Введение
Современный этап развития отечественной металлургической промышленности характеризуется совершенствованием технологических процессов с целью повышения качества и расширения сортамента металлопродукции в соответствии с требованиями рыночной экономики. После ввода в эксплуатацию в ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (в дальнейшем для краткости ОАО «ММК») кислородно-конвертерного цеха, имеющего современные технологические агрегаты, у предприятия появилась возможность выхода на мировой рынок с новыми видами металлопродукции, пользующейся повышенным спросом. Одним из видов такой металлопродукции является анизотропная трансформаторная сталь, производимая по кооперации с ООО «ВИЗ-Сталь».
В ООО «ВИЗ-Сталь» был разработан прогрессивный нитридный вариант производства трансформаторного листа, имеющего текстуру, обеспечивающую мировой уровень потребительских свойств. Для реализации этой технологии потребовался металл, химический состав которого несколько отличается от химического состава традиционной трансформаторной стали. Поэтому разработка технологии получения в условиях кислородно-конвертерного цеха ОАО «ММК» металла, пригодного для производства анизотропной трансформаторной стали по нитридному варианту была актуальной задачей.
Научная новизна работы заключается в обосновании комплекса технологических процессов и режимов их проведения, обеспечивающих стабильное получение в кислородно-конвертерном цехе с агрегатами большой вместимости металла для производства анизотропной трансформаторной стали.
1. Анализ мирового опыта производства трансформаторной стали
В первой главе на основе анализа литературы рассматриваются потребительские свойства (магнитная проницаемость и удельные ваттные потери при перемагничивании) трансформаторной стали, их физическая природа и способы получения. Показано, что для обеспечения нужного комплекса потребительских и технологических свойств трансформаторной стали, требуется металл с низким (0,02–0,03%) содержанием углерода и довольно высоким (3–4%) содержанием кремния. Нужные электротехнические свойства трансформаторной стали достигаются после холодной прокатки металла на лист требуемой толщины в результате специальной термической обработки, в ходе которой происходит определенное изменение химического состава обрабатываемого металла.
Основные мировые производители трансформаторной стали создают нужный комплекс потребительских свойств готового металла по так называемому сульфидному варианту технологии. В 000 «ВИЗ-Сталь» разработан эффективный вариант нитридной технологии, для реализации которого на этапе выплавки нужно получить металл с довольно высоким содержанием азота.
На основе обзора литературы на начальном этапе данного исследования была поставлена задача разработки технологии выплавки в кислородно-конвертерном цехе ОАО «ММК» трансформаторной стали, содержащей:
0,025…0,040% С; 2,90…3,20% Si; 0,15…0,30% Мn; 0,40…0,55% Си; 0,013…0,017% Al и не менее 0,010…0,013% N. Содержание других элементов (серы, фосфора, хрома и никеля) предполагалось иметь на обычном для цеха уровне.
Важной характеристикой металла является и его склонность к старению в процессе работы в машинах, так как старение приводит к заметному увеличению удельных потерь и ухудшению показателей работы трансформаторов. К электротехническим сталям предъявляются определенные требования по пластичности, оцениваемой путем сгибов листа. Так как при изготовлении магнитопроводов листы подвергают штамповке, хрупкость металла недопустима.
При изготовлении трансформаторов и других машин весьма важное значение имеют не только «внутренние» качества листа (его магнитные и пластические свойства), но и внешние параметры (разнотолщинность, волнистость и коробоватость).
Конкретные требования по этим параметрам оговариваются в стандартах. Так, например, в листах электротехнической стали повышенной отделки не допускается коробоватость с высотой короба более 2 мм на 1 пог. м и волнистость с высотой волны более 4 мм на 1 пог. м.
Весьма жесткие требования предъявляются и к качеству поверхности листов. На ней не допускаются грубые и средние поверхностные дефекты, окалина, расслоения, надавы, грубая рябизна, налет талька и т.п.
Качество трансформаторов во многом зависит также от конструкции и технологии их изготовления. С этой точки зрения важными факторами являются возможность отжига магнитопровода после штамповки листа и его сборки и снижение толщины изоляционных покрытий. Применение термостойкого электроизоляционного покрытия листа вместо лака позволяет отжигать собранный магнитопровод, что устраняет наклеп листа после штамповки и улучшает электротехнические свойства металла на 5–10%.
В настоящее время все более широкое развитие получает рулонный способ производства электротехнических сталей. сборки и снижение толщины изоляционных покрытий. Применение термостойкого электроизоляционного покрытия листа вместо лака позволяет отжигать собранный магнитопровод, что устраняет наклеп листа после штамповки и улучшает электротехнические свойства металла на 5–10%.
В настоящее время все более широкое развитие получает рулонный способ производства электротехнических сталей, позволяющий более экономно раскраивать и расходовать лист на электромашиностроительных заводах.
По способу термообработки, качеству и виду поверхности стали изготовляют неотожженными и отожженными, нетравлеными и травлеными, без изоляции и с поверхностной электрической изоляцией [1].
Отличительная особенность этих материалов состоит в том, что они могут легко, Т.е. в слабом поле намагничиваться И, кроме того, обладают минимальными потерями энергии при перемагничивании. Согласно действующим стандартам электротехнические стали подразделяют на тонколистовую холоднокатаную анизотропную (ГОСТ 21427.1–83), тонколистовую холоднокатаную изотропную (ГОСТ 21427.2) и ленту холоднокатаную анизотропную (ГОСТ 21427.4–78).
Для стали, применяемой в трансформаторах тока, весьма важны высокие электротехнические свойства в широком диапазоне величин индукции (102-104 гс). Немалое значение имеет и анизотропия электротехнических свойств магнитного материала. Для магнитопровода трансформатора достаточно иметь лист с высокими электротехническими свойствами в одном направлении, так как в этом случае можно специально подбирать листы; для динамо-машины и других аппаратов с разветвленным магнитным потоком необходимо, чтобы анизотропия свойств была минимальной.
Основными нормированными характеристиками магнитных свойств электpoтeхнических сталей в зависимости от толщины и структурного состояния являются удельные магнитные потери при различной магнитной индукции и частоте, магнитная индукция в магнитных полях различной напряженности, коэффициент анизотропии и удельных магнитных потерь, анизотропия магнитной индукции и коэрцитивная сила
Анизотропные (трансформаторные) стали имеют ярко выраженную текстуру, Т.е. структуру зерен преимущественной ориентировкой в направлении прокатки.
Для оценки потерь электроэнергии, имеющих место при работе трансформаторов и электрических машин, электротехнические стали характеризуются уровнем удельных магнитных потерь (количеством ватт на 1 кг массы стали) – одним из основных показателей качества электротехнических сталей. Удельные магнитные потери складываются из потерь на вихровые токи,
гистерезисные и дополнительные потери.
Вихревые токи (токи Фуко), как известно, возникают вследствие того, что согласно законам электромагнитной индукцией изменения намагничивающего тока возбуждают в проводящем материале (обычно в металле) ток обратного направления, который замыкается в толщине этого металла.
Вихревые токи вызывают бесполезные потери энергии; величина этих потерь составляет 65–75%, а иногда могут достигать и 90% общих магнитных потерь.
На вихревые токи теряется часть энергии, предназначенная для намагничивания. Величина вихревых токов, согласно закону Ома, тем больше, чем выше удельная электропроводность электропроводящего материала (чем иже удельное электросопротивление и, следовательно, чем толще материал металл).
При прочих равных структурных и текстурных параметрах цельные потери от вихревых токов возрастают пропорционально квадрату толщины листа. Поэтому для уменьшения потерь энергии с вихревыми токами, магнитные цепи, подверженные действию переменных и пульсирующих магнитных полей, изготавливаются из тонких изолированных листов электротехнических сталей.
Кроме того, на величину вихревых потерь большое влияние: оказывает к важной характеристике электротехнических сталей относится также величина магнитной индукции, которая зависит от химического состава стали, от чистоты ее по вредным примесям и неметаллическим включениям, но более всего определяется текстурой с заданной величиной и формой зерен.
Между величиной удельных магнитных потерь и магнитной индукцией существует тесная корреляционная связь.
Качество трансформаторной стали характеризует и так называемой магнитострикция – изменение линейных размеров магнитопровода в магнитном поле. Магнитострикция ферромагнетика сильно зависит от загрязненности металла вредными примесями и от совершенства его кристаллографического строения. Магнитострикция в трансформаторных сталях вызывает вибрацию и шум в работающих трансформаторах и электрических машинах. В связи с этим создание анизотропных сталей с повышенной величиной индукции в магнитных полях и минимальной величиной магнитострикции позволяет снизить массу электротехнических изделий и уровень шума при их работе.
При эксплуатации электрических машин и аппаратуры магнитные свойства металла должны оставаться постоянными в течение длительного времени и при повышенной температуре, т.е. листы трансформаторной стали, из которых изготовлены эти электрические машины и аппараты, должны быть устойчивыми против магнитного старения.