Материал: Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие.

на штанге в печь вводят кусковой алюминий (0,5 кг/т), перемешивают металл и шлак и приступают к выпуску.

Изучение показало, что при выплавке, проводимой по этой тех­ нологии, значительное удаление кислорода и серы из металла про­ исходит лишь в первые 20—40 мин восстановительного периода и изменение содержания кислорода определяется присадками раскислителей, главным образом алюминия. Это позволило сократить вос­ становительный период при интенсивном раскислении стали алюми­ нием.

Так, на Челябинском металлургическом заводе была разработана следующая измененная технология плавки. После скачивания окис­ лительного шлака в печь присаживают феррохром и ферромарганец, затем металл раскисляют кусковым ферросилицием и алюминием (1 кг/т). Далее присаживают шлаковую смесь и шлак раскисляют порошками кокса и 75%-пого ферросилиция (2 кг/т). Основное вни­ мание уделяют получению жидкоподвижного шлака с низким содер­ жанием окислов железа и магния перед выпуском плавки. Для окон­ чательного раскисления вводят алюминий (0,4 кг/т). Продолжитель­ ность восстановительного периода — 50—60 мин.

Металл сливают мощной! струей вместе со шлаком. Шлак защищает металлическую струю от окисления и он, эмульгируясь в ковше с металлом, оказывает рафинирующее воздействие. Перемешивание восстановительного высокоосновиого шлака с металлом в ковше приводит к понижению содержания серы и кислорода и умень­ шению загрязненности стали сульфидными и окисными включе­ ниями.

Тепловой режим плавки шарикоподшипниковой стали характе­ ризуется тем, что перед скачиванием окислительного шлака металл нагревают до температуры 1580—1610° С с последующим понижением ее к концу плавки до 1550—1570° С для того, чтобы температура ме­ талла в ковше составляла 1520—1540° С.

При плавке шарикоподшипниковой стали методом переплава в шихту вводят до 90% собственных отходов и до 20% отходов угле­ родистых сталей с содержанием фосфора не более 0,020% или мягкого железа. Недостающ,ее количество углерода вводят в виде кокса или электродного боя. Отходы шарикоподшипниковой стали могут быть заменены отходами стали других хромистых марок.

В процессе плавления присаживают известь (1%) и известняк (1%). Иногда известняк заменяют известью. При получении в ме­ талле после расплавления повышенного содержания углерода, мар­ ганца, кремния или фосфора допускается частичное окисление ванны рудой или газообразным кислородом. Применять кислород целесооб­ разно также для ускорения плавления шихты, быстрого повышения и выравнивания температуры. Но в этом случае необходимо обеспе­ чивать содержание углерода в завалке на 0,10—0,15% выше верх­

него предела в стали.

За 5 мин до скачивания окислительного шлака присаживают чугун (5 кг/т) и в дальнейшем ведут процесс аналогично варианту плавки на свежей шихте,

255

На некоторых заводах шарикоподшипниковую сталь обрабаты­ вают в ковше синтетическими шлаками (40—45% А120 3, 48—55% СаО, 2—3% S i0 2, 0,5% FeO), выплавляемыми в специальной электро­ печи. При обработке стали синтетическими шлаками происходит рафинирование ее от серы и кислорода, что позволяет повысить чи­ стоту стали по включениям при одновременном уменьшении длитель­ ности восстановительного периода.

Флокеночувствительную шарикоподшипниковую сталь целесооб­ разно подвергать также обработке вакуумом. Поэтому заслуживает внимания разработанная на Челябинском металлургическом заводе технология так называемой вакуум-шлаковой обработки, когда ковш с синтетическим шлаком устанавливают в вакуумной камере и при переливе из ковша в ковш металл одновременно обрабатывается вакуумом и синтетическим шлаком.

При необходимости получения шарикоподшипниковой стали высокой степени чистоты ее целесообразно подвергать рафинирую­ щему переплаву — электрошлаковому, вакуумно-дуговому или элек­ троннолучевому.

Глава 17

ВЫПЛАВКА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ

СВОЙСТВА II ДЕФЕКТЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ

Электротехнические стали предназначены для изготовления сер­ дечников трансформаторов, дросселей, статоров и роторов динамомашин, различных деталей электромагнитных приборов и аппаратов. Эти изделия работают в переменных магнитных полях, поэтому в них индуцируются вихревые токи. Кроме того, они подвергаются быстрому перемагничиванию. Потери мощности на возбуждение вихревых токов и на перемагнпчпванпе снижают к. п. д. машин и поэтому должны быть сведены к минимуму. Одним из основных требований, предъ­ являемых к электротехническим сталям, является минимальная величина суммы этих потерь, отнесенная к единице массы стали. Эти потери измеряют в Вт/кг и их называют удельными или ваттными потерями.

Величина ваттных потерь определяется как качеством стали, так и конструкцией и технологией изготовления изделий из нее. Например, сила вихревых токов в сердечниках трансформаторов и, следовательно, мощность потерь определяются электрическим со­ противлением материала и площадью поперечного сечения листов, из которых набран сердечник, и чем больше электросопротивление и меньше толщина листов, тем меньше ваттные потери. Потери на перемагничивание определяются шириной петли гистерезиса: чем уже петля гистерезиса и меньше коэрцитивная сила, тем меньше удельные потери мощности, теряемой на перемагничивание. Ширина петли гистерезиса и коэрцитивная сила зависят от состава стали,

256

К электротехническим сталям предъявляют и ряд других требо­ ваний, вытекающих из особенностей службы изделий. Если, напри­ мер, сталь для изготовления магнитопроводов трансформаторов должна обладать высокими электротехническими свойствами в од­ ном направлении, что означает, что для этой стали допускается большая анизотропия магнитных свойств, то для изготовления сердеч­ ников динамомашин и других аппаратов с разветвленным магнитным потоком необходимо, чтобы анизотропия свойств была минимальной.

Одно из важных свойств электротехнических сталей заключается в их склонности к старению, которое приводит к заметному изменению свойств и ухудшает работу аппаратов.

Большинство изделий из электротехнических сталей изготав­ ливают методом штамповки из листа. Поэтому ко всем электротехни­ ческим сталям предъявляют высо­ кие требования в отношении их пластичности при прокатке и штам­ повке.

Комплекс необходимых свойств электротехнических сталей зави­ сит от химического состава ме­ талла и определенных физико-кри­ сталлографических параметров ли­ ста, обеспечиваемых в результате сложной механической и терми­ ческой обработки при переделе слитка в лист.

Электротехнический лист получают горячей и холодной прокаткой. В настоящее время в СССР производят только трансформаторной стали 30 марок горячекатаной и 39 марок холоднокатаной. Холодная прокатка электротехнического металла предпочтительнее, так как позволяет получать текстурованный лист (текстура — это преимуще­ ственная ориентация кристаллов в поликристаллическом агрегате, в данном случае в листе). В таком листе ваттные потери и коэрцитив­ ная сила меньше, чем в нетекстурованном.

Высокие электромагнитные свойства, низкие ваттные потери и высокая магнитная индукция обеспечиваются совершенной ребровой (110) и [001 ] или кубической (100) [001 ] текстурой (рис. 102). В листе с ребровой текстурой ваттные потери вдоль направления прокатки

вдва раза ниже, чем в горячекатаных листах. Но ребровой тексту­ ре свойственна ярко выраженная анизотропия электромагнитных свойств: в поперечном направлении удельные потери почти в 4 раза, а коэрцитивная сила в 3 раза больше, чем в направлении прокатки.

Сталь с кубической текстурой отличается еще более высокими электротехническими свойствами как в продольном, так и особенно

впоперечном направлении относительно прокатки. Поэтому в на­

стоящее время расширяют производство холоднокатаного листа с ребровой текстурой и осваивают выпуск листа с кубической текс­ турой, а производство горячекатаного листа постепенно сокращают и в ближайшие годы будет полностью прекращено.

Совершенная ребровая структура образуется при двукратной холодной прокатке с промежуточным и окончательным отжигом. Для ее образования в процессе вторичной рекристаллизации необ­ ходимо наличие дисперсных включений. Их роль проявляется в том, что при вторичной рекристаллизации они препятствуют нормальному росту зерен исходной структуры, в результате чего преимуществен­ ный рост получают отдельные зерна с ориентацией (100) [0011, об­ разовавшиеся при первичной рекристаллизации.

Для получения высоких свойств трансформаторной стали необ­ ходимо, чтобы примеси, образующие включения, были удалены после того, как будет получена совершенная ребровая структура. Это происходит на заключительной стадии термической обработки путем растворения включений, диффузии примесей к поверхности и удале­ ния их в газовую фазу.

Получению ребровой текстуры способствуют включения двух типов: сульфиды марганца и нитриды алюминия или кремния. Соот­ ветственно применяют и два варианта технологии производства транс­ форматорной стали — серный и азотный. При применении серного варианта в металле должно быть около 0,1 % Мп и примерно 0,02% S. При применении азотного варианта металл должен содержать

0,010—0,015% А1 и 0,006—0,010% N2, чтобы произведение [%А1] х X [%NJ было равно примерно 1,0х Ю '4. В СССР получил распро­ странение в основном азотный вариант технологии производства электротехнической стали в дуговых печах.

Электротехнические свойства листа в значительной степени опре­ деляются размерами зерна, с увеличением которого удельные потери снижаются. Объясняется это искаженной кристаллической решеткой границ зерен, являющихся поэтому препятствием для прохождения магнитного поля. Увеличение размеров зерна сокращает протяжен­ ность границ и тем самым способствует улучшению свойств листа.

Поскольку свойства электротехнической стали определяются не только химическим составом металла, но и физико-кристаллографи­ ческими параметрами листа, зависящими в свою очередь от состава металла и способа производства листа, стандартная маркировка листовой электротехнической стали отражает ее назначение, химиче­ ский состав, технологию изготовления листа и его магнитные свой­ ства. Например, в маркировке Э43А, Э3200, ЭЗЗОА цифры и буквы расшифровываются следующим образом: Э — электротехническая сталь; первая цифра — содержание кремния, %; вторая цифра — гарантированные магнитные свойства стали (1 — с нормальными, 2 — с пониженными, 3 — с низкими ваттными потерями); 00 — сталь холоднокатаная малотекстурованная, 0 — холоднокатаная тексту­

рованная; А — сталь повышенного качества с особо низкими поте­ рями.

Кремний является единственным элементом, вводимым в электро­ техническую сталь с целью улучшения электротехнических свойств железа, поэтому в маркировке отражается его содержание. Наличие кремния увеличивает магнитную проницаемость и электросопротив­ ление стали, понижает коэрцитивную силу, уменьшая тем самым

258

потери и на перемагничивание и на вихревые токи. Все другие эле­ менты, за исключением фосфора, отрицательно влияют на электро­ технические свойства железа (рис. 103). Поэтому технология вы­ плавки и передела электротехнических сталей строится таким обра­ зом, чтобы в готовом листе при значительном количестве кремния содержалось как можно меньше других примесей.

Содержание кремния в электротехнических сталях обычно со­ ставляет 0,8—4,5%. Более высокие концентрации кремния не при­ меняют, так как, уменьшая потери и увеличивая магнитную про­ ницаемость, кремний одновременно отрицательно влияет на величину

Высокое содержание кремния вызывает появление в электротех­ нических сталях ряда специфических металлургических дефектов. Наиболее распространенным дефектом этих сталей являются газовые пузыри и рослость слитков. Установлена зависимость степени по­ ражения слитков от содержания водорода: слитки получаются плот­ ными с глубокой усадкой при содержании водорода менее 4 мл на 100 т металла, а при содержании водорода 8 мл на 100 г металла все слитки не дают усадки. Эти концентрации не превышают обычного уровня для легированных конструкционных, шарикоподшипниковых и нержавеющих сталей, но дефект проявляется только на электро­ технических сталях. Объясняется это уменьшением в присутствии кремния растворимости водорода, что в процессе кристаллизации вызывает его сильную ликвацию и образование пузырей. Поэтому при выплавке электротехнических сталей должно уделяться особое внимание мерам по снижению содержания водорода.

Некоторое влияние на рослость слитков оказывает и присутствую­ щий в металле азот. В силу этого его содержание в металле не должно превышать 0,006—0,010%. Сильно влияет на поражение металла