Способ производства холоднокатаной полуобработанной легированной электротехнической стали

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к технологии производства полуобработанной электротехнической изотропной стали, предназначенной для изготовления деталей магнитопровода. Для повышения качества проката за счет получения стабильных механических свойств при полном сохранении требований к магнитным свойствам осуществляют выплавку стали, разливку, горячую прокатку, охлаждение водой, смотку полос в рулоны, травление, холодную прокатку и обработку на непрерывном комбинированном агрегате, при этом выплавляют сталь, содержащую в мас.%: углерод 0,020-0,045,

кремний 0,50-2,10, марганец 0,10-0,80, сера не более 0,015, фосфор не более 0,015, хром не более 0,10, никель не более 0,15, медь не более 0,15,алюминий 0,10-0,60, азот 0,002-0,010, железо и неизбежные примеси - остальное, окончательную деформацию полосы в чистовой группе непрерывного широкополосного стана осуществляют при температуре входа раската - не более 1070°C, температуру конца прокатки поддерживают 780-880°C, ускоренное охлаждение ведут со скоростью 20-45°C/с, температуру смотки устанавливают 480-640°C, рекристаллизационный отжиг холоднокатаного проката в непрерывном комбинированном агрегате ведут с частичным обезуглероживанием, до содержания углерода 0,012-0,030%, с температурой 780-820°C, после чего проводят отпуск стали с температурой 450-600°C в течение 150-250 секунд. При необходимости после термической обработки холоднокатаного проката осуществляют дрессировку металла с обжатием 0,5-5%. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

Реферат

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к технологии производства холоднокатаной полуобработанной легированной электротехнической изотропной стали с улучшенными механическими и магнитными свойствами, предназначенной для изготовления деталей магнитопровода, а именно статора и ротора электрического двигателя, методом высокоскоростной штамповки, сборки и отжига пакетов.

Одним из определяющих качеств полуобработанной электротехнической стали является ее способность к штамповке в пластины без сбоев на высоких скоростях работы штампов до 300 и более ударов в минуту, при этом на изготовленных пластинах должен отсутствовать заусенец и другие дефекты кромки. Электротехническая полуобработанная сталь должна соответствовать определенному комплексу механических свойств, например Барановический станкостроительный завод (предприятие производящее компрессоры для холодильников), использующий сталь марки М450-50К по EN 10341, с целью обеспечения способности стали к штамповке на высоких скоростях без образования дефектов, предъявляет требования, указанные в таблице 1:

Таблица 1
Марка стали Твердость HV, ед., не менее Предел прочности σв, Н/мм2, не менее Относительное удлинение δ, % Отношение предела текучести к пределу прочности (рекомендуемое значение) Удельные магнитные потери при 1,5 Тл (50 Гц), Вт/кг, не более
М450-50К 148 420 2032 0,80-0,86 4,5

Известен способ производства полуобработанной электротехнической стали, включающей горячую прокатку стального сляба, отжиг горячекатаной полосы, холодную прокатку и отжиг холоднокатаной полосы, согласно которому температуру выдержки при отжиге горячекатаной полосы, содержащей мас.%: 0,2-2,6 кремния; 0,01-0,5 алюминия; не более 0,05 углерода; 0,1-1,5 марганца; 0,01-0,16 фосфора; не более 0,01 серы устанавливают по зависимости:

Тв=911+K×(Si-Mn), °C

где Тв - температура выдержки при отжиге горячекатаной полосы, °C;

911 - температура фазового превращения перлита в аустенит в чистом железе, °C;

Si - содержание кремния в стали, мас.%;

Mn - содержание марганца в стали, мас.%;

K - эмпирический коэффициент, учитывающий влияние содержания в стали кремния и марганца на температуру фазового превращения перлита в аустенит, равный (10-20)°C/%,

выдержку при этой температуре осуществляют в течение 80-200 с, а отжиг холоднокатаной стали полосы производить при температуре 780-850°C с обезуглероживанием металла до содержания углерода ≤0,010%. При необходимости после обезуглероживающего отжига холоднокатаной полосы осуществляют дрессировку с обжатием 1,0-7,0% (Патент РФ №2180925, МПК C21D 8/12, опубл. 27.03.2002 г.).

Недостатком данного способа являться обезуглероживание стали до содержания углерода ≤0,010%, что может привести к неоднородности по содержанию углерода и структуре готового металла, электромагнитные свойства стали при этом ухудшаться. Так же обработка металла по известному способу приводит к росту себестоимости продукции, так как после горячей прокаткой перед травлением необходимо осуществлять обработку в отдельностоящем агрегате (отжиг горячекатаной полосы в проходной печи).

Наиболее близким по технической сущности являться способ производства холоднокатаной полуобработанной электротехнической стали, включающий горячую прокатку стального раскисленного сляба, холодную прокатку и отжиг холоднокатаной полосы, согласно которому отжиг холоднокатаной стали, содержащей, мас.%: 0,01-1,6 кремния; 0,02-0,5 алюминия; не более 0,07 углерода; 0,1-1,5 марганца; 0,01-0,20 фосфора; не более 0,025 серы производят в атмосфере защитного газа в течение 5,5-11 мин при температуре в соответствии с соотношением t=K1+K2×Si±20°C,

где t - температура отжига стали, °C;

K1, K2 - экспериментально определенные коэффициенты: K1=600°C; K2=100°C/%;

Si - содержание кремния в стали, мас.%.

При необходимости после отжига холоднокатаной стали осуществляют дрессировку металла с обжатием 2-8% (Патент РФ №2178006, МПК C21D 8/12, опубл. 10.01.2002 г.).

Недостаток известного способа состоит в том, что готовый металл может иметь: внутренние структурные напряжения вследствие однократного отжига после холодной прокатки, разнобальность зерен феррита. Что не обеспечивает получение механических свойств на готовом прокате, которые стабильно гарантировали высокую скорость работы штампов без сбоев в подаче, а также отсутствие на изготовленных пластинах заусенцев и других дефектов кромки.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение качества проката за счет получения стабильных механических свойств, позволяющих гарантировать высокую скорость работы штампов при изготовлении заготовок (пластин статора и ротора), а так же отсутствие после штамповки дефектов кромки и заусенцев, при полном сохранении требований к магнитным свойствам.

Технический результат достигается тем, что в способе производства холоднокатаной полуобработанной легированной электротехнической стали, включающем выплавку стали, разливку, горячую прокатку, охлаждение водой, смотку полос в рулоны, травление, холодную прокатку и обработку в непрерывном комбинированном агрегате, согласно изобретению выплавляют сталь, содержащую мас.%: 0,020-0,045 углерода, 0,5-2,10 кремния, 0,10-0,80 марганца, не более 0,015 серы, не более 0,15 фосфора, не более 0,10 хрома, не более 0,15 никеля, не более 0,15 меди, 0,10-0,60 алюминия, 0,002-0,010 азота, остальное железо и неизбежные примеси, окончательную деформацию полосы в чистовой группе непрерывного широкополосного стана осуществляют при температуре входа раската - не более 1070°C, температуру конца прокатки поддерживают 780-880°C, ускоренное охлаждение водой ведут со скоростью 20-45°C/с, температуру смотки устанавливают 480-640°C, рекристаллизационный отжиг холоднокатаного проката в непрерывном комбинированном агрегате ведут с частичным обезуглероживанием, до содержания углерода 0,012-0,030% с температурой 780-820°C, после чего осуществляют отпуск с температурой 450-600°C в течение 150-250 секунд. При необходимости после термической обработки холоднокатаного проката осуществляют дрессировку с обжатием 0,5-5%.

Сущность изобретения состоит в следующем. На механические и магнитные свойства полуобработанной легированной электротехнической стали влияют как химический состав стали, так и режимы деформационно-термической обработки на стане горячей прокатки, режим рекристаллизационного отжига, возможность проведения обезуглероживания и отпуска стали.

Углерод - один из упрочняющих элементов, определяющий конечную структуру стали, при ее производстве без проведения операции обезуглероживания. При содержании углерода менее 0,020% прочностные свойства стали ниже допустимого уровня, так же сталь имеет высокую неоднородность, разнобальность, штамповка стали с высокими скоростями работы штампов (число ходов до 300 ударов в минуту) невозможна. Увеличение содержания углерода более 0,045% приводит к сильному снижению пластичности стали, чрезмерному росту прочности, что недопустимо.

Кремний в стали применен как легирующий элемент, определяющий магнитные и механические свойства. При содержании кремния менее 0,50% сталь пластична, при штамповке на изделиях могут образовываться заусенцы, низкое содержание кремния приводит к росту электромагнитных потерь. При содержании кремния в стали более 2,10% снижается пластичность, имеет место охрупчивание стали, так же данное содержание кремния приводит к уменьшению магнитной индукции.

Марганец вводится в сталь с целью связать серу и обеспечить получение заданных механических свойств проката. При содержании марганца менее 0,10% при горячей прокатке возможно возникновение дефектов кромки. Увеличение содержания марганца более 0,80% чрезмерно упрочняет сталь, ухудшает ее пластичность.

Алюминий введен в сталь как легирующий элемент, обеспечивающий связывание азота и определяющий магнитные и механические свойства. При содержании алюминия менее 0,10% в растворе феррита может остаться несвязанный азот, который отрицательно влияет на магнитные свойства, сталь может становиться склонной к старению. Увеличение содержания алюминия более 0,60% приводит к загрязнению стали неметаллическими включениями, снижению магнитной индукции.

Сера отрицательно влияет на магнитные свойства стали, а так же может приводить к возникновению дефектов кромки при горячей прокатке. Поэтому ее содержание ограничено - не более 0,015%.

Хром, никель, медь в целом при высоких содержаниях могут вызвать ухудшения электромагнитных свойств стали: росту удельных электромагнитных потерь, снижение магнитной индукции. Содержание данных элементов ограничено хром - не более 0,10; никель - не более 0,15%; медь - не более 0,15%.

Фосфор добавляется в сталь как легирующий элемент. Увеличенное содержание фосфора благоприятно сказывается на механических и магнитных свойствах: увеличивается прочность стали, увеличивается отношения предела текучести к пределу прочности, снижается удлинение, снижается уровень электромагнитных потерь, увеличивается магнитная индукция. Содержание фосфора ограничено - не более 0,15%, так как его увеличение выше данного значение может привести к чрезмерному охрупчиванию стали.

Горячая прокатка с температурой начала прокатки в чистовой группе клетей не более 1070°C и последующая чистовая прокатка при температуре конца прокатки 780-880°C/с, охлаждение полосы на отводящем рольганге со скоростью 20-45°C/с, смотка полосы в рулон с температурой 480-640°C обеспечивают формирование оптимальной микроструктуры с высокой стабильностью и равномерностью зерен, данная структура сохраняется (наследуется) и после проведения операций холодной прокатки и отжига (при условии, что отжиг сопровождается операцией частичного обезуглероживания). Выше заявленных температурных пределов технический результат не достигался, а именно сталь приобретала структуру с высокой неоднородностью разнобальностью зерен феррита, неблагоприятную для штамповки и не обеспечивающую требуемые магнитные свойства.

Проведение рекристаллизационного отжига с частичным обезуглераживанием, до содержания углерода 0,012-0,030%, при температуре 780-820°C, с последующим отпуском при температуре 450-550°C в течение 150-250 секунд обеспечивает получение мелкозернистой полностью рекристаллизованной структуры, зерно феррита не менее 7 балла, наследуемой структуры г/к проката, с отсутствием внутренних напряжений. Данная структура обеспечивает получение требуемых значений механических свойств, указанных в таблице 1, при сохранении требуемых магнитных свойств стали. Комплекс указанных механических свойств обеспечивает высокую скорость работы штампов при изготовлении заготовок (пластин статора и ротора), а так же отсутствие после штамповки дефектов кромки и заусенцев.

При необходимости после термической обработки холоднокатаного проката осуществляют дрессировку с обжатием 0,5-5%. Дрессировку проводят с целью придания прокату требуемой шероховатости, чтобы предотвратить возможное слипание пластин при отжиге у потребителя. Обжатие в выбранных пределах приводит к оптимальному формированию размера микрозерна при отжиге металла у потребителя, после изготовления магнитопровода.

Примеры реализации способа. В кислородном конвертере выплавили 4 опытные плавки, химический состав которых приведен в таблице 2 (в т.ч. марки стали М450-50Е).

Таблица 2
Химический состав экспериментальных плавок
№ состава C, % Si, % Mn, % P, % Cr, % S, % Ni, % Cu, % Al, % N, %
1 0,026 1,57 0,223 0,056 0,024 0,0029 0,019 0,026 0,37 0,006
2 0,031 1,56 0,28 0,053 0,037 0,006 0,02 0,039 0,45 0,005
3 0,040 1,54 0,291 0,051 0,038 0,003 0,025 0,058 0,4 0,004
4 0,033 1,54 0,249 0,058 0,046 0,0033 0,035 0,061 0,44 0,006

Используемый для производства данной стали чугун предварительно обрабатывали на установке десульфурации для обеспечения в стали содержания серы не более 0,015%. Выплавленную сталь разливали на машине непрерывного литья в слябы сечением 250×1070 мм. Слябы нагревали в нагревательной печи с шагающими балками до температуры 1200-1250°C в течение 2,5-3,5 часов и прокатывали на непрерывном широкополосном стане 2000 в полосы толщиной 2,0 мм. Горячекатаные полосы на отводящем рольганге охлаждали водой до определенных температур и сматывали в рулоны. Охлажденные рулоны подвергали сернокислотному травлению в непрерывном травильном агрегате и правке в изгибо-растяжной машине. Затем травленые полосы прокатывали на 5-ти клетевом стане до конечной толщины 0,5 мм. Холоднокатаные рулоны обрабатывали на непрерывном комбинированном агрегате.

Деформационно-термические режимы обработки и свойства проката представлены в таблице 3.

Из таблиц 2-3 видно, что в случае реализации предложенного способа (варианты №1-№4 режим а) достигаются механические свойства проката, которые характеризуются дальнейшей способностью стали к обработке (штамповке, вырубке) на высоких скоростях хода штампа.

В случае запредельных значений заявленных параметров (вариант №4 режим в), а также при реализации известного способа (вариант №4 режим б) из-за низкого отношения предела текучести к пределу прочности технический результат получить не удалось.

Предлагаемая технология производства холоднокатаной полуобработанной легированной электротехнической стали обеспечивает также отсутствие дефектов кромки и заусенцев на изготовленных изделиях после проведения операции штамповки (вырубки).

Таблица 3
Технологические параметры производства и показатели механических свойств
№ состава Температура начала прокатки в чистовой группе клетей Тнп, °C Температура конца прокатки Ткп, °C Скорость охлаждения на отводящем рольганге, °C Температура смотки Тсм, °C Температура отжига, °C Температура отпуска, °C Обжатие при дрессировке, % Предел прочности σB, Н/мм2 σTB Относительное удлинение δ, % Твердость, HV Удельные магнитные потери при 1,5 Тл (50 Гц), Вт/кг
1 957 820 25 600 790 580 500 0,80 26 156 4,1
2 961 841 31 603 780 540 1,5 530 0,86 28 167 3,8
3 985 835 32 601 785 460 540 0,81 27 170 4,2
4 режим а 964 846 28 596 795 510 530 0,85 25 160 4,1
4 режим б 970 832 30 610 754 без обезуглероживания без отпуска 580 0,75 26 171 4,2
4 режим в 970 836 29 603 795 без обезуглероживания без отпуска 570 0,76 28 168 4,1

1. Способ производства холоднокатаной полуобработанной легированной электротехнической стали, включающий выплавку стали, разливку, горячую прокатку, охлаждение водой, смотку полос в рулоны, травление, холодную прокатку и термическую обработку в непрерывном комбинированном агрегате, отличающийся тем, что выплавляют сталь, содержащую компоненты в следующем соотношении, мас.%:

углерод 0,020-0,045
кремний 0,50-2,10
марганец 0,10-0,80
сера не более 0,015
фосфор не более 0,015
хром не более 0,10
никель не более 0,15
медь не более 0,15
алюминий 0,10-0,60
азот 0,002-0,010
железо и неизбежные примеси остальное,
при этом окончательную деформацию полосы в чистовой группе непрерывного широкополосного стана осуществляют при температуре входа раската не более 1070°C, температуру конца прокатки поддерживают 780-880°C, ведут ускоренное охлаждение со скоростью 20-45°C/с, температуру смотки полос в рулоны устанавливают 480-640°C, ведут рекристаллизационный отжиг холоднокатаного проката с температурой 780-820°C в непрерывном комбинированном агрегате с частичным обезуглероживанием до содержания углерода 0,012-0,030%, после чего проводят отпуск стали с температурой 450-600°C в течение 150-250 секунд.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после термической обработки холоднокатаного проката осуществляют дрессировку металла с обжатием 0,5-5%.