveland Cliffs Steel Properties Inc
Priority date: 2002-05-08
Filing date: 2003-02-25
Publication date: 2009-09-17
Anticipated expiration: 2023-02-26
Also published as: CN100475982C; EP1501951A1; BR0309856B1; JP2006501361A; CN1665943A; RU2318883C2; MXPA04011077A; BR0309856A; DE60306365T3; RU2004136280A; KR20100072376A; ATE338146T1; EP1501951B1; JP2011094233A; US20040016530A1; JP5351870B2; US7011139B2; EP1501951B2; CA2484738C; CA2484738A1

Description

Diese Anmeldung beansprucht das Prioritätsrecht der U.S. Provisional Patent Application Serial-Nr. 60/378,743 , die am 08. Mai 2002 eingereicht wurde.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Nicht-orientierte Elektrostähle werden weithin als Magnetkernmaterial in verschiedenen elektrischen Maschinenanlagen und Vorrichtungen, insbesondere in Motoren, wo geringer Kernverlust und hohe magnetische Permeabilität in allen Richtungen des Streifens gewünscht werden, verwendet. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Produktion eines nicht-orientierten Elektrostahls mit geringem Kernverlust und hoher magnetischer Permeabilität, wobei der Stahl produziert wird ausgehend von einer Stahlschmelze, die als ein dünner Streifen gegossen, abgekühlt und zu einem fertiggestellten Streifen heißgewalzt und/oder kaltgewalzt wird. Der fertiggestellte Streifen wird des Weiteren wenigstens einer Temperbehandlung unterworfen, wobei die magnetischen Eigenschaften entwickelt werden, was den Strahlstreifen der Erfindung für eine Verwendung in elektrischen Maschinenanlagen, wie Motoren oder Transformatoren, geeignet macht.
Die magnetischen Eigenschaften von nicht-orientierten Elektrostählen können durch die Dicke des fertiggestellten Streifens, den spezifischen Volumen-Widerstand, die Korngröße, Reinheit und kristallographische Textur des fertiggestellten Streifens beeinflusst werden. Der durch Wirbelströme verursachte Kernverlust kann verringert werden, indem die Dicke des fertiggestellten Stahlstreifens verringert wird, der Legierungsgehalt des Strahlstreifens erhöht wird, um den spezifischen Volumen-Widerstand zu erhöhen, oder durch beides in Kombination.
Etablierte Verfahren zur Produktion von nicht-orientierten Elektrostählen mit herkömmlicher Verarbeitung (Gießen von dicken Brammen, erneutes Erwärmen der Brammen, Heißwalzen und Warmwalzbandtempern) verwenden typische, aber nicht als Einschränkung aufzufassende Legierungs-Zusätze von Silicium, Aluminium, Mangan und Phosphor mit vorzugsweise Zusammensetzungen, die eine vollständig ferritische Mikrostruktur, innerhalb von welcher jeglicher restlicher Stickstoff in Form von großen Einschlüssen vorliegt, bewirken. Nicht-orientierte Elektrostähle können bis zu ungefähr 6,5% Silicium, bis zu ungefähr 3% Aluminium, bis zu ungefähr 0,05% Kohlenstoff (der während der Verarbeitung bis auf unter ungefähr 0,003% verringert werden muss, um magnetisches Altern zu verhindern), bis zu ungefähr 0,01% Stickstoff, bis zu ungefähr 0,01% Schwefel und als Rest Eisen mit einer geringen Menge von Verunreinigungen, die zu dem Verfahren der Stahlherstellung gehören, enthalten. Nicht-orientierte Elektrostähle, einschließlich jene, die allgemein als Motordopplungsstähle („motor lamination steel”) bezeichnet werden, werden unterschieden anhand der Anteile von Zusätzen, wie Silicium, Aluminium und ähnlichen Elementen, die vorgenommen werden, um den spezifischen Volumen-Widerstand des Stahls zu erhöhen. Stähle, die weniger als ungefähr 0,5% Silicium und andere Zusätze enthalten, um einen spezifischen Volumen-Widerstand von ungefähr 20 µΩ-cm bereitzustellen, können allgemein als Motordopplungsstähle („motor lamination steels”) klassifiziert werden; Stähle, die ungefähr 0,5% bis ungefähr 1,5% Silicium oder andere Zusätze enthalten, um einen spezifischen Volumen-Widerstand von ungefähr 20 µΩ-cm bis ungefähr 30 µΩ-cm bereitzustellen, können allgemein als Stähle mit niedrigem Siliciumgehalt („low-silicon steels”) klassifiziert werden; Stähle, die ungefähr 1,5% bis ungefähr 3,0% Silicium oder andere Zusätze enthalten, um einen spezifischen Volumen-Widerstand von ungefähr 30 µΩ-cm bis ungefähr 45 µΩ-cm bereitzustellen, können allgemein als Stähle mit mittlerem Siliciumgehalt („intermediate-silicon steels”) klassifiziert werden; und als letztes können Stähle, die mehr als ungefähr 3,5% Silicium oder andere Zusätze enthalten, um einen spezifischen Volumen-Widerstand über ungefähr 45 µΩ-cm bereitzustellen, allgemein als Stähle mit hohem Siliciumgehalt („high-silicon steels”) klassifiziert werden. Diese Stähle enthalten typischerweise ebenso Zusätze von Aluminium. Silicium und Aluminium erhöhen die Stabilität der Ferritphase stark, wodurch Stähle, die mehr als ungefähr 2,5% (Silicium + Aluminium) enthalten, ferritisch sind, d. h. es wird während einer Erwärmung oder Abkühlung keine Austenit/Ferrit-Phasenumwandlung auftreten. Solche Legierungszusätze erhöhen den spezifischen Volumen-Widerstand und unterdrücken Wirbelströme während einer Wechselstrommagnetisierung, wodurch der Kernverlust verringert wird. Diese Zusätze verbessern auch die Stanzmerkmale des Stahls, indem die Harte erhöht wird. Im Gegensatz dazu macht eine Erhöhung des Legierungsgehalts den Stahl schwieriger herzustellen aufgrund der zusätzlichen Kosten der Legierungsbildung und erhöhter Sprödigkeit, insbesondere wenn große Mengen von Silicium eingesetzt werden.
Das Erzielen einer geeignet großen Korngröße in dem fertiggestellten gewalzten und getemperten Streifen wird gewünscht, um einen minimalen Hystereseverlust zu ermöglichen. Die Reinheit des fertiggestellten gewalzten und getemperten Streifens kann einen signifikanten Einfluss auf den Kernverlust haben, da das Vorhandensein einer dispersen Phase, von Einschlüssen und/oder Präzipitaten das Kornwachstum während des Temperns hemmen kann, wodurch die Bildung einer geeignet großen Korngröße und -orientierung verhindert und dadurch ein höherer Kernverlust und eine geringere magnetische Permeabilität in der Endproduktform erzeugt wird. Einschlüsse und/oder Präzipitate in dem fertiggestellten getemperten Stahl behindern auch eine Blochwandverschiebung während einer Wechselstrommagnetisierung, was die magnetischen Eigenschaften weiter verschlechtert. Wie oben angemerkt, ist die kristallographische Textur des fertiggestellten Streifens, d. h. die Verteilung der Orientierungen der Kristallkörner, welcher der Elektrostahlstreifen umfasst, sehr wichtig bei der Bestimmung des Kernverlusts und der magnetischen Permeabilität. Die <100>- und <110>-Textur-Komponenten, wie sie durch Miller-Indices definiert werden, weisen die höchste magnetische Permeabilität auf; im Gegensatz dazu weist die Texturkomponente vom <111>-Typ die niedrigste magnetische Permeabilität auf.
Nicht-orientierte Elektrostähle werden im Allgemeinen in zwei Formen, welche üblicherweise als „nicht-schlussgeglühte” („semi-processed”) oder „schlussgeglühte” („fully processed”) Stähle bezeichnet werden, bereitgestellt. „Nicht-schlussgeglüht” verweist darauf, dass das Produkt vor einer Verwendung getempert werden muss, um die korrekte Korngröße und Textur zu entwickeln, aus der Herstellung oder Verarbeitung resultierende Spannungen zu lindern und, sofern erforderlich, geeignet niedrige Kohlenstoffkonzentrationen bereitzustellen, um eine Alterung zu vermeiden. „Schlussgeglüht” verweist darauf, dass die magnetischen Eigenschaften vor der Verarbeitung des Streifens zu dünnen Lagen oder Dopplungen vollständig entwickelt worden sind, d. h. die Korngröße und Textur sind etabliert worden und der Kohlenstoffgehalt ist auf ungefähr 0,003% oder weniger reduziert worden, um magnetische Alterung zu verhindern. Diese Qualitäten erfordern kein Tempern nach der Verarbeitung zu dünnen Lagen oder Dopplungen, sofern dies nicht doch gewünscht wird, um aus der Herstellung oder Verarbeitung resultierende Spannungen zu lindern. Nicht-orientierte Elektrostähle werden überwiegend in rotierenden Vorrichtungen, wie Motoren oder Generatoren, wo gleichförmige magnetische Eigenschaften in allen Richtungen in Bezug auf die Walzrichtung des Streifens gewünscht werden, verwendet oder dort, wo die Kosten eines Elektrostahls mit orientierten Körnern nicht gerechtfertigt ist.
Nicht-orientierte Elektrostähle unterscheiden sich von Elektrostählen mit orientierten Körnern, da Elektrostähle mit orientierten Körnern so verarbeitet sind, dass eine bevorzugte Orientierung entwickelt wurde, durch ein als sekundäres Kornwachstum (oder sekundäre Umkristallisation) bekanntes Verfahren. Das sekundäre Kornwachstum führt dazu, dass der Elektrostahl extrem richtungsabhängige magnetische Eigenschaften in Bezug auf die Walzrichtung des Streifens aufweist, was Elektrostähle mit orientierten Körnern für Anwendungen, wo richtungsabhängige Eigenschaften gewünscht werden, wie in Transformatoren, geeignet macht.
Kommerziell erhältliche nicht-orientierte Elektrostähle werden typischerweise in zwei Klassifizierungen unterteilt: kaltgewalzte Motordopplungsstähle („cold rolled motor lamination steels”; „CRML”) und kaltgewalzte nicht-orientierte Elektrostähle („cold rolled non-oriented electrical steels”; „CRNO”). CRML wird im Allgemeinen in Anwendungen verwendet, wo das Erfordernis für sehr geringe Kernverluste schwierig wirtschaftlich zu rechtfertigen ist. Solche Anwendungen erfordern typischerweise, dass der nicht-orientierte Elektrostahl einen maximalen Kernverlust von ungefähr 4 W/Pfund (ungefähr 8,8 Watt/kg) und eine minimale magnetische Permeabilität von ungefähr 1500 G/Oe (Gauss/Oersted), gemessen bei 1,5 T und 60 Hz, aufweist. In solchen Anwendungen wird der verwendete Stahlstreifen typischerweise zu einer nominellen Dicke von ungefähr 0,018 Zoll (ungefähr 0,45 mm) bis ungefähr 0,030 Zoll (ungefähr 0,76 mm) verarbeitet. CRNO wird im Allgemeinen in Anwendungen mit höheren Anforderungen, wo bessere magnetische Eigenschaften erforderlich sind, verwendet. Solche Anwendungen erfordern typischerweise, dass der nicht-orientierte Elektrostahl einen maximalen Kernverlust von ungefähr 2 W/Pfund (ungefähr 4,4 W/kg) und eine minimale magnetische Permeabilität von ungefähr 2000 G/Oe, gemessen bei 1,5 T und 60 Hz, aufweist. In solchen Anwendungen wird der Stahlstreifen typischerweise zu einer nominellen Dicke von ungefähr 0,008 Zoll (ungefähr 0,20 mm) bis ungefähr 0,025 Zoll (ungefähr 0,63 mm) verarbeitet.
Keines der früheren Verfahren lehrt das Verfahren der Erfindung oder legt dieses nahe, in welchem der nicht-orientierte Elektrostahl ausgehend von einem gegossenen Streifen hergestellt wird, um die oben erwähnten Anforderungen an die magnetischen Eigenschaften in einer wirtschaftlichen Weise zu erfüllen.
US-A-5,482,107 offenbart das kontinuierliche Gießen und schnelle Verfestigen eines nicht-orientierten Elektrostahlstreifens mit einer Dicke von ungefähr 0,25–2,5 mm und das dem Tempern dienende Kaltwalzen des Streifens bei einem Reduktionsverhältnis von nicht mehr als 10%, während eine Umkristallisation nach dem Schritt des Gießens vermieden wird, um die dendritische ferritische Struktur aufrechtzuerhalten.
US-A-5,102,478 offenbart das Herstellen eines nicht-orientierten magnetischen Stahlstreifens ausgehend von einer kontinuierlich gegossenen Bramme, der direkt heißgewalzt wird, ohne erwärmt zu werden.
ANGABE DER ERFINDUNG
Die Erfindung offenbart ein Verfahren zur Produktion von nicht-orientierten Elektrostählen ausgehend von einem dünnen gegossenen Streifen, wie in Anspruch 1 definiert.
Alle Diskussionen in der vorliegenden Patentanmeldung, die Legierungszusammensetzungsprozentsätze (%) betreffen, sind als Gewichtsprozent ausgedrückt. sofern nicht anders angegeben.
Die Erfindung stellt einen Stahl mit einer Zusammensetzung bereit, in welcher die Silicium-, Aluminium-, Chrom-, Mangan- und Kohlenstoffgehalte, wie folgt, sind:

i. Silicium: bis zu ungefähr 6,5%
ii. Aluminium: bis zu ungefähr 3%
iii. Chrom: bis zu ungefähr 5%
iv. Mangan: bis zu ungefähr 3%
v. Kohlenstoff: bis zu ungefähr 0,05%.

Zusätzlich kann der Stahl Antimon in einer Menge bis zu ungefähr 0,15%; Niob in einer Menge bis zu ungefähr 0,005%, Stickstoff in einer Menge bis zu ungefähr 0,01%, Phosphor in einer Menge bis zu ungefähr 0,25%; Schwefel und/oder Selen in einer Menge bis zu ungefähr 0,01%; Zinn in einer Menge bis zu ungefähr 0,15%; Titan in einer Menge bis zu ungefähr 0,005%; und Vanadium in einer Menge bis zu ungefähr 0,005% enthalten, wobei der Rest aus Eisen und Rückständen, die zu dem Verfahren der Stahlherstellung gehören, besteht.
In einer bevorzugten Zusammensetzung sind diese Elemente in den folgenden Mengen vorhanden:

i. Silicium: ungefähr 1% bis ungefähr 3,5%;
ii. Aluminium: bis zu ungefähr 0,5%;
iii. Chrom: ungefähr 0,1% bis ungefähr 3%;
iv. Mangan: ungefähr 0,1% bis ungefähr 1%;
v. Kohlenstoff: bis zu ungefähr 0,01%;
vi. Schwefel: bis zu ungefähr 0,01%;
vii. Selen: bis zu ungefähr 0,01%; und
viii. Stickstoff: bis zu ungefähr 0,005%.

In einer mehr bevorzugten Zusammensetzung sind diese Elemente in den folgenden Mengen vorhanden:

i. Silicium: ungefähr 1,5% bis ungefähr 3%;
ii. Aluminium: bis zu ungefähr 0,05%;
iii. Chrom: ungefähr 0,15% bis ungefähr 2%;
iv. Mangan: ungefähr 0,1% bis ungefähr 0,35%;
v. Kohlenstoff: bis zu ungefähr 0,005%;
vi. Schwefel: bis zu ungefähr 0,005%;
vii. Selen: bis zu ungefähr 0,007%; und
viii. Stickstoff: bis zu ungefähr 0,002%.

In einer Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zur Produktion eines nicht-orientierten Elektrostahls mit relativ gleichförmigen magnetischen Eigenschaften in allen Streifenrichtungen bereit ausgehend von einer Stahlschmelze, welche Silicium und andere Legierungszusätze oder Verunreinigungen, die zu dem Verfahren der Stahlherstellung gehören, enthält, welche nachfolgend zu einem dünnen Streifen mit einer Dicke von ungefähr 0,40 Zoll (ungefähr 10 mm) oder weniger und vorzugsweise weniger als ungefähr 0,16 Zoll (ungefähr 4 mm) gegossen, abgekühlt und heiß reduziert wird in einer Weise, dass die Umkristallisation der wie gegossenen Kornstruktur in dem heißgewalzten Streifen vor dem Endbearbeitungs-Tempern minimiert wird. Der nicht-orientierte Elektrostahl dieses Verfahrens kann verwendet werden ohne die zusätzlichen Temper- oder Kaltwalzbehandlungen vor der Endbearbeitungs-Temperbehandlung, um die gewünschten magnetischen Eigenschaften für eine Verwendung in einem Motor, einem Transformator oder einer ähnlichen Vorrichtung zu entwickeln.
In einer zweiten Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren bereit, durch welches ein nicht-orientierter Elektrostahl mit relativ gleichförmigen magnetischen Eigenschaften in allen Streifenrichtungen produziert wird ausgehend von einer Stahlschmelze, welche Silicium und andere Legierungszusätze oder Verunreinigungen, die zu dem Verfahren der Stahlherstellung gehören, enthält, welche zu einem dünnen Streifen mit einer Dicke von ungefähr 0,40 Zoll (ungefähr 10 mm) oder weniger und vorzugsweise weniger als ungefähr 0,16 Zoll (ungefähr 4 mm) gegossen, abgekühlt, kaltgewalzt und als Endbearbeitung getempert wird, um die gewünschten magnetischen Eigenschaften für eine Verwendung in einem Motor, einem Transformator oder einer ähnlichen Vorrichtung zu entwickeln.
In einer dritten Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren bereit, durch welches ein nicht-orientierter Elektrostahl mit relativ gleichförmigen magnetischen Eigenschaften in allen Streifenrichtungen produziert wird ausgehend von einer Stahlschmelze, welche Silicium und andere Legierungszusätze oder Verunreinigungen, die zu dem Verfahren der Stahlherstellung gehören, enthält, welche zu einem dünnen Streifen mit einer Dicke von ungefähr 0,40 Zoll (ungefähr 10 mm) oder weniger und vorzugsweise weniger als ungefähr 0,16 Zoll (ungefähr 4 mm) gegossen wird, die heiß reduziert wird in einer Weise, dass eine Umkristallisation der wie gegossenen Kornstruktur minimiert wird, kaltgewalzt und als Endbearbeitung getempert wird, um die gewünschten magnetischen Eigenschaften für eine Verwendung in einem Motor, einem Transformator oder einer ähnlichen Vorrichtung zu entwickeln.
Im Rahmen der bevorzugten praktischen Realisierung der obigen Ausführungsformen enthält die Stahlschmelze Silicium, Chrom, Mangan und ähnliche Zusätze; die Stahlschmelze wird zu einem dünnen Streifen mit einer Dicke von zwischen ungefähr 0,06 Zoll (ungefähr 1,5 mm) und ungefähr 0,16 Zoll (ungefähr 4 mm) gegossen; der gegossene Streifen wird schnell abgekühlt in einer Weise, dass die wie gegossene Kornstruktur bewahrt bleibt, und/oder wird heißgewalzt, um eine Umkristallisation der wie gegossenen Kornstruktur in dem heißgewalzten Streifen zu minimieren.
Sofern nicht anders definiert, haben alle technischen und wissenschaftlichen Begriffe, die hier verwendet werden, die gleiche Bedeutung, wie sie ein gewöhnlicher Fachmann auf diesem Gebiet üblicherweise versteht. Obwohl Verfahren und Materialien, die jenen, die hier beschrieben werden, ähnlich oder äquivalent sind, bei der praktischen Ausführung oder dem Testen der Erfindung verwendet werden können, werden geeignete Verfahren und Materialien nachfolgend beschrieben. Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den Ansprüchen ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Diagramm des generalisierten Streifengießverfahrens.
2 ist ein Ablaufdiagramm hinsichtlich des Verfahrens der ersten Ausführungsform der Erfindung.
3 ist ein Ablaufdiagramm des Verfahrens der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
4 ist ein Ablaufdiagramm des Verfahrens der dritten Ausführungsform der Erfindung.
5 ist ein Graph, welcher die Auswirkung der Heißwalzbeanspruchung auf die magnetische Permeabilität bei 1,5 T und 60 Hz, gemessen an einem nicht-orientierten Elektrostahl des bevorzugten Verfahrens der Erfindung mit einem spezifischen Volumen-Widerstand von ungefähr 37 µΩ-cm, veranschaulicht.
6 ist ein Graph, welcher die Auswirkung der Heißwalzbeanspruchung auf den Kernverlust bei 1,5 T und 60 Hz, gemessen an einem nicht-orientierten Elektrostahl des bevorzugten Verfahrens der Erfindung mit einem spezifischen Volumen-Widerstand von ungefähr 37 µΩ-cm, veranschaulicht.
7 zeigt typische Mikrostrukturen, aufgenommen bei 50-facher Vergrößerung, nach Heißwalzen und nach weiterem Kaltwalzen auf ungefähr 0,018'' (ungefähr 0,45 mm) und Endbearbeitungs-Tempern bei einer Temperatur von ungefähr 1450°F (ungefähr 790°C) eines nicht-orientierten Elektrostahls des bevorzugten Verfahrens der Erfindung mit einem spezifischen Volumen-Widerstand von ungefähr 50 µΩ-cm.
8 ist ein Graph, welcher die Auswirkung der Zusammensetzung, ausgedrückt als T_20Gew.-%γ, Heißwalztemperatur und % Reduktion beim Heißwalzen, um spezielle Niveaus von Heißwalzbeanspruchung zu erzielen, zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Um ein klares und konsistentes Verständnis der Beschreibung und Ansprüche, einschließlich des Umfangs, der solchen Begriffen gegeben werden soll, zu ermöglichen, werden die folgenden Definitionen bereitgestellt.
Die Begriffe „Ferrit” und „Austenit” werden verwendet, um die spezifischen kristallinen Formen von Stahl zu beschreiben. „Ferrit” oder „ferritischer Stahl” weist eine kubisch-raumzentrierte oder „bcc”-Kristallform auf, wohingegen „Austenit” oder „austenitischer Stahl” eine kubisch-flächenzentrierte oder „fcc” Kristallform aufweist. Der Begriff „vollständig ferritischer Stahl” wird verwendet, um Stähle zu beschreiben, die keinerlei Phasenübergang zwischen der Ferrit- und der Austenit-Kristallform im Verlauf eines Abkühlens aus der Schmelze und/oder bei einem erneuten Erwärmen für das Heißwalzen unabhängig von dessen endgültiger Mikrostruktur bei Raumtemperatur durchlaufen.
Die Begriffe „Streifen” und „Lage” werden verwendet zur Beschreibung der physischen Eigenschaften des Stahls in der Beschreibung und den Ansprüchen, bestehend aus einem Stahl mit einer Dicke von weniger als ungefähr 0,4 Zoll (ungefähr 10 mm) und mit einer Breite, die typischerweise über ungefähr 10 Zoll (ungefähr 250 mm) und noch typischerer über ungefähr 40 Zoll (ungefähr 1000 mm) liegt. Der Begriff „Streifen” weist keine Einschränkung hinsichtlich der Breite auf, weist aber eine substantiell größere Breite als Dicke auf.
Aus Klarheitsgründen wird die anfängliche Abkühlungsgeschwindigkeit so aufgefasst, dass sie die Geschwindigkeit der Abkühlung des geschmolzenen Metalls, welches durch die Gießwalze oder -walzen bereitgestellt wird, darstellt. Der Begriff sekundäre Abkühlungsgeschwindigkeit wird so aufgefasst, dass diese die Abkühlungsgeschwindigkeit des Streifens, nachdem er aus der Gießwalze oder den Gießwalzen ausgetreten ist, darstellt.
Der Begriff „Walzen”, wie hier verwendet, bezieht sich auf einzelne oder paarweise vorliegende Walzen, Zylinder oder Fördergurte bzw. -bänder. Im Allgemeinen werden Walzenpaare verwendet, die von innen gekühlt werden und in entgegengesetzter Richtung zueinander rotieren und parallel zu einander angeordnet sind, wobei ihre Achsen im Allgemeinen horizontal gehalten werden.
Die Erfindung stellt einen nicht-orientierten Elektrostahl mit geringem Kernverlust und hoher magnetischer Permeabilität bereit, der ausgehend von einem schnell verfestigten und gegossenen Streifen produziert wird, wobei der gegossene Streifen eine Dicke von weniger als ungefähr 0,8 Zoll (ungefähr 20 mm) aufweist, typischerweise eine Dicke von weniger als ungefähr 0,4 Zoll (ungefähr 10 mm) aufweist und vorzugsweise eine Dicke von weniger als ungefähr 0,16 Zoll (ungefähr 4 mm) aufweist. Dieses schnelle Verfestigungsverfahren verwendet typischerweise zwei gegenläufig rotierende Gießwalzen oder -bänder, aber es kann auch eine einzelne Kühlwalze oder ein einzelnes Kühlband verwendet werden.
Die technischen Erfordernisse für die Anwendung eines direkten Gießens von dünnen Streifen auf die Produktion von nicht-orientiertem Elektrostahl unterscheiden sich von rostfreien Stählen und Kohlenstoffstählen aufgrund der metallurgischen Merkmale, d. h. Zusammensetzung, Präzipitate und Einschlüsse, Textur und Kornwachstum, welche benötigt werden, um die gewünschten magnetischen Eigenschaften in dem fertiggestellten getemperten nicht-orientierten Elektrostahl zu erzielen. In dem vorliegenden Verfahren zur Produktion eines nicht-orientierten Elektrostahlstreifens, wird der gegossene Ausgangsstreifen produziert durch ein schnelles Abschreck-Verfestigungsverfahren, wodurch eine Stahlschmelze zu einer Streifenform verfestigt werden kann entweder unter Verwendung einer einzelnen Walze (oder eines einzelnen Zylinders), von zwei sich gegenläufig drehenden Gießwalzen (oder Bändern oder Zylindern) oder eines kontinuierlichen Förderbands. Der Streifen wird vorzugsweise zwischen zwei eng beabstandete horizontale Walzen, die sich in entgegengesetzter Richtung drehen und von Innen gekühlt werden, gegossen. Bei der praktischen Ausführung des Verfahrens der Erfindung wird ein dünner gegossener Streifen mit einer Dicke von ungefähr 0,03 Zoll (ungefähr 0,7 mm) bis ungefähr 0,16 Zoll (ungefähr 4,0 mm) bevorzugt. Streifengießapparaturen und -verfahren sind in diesem Fachgebiet bekannt, z. B. die U.S.-Patente mit den Nummern 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 ; 5,049,204 .
1 zeigt ein schematisches Diagramm des generalisierten Doppelwalzen-Streifengießverfahrens. Die Stahlschmelze bildet einen Schmelzpool 30, der schnell verfestigt wird unter Verwendung von zwei gegenläufig rotierenden Gießwalzen 20 (oder -bändern oder -zylindern), um einen dünnen gegossenen Streifen 10 zu bilden. Im Allgemeinen werden die Gießwalzen 20 von Innen gekühlt.
Bei der praktischen Ausführung der Erfindung wird eine Stahlschmelze, welche Legierungszusätze von Silicium, Chrom, Mangan, Aluminium und Phosphor enthält, eingesetzt. Der primäre Zweck dieser Zusätze besteht darin, den spezifischen Volumen-Widerstand zu erhöhen, wie Gleichung I zeigt, und dadurch den Kernverlust, der durch Wirbelströme, die während einer Wechselstrommagnetisierung induziert werden, verursacht wird, zu senken: ρ = 13 + 6.25(%Mn) + 10.52(%.Si) + 11.82(%Al) + 6.5(%Cr) + 14(%P) (I)worin p der spezifische Volumen-Widerstand des Stahls in µΩ-cm ist und %Mn, %Si, %Al, %Cr und %P jeweils die Gewichtsprozentsätze von Mangan, Silicium, Aluminium, Chrom und Phosphor in dem Stahl sind.
Der resultierende dünne gegossene Streifen wird zu einer Enddicke verarbeitet mittels Heißwalzen, wobei der fertiggestellte Stahl magnetische Eigenschaften aufweisen soll, die für eine CRML-Qualität von nicht-orientiertem Elektrostahl, welcher unter Verwendung von herkömmlichen Verfahren hergestellt worden ist, typisch sind; oder durch Kaltwalzen oder gegebenenfalls Heiß- und Kaltwalzen, wobei der fertiggestellte Stahl magnetische Eigenschaften aufweisen soll, die mit den CRML- oder CRNO-Qualitäten von nicht-orientiertem Elektrostahl, welcher unter Verwendung von herkömmlichen Verfahren hergestellt worden ist, vergleichbar sind.
Um zu beginnen, die Elektrostähle der Erfindung herzustellen, kann eine Stahlschmelze hergestellt werden unter Verwendung der allgemein etablierten Methoden des Stahlschmelzens, -frischens und -legierens. Die Zusammensetzung der Schmelze umfasst im Allgemeinen bis zu ungefähr 6,5% Silicium, bis zu ungefähr 3% Aluminium, bis zu ungefähr 5% Chrom, bis zu ungefähr 3% Mangan, bis zu ungefähr 0,01% Stickstoff und bis zu ungefähr 0,05% Kohlenstoff, wobei der Rest im Wesentlichen aus Eisen und restlichen Elementen, die zu dem Verfahren der Stahlherstellung gehören, besteht. Eine bevorzugte Zusammensetzung umfasst ungefähr 1% bis ungefähr 3,5% Silicium, bis zu ungefähr 0,5% Aluminium, ungefähr 0,1% bis ungefähr 3% Chrom, ungefähr 0,1% bis ungefähr 1% Mangan, bis zu ungefähr 0,01% Schwefel und/oder Selen, bis zu ungefähr 0,005% Stickstoff und bis zu ungefähr 0,01% Kohlenstoff. Der bevorzugte Stahl kann zusätzlich Restmengen an Elementen, wie Titan, Niob und/oder Vanadium, in Mengen, die ungefähr 0,005% nicht übersteigen sollten, aufweisen. Ein mehr bevorzugter Stahl umfasst ungefähr 1,5% bis ungefähr 3% Silicium, bis zu ungefähr 0,05% Aluminium, ungefähr 0,15% bis ungefähr 2% Chrom, bis zu ungefähr 0,005% Kohlenstoff, bis zu ungefähr 0,008% Schwefel oder Selen, bis zu ungefähr 0,002% Stickstoff, ungefähr 0,1% bis ungefähr 0,35% Mangan und als Rest Eisen mit normalerweise vorkommenden Rückständen.
Der Stahl kann auch andere Elemente, wie Antimon, Arsen, Bismut, Phosphor und/oder Zinn in Mengen bis zu ungefähr 0,15% enthalten. Der Stahl kann auch Kupfer, Molybdän und/oder Nickel in Mengen bis zu ungefähr 1% individuell oder in Kombination enthalten. Andere Elemente können entweder als beabsichtigte Zusätze vorhanden sein oder als Rückstandselemente, d. h. Verunreinigungen, aus dem Stahlschmelzverfahren vorhanden sein. Beispielhafte Verfahren zur Herstellung der Stahlschmelze umfassen Sauerstoff-, Lichtbogen (EAF)- oder Vakuuminduktionsschmelzen (VIM). Beispielhafte Verfahren zum weiteren Frischen und/oder zum Vornehmen von Legierungszusätzen zu der Stahlschmelze können einen Gießpfannen-Metallurgieofen („tadle metallurgy furnace”, LMF), ein „vacuum oxygen decarburization” (VOD)-Gefäß und/oder einen „argon oxygen decarburization” (AOD)-Reaktor umfassen.
In den Stählen der Erfindung ist Silicium in einer Menge von ungefähr 0,5% bis ungefähr 6,5% und vorzugsweise ungefähr 1% bis ungefähr 3,5% und noch mehr bevorzugt ungefähr 1,5% bis ungefähr 3% vorhanden. Silicium-Zusätze dienen dazu, den spezifischen Volumen-Widerstand zu erhöhen, die Ferrit-Phase zu stabilisieren und die Härte zu erhöhen für verbesserte Stanzeigenschaften in dem fertiggestellten Streifen; es ist jedoch bekannt, dass Silicium in Konzentrationen über ungefähr 2,5% den Stahl spröder macht.
In den Stählen der Erfindung ist Chrom in einer Menge von bis zu ungefähr 5% und vorzugsweise ungefähr 0,1% bis ungefähr 3% und mehr bevorzugt ungefähr 0,15% bis ungefähr 2% vorhanden. Chrom-Zusätze dienen dazu, den spezifischen Volumen-Widerstand zu erhöhen; jedoch muss seine Wirkung berücksichtigt werden, um die gewünschte Phasengleichheit und die gewünschten mikrostrukturellen Merkmale beizubehalten.
In den Stählen der Erfindung ist Mangan in einer Menge von bis zu ungefähr 3% und vorzugsweise ungefähr 0,1% bis ungefähr 1% und mehr bevorzugt ungefähr 0,1% bis ungefähr 0,35% vorhanden. Mangan-Zusätze dienen dazu, den spezifischen Volumen-Widerstand zu erhöhen; jedoch muss seine Wirkung berücksichtigt werden, um die gewünschte Phasengleichheit und die gewünschten mikrostrukturellen Merkmale beizubehalten.
In den Stählen der Erfindung ist Aluminium in einer Menge von bis zu ungefähr 3% und vorzugsweise bis zu ungefähr 0,5% und mehr bevorzugt bis zu ungefähr 0,05% vorhanden. Aluminium-Zusätze dienen dazu, den spezifischen Volumen-Widerstand zu erhöhen, die Ferrit-Phase zu stabilisieren und die Härte für verbesserte Stanzeigenschaften in dem fertiggestellten Streifen zu erhöhen; Aluminium kann sich jedoch während des Abkühlens nach der Verfestigung mit anderen Elementen unter Bildung von Präzipitaten verbinden, was das Kornwachstum während der Weiterverarbeitung behindern kann.
Schwefel und Selen sind in den Stählen der Erfindung unerwünschte Elemente, indem diese Elemente sich mit anderen Elementen verbinden können unter Bildung von Präzipitaten, die das Kornwachstum während der Weiterverarbeitung behindern könnten. Schwefel ist ein üblicher Rückstand beim Stahlschmelzen. Wenn in den Stählen der Erfindung vorhanden, können Schwefel und/oder Selen in einer Menge bis zu ungefähr 0,01% vorhanden sein. Schwefel kann vorzugsweise in einer Menge bis zu ungefähr 0,005% und Selen in einer Menge bis zu ungefähr 0,007% vorhanden sein.
Stickstoff ist in den Stählen der Erfindung ein unerwünschtes Element, da Stickstoff sich mit anderen Elementen verbinden und Präzipitate bilden kann, die das Kornwachstum während der Weiterverarbeitung behindern könnten. Stickstoff ist ein üblicher Rückstand beim Stahlschmelzen und kann, wenn in den Stählen der Erfindung vorhanden, in einer Menge von bis zu ungefähr 0,01% und vorzugsweise bis zu ungefähr 0,005% und mehr bevorzugt bis zu ungefähr 0,002% vorhanden sein.
Kohlenstoff ist ein unerwünschtes Element in den Stählen der Erfindung. Kohlenstoff begünstigt die Bildung von Austenit und, wenn in einer Menge über ungefähr 0,003% vorhanden, muss der Stahl mit einer der Entkohlung dienenden Temperbehandlung versehen werden, um den Kohlenstoffgehalt ausreichend zu verringern, um ein „magnetisches Altern”, welches durch Carbid-Präzipitation verursacht wird, in dem fertiggestellten getemperten Stahl zu verhindern. Kohlenstoff ist ein üblicher Rückstand aus dem Stahlschmelzen und kann, wenn in den Stählen der Erfindung vorhanden, in einer Menge von bis zu ungefähr 0,05% und vorzugsweise bis zu ungefähr 0,01% und mehr bevorzugt bis zu ungefähr 0,005% vorliegen. Wenn der Kohlenstoffgehalt der Schmelze über ungefähr 0,003% liegt, muss der nicht-orientierte Elektrostahl zur Entkohlung auf weniger als ungefähr 0,003% Kohlenstoff und vorzugsweise weniger als ungefähr 0,0025% getempert werden, so dass der fertiggestellte getemperte Streifen nicht magnetisch altern wird.
Streifenerzeugnisse aus nicht-orientiertem Elektrostahl der Erfindung werden während der Herstellung Walzvorgängen, wie Heißwalzen und/oder Kaltwalzen, in denen der Streifen eine Reduktion hinsichtlich der Dicke erfährt, unterzogen.
Der gegossene und gewalzte Streifen wird des Weiteren mit einem der Endbearbeitung dienenden Tempern, innerhalb von welchem die gewünschten magnetischen Eigenschaften entwickelt werden und, sofern erforderlich, um den Kohlenstoffgehalt ausreichend zu senken, um ein magnetisches Altern zu verhindern, versehen. Das der Endbearbeitung dienende Tempern wird typischerweise in einer kontrollierten Atmosphäre während des Temperns, wie in einem gemischten Gas aus Wasserstoff und Stickstoff, ausgeführt. Es gibt mehrere Methoden, die in diesem Fachgebiet wohlbekannt sind, einschließlich chargenweises („batch”) Tempern oder Kistenglühen, kontinuierliches Streifen-Tempern und Induktionstempern. Ein chargenweises Tempern („batch annealing”), sofern verwendet, wird typischerweise ausgeführt, um eine Temper-Temperatur von ungefähr 1450°F (ungefähr 790°C) oder darüber und weniger als ungefähr 1550°F (ungefähr 843°C) für eine Zeitspanne von ungefähr einer Stunde, wie in den ASTM-Spezifikationen 726-00, A683-98a und A683-99 beschrieben, bereitzustellen. Das kontinuierliche Streifen-Tempern („continuous strip annealing”), sofern verwendet, wird typischerweise bei einer Temper-Temperatur von 1450°F (ungefähr 790°C) oder darüber und weniger als ungefähr 1950°F (ungefähr 1065°C) für eine Zeitspanne von weniger als zehn Minuten ausgeführt. Ein Induktionstempern, sofern verwendet, wird typischerweise ausgeführt, um eine Temper-Temperatur von über ungefähr 1500°F (815°C) für eine Zeitspanne von weniger als ungefähr 5 min bereitzustellen.
Bei der praktischen Ausführung des Verfahrens der Erfindung liegt die Temperatur des nicht-orientierten Elektrostahlstreifens, welcher die Oberfläche der Gießwalze verlässt, im Allgemeinen über ungefähr 2500°F (ungefähr 1370°C). Der nicht-orientierte Elektrostahl kann verarbeitet werden, wodurch der gegossene Streifen mit einem sekundären Abkühlen von einer Temperatur von weniger als ungefähr 2500°F (ungefähr 1370°C) auf eine Temperatur unter ungefähr 1700°F (ungefähr 925°C) mit einer Geschwindigkeit über ungefähr 20°F pro Sekunde (ungefähr 10°C pro Sekunde) versehen wird. Der nicht-orientierte Elektrostahl kann abgekühlt werden und der gegossene, verfestigte und abgekühlte Streifen kann bei einer Temperatur unter ungefähr 1475°F (ungefähr 800°C) aufgewickelt werden. Der Abkühlungsprozess kann gegebenenfalls in einer schützenden nicht-oxidierenden Atmosphäre ausgeführt werden, um eine Oxidation der Oberflächen des Stahlstreifens zu verringern oder zu verhindern.
Die Erfindung stellt auch eine Stahlschmelze, die zu einem Ausgangsstreifen gegossen wird, bereit, wobei der gegossene Streifen einem schnellen Abkühlen unterworfen wird, um die wie gegossene ferritische Mikrostruktur beizubehalten.
In dem bevorzugten Verfahren der Erfindung wird der gegossene Streifen des Weiteren mit einem schnellen sekundären Abkühlen von einer Temperatur über ungefähr 2280°F (ungefähr 1250°C) auf eine Temperatur unter ungefähr 1650°F (ungefähr 900°C) mit einer Geschwindigkeit über ungefähr 45°F pro Sekunde (ungefähr 25°C pro Sekunde) versehen. Dieser schnelle sekundäre Abkühlungsprozess wird typischerweise unter Verwendung einer Wassersprüh- oder Luft-Wasser-Nebel-Kühlung bewerkstelligt. Eine mehr bevorzugte Geschwindigkeit für das schnelle sekundäre Abkühlen der Erfindung beträgt über 90°F pro Sekunde (ungefähr 50°C pro Sekunde) und eine am meisten bevorzugte Geschwindigkeit ist höher als ungefähr 120°F pro Sekunde (ungefähr 65°C pro Sekunde). Die Abkühlungsbedingungen für den Stahlstreifen können gesteuert werden unter Verwendung eines Sprühersystems, umfassend eine Sprühdüsengestaltung, von Sprühwinkel, Fließrate, Wassersprühnebeldichte, Länge der Abkühlungszone und/oder der Anzahl von Sprühdüsen. Da es schwierig ist, die Streifentemperatur während der Sprühnebelkühlung aufgrund der Variationen bei der Wasserfilmdicke auf dem Streifen zu überwachen, werden typischerweise Wassersprühnebeldichtemessungen verwendet. Eine Sprühnebeldichte von ungefähr 125 Litern pro Minute pro m² bis ungefähr 450 Litern pro Minute pro m² liefert im Allgemeinen die gewünschte Abkühlungsgeschwindigkeit. Der gegossene, verfestigte und abgekühlte Streifen kann bei einer Temperatur unter ungefähr 1475°F (ungefähr 800°C) und mehr bevorzugt weniger als ungefähr 1250°F (ungefähr 680°C) aufgewickelt werden.
Die Erfindung stellt einen nicht-orientierten Elektrostahl bereit, welcher magnetische Eigenschaften aufweist, die für eine kommerzielle Verwendung geeignet sind, wobei eine Stahlschmelze zu einem Ausgangsstreifen gegossen wird, der dann durch Heißwalzen, Kaltwalzen oder beides weiterverarbeitet wird vor einem Endbearbeitungs-Tempern, um die gewünschten magnetischen Eigenschaften zu entwickeln.
Bei der praktischen Ausführung des Verfahrens der Erfindung kann der nicht-orientierte Elektrostahlstreifen unter Verwendung von Heißwalzen, Kaltwalzen oder einer Kombination davon weiterverarbeitet werden. Wenn ein Heißwalzen verwendet wird, kann der Streifen ausgehend von einer Temperatur von ungefähr 1300°F (ungefähr 700°C) bis ungefähr 2000°F (ungefähr 1100°C) gewalzt werden. Der gewalzte Streifen kann des Weiteren mit einem Temperschritt versehen werden, um die gewünschte Kristallstruktur und Mikrostruktur des Stahls zu erzeugen, insbesondere in Fällen, wo die Zusammensetzung der Schmelze keine vollständig ferritische Mikrostruktur liefert und insbesondere, wenn Verarbeitungsbedingungen zu einer substantiellen Umkristallisation der Mikrostruktur vor dem Kaltwalzen und/oder dem Endbearbeitungs-Tempern führen. Jedoch kann die Verwendung dieser Verfahrensmethoden zu einem Wachstum eines Oxid-Zunders auf den Stahloberflächen führen. Die Verwendung von geeigneten Verfahrensmethoden, die in diesem Fachgebiet allgemein bekannt sind, macht es innerhalb von Grenzen möglich, diese Oxidbildung in Bezug auf Qualität wie auf Quantität zu beeinflussen.
Der Silicium und Chrom enthaltende nicht-orientierte Elektrostahl einer Ausführungsform der Erfindung ist vorteilhaft, da verbesserte mechanische Eigenschaftsmerkmale von überlegener Härte bzw. Zähigkeit und größerer Beständigkeit gegen ein Brechen der Streifen während der Verarbeitung erhalten werden.
In einer Ausführungsform stellt die Erfindung Verfahren zur Produktion eines nicht-orientierten Elektrostahls bereit, welcher magnetische Eigenschaften aufweist, die einen maximalen Kernverlust von ungefähr 4 W/Pfund (ungefähr 8,8 W/kg) und eine minimale magnetische Permeabilität von ungefähr 1500 G/Oe, gemessen bei 1,5 T und 60 Hz, aufweisen.
In einer anderen Ausführungsform stellt die Erfindung Verfahren zur Produktion eines nicht-orientierten Elektrostahls bereit, welcher magnetische Eigenschaften aufweist, die einen maximalen Kernverlust von ungefähr 2 W/Pfund (ungefähr 4,4 W/kg) und eine minimale magnetische Permeabilität von ungefähr 2000 G/Oe, gemessen bei 1,5 T und 60 Hz, aufweisen.
In einer Ausführungsform des nicht-orientierten Elektrostahls der Erfindung kann ein Stahl mit einer Zusammensetzung, die nicht vollständig ferritisch ist, eingesetzt werden, wobei das schnelle Abkühlen während des Streifengießens und/oder eine geeignete nachgeschaltete Verarbeitung, wie schnelles sekundäres Abkühlen des gegossenen Streifens, Heißwalz- und Temperbedingungen eingesetzt werden, um die Bildung der Austenit-Phase zu unterdrücken.
Bei den optionalen praktischen Ausführungsweisen der Erfindung kann der gegossene, verfestigte und abgekühlte Streifen mit einem heißen Reduktions- und/oder einem Temperschritt vor dem Kaltwalzen und/oder dem Endbearbeitungs-Tempern versehen werden. Es ist den Fachleuten auf diesem Gebiet wohlbekannt, dass das Verarbeiten eines Streifens mit einer Ausgangsmikrostruktur, welche aus gemischten Phasen von Ferrit und Austenit besteht, signifikante Schwierigkeiten beim Steuern der Korngröße und Kristallorientierung aufwerfen kann; insbesondere kann eine Umkristallisation zu der Bildung einer <111>-Orientierung, die schlechtere magnetische Eigenschaften als die bevorzugten <100>- und <110>-Orientierungen aufweist, führen.
Bei der praktischen Ausführung des Verfahrens der Erfindung kann die Bildung der Austenit-Phase verhindert werden unter Verwendung einer Zusammensetzung der Schmelze, um eine vollständig ferritische Mikrostruktur bereitzustellen, oder alternativ durch Steuerung der Verarbeitungsbedingungen des gegossenen, verfestigten und abgekühlten Streifens, wenn die Zusammensetzung der Schmelze keine vollständig ferritische Mikrostruktur liefert. Gleichung II veranschaulicht die Auswirkung der Zusammensetzung auf die Bildung der Austenit-Phase. Die Prozentsätze der Elemente, die in Gleichung II gezeigt sind, sind allesamt in Gew.-%, während T_20Gew.-%γ (in den Tabellen als T₂₀ bezeichnet) die Temperatur ist, die unter Gleichgewichtsbedingungen gewährleisten würde, dass 20 Gew.-% des Stahls in Form der Austenit-Phase vorliegen. T20Gew.-%γ,°C = 787,8 – 4407(%C) – 151,6(%Mn) + 564,7(%P) + 155,9(%Si) + 439,8(%Al) – 50,7(%Cr) – 68,8(%N) – 53,2(%Cu) – 139(%Ni) + 88,3(%Mo) (II)
Bei der praktischen Ausführung des Verfahrens der Erfindung kann Gleichung II verwendet werden, um die limitierende Temperatur für das Heißwalzen, sofern verwendet, und/oder das Tempern, sofern verwendet, des Streifens zu bestimmen.
Ein Heißwalzen des gegossenen und verfestigten Streifens kann aus verschiedenen Gründen bevorzugt sein. Als erstes weist ein gegossener Streifen oftmals Schrumpfungsporosität auf, die geschlossen werden muss, um die gewünschten mechanischen und magnetischen Eigenschaften des Streifens zu erhalten. Zweitens werden für das direkte Gießen von Streifen üblicherweise texturierte Gießwalzen verwendet. Tatsächlich spiegelt die oberflächliche Rauhheit des wie gegossenen Streifens die oberflächliche Rauhheit der Gießwalzen wieder, was die Oberfläche eines gegossenen Streifens ungeeignet macht für eine Verwendung in Magnetkernen, wo die dünnen Stahl-Lagen oder -Dopplungen zu einem eng gepackten Stapel zusammengefügt werden müssen. Es ist in diesem Fachgebiet ermittelt worden, dass ein dünner gegossener Streifen heiß gewalzt werden kann, um die gewünschten Oberflächenmerkmale für sowohl Kohlenstoffstähle als auch rostfreie Stähle bereitzustellen. Die Anmelder haben festgestellt, dass die Anwendung eines Heißwalzens die magnetischen Eigenschaften des fertiggestellten getemperten nicht-orientierten Elektrostahls substantiell abbauen kann; die Anmelder haben jedoch das Verfahren der Erfindung entdeckt, wodurch ein Heißwalzen eingesetzt werden kann, in welchem der gegossene Streifen heißgewalzt, getempert, gegebenenfalls kaltgewalzt und als Endbearbeitung getempert werden kann, um einen nicht-orientierten Elektrostahl mit überlegenen magnetischen Eigenschaften bereitzustellen. Die Anmelder haben des Weiteren in einer Ausführungsform der Erfindung festgestellt, dass ein gegossener. Streifen heißgewalzt, kaltgewalzt und als Endbearbeitung getempert werden kann, um einen nicht-orientierten Elektrostahl mit überlegenen magnetischen Eigenschaften bereitzustellen, ohne dass ein Temper-Schritt nach dem Heißwalzen erforderlich wird.
In den Forschungsstudien, die durch die Anmelder ausgeführt wurden, können die besten magnetischen Eigenschaften erhalten werden, wenn die Heißwalzbedingungen eine Umkristallisation der wie gegossenen Mikrostruktur vor einem Kaltwalzen und/oder einem Endbearbeitungs-Tempern unterdrücken, wodurch das <100>-Textur-Merkmal des wie gegossenen Streifens bewahrt bleibt. In einer Ausführungsform der Verfahren der Erfindung wurden die Deformationsbedingungen für das Heißwalzen modellartig nachempfunden, um die Erfordernisse für eine heiße Deformation zu bestimmen, bei welchen die Formänderungsenergie, die durch das Heißwalzen übertragen wird, nicht ausreichend war, um eine umfassende Umkristallisation des gegossenen Streifens zu erlauben. Dieses Modell, welches in den Gleichungen III bis IX erläutert wird, stellt eine weitere Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung dar und sollte durch einen Fachmann auf diesem Gebiet leicht verstanden werden.
Die Formänderungsenergie, die ausgehend von einem Walzen übertragen wird, kann berechnet werden als:
wobei W die Arbeit ist, die beim Walzen aufgewandt wird, θ_c die erzwungene technische Streck- oder Fließgrenze des Stahls ist und R das Ausmaß an Reduktion, das beim Walzen erzielt wird, als Dezimalbruch ist, d. h. anfängliche Dicke des gegossenen Streifens (f_c, in mm), geteilt durch die Enddicke des gegossenen und heißgewalzten Streifens (t_f, in mm). Die wahre Beanspruchung oder Formänderung beim Heißwalzen kann weiter berechnet werden als: ε = KlW (IV),worin ε die wahre Beanspruchung oder Formänderung ist und K₁ eine Konstante ist. Fügt man Gleichung III in Gleichung IV ein, kann die wahre Beanspruchung oder Formänderung berechnet werden als:
Die erzwungene technische Streck- oder Fließgrenze, θ_c, steht in Beziehung zu der technischen Streck- oder Fließgrenze des gegossenen Stahlstreifens, wenn dieser heißgewalzt wird. Beim Heißwalzen tritt eine Erholung dynamisch auf und dementsprechend wird davon ausgegangen, dass in dem Verfahren der Erfindung eine Beanspruchungshärtung während des Heißwalzens nicht auftritt. Jedoch hängt die technische Streck- oder Fließgrenze ausgeprägt von der Temperatur und der Beanspruchungs- oder Formänderungsrate ab, und aufgrunddessen haben die Anmelder eine Lösung, welche auf der Zener-Holloman-Beziehung basiert, aufgenommen, wodurch die technische Streck- oder Fließgrenze basierend auf der Deformationstemperatur und der Deformationsrate, welche auch als die Formänderungs- oder Beanspruchungsrate bezeichnet wird, wie folgt, berechnet wird.
worin θ_T die hinsichtlich Temperatur und Beanspruchungs- bzw. Formänderungsrate kompensierte technische Streck- oder Fließgrenze des Stahls während des Walzens ist, ε . die Beanspruchungs- oder Formänderungsrate des Walzens ist und T die Temperatur des Stahls in °K ist, wenn dieser gewalzt wird. Für die Zwecke dieser Erfindung wird in Gleichung V θ_c durch θ_T ersetzt, wodurch erhalten wird:
worin K₂ eine Konstante ist.
Ein vereinfachtes Verfahren, um die mittlere Beanspruchungs- oder Formänderungsrate, ε ._m, beim Heißwalzen zu berechnen, ist in Gleichung VIII gezeigt:
worin D der Arbeitswalzendurchmesser in mm ist, n die Walzenrotationsrate in Umdrehungen pro Sekunde ist und K₃ eine Konstante ist. Die obigen Ausdrücke können umgeformt und vereinfacht werden, indem ε . aus Gleichung VII ersetzt wird durch ε ._m von Gleichung VIII und den Konstanten K₁, K₂ und K₃ ein Wert von 1 zugewiesen wird, wodurch die nominelle Heißwalz-Beanspruchung, ε_nominal, berechnet werden kann, wie in Gleichung IX gezeigt:
Bei einer bevorzugten praktischen Ausführung des Verfahrens der Erfindung ist festgestellt worden, dass die Bedingungen, die für das Heißwalzen verwendet werden, kritisch sind, um die gewünschten magnetischen Eigenschaften in dem Streifen zu erzielen.
Bei der praktischen Ausführung des Verfahrens der Erfindung gibt es praktische Probleme, die aus der Verwendung eines Gießens von dünnen Streifen, um nicht-orientierte Elektrostähle zu produzieren, resultieren, wobei wohlbekannt ist, dass diese Zustände üblicherweise existieren. Ein dünner gegossener Stahlstreifen kann signifikante Ausmaße an Mittellinien-Porosität aufweisen, die aus einer Verfestigungsschrumpfung entlang der Mittellinie des Streifens resultiert, die unter Aufwendung eines gewissen Maßes von Heiß- oder Kaltwalzen geschlossen werden muss. In den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird der gegossene Streifen heiß- oder kaltgewalzt mit einer ausreichenden Reduktion hinsichtlich der Dicke, um die Porosität vollständig zu schließen. Zweitens verwenden Streifengießvorrichtungen vom Doppelwalzen-Typ üblicherweise Gießzylinder oder -walzen, die eine entwickelte Walzenoberflächengestaltung aufweisen. Die Walzenoberfläche ist typischerweise aufgeraut, um den Wärmetransfer während der Verfestigung zu steuern und dadurch einen Streifen zu produzieren, der nach dem Gießen frei von Rissen ist. Bei der praktischen Ausführung der Erfindung muss der gegossene Streifen heiß- oder kaltgewalzt werden mit einer Reduktion hinsichtlich der Dicke, um die Oberfläche des Streifens zu glätten und einen nicht-orientierten Elektrostahlstreifen bereitzustellen, der für eine praktische Verwendung annehmbar ist. Darüber hinaus muss in den mehr bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung der Heißwalzschritt, sofern verwendet, unter Bedingungen ausgeführt werden, die der Bildung der Austenit-Phase oder einem übermäßigen Ausmaß an Beanspruchung oder Formänderung, welche durch das Heißwalzen übertragen wird, vorzubeugen. 7 zeigt die Wirkung der Heißwalzbeanspruchung auf die umkristallisierte Korngröße in nicht-orientiertem Stahl der Erfindung. In den mehr bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung kann ein nicht-orientierter Elektrostahlstreifen mit einer großen umkirstallisierten Korngröße nach dem Endbehandlungs-Tempern produziert werden. 8 zeigt, wie das Ausmaß an Reduktion und die Walztemperatur für Stahl des Verfahrens der Erfindung mit einem breiten Bereich von T_20Gew.-%γ verwendet werden können. 8 veranschaulicht des Weiteren, dass das Ausmaß der Heißwalzbeanspruchung oder -formänderung bestimmt, ob der nicht-orientierte Stahl produziert werden kann ohne ein Tempern des heißgewalzten Streifens vor dem Kaltwalzen und dem Endbearbeitungs-Tempern und/oder ob der Endbearbeitungs-Temper-Schritt ein langwieriges Tempern und/oder höhere Temper-Temperaturen verwendet.
Bei dem optionalen Verfahren, bei welchem der gegossene Streifen einem oder mehreren Heißwalzschritten unterzogen wird, erfolgt eine Reduktion hinsichtlich der Dicke von mehr als wenigstens ungefähr 10% und weniger als ungefähr 75%, vorzugsweise mehr als ungefähr 20% und weniger als ungefähr 70%, mehr bevorzugt mehr als ungefähr 30% und weniger als ungefähr 65%. Gemäß dem bevorzugten Verfahren der Erfindung wird der dünne gegossene Streifen bei einer Temperatur bei oder unter der T_20Gew.-%γ von Gleichung II heißgewalzt, um zu vermeiden, dass eine Umwandlung der aufgrund des schnellen Abkühlens des Gusserzeugnisses und des sekundären Abkühlens etablierten Ferrit-Phase zur Austenit-Phase bewirkt wird. Die Bedingungen des Heißwalzschrittes, einschließlich der spezifischen Deformationstemperatur, speziellen Reduktion und der speziellen Reduktionsgeschwindigkeit, werden weiter spezifiziert, um das Ausmaß an Umkristallisation in dem Streifen vor dem Kaltwalzen oder dem Endbearbeitungs-Tempern zu minimieren. In dem Verfahren der Erfindung wird angestrebt, dass bei dem nicht-orientierten Elektrostahl weniger als ungefähr 25% der Streifendicke eine solche Umkristallisation durchlaufen. Bei der bevorzugten praktischen Ausführung des Verfahrens der Erfindung wird angestrebt, dass weniger als ungefähr 15% der Streifendicke eine solche Umkristallisation durchlaufen. Bei der mehr bevorzugten praktischen Ausführung des Verfahrens der Erfindung wird angestrebt, dass weniger als ungefähr 10% der Streifendicke eine solche Umkristallisation durchlaufen. Bei der am meisten bevorzugten praktischen Ausführung des Verfahrens der Erfindung ist der Streifen im Wesentlichen frei von Umkristallisation.
Bei der praktischen Ausführung der Erfindung kann das Tempern des gegossenen und heißgewalzten Streifens ausgeführt werden mittels eines Selbst-Temperns, bei welchem der heißgewalzte Streifen durch die Wärme, die darin zurückgehalten wird, getempert wird. Ein Selbst-Tempern kann erzielt werden, indem der heißgewalzte Streifen bei einer Temperatur über ungefähr 1300°F (ungefähr 705°C) aufgewickelt wird. Das Tempern des gegossenen und heißgewalzten Streifens kann auch ausgeführt werden unter Anwendung entweder von Coil-Temper-Methoden vom chargenweise erfolgenden („Batch”-)Typ oder von Streifen-Temper-Methoden vom kontinuierlichen Typ, die in diesem Fachgebiet wohlbekannt sind. Bei Anwendung eines Coil-Temperns vom chargenweise erfolgenden („Batch”-)Typ wird der heißgewalzte Streifen auf eine erhöhte Temperatur, typischerweise über ungefähr 1300°F (ungefähr 705°C) für eine Zeitspanne über ungefähr 10 min, vorzugsweise über ungefähr 1400°F (ungefähr 760°C) erwärmt. Bei Anwendung eines kontinuierlichen Temperns vom Streifen-Typ wird der heißgewalzte Streifen auf eine Temperatur typischerweise über ungefähr 1450°F (ungefähr 790°C) für eine Zeitspanne unter ungefähr 10 min erwärmt.
Ein gegossener Streifen, ein gegossener und heißgewalzter Streifen oder ein gegossener und heißgewalzter und Warmwalzband-getemperter Streifen der Erfindung können gegebenenfalls einer Entzunderungsbehandlung unterzogen werden, um eine jegliche Oxid- oder Zunderschicht, die sich auf dem nicht-orientierten Elektrostahlstreifen gebildet hat, vor dem Kaltwalzen oder dem Endbearbeitungs-Tempern zu entfernen. „Dekapieren” ist die üblichste Methode zum Entzundern, wobei der Streifen einer chemischen Reinigung der Oberfläche eines Metalls durch Einsatz von wässrigen Lösungen von einer oder mehreren anorganischen Säuren unterzogen wird. Andere Methoden, wie kaustische, elektrochemische und mechanische Reinigung, sind etablierte Methoden zum Reinigen der Stahloberfläche.
Nach dem Endbearbeitungs-Tempern kann der Stahl der Erfindung des Weiteren mit einem aufgebrachten isolierenden Überzug, wie jene, die für eine Verwendung auf nicht-orientierten Elektrostählen in den ASTM-Spezifikationen A677 und A976-97 spezifiziert worden sind, versehen werden.
BEISPIELE DER ERFINDUNG
TABELLE I

Fußnoten:
(1) ρ aus Gleichung I, µOhm-cm
(2) T₂₀ aus Gleichung II, °C

BEISPIEL 1
Schmelzen A und B mit den in Tabelle I gezeigten Zusammensetzungen wurden geschmolzen, in Streifen mit einer Dicke von ungefähr 0,10 Zoll (ungefähr 2,5 mm) gegossen und weiterverarbeitet, wie in 2 exemplifiziert. Gegossene Streifen aus Schmelzen A mit einer Dicke von ungefähr 0,10 Zoll (ungefähr 2,5 mm) und gegossene Streifen aus Schmelze B mit einer Dicke von ungefähr 0,10 Zoll (ungefähr 2,5 mm), ungefähr 0,060 Zoll (ungefähr 1,5 mm) und ungefähr 0,045 Zoll (ungefähr 1,15 mm) wurden mit einer heißen Reduktion von ungefähr 30% bis ungefähr 65% auf eine Dicke von weniger als 0,040'' (ungefähr 1 mm) versehen, wobei die heiße Reduktion in einem einzigen Walzdurchlauf unter Verwendung von Arbeitswalzen mit einem Durchmesser von ungefähr 9,5 Zoll (ungefähr 24 mm) und einer Walzgeschwindigkeit von ungefähr 32 Upm ausgehend von einer Temperatur unter T₂₀, wie in Gleichung II definiert, erfolgte. Die gegossenen und heißgewalzten Streifen wurden entzundert, zu Testproben geschnitten und als Endbehandlung getempert in einem chargenweise erfolgenden Tempern bei ungefähr 1550°F (ungefähr 843°C) für eine Durchwärmzeit von ungefähr 60 min in einer Atmosphäre von 80% Stickstoff und 20% Wasserstoff mit einem Taupunkt von ungefähr 75°F (ungefähr 25°C) oder alternativ wurden die gegossenen und heißgewalzten Streifen entzundert und mit einer kalten Reduktion von ungefähr 7% bis ungefähr 23%, welche in einem einzelnen kalten Walzdurchgang erfolgte, versehen, zu Testproben geschnitten und als Endbehandlung getempert in einem chargenweise erfolgenden Tempern bei ungefähr 1550°F (ungefähr 843°C) für eine Durchwärmzeit von ungefähr 60 min in einer Atmosphäre von 80% Stickstoff und 20% Wasserstoff mit einem Taupunkt von ungefähr 75°F (ungefähr 25°C). Nach dem Endbearbeitungs-Tempern wurden die magnetischen Eigenschaften sowohl parallel als auch quer zu den Streifenwalzrichtungen gemessen, wie in Tabelle II gezeigt.
Wie Tabelle II zeigt, lieferte die praktische Ausführung der Erfindung einen nicht-orientierten Elektrostahl mit magnetischen Eigenschaften, die mit CRML-Qualitäten, die durch allgemein akzeptierte Produktionsmethoden hergestellt worden sind, vergleichbar sind, insbesondere wenn ein geringes Ausmaß an kalter Reduktion, welche ebenfalls für die Temper-Reduktionen, die üblicherweise in herkömmlichen Herstellungsverfahren, die für die Produktion von CRML verwendet werden, verwendet werden, typisch ist, eingesetzt wird.
BEISPIEL 2
Schmelzen A und B von Beispiel 1 wurden weiterverarbeitet in einer unterschiedlichen Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung, wobei die gegossenen Streifen weiterverarbeitet wurden, wie in 3 exemplifiziert. Wie in Tabelle I gezeigt, liefert die Zusammensetzung der Schmelzen A und B einen spezifischen Volumen-Widerstand (ρ), berechnet aus Gleichung I, welcher repräsentativ für einen nicht-orientierten Elektrostahl mit mittlerem Siliciumgehalt des Standes der Technik ist. Die gegossenen und verfestigten Streifen wurden einem schnellen sekundären Abkühlen auf eine Temperatur unter ungefähr 1000°F (ungefähr 540°C) gemäß dem bevorzugten Verfahren der Erfindung unterzogen. Die gegossenen, verfestigten und abgekühlten Streifen wurden kaltgewalzt auf eine Dicke von ungefähr 0,018 Zoll (ungefähr 0,45 mm). Nach dem Kaltwalzen wurden die Streifen als Endbearbeitung getempert durch chargenweises Tempern bei einer Temperatur von ungefähr 1550°F (ungefähr 843°C) für eine Durchwärmzeit von ungefähr 60 min in einer Atmosphäre von 80% Stickstoff und 20% Wasserstoff mit einem Taupunkt von ungefähr 75°F (ungefähr 25°C) oder als Endbearbeitung getempert als ein kontinuierliches Streifentempern bei einer Temperatur von entweder ungefähr 1450°F (ungefähr 790°C) oder ungefähr 1850°F (ungefähr 1010°C) für eine Durchwärmzeit von weniger als ungefähr 60 s in einer Atmosphäre von 75% Stickstoff und 25% Wasserstoff mit einem Taupunkt von ungefähr 95°F (ungefähr 35°C), zu Testproben geschnitten und nachfolgend chargenweise getempert bei ungefähr 1550°F (ungefähr 843°C). Nach dem chargenweisen Tempern wurden die magnetischen Eigenschaften sowohl parallel als auch quer zu den Streifenwalzrichtungen gemessen.
Wie Tabelle III zeigt, waren die magnetischen Eigenschaften des nicht-orientierten Elektrostahls aus Schmelze A, welcher gemäß der Erfindung hergestellt worden ist, akzeptabel; jedoch sind solche Eigenschaften schlechter als typisch für CRNO, welche unter Verwendung von allgemein akzeptierten Produktionsmethoden erhältlich sind. Schmelze B, die die bevorzugte Zusammensetzung darstellt, und die Weiterverarbeitung der Erfindung produzierten magnetische Eigenschaften, die mit der unter Verwendung von allgemein akzeptierten Produktionsmethoden erhältlichen Qualität vergleichbar sind.
BEISPIEL 3
Schmelze C, die in Tabelle I gezeigt ist, wurde zu dünnen Streifen mit einer Dicke von entweder ungefähr 0,8 Zoll (ungefähr 2,0 mm) oder ungefähr 0,10 Zoll (ungefähr 2,5 mm) gegossen, die, wie in 4 exemplifiziert, weiterverarbeitet wurden. Wie Tabelle I zeigt, ergab die Zusammensetzung von Schmelze C einen spezifischen Volumen-Widerstand von ungefähr 37 µΩ-cm, was den Stahl aus Schmelze C repräsentativ für einen nicht-orientierten Elektrostahl mit mittlerem Siliciumgehalt des Standes der Technik machte. Die gegossenen und verfestigten Streifen aus Schmelze C wurden weiter einem schnellen sekundären Abkühlen zu einem Streifen mit einer Temperatur unter ungefähr 1000°F (ungefähr 540°C) gemäß dem bevorzugten Verfahren der Erfindung unterworfen. Die gegossenen, verfestigten und abgekühlten Streifen wurden erneut auf eine Temperatur von 1750°F (ungefähr 950°C) oder ungefähr 2100°F (ungefähr 1150°C) in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre vor dem Heißwalzen des gegossenen Streifens erwärmt, wobei das Heißwalzen ausgeführt wurde in einem einzelnen Durchgang unter Verwendung von Arbeitswalzen von ungefähr 9,5 Zoll (ungefähr 24 cm) Durchmesser und einer Walzgeschwindigkeit von ungefähr 32 Upm ausgehend von einer Temperatur unter T_20Gew.-%γ, wie in Gleichung II definiert. Die speziellen Temperaturen, Reduktionen und unter Verwendung von Gleichung IX berechneten Walzbeanspruchungen sind in Tabelle IV zusammengefasst. Die heißgewalzten Streifen wurden vor dem Kaltwalzen auf eine Dicke von ungefähr 0,018 Zoll (ungefähr 0,45 mm) dekapiert oder bei ungefähr 1900°F (ungefähr 1035°C) an der Luft für eine Zeitspanne von weniger als ungefähr 1 min getempert und vor einem Kaltwalzen dekapiert. Nach dem Kaltwalzen wurden die Streifen in einem kontinuierlichen Streifen-Tempervorgang bei einer Temperatur von entweder ungefähr 1450°F (ungefähr 790°C) für eine Durchwärmzeit von weniger als ungefähr 60 s in einer Atmosphäre von 75% Stickstoff und 25% Wasserstoff mit einem Taupunkt von ungefähr 95°F (ungefähr 35°C) getempert, zu Testproben geschnitten, chargenweise bei ungefähr 1550°F (ungefähr 843°C) getempert, und die in Tabelle IV gezeigten magnetischen Eigenschaften wurden sowohl parallel als auch quer zu den Streifenwalzrichtungen gemessen.
Wie Tabelle IV zeigt, waren die magnetischen Eigenschaften des nicht-orientierten Elektrostahls aus Schmelze C, der gemäß der Erfindung hergestellt wurde, vergleichbar mit allgemein akzeptierten Produktionsmethoden sowohl mit als auch ohne einen Temper-Schritt des heißgewalzten Streifens vor dem Kaltwalzen. 5 und 6 zeigen eine Präsentation dieser Daten, welche die Auswirkung des Niveaus der Heißwalzbeanspruchung auf die magnetische Permeabilität und den Kernverlust, gemessen bei 1,5 T und 60 Hz, zeigt. Wie Tabelle IV und die Figuren klar machen, kann ein nicht-orientierter Elektrostahl mit mittlerem Siliciumgehalt mit sehr hoher magnetischer Permeabilität und geringem Kernverlust aus einem dünnen gegossenen Streifen ohne ein Warmwalzband-Tempern produziert werden, wenn eine geringe Beanspruchung aus dem Heißwalzen, weniger als 300 bei Verwendung der Formulierung von Gleichung IX, sichergestellt wird.
Obwohl es bevorzugte Praxis der Erfindung ist, einen hochqualitativen CRML oder CRNO ohne ein Tempern des Streifens vor dem Kaltwalzen und/oder dem Endbearbeitungs-Tempern herzustellen, kann unter Umständen, wo der gegossene Streifen sehr hohen Walzbeanspruchungen, d. h. mehr als 300 bei Verwendung von Gleichung IX, ausgesetzt wird, ein Coil-Typ-Tempern des heißgewalzten Streifens bei niedriger Temperatur vorgesehen werden, wobei die Temper-Temperatur substantiell unter T_20Gew.-%γ sichergestellt wird unter Verwendung einer solchen Ausrüstung und von solchen Vorgehensweisen, die in diesem Fachgebiet wohlbekannt sind.
BEISPIEL 4
Die Schmelze D von Tabelle I wurde geschmolzen und verarbeitet, wobei die gegossenen Streifen gemäß der Vorgehensweise von Beispiel 2 weiterverarbeitet wurden, wie in 3 exemplifiziert. Wie Tabelle I zeigt, ergibt die Zusammensetzung von Schmelze D einen spezifischen Volumen-Widerstand (ρ), der repräsentativ für einen nicht-orientierten Elektrostahl mit hohem Siliciumgehalt des Standes der Technik ist.
Wie Tabelle V zeigt, sind, obwohl die magnetischen Eigenschaften des nicht-orientierten Elektrostahls aus Schmelze D, der gemäß der Erfindung hergestellt worden ist, akzeptabel sind, die Eigenschaften schlechter als typisch für allgemein akzeptierte Produktionsmethoden.
BEISPIEL 5
Die Schmelze E von Tabelle I wurde geschmolzen und verarbeitet, wobei die gegossenen Streifen gemäß der Vorgehensweise von Beispiel 3 weiterverarbeitet wurden, wie in 4 exemplifiziert. Wie Tabelle I zeigt, ergibt die Zusammensetzung von Schmelze E, die das bevorzugte Verfahren der Erfindung verkörperte, einen spezifischen Volumen-Widerstand (ρ), der repräsentativ für einen nicht-orientierten Elektrostahl mit hohem Siliciumgehalt des Standes der Technik ist.
Wie Tabelle VI zeigt, waren die magnetischen Eigenschaften des nicht-orientierten Elektrostahls aus Schmelze E, der gemäß der Erfindung hergestellt worden ist, typisch für jene, die unter Verwendung von akzeptierten Produktionsmethoden mit und ohne Temper-Schritt des heißgewalzten Streifens vor dem Kaltwalzen erhalten werden. 7 veranschaulicht repräsentative Mikrostrukturen nach dem Heißwalzen und nach dem Kaltwalzen und einem chargenweisen Tempern bei 1450°F (790°C) für einen nicht-orientierten Stahl des Verfahrens der Erfindung, der unter Anwendung von niedrigen, mittleren und hohen Beanspruchungsniveaus während des Heißwalzens verarbeitet worden ist. Diese Zahlen veranschaulichen, wie übermäßige Deformationen vor einer kalten Reduktion eine kleinere und weniger wünschenswerte Korngröße nach dem Kaltwalzen und Endbearbeitungs-Tempern ergeben, wodurch schlechtere magnetische Eigenschaften erhalten werden.
Die Ergebnisse in Tabelle VI und die Figuren machen klar, dass ein nicht-orientierter Elektrostahl mit hohem Siliciumgehalt mit sehr hoher magnetischer Permeabilität und geringem Kernverlust produziert werden kann aus einem dünnen gegossenen Streifen ohne ein Warmwalzband-Tempern, vorausgesetzt, dass eine geringe Beanspruchung aus dem Heißwalzen, weniger als 300 bei Verwendung der Formulierung von Gleichung IX, gewährleistet wird, und mit einem Warmwalzband-Tempern, wenn die Beanspruchung aus dem Heißwalzen geringer als 1000 ist. Ferner können ähnliche Eigenschaften erhalten werden unter Verwendung eines Warmwalzband-Temperns vorausgesetzt, dass eine Heißwalzbeanspruchung von weniger als 1000 sichergestellt wird.
8 zeigt, wie die % Reduktion und die Walztemperatur verwendet werden können (für Stahl über einen breiten Bereich von T_20Gew.-%γ), um ein spezielles Niveau von Heißwalzbeanspruchung bereitzustellen. Das Ausmaß an Heißwalzbeanspruchung bestimmt, ob das Produkt hergestellt werden kann, ohne dass der heißgewalzte Streifen getempert wird oder ein langwieriges Endbearbeitungs-Tempern bei hoher Temperatur verwendet wird, oder nicht.

Claims

Verfahren zur Produktion eines nicht-orientierten Elektrostahls, umfassend die Schritte: a) Herstellen einer nicht-orientierten Elektrostahl-Schmelze mit einer Zusammensetzung in Gew.-%, welche umfasst: bis zu etwa 6,5% Silicium bis zu etwa 5% Chrom bis zu etwa 0,05% Kohlenstoff bis zu etwa 3% Aluminium bis zu etwa 3% Mangan und Eisen und Rückstände als Rest; b) Gießen eines Stahlstreifens durch rasche Verfestigung der Stahlschmelze zu einem Streifen und Entwickeln einer wie gegossenen Kornstruktur; c) Unterdrücken mindestens eines aus i) einer Phasenänderung zu der Austenit-Phase in dem Streifen oder ii) Umkristallisation der wie gegossenen Kornstruktur; und d) Walzen des Streifens, um die Dicke des Streifens zu reduzieren, wobei der Vorgang des Walzens entweder mindestens einen Vorgang des Heißwalzens oder mindestens einen Vorgang des Kaltwalzens mit einer Reduktion des Streifens um mindestens 13% oder eine Kombination derselben umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem der Vorgang des Walzens mindestens einen Vorgang des Heißwalzens umfasst und der Streifen um mehr als etwa 5% bis weniger als etwa 90% während des mindestens einen Vorgangs des Heißwalzens reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem der Vorgang des Walzens mindestens einen Vorgang des Heißwalzens umfasst und der Streifen um mehr als etwa 10% bis weniger als etwa 60% während des mindestens einen Vorgangs des Heißwalzens reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem der Vorgang des Walzens mindestens einen Vorgang des Kaltwalzens umfasst und der Streifen um mindestens 13% bis zu etwa 90% während des mindestens einen Vorgangs des Kaltwalzens reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem der Vorgang des Walzens mindestens einen Vorgang des Heißwalzens und mindestens einen Vorgang des Kaltwalzens mit einer Reduktion des Streifens um mindestens 13% umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem der Stahl zu einem Streifen mit einer Dicke von weniger als etwa 10 mm gegossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem der Stahl zu einem Streifen mit einer Dicke von weniger als etwa 4 mm gegossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem der Streifen zu weniger als etwa 25% der Streifendicke umkristallisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem der Streifen zu weniger als etwa 15% der Streifendicke umkristallisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem die nicht-orientierte Elektrostahl-Schmelze in Gew.-% umfasst: etwa 1% bis etwa 3,5% Silicium, etwa 0,1% bis etwa 3% Chrom, bis zu etwa 0,01% Kohlenstoff, bis zu etwa 0,5% Aluminium, etwa 0,1% bis etwa 1% Mangan, bis zu etwa 0,01% eines Metalls, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Schwefel, Selen und deren Mischungen, bis zu etwa 0,005% Stickstoff und wobei der Rest Eisen und Rückstände ist.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem die nicht-orientierte Elektrostahl-Schmelze in Gew.-% umfasst: etwa 1,5% bis etwa 3% Silicium, etwa 0,15% bis etwa 2% Chrom, bis zu etwa 0,005% Kohlenstoff, bis zu etwa 0,05% Aluminium, etwa 0,1% bis etwa 0,35% Mangan, bis zu etwa 0,002% Stickstoff und wobei der Rest Eisen und Rückstände ist.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem die nicht-orientierte Elektrostahl-Schmelze in Gew.-% bis zu etwa 1% anderer Elemente umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Antimon, Arsen, Bismut, Kupfer, Molybdän, Nickel, Niob, Selen, Schwefel, Zinn, Titan, Vanadium und deren Mischungen.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem die nicht-orientierte Elektrostahl-Schmelze in Gew.-% ein oder mehrere Elemente umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: bis zu etwa 0,005% Schwefel, bis zu etwa 0,007% Selen, bis zu etwa 0,15% Zinn, bis zu etwa 0,005% Titan, bis zu etwa 0,005% Niob, bis zu etwa 0,005% Vanadium und deren Mischungen.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem der Streifen zwischen zwei eng beabstandete horizontale Walzen gegossen wird, die sich in entgegengesetzten Richtungen drehen.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem in Schritt b) der Streifen ein dünner Streifen mit einer Dicke von weniger als etwa 10 mm ist und in dem in Schritt c) das Unterdrücken durch rasches Abkühlen des dünnen Streifens von einer Temperatur von etwa 2500°F (etwa 1370°C) auf unter etwa 1700°F (etwa 925°C) mit einer Geschwindigkeit von mehr als etwa 20°F/Sekunde (etwa 10°C/Sekunde) unterstützt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, in dem das rasche Abkühlen des dünnen Streifens von etwa 2280°F (1250°C) auf etwa 1650°F (etwa 900°C) bei einer Geschwindigkeit von mehr als etwa 45°F/Sekunde (etwa 25°C/Sekunde) geschieht.
Verfahren nach Anspruch 16, in dem die rasche Abkühlungsgeschwindigkeit des dünnen Streifens eine Geschwindigkeit von mehr als etwa 90°F/Sekunde (etwa 50°C/Sekunde) ist.
Verfahren nach Anspruch 17, in dem die rasche Abkühlungsgeschwindigkeit des dünnen Streifens eine Geschwindigkeit von mehr als etwa 120°F/Sekunde (etwa 65°C/Sekunde) ist.
Verfahren nach Anspruch 15, umfassend den weiteren Schritt des Aufwickelns des dünnen Streifens bei einer Temperatur unter etwa 1475°F (etwa 800°C).
Verfahren nach Anspruch 1, in dem in Schritt b) der Streifen eine Dicke von weniger als etwa 10 mm aufweist und in dem in Schritt c) das Unterdrücken durch rasches Abkühlen des dünnen Streifens zur Konservierung der wie gegossenen Kornstruktur unter Verwendung einer Wassersprühnebel-Dichte von etwa 125 bis etwa 450 Litern/Minute/m² unterstützt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, in dem der rasch abgekühlte Streifen bei einer Temperatur unter etwa 1250°F (etwa 680°C) aufgewickelt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, in dem die Dicke des gegossenen Stahlstreifens weniger als etwa 4 mm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 20, in dem die Dicke des gegossenen Stahlstreifens etwa 0,7 mm bis etwa 2 mm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 20, umfassend den weiteren Schritt des Aufrollens des dünnen Streifens bei einer Temperatur unter etwa 1475°F (etwa 800°C).
Verfahren nach Anspruch 20, weiter umfassend den Schritt der Auftragung eines isolierenden Überzugs auf dem gegossenen Stahlstreifen.
Verfahren nach Anspruch 20, weiter umfassend den Schritt des Entzunderns des gegossenen Stahlstreifens.
Verfahren nach Anspruch 20, weiter umfassend den Schritt des Abbeizens des gegossenen Stahlstreifens.
Verfahren nach Anspruch 20, in dem der gegossene Stahlstreifen nach dem Gießen bei einer Temperatur im Bereich von mehr als etwa 1300°F bis weniger als etwa 1475°F (mehr als etwa 705°C bis weniger als etwa 800°C) aufgewickelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem in Schritt b) die rasche Verfestigung der Stahlschmelze Austenit auf einen Gehalt unter etwa 20% in dem Stahlstreifen steuert, welcher eine Dicke von weniger als etwa 10 mm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem in Schritt b) der Streifen eine Dicke von weniger als etwa 10 mm aufweist und in Schritt d) das Walzen ein Vorgang des Heißwalzens des Streifens ist, um die Streifendicke zu reduzieren, die wie gegossene Kornstruktur zu minimieren und die Austenit-Mengen durch Beschränken der Temperatur während des Heißwalzens unter Verwendung der Gleichung: T20Gew.-%γ,°C = 787,8 – (4407)%C – (151,6)%Mn + (564,7)%P + (155,9)%Si + (439,8)%Al – (50,7)%Cr – (68,8)%N – (53,2)%Cu – (139)%Ni + (88,3)%Mozu steuern.
Verfahren nach Anspruch 30, in dem der Stahl weniger als etwa 25% Umkristallisation aufweist.
Verfahren nach Anspruch 31, in dem die Umkristallisation des kontinuierlichen gegossenen nicht-orientierten Elektrostahlstreifens durch Verwendung eines oder mehrerer Verfahren gesteuert wird, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: a) Bereitstellen einer raschen zweiten Kühlung, um eine Phasenveränderung zu verhindern, wenn die Zusammensetzung nicht vollständig ferritisch ist; b) Beschränken des Heißwalzens auf eine Temperatur von weniger als jener, die durch Gleichung II geliefert wird; c) Beschränken des Heißwalzens auf eine Beanspruchung von weniger als etwa 1000 unter Verwendung der Gleichung IX
wenn der gegossene Streifen einem Heißwalzschritt unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 31, weiter umfassend den Schritt (d) Endtempern des Streifens.
Verfahren nach Anspruch 33, in dem die Umkristallisation des kontinuierlichen gegossenen nicht-orientierten Elektrostahlstreifens unter Verwendung eines oder mehrerer Verfahren gesteuert wird, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: a) Bereitstellen einer raschen zweiten Abkühlung, um eine Phasenänderung zu verhindern, wenn die Zusammensetzung nicht vollständig ferritisch ist; b) Beschränken des Heißwalzens auf eine Temperatur von weniger als jener, die durch Gleichung II geliefert wird; c) Beschränken des Temperns auf eine Temperatur von weniger als jener, die durch Gleichung II geliefert wird; und d) Beschränken des Heißwalzens auf eine Beanspruchung von weniger als etwa 1000 unter Verwendung der Gleichung IX, wenn der gegossene Streifen einem Heißwalzschritt unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 20, in dem die Menge an Austenit unter Verwendung eines oder mehrerer Verfahren begrenzt wird, welche ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend im Wesentlichen aus: a) Verwendung einer vollständig ferritischen Stahlchemie von Gleichung I; b) Bereitstellen eines raschen zweiten Abkühlens, um eine Phasenänderung zu verhindern, wenn die Zusammensetzung nicht vollständig ferritisch ist; c) Beschränken des Heißwalzens auf eine Temperatur von weniger als jener, die durch Gleichung II geliefert wird; d) Beschränken des Warmwalzbandtemperns auf eine Temperatur von weniger als jener, die durch Gleichung II geliefert wird; e) Beschränken des Heißwalzens auf eine Beanspruchung von weniger als etwa 1000 unter Verwendung der Gleichung IX, wenn der gegossene Streifen einem Heißwalzschritt unterzogen wird; und f) Beschränken des Streifens auf eine Umkristallisation von weniger als etwa 15% der Streifendicke.