PL218343B1

PL218343B1 - Sposób wytwarzania anizotropowej stalowej blachy elektrotechnicznej

Info

Publication number: PL218343B1
Application number: PL398130A
Authority: PL
Inventors: Yuriy Ivanovich Larin; Mikhail Yurievich Poliakov; Vladimir Nikolaevich Polyakov; Alexy Yurievich Shishov; Sergey Andreevich Krysanov; Boris Mikhailovich Chernenilov
Original assignee: Open Joint Stock Company Novolipetsk Steel
Priority date: 2009-08-03
Filing date: 2010-07-27
Publication date: 2014-11-28
Also published as: PL398130A1; CZ201230A3; RU2405841C1; CZ306162B6; BR112012001806B1; WO2011016758A1; BR112012001806A2

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania stalowej anizotropowej blachy elektrotechnicznej. Znajduje ona zastosowanie do wytwarzania wielkogabarytowych przewodów magnetycznych o niskich stratach energii na przemagnesowanie.

Wiadomo, że jednym ze sposobów obniżenia jednostkowych strat magnetycznych w gotowej stali transformatorowej jest utworzenie w warstwie powierzchniowej blachy różnego rodzaju przeszkód strukturalnych, prowadzących do odkształcenia tekstury magnetycznej na lokalnych odcinkach powierzchni stali i powstania złożonej struktury obszarów (domen) namagnesowania spontanicznego.

W ostatnich latach, podczas wytwarzania walcowanej na zimno anizotropowej blachy elektrotechnicznej z powłoką elektroizolacyjną najczęściej stosowana jest laserowa obróbka powierzchni. Powstałe w strefie oddziaływania promienia laserowego naprężenia wewnętrzne i defekty strukturalne (dyslokacje, wakanse, zniekształcenia sieci krystalicznej) prowadzą do kształtowania specjalnej struktury magnetycznej. To sprzyja wzrostowi podatności magnetycznej i w rezultacie obniża składową prądu wirowego jednostkowych strat magnetycznych.

Znany jest sposób wytwarzania anizotropowej stali elektrotechnicznej wg patentu nr FR 1 744 128, kl. C21 D 8/12, który obejmuje walcowanie na gorąco, przynajmniej jedno walcowanie na zimno, odwęglające i rekrystalizujące wyżarzanie, oraz obróbkę powierzchni taśmy laserem w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku walcowania w polu magnetycznym z określonym natężeniem. W celu obniżenia strat magnetycznych zaproponowano prowadzenie obróbki laserem w polu magnetycznym, orientowanym wzdłuż kierunku walcowania.

Wadą tego sposobu jest niewystarczająco wysoka jego wydajność, jednocześnie rozwiązanie związane jest z nieuniknionymi dodatkowymi stratami energetycznymi i komplikacjami technologicznymi w zastosowaniu.

Znanym sposobem poprawy właściwości magnetycznych blachy teksturowanej ze stali krzemowej jest zastosowanie obróbki laserowej wg patentu nr RU 2 238 340, kl.C21D 8/12, w którym generowanie promieniowania i napromieniowanie powierzchni odbywają się z zastosowaniem lasera CO2. Z racji znanych specyficznych właściwości zastosowanie lasera CO2 podczas obróbki stali transformatorowej ma, w porównaniu z iterbowym laserem włóknowym, zasadnicze wady. Przede wszystkim jest to związane z różnicą długości fali promieniowania. Przy długości fali λ = 1,07 μm, generowanej laserem włóknowym, współczynnik absorpcji dla stali jest znacznie większy niż podczas promieniowania przy λ = 10,46 μm, właściwej dla lasera CO₂. Jest to przeważającym czynnikiem na korzyść lasera włóknowego, ponieważ zapewnia duży współczynnik mocy użytecznej przy mniejszej energii promieniowania. Z drugiej strony, zdolność absorpcyjna warstwy elektroizolacyjnej, która wzrasta ze wzrostem długości fali, prowadzi przy zastosowaniu lasera CO2 do lokalnego przegrzania materiału powłoki i powstania widocznych śladów obróbki. Ze wzrostem λ komplikuje się zadanie utworzenia precyzyjnie zogniskowanej plamki. W końcu trudności związane z eksploatacją i nastawieniem schematu optycznego i szczególne warunki chłodzenia czynią praktyczne zastosowanie laserów CO2 mało efektywnym.

Najbardziej bliski proponowanemu rozwiązaniu technicznemu pod względem merytorycznym i osiągniętego wyniku (prototyp), według opinii autorów, jest sposób obróbki blachy ze stali elektrotechnicznej przedstawionej w patencie nr FR 2 301 839, kl. C21 D 8/12. Sposób zakłada zastosowanie różnych wariantów obróbki przy skanowaniu ciągłego, precyzyjnie zogniskowanego promienia lasera włóknowego o długości fali w zakresie 1,07-2,10 μm.

Jednakże, realizacja wspomnianego sposobu polega na zastosowaniu promieniowania ze stosunkowo niską (od 10 W) mocą wyjściową. Konieczność utworzenia precyzyjnie zogniskowanego promienia o średnicy plamki w punkcie ogniskowania do 0,01 mm uwarunkowana jest w tym przypadku wyborem jednomodowego trybu promieniowania, przy którym moc promieniowania powyżej 1 kW nie może być osiągnięta. Napromieniowanie powierzchni zogniskowanym promieniem o małym przekroju prowadzi do utworzenia wysokich gradientów temperatury w strefie oddziaływania plamki. Przy tym głębokość nagrzania stali i obserwowana szerokość linii oddziaływania promienia wynosi nie więcej niż 20 μm. W tych warunkach dalsze zwiększenie gęstości promieniowania laserowego kosztem zwiększenia mocy w sposób nieunikniony prowadzi do topienia stali w zakresie skoncentrowanego przepływu energii i zniszczenia powłoki izolacyjnej. Choć autorzy wskazują na możliwość wykorzystania laserów o większej mocy wyjściowej aż do 50 kW, wskazany zakres zmiany stosunku mocy do prędkości skanowania P/V nie przewyższa 0,012 J/mm, co w podanym sposobie w zakresie skanoPL 218 343 B1 wania 3000-16000 mm/s odpowiada mocy wyjściowej promieniowania do 200 W. Przy takiej małej mocy wyjściowej lasera nie może być zapewniona efektywność obróbki laserowej stali dla zastosowań przemysłowych (przy prędkościach obróbki 50-70 m/min) bez zwiększenia ilości użytych laserów. Jednocześnie formowanie stabilnego, precyzyjnie zogniskowanego promienia przy wysokiej koncentracji mocy szczytowej wymaga dodatkowych środków technicznych, co w końcu pociągnie za sobą zwiększenie inwestycji kapitałowych i w rezultacie - zwiększenie kosztów własnych wytwarzanej produkcji.

Problemem, którego rozwiązaniu służy niniejszy wynalazek jest obniżenie strat magnetycznych anizotropowej blachy elektrotechnicznej, przy utrzymaniu wysokiego poziomu indukcji magnetycznej i oporu powłoki elektroizolacyjnej. Przy tym, osiągnięty jest taki wynik techniczny, jak obniżenie kosztów własnych wytwarzanej produkcji i otrzymanie dodatkowego zysku od jego realizacji.

Powyższe wady analogów i prototypu zostały wyeliminowane dzięki temu, że w zgłoszonym sposobie wytwarzania anizotropowej stalowej blachy elektrotechnicznej, obejmującym wytopienie stali, ciągłe odlewanie, walcowanie na gorąco, jedno- lub dwukrotne walcowanie na zimno, wyżarzanie odwęglające, odtłuszczanie, nałożenie powłoki zabezpieczającej, wyżarzanie wysokotemperaturowe, nałożenie powłoki elektroizolacyjnej, wyżarzanie prostujące oraz oddziaływanie elektromagnetyczne na powierzchnię ruchomej taśmy skanującym promieniem laserowym o przekroju nieokrągłym wyciągniętym wzdłuż kierunku skanowania, oddziaływanie elektromagnetyczne prowadzi się pod regu₂ lowanym naciągiem taśmy tworzącym w stali wewnętrzne naprężenie w zakresie 5-80 N/mm², a w charakterze oddziaływania elektromagnetycznego wykorzystuje się ciągłe wielomodowe promieniowanie laserowe przy stosunku mocy promieniowania do prędkości skanowania P/V w zakresie 0,015-0,050 J/mm, przy czym promień laserowy o przekroju nieokrągłym ma stosunek długości (c) do szerokości (b) w kierunku walcowania wynoszący 0,005-0,075.

Analiza porównawcza zgłoszonego rozwiązania technicznego nie tylko z prototypem, lecz z innymi rozwiązaniami technicznymi pokazała, że sposoby wytwarzania anizotropowej blachy elektrotechnicznej, obejmujące ciągłe odlewanie, walcowanie na gorąco, jedno lub dwukrotne walcowanie na zimno, wyżarzanie odwęglające, odtłuszczanie, nałożenie powłoki zabezpieczającej, wyżarzanie wysokotemperaturowe, nałożenie powłoki elektroizolacyjnej, wyżarzanie prostujące oraz oddziaływanie elektromagnetyczne na powierzchnię ruchomej taśmy skanującym promieniem laserowym o przekroju nieokrągłym wyciągniętym wzdłuż kierunku skanowania, są szeroko znane. Jednakże, wprowadzenie regulowanego naciągu taśmy tworzącego wewnętrzne naprężenie w stali w ściśle określonym prze₂ dziale (5-80 N/mm²) i skanującego promieniowania o określonych charakterystykach do sposobu wytwarzania anizotropowej stali elektrotechnicznej oraz korelacja wzajemna z innymi operacjami procesu technologicznego, pozwalają nie tylko obniżyć straty magnetyczne przy utrzymaniu wysokiego poziomu indukcji magnetycznej anizotropowej stali elektrotechnicznej, lecz także osiągnąć zmniejszenia kosztów własnych wytwarzanej produkcji i uzyskać dodatkowy zysk od jej realizacji. Stąd wynika, że zgłoszony całokształt istotnych różnic zapewnia otrzymanie wspomnianego wyniku technicznego, co według zdania autorów spełnia kryterium poziomu wynalazczego wynalazku.

W celu lepszego zrozumienia wynalazku poniżej podane są przykłady konkretnej realizacji sposobu z odsyłaczami do załączonych rysunków, gdzie na fig. 1 przedstawiony jest schemat realizacji zgłoszonego sposobu.

Sposób przeprowadza się jak następuje.

Stal wytopioną w piecu elektrycznym lub konwertorowym i odlaną we wlewki, po nagrzewaniu w piecach przelotowych i walcowaniu na gorąco w zespole walcowniczym, po jednokrotnym lub dwukrotnym walcowaniu na zimno, po wyżarzaniu odwęglającym, odtłuszczaniu, nałożeniu powłoki zabezpieczającej, wyżarzaniu wysokotemperaturowym, nałożeniu powłoki elektroizolacyjnej i wyżarzaniu prostującym poddaje się obróbce promieniowaniem laserowym.

W zgłoszonym sposobie według schematu (patrz fig. 1), podczas obróbki promieniowaniem laserowym taśma (1) stali w strefie obróbki transportowana jest pod regulowanym naciągiem (N), tworzącym ₂ wewnętrzne naprężenie w stali w przedziale 5-80 N/mm², a stosunek mocy promieniowania do prędkości skanowania (P/V) promienia laserowego (2) jest utrzymywany w zakresie 0,015-0,050 J/mm, przy czym w promieniu (2) o przekroju nieokrągłym (3), wyciągniętym wzdłuż kierunku skanowania (R), stosunek jego długości (c) do szerokości (b) w kierunku walcowania (T) wynosi 0,005-0,075. W charakterze źródła promieniowania laserowego wykorzystywany jest wielomodowy laser włóknowy (4) o długości fali 1070 nm i o mocy wyjściowej 1,5-3,5 kW. W celu istotnego obniżenia strat magnetycznych i utrzymania indukcji magnetycznej oraz jednolitej powłoki izolacyjnej obróbkę taśmy (1) wykonuje się za

PL 218 343 B1 pomocą plamki (3), która ma różne rozmiary w kierunku skanowania (R) i w kierunku poprzecznym do niego. Jest to osiągane przez stosowanie specjalnego systemu optycznego, stanowiącego zestaw soczewek cylindrycznych umieszczonych wzdłuż linii skanowania promienia. Od geometrycznej formy i rozmiarów plamki (3) zależy czas oddziaływania laserowego, temperatura rozgrzania warstwy powierzchniowej i głębokość przenikania ciepła. Szerokość plamki (b) promieniowania laserowego określa czas oddziaływania laserowego na powierzchnię taśmy. Odpowiednio, przy formowaniu plamki wyciągniętej wzdłuż linii skanowania jest możliwość zabezpieczenia gwałtownego nagrzania lokalnej strefy powierzchni o maksymalnym gradiencie temperatury obok jej granicy, jak i płynnego nagrzania przez plamkę o szerokości (b) 20-30 mm, zabezpieczającą głębokie rozgrzanie. Oczywiście, zwiększeniu rozciągłości plamki towarzyszy proporcjonalne obniżenie gęstości promieniowania w każdym punkcie oddziaływania. Właśnie ta okoliczność w ramach niniejszego wynalazku umożliwia rzeczywiste zastosowanie laserów o mocy powyżej 1 kW przy stosunku P/V = 0,015-0,050 J/mm dla wysokowydajnej (do 70 m/min) obróbki taśmy stali transformatorowej, bez nadtopienia stali lub zniszczenia powłoki.

Obliczenia wykonane dla prędkości skanowania 110 m/s i łącznej mocy promieniowania 2,5 kW wskazują, że powiększenie szerokości (b) plamki od 3,5 mm do 25 mm przy długości (c) 100-300 μm odpowiada zmianie głębokości rozgrzania stali od 30 do 100 μm. Przy tym pod pojęciem głębokość rozgrzania rozumie się odległość od powierzchni, przy której wartość temperatury wyrażona w stopniach Celsjusza spada o połowę.

Kształtowanie głębokich stref rozgrzania wzdłuż kierunku skanowania (R) promienia (2) pozwala w tym przypadku wykorzystać dodatni wpływ naprężeń elastycznych, tworzonych w stali kosztem sił zewnętrznych rozciągających (N). Wysoka efektywność zaproponowanego oddziaływania kombinowanego związana jest przede wszystkim ze zmianą stanu magnetyczno-strukturalnego w strefach lokalnych promieniowania laserowego. Skoncentrowanemu wydzieleniu ciepła i nagrzewu powierzchni powstającym w trakcie obróbki laserowej towarzyszy w tych odcinkach zmiana właściwości sprężystoplastycznych stali. Na przykład, jeżeli rozpatrywać będziemy obróbkę taśmy o grubości 0,27 mm skanującym promieniem (2) o długości (c) 130 μm, o mocy P = 2,5 kW przy prędkości skanowania (V) 100-120 m/s, to w całym przekroju osiąga się rozgrzanie do temperatury powyżej 400°C. W tym przypadku w rozpatrywanych zakresach, w odróżnieniu od odcinków poza strefą obróbki, występują warunki dla powstania deformacji plastycznej. Właśnie dlatego przyłożenie zewnętrznych sił rozciągających (N) prowadzi do deformacyjnego odkształcenia sieci krystalicznej i zwiększenia gęstości dyslokacji o 1,5-3 razy w porównaniu z trybem obróbki laserowej bez naciągu. Wprowadzenie naprężeń ₂ wewnętrznych o wartości σ = 5-80 N/mm² przez naciąganie taśmy (1) służy dodatkowo dla zmniejszenia jednostkowych strat magnetycznych o 2-3% w porównaniu z obróbką laserową bez naciągu (tabela 1). Do oczywistych przewag obróbki taśmy pod naciągiem należy również zwiększenie odporności na działanie ciepła efektu obniżenia strat magnetycznych.

Stąd wynika, że dopiero łączne oddziaływanie trzech czynników - napromieniowania laserowego plamką (3), wyciągniętą wzdłuż kierunku skanowania (R) z określonymi charakterystykami, ze stosunkiem P/V = 0,015-0,050 J/mm i przyłożonego naciągu zewnętrznego (N) - pozwala znacznie (o 9-13%) zmniejszyć straty magnetyczne P1,7/50 przy utrzymaniu indukcji magnetycznej i oporu wyjściowego powłoki elektroizolacyjnej.

₂

Przy obróbce taśmy o naprężeniu wewnętrznym w zakresie poniżej 5 N/mm² i stosunku mocy promieniowania do prędkości skanowania P/V poniżej 0,015 J/mm nie osiąga się dostatecznego rozgrzania stali w strefie obróbki lub przy obróbce siła naciągu nie jest wystarczająca do stworzenia warunków dla płynięcia plastycznego materiału w strefie oddziaływania promieniowania, co nie pozwala na uzyskanie dodatkowego efektu obniżenia strat jednostkowych w stosunku do obróbki laserowej bez naciągu taśmy.

₂

Naprężenie wewnętrzne obrabianej stali powyżej 80 N/mm² prowadzi do drastycznego zmniejszenia indukcji magnetycznej poniżej dopuszczalnej wartości. Przy stosunku mocy promieniowania do prędkości skanowania P/V powyżej 0,050 J/mm następuje niszczenie powłoki elektroizolacyjnej na powierzchni blachy, co jest niedopuszczalne, ponieważ pogarsza się wygląd handlowy produktu i może doprowadzić do zmniejszenia wielkości oporu powłoki elektroizolacyjnej.

Przy stosunku długości (c) promienia (2) o przekroju nieokrągłym, wyciągniętego wzdłuż kierunku skanowania (R), do jego szerokości (b) wynoszącym powyżej 0,075, w całym zakresie stosunku mocy promieniowania do prędkości skanowania P/V = 0,015-0,050 J/mm osiąga się wysoką gęstość promieniowania laserowego, która prowadzi do nagrzewania stali w obszarze skupionego przepływu

PL 218 343 B1 energii do temperatur prowadzących do niszczenia powłoki izolacyjnej. Zmniejszenie stosunku długości do szerokości promienia o przekroju nieokrągłym poniżej 0,005, przy istniejących ograniczeniach mocy nowoczesnych laserów światłowodowych, prowadzi do zmniejszenia gęstości promieniowania laserowego i w rezultacie do niedostatecznie głębokiej penetracji ciepła w eksponowanym obszarze w strefie oddziaływania laserowego, co wyklucza zastosowanie naciągu w celu dodatkowego zmniejszenia jednostkowych strat magnetycznych.

P r z y k ł a d

W zakładzie zleceniodawcy przeprowadzono obróbkę eksperymentalną anizotropowej stali elektrotechnicznej według zgłoszonego sposobu. Stal wytopioną w piecu konwertorowym i odlaną we wlewki, po nagrzewaniu w piecach ciągłych i walcowaniu na gorąco w szerokotaśmowym zespole walcowniczym pracującym w sposób ciągły, po trawieniu, pierwszym walcowaniu za zimno, po wyżarzaniu odwęglającym, drugim walcowaniu na zimno, odtłuszczaniu, po nałożeniu powłoki zabezpieczającej, wyżarzaniu wysokotemperaturowym, po nałożeniu powłoki elektroizolacyjnej i wyżarzaniu prostującym, poddawano działaniu promieniowania elektromagnetycznego przez skanowanie powierzchni taśmy poruszającej się z prędkością 50 m/min promieniem laserowym o mocy wyjściowej

2,5 kW, o przekroju nieokrągłym i długości 150 μm wzdłuż kierunku skanowania i o szerokości 20 mm ₂ w kierunku ruchu taśmy i naprężeniu na odcinku obróbki 18 N/mm².

Własności stali elektrotechnicznej w postaci cienkiej blachy, uzyskane w rezultacie badań eksperymentalnych w zakresie zaproponowanego rozwiązania technicznego, przedstawione są w tabeli nr 1.

Z analizy danych w tabeli nr 1 można wnioskować, że własności elektromagnetyczne i jakość powierzchni stali uzyskane z zastosowaniem zgłoszonego sposobu są wyższe niż otrzymane znanym sposobem.

T a b e l a 1

Sposób obróbki	Parametry obróbki	Własności początkowe	Własności końcowe	Wydajność obróbki
P/V, J/mm	σ, N/mm²	P1,7/50, W/kg	P1,7/50, W/kg	Δ P1,7/50, %
Znany (prototyp)	0,0065	brak	0,90	0,83	8,0
0,0106	brak	0,95	0,89	6,5
Zgłoszony sposób	0,017	brak	1,06	0,97	8,6
0,024	brak	1,03	0,98	5,1
0,017	6	1,08	0,96	11,2
0,017	6	0,95	0,85	10,9
0,017	18	1,05	0,94	10,7
0,017	18	0,98	0,88	10,4
0,017	35	1,08	0,99	8,4
0,017	85	1,10	1,03	6,7

Z powyższego wynika, że wykorzystanie zgłoszonego sposobu wytwarzania anizotropowej blachy elektrotechnicznej pozwala nie tylko obniżyć straty magnetyczne przy utrzymaniu wysokiego poziomu indukcji magnetycznej, lecz także obniżyć koszty własne wytworzonej produkcji i otrzymać dodatkowy zysk z jej realizacji.

Zatem zadanie, dla osiągnięcia którego skierowano rozwiązanie techniczne jest wykonane, przy czym powyższy wynik techniczny jest osiągnięty.

Claims

Sposób wytwarzania anizotropowej stalowej blachy elektrotechnicznej obejmujący: wytopienie stali, ciągłe odlewanie, walcowanie na gorąco, jedno- lub dwukrotne walcowanie na zimno, wyżarzanie odwęglające, odtłuszczanie, nałożenie powłoki zabezpieczającej, wyżarzanie wysokotemperatu6

PL 218 343 B1 rowe, nałożenie powłoki elektroizolacyjnej, wyżarzanie prostujące oraz oddziaływanie elektromagnetyczne na powierzchnię ruchomej taśmy skanującym promieniem laserowym o przekroju nieokrągłym wyciągniętym wzdłuż kierunku skanowania, znamienny tym, że oddziaływanie elektromagnetyczne prowadzi się pod regulowanym naciągiem taśmy tworzącym w stali wewnętrzne naprężenie w zakre₂ sie 5-80 N/mm², a w charakterze oddziaływania elektromagnetycznego stosuje się ciągłe wielomodowe promieniowanie laserowe przy stosunku mocy promieniowania do prędkości skanowania P/V w zakresie 0,015-0,050 J/mm, przy czym promień laserowy o przekroju nieokrągłym ma stosunek długości (c) do szerokości (b) w kierunku walcowania wynoszący 0,005-0,075.