автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Роль дисперсных фаз при регулировании текстуры в анизотропной электротехнической стали



На правах рукописи

НИЦКАЯ СВЕТЛАНА ГЕОРГИЕВНА

ЮЛЬ ДИСПЕРСНЫХ ФАЗ ПРИ РЕГУЛИРОВАНИИ ТЕКСТУРЫ В АНИЗОТРОПНОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ

Специальность 05.16.01 -"Нэталлзведенш и термическая обработка металлов"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск - 1993

Работа выложена в Челябинском научно-исследовательской институте металлургии.

Руководитель работы - доктор технических наук,

профессор Гольдшгейн в. я. Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

Губернаторов ЕВ., - доктор технических-наук, профессор Гойхенберг ИД,

Ведущее предприятие - Челябинский металлургический

Защита состоится " 11 " декабря 1998 г., в часов, на заседании диссертационного совета Д 053.13.04 по присуждение ученых степеней при Челябинской государственном техническом университете по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. Е И. Ленина, 76.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Челябинского государственного технического университета.

Ваш отзыв, скрепленной гербовой печатью, просим направлять по адресу: 454084, г. Челябинск, пр. им. Е И. Ленина, 76, ЧГТУ, ученый совет, т. 39-91-2&

Автореферат разослан " г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, профессор

Д. А. Мирааев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важнейшую роль а увеличении энерговооруженности промышленности играют качественные холоднокатаные электротехнические стали. От характера и степени совершенства развивающихся в них текстуры зависят величина потерь энергии в распределительных трансформаторах, реализуемая мощность электростанций и других энергосиловых установок. В холоднокатаных электротехнических сталях необходимо обеспечить в процессе рекристаллизации формирование текстур разного типа: в анизотропных - Ш0}<001>; {Ю0Х0те> или {100Х001> - изотропных.

Уменьшение потерь энергии на перемагничивание в текстурован-ной электротехнической стали на 0,1 Вт/кг дает возможность снизить потери мощности в трансформаторах на 15%, уменьшить вес и размеры* индукционных преобразователей на 15... 25 7. .

Для изготовления магнитопроводов трансформаторов применяется магнитомягкий сплав Ре-ЗХБг, имеющий узкую петлю гистерезиса, малую коэрцетивную силу, высокую магнитную индукцию и проницаемость, а также низкие потери на гистерезис и вихревые токи. Уровень магнитных свойств определяется степенью совершенства ребровой текстуры (текстуры Госса (110)С001]). При разориентации между ребровыми зернами в 2... 3° достигаются оптимальные'параметры доменной структуры и обеспечиваются значения магнитной индукции Вюо>1,92 Тл при потерях на перемагничивание Р4 7/5о<1,08 Вт/кг. Получение стали с указанными параметрами является сложной задачей, что связано не только с ограниченными возможностями существующего оборудования на отечественных предприятиях, но и с отсутствием критериев контроля качества металла после основных технологических операций, позволяющих регулированием технологических параметров получать в готовом металле текстуру, обеспечивающую высокие служебные свойства.

Как показали исследования, выполненные в ИФМ УБЦ, ЦНИИЧМ, НИШ и ряде других передовых отечественных и зарубежных специализированных предприятиях, важнейшую роль в формировании качественного металла играет структурная и текстурная неоднородность на промежуточных этапах производства холоднокатаной стали, а также параметры распределения дисперсных фаз, тормозящих нормальный рост зерен.

- 4 -

Дедыо настоящей работы явилось:

1. Изучение трансформации сульфидных дисперсных фаз на всех стадиях производства анизотропной электротехнической стали и уточ нение их роли в формировании текстуры металла.

2. Формирование требований к структуре на промежуточных эта пазе производства анизотропной электротехнической стали и разработка метода прогнозирования свойств холоднокатаной стали.

3. Разработка физических основ технологии производства электротехнической стали нового типа с комбинированной структурой т длине полосы, а также поиск путей совершенства текстуры в сталях, производящихся по традиционным технологическим вариантам.

Научная новизна работы:

1. Впервые исследована трансформация дисперрных сульфидны: частиц на разлитых зтапах производства анизотропной холоднокатаной электротехнической стали, включая кинетику выделения сульфидоз при горячей прокатке в черновой и непрерывной грушах клетей.

2. Вскрыта роль неоднородности структуры и распределения дисперсных фаз при формировании текстуры, а также роль частиц в выборе ориентации растущих зерен.

3. Уточнены и сформулированы структурные критерии, предопределяющие качество электротехнических сталей на промежуточных этапах производства, и разработаны методы прогнозирования магнитньн свойств холоднокатаной анизотропной стали по динамике структурньи изменений горячекатаного подката;

4. Разработаны рекомендации по совершенствованию технологии производства электротехнической стали, направленные на увеличение плотности и однородности распределения дисперсных фаз в подкате.

5. Впервые показана возможность улучшения показателей работь шихтованных трансформаторов за счет снимания анизотропии магнитны}! свойств электротехнической стали в магнитопроводах на участках изменения направления магнитного потока.

6. Систематизированы пути подавления развития вторичной рекристаллизации на регламентированных участках холоднокатаной полось при проведении высокотемпературной обработки.

7. Впервые предложены технологические схемы производства нового типа электротехнической стали с комбинированной текстурой, определенным образом изменяющейся по длине полосы.

Использование результатов работы: Установленные закономерности выделения дисперсных сульфидных частиц при горячей прокатке

анизотропной электротехнической стали использованы при составлении проекта реконструкции стана 2300/1700 ЧЫК..

Освоение рекомендаций, направленных на совершенствование горячей прокатки, включающих регламентирование скоростей охлаждения при горячей прокатке в температурной области выделения дисперсных частиц; дифференцирование температурно-деформационных режимов горячей прокатки в зависимости от содержания в стали элементов, образующих ингибиторные фазы; увеличение деформации при холодной прокатке с повышением степени стабилизации матрицы частицами дисперсных фаз, позволило повысить качество анизотропной электротехнической стали, производимой из' металла поставки ЧЖ Эффект от внедрения разработок составил 4 млн. 850 тыс. рублей, доля диссертанта - 420 тыс. рублей (в ценах 1991 года).

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на:

1. Пятом, шестом, седьмом, восьмом и девятом Всесоюзных совещаниях по физике и металловедению электротехнических сталей и сплавов (Челябинск, 1978г; Аша, 1981г; Владимир, 1984т; Липецк, 1988г; МИНСК,1991Г).

2. На Всесоюзном коллоквиуме по современным методам контроля металлопродукции на предприятиях черной металлургии, Мэсква, 1386, 20-25 мая.

3. Научно-технической конференции "Проблемы повышения качества магнитомягких материалов", Свердловск, 1986, 12-13 июня.

4. Пятой и шестой Всесоюзных конференциях "Текстура и рекристаллизация в металлах я сплавах" (Уфа, 1987г.; Свердловск, 1991г.).

5. 48-й Научно-технической конференции ЧГТУ, Челябинск, 1996 г.

6. 2-й Международной специализированной . выставке "Мэталлур-Г5Ш-36", Челябинск, июнь 1996 г.

Публикации. Ш материалам диссертации опубликовано 32 печатных работы, получено 5 авторских свидетельств.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, приложения и библиографического списка из 210 • наименований. Содержит 163 страницы машинописного текста, 50 рисунков, 20 таблиц. В качестве приложения представлены копии актов внедрения.

СОДЕРЖАНИЕ ?АЕОТЫ

МАТЕРИАЛ, ОБРАБОТКА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ •

Исследования проводили на промышленном металле конверторной выплавки (Челябинский металлургический комбинат), содержащем в качестве ингибиторной фазы сульфиды, и на стали электропечного способа выплавки (Новолипецкий металлургический комбинат), в которой ингибиторной фазой является нитрид алюминия. Отбор проб для исследования осуществляли после каждого технологического передела : горячей и холодной деформации, обезуглероживающего и рекристаллиза-ционного отжигов.

При лабораторном моделировании корректность воспроизведения технологии горячей прокатки в промышленных.условиях подтверждали путем сравнения структурных характеристик, полученных на стане 250/105 НИШ и 2300/1700 ЧМК.

Холодную деформацию осуществляли в лабораторных условиях ВНИИ на стане "Кварто" (диаметр валков 120 мм).

Термообработку образцов проводили в лабораториях моделирования ВИЗ и НЛШ, а также в НИИМ.

Ускоренную термообработку (скорость нагрева более 100°С/с) регламентированных участков образцов осуществляли прямым пропусканием электрического тока на специально разработанной лабораторной установке. Конструкция установки позволяла проводить нагрев как'в вакууме, так в запцггпой атмосфере.

Металлографический анализ структуры проводили на оптическом микроскопе "МеоГо1" методами количественной металлографии. Для построения функции распределения- зерен по размерам замеряли диаметр не менее 300 зерен, при этом ошибка в определении среднего размера зерна не превышала 3... 5%. Структуру, анализировали на образцах с продольно-торцевых и параллельных плоскости прокатки сечений.

.о

Дисперсные фазы исследовали на электронном микроскопе • "Тез1а-540" . . Идентификацию дисперсных фаз проводили на основании расчета элетроннограмм от частиц на угольных репликах. "Для характеристики параметров распределения дисперсной фазы была разработана методика, позволяющая оценивать однородность распределения частиц по коэффициентам вариации по размерам У<1 и плотности Уп.

Текстурный анализ осуществляли по полным.(110)а обратным по-

люсным фигурам.

О степени выраженности отдельных компонент судили по величине интегральных интенсивностей интерференция. Ориентировку отдельных зерен и локализацию текстурной неоднородности исследовали по фигурам травления.

Магнитные характеристики полученных образцов электротехнической стали определяли на стандартных образцах размером 30x280 мм на аппарате Эпштейна, а также на образцах размером 50x50 мм. _

Степень совершенства текстуры вторичной рекристаллизации измеряли на магнитном текстурометре МГ-1А, разработанном в Институте физики металлов УЕЦ СССР.

ПОВЕДЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ ФАЗ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ АНИЗОТРОПНОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ

Изучение динамики выделения сульфидных частиц при горячей прокатке анизотропной электротехнической стали в условиях, имити-руищях прокатку на промышленном стане 2300/1700, показало, что выделение дисперсных частиц начинается на этапе транспортировки металла от черновой группы клетей к чистовой, при прокатке в чистовой группе и последующего охлаждения при смотке полосы.

При анализе скорости зарождения (Ns) и роста (6), частиц было установлено, что по мэре снижения температуры при деформации в чистовой группе- клетей скорость роста частиц уменьшалась на~ 40... 50% (с ~ 5,5 до ~ 2,2 нм/с), при этом скорость зарождения менялась незначительно - на - 30% (от ЗО-1'О6'до *»20-10в см-2 с-1), что предопределило получение невысокой (1...2-Ю13 см*3) плотности распределения частиц после окончания прокатки.

Было обнаружено, что на стадии охлаждения горячекатаной полосы oír температуры конца прокатки до температур смотки'скорость зарождения частиц снижалась' менее интенсивно (в - 2,5...2,8 раз), чем скорость роста частиц (в -3,0...' 3,2 раза), что привело-к увеличению плотности распределения частиц до (4,0.... 4,5) -1013 см-3 при среднем размере 48... 50 нм.

Полученные данные по кинетике выделения дисперсных сульфидов явились важными для корректировки технологических режимов горячей прокатки. Предложения по регулированию предпочтительного выделения дисперсных'частиц ( оптимизация температуры задачи металла в чистовую группу клетей , деформационно-скоростных условий прокзтки,

- а -

скорости охлаждения) нашли практическое применение и реализацию при совершенствовании технологии горячей прокатки'анизотропной электротехнической стали на ЧМК.

Было показано, что в процессе горячей прокатки анизотропной электротехнической стали по толщине полосы происходило образование неоднородной структуры и текстуры, а также наблюдалась неравномерность выделения дисперсных сульфидных частиц. Так, в поверхностных слоях при прокатке в чистовой группе клетей формировалась рекрис-таллизованная структура, а в центральных сечениях - полигонизован-ная. В текстуре рекристаялизованных слоев преобладали ориентировки Ш0}<001>...<112>, <112Х111>. Текстура полигонизованной зоны характеризовалась деформационными компанентами {100Х001>,{112X110> ■£111}<112>. Средний размер частиц увеличивался от поверхности полосы .к центру при одновременном снижении плотности распределения. Установленная связь между неоднородностью выделения дисперсных фаз и развивающейся микроструктурой обусловлено одной причиной - ускоренным охлаждением Поверхностных слоев металла, приводящее к локализации рекристаллизации в контактной поверхностной зоне и диспергированию в них выделений частиц второй фазы. Подчеркивается, что формирование Такой неоднородности нельзя рассматривать как негативную сторону технологии, т. к. сохраняясь на последующих этапах Передела, неоднородность структуры предопределяет предпочтительное место формирования зародышэй вторичной рекристаллизации, что сказывается на совершенстве формирующейся текстуры вторичной рекристаллизации.

Исследование металла после каждой стадии технологического передела (первой и второй холодных прокаток, рекристаллизационного и обезуглероживающего отжигов) позволило установить, что параметры распределения сульфидных частиц не претерпевали значительных изменений. Принципиальные изменения в распределении дисперсных фаг наблюдались только после высокотемпературного отжига на вторичную рекристаллизацию. В последнем случае происходило уменьшение плотности распределения частиц при увеличении их среднего размера.

'Анализ матрицы перед вторичной рекристаллизацией, проведенный по толщине холоднокатаной полосы после обезуглероживающего отжига, показал, что распределение дисперсных сульфидов аналогично их распределению в горячекатаном подкате: размер частиц увеличивается от поверхности'полосы к центру ( -на 30... 40%) при соответствующем снижении плотности (на -35%). Рекристаллизованные зерна имели

больший размер в центре (на -25-307.) полосы, чем в поверхностных слоях. Проведенные сопоставления текстуры и характера ее изменения ка различных этапах технологического передела подчеркивают принципиальную идентичность в наборе текстурных компонент и виде их распределения по сечению.

Одновременно отметим особенности:

- преобразование подповерхностного слоя с ребровой компонентой з горячекатаном металле в слой октаэдрических ориентировок з полосе перед вторичной рекристаллизацией;

- резкое уменьшение в текстуре зерен ребровой ориентации;

- измельчение структуры и формирование зон с близкой ориентацией, соответствующей полигонизованным кристаллитам.

ВЛИЯНИЕ ДИСПЕРСНЫХ ФАЗ НА РАЗВИТИЕ ТЕКСТУР РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ

С целью качественной оценки дисперсных фаз при текстурообра-эозании в процессе первичной, собирательной и вторичной рекристаллизации были поставлены специальные эксперименты, включающие:

а)регулирование распределение частиц путем высокотемпературной закалки горячекатаного подката и последующего выделения фазы при различных температурах (с сохранением неизменными остальных параметров структуры);

б) последующее моделирование процесса'производства: первую и вторую холодную прокатки, обезуглероживающий и высокотемпературный отжиги;

в)контроль кинетики рекристаллизацию! и особенностей текстурных изменений.

В результате было установлено, что после обезуглероживающего отжига для образцов, имеющих минимальное количество дисперсной фазы (М - 0,5-1013см~3, с! м?0 нм) и текстуру с наличием в ней компонент <111X112... 110>, <112.. 113Х110>, вторичная рекристаллизация не наблюдалась.

Для образцов, характеризующихся плотностью распределения N^2,8 1013см~3 с (3!~30 нм и наличием сверхдисперсных частщ высокой плотности М2-1014... 1015 см~3и сЬ5 нм, обезуглероживающий отжиг привел к увеличению интенсивности компоненты {111Х112> и развитию вторичной рекристаллизации с совершенной реброЕой текстурой.

В остальных случаях, представляющих промежуточные варианты распределения дисперсных частиц, наблюдалось неполное развитие

вторичной рекристаллизации. Шлученные данные свидетельствуют о контролирующей роли дисперсной фазы не только на стадии вторичной, но и первичной рекристаллизации.'

Отмечено, что в образцах с 'высокой плотностью распределения дисперсных частиц развитие октаэдрической компоненты {111К112> становится'определяющим не столько при первичной, сколько на ранней стадии собирательной рекристаллизации.

В текстуре образцов других вариантов обработки при собирательной рекристаллизации происходило увеличение интенсивности компонент типа {113.. Л15><110>, увеличение октаэдрической составляющей оказывалось незначительным.

Эффективность влияния дисперсной фазы на текстурообразование при рекристаллизации связана с различным стабилизирующим воздействием частиц на мигрирующие границы: тормозящее влияние частиц тем больше, чем меньше подвижность границ. Поэтому в присутствии второй фазы при первичной рекристаллизации тормозится зародышеобразо-вание в объеме деформированных кристаллитов и, соответственно, увеличивается вклад, вносимый в текстуру рекристаллизации зароды-шеобразованием по границам зерен.

С целью уточнения влияния дисперсных частиц на скорость миграции границ зерен в зависимости от угловых параметров разориенти-ровки были проведены следуюпще эксперименты.

Две части монокристаллов с ориентировками <100> и <110, отличающиеся плотностью распределения частиц (что достигалось диффузионным насыщением азотом), . деформировали в пределах 8... 70%. Для инициирования рекристаллизации в определенном месте образцы наклепывали шлифовкой и отжигали на различные температуры. После каждого отжига фиксировали травлением положение границ, а по фигуркам травления определяли ориентировку растущих зерен.

Установлено, что при низкой плотности распределения частиц ингибиторной фазы (Н - О,б-1012 см-3) развивающиеся зерна разори-ентированы относительно матрицы на углы 15... 55°. При этом влияние оси ориентации на скорость миграции границ не обнаруживалось. Увеличение искажнности кристаллической решетки матрицы .приводило к повышению скорости роста зерен, но не изменяло угловой интервал разориентировок. Повышение количества дисперсных частиц (М-7-1013 см-3) снизило скорость миграции границ и уменьшило углоеой диапазон разориентировок быстро растущих зерен до 22... 40°. Одновременно проявлялась зависимость скорости роста от оси разориентировки:

предпочтительными осями разориентировки зерна становились оси <110>. Таким образом, комплекс структурных характеристик матрицы предопределяет и двияуцие силы а силы тормоизния.

Для уточнения взаимосвязи движущихся границ с дисперсными частицами исследовали изменение распределения сульфидных фаз на различных этапах рекристаллизации. Установлено, что максимальная скорость миграции границ зерен соответствовала стадии развития зз-родтаэй вторичной рекристаллизации до их взаимных столкновений (Vos - Ю-4 с м/с), а миншальная - стадии миграции-границ вторич-норекристадлизованных зерен - их собирательному росту (Удз -2,5*10"7 см/с). Рост матричных зерен первичной рекристаллизации осуществлялся с промежуточной скоростью (Уд -- 5-10_7си/с).

Одновременно с изменением скорости миграции границ зерен при рекристаллизации изменялась скорость роста частиц. На стадии роста зерен вторичной рекристаллизации после их взаимных столкновений скорость укрупнения частиц была меньше и составляла Vd2 ~ 10-10 см/с. В процессе роста зерен первичнорекристаллизованной матрицы скорость изменения размеров дисперсных частиц оказывалась несколько вшэ ( Ydt ~ 2-10-10см/с). Наиболее, интенсивно укрупнение частиц при одновременном уменьшили их количества происходило на стадии формирования и развития зародышей вторичной рекристадлиза-ции (Vd3 -8-Ю-10 си/с). При этом'наблюдалось изменение однородности распределения дисперсных частиц: коэффициенты вариации по плотности существенно возрастали (до 60?.) и вновь уменьшались по . завершению этого процесса.

Показано, что эффект ускоренной коаяесценцшт при повышении скорости миграции границ оказывается более значимым, чем повышение температуры рекристаллизации, на 100... 150°С. Это подтверждается происходящими изменениями размера частиц при развитии рекристаллизации после критических степенях деформации.

Таким образом, обнаружена корреляция между скоростью миграции границ и скоростьто коалесценции • (растворения) ингибиторяых фаз: увеличение скорости роста зерен приводит к повышению скорости укрупнения частиц при одновременном снижении однородности их распределения. • „

Наблюдаемый эффект повышения скорости коалесценции частиц с повышением скорости миграции границ может быть следствием ряда причин: изменение структуры быстродвижуи^йся возбужденной- границы; адсорбции на ней вакансий (а, следовательно, и повышение скорости

диффузионных процессов); увеличение концентрации вакансий, зарож-дащихся при миграции границ и т. д. Не обская перечисленные альтернативы, подчеркнем главное - для С>стродвижущихея границ частицы являются менее эффективным барьером, чем для шдденнодвияущих-ся.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТЕРИЕВ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ АНИЗОТРОПНОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ

В основу разработанного метода положены исследования, показывающие связь плотности и однородности распределения дисперсных фаз с процессами, определяющими выбор ориентировок растущих зерен и динамику изменения структуры.

При отработке метода веди систематический анализ структуры горячекатаного подката, распределения в ним дисперсных фаз и качества получаемой холоднокатаной анизотропной электротехнической стали как на металле, прошдшем моделирование холодного передела в лабораторных условиях, так и на промышленном металле.

Проведенное сопоставление параметров структуры горячекатаных полос и уровня магнитных свойств холоднокатаной анизотропной стали позволило- обосновать структурные критерии качества подката и разработать методику прогнозирования свойств анизотропной электротехнической стали на промежуточных стадиях производства.

Исследование структурных и текстурных преобразований матрицы процессе технологического передела позволило уточнить и расширить комплекс требований, выполнение которых обеспечивает высокую степень совершенства ребровой текстуры и получение оптимального уровня свойств анизотропной электротехнической стали. Высокое качество стали обеспечивается при получении в горячекатаной полосе:

1. Шдкоэернистой структуры с подигонизованными кристаллитами толщиной < 0,04мм в центральных слоях полосы и равношрной ре кристаллизованной зоной в поверхностных слоях.

£. Текстуры -(110}<001> в подповерхностном слое полушириной 0,1 ш и развитой составляющей Ш1Х112> в центральных сдоях.

3. Высокой плотности и однородности распределения дисперсных частиц С N > 10*'саг 8 при <1 - 40. ..60 нм, Уп <50 и УЗ <?%).

Показано, что нарушение соответствия даже одного структурного параметра горячекатаного подката выше названным, например, уменьшение плотности распределения частиц менее 0,5-Ю13 см-3, приводит

к получение а готовой иетздле шгниткой индукции на уровне 1,87... 1,89 Гл.

Дая экспрессной оценки качестве и прогнозирования магнитных свойств анизотропной электротехнической стали был разработал ш-тод, основанный на определении динамики структурных изменений, происходящих при регламентированных режаах термообработки образцов подката. Достоверность такой оценки подтверждена на значительном количестве промышленных плавок.

Согласно критерии, характеризу1ш$эмуся . определением относительной скорости роста зерен лО/й, высокое качество холоднокатаной анизотропной стали (В25во> 1,90 Тл ) толщиной 0,35...0,30 ыы может быть обеспечено при условии дОЛ) < 45,Т.

Нигерия оценки качества позволяет также предложить путл оптимизации технологии холодного передела по значению Л/Ъ. В случае д0/0 $ ЗОХ, т.е. чем выше плотность распределения частиц и больше силы торможения миграции границ зерен, величина деформзцш! при второй холодной прокзтке шлет быть увеличена до 65... 701. Данные рекомендации приводят в соответствие структурного фактора и фактора, определяющего силы торможения миграции границ зерен и шгут быть использованы как яри оценке качества подката и совершенствования технологии горячей прокатки стали с сульфидны« ингнбировани-ем. • ' •

Разработанный метод оценки был внедрен на ЧШ, а также использовался при решении вопроса о причинах снижения свойств стали, производимой ЧШ в кооперации с ВИЗ.

ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ С КОМБИНИРОВАВШИ ТЕКСТУРОЙ ■

• В рамках настоящего исследования на Запорожском трансформаторном заводе были прозедены эксперименты, показавшие, что качество шихтованных м&гнитопроводов двухфазных трансформаторов неадекватно качеству анизотропной электротехнической стали. Пжззано, что анизотропия свойств, характерная для текстурованяых материалов, приводит к узэличешш потерь холостого хода трансформаторов зз счет возрастания потерь в участках изменения направления иаг-ниткого потока ызгнитопроводз. При высокой доли таких зон в шгни-топровэде эксплуатационные характеристики трансфорютороз оказываются ниже ожидаемых.

Снижение потерь холостого хода возможно при оптимизации текстур в угловых участках шгнитопровода, очевидно, что оптимальной в этом случае является получение текстуры {Щ)ХОУИ>, {1003-<)УИ>, либо бестекстурного (изотропного) состояния.

В этой связи перспективным является использование электротехнической стали с регламентированным чередованием по длине полосы изотропных и анизотропных гон с целью размещения участков с рассеянной текстурой з областях искривления направления магнитного потока.

Разработаны физические . основы технологии производства нового типа электротехнической стали с комбинированной текстурой по длине полос. Клшэвш положением для получения изотропных участков в анизотропной стали является подавление в них процессов вторичной рекристаллизации и регулирование текстуры при росте зерен.

В работе рассмотрено несколько альтернативных вариантов технологий, часть из которых защищены авторскими свидетельствовали. Эти варианты Еключавт обеспечение ускоренного роста зерен до начала вторичной рекристаллизации:

а) при ускоренном нагреве холоднокатаной полосы;

б) при рекристаллизации посла докритических деформаций;

в) инициировании диффузионных процессов.

Щи отработке рассматриваемых решений определяющим фактором являлось текстурное состояние, фармпрушэеся в "изотрошшх"зоЕах.

Ускоренный нагрев холоднокатаной анизотропной электротехнической стали вкдгочал три варианта:

Вариант А.- В заданных зонах ускоренным высокотемпературным нагревом (1200... 1250°С) получали зерно рззмэраш, предопределяющими при последукцем заключительном высокотемпературном отжиге нормальный рост зерен.

Вариант В. Ускоренный нагрев реглашятнрованшх участков осуществляли до более низких температур (900. ..950°С) с целью обеспечения процесса первичной рекристаллизации в нагреваемых зонах. Шслегслшря Слабая деформация полосы и заключительная высокотемпературная обработка приводили в тершобработаяньж зонах к развитию процессов, характерных для рекристаллизации после щзитических степеней деформации.

Вариант С. Ускоренный нагрев осуществлялся в полосах промежуточной толщины (0,60. . .0,80 мм) с получением крупнозернистой структуры в термообработанных зонах, где при рекристаллизации пос-

- IS -

лэ последующей второй холодной прокатки и заключительного высокотемпературного отгшга создавались условия для увеличения доли за-родышеобразоЕания в объеме кристаллитов.

Установлено, что причиной подавления вторичной рекристаллизации после ускоренного нагрева является формирование разнозернистой структуры, а тагазэ локальной незавершенности первичной рекристаллизации, что обусловило большее приращение величины двгшущих сил роста зерен и увеличению доли быстродзидущзхся границ зерен, для которых дисперсная фаза не является эффективным препятствием. Количественный анализ распределения частиц показал, что диапазон изменения размеров частиц составил ~20Z, а плотность распределения уменьшилась на -"20... 30%.

Текстура в зонах образцов, подвергнутых ускоренному нагреву до температур -900°С, была подобна текстуре деформации ihhl><110>, но отличалась большим рассеянием. Повышение температуры отжига способствовав) увеличению интенсивности текстурных составляющих типа {311} и -С 120>.

Установлено, что для образцов, подвергнутых ускоренному нагреву без дополнительной деформации (вариант А), после заключительной термообработки на отоджнных участках наблюдался нормальный рост зерен и текстурные изменения пря этом были незначительны. Главная! компонентами здесь являлись -(111> и {331J-. Урозеяъ магнитных свойств находился в пределах-.' B2SDo ~ 1,81...1,83 Тл, Pis/sa-l,25... 1,66 Вт/кг при анизотропии лВ Ч), 15. ..0,40 Тд, &Р 0,3... 1,4 Ет/кг.

При реализации варианта.В образцы посла ускоренной термообработки регламентированных участков подвергали деформации с обжатиями 1... 10%. При этом зерна различных ориентировок, не разнозначно воспринимающее деформация, предопределяли преимущественное развитие определенных компонент пря послэдушрм высокотемпературном от-яиге.

Шказано, что текстура изотропных зон, полученных после деформации на 2-5Z, характеризовалась рядом <111... 100>. Дальнейшее увеличение деформации привело к сшшзниа рассеяния текстуры (до 5...10°) текстуры при увеличении доли кубических компонент. При этом магнитная индукция увеличивалась с ~1,52 до 1,59 Тл, но значения анизотропии индукции дВ сохранялась в пределах -0,1 Тл. Потери Pt 5/s0 находились на уровне 2,4...2,5 Ет/кг при дРЧЗ,5 Вг/кг.

При отработке варианта С ускоренную термообработку заданных

участков с получение и крупно зернистой структуры проводили после первой холодной прокатки. Вторую холодную деформацию на конечную толщину осупрствлялп с обжатиями -30... 60%.

В атом случае для получения изотропных зон ускоренной термообработке подвергали три типа образцов:

1. образцы, прошедшие обезуглероживающий отжиг и имеющие рекристад-лпзовакную структуру с размером зерен -0,02. ..0,03 им;

2. образцы с деформированной структурой и содержанием углерода -0,028. ..0,030%;

3. образцы после рекристаллизационного отжига с содержанием углерода - 0,020.. .0,025% и размером зерен 0,022... 0,035 мм.

Сопоставление результатов экспериментов показывают, что в полосе промежуточной толвдпш важно иметь низкое содержание углерода, что позволяет в результате ускоренной термообработки получить достаточно крупнозернистую структуру.

При ускоренном нагреве образцов по 1-му варианту размер зерен составлял -0,30.. .0,35 мм и развитие рекристаллизации после второй холодной прокатки и заключительного высокотемпературного отжига приводило к усилению компонент Ш1. ..110>, что являлось результатом преимущественного зародышесбразования в объеме деформированных зерен. Значения магнитных свойств находилось на уровне: Baeoo^l.e^..1,66 Тл, Pte/s<r-l,80...2,0 Вт/кг при дВЧ),08.:. 0,1 Тл И дР -0,4. ..0,6 Вт/кг,

При обработке по варианту 2 непосредственно после ускоренной термообработки развивалась существенно неоднородная структура: поверхностная гона состояла из крупных равноосных зерен размером -0,10...0,15 мм с достаточно сильной кубической компонентой при относительно невысокой интенсивности других текстурных составляющих. В центральной части присутствие в металле карбидных строчек привело к инициированию вокруг них рекристаллизации с образованием мелкозернистой структуры с размером зерен - 0,02...0,03 мм и весьма рассеяной текстурой с повышенным уровнем интенсивкостей текстурных-составляющих <112...100> и <111>. Ребровая составляющая текстуры во всех сечениях образца оказывалась слабой. Последующий обезуглероживающий отжиг, вторая холодная прокатка и заключительный высокотемпературный отжиг привели к получению в текстуре готовой стали компонент U11...100}.

Ускоренный отжиг металла по 3-ему варианту способствовал росту зерен до величины 0,25...0,30 мм, ¿а последующая вторая холодная

прокатка и высокотемпературный отжиг обеспечивали получение.более рассеяной текстуры с преобладанием компонент Tima í230... 130>. Магнитные свойства характеризовались значениями: Вг100~1,68... 1,70 Тл, Pis/so""l,73...1,75 Вт/кг.

Из образцов стали с комбинированной текстурой з Корпорации "Запоржгрансфорыатор" были собраны шихтованные магнитопроводы трансформаторов и испытаны по специально разработанной методике.

Установлено, что для рекомендованных вариантов получения комбинированной стали для всех исследованных амплитуд магнитной индукции кривая значения потерь холостого хода для комбинированной стали находилось шта и при Вт = 1,7 Тл эффект снижения потерь холостого года для кагнитопровода с комбинированной сталью составлял 7,1%. эффективность ¡¿оюэт быть заметно увеличена при использовании магнитопроводов с высокой долей угловых участков (более 207.). Так, согласно выполненным расчетам, замена анизотропной стали на комбинированную в трехфазном магнитопроводе позволит снизить потери холостого хода силовых трансформаторов на 12... 15.1.

Альтернативные варианты технологии получения комбинированной анизотропно-изотропной структуры основаны на инициировании диффузии с регулированием градиента концентраций по сечению в заданных зонах полосы.

Показано, что для этого возможно использование диффузионных элементов, подавляющих развитие вторичной рекристаллизации при сохранении ингибирующего влияния дисперсных частиц при высокотемпературной обработке за счет увеличения константы равновесия;

Основы технологии разрабатывали на металле с нитридными инги-биторными частицами. В этом случае на этапе вторичной рекристаллизации происходит диссоциация, нитридных' включений, при этом температура диссоциации и, ■ соответственно, • вторичной рекристаллизации тем выше, чем больше произведение [А1]*1;ю.

В проведенных экспериментах на поверхность определенных участков холоднокатаных образцов наносили покрытие, содержащее порошок алюминия, и подвергали высокотемпературному отжигу по существующим режимам. Диффузия алюминия, увеличивая константу равновесия, предотвращала формирование зародышей вторичной рекристаллизации в подповерхностных слоях полосы, а происходящее при нагреве _ растворение нитридоз в центральных слоях обеспечивало .в них преимущественный рост зерен с ориентацией, отличной от ребровой Ш1...112>. Напштнш свойства таких зон имели следующие значе-

ния: аддукции В2Воо~1.50... 1,55 Тл, Р15/80-*2,00...2,10 Бг/кг при дВ-0,11... 0,15 Тл и дР Н3,65... 0,90 Бг/кг.

Положительной стороной такого варианта технологии является увеличение электросопротивления металла (дополнительное лэгирова-низ алюминием), и, как результат, снижение токовихревой составляющей потерь.

ОБЩИЕ вывода

1. Исследованы кинетика выделения и особенности трансформации дисперсных сульфидных фаз при производстве анизотропной элетротех-нической стали , а также взаимодействие частиц с границами зерен. Показано, что параметры распределения сульфидных частиц играет вашуя роль в формировании совершенной текстуры, обеспечивающей

ГТ^ПГ «тп'ЧТТГТТ »«"V ПТТТЯТЯТТТ «Л лпллчтп^ чгл »л»»Лт»ч««ял ПДя <Р1>П.«ГГРППТ. .

»имышишш^ ШШШ^АШК; ивунихса салили и 1Ш1Ш иил-'р?.!}'^^Р^^ВЬЫ

дополнительные требования к структуре матрицы на различных стадиях передела и на этой основе предложенье

- методика прогнозирования качества холоднокатаной электротехнической стали;

- рекомендации по совершенствованию технологии производства анизотропной электротехнической стали;

- основы технологии получения электротехнической стали нового типа с комбинированной текстурой.

2. Проведена экспериментальная оценка параметров зарождения и роста дисперсных частиц сульфидов (ШБ) в процессе горячей прокатки в полунепрерывной группе клетей 2300/1770 ЧМК.

Шказано, - что сульфиды начинают выделяться на этапе транспортировки раската от черновой к чистовой группе клетей (температура менее 1250°О, при этом скорость зарождения частиц в интервале температур 1200... 1000°С составляет (30.. .20)-Ю6 от1-с-1, а сю-, рость роста - (3,5...2,2) НМ'С-5.

Сульфидные частицы, сформировавшиеся при горячей прокатке, не трансформируются в процессе технологического передела до начала вторичной рекристаллизации дри высокотемпературном отжиге.

Полученные результаты явились основой для корректировки режимов нагрева и температурно-скоростных параметров прокатки электротехнической стали на стане 2300/1700 чшс.

3. Установлено, что в металле с сульфидной ингибиторной фазой увеличение количества и однородности распределения дисперсных фаз достигается:

- увеличением скорости охлаждения при горячей прокатке в диапазоне температур 1250... 1000DC;

- сужением температурного интервала выделения частиц (при повышен!® температуры снотки стали сульфидного варианта ингибирова-ния до 750...800°С);

4. Сформулированы дополнительные требования к структуре горячекатаной полосы, включающие обеспечение однородности распределения дисперсных частиц по плотности (коэффициент вариации юнее 50Z) я по размерам (коэффициент вариации менее 7%). При этом плотность распределения частиц должна быть не менее 0,5-1013с!г3 при их размере 30... 60 нм.

5. На основе установленной связи между параметрами распределения дисперсных фаз, динамикой роста зерен и качеством анизотропной электротехнической стали предложен структурный метод прогнозирования магнитных свойств металла по оценке величины изшнения размера зерен дО/D при регламентированных режимах термообработки (850...950°) горячекатаного подката. Показано, что величина индукции более 1,90 Тл в металле с сульфидной инглбиторкой фазой обеспечивается при значениях aD/D i 45Z.

6. Обнаружена качественная пропорциональность между скоростью миграции границ зерен и скоростями коалееценции (растворения) дисперсных частиц на этапах первичной, собирательной и вторичной рекристаллизации при условии постоянства-температуры отлита (950аС).

Установлено, что увеличение плотности распределения дисперсных фаз сужает угловой интервал разориентащш быстро движущихся границ и приводит к проявлении преимущественных осей ориентировок.

7. Шказана возможность улучшения показателей работы трансформаторов при снижения анизотропии магнитных свойств электротехнической стали на участках изменения направления магнитного потока.

Установлено, что в шихтованных магнитопроводах расположение зон с ребровой текстурой на участках прямолинейного распространения магнитного потока и с азиыутально рассеяной ребровой иди кубической текстурой в участках изменения направления магнитного потока приводит к снижение потерь холостого хода в двухфазном трансформаторе на 7... 8Х.

8. Рассмотрены альтернативные варианты получения изотропных зон в полосе анизотропной°стали, основанные на подавлении в этих участках вторичной рекристаллизации и преимущэствэиного развития компонент типа il0a..ll0H0VW>.

К числу наиболее эффективных способов подавления вторичной рекристаллизации в заданных зонах относятся:

8.1. Осуществление ускоренного нагрева с обеспечением развития процесса рекристаллизации деформированного металла.

8.2. Проведение дополнительной слабой деформации (5. ..8%) после ускоренного нагрева.

8.3. Проведение локальной рекристаллизационной термообработки в промежуточной толщине с последуш^й второй холодной прокаткой.

Показано, что с позиций получения наибольшего количества компонент типа -С100> оптимальным вариантом является вариант 8.3 и 8.2.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Гольдштейн В.Я., Ницкая С.Г., Пащенко С.а и др. Исследование процессов в трансформаторной стали при горячей прокатке в непрерывной группе клетей. // В еб.: Тезисы докладов V Всесоюзного Совещания по физике и металловедению электротехнических сталей и сплавов. 5-всентября 1978г., Челябинск, с. 134.

2. Гольдштейн Е Я., Пащенко С. а, Ницкая С. Г., Цырлин И, Б.' Влияние структурного состояния горячекатаного подката на особенности текс-турообразования при производстве, холоднокатаной трансформаторной стали.//.В сб.:Тезисы докладов V Всесоюзного Совещания по физике и металловедения электротехнических сталэй и сплавов. 5-8 сентября 1978г., Чэлябинск.с. 135.

3. Гольдштейн В. Я., Пащенко С. а, Гражданкин С. а , Ницкая С. Г., Владимиров С. М. Струкгурообразование при горячей прокатке сплава Ре-ЗХ Б1.//Физика металлов и металловедение, 1980, т. 50, в. 6, С. 121-127.

4. Гольдштейн ЕЯ , Бобкова О.П., Ницкая С.Г. Влияние ингибиторной фазы на избирательный рост зерен при рекристаллизации. //В сб.: Тезисы докладов VI Всесоюзного Совещания по физике и металловедению электротехнических сталей и сплавов. 15-17 сентября 1981г.,г. Аша, ч.1, с. 39.

5. Завьялова а И., Ницкая С. Г., Кононов А. А., Шгутнов ам., Шварцман ДА. Условия формирования сульфидной ингибиторной фазы в трансформаторной стали с повышенной температурой растворения

ШЭ. //В сб.: Тезисы докладов VI Всесоюзного Совещания по физике и металловедению электротехнических сталей и сплавов. 15-17 сентября 1981г. ,г. Аша, ч. 1, с. 41.

6. Гольдштейн В. Я , Йщкая С. Г., Кадармэтов А. X. Штод оценки качества электротехнической стали на промежуточных стадиях ее производства. // В сб.: Тезисы докладов VI Всесоюзного Совещания по физике и металловедению электротехнических сталей и сплавов. 15-17 сентября 1981г., г. Аша, ч.2, с. 120.

7. Гольдштейн В. Я., Вобкова О. П., Ницкая С. Г. Влияние миграции границ зерен на параметры ингибиторной фазы в сплаве Fe-3%5i. //Физика металлов п металловедение, 1982г., г. 54, в. 3, с. 512-517.

8. Пащэнко С. В., Гольдштейн а Я., Гершман Р. JL , Ницкая С. Г. Влияние дисперсной фазы на формирование текстуры рекристаллизации. //©гайка металлов и металловедение, 1984г., т. 53, в. 4, с. 732-736.

9. Гольдштейн В. Я , Нйцкая С. Г., Пащенко С. В., Гражданкин С. Н. Поведение сульфидной ингибиторной фазы при производстве анизотропной электротехнической стали.// В сб.: Тезисы докладов VII Всесоюзного Совещания по физике и металловедению электротехнических сталей и сплавов, 11-13 декабря 1984г., г. Владимир, ч.2, с. 35.

10. Пащенко С. В., Гольдштейн В. Я , Нйцкая С. Г., Гершман Р. Л Роль дисперсных фаз.при селективном росте зерен в процессе собирательной и вторичной рекристаллизации анизотропной электротехнической стали.//В сб.:Тезисы докладов VII Всесоюзного Совещания по физике и металловедению электротехнических сталей и сплавов,11-13 декабря 1984г., г. Владимир, ч.2, с. 35. - •

11. Гольдштейн В. Я , Ницкая С. Г., Пащенко С. а , Гражданкин С. Я Поведение сульфидной ингибиторной фазы при производстве холоднокатаного анизотропного сплава Fe-3Z Si.//Сталь, 1985, N10, с. 71-74.

12. Гольдштейн ЕЯ, Ницкая С.Г., Гиндиц А.Ш. и др.. Контроль структуры, как штод определения плотности дисперсных фаз. //В сб.: Тезисы доклада Всесоюзного коллоквиума по современным методам контроля металлопродукции на предприятиях черной металлургии, 20 - 25 мая 1986г., Иосква, ВДНХ СССР.

13. Гольдштейн В. Я , Ницкая С. Г. Влияние дисперсных вторичных фаз на ориентированный рост зерен. // Известия АН СССР, Серия Оязичес-кая, 1989, т. 53, К 4, с. 687-689.

14. Голъдштейн ЕЯ.,- Еицкая С. Г., Зйнгорн И. Я. О возможности получения холоднокатаного материала .с комбинированным текстурным и структурным состоянием в 'регламентированных зонах. // В сб. : Материалы краткосрочного семинара "Новые стали и сплавы, режимы их тер-мнческой обработки", 26-28 сентября 1989 г., г. Лешшград, Обирство "Знание", PCŒCP, Яэшшгр. дом научно-техн. пропаганды, Л ,1339. с. 97-99.

15. Голъдштейн В. Я , Ницкая С. Г., Миндлин Б. И., Парахин В. И. Прин-цигш получения электротехнической стали с регламентированной комбинированной текстурой. //В сб. Тезисы докладов IX Всесоюзного Совещания по физике и металловедению электротехнических сталей и сплавов, 10-12 сентября 1991 г. ,г. Минск, с. 29.

16. Голъдштейн Е Я., Ницкая С. Г., Эйнгорн IL Я Электротехническая сталь с комбинированной текстурой.// В сб. Тезисы докладов VI Всесоюзной конференции Текстуры и рекристаллизация в металлах и сплавах, 11-15 марта 1991 г., г. Свердловск, с. 185.

17. Голъдштейн В. Я , Ницкая С. Г. Комбинирование текстуры в электротехнически сталях. //Материалы 43-й Научно-технической конференции ЧГГУ, май 1993 г., г. Челябинск.

18. Голъдштейн В. Я , Ницкая С. Г., Зйнгорн 51Я Сталь с комбинированной текстурой для- магнитопроводов.//Материалы II Ь£е;эдународной специализированной выставки "Металлургия-96",июнь 1996 г.,' г. Челябинск.

• £(U ¿-¿у

Издательство Челябинского государственного технического университета

ЛР " 020364 от 20.01.92. Подписано"в"печать 1?"^0.5б."*Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Усл.печ. л.1,16. Уч.-изд. л. I.

_Тираж_100_экзл Заказ 235/531.___________

УОП издательства. 454080, г.Челябинск, пр. им.В.И.Ленина,"*76.