SPR / Лекция_13

154

13 ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ

Электротехническую сталь с содержанием кремния 0,8 – 4,8% использу- ют в качестве магнитомягкого материала в конструкциях электрических машин и аппаратов, работающих при частоте 50 – 400 Гц. Преимуществами этого ма- териала являются высокая индукция насыщения и относительно низкая стои- мость.

На электротехнические свойства стали сильное влияние оказывает со- держание в ней углерода. Растворяясь в феррите и вызывая в нем внутренние напряжения, углерод значительно ухудшает свойства стали, повышая ваттные потери. Отрицательное влияние углерода проявляется уже при весьма низком его содержании. Так, например, снижение концентрации углерода в изотропной электротехнической стали с 0,060 до 0,002% приводит к уменьшению ваттных потерь на 25 – 40%, а с 0,025 до 0,002% – на 10 – 15%. Поэтому одной из глав- ных задач при производстве электротехнической стали является получение низкого содержания углерода, которое в стали обыкновенного качества не должно превышать 0,030%, а в стали особо высокого качества – 0,003%.

Для улучшения магнитных свойств технически чистого железа широко используют легирование его кремнием. Кремний, образуя с железом твердый раствор, увеличивает его удельное электрическое сопротивление, способствует переходу углерода из наиболее вредной для магнитных свойств металла формы

– цементита в графит, способствует образованию крупнозернистой структуры, уменьшает магнитную анизотропию и константу магнитоскрипции. В результа- те указанных изменений улучшаются электротехнические свойства стали: уменьшается коэрцитивная сила, увеличиваются относительная магнитная про- ницаемость, снижаются потери на вихревые токи и гистерезис. Кроме того, на- личие в металле кремния повышает стабильность магнитных свойств стали во времени.

Вместе с тем при повышении содержания кремния ухудшаются механи-

155

ческие свойства стали – увеличиваются твердость и хрупкость. Поэтому в крем- нистой электротехнической стали содержание кремния не превышает 4,8%.

Электротехническую сталь производят горячекатаной и холоднокатаной. Горячекатаная сталь изотропна, то есть ее магнитные свойства одинаковы в различных направлениях относительно направления прокатки.

Свойства электротехнической стали можно значительно улучшить путем холодной прокатки и последующего отжига при температуре 900 – 1000оС. Та- кая обработка приводит к возникновению кристаллической текстуры – пре- имущественной ориентации границ зерен вдоль направления течения металла при прокатке. Текстурированная сталь анизотропна, ее магнитные свойства вдоль направления прокатки существенно выше.

Ограничение рекристаллизации при отжиге достигается выделением по границам зерен металла ингибиторной фазы (MnS, AIN).

При сульфидном варианте ингибирования электротехнической стали ин- гибиторной фазой являются включения MnS размером 25 – 50 нм. Для этого в стали должно быть достаточное количество серы. Однако, сера ухудшает пла- стические свойства стали, поэтому содержание ее не должно превышать 0,015%. Марганец, растворяясь в феррите, ухудшает электротехнические свой- ства стали, поэтому концентрация его в стали не должна превышать 0,1%. Оп- тимальное содержание марганца составляет 0,06 – 0,08 %. Содержание азота должно быть не более 0,005%.

При нитридном варианте ингибирования ингибиторной фазой являются включения AIN размером 10 – 50 нм. Для этого содержание азота в стали долж- но составлять 0,010 – 0,012%, а содержание серы – не более 0,003%.

Выплавка электротехнической стали возможна как в кислородных кон- вертерах, так и в дуговых сталеплавильных печах. Однако, в конвертерах про- ще получить требуемое низкое содержание углерода.

При выплавке полупродукта для последующего легирования содержани- ем углерода в металле должно составлять не более 0,03 – 0,05%, марганца – 0,06 – 0,08%. При получении такого металла в кислородных конвертерах верх-

156

него дутья содержание FeO в шлаке достигает 18 – 24%, что приводит к значи- тельным потерям железа. Поэтому для выплавки полупродукта целесообразно использовать конвертеры комбинированного дутья с продувкой кислородом сверху и подачей малоактивного газа через днище конвертера. В этом случае содержание FeO в шлаке не превышает 14 – 15%. При этом низкое содержание марганца достигается путем увеличения массы конвертерного шлака и частич- ного его обновления.

Обычно полупродукт выпускают из конвертера с содержанием углерода 0,03 – 0,04%. При циркуляционном вакуумировании нераскисленной стали кон- центрацию углерода понижают до 0,02 – 0,03%. После этого на поверхность металла в вакуумной камере дают ферросилиций и продолжают обработку до тех пор, пока коэффициент дополнительной рециркуляции достигнет величины 1 – 2. Обычно этого достаточно для равномерного распределения кремния во всем объеме металла.

Особенность легирования электротехнической стали заключается в выде- лении большого количества тепла при вводе в металл ферросилиция. Даже при присадке твердого ферросилиция без предварительного нагрева тепловой эф- фект реакции растворения кремния с избытком компенсирует затраты тепла на плавление ферросплава. Так, например, при вводе в сталь 2% кремния с ис- пользованием 60%-ного ферросилиция в количестве 3,3% температура металла повышается на 40оС. Это позволяет выпускать металл из сталеплавильного аг- регата без перегрева, необходимого для компенсации тепловых потерь при ва- куумировании, и легировать сталь во время вакуумной обработки в ковше.

При сульфидном варианте ингибирования раскисление электротехниче- ской стали проводят только кремнием, который одновременно является и леги- рующим элементом. При сульфо-нитридном варианте ингибирования для рас- кисления металла используют также алюминий.

Фосфор улучшает свойства изотропной электротехнической стали. Как и кремний, он сужает область устойчивого состояния γ-Fe. Однако, влияние фос- фора значительно сильнее. При наличии в металле 0,03% С и 1,8% Si фосфор

157

полностью выклинивает область γ-Fe уже при содержании его 0,21%. Вместе с тем замена кремния фосфором приводит к улучшению штампуемости металла и способствует выравниванию твердости и механических свойств по ширине листа и длине рулона. В обычной изотропной электротехнической стали допус- кается наличие фосфора в количестве до 0,050%. Производят и легированную фосфором в количестве до 0,2% безкремнистую изотропную электротехниче- скую сталь высокой штампуемости. Для легирования такой стали в ходе ваку- умной обработки используют 15 – 16%-ный феррофосфор.