(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11)

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (2 1) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51 ) IntCl7 (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: B23P 17/ , PCT/EP97/04005 C 21D 8/12 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia C22C 38/02 międzynarodowego: , W098/28451, PCT Gazette nr 27/98 (54)Proces produkcji arkuszy teksturowanej, krzemowej stali (30) Pierwszeństwo: ,IT,RM96A (73) Uprawniony z patentu: ACCIAI SPECIALI TERNI S.P.A., Terni, IT (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 02/00 (72) Twórcy wynalazku: Stefano Fortunati, Ardea, IT Stefano Cicale', Rzym, IT Giuseppe Abbruzzese, Montecastrilli, IT (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 03/02 (74) Pełnomocnik: Stypułkowski Heliodor, HELPAT PL B1 (57) 1. Proces produkcji arkuszy teksturowanej, krzemowej stali polegający na odlewaniu w sposób ciągły wymaganego gatunku stali w postaci płaskich kęsów, które po międzyoperacyjnym ogrzewaniu w wysokiej temperaturze walcuje się na gorąco otrzymując taśmę o zadanej grubości, która zwija się, a następnie rozwija i walcuje na zimno do wymaganej końcowej grubości, po czym poddaje się ją końcowej obróbce obejmującej wyżarzanie i pierwszą rekiystalizację oraz wyżarzanie i drugą rekrystalizację, znamienny tym, że odlewa się w sposób ciągły stal zawierającą2,5 do 3,5% wag. Si, od 50 do 500 C, od 250 do 450 Alrozp, poniżej 120 N, od 500 do 3000 Cu i od 500 do 1500 Sn oraz jako pozostałość żelazo i nieznaczne zanieczyszczenia, po czym płaskie kęsy ogrzewa się w temperaturze C, walcuje na gorąco do grubości 1,8-2,5 mm, a opuszczającą walce taśmę odprowadza się z szybkością przy której w temperaturze pomiędzy 1000 i 900 C przez 4 sek poddaje się ją działaniu powietrza oraz zwija taśmę w temperaturze pomiędzy 550 i 700 C, po czym rozwiniętą taśmę walcuje się na zimno do wymaganej końcowej grubości, a następnie wyżarza się ją i odwęgla w atmosferze zawierającej parę wodną-azot i wodór w temperaturze pomiędzy 850 i 950 C w czasie pomiędzy 20 i 150 sek oraz w sposób ciągły taśmę azotuje się w piecu w temperaturze pomiędzy 900 i 1050 C, w atmosferze azot-wodór doprowadzając gaz zawierający NH3 w ilości pomiędzy 1 i 35 normalnych litrów na 1 kg taśmy i parę wodną w ilości 0,5 do 100 g/m3.

2 Proces produkcji arkuszy teksturowanej, krzemowej stali Zastrzeżenia patentowe 1. Proces produkcji arkuszy teksturowanej, krzemowej stali polegający na odlewaniu w sposób ciągły wymaganego gatunku stali w postaci płaskich kęsów, które po między operacyjnym ogrzewaniu w wysokiej temperaturze walcuje się na gorąco otrzymując taśmę o zadanej grubości, która zwija się, a następnie rozwija i walcuje na zimno do wymaganej końcowej grubości, po czym poddaje się ją końcowej obróbce obejmującej wyżarzanie i pierwszą rekrystalizację oraz wyżarzanie i drugą rekrystalizację, znamienny tym, że odlewa się w sposób ciągły stal zawierającą2,5 do 3,5% wag. Si, od 50 do 500 C, od 250 do 450 Alrozp, poniżej 120 N, od 500 do 3000 Cu i od 500 do 1500 Sn oraz jako pozostałość żelazo i nieznaczne zanieczyszczenia, po czym płaskie kęsy ogrzewa się w temperaturze C, walcuje na gorąco do grubości 1,8-2,5 mm, a opuszczającą walce taśmę odprowadza się z szybkością przy której w temperaturze pomiędzy 1000 i 900 C przez 4 sek poddaje się ją działaniu powietrza oraz zwija taśmę w temperaturze pomiędzy 550 i 700 C, po czym rozwiniętą taśmę walcuje się na zimno do wymaganej końcowej grubości, a następnie wyżarza się ją i odwęgla w atmosferze zawierającej parę wodną-azot i wodór w temperaturze pomiędzy 850 i 950 C w czasie pomiędzy 20 i 150 sek oraz w sposób ciągły taśmę azotuje się w piecu w temperaturze pomiędzy 900 i 1050 C, w atmosferze azot-wodór doprowadzając gaz zawierający NH3 w ilości pomiędzy 1 i 35 normalnych litrów na 1 kg taśmy i parę wodną w ilości 0,5 do 100 g/m3. 2. Proces według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się stal zawierającą od 100 do 300 C, od 300 do 350 Alrozp i od 60 do 90 N. 3. Proces według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się stal, która może również zawierać inne śladowe zanieczyszczenia, w szczególności, chrom, nikiel i molibden w całkowitej ilości nie przekraczającej Proces według zastrz. 1, znamienny tym, że płaskie kęsy ogrzewa się w temperaturze pomiędzy 1250 i 1300 C. 5. Proces według zastrz. 1, znamienny tym, że taśmę chodzi się wodą po upływie 4 do 12 sek. od opuszczenia przez nią gorącego walcowania. 6. Proces według zastrz. 1, znamienny tym, że zawartość amoniaku w gazie do azotowania doprowadzanym do pieca do azotowania wynosi 1 do 9 normalnych litrów na 1 kg stali. 7. Proces według zastrz. 1, znamienny tym, że drugą rekrystalizację przeprowadza się w temperaturze 700 i 1200 C w ciągu dwóch godzin. 8. Proces według zastrz. 1, znamienny tym, że ogrzewanie w temperaturze 700 i 1200 C utrzymuje się przez dwie i dziesięć godzin. * * * Przedmiotem wynalazku jest proces produkcji arkuszy teksturowanej, krzemowej stali, a w szczególności optymalizacja konwencjonalnego procesu produkcji arkuszy teksturowanej, krzemowej stali polegająca na synergicznym działaniu zawartych w stali składników podczas jej termicznej obróbki, w której kontroluje się zawartość i rodzaj inhibitorów krystalizacji oraz wielkość ziaren i parametry pierwszej i drugiej rekrystalizacji. Arkusze krzemowej stali są głównie stosowane do produkcji rdzeni elektrycznych transformatorów. Krzemowa stal ma wiele przylegających do siebie sześciennych kryształów żelaza o budowie przestrzennie centrowanej, których osie przechodzące przez rogi sześcianu wykazują kierunki łatwej magnetyzacji. Rdzeń transformatora ma pakiet z magnetycznej, krzemowej stalowej taśmy, zwiniętej w postaci półokrągłego profilu, a przechodzący przez pierwotne uzwojenie prąd elektryczny indu-

3 kuje w rdzeniu pole magnetyczne, które rozprzestrzenia się w rdzeniu. Jest oczywiste, że rozprzestrzenianie się pola magnetycznego jest funkcją rezystancji rdzenia, a osie kryształów powinny być równoległe do kierunku walcowania taśmy, to jest do jej długości. Jest również oczywiste, że nie można wyprodukować stali w której wszystkie ziarna są zorientowane w optymalnym kierunku i dlatego przeprowadza się badania mające na celu zmniejszenie ilości zdezorientowanych ziaren. Ponadto konieczne jest otrzymanie ziaren, których wielkość i charakterystyka magnetyczna została przebadana. Tylko przy uwzględnieniu tych ogólnych warunków możliwe jest otrzymanie stali o dobrej charakterystyce magnetycznej, a między innymi przenikalności magnetycznej wyrażonej jako wielkość strumienia magnetycznego utworzonego w rdzeniu przez pole magnetyczne i rozproszeniu energii podczas pracy transformatora, zwykle określanym jako straty rdzenia dla danej częstotliwości oraz przenikalności magnetycznej wyrażonej w W/kg. Prawidłową orientację kryształów w końcowym produkcie otrzymuje się podczas termicznej obróbki zwanej wyżarzaniem drugiej rekrystalizacji, w której rosną ziarna tylko o wymaganej, prawidłowej orientacji. Ilość i orientacja ziaren w końcowym produkcie zależy w pewnym zakresie od procesów poprzedzających drugą rekrystalizację. Proces wzrostu ziaren jest aktywowany przez ciepło, a pewne kryształy z kinetycznych lub energetycznych przyczyn mają większe napięcie niż inne, zaczynają rosnąć kosztem przyległych kryształów w temperaturze niższej od temperatury aktywacji i osiągają wcześniej krytyczną wielkość przy której mają większy wzrost w procesie krystalizacji. Powszechnie wiadomo, że podczas produkcji arkuszy teksturowanej, krzemowej stali szereg procesów jednostkowych wykonuje się w wysokich temperaturach w których rozpoczyna się wzrost ziaren, który jeśli odbywa się w nieprawidłowy sposób lub w nieodpowiednim czasie to uniemożliwia otrzymanie dobrego jakościowego końcowego produktu. Proces drugiej krystalizacji kontroluje się poprzez dodawanie takich związków jak siarczek magnezu, selenek magnezu, azotek glinu i inne, które jeżeli są prawidłowo wytrącone w stali to inhibitują wzrost kryształów, aż do czasu w którym rozpuszczają się w stali i dzięki temu umożliwiają zapoczątkowanie drugiej rekrystalizacji. Im wyższa jest temperatura rozpuszczania inhibitorów tym lepiej kontrolują one wzrost ziaren i w rezultacie otrzymuje się stal o lepszej jakości. Teksturowana stal krzemowa pod względem elektrycznych własności jest sklasyfikowana w dwóch kategoriach, które różnią się głównie wielkościami magnetycznej indukcji podawanej w mt i mierzonej w polu magnetycznym i wynoszącej 800 amp/m i są handlowo oznaczone jako stal B800. Gatunek konwencjonalnie teksturowanej stali krzemowej OG, B800 ma magnetyczną indukcję wynoszącą około 1880 mt, a super-teksturowana stal krzemowa B800 ma ponad 1900 mt. Konwencjonalnie teksturowana stal krzemowa została wprowadzona na rynek w latach trzydziestych, a przyj ej produkcji stosowano głównie siarczek magnezu i/lub selenki jako inhibitory krystalizacji, podczas gdy super-teksturowaną stal krzemową wytwarza się w obecności azotków glinu zawierających również inne pierwiastki takie jak krzem. W dalszej części opisu inhibitory te dla uproszczenia będą nazywane jako azotki glinu. Zastosowanie azotków glinu umożliwiło uzyskanie bardzo wysokiej jakości produkowanej stali, ale spowodowało powstanie szeregu problemów technologicznych związanych z koniecznością utrzymania dużej zawartości węgla w stali, zwiększenia stopnia przewalcowania na zimno, zachowania odpowiednich wielkości i rozmieszczenia jednocześnie dwóch inhibitorów, a mianowicie siarczków i azotków glinu w etapach od gorącego walcowania do wyżarzania drugiej rekrystalizacji, co warunkuje otrzymanie stali o dobrej jakości. Również w procesie produkcyjnym konwencjonalnej teksturowanej stali krzemowej występowały problemy kontroli wielkości i rozmieszczenia inhibitorów, które jednak nie były tak wielkie jak przy produkcji stali o wysokiej jakości. Technologia produkcji teksturowanej stali krzemowej o dobrej jakości jest skomplikowana i kosztowna i dlatego podejmowane są badania mające na celu obniżenie kosztów produkcji. W rezultacie w procesie produkcji arkuszy konwencjonalnej teksturowanej stali krzemowej nie stosuje się glinu mimo, że polepsza on magnetyczną charakterystykę stali, ponieważ wytrąca się on w postaci niepożądanych tlenków, i powoduje komplikacje, które podrażają proces do nieakceptowalnych wielkości.

4 Zgłaszający, który jest wiodącym producentem w Europie stali do zastosowań elektrycznych, od długiego czasu badał zagadnienia optymalizacji produkcji i jakość teksturowanych stali krzemowych zarówno superteksturowanej stali jak i konwencjonalnej, teksturowanej stali. W tym ostatnim produkcie w szczególności badano zagadnienia eliminacji lub ograniczenia krystalizacji stali w procesie produkcyjnym. We wcześniejszych zgłoszeniach opisano proces ciągłego odlewania stali krzemowej w postaci płaskich kęsów, zwykle o grubości 40 do 70 mm w celu uzyskania odpowiedniej zestalonej struktury z przewagą wielokierunkowych małych ziaren i kryształów o prawidłowo ukierunkowanej strukturze w drugiej fazie, to jest wytrąceń, które inhibitują wzrost ziaren. Opisany w licznych patentach japońskich proces został zmodyfikowany, tak że nie ma potrzeby uzyskiwania dokładnie rozmieszczonych kryształów w początkowym etapie produkcji, a zestalona stal może mieć gruboziarnistą powłokę, a jej krystaliczną postać, która jest odpowiednia do kontroli procesu drugiej rekrystalizacji, korzystnie otrzymuje się podczas powolnego ogrzewania poprzedzającego drugą rekrystalizację. W metodzie tej trzeba jednak kontrolować proces w celu przeciwdziałania wzrostu ziaren, gdyż nie są w nim obecne odpowiednie inhibitory. W rezultacie zgłaszający wprowadził radykalną zmianę procesu wytwarzania polegającą na tym, że podczas ogrzewania płaskich kęsów podnosi się temperaturę do wysokości przy której rozpuszczona zostaje określona ważna ilość inhibitora, która jest ściśle konieczna do przeprowadzenia różnych termicznych obróbek przebiegających w niekontrolowany sposób w nadmiarze, przy czym w wyniku reakcji powstaje nowy inhibitor, który jest efektywniejszy i prostszy w stosunku do znanych inhibitorów. Celem wynalazku jest usprawnienie i racjonalizacja cykli produkcyjnych konwencjonalnej produkcji arkuszy teksturowanej stali krzemowej oraz optymalizacja jakości produktu. Według wynalazku opracowano zależność pomiędzy składem kompozycji i zawartością w niej pewnych dodatków oraz przeprowadzono odpowiednią obróbkę mając na celu kontrolę ilości i rodzaju inhibitorów i wielkości ziaren począwszy od pierwszej rekrystalizacji oraz parametrów drugiej rekrystalizacji. W szczególności wynalazek dotyczy procesu wytwarzania arkuszy teksturowanej stali krzemowej w którym w sposób ciągły odlewa się wymagany gatunek stali w postaci płaskich kęsów, które po pośrednim ogrzaniu walcuje się na gorąco otrzymując taśmę o wymaganej grubości, którą zwija się, a następnie rozwija i walcuje na zimno do końcowej grubości, po czym taśmę poddaje się końcowej obróbce obejmującej wyżarzanie pierwszej rekrystalizacji i wyżarzanie drugiej rekrystalizacji, który charakteryzuje się tym, że odlewa się w sposób ciągły stal zawierającą 2,5 do 3,5% wag. Si, od 50 do 500 C, od 250 do 450 Alrozp, poniżej 120 N, od 500 do 3000 Cu i od 500 do 1500 Sn oraz jako pozostałość żelazo i nieznaczne zanieczyszczenia, po czym płaskie kęsy ogrzewa się w temperaturze C, walcuje na gorąco do grubości 1,8-2,5 mm, a opuszczającą walce taśmę odprowadza się z szybkością przy której w temperaturze pomiędzy 1000 i 900 C przez 4 sek poddaje się ją działaniu powietrza oraz zwija się taśmę w temperaturze pomiędzy 550 i 700 C, po czym rozwiniętą taśmę walcuje się na zimno do wymaganej końcowej grubości, a następnie wyżarza się ją i odwęgla w atmosferze zawierającej parę wodną-azot i wodór w temperaturze pomiędzy 850 i 950 C w czasie pomiędzy 20 i 150 sek oraz w sposób ciągły taśmę azotuje się w piecu w temperaturze pomiędzy 900 i 1050 C, w atmosferze azot-wodór doprowadzając gaz zawierający NH3 w ilości pomiędzy 1 i 35 normalnych litrów na 1 kg taśmy i parę wodną w ilości 0,5 do 100 g/m3. Korzystnie stosuje się stal zawierającą od 100 do 300 C, od 300 do 350 Alrozp i od 60 do 90 N przy czym stal może również zawierać inne śladowe zanieczyszczenia, a w szczególności, chrom, nikiel i molibden w całkowitej ilości nie przekraczającej Płaskie kęsy korzystnie ogrzewa się w temperaturze pomiędzy 1250 i 1300 C. Taśmę korzystnie chłodzi się wodą po upływie 4 do 12 sek od opuszczenia przez nią gorącego walcowania. Zawartość amoniaku w gazie do azotowania doprowadzanym do pieca do azotowania korzystnie wynosi 1 do 9 normalnych litrów na 1 kg stali. Drugą rekrystalizację przeprowadza się korzystnie w temperaturze 700 i 1200 C w ciągu dwóch godzin przy czym ogrzewanie w temperaturze 700 i 1200 C najkorzystniej utrzymuje się przez dwie i dziesięć godzin.

5 Zaletą procesu według wynalazku jest możliwość zrezygnowania ze ścisłej kontroli zawartości śladowych zanieczyszczeń, dzięki czemu można stosować tańsze surowce w których zawartość chromu, niklu, molibdenu nie przekracza ogółem Wynalazek został przedstawiony w przykładach jego wykonania w których procenty oznaczają % wagowe. Przykład 1 Odlewane płaskie kęsy o składzie: Si-3,12%, C-230, Mn-730, S-80, Alrozp -320, N-82, Cu-1000, Sn-530, Cr-200, Mo-100, Ni-400, P-100, Ti-20, pozostałość - żelazo i jego śladowe zanieczyszczenia, podgrzewa się w temperaturze 1260 C i walcuje na gorąco do grubości 2,2 mm. Połowę taśmy chłodzi się wodą w momencie poniżej 2 sekund od wyjścia z gorącego walcowania, a pozostały odcinek taśmy chłodzi się z opóźnieniem po około 6 sekundach od opuszczenia walcowania. W obydwu przypadkach temperaturę ochłodzonej taśmy utrzymuje się w przedziale C. Zwiniętą gorącą taśmę piaskuje się i wytrawia, a następnie walcuje na zimno do grubości pomiędzy 0,30 i 0,23 mm, po czym w sposób ciągły podaje się ją wyżarzaniu odwęglającemu w atmosferze azotu i wodoru przy temperaturze rosy 68 C w ciągu 90 sekund w temperaturze 800 C, po czym taśmę wyżarza się i azotuje w atmosferze zawierającej NH3 przy temperaturze rosy 15 C w celu wprowadzenia do taśmy azotu w ilości pomiędzy 80 i 140, odpowiednio do jej grubości. Otrzymaną taśmę pokrywa się separatorem wyżarzania zawierającym MgO i zwija, a następnie podaje się ją wyżarzaniu w piecu w którym następuje szybkie ogrzewanie do temperatury 700 C, w której pozostawia się j ą przez 15 godzin, a następnie ogrzewa się taśmę do temperatury 1200 C z szybkością 30 C na godzinę, po czym swobodnie chłodzi się taśmę. Otrzymane wyniki zestawiono w tabeli 1. Odlewanie Opóźnienie chłodzenia (mm) Końcowa grubość (mm) Tabela 1 B800 (mt) P17 (W/kg) P15 (W/kg) <2 0, ,25 0,87 <2 0, ,21 0,82 <2 0, ,43 0,86 8 0, ,18 0,85 8 0, ,16 0,79 8 0, ,99 0,67 Odlano szereg płaskich kęsów, których skład zestawiono w tabeli 2. Si % C M s Tabela 2 Cu A l A l rozp N Cr Ni Mo Sn A 3, B 3, C 3, D 3, E 2, F 3, G 3, Ti

6 Odlewane cienkie kęsy podgrzewa się w temperaturze 1250 C, przekuwa do 40 mm i walcuje na gorąco do 2,2-2,3 mm. Taśmy następnie walcuje się na zimno do grubości 0,26 mm. Walcowane na zimno taśmy podaje się odwęglaniu w temperaturze 870 C i azotowaniu w 1000 C. Taśmy pokrywa się zawierającym MgO separatorem wyżarzania i przeprowadza się końcowe statyczne wyżarzanie najpierw szybko ogrzewając taśmę do 700 C i utrzymując j ą w tej temperaturze przez 10 godzin, a następnie ogrzewa się taśmę do temperatury 1210 C z szybkością 40 C na godzinę w atmosferze zawierającej 30% wodoru, utrzymuje przez 15 godzin w atmosferze czystego wodoru i na końcu chłodzi. Uzyskane wyniki zestawiono w tabeli 3. Tabela 3 Odlany kęs B800 (mt) P 17 (mt) P 15 (mt) A ,66 0,97 B ,15 0,78 C ,08 0,76 D ,26 0,83 E ,13 0,78 F ,78 1,03 G ,08 1,33 Przykład 3 Odlewa się płaskie kęsy ze stali zawierającej Si-3,25%, C-100, Mn-850, S-70, Cu-1500, Alrozp -310, Cr+Ni+Mo-1200 i poddaje gorącemu walcowaniu jak w przykładzie 1, a następnie chłodzi otrzymane taśmy po upływie 8 sekund od momentu wyjścia taśmy z gorącego walcowania. Taśmy walcuje się na zimno do grubości 0,22 mm. Jedne z otrzymanych taśm poddaje się odwęglaniu i azotowaniu w zmienionych parametrach, a następnie wyżarza się je podgrzewając szybko do temperatury 650 C i utrzymuje w tej temperaturze przez 15 godzin, po czym zwiększa się temperaturę do 1200 C z szybkością 100 C na godzinę w atmosferze zawierającej azot i 25% wodoru, utrzymuje przez 20 godzin w atmosferze wodoru i chłodzi. W tabeli 4 podano otrzymane wyniki badań. Temperatura odwęgłania ( C) ph2o/ph2=0,58 Tabela 4 Temperatura azotowania ( C) ph2o/ph2=0,05 Indukcja magnetyczna B800 (mt)

7 Pozostałe taśmy podano ciągłemu odwęglaniu przez 100 sekund w temperaturze 870 C w atmosferze azotu i 25% wodoru przy temperaturze rosy 41 C, a następnie ciągłemu azotowaniu przez 20 sekund w temperaturze 980 C w atmosferze azotu i wodoru przy zmieniającym się stężeniu NH3 i temperaturze rosy 10 C. Następnie taśmy pokryto separatorem wyżarzania zawierającym MgO i wyżarzono w piecu, po czym w tabeli 5 zestawiono otrzymane wyniki. Taśma nr Zawartość azotu () Tabela 5 B800 (mt) P17 (W/kg) P15 (W/kg) ,06 0, ,14 0, ,03 0, ,01 0, ,05 0, ,12 0, ,09 0,72

8 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.