Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
METHOD FOR PRODUCING ANISOTROPIC ELECTROTECHNICAL SHEET STEEL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2011/016758
Kind Code:
A1
Abstract:
The method for producing anisotropic electrotechnical sheet steel comprises melting the steel, continuous casting, hot rolling, cold rolling, decarbonizing annealing, degreasing, applying a protective coating, high-temperature annealing, applying an electrically insulated coating, straightening annealing and continuous multimode laser action on the surface of the moving skelp with a scanning laser beam of circular cross section which is extended in the scanning direction, with adjustable tensioning of the skelp creating an internal tension in the metal within the range of 5-80 N/mm2 with a radiation power ratio to the scanning rate Р/V within the range of 0.015-0.050 J/mm, wherein, in the noncircular cross section of the beam, the ratio of the length thereof to the width in the rolling direction is 0.005 - 0.075, and the skelp tension value during laser processing is defined in accordance with the following formula: F= к Bd/(P/V) 1/2 , where F is the value of the externally applied force (kN), B and d are respectively the width and thickness of the skelp (mm), and k is the coefficient of proportionality which is equal to 0.002-0.010 depending on the chemical composition and mechanical properties of the steel being processed.

Inventors:
LARIN YURIY IVANOVICH (RU)
POLIAKOV MIKHAIL YURIEVICH (RU)
POLYAKOV VLADIMIR NIKOLAEVICH (RU)
SHISHOV ALEXY YURIEVICH (RU)
KRYSANOV SERGEY ANDREEVICH (RU)
CHERNENILOV BORIS MIKHAILOVICH (RU)
Application Number:
RU2010/000414
Publication Date:
February 10, 2011
Filing Date:
July 27, 2010
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
OPEN JOINT STOCK COMPANY NOVOLIPETSK STEEL (RU)
LARIN YURIY IVANOVICH (RU)
POLIAKOV MIKHAIL YURIEVICH (RU)
POLYAKOV VLADIMIR NIKOLAEVICH (RU)
SHISHOV ALEXY YURIEVICH (RU)
KRYSANOV SERGEY ANDREEVICH (RU)
CHERNENILOV BORIS MIKHAILOVICH (RU)
International Classes:
C21D8/12; C21D1/09
Foreign References:
RU2301839C22007-06-27
RU2358346C12009-06-10
EP1607487A12005-12-21
JPH07220913A1995-08-18
Attorney, Agent or Firm:
CLOSED CORPORATION THE UNIVERSAL CONSULTING COMPANY OF INDEPENDENT PATENT ATTORNEYS "LEV KLIMENKO" et al. (RU)
ЗАКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО УНИВЕРСАЛЬНАЯ КОНСАЛТИНГОВАЯ ФИРМА НЕЗАВИСИМЫХ ПАТЕНТНЫХ ПОВЕ ЕННЫХ И ЮРИСТОВ "ЛEВ KЛИМEНКO" (RU)
Download PDF:
Claims:
IO

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ производства листовой анизотропной электротехнической стали, включающий выплавку стали, непрерывную разливку, горячую прокатку, одно или двукратную холодную прокатку, обезуглероживающий отжиг, обезжиривание,

5 нанесение защитного покрытия, высокотемпературный отжиг, нанесение электроизоляционного покрытия, выпрямляющий отжиг и электромагнитное воздействие на поверхность движущейся полосы сканирующим лазерным лучом некругового сечения, вытянутом вдоль направления сканирования, отличающийся тем. что электромагнитное воздействие ведут под регулируемым натяжением

Ю полосы, создающим внутреннее напряжение в металле в интервале 5-80 H/мм\ а в качестве электромагнитного воздействия используют непрерывное многомодовое лазерное излучение при соотношении мощности излучения к скорости сканирования

Р/V в диапазоне 0,015-0,050 Дж/мм, при этом в некруговом сечении луча отношение его длины к ширине в направлении прокатки составляет 0,005 - 0,075.

15 2. Способ по п.l, отличающийся тем, что величина натяжения полосы при лазерной обработке определяется по следующей формуле:

F= к BdZ(PZV)' 2 .

где F- величина внешне приложенной силы (кН),

В и d - соответственно ширина и толщина полосы (мм),

0 k - коэффициент пропорциональности, равный 0,002-0,010 в зависимости от химического состава и механических свойств обрабатываемой стали. 5 0

Description:
СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТОВОЙ АНИЗОТРОПНОЙ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ

Область техники

Предлагаемое изобретение относится к области черной металлургии, в частности к производству холоднокатаной анизотропной электротехнической стали, применяемой для изготовления крупногабаритных магнитопроводов с низкими потерями энергии на перемагничивание.

Предшествующий уровень техники

Известно, что одним из способов снижения удельных магнитных потерь в готовой трансформаторной стали является создание в поверхностном слое листа различного рода структурных барьеров, приводящих к искажению магнитной текстуры в локальных участках поверхности металла и образованию сложной структуры областей (доменов) спонтанного намагничивания.

В последние годы, при производстве полос холоднокатаной анизотропной электротехнической стали с электроизоляционным покрытием, все чаще применяется лазерная обработка поверхности. Возникающие в зоне воздействия лазерного луча внутренние напряжения и структурные дефекты (дислокации, вакансии, искажения кристаллической решетки) приводят к формированию особой магнитной структуры. Это способствует росту величины магнитной восприимчивости и. как следствие, снижению вихретоковой составляющей удельных магнитных потерь.

Известен способ изготовления анизотропной электротехнической стали по патенту РФ N° 1744128, кл. C21 D 8/12, который включает горячую прокатку, по крайней мере одну холодную прокатку, обезуглероживающий и рекристаллизационный отжиги и обработку поверхности полосы лазером перпендикулярно направлению прокатки в магнитном поле с заданной напряженностью. С целью снижения магнитных потерь обработку лазером предложено проводить в магнитном поле, ориентированном вдоль направления прокатки.

Недостатком данного способа является недостаточно высокая ею эффективность, вместе с этим, предлагаемое решение связано с неизбежными дополнительными энергозатратами и технологическими трудностями применения. Известен способ улучшения магнитных свойств листов текстурировалной. электротехнической кремнистой стали посредством лазерной обработки по патенту РФ X° 2238340, кл. C21 D 8/12, в котором генерация излучения и облучение поверхности осуществляются с использованием CO 2 - лазера. В силу известных специфических особенностей применение CO 2 - лазера при обработке трансформаторной стали имеет, в сравнении с волоконным иттербиевым лазером, принципиальные недостатки. В первую очередь это связано с разницей в длине волны излучения. При длине волны λ = 1 ,07 мкм, генерируемом волоконным лазером, коэффициент поглощения в металле оказывается существенно выше, чем при излучении с λ = 10,46 мкм, характерном для CO 2 - лазера. Это дает преимущественный фактор в пользу волоконного лазера, поскольку определяет больший коэффициент использования полезной мощности при меньшей энергии излучения. С другой стороны, поглощающая способность электроизоляционного слоя, увеличивающаяся при возрастании длины волны, приводит, в случае использования CO 2 - лазера, к локальному перегреву материала покрытия и образованию видимых следов обработки. С увеличением λ усложняется задача формирования остросфокусированного пятна. Наконец трудности в эксплуатации и настройке оптической схемы, особые условия охлаждения делают малоэффективным практическое применение CO 2 - лазеров.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом), по мнению авторов, является способ обработки листа из электротехнической стали, изложенный в патенте РФ S» 2301839. кл. C21 D 8/12. Способ предполагает использование различных вариантов обработки при сканировании непрерывного остросфокусированного луча волоконного лазера с длиной волны, находящейся в диапазоне 1 ,07 - 2,10 мкм.

Однако реализация предлагаемого способа основана на применении излучения с относительно низкой (от 10 Вт) выходной мощностью. Необходимость формирования остросфокусированного луча с диаметром пятна в точке фокусировки до 0.01 мм обусловлена в этом случае выбором одномодового режима излучения. при котором мощность излучения свыше 1 кВт не может быть достигнута. Облучение поверхности металла сфокусированным лучом с малой площадью сечения приводит к созданию высоких градиентов температуры в зоне воздействия пятна. При этом глубина прогрева металла и наблюдаемая ширина линии воздействия луча составляют не более 20 мкм. В этих условиях дальнейшее увеличение плотности лазерного излучения за счет усиления мощности неизбежно приводит к расплавлению металла в области концентрированного потока энергии и разрушению изоляционного покрытия. Хотя авторы указывают на возможность использования лазеров с большей выходной мощностью вплоть до 50 кВт. указанный диапазон изменения отношения мощности к скорости сканирования Р/V не превышает 0,012 Дж/мм, что в указанном в способе диапазоне скоростей сканирования 3000-16000 мм/с соответствует выходной мощности излучения до 200 Вт. При такой малой выходной мощности лазера не может быть обеспечена производительность лазерной обработки стали для промышленного применения (при скоростях обработки 50-70 м/мин) без увеличения количества используемых лазеров. В то же время формирование стабильного остросфокусированного луча при высокой плотности пиковой мощности требует дополнительных технических средств, что в конечном итоге повлечет за собой увеличение капитальных вложений и как следствие - увеличение себестоимости выпускаемой продукции.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено техническое решение, состоит в снижении магнитных потерь холоднокатаных полос анизотропной электротехнической стали при сохранении высокого уровня магнитной индукции и сопротивления электроизоляционного покрытия. При этом обеспечивается снижение себестоимости выпускаемой продукции и получение дополнительной прибыли от её реализации.

Вышеуказанные недостатки аналогов и прототипа исключаются тем. что в предлагаемом способе производства листовой анизотропной электротехнической стали, включающем выплавку стали, непрерывную разливку, горячую прокатку. одно или двукратную холодную прокатку, обезуглероживающий отжиг, обезжиривание, нанесение защитного покрытия, высокотемпературный отжиг, нанесение электроизоляционного покрытия, выпрямляющий отжиг и электромагнитное воздействие на поверхность движущейся полосы сканирующим лазерным лучом некругового сечения, вытянутом вдоль направления сканирования. электромагнитное воздействие ведут под регулируемым натяжением полосы, создающим внутреннее напряжение в металле в интервале 5-80 Н/мм 2 . а в качестве электромагнитного воздействия используют непрерывное многомодовос лазерное излучение при соотношении мощности излучения к скорости сканирования Р/V в диапазоне 0,015-0,050 Дж/мм, при этом в некруговом сечении луча отношение его длины к ширине в направлении прокатки составляет 0,005 - 0,075; а величина натяжения полосы при лазерной обработке определяется по следующей формуле:

F= к BdZ(PZV)' * ,

где F- величина внешне приложенной силы (кН),

В и d - соответственно ширина и толщина полосы (мм),

k - коэффициент пропорциональности, равный 0,002-0,010 в зависимости от химического состава и механических свойств обрабатываемой стали.

Сопоставительный анализ предложенного технического решения с прототипом показывает, что заявленный способ отличается от известного тем. что электромагнитное воздействие на поверхность движущейся полосы ведут под регулируемым натяжением, создающим внутреннее напряжение в металле в интервале 5-80 Н/мм 2 , а в качестве электромагнитного воздействия используют непрерывное многомодовое лазерное излучение некругового сечения при соотношении мощности излучения к скорости сканирования Р/V в диапазоне 0.015- 0.050 Дж/мм. при этом в вытянутом вдоль направления сканирования нскруговом сечении луча отношение его длины к ширине в направлении прокатки составляет 0,005 - 0,075. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения «Hoвизнa».

Сравнительный анализ предложенного решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями показал, что способы производства листовой анизотропной электротехнической стали, включающие непрерывную разливку, горячую прокатку, одно или двукратную холодную прокатку, обезуглероживающий отжиг, обезжиривание, нанесение защитного покрытия, высокотемпературный отжиг, нанесение электроизоляционного покрытия, выпрямляющий отжиг и электромагнитное воздействие на поверхность движущейся полосы сканирующим лазерным лучом некругового сечения, вытянутого вдоль направления сканирования широко известны. Однако, введение регулируемого натяжения полосы, создающего внутреннее напряжение в металле в строго заданном интервале (5-80 H/мм : ) и сканирующего излучения с определенными характеристиками в способ производства листовой анизотропной электротехнической стали, и взаимосвязь с другими операциями технологического процесса, позволяет не только снизить магнитные потери при сохранении высокого уровня магнитной индукции анизотропной электротехнической стали, но также позволяет добиться снижения себестоимости выпускаемой продукции и получение дополнительной прибыли от её реализации. Отсюда следует, что заявленная совокупность существенных отличий обеспечивает получение упомянутого технического результата, что, по мнению авторов, соответствует критерию изобретения «Изoбpeтaтeльcкий ypoвeнь». Краткое описание иллюстраций.

Для лучшего понимания изобретения ниже приведены примеры конкретного осуществления способа со ссылками на прилагаемые иллюстрации, где:

На Фиг.1 представлена схема реализации предложенного способа. Способ осуществляется следующим образом.

Сталь, выплавленную в электропечи или конвертере и разлитую в слябы, прошедшую нагрев в методических печах и горячую прокатку на стане горячей прокатки. травление, одно или двукратную холодную прокатку, обезуглероживающий отжиг, обезжиривание, нанесение защитного покрытия. высокотемпературный отжиг, нанесение электроизоляционного покрытия и выпрямляющий отжиг, подвергают обработке лазерным излучением.

В предлагаемом способе согласно схеме (см. фиг.1 ). во время обработки лазерным излучением полосу -1 - стали в зоне обработки транспортируют иод регулируемым натяжением - N -, создающим внутреннее напряжение в металле в интервале 5-80 Н/мм 2 , а соотношение мощности излучения к скорости сканирования Р/V лазерного луча - 2 - поддерживают в диапазоне 0,015 - 0,050 Дж/мм, при этом в вытянутом вдоль направления сканирования -R- некруговом сечении - 3 - луча - 2 - отношение его длины - с - к ширине - b - в направлении прокатки -T- составляет 0,005 - 0,075.

В качестве источника лазерного излучения используют многомодовый волоконный лазер -4- с длинной волны генерации 1070 нм и выходной мощностью 1.5 - 3,5 кВт. Для достижения необходимого технического результата - существенного снижения магнитных потерь и сохранения магнитной индукции и целостности изоляционного покрытия, обработку полосы -1- проводят пятном - 3 - , имеющим разные размеры в направлении развертки и в поперечном к нему направлении. Это достигается за счет применения специальной оптической системы, представляющей собой набор цилиндрических линз, расположенных вдоль линии сканирования луча. От геометрической формы и размеров пятна -3- зависят время лазерного воздействия, температура разогрева поверхностного слоя и глубина проникновения тепла в металл. Ширина пятна -b- лазерного излучения определяет время лазерного воздействия на поверхность полосы. Соответственно, при формировании пятна, вытянутого вдоль линии сканирования имеется возможность обеспечения как резкого нагрева локальной зоны поверхности с максимальным градиентом температур у ее границы, так и плавного нагрева пятном шириной -b- 20-30 мм. обеспечивающего глубокий прогрев. Очевидно, увеличение протяженности пятна сопровождается пропорциональным снижением плотности излучения в каждой точке воздействия. Как раз это обстоятельство позволяет в рамках настоящего изобретения осуществить реальное применение лазеров мощностью свыше 1 кВт при отношении Р/V = O.O15-O.O5O Дж/мм для высокопроизводительной (до 70 м/мин) обработки полосы трансформаторной стали без оплавления металла или разрушения покрытия.

Выполненные расчеты для скорости развертки ПО м/с и общей мощности излучения 2,5 кВт показывают, что увеличение ширины -b- пятна с 3,5 мм до 25 мм при длине -с- 100-300 мкм соответствует изменению глубины прогрева металла с 30 до 100 мкм. При этом под глубиной прогрева понимается расстояние от поверхности, на котором значение температуры, выраженной в градусах Цельсия, снижается в 2 раза.

Формирование глубоких зон прогрева металла вдоль направления сканирования -R- луча -2- позволяет в этом случае использовать положительное влияние упругих напряжений, создаваемых в металле за счет приложения внешних растягивающих усилий -N-. Высокая эффективность предлагаемого комбинированного воздействия связана, прежде всего, с изменением маrнитоструктурного состояния в локальных зонах лазерного облучения. Концентрированное выделение тепла и нагрев поверхности, возникающие в процессе лазерной обработки, сопровождается изменением в этих участках упруго- пластических свойств металла. Например, если рассматривать обработку полосы толщиной 0,27 мм, сканирующим лучом -2- длиной -с- 130 мкм, мощностью -P- 2.5 кВт при скорости сканирования -V- 100-120 м/с, то прогрев металла до температуры выше 400 0 C достигается по всему сечению. В этом случае в рассматриваемых областях, в отличие от участков вне зоны обработки, создаются условия для возникновения пластической деформации. Именно поэтому приложение внешних растягивающих усилий -N- приводит к деформационному искажению кристаллической решетки и увеличению плотности дислокаций в 1 ,5-3 раза по сравнению с режимом лазерной обработки без натяжения. Инициирование внутренних напряжений со значениями σ = 5-80 Н/мм 2 за счет растяжения полосы - 1 - служит дополнительным резервом к снижению удельных магнитных потерь на 2- 3% по сравнению с лазерной обработкой без натяжения (табл. 1). К числу очевидных преимуществ обработки полосы под натяжением относится и повышенная термоустойчивость эффекта снижения магнитных потерь.

Таким образом, только совместное воздействие трех факторов - лазерного облучения пятном -3- , вытянутым вдоль направления сканирования -R- с заданными характеристиками, с отношением Р/V = 0,015-0,050 Дж/мм, и внешне приложенного растягивающего натяжения -N- - позволяет существенно (на 9-13%) уменьшить магнитные потери Рij/sо в стали при сохранении магнитной индукции и исходного сопротивления электроизоляционного покрытия.

Выбор оптимальных значений внешне прикладываемых усилий зависит от геометрических размеров полосы и отношения Р/V. В рамках настоящего изобретения расчет величины внешней силы проводится по следующей формуле:

F= к BdZ(PZV) 1 ' 2 ,

где F- величина внешне приложенной силы (кН),

В и d - соответственно ширина и толщина полосы (мм).

Коэффициент пропорциональности k может быть подобран опытным путем в зависимости от химического состава и механических свойств обрабатываемой стали из интервала k= 0,002-0,010.

При обработке полосы с внутренним напряжением в металле в интервале менее 5 Н/мм 2 и соотношении мощности излучения к скорости сканирования Р/V менее 0,015 Дж/мм не достигается достаточного прогрева металла в зоне обработки или недостаточно усилия натяжения при обработке для создания условий пластического течения металла в зоне воздействия излучения, что не позволяет получить дополнительный эффект снижения удельных потерь по отношению к лазерной обработке без натяжения полос.

Обработка полосы с внутренним напряжением в металле в интервале более 80 Н/мм 2 сопровождается резким снижением величины магнитной индукции ниже допустимого значения. При соотношении мощности излучения к скорости сканирования Р/V более 0,050 Дж/мм происходит разрушение электроизоляционного покрытия на поверхности стали, что недопустимо, поскольку ухудшает товарный внешний вид продукции и может приводить к снижению величины сопротивления электроизоляционного покрытия.

При отношении длины -с- вытянутого вдоль направления сканирования -R- некругового сечения луча 2 к его ширине -b- более 0,075 во всем диапазоне отношения мощности излучения к скорости сканирования Р/V = 0,015-0.050 Дж/мм достигается высокая плотность лазерного излучения, которая приводит к нагреву металла в области концентрированного потока энергии до температур, приводящих к разрушению изоляционного покрытия. Снижение отношения длины к ширине некруговоrо сечения луча менее 0,005 при существующих ограничениях мощности современных оптоволоконных лазеров приводит к уменьшению плотности лазерного излучения и, как следствие, недостаточно глубокому прогреву металла в зоне лазерного воздействия, исключающему возможность использования прикладываемого натяжения с целью дополнительного снижения удельных магнитных потерь.

Пример.

На предприятии заявителя проводилась опытная обработка анизотропной электротехнической тонколистовой стали по предлагаемому способу. Сталь, выплавленную в конвертере и разлитую в слябы, прошедшую нагрев в методических печах и горячую прокатку на непрерывном широкополосном стане горячей прокатки, травление, первую холодную прокатку, обезуглероживающий отжиг, вторую холодную прокатку, обезжиривание, нанесение защитного покрытия, высокотемпературный отжиг, нанесение электроизоляционного покрытия и выпрямляющий отжиг, подвергали воздействию электромагнитного излучения посредством сканирования поверхности полосы, движущейся со скоростью 50 м/мин. лазерным лучом выходной мощностью 2,5 кВт, имеющим некруговое сечение длиной 150 мкм вдоль направления сканирования и шириной 20 мм в направлении движения полосы, и натяжению на участке обработки 18 H/мм\

Свойства тонколистовой анизотропной электротехнической стали, полученные в результате опытного использования предлагаемого технического решения представлены в таблице >Г°1.

Из анализа данных таблицы N°\ можно сделать вывод, что электромагнитные свойства и качество поверхности стали, полученные с использованием предлагаемого способа выше, чем у стали, полученные по известному способу. Таблица 1

Промышленная применимость

Таким образом, использование предлагаемого способа производства листовой анизотропной электротехнической стали позволяет не только снизить магнитные потери при сохранении высокого уровня магнитной индукции, но также снизить себестоимость выпускаемой продукции и получить дополнительную прибыль от её реализации.

Следовательно, задача, на решение которой направлено технической решение, является выполненной, при этом достигается получение вышеуказанного технического результата.