Особенности производства электротехнических изотропных сталей с особо низкими удельными магнитными потерями Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 669.018.5

ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗОТРОПНЫХ СТАЛЕЙ С ОСОБО НИЗКИМИ УДЕЛЬНЫМИ

МАГНИТНЫМИ ПОТЕРЯМИ Сухов Александр Иванович, студент ВШСИМФТИ, г. Долгопрудный Коротченкова Анна Валерьевна, директор Дирекции по исследованиям и разработкам ПАО НЛМК, г. Москва

В данной статье раскрываются основные современные требования, предъявляемые к производству электротехнической изотропной стали с особо низкими удельными магнитными потерями. Особое внимание уделено анализу мирового опыта по достижению требуемого уровня значений содержания примесных химических элементов, таких как С, Б, N и Т при производстве электротехнической стали в конверторных цехах.

Ключевые слова: электротехническая изотропная сталь, динамная сталь, электротехническая сталь с низкими удельными магнитными потерями, микроструктура высоколегированной динамной стали, внепечная обработка стали.

Экономическое развитие страны тесно связано с ростом спроса на электроэнергию. Растущий спрос на электроэнергию заставляет принимать меры, начиная от разведки новых источников энергии и заканчивая разработкой новых технологий и материалов для оборудования с большей энергоэффективностью. С точки зрения оптимизации и эффективности, особое внимание уделяется снижению удельных магнитных потерь материалов, используемых в электрооборудовании. Электротехнические стали широко используются в электрооборудовании, и характеризуются тем, что имеют в своем химическом составе более высокий процент содержания кремния, чем большинство обычных сталей [1]. В последние годы на мировом рынке наблюдается тенденция в увеличении доли потребления высоколегированной электротехнической изотропной стали (ЭИС) с низким уровнем удельных магнитных потерь. Рост спроса определяется активным развитием производства электромобилей, силовых электромашин большой мощности, генераторов для атомных электростанций, турбогенераторов для ГЭС и прочих электродвигателей.

Потребительские характеристики готовой высоколегированной ЭИС оцениваются по ряду параметров. Основными из которых являются: электромагнитная индукция В2500, Тл (измеряются при фиксированном значении напряженности магнитного поля 2500 А/м) и удельные магнитные потери Р1.5/50, Вт/кг (измеряются в поле с индукцией 1.5 Тл при частоте поля 50 Гц).

Для обеспечения низкого уровня удельных потерь производители увеличивают до 5 % суммарное содержание в стали основных легирующих

элементов (Л1, Si, Mn), тем самым усложняя технологию ее производства. Это объясняется, повышенными требованиями к технологии выплавки и внепечной обработки стали. Кроме того технология получения такой стали включает в себя ряд технологических операций: выплавка, горячая прокатка, отжиг горячекатаного подката в печи нормализации при температуре до 1000°С (в проходных или колпаковых печах); одно- или двукратную холодную прокатку; финальную термическую обработку в агрегате непрерывного отжига при температурах до 1100°С с нанесением на поверхность электроизоляционного покрытия [2].

Не менее важным фактором в получении низких магнитных потерь является возможность выплавлять сталь с содержанием примесных элементов С, S, N Т на уровне 20 ppm (для каждого). Это в свою очередь способствует контролю процесса получения оптимального размера зерна феррита в готовой ЭИС на уровне 100-200 мкм с преобладанием разнонаправленной кубической текстурой за счет управления температурными режимами конечного отжига. Известно, что низкий уровень примесных элементов в ЭИС по С, S, N Т можно обеспечить, выплавляя металл в электросталеплавильных печах, но это неизбежно приведет к увеличению себестоимости готового продукта [2]. Учитывая высокую конкуренцию на рынке производства электротехнических сталей все большую роль играет способность компании производить качественный продукт по низкой себестоимости. Для обеспечения низкой себестоимости мировые производители выплавляют сталь конверторным способом, который имеет свои недостатки, такие как наличие предела в получении металла определенной «чистоты» по неметаллическим включениям и примесным элементам.

С целью оценки качества производимой высоколегированной ЭИС основными мировыми компаниями и российскими предприятиями выполнено исследование образцов разных производителей готовой ЭИС с суммарным содержанием основных легирующих элементам (Л], Si, Mn) равным 4,0-4,5%. В таблице 1 представлена информация по предельному массовому содержанию примесных элементов (С, S, N Т^ разных производителей стали.

Таблица 1. Содержание основных легирующих и примесных элементов в _высоколегированной ЭИС у производителей разных стран_

Страна производитель Предельное массовое содержание химических элементов, %

Si+Al+Mn С S N

Россия 4,2 0,004 0,004 0,003 0,003

Азия 4,3 0,002 0,002 0,002 0,001

Европа 4,5 0,002 0,001 0,002 0,002

Как видно из таблицы 1, в высоколегированной ЭИС импортного производства содержание примесных элементов ниже чем на металле отечест-

венного производства (10-20 ppm против 30-40 ppm для каждого элемента соответственно), при сопоставимом уровне суммарного содержания основных легирующих элементов Л], Mn) равного 4,2-4,5 %. Стоит отметить, что величина достигаемых минимальных удельных магнитных потерь Р1,7/50 на металле иностранного производства ниже в среднем на 0,10,3 Вт/кг (для толщины 0,50 мм), чем для металла российского производства.

Для выявления структурных отличий данного металла выполнен анализ микроструктуры готовых образцов. Оценка среднего размера зерна феррита, распределения зерна феррита по размеру и микроструктура высоколегированной ЭИС импортной и отечественной производства представлена на рисунке 1.

(¡¡¡¡од

ч<- Ч

45

ёгз

в го ■

¡15

«в

О 5

ооооооооо

0№01ЛС1Л01Л0

.......* * т

и Н N п

Размер зерна, мкм

о ооооооооо «ло^оклелаипе

Размер зерна, мкм

а) б)

Рисунок 1. Микроструктура и распределение зерна феррита готовой стали: а) ЭИС марки М250-50А импортного производства (средний размер зерна феррита 130 мкм, Р1,5/50 = 2,35 Вт/кг); б) ЭИС марки М270-50А отечественного производства (средний размер зерна феррита 150 мкм, Р1,5/50 =

2,35 Вт/кг)

Из рисунка 1 видно, что структура металла готовой ЭИС импортного производства характеризуется более равномерным распределением зерна феррита, а именно 80% всех зерен имеет размер в диапазоне от 100 до 200 мкм, при этом максимальный размер зерна равен 250 мкм. В свою очередь в металле отечественного производства количество зерен феррита размером от 100 до 200 мкм составляет 75%, но при этом максимальный размер зерна достигает 350 мкм. Таким образом, получение более равномерной структуры (с меньшим разбросом зерен по размеру) приводит к получению более низких удельных магнитных потерь в готовой стали. Меньший разброс по величине зерна феррита в готовой высоколегированной ЭИС обеспечивается, в том числе, за счет получения более «чистого» металла по примесным элементам и неметаллическим включениям.

Далее на основе анализа мирового опыта рассмотрим основные направления достижения требуемого уровня значений содержания примесных

элементов (С, Б, К, Т1) при производстве высоколегированной ЭИС в конверторных цехах.

Получение низкого содержания углерода.

В процессе обработки металла в конверторном цехе удаление углерода осуществляется в два этапа. На первом этапе углерод удаляется в конверторе до содержания 0,020-0,035%, на втором этапе происходит более глубокое обезуглероживания до 0,001-0,004% (обработка на циркуляционном вакууматоре).

Процесс удаления углерода из расплава на любом из этапов осуществляется по реакции:

[С] + [О] = {СО}.

Константа равновесия: Ксо = Рсо / ([С] ■ [О]) ^ Ксо = 1160/Т + 2,0 [3]

Обезуглероживание металла протекает эффективнее при высоком содержании кислорода и низком парциальном давлении атмосферы. На рисунке 2. а) приведены изотермы равновесных концентраций С и О в стали при 1600°С и разных давлениях: 1 - 500 мм. рт. ст; 2 - 180 мм рт.ст; 3 - 100 мм. рт.ст; 4 - 50 мм. рт.ст; 5 - 10 мм. рт.ст . На рисунке 2. б) - изменение концентрации углерода в металле в процессе вакуумирования при различ-

Рисунок 2. Влияние парциального давления и концентрации кислорода в железе на эффективность обезуглероживания: а) изотермы равновесных концентраций С и О в стали при 1600°С при разных давлениях [3]; б) изменение концентрации углерода в металле в процессе вакуумирования при различном исходном содержании кислорода в металле [4]

Учитывая вышеизложенное, необходимым условием протекания интенсивного и более глубокого обезуглероживания при вакуумировании является наличие достаточного количества кислорода.

Полнота и скорость реакции определяются скоростями подвода углерода и кислорода к реакционной зоне (поверхности межфазного раздела металл-

газ) и ее площадью (рисунок 3), так как реакция обезуглероживания происходит на [5]: поверхности металла (90%); поверхности пузырей СО, образовавшихся в металле (8%); пузырях аргона (2%).

Рисунок 3. Схема процессов обезуглероживания и деазотирования в вакуумкамере [5]

Для рециркуляции металла при вакуумировании используется инертный газ - аргон. Во всасывающем патрубке вакуумкамеры он нагревается, увеличиваясь в объеме, поднимается вверх, увлекая металл. В камеру поступает смесь из одной части металла и 10 объемных частей газа со скоростью более 5 м/с, фонтанируя на высоту до 10 м и создавая многократно увеличивающуюся поверхность газ - металл. Дегазированный металл стекает в ковш сливным патрубком. Таким образом, обеспечивается циркуляция стали через камеру [6]. С учетом более высокой плотности металла в выпускном патрубке его диаметр может быть меньше диаметра всасывающего патрубка, что позволит несколько повысить скорость рециркуляции.

Имеются сведения [7], что использование водорода совместно с аргоном в качестве рециркулирующего газа на промышленном циркуляционном вакуматоре позволяет интенсифицировать обезуглероживание в конце обработки и получать углерод в металле <10ррт (до 4ррт) на 100% плавок (Рисунок 4). Для насыщения расплава водородом (до 6ррт) с 15 по 20 мин повышали давление до 40-130 мбар. По окончании вакуумирования содержание водорода в металле составляло <2 ррт.

ч:

О- Е

10 15 20 25 30

Длительность обезуглероживания, мин.

Рисунок 4. Обезуглероживание при использовании для рециркуляции металла в циркуляционном вакууматоре только аргона (белые точки) и аргона совместно с водородом (черные точки) [7]

Получение низкого содержания азота

Удаление из расплава азота при выплавке происходит на тех же агрегатах на которых удаляется углерод - конвертор и циркуляционный вакуу-матор.

Содержание азота в металле связано с парциальным давлением по закону Сивертса: [N1 = К ■ Рм1/2

1п К = -180/Т - 1,246 [8]

Содержание азота в металле определяется:

- поступлением вместе с материалами, используемыми при производстве стали (чугун, лом, ферросплавы, кислород, аргон и т.д.);

- удалением из расплава в процессе кипения (обезуглероживания) металлической ванны в конвертере или вакууматоре;

- абсорбцией из окружающей атмосферы.

С учетом зависимости от парциального давления концентрация азота может быть снижена при внепечной обработке вакуумом. Согласно [9] реакции перехода азота в газовую фазу при вакуумировании происходят на (рисунок 3): поверхности пузырей СО, образовавшихся в расплаве (51%); поверхности металлического расплава (36%); поверхности пузырей аргона (13 %).

Удалению азота из металла сильно препятствуют поверхностно активные элементы (такие как кислород и сера), скапливающиеся у межфазной поверхности и препятствующие доступу к ней азота (рисунок 5).

В связи с этим, деазотирование возможно только после процесса обезуглероживания, раскисления и десульфурации металла. Учитывая длительность данных процессов получаем, что время для деазотирования при циркуляционном вакуумировании весьма ограничено.

| я *

й у §

IК50 |||

0,05 т %1$ № 0,2$ Концентрация кислота} %

Рисунок 5. Влияние растворенного в металле кислорода на скорость удаления азота [3]

Поэтому фактически удаление азота в процессе вакуумной обработке может и не происходить. Например, в работе [10] показано, что при начальной концентрации азота 10 ррт и времени обработки 20 минут может

быть достигнуто всего 8 ррт при абсолютном исключении абсорбции азота из воздуха.

Получение низкого содержания серы

Основными этапами удаления серы из металла является десульфурация чугуна и удаления ее во время продувки в конверторе через шлаковый расплав. При этом, значительное влияние на интенсивность удаления серы из расплава оказывает температурный режим обработки металла в конверторе.

Содержание серы в металле определяется:

- ее поступлением вместе с материалами, используемыми при производстве стали (чугун, лом и ферросплавы);

- удалением из расплава в шлак (в газовую фазу сера фактически не удаляется).

Способы удаления серы из металла:

- присадка в расплав элемента, снижающего растворимость серы. Несмотря на значительное влияние (рисунок 6), практического значения данный способ не имеет, так как равновесные значения серы значительно превышают требуемые уровни в сталях;

- присадка в расплав элемента (например, кальция или иных редкоземельных металлов) образующего нерастворимое соединение с последующим переходом в шлак;

- обработка расплава шлаком, обладающим высокой десульфурирую-щей (серопоглотительной) способностью, за счет взаимодействия серы с основными окислами, такими как СаО, Ка2О, по схеме (МеО) + [Б] = (МеБ)

+ [О].

Наиболее массово для десульфурации стали применяется дешевая известь [11]:

[Б] = аСаБ ■ К-1 ■ аСаО-1 ■ [О].

Из уравнения следует, что десульфурация протекает тем эффективнее, чем ниже концентрация кислорода в металле и выше активность извести в шлаке.

§ !

ю

ко

Щ Мп N 71 Л1

%

.....| ■ "'I \ Л ч 1 1

ао> а1 4ЕЗ!отж

концентрация легирующих

Рисунок 6. Влияние некоторых элементов на растворимость серы в железе

при 1600 °С [3]

Учитывая высокую температуру плавления извести (>2000 °С) скорость реакции можно поднять увеличением реакционной поверхности путем подачи в расплав порошкообразной извести вдуванием через верхнюю фурму, либо совместно с аргоном через всасывающий патрубок. Сопутствующее добавление А1203 или СаБ2 способствует разжижению десульфури-рующей смеси и, соответственно, повышает эффективность десульфура-ции. Однако, применение СаБ2 приводит также к оплавлению футеровки погружных патрубков, снижая их стойкость. Поэтому для проведения де-сульфурации в циркуляционном вакууматоре предпочтительно применение предварительно сплавленной и измельченной смеси Са0А1203 (60% : 40%) [11].

Получение низкого содержания титана

Весь титан, попадающий в металл вместе с металлоломом и чугуном окисляется или взаимодействует с азотом (учитывая его высокое сродство к кислороду и азоту) во время продувки в конвертере переходит в шлак. Поэтому содержание титана в металле определяется:

- его поступлением вместе с ферросплавами и шлакообразующими материалами (отходами алюминиевого или иного производства), используемыми иногда при внепечной обработке,

- теоретически возможным восстановлением из конвертерного шлака, попадающего в ковш при сливе метала. Однако, учитывая его весьма малое содержание в шлаке и наличие других окислов, с большей склонностью к восстановлению, данная вероятность мала.

Согласно каталогу продукции, одного из производителей ферросилиция [12], содержание титана в типично производимом им ферросилиции составляет до 0,1%. В наиболее «чистой» марке ферросплава максимальное содержание Т ограничено 0,02%. Исходя из данных максимальных значений использование подобных ферросплавов (с содержанием кремния 75% и усвоением 95%) для производства динамной стали с содержанием 3,1%

приведет к получению в готовой стали 43ррт и 8.7ррт соответственно.

В наиболее «чистой» по титану марке алюминия содержание титана ограничивается 0,02% (согласно ГОСТ 4784-97). При легировании таким алюминием стали до содержания 1,0 % получим сопутствующий прирост титана на 2,4 ррт. Расчёт аналогичен расчёту для ферросилиция, с учетом содержания алюминия 99,8% и степени его усвоения 80%.

Суммарно с титаном из наиболее «чистого» ферросилиция минимально в готовой стали может быть 10ртт.

Таким образом, в работе выполнены исследования микроструктуры и проведена оценка состава содержания основных и примесных легирующих элементов в готовой высоколегированной ЭИС отечественного и импортного производства. Выявлена закономерность между распределением зерна феррита, количеством (по массе) примесных химических элементов (С, Б, N Т1) и уровнем удельных магнитных потерь в готовой стали. Проведен анализа мирового опыта по достижению требуемого уровня значений (не

более 20 ppm) по содержанию примесных элементов при производстве высоколегированной ЭИС в конверторных цехах. Результаты исследования могут быть использованы при дальнейшем совершенствовании технологии производства электротехнической изотропной стали с особо низкими магнитными потерями. Список литературы

1. Qin J, Yang P, Mao W, Ye F. Effect of texture and grain size on the magnetic flux density and core loss of cold-rolled high silicon steel sheets. J Magn Magn Mater 2015; 393:537-43.

2. Миндлин Б.И., Настич В.П., Чеглов А.Е. Изотропная электротехническая сталь // М.: Интермет Инжиниринг, 2006. 240 с.

3. Г. Кнюпель, Раскисление и вакуумная обработка стали, М.: Металлургия, 1973.

4. J. ZHANG, L. LIU, X. ZHAO, S. LEI и Q. DONG, «Mathematical Model for Decar-burization Process in RH Refining Process,» ISIJ International,, т. 54, № 7, pp. 1560-1569, 2014.

5. K. MIYAMOTO, T. KITAMURA, R. TSUJINO, S. MIZOGUCHI и K. KATO, «Mathematical Model for Nitrogen Desorption and Decarburization Reaction in Vacuum De-gasser,» ISIJ International, т. 36, № 4, pp. 395-401, 1996.

6. А. Смирнов, С. Куберский, Е. Штепан, Непрерывная разливка стали, Донецк: ДонНТУ, 2011

7. K. Yamaguchi, Y. Kishimoto, S. Takeuchi, T. Fujii и M. Kuga, «Hydrogen Gas Injection for Promoting Decarburization of Ultra Low Carbon Steel in RH Degasser,» Materia Japan, т. 33, № 5, pp. 622-624, 1994.

8. В. Кудрин, Внепечная обработка чугуна и стали, М.: Металлургия, 1992.

9. Y. KATO, T. FUJII, S. SUETSUGU, S. OHMIYA и K. AIZAWA, «Effect of geometry of vacuum vessel on decarburization rate and final carbon content in RH degasser,» Tetsu-to-Hagane, т. 79, № 11, 1993.

10. H. MATSUNO, T. MURAI, T. ISHII, E. SAKURAI, H. KAWASHIMA и K. MURAKAMI, «Technologies for Producing the Ultra Low Carbon and Nitrogen Steel in RH Degasser,» Tetsu-to-Hagane, т. 85, № 3, 1999.

11. Казаджан Б.М., Магнитные свойства электротехнических сталей и сплавов, Москва: ООО "Наука и технологии", 2000.

12. A. DUCAMP и O. KLEVAN, «Innovative Si alloys for making of electrical steel» в 8th International conference on magnetism and metallurgy, Dresden, Germany, 2018.

Sukhov Alexander Ivanovich, student WSSI MIPT, Dolgoprudny Korotcenkov Anna V., Director

Research and development Directorate of NLMK, Moscow

FEATURES OF THE PRODUCTION OF ISOTROPIC ELECTRICAL STEEL WITH VERY LOW SPECIFIC MAGNETIC LOSSES

This article describes the main modern requirements for the production of electrical isotropic steel with particularly low specific magnetic losses. Special attention is paid to the analysis of world experience in achieving the required level of values of the content of impurity chemical elements, such as C, S, N and Ti in the production of electrical steel in the Converter shops. Keywords: electrotechnical isotropic steel, dynamical steel, electrotechnical steel with low specific magnetic losses, microstructure of high-alloyed dynamical steel, extra-furnace treatment of steel.