Структура и текстура вакуумированной и невакуумированной изотропной электротехнической стали после горячей прокатки, нормализации и окончательной термической обработки

Структура и текстура вакуумированной и невакуумированной изотропной электротехнической стали после горячей прокатки, нормализации и окончательной термической обработки

Введение

Магнитные материалы играют в современной технике весьма важную роль. Такие электротехнические агрегаты, как электромашины, генераторы, трансформаторы, реле, дроссели, преобразователи энергии, могут быть созданы только с использованием магнитных материалов. Магнитные материалы являются также основой и более миниатюрных изделий: элементов памяти в вычислительной технике, деталей управляемых систем автоматики и электроники, элементов систем накопления и хранения информации. Уровень магнитных свойств материалов определяет основные рабочие эксплуатационные характеристики перечисленных выше агрегатов и изделий. Кроме того, от уровня магнитных свойств зависят также надёжность, габариты, масса, потребление мощности, коэффициент полезного действия.

Электротехнические стали, представляющие собой сплав железа с кремнием (до 6,5%), являются наиболее значительной по потреблению в электромашиностроении и трансформаторостроении группой магнито-мягких материалов. Важное место в этой группе по объёму (около 80%) занимает изотропная электротехническая сталь, применяемая для изготовления вращающихся магнитопроводов, низковольтной и высоковольтной аппаратуры, трансформаторов, радиодросселей, реле и т.д.

Качество этих сталей определяет эксплуатационные показатели, затраты на производство, степень использования материала и эффективность преобразования в электрических установках.

В ближайшие десятилетия физический принцип преобразования энергии едва ли претерпит какие-либо существенные изменения. Поэтому потребность в изотропной электротехнической стали будет постоянно повышаться. К этому нужно добавить неуклонно растущие требования электротехнической промышленности к магнитным и механическим свойствам стали. Поэтому в высокоразвитых промышленных странах фирмы-поставщики ведут интенсивные исследования, направленные на улучшение качества изотропной электротехнической стали и на разработку способов получения новых марок стали с особо низкими удельными магнитными потерями и повышенной индукцией. Кроме того, жёсткая конкуренция на рынке требует искать новые пути снижения себестоимости стали при её производстве.

1. Аналитический обзор

.1 Литературный обзор

.1.1 Классификация изотропных электротехнических сталей

Изотропные - это все марки малотекстурованной холоднокатаной стали с анизотропией магнитных свойств, ограниченной определённым уровнем, и марки горячекатаной стали, имеющие слабо выраженную текстуру.

Электротехническая изотропная сталь подразделяется на пять групп в зависимости от содержания кремния и алюминия - основных легирующих элементов.

Таблица 1. Группы легирования кремнием электротехнической изотропной стали (ГОСТ 21427.2-83)

Легирование кремнием и алюминием приводит к повышению электрического сопротивления стали и, соответственно, способствует снижению вихретоковой составляющей потерь на перемагничивание. Кроме того, легирование кремнием и алюминием позволяет «связать» в неметаллические включения оксидов и нитридов избыточное содержание кислорода и азота в жидкой стали. Особенно благоприятно связывание азота во включения AlN. Наличие включений AlN крупных размеров в кремнистой стали способствует предотвращению условий возможного формирования текстуры (110) [001] в процессе термической обработки холоднокатаных полос.

Наименование марки складывают из 4-х цифр: первая цифра означает способ производства (1 - горячекатаная, 2 - холоднокатаная), вторая - содержание Si в стали, третья - группу по основной нормируемой характеристике, четвертая - порядковый номер типа стали.

По основной нормируемой характеристике электротехническую сталь подразделяют на группы: 0 - удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц (Р1,7/50); 1 - удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл и частоте 50 Гц (Р1,5/50); 2 - удельные потери при магнитной индукции 1,0 Тл и частоте 400 Гц (Р1,0/400); 6 - магнитная индукция в слабых магнитных полях при напряженности поля 0,4 А/м (В0,4); 7 - магнитная индукция в средних магнитных полях при напряженности поля 10 А/м (В10).

Электротехническая сталь, выпускаемая в листах, рулонах и ленте, имеет следующие нормируемые показатели качества: по точности прокатки по толщине (Н - нормальная точность, П - повышенная), по неплоскостности (классы 1 и 2), по термической обработке (термически обработанная на магнитные свойства - ТО, без термической обработки на магнитные свойства - без обозначения), по виду покрытия (без покрытия с металлической поверхностью - без обозначения, с термостойким покрытием, не ухудшающим штампуемость - М, с нетермостойким электроизоляционным покрытием, улучшающим штампуемость - ТШ, с термостойким электроизоляционным покрытием не ухудшающим штампуемость - Т), по коэффициенту заполнения (группы А и В), по точности изготовления по ширине (нормальной точности - без обозначения, повышенной точности - Ш).

Так, рулон 0,50×1000 - П - Ш - 1 - ТО - НШ - А - 2312 ГОСТ 21427.2-75 означает, что электротехническая сталь поставляется в рулонах толщиной 0,5 мм, шириной 1 000 мм, повышенной точности прокатки, повышенной точности изготовления по ширине, неплоскостности класса 1, термически обработанной, с термостойким электроизоляционным покрытием, улучшающим штампуемость, с коэффициентом заполнения А из стали марки 2312 по ГОСТ 21427.2-75.

Электротехническая сталь, выпускаемая за рубежом, имеет фирменное наименование, состоящее из слов и букв, обозначающих тип стали с цифрами, показывающими величину магнитных свойств.

Свойства электротехнической стали почти во всех странах нормируются ГОСТом, который определяет минимально допустимый уровень качества и магнитных свойств стали.

Изотропная электротехническая готовая сталь согласно EN 10106 - 96 (Евронормы распространяемые, на все страны Европейского объединения) нормируется по трём основным магнитным характеристикам: удельным магнитным потерям P1,5/50; магнитной индукции B2500, B5000, B10000 и анизотропии магнитных удельных потерь ∆P1,5/50. В стандартах других стран имеются свои различия и особенности. По стандарту ГОСТ 21427.2-83 магнитная индукция B5000 и B10000 не определяется и обеспечивается технологией изготовления. Анизотропия магнитной индукции при напряжённости магнитного поля 2500 А/м нормируется и для различных марок стали должна находиться в пределах 0,13-0,16 Тл (до 0,13 Тл для стали с содержанием Si до 1,8%, свыше 1,8% 1,16 Тл).

В стандартах ASTM A677/A677М - 99 (США) и GB/T 2521-1996 (КНР) анизотропия магнитных потерь и магнитной индукции не нормируются. В ASTM не нормируется магнитная индукция, однако нормируется относительная пиковая проницаемость (μр) при индукции 15kG (1,5 Тл), которая для разных марок стали и толщин (0,35; 0,47 и 0,64 мм) находится в пределах 700-2 500. Чем выше удельные потери в стали и больше толщина, тем выше относительная пиковая проницаемость. Кроме того, этот стандарт нормирует удельные магнитные потери P1,5 при частоте переменного тока 50 и 60 Гц. Стандарт КНР нормирует удельные магнитные потери Р1,5/50 и индукцию В5000. Следует отметить, что при составлении контрактов на поставку стали, как правило, по требованию заказчика устанавливаются дополнительные требования по магнитным свойствам (полная петля гистерезиса, кривые общих удельных потерь в различных полях при частоте перемагничивания от 25 до 10000 Гц, кривые магнитной проницаемости в слабых и сильных полях и др.) [1].

1.1.2 Магнитные свойства

Электротехническая изотропная сталь относится к классу ферромагнитных магнитно-мягких сплавов, которые характеризуются узкой петлёй гистерезиса, малой коэрцитивной силой, высокой магнитной индукцией и проницаемостью, низкими потерями на гистерезис и вихревые токи, а также минимальными общими удельными потерями.

Магнитная индукция (B) - величина магнитного потока, отнесённая к единице площади поперечного сечения магнитопровода: B=Φ/S; измеряется в теслах (Тл). Напряжённость магнитного поля (H) - магнитодвижущая сила на единицу длинны магнитной цепи, которая необходима для создания указанного магнитного потока; измеряется в амперах на метр (А/м) [2].

Магнитная проницаемость характеризует относительное увеличение магнитного потока, вызванное внесением в поле магнитного материала [3].

Удельные магнитные потери (P) определяются потерями энергии в 1 кг намагниченного переменным током сердечника; измеряются в ваттах на килограмм (Вт/кг). Их можно приблизительно рассчитать по формуле [4]:

P=d2Bm2ƒ2/γ,                                          (1)

где d - толщина листа;

Bm - максимальная величина магнитной индукции;

ƒ - частота тока;

γ - удельное электросопротивление.

Удельные потери, вызывающие нагрев сердечника, состоят из потерь на гистерезис (которые пропорциональны площади петли гистерезиса), потерь на вихревые токи и так называемых дополнительных (или остаточных) потерь. Первая составляющая - потери на гистерезис - зависит, прежде всего, от структуры металла (размера зёрен, величины неметаллических включений и содержания металлических примесей) [5]:

Рг=Sƒ/γ,                                                    (2)

где S - площадь квазистатического цикла гистерезиса, Тл∙А/м;

ƒ - частота переменного тока, Гц;

γ - плотность ферромагнитного материала, кг/м3.

Величина потерь на вихревые токи в первую очередь определяется удельным электросопротивлением и толщиной стального листа.

Рв=( 4B2maxƒ2h2k2ƒ)∙10-10/3γρ, Вт/кг,                             (3)

где Bmax - максимальное (амплитудное) значение магнитной индукции, Тл;

ƒ - частота переменного тока, 50 Гц;

h - толщина полосового образца, мм;

kƒ - коэффициент синусоидальной формы индукции;

γ - плотность стали, кг/м3;

ρ - удельное электрическое сопротивление, Ом∙м.

Кроме того, удельные потери прямо пропорциональны квадрату частоты переменного тока, что нужно учитывать при использовании изотропных сталей в высокочастотной технике.

Для изготовления крупных машин (мощностью 400-1 000 кВт и более) используется сталь с повышенным содержанием Si, минимальными магнитными потерями и соответственно относительно меньшей магнитной индукцией. Для электродвигателей средней мощности (50-400 кВт) требуется сталь с промежуточным содержанием кремния и сочетанием среднего уровня двух главных характеристик магнитных свойств. При снижении мощности до 20-40 кВт превалирующее значение приобретает магнитная индукция при умеренных удельных магнитных потерях. Для электродвигателей мощностью 10 кВт и менее определяющей характеристикой становится величина магнитной индукции в рабочих полях, которая должна быть возможно более высокой. В большинстве случаев применения электродвигатели малой мощности работают в режиме эпизодического и кратковременного включения - не более 1-5% рабочего времени. Расходы при использовании дорогой стали, даже с высокими магнитными свойствами, не окупаются за весь срок службы таких двигателей. Поэтому стоимость при выборе изотропной электротехнической стали для этой группы двигателей является таким же важным критерием, как и магнитная индукция.

Магнитная анизотропия в изотропной электротехнической стали весьма нежелательна. Она вызывает более или менее сильную пульсацию магнитного потока прежде всего во вращающихся сердечниках электрических машин, что приводит к неравномерному ходу машины и дополнительным потерям электроэнергии, а также отрицательно влияет на эксплуатацию электродвигателей. При изготовлении стали не всегда удаётся устранить магнитную анизотропию, поэтому в стандартах устанавливают допустимые пределы магнитной анизотропии для изотропных электротехнических сталей.

Согласно стандарту EN 10106, магнитная анизотропия удельных потерь для различных марок стали и толщин нормируется в пределах 6-17%. Следует отметить, что чем ниже удельные магнитные потери, тем выше магнитная анизотропия.

Магнитострикция - изменение объёма или формы ферромагнетика. Магнитострикция поликристаллических образцов железа с повышением напряжённости магнитного поля изменяет не только величину, но и знак. В слабых магнитных полях образцы железа удлиняются, с увеличением напряжённости поля - укорачиваются (рис. 1). Несмотря на то, что величины продольной магнитострикции малые, эффект магнитострикции используется в практике.

Рис. 1. Зависимость продольной магнитострикции поликристаллических образцов железа от напряжённости магнитного поля H

Намагничивание ферромагнетика осуществляется сначала за счёт процессов обратимого смещения границ доменов, затем следуют необратимые процессы смещения, далее - процесс вращения. При уменьшении или снятии поля во время процессов необратимого смещения границ доменов или вращения происходит отставание изменений обратных величин намагниченности, имеет место явление магнитного гистерезиса. Снятием намагничивающего поля намагниченность ферромагнитного образца не обращается в нуль, имеет место остаточная намагниченность (Jr). Чтобы уменьшить остаточную намагниченность (Jr) до нуля, необходимо приложить магнитное поле обратного знака и определённой величины напряжённости, называемое коэрцитивной (размагничивающей) силой (Hc).

1.1.3 Влияние химического состава на магнитные свойства

Согласно современной теории ферромагнетизма, процессы намагничивания и перемагничивания ферромагнетиков осуществляются путём смещения границ доменов и вращения вектора намагничивания. Процессы смещения границ доменов по сравнению с вращением требуют меньшей затраты энергии, поэтому в слабых и средних полях изменение намагниченности происходит в основном путём смещения. В реальных ферромагнетиках подвижность границ доменов в процессе их смещения зависит от степени совершенства кристаллической структуры. Наличие различных дефектов кристаллической решётки: скоплений дислокаций, комплексов вакансий, инородных фаз, границ блоков, зёрен и т.п. тормозит смещение границ доменов и тем самым снижает уровень структурночувствительных магнитных свойств: магнитной индукции и проницаемости, коэрцитивной силы, потерь на перемагничивание.

Наиболее вредными примесями в электротехнической стали являются С, N, O и S. Содержание этих элементов в стали превышает предел их растворимости в твёрдом растворе, и они выделяются в виде неметаллических включений: карбидов, нитридов, сульфатов и оксидов.

Концентрация С, Mn, S, P и Cr оказывают значительное влияние на магнитные характеристики стали. Химический состав изотропных электротехнических сталей подбирают из соображения низких удельных потерь и наиболее высокой магнитной индукции.

Углерод

Углерод является одной из наиболее вредных примесей в электротехнической стали, расширяющей область существования аустенита.

На рис. 2 [6] приведена зависимость примесей на коэрцитивную силу железа технической чистоты. Увеличение содержания углерода по негативному влиянию на магнитные свойства (Hc) железа уступает только азоту. Растворимость углерода в α-железо значительно ниже, чем в аустенит.

На рис. 3 показано влияние углерода на кривые перемагничивания железа. Снижение содержания углерода в стали на 0,015% в исследуемом интервале 0,03-0,05% способствует уменьшению удельных потерь на 0,5 Вт/кг и повышению магнитной индукции на 0,15 Тл. Степень влияния углерода на магнитные свойства зависит от формы его выделения в твёрдом растворе в виде цементита (пластинчатого или глобулярного) или графита. Наиболее неблагоприятное влияние на магнитные свойства металла оказывает выделение в форме структурно-свободных карбидов, расположенных внутри зёрен феррита или по границам зёрен. Выделение углерода внутри зёрен в форме графита оказывает незначительное влияние. Значения коэрцитивной силы при одном и том же содержании углерода в металле, но при разных его формах выделения могут отличаться в 1,5-2 раза.

Размеры углеродсодержащих включений в электротехнической стали обычно составляют 5-20 мкм, что значительно больше критических размеров (d < 1 мкм), оказывающих максимальное тормозящее действие на смещающиеся доменные границы. Максимальная коэрцитивная сила получается при диаметре включений 0,12 мкм [6].

Форма выделения углерода зависит от параметров горячей обработки металла: температуры нагрева и продолжительности томления слябов в методической печи, температура конца прокатки и смотки, скорости охлаждения после горячей прокатки, температуры отжига горячекатаных и холоднокатаных рулонов и скорости их охлаждения. Медленное охлаждение способствует выделению углерода в виде крупных частиц, быстрое - выделению дисперсных частиц и фиксации углерода в твёрдом растворе. Последующее выделение углерода из твёрдого раствора является причиной магнитного старения.

Рис. 2. Влияние примесей на коэрцитивную силу железа технической чистоты: 1 - азот; 2 - углерод; 3 - сера; 4 - фосфор; 5 - кислород; 6 - марганец

Рис. 3. Влияние примеси углерода на кривые намагничивания железа

Углерод оказывает решающее влияние на рост зерна и коэрцитивную силу, особенно при быстром нагреве и охлаждении [7]. При скоростном нагреве и охлаждении фазовое превращение происходит в условиях некоторого перегрева и значительного переохлаждения, когда образуется много зародышевых центров новой фазы, в результате чего зерно сильно измельчается. При отжиге изотропной электротехнической стали (1,6% Si) увеличение содержания углерода с 0,02 до 0,05% уменьшает размер зерна в 12 раз. Однако это влияние при медленном нагреве проявляется в значительно меньшей степени, чем при быстром. Медленный нагрев создаёт условия для перераспределения углерода, коагуляции и укрупнения участков аустенита, что облегчает рост ферритных зёрен. Углеродсодержащая фаза в зависимости от формы выделения значительно влияет на пластичность электротехнической стали при холодной прокатке, особенно после нормализационного отжига горячекатаных рулонов [8].

Введение в сталь карбидообразующих элементов приводит к образованию устойчивых карбидов и ухудшению магнитных свойств.

Рис. 4. Влияние различных загрязнений на гистерезисные потери железокремнистого сплава с 4% Si; при В = 1,0 Тл

Важным для улучшения магнитных свойств и пластичности металла является выплавка изотропной электротехнической стали с углеродом менее 0,005%. Другие способы - обезуглероживание и рафинирование металла в конечной толщине менее эффективны. Недостатком первого способа является длительность операции и недостаточно глубокое обезуглероживание (до 0,008-0,010%). При втором способе, хотя и проводится глубокое обезуглероживание (до 0,002-0,005%), но отжиг во влажной атмосфере приводит к внутреннему окислению. Включения оксидов кремния, образующиеся при внутреннем окислении в процессе обезуглероживания, значительно ухудшают магнитные свойства стали.

Кремний

Кремний является основным легирующим элементом в электротехнических сталях. Легирование кремнием повышает магнитную проницаемость в слабых и средних магнитных полях (рис. 5), уменьшает коэрцитивную силу, потери на гистерезис, вихревые токи и постоянную магнитострикции, сильнее других элементов уменьшает энергию магнитной анизотропии (рис. 6).

Рис. 5. Влияние кремния на величину максимальной магнитной проницаемости

Наибольшую индукцию насыщения имеет чистое железо, однако вследствие низкого удельного электросопротивления оно имеет большие потери на вихревые токи. Легирование увеличивает электросопротивление (рис. 7), но сильнее других его увеличивает кремний, и соответственно более других уменьшает вихретоковые потери.

С увеличением содержания кремния происходит значительное сужение γ-области. Сталь с содержанием 2% кремния и 0,002% углерода становится чисто ферритной, что обеспечивает получение в металле крупного зерна феррита проведением отжига при 1 100о С без фазовой перекристаллизации.

Рис. 6. Первая постоянная магнитной анизотропии сплавов в зависимости от атомной концентрации легирующих элементов

Рис. 7. Влияние различных элементов на электросопротивление железа при 20о С

Кремний уменьшает растворимость углерода и азота в стали и снижает склонность её к магнитному старению. Введение в сталь 1% кремния снижает магнитное старение до 6-8%.

Вредное влияние кремния проявляется в снижении величины магнитной индукции насыщения, что связано с образованием соединения Fe3Si (рис. 8). В электротехнических изделиях и агрегатах, требующих высокий уровень магнитной индукции в средних и сильных полях, применяют сталь с содержанием кремния не более 0,5%. В нелегированной электротехнической стали, содержащей 0,1-0,5% алюминия, повышают концентрацию кремния до 0,8% и путём определения режимов обработки на прокатных переделах обеспечивают высокий уровень удельных потерь и магнитной индукции.

Рис. 8. Зависимость магнитной индукции от содержания кремния

В промышленности используются сплавы железо - кремний, в которых содержание кремния находится в пределах 0,5-4,5%. Горячая прокатка сплава затруднена при содержании свыше 4,5% кремния. Для холоднокатаных листов содержание кремния не превышает 3,5-3,8%, из-за хрупкости подката.

Алюминий

При производстве электротехнической стали алюминий используют наряду с кремнием. Его широкое применение обусловлено положительным влиянием на магнитные свойства указанной стали. Действие алюминия во многом аналогично действию кремния. Так, он увеличивает электросопротивление и снижает индукцию насыщения почти в той же степени, что и кремний. Сталь становится ферритной при 1% алюминия. Однако укрупнение зерна феррита наблюдается до температуры отжига 850о С. При высокотемпературном отжиге (1 100-1 150о С) магнитные свойства ухудшаются в связи с окислением алюминия и образованием глинозёма.

Общеизвестна роль алюминия, как одного из основных раскислителей жидкой стали, в повышении чистоты выплавляемой стали за счёт связывания кислорода и азота во включения крупных размеров, легко удаляемых в процессе внепечной обработки жидкого металла. Он также подавляет склонность стали к старению благодаря связыванию азота в прочные нитриды [9].

В последнее время алюминий в количестве 0,2-0,4% стали вводить в нелегированную изотропную электротехническую сталь для улучшения её магнитных свойств.

Алюминий ухудшает технологичность стали при горячей и холодной прокатках. Уже при 0,08% алюминия наблюдается образование большого количества рванин на кромках горячекатаных полос. Ухудшается также качество поверхности холоднокатаных полос.

Содержание 1-5% алюминия в стали значительно повышает уровень магнитных свойств, а при содержании до 0,05% - уровень магнитных свойств снижается.

Содержание связанного азота в стали по мере роста концентрации алюминия увеличивается (рис. 9), коэффициент старения снижается до 0-1%.

Рис. 9. Изменение количества связанного азота от концентрации кислорастворимого алюминия в стали

Кремний и алюминий - ферритообразующие элементы, поэтому при достижении максимально возможных концентраций этих элементов необходимо принимать во внимание содержание аустенитообразующих элементов - углерода и марганца. Фазовый состав при высоких температурах оказывает существенное влияние на пластичность железокремнистых сталей при горячей прокатке. При определённом количественном соотношении α-железа и аустенита из-за неравномерной деформации этих фаз наблюдается повышенная хрупкость стали. Наиболее «опасным» в структуре горячекатаных полос является соотношение содержании ферритообразующих элементов (кремния, алюминия) и аустенитообразующих элементов (углерода и марганца) выбирают таким, чтобы сдвинуть двухфазное (α+γ) состояние от наиболее «опасного» соотношения фаз α и γ в сторону преобладания ферритной составляющей.

Фосфор

В последнее время в мировой практике производства изотропной электротехнической стали с успехом применяется легирование фосфором. Это относится к производству как нелегированной, так и легированной изотропной электротехнической стали. Добавки фосфора используются и при производстве стали с высокой магнитной индукцией (В2500~1,7 Тл).

Ранее считалось, что содержание фосфора в стали должно быть минимальным, потому что фосфор, как известно, оказывает охрупчивающее действие на сталь. Однако со временем появились стали, в которые фосфор специально вводится для повышения прочности. Это стало возможным благодаря тому, что был выяснен механизм охрупчивающего действия фосфора. Кроме того техника легирования достигла такой надёжности, что можно уверенно предотвратить получение концентраций фосфора, неблагоприятных для определённого типа сталей. Фосфор увеличивает прочность железа, и стали в большей степени, чем кремний, марганец, молибден, хром, ванадий и некоторые другие элементы.

При производстве изотропной электротехнической нелегированной стали, фосфор так же использовался для увеличения прочности и, как следствие, улучшения штампуемости. Это было вызвано тем, что при недостатке кремния пластины магнитопроводов нелегированной стали после штамповки имеют кромочный дефект - заусенец.

Изучено влияние фосфора на уровень механических характеристик стали в отожжённом состоянии. Определены предел прочности, предел текучести, относительное удлинение и модуль сдвига G. Прочностные характеристики стали с увеличением содержания фосфора повышаются, что улучшает показатель штампуемости стали (рис. 10). При 0,33% фосфора твёрдость HV достигает 170 единиц, предел прочности равен 470 МПа, предел текучести равен 340 МПа. При увеличении содержания фосфора от 0,09 до 0,33% относительное удлинение снижается с 36 до 22%.

Рис. 10. Влияние фосфора на σв, σт и HV нелегированной электротехнической стали

Дальнейшие исследования полностью изменили представления о фосфоре как элементе, повышающем только твёрдость и прочность стали. Установлено, что легирование фосфором значительно улучшает магнитные свойства изотропной электротехнической стали.

Фосфор, образующий с железом твёрдый раствор замещения, интенсивнее повышает сопротивление стали, чем кремний, алюминий и марганец, что оказывает положительное влияние на уменьшение вихревой составляющей удельных магнитных потерь. Удельное электросопротивление чистого железа составляет 0,1 Ом·мм2/м, нелегированной электротехнической стали с добавлением кремния (0,3-0,5%) и марганца (до 0,3%) - 0,12-0,14 Ом·мм2/м, при легировании стали фосфором до 0,33% удельное электросопротивление возрастает до 0,22 Ом·мм2/м, т.е. в ~1,5 раза (рис. 12). Увеличение массовой доли фосфора до 0,6% приводит к линейному росту удельного электрического сопротивления. Дальнейшее повышение содержания фосфора практически не влияет на эту характеристику.

Рис. 11. Влияние содержания различных легирующих элементов на предел текучести σт α-железа

Рис. 12. Влияние содержания фосфора на удельное электросопротивление

Фосфор, так же как и кремний, относится к элементам, суживающим γ-область, но действие его значительно сильнее, чем кремния. Уменьшение γ-области способствует увеличению размера зерна и снижению потерь на гистерезис (Рг). При этом не увеличиваются потери на вихревые токи (Рв), так как с повышением содержания фосфора преобладающее влияние на величину потерь на вихревые токи оказывает увеличение удельного электросопротивления (ρ), что определяет монотонное снижение общих удельных потерь.

На основе результатов микроструктурных исследований показано, что легирование стали фосфором до ~ 0,33% не приводит к образованию фосфидов (неметаллических включений), твёрдый раствор состоит из одной фазы - феррита.

Анализ результатов многих исследований позволяет сделать выводы, что легирование изотропной электротехнической стали фосфором снижает удельные магнитные потери, коэрцитивную силу (рис. 13), коэффициент старения, увеличивает магнитную индукцию, величину зерна после рекристаллизационного отжига, магнитную проницаемость.

Рис. 13. Влияние содержания фосфора на коэрцитивную силу

В области сильных и средних полей (до 50 А/м) крутизна кривых намагничивания, т.е. проницаемость стали с 0,09% фосфора составляет 7600·10-1/(1/π) Тл/(А/м), стали с 0,33% фосфора 9050·10-1/(1/π) Тл/(А/м) (рис. 14). В полях свыше 50 А/м кривые намагничивания сливаются, т.е. индукция в больших полях для всех изученных сталей практически одинакова и не зависит от содержания фосфора.

Рис. 14. Зависимость магнитной проницаемости нелегированной электротехнической стали от содержания фосфора, %; 1 - 0,09; 2 - 0,16; 3 - 0,33

Добавки фосфора способствуют увеличению доли кубической составляющей текстуры готовой стали. Положительное влияние фосфора связывают с его рафинирующим действием. Обладая большим сродством к кислороду, фосфор способствует очистке стали от вредных примесей (Al2O3; SiO2; TiO2 и др.), ухудшающих магнитные свойства. Зависимость содержания H2 и N2 от содержания фосфора не обнаружена. Фосфор существенно снижает окисление стали при высокотемпературном нагреве.

Влияние содержания фосфора в стали на величину зерна, кубическую составляющую текстуры (100)[0VW] и (310)[0VW] и удельные магнитные потери после рекристаллизационного отжига показано на рис. 15.

С увеличением содержания фосфора от 0,013 до 0,071% величина зерна (dср) после рекристаллизационного отжига при температуре 1050° C увеличивается с 96,7 до 126,2 мкм. Эти данные хорошо согласуются с результатами исследований влияния добавок фосфора в нелегированную и легированную изотропную электротехническую готовую и легированную полуготовую стали. Подобные результаты получены при рекристаллизационном отжиге чистого железа и углеродистой стали с добавками фосфора в холоднокатаной стали марки 08ЮП приводит к ускорению процесса рекристаллизации, особенно на стадии собирательной рекристаллизации.

Рис. 15. Зависимость среднего размера зерна, полюсной плотности кубических ориентировок (100) [0VW]+(310)[0VW] и удельных магнитных потерь P1,5/50 готовой стали от содержания фосфора (2,98-3,01 Si)

Влияние фосфора на размер зерна после рекристаллизационного отжига можно объяснить тем, что он является ферритообразующим элементом, резко сужающим γ-область и повышающим критическую точку Ас3.

Из рис. 15 следует, что с увеличением содержания фосфора в стали от 0,013 до 0,071% увеличивается полюсная плотность кубических ориентировок (100)[0VW]+(310)[0VW] после рекристаллизационного отжига от 2,811 до 3,425. С увеличением размера зерна и доли кубических ориентировок в готовой изотропной электротехнической стали снижаются удельные магнитные потери Р1,5/50.

Таким образом, увеличение содержания фосфора через структурный фактор и текстуру благоприятных ориентировок способствует уменьшению удельных магнитных потерь готовой стали.

Важным фактором в пользу легирования стали фосфором является и более низкая цена феррофосфора по сравнению с ферросилицием. Кроме того, добавки в сталь фосфора (десятые или сотые доли процента) в несколько раз меньше по сравнению с легированием кремнием (проценты или десятые доли процента). Таким образом, частичная замена кремния фосфором при выплавке может уменьшить себестоимость стали. Поэтому ведущие фирмы по производству изотропной электротехнической стали интенсивно ведут разработки по усовершенствованию технологии, используя легирование стали фосфором.

Сера

Сера при кристаллизации стали образует легкоплавкую эвтектику, состоящую из железа и сульфидов железа и марганца, и поэтому увеличивает коэрцитивную силу, удельные магнитные потери, снижает магнитную индукцию и максимальную магнитную проницаемость. Отрицательное влияние серы (в пределах её содержания 0,005-0,03%) на магнитные свойства изотропной электротехнической стали объясняется присутствием сернистых включений в большинстве случаев внутри зёрен и свободной серы на границах зёрен. Снижение серы положительно влияет на удельные магнитные потери вплоть до её содержания 0,002%. Сера оказывает негативное влияние на магнитные свойства изотропных электротехнических сталей как с низким (0,3-0,6%), так и с повышенным содержанием кремния.

Оптимальным содержанием серы в изотропной электротехнической стали считается не более 0,005%.

Неметаллические включения

Степень влияния неметаллических включений на магнитные свойства электротехнической стали зависит от их числа, размеров, состава, формы и создаваемых ими напряжений. При перемагничивании стали включения препятствуют движению доменных границ, увеличивая магнитостатическую энергию. Последняя достигает наибольших значений, когда размеры включений соизмеримы с шириной доменных стенок (доли микрона) (рис. 16).

Включения, имеющие неправильную, остроугольную форму (нитриды, корунд, цементит), вызывают сильное искажение матрицы, большие микронапряжения. Основным источником внутренних напряжений в стали является пластическая деформация, приводящая к резкому увеличению степени дефектности решётки (плотность дислокаций в деформированной электротехнической стали возрастает с 106-108 до 109-1011 на 1см).

Влияние формы неметаллических включений на магнитные свойства стали определяется степенью и характером искажения её кристаллической решётки. Пластические включения глобулярной формы меньше искажают микроструктуру близлежащих объёмов и потому слабее воздействуют на магнитные свойства, чем иглообразные и твёрдые частицы. Включения создают вокруг себя напряжённую зону. Напряжения возникают в процессе охлаждения металла из-за большого различия коэффициентов термического расширения металла и включений [10], они могут вызывать перестройку доменной структуры на участках, в 300 и более раз превышающих объём включений [11].

Рис. 16. Зависимость коэрцитивной силы Hc от размеров неметаллических включений

В процессе прокатки и термической обработки некоторые металлические включения типа нитридов, сульфидов могут растворяться с последующим выделением более дисперсной фазы и с изменением состава (мелкодисперсные нитриды и карбонитриды являются более вредными включениями в сплаве железо - кремний и железе технической чистоты, чем карбиды; это объясняется тем, что нитриды имеют значительно меньший размер частиц, чем карбиды). Но, в процессе высокотемпературного отжига в результате распада нитридов и удаления азота из металла окисляется алюминий с образованием мелкодисперсной фазы Al2O3, значительно ухудшающей магнитные свойства стали. Разложение неустойчивых оксидных включений типа FeO, MnO в процессе обработки кипящей электротехнической стали вызывает значительное её обезуглероживание.

Содержание кислорода и оксидных неметаллических включений в нелегированной электротехнической стали определяется в основном концентрациями кремния (при содержании < 0,01% Al) или Al, если его содержание превышает 0,01%. С увеличением в металле концентрации кремния объёмное содержание включений и их размеры уменьшаются. В стали с содержанием > 0,01% Al включения представлены сложными оксидами на базе глинозёма. С увеличением концентрации Al содержание оксидов уменьшается.

Другие элементы

Марганец положительно влияет на магнитные свойства изотропной электротехнической стали вследствие повышения удельного электросопротивления и улучшения текстуры. В связи с хорошей растворимостью марганца в α-железе введение его в сталь не приводит к заметному изменению микронапряжений после конечного отжига. Марганец, как и кремний, тормозит диффузию атомов азота в феррите, что обуславливает его положительное влияние на уменьшение склонности к магнитному старению.

Как карбидообразующий элемент марганец может повышать потери на гистерезис. При исследовании нелегированной изотропной электротехнической стали (0,3-0,7% Mn) показано, что с увеличением содержания марганца более 0,53% наряду с цементитом образуются нитриды марганца Mn3N2 и Mn4N. По мере дальнейшего роста содержания марганца до 0,7% происходит интенсивное коагулирование нитридов марганца, что приводит к снижению удельных потерь и увеличению магнитной индукции (рис. 17).

Для нелегированной изотропной электротехнической стали оптимальным является содержание марганца 0,55-0,65%.

Рис. 17. Зависимость удельных магнитных потерь P1,5/50 (а) и магнитной индукции B2500 (б) нелегированной изотропной электротехнической стали (0,01-0,02% Si) от содержания марганца

Титан обычно добавляли в изотропную электротехническую сталь для связывания азота в нитриды титана. Небольшие добавки титана в нелегированную изотропную сталь при низких температурах смотки (< 700о С) горячекатаных полос приводят к образованию карбидов и нитридов титана (TiC, TiN), причём выделение на границах зёрен первого или второго соединения определяется соотношением титан/углерод > 0,5. Нелегированная электротехническая сталь обладает высоким уровнем магнитных свойств, если в её составе имеются нитриды титана, а содержание цементита минимально. Это связано с благоприятным влиянием нитридов титана на оптимальную текстуру рекристаллизации. Кроме того, связывание азота титаном уменьшает старение стали. Оптимальным содержанием в нелегированной стали Ti Ванчиков В.А., Бочков Н.Г. и Молотилов Б.В. считают 0,02-0,03% [6].Увеличение содержания титана более 0,04% приводит к измельчению зерна после окончательного отжига.

Для изотропной электротехнической стали с 1,8-3,2% кремния при нормализационном отжиге горячекатаной полосы регламентированное охлаждение до 400о С, определяемое отношением титана к содержанию кремния по формуле (4) приводит к улучшению магнитных свойств.

охл=0,83(%Ti/%Si)·t,                                        (4)

где t - температура отжига, оС.

Охлаждение металла со скоростью определяемой формулой (4), приводит к образованию в металле нитридов титана правильной формы и плотностью (8-10)·1012 шт/см3, которые способствуют избирательному росту зёрен с ориентировкой (100) [0VW], благоприятной для магнитных свойств. Содержание титана в этом случае должно быть в пределах 0,01-0,05%.

Исследования, проведённые в последнее время на НЛМК на 1 500 партиях изотропной электротехнической стали с содержанием при выплавке 2,9-3,1% кремния, 0,39-0,44% алюминия, 0,032-0,040% углерода и 0,005-0,007% азота, показали, что увеличение содержания титана с 0,006 до 0,018% увеличивает удельные магнитные потери P1,5/50 на 0,10-0,12 Вт/кг (рис. 18).

Рис. 18. Зависимость удельных магнитных потерь P1,5/50 изотропной электротехнической стали (2,9-3,1% Si, 0,39-0,44% Al) от содержания титана

Аналогичные результаты отрицательного влияния титана на уровень удельных магнитных потерь получены и при исследовании изотропной электротехнической стали с содержанием кремния 0,9-1,4%

Согласно действующей на НЛМК технологии титан попадает в металл из синтетического шлака содержащего TiO2, за счёт восстановления его алюминием. 30% неметаллических включений в изотропной электротехнической стали (2,8-3,2% кремния) производства НЛМК приходится на нитриды и оксиды титана. Поэтому уменьшение содержания титана в стали, а следовательно, и неметаллических включений (TiN, TiO2) приводит к уменьшению удельных магнитных потерь.

Причинами противоречивых выводов о влиянии титана на магнитные свойства изотропной электротехнической стали могут быть различная чистота металла (особенно по содержанию азота), а также отжиг горячекатаного подката или его отсутствие в технологическом процессе.

Хром существенно ухудшает магнитные свойства электротехнической стали. Это объясняется образованием устойчивых карбидов хрома благодаря большему сродству его к углероду, чем к железу. Однако добавки хрома имеют и положительное влияние. Высокое сродство хрома к азоту проявляется в резком снижении активности последнего в твёрдом растворе железа, однако с повышением температуры влияние хрома на активность азота снижается. Кроме того, легирование хромом подавляет охрупчивание стали и обеспечивает ей высокую коррозионную стойкость.

Структура и текстура

Увеличение размеров зерна в изотропной электротехнической стали приводит к повышению магнитной проницаемости и магнитной индукции слабых и средних полях. Магнитная индукция в сильных полях с увеличением размера зерна снижается. Однако это снижение наблюдается только при увеличении размера зерна в направлении нормали к плоскости листов, увеличение же этого размера в плоскости листов (увеличение коэффициента формы зерна) способствует даже некоторому увеличению магнитной индукции. Полученный результат согласуется с тем, что объём поверхностных замыкающих доменов, возрастает с увеличением размера зерна в направлении толщины листов, но не зависит от протяжённости зерна в плоскости листов. Следует отметить весьма значительную величину полученного эффекта: увеличение d┴ в пределах 20-400 мкм вызывает снижение магнитной индукции В25 на ~0,15 Тл или на ~10%. Следовательно, для получения высокой магнитной индукции в сильных полях в малотекстурованной стали необходимо иметь возможно более сплюснутое зерно.

Характер зависимости коэрцитивной силы Нс от величины зерна (рис. 19) отвечает современным представленим о влиянии границ зёрен на процесс перемагничивания, что даёт осногвания предполагать тождественный характер зависимости гистерезисной доли удельных потерь от размера зерна, т.е. уменьшения при увеличении зерна.

С увеличением разнозернистости структуры удельные потери возрастают.

Для железа и кремнистого железа направлением лёгкого намагничивания является ось [100], направлением наиболее трудного намагничивания - ось [111]. Ось [110] занимает в этом отношении промежуточное положение.

В листах с ребровой текстурой в большинстве зёрен одна из осей лёгкого намагничивания [100] приблизительно совпадает с направлением прокатки. Вследствие анизотропии формы зёрен ориентирование векторов Тs доменов вдоль других двух осей типа <100>, составляющих с плоскостью листа углы ~45°, энергетически не выгодно (они образуют замыкающие домены, называемые С-доменами). Совершенство ребровой текстуры (110) [001] определяет минимальный уровень потерь на перемагничивание электротехнической анизотропной стали в широком диапазоне толщин (за счёт уменьшения потерь на магнитный гистерезис).

Рис. 19. Зависимость индукции В25пр=1,706-0,0247d (кривая 1) и коэрцитивной силы Нс=63,051-101,572d (кривая 2) нелегированной электротехнической стали

Анизотропия магнитных свойств в пластинах вращающихся сердечников вызывает дополнительные потери, пульсацию тока, искрение на коллекторах и другие нежелательные явления. Поэтому разница значений В25 на продольных и поперечных пробах, по которой оценивают анизотропию магнитных свойств, не должно превышать в малотекстурованной стали 0,06-0,08 Тл. Изотропная сталь с повышенным содержанием Si (> 2,5%) вследствие небольшого объёма фазовых превращений при высокотемпературном отжиге склонна к вторичной рекристаллизации, сопровождающейся образованием сильной ребровой текстуры.

Перспективной в качестве материала для магнитопроводов машин переменного тока и небольших трансформаторов является сталь с кубической текстурой, свойства которой вдоль и поперёк направления прокатки примерно одинаковы, а направление наиболее трудного намагничивания - ось [111] - вообще выведено из плоскости листа [12, 13].

Благодаря ориентации элементов кубической решётки (100) [001], при котором рёбра кубов располагаются вдоль прокатки и, кроме того, две грани куба оказываются параллельными плоскости прокатки, в материале образуется два направления лёгкого намагничивания с приблизительно одинаковыми свойствами: одно вдоль прокатки (0°) и второе также в плоскости ленты, но в поперечном направлении (90°). Широкое применение этих сталей, особенно толщиной свыше 0,3 мм, лимитируется относительно большой сложностью процессов их изготовления.

Улучшение характеристик машин малой и средней мощности может быть получено за счёт использования стали с плоскостной структурой. Кристаллы в этой стали ориентированы таким образом, что их грани оказываются расположенными параллельно или перпендикулярно плоскости листа, но рёбра имеют произвольную ориентацию. Вследствие этого материал обладает изотропными магнитными свойствами в плоскости прокатки и легко намагничивается по любому направлению. По магнитным свойствам эта сталь занимает промежуточное положение между материалом с ребровой или кубической текстурой и нетекстурованной ЭТС.

Технология производства изотропных сталей в условиях ОАО «НЛМК»

Производство динамной стали (ПДС) ОАО «НЛМК» рассчитано на производство 480 тыс.т. в год высококачественной стали, отвечающей требованиям мирового рынка. В сортаменте готовой продукции, выпускаемой производством. 78 марок стали ИЭТС и 28 марок низкоуглеродистой стали специального назначения.

В основу создания комплекса положена сквозная технология производства изотропной электротехнической стали, разработанная и внедрённая учёными и инженерами НЛМК и ЦНИИЧермета.

Рис. 20. Технологическая схема изготовления изотропной электротехнической стали

Выплавка

Выплавка электротехнических изотропных сталей осуществляется в конверторном цехе в 160-ти тонных кислородных конвертерах с последующей разливкой стали на машинах непрерывного литья заготовок вертикального типа в слябы размером (240-250)×(1120-1280) мм массой до 30 т. Для выплавки стали применяют металлическую шихту, состоящую из передельного чугуна и стального лома. Комплексная технология предусматривает продувку жидкой стали инертными газами, циркуляционное ваккумирование, внепечную обработку жидкой стали синтетическими шлаками и твёрдыми шлакообразующими смесями. Для раскисления применяют металлический марганец марок МР-1, МР-2, алюминий первичный или алюминий марки АВ-97, ферросилиций марки ФС-65, феррофосфор.

Защиту металла в сталеразливочном, промежуточном ковшах и в кристаллизаторе от вторичного окисления и азотирования осуществляют засыпкой шлакообразующей смесью. Защиту струи металла из сталеразливочного ковша в промежуточный, из промежуточного ковша в кристаллизатор осуществляют металлопроводом с подводом струи металла под уровень.

В 1998 г. введена в строй современная установка непрерывной разливки стали. Высокая скорость разливки на криволинейной установке, более качественная защита струи металла от вторичного окисления по сравнению с УНРС вертикального типа изменили структуру литого металла, состояние мелкодисперсных неметаллических включений и уменьшили их количество на 0,006-0,011%. Содержание азота в стали уменьшилось в среднем на 0,002%.

Горячие слябы кремнистой стали после непрерывной разливки характеризуют повышенной склонностью к трещинообразованию. В конвертерном цехе имеется оборудование для термостатирования и отжига слябов высоколегированных марок сталей.

Горячая прокатка

Горячую прокатку слябов осуществляют на непрерывном широкополосном стане 2000 с производством горячекатаного проката (2,0-2,5)×(1080-1280) мм.

Горячая прокатка изотропной электротехнической стали, как и выплавка, оказывает значительное влияние на магнитные и механические свойства готовой стали, так как характер формирующихся при высокотемпературной деформации структуры и текстуры влияет на поведение материала при последующих операциях холодной прокатки и рекристаллизации, а, следовательно, и на качество готового металла.

Большое значение для магнитных свойств стали имеет температура нагрева слябов. По сравнению с анизотропной сталью температуру томления слябов изотропной стали устанавливают ниже, что позволяет ограничить переход фазообразующих элементов в твёрдый раствор. Имеющиеся в слябах относительно крупные включения AlN и MnS могут в случае их растворения при нагреве слябов перед прокаткой и последующем быстром охлаждении в процессе горячей прокатки выделиться в виде мелкодисперсных частиц, что заметно ухудшает магнитные свойства стали [4]. При этом минимальная температура горячей прокатки определяется по максимальным силовым нагрузкам при прокатке на стане.

С этих позиций оптимальная температура нагрева слябов составляет 1180-1260° С.

Нормализация

В последние годы в производстве изотропной электротехнической стали в нашей стране достигнут определённый прогресс, связанный прежде всего с термообработкой высоколегированного (~ 3% Si) подката в печи нормализации Новолипецкого комбината. Эта операция является одной из главных в технологической цепи и позволяет при определённых условиях обеспечить возможность формирования на последующих переделах оптимального сочетания структурных и текстурных параметров и в конечном счёте высокого уровня магнитных свойств (рис. 21).

Рис. 21. Зависимость удельных магнитных потерь P1,5/50 (а) и магнитной индукции B2500 (б) изотропной электротехнической стали от содержания кремния: 1 - без нормализационного отжига; 2 - с отжигом при температуре 800-900о С

В стали с нормализационным отжигом уменьшаются удельные магнитные потери Р1,5/50 на 0,15-0,28 Вт/кг (рис 21, а) и увеличивается магнитная индукция B2500 на 0,015-0,025 Тл (рис. 21, б) по сравнению со сталью без нормализации. При горячей прокатке нелегированной стали (Тк.п. = 830-850о С) без душирования горячекатаных полос нормализация способствует укрупнению структуры стали, образованию благоприятной текстуры и улучшению магнитных свойств.

Травление

Травление горячекатаных полос производят в непрерывных травильных агрегатах (НТА) горизонтального типа в растворе соляной кислоты с максимальной скоростью в выходной части 500 м/мин. Промывку полосы производят в холодной ванне водой под давлением с последующей промывкой водой с температурой ≥ 90о С. Сушку полосы производят подачей снизу и сверху на полосу воздуха, нагретого до 90-100о С. Наносят на поверхность пассивирующие растворы, предохраняющие металл от коррозии. В результате травления происходит наводороживание металла, что способствует повышению его твёрдости. Для устранения неравномерного травления применяют кислотные растворы с добавлением ингибиторов (25% каталина, 25% уротропина, 25% концентрированной соляной кислоты и 25% воды).

Холодная прокатка

Холодная прокатка производится на непрерывном четырёхклетьевом стане 1400 на конечную толщину до 0,35 мм с использованием высокоэффективных технологических смазок и возможностью контроля поперечного профиля полосы. При холодной прокатке изотропной стали оптимальный режим обжатий составляет Еопт = 70-75%. Обеспечивается достижение высокого уровня магнитных свойств и минимальной магнитной анизотропии. При уменьшении конечной толщины изотропной электротехнической стали с 0,65-0,50 до 0,35-0,15 мм снижаются потери на перемагничивание за счёт уменьшения вихретоковой составляющей, по при этом процесс формирования высокосовершенной текстуры (100) [001] при вторичной рекристаллизации является неустойчивым.

Обезуглероживающе-рекристаллизационный отжиг

Термическая обработка в агрегате непрерывного отжига (АНО) с проходной печью общей длиной 260 м включает в себя обезуглероживающий отжиг (камера обезуглероживающего отжига длиной 160 м) и высокотемпературный рекристаллизационный отжиг при температуре не более 1050о С (камера рекристаллизации 25 м).

Обезуглероживание проводят в протяжных термических агрегатах в условиях прямого доступа увлажнённой азотоводородной газовой смеси к обеим поверхностям полосы, нагретой до 800-860о С.

Механизм обезуглероживания состоит из двух процессов - химической реакции

H2O+Cме → CO↑+H2                                       (5)

на поверхности без образования метана и диффузии углерода внутри стали к поверхности.

Углерод с железом образует растворы внедрения. Растворимость углерода в феррите значительно меньше, чем в аустените. Это обусловлено тем, что в реальной решётке железа имеются дефекты, особенно многочисленные по границам зёрен. В α-железе углерод преимущественно диффундирует по границам зёрен. В аустените углерод диффундирует как по границам зёрен , так и через сами зёрна [14].

Рекристаллизационный отжиг является технологической операцией, в процессе которой формируются кристаллографическая и доменная структуры, а также кристаллическая текстура, определяющие магнитные и механические свойства стали.

В последнее время в процессе выплавки изотропной электротехнической стали применяется легирование фосфором. Фосфор имеет более высокую электропроводность, чем кремний, он повышает индукцию и проницаемость, кубическую составляющую текстуры, размер зерна, твёрдость, предел текучести и отношение σт/σв и уменьшает удельные магнитные потери, поэтому было получено соотношение, учитывающее влияние фосфора[15]

Tз.о. = 3,7∙[%Si]1/2/[%P]+800±10 оC,                                (6)

где Si, P - содержание в стали кремния и фосфора.

Из соотношения (6) видно, с увеличением содержания в стали кремния Tз.о. увеличивается, а с увеличением содержания фосфора - уменьшается.

Легирование стали фосфором и выбор температуры заключительного отжига по соотношению [16, 17] позволили для отдельного сортамента исключить из технологического процесса энергоёмкую операцию - нормализационный отжиг.

Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи в пакетах магнитопроводов, на поверхность металла наносят электроизоляционное покрытие (оксидные плёнки, органические лаки и краски, неорганические фосфато-магнивые покрытия).

1.2 Патентный поиск

Таблица 2

1.3 Обоснование выбранного направления

В нашей стране разработано большое количество железокремнистых сплавов, различных по химическому составу, технологии изготовления, по сечению магнитных и немагнитных характеристик. Область применения этих сплавов характеризуется чрезвычайно широкими пределами. Эти материалы используют в различных устройствах, приборах радиосвязи, автоматики, реле, электродвигателях и элементах вычислительной техники. В современных условиях, когда на мировом рынке постоянно растут цены на топливо и электроэнергию, особое значение приобретает использование экономичных электротехнических сталей с набором оптимальных требуемых свойств, обеспечивающих снижение потерь дорожающей энергии.

В последние годы в производстве электротехнических сталей в нашей стране достигнут определенный прогресс, связанный с большим количеством исследований в этой области. Высокий уровень магнитных характеристик можно получить оптимизацией уже существующих технологий производства и разработкой новых видов продукции.

Изменение каждого параметра технологической схемы оказывает большое влияние на структуру, распределение неметаллических включений в стали, текстуру и на другие характеристики, а, следовательно, на магнитные свойства стали.

Данное исследование спланировано таким образом, чтобы получить как можно более полную картину структурного и текстурного состояния изотропной электротехнической стали на различных технологических переделах в вакуумированной и невукуумированной сталях. Различные схемы обработки дают возможность проследить динамику изменения различных факторов. В результате можно выбрать оптимальную схему обработки для получения более высоких магнитных свойств. Это даёт возможность, варьируя технологическими режимами, получать оптимальную структуру и текстуру стали и, в итоге, высокий уровень магнитных свойств, что позволяет увеличить выпуск стали более качественных марок.

1.4 Цель исследования

Исследовать структуру и текстуру вакуумированной и невакуумированной изотропной электротехнической стали после горячей прокатки, нормализации и окончательной термической обработки.

Изучить влияние углерода на формирование структуры и текстуры стали.

Проверить предположение Шимидзу И., Ито И., Ида И. о том, что углерод положительно влияет на образование кубической текстуры [18].

Изучить влияние изменения структуры и текстуры на магнитные свойства изотропной электротехнической стали.

2. Методика исследования

.1 Материал и обработка

В качестве материала исследования использовалась изотропная электротехническая сталь 3 группы легирования, производства ОАО «НЛМК». Выплавка, разливка и другие операции, включая горячую прокатку, нормализацию, холодную прокатку и конечный отжиг, производились согласно действующей технологической инструкции.

Для исследований отбирался вакуумированный и невакуумированный металл проходивщий нормализацию и без неё. Химический состав плавок приведён в таблице 3.

Таблица 3

После разливки слябы загружались в нагревательные колодцы для снижения скорости охлаждения с целью уменьшения количества трещин.

Предварительно перед горячей прокаткой металл в виде слябов подвергался нагреву в методических печах и выдерживался 4 часа.

Горячая прокатка производилась на стане 2000 до толщины готовой полосы 2,0-2,2 мм при температурах 1 150о С (для невакуумированного с нормализацией металла), 1 050-1 060о С (для вакуумированного металла), 930-980о С (для невакуумированного без нормализации металла).

Часть плавок подвергалась нормализации при температуре 850оС.

Перед холодной прокаткой металл подвергался травлению в соляной кислоте для удаления окалины.

Холодная прокатка проводилась на стане 1 400 с толщины 2,0-2,2 мм на толщину 0,5 мм. Обрезку утолщённых концов полосы производили на агрегате подготовки холоднокатаных рулонов.

После холодной прокатки металл был подвергнут рекристаллизационному отжигу в АНО при температурах 970-980о С (для основной части плавок) и 1 010-1 020о С (для вакуумированного с нормализацией металла) при скорости движения полосы 30 м/мин.

Образцы отбирались от каждой плавки после всех технологических операций: горячей прокатки, нормализации (для части плавок), холодной прокатки и конечного обезуглероживающе-рекристаллизационного отжига.

2.2 Методы исследования

.2.1 Приготовление шлифов

Образцы для исследования микроструктуры вырезались из листового металла и имели размер 3×3 см. приготовление шлифов проводилось в следующей последовательности: шлифовка грубая и тонкая; полировка; травление. Шлифовка и полировка производились механическим способом на шлифовально-полировальном станке Saphir - 560 фирмы «ATM GmbH» (Германия) в ручном режиме. После полировки образец промывался водой и высушивался с помощью фильтровальной бумаги.

Травление производилось в 5%-ном спиртовом растворе азотной кислоты в течение 10-15 секунд, после травления образцы промывались в спирте, воде и высушивались.

Образцы для исследования текстуры вырезались квадратной формы со сторонами не более 3-х см. Изучение образцов производилось послойно. Для этого поверхностный слой образца удалялся на требуемую глубину (1/4 h - промежуточный слой, 1/2 h - середина, где h - толщина образца). Удаление поверхности производилось на заточном станке на глубину менее требуемой с постоянным охлаждением водой во избежание нагрева, дальнейшая обработка до требуемой глубины производилась вручную на шлифовальной бумаге.

Для дальнейшего выравнивания поверхности и удаления оставшихся рисок производилась химическая полировка в растворе, состоящем из 100 мл пергидроли (40%-ного раствора перекиси водорода H2O2) и 4 мл плавиковой кислоты HF. После полировки образец промывался в растворе хромистого ангидрида во избежание окисления на воздухе, после чего образец промывался в воде и высушивался.

2.2 Определение величины зерна

Средний размер зерна определялся методом случайных секущих при 100×кратном увеличении светового микроскопа при помощи линейки окуляр - микрометра, длина которой при данном увеличении составляет 160 мкм. Исследуемыё образец устанавливался на микроскоп и подсчитывалось количество зёрен (число пересечений), укладывающихся на всей длине линейки окуляра. Для увеличения точности измерения таких подсчётов делалось не менее восьми в разных участках шлифа (общее количество подсчитанных зёрен для горячекатаной и нормализованной стали составляет около 500, для готовой стали - 100). Средний размер зерна определялся по формуле:

L=160/N, мкм.,                                                  (7)

где N - количество пересечений границами зёрен линейки окуляр - микрометра.

2.3 Определение глубины рекристаллизованной зоны

Глубину рекристаллизации измеряли при помощи линейки окуляр - микрометра устанавливая её перпендикулярно поверхности образца.

2.4 Исследование текстуры

Исследование текстуры металла производилось методом обратных полюсных фигур на рентгеновском дифрактометре XRD - 6000 фирмы «Schimadzu Deutschland GmbH» (Германия). Съёмка велась в молибденовом излучении (Кa = 0,71069Å). Запись линий велась в интегральном режиме с шагом 0,05о. При съёмке определялись полюсные плотности P(hkl) ориентировок {200}<uvw>, {211}<uvw>, {220}<uvw>, {310}<uvw>, {222}<uvw>, {321}<uvw> (максимальная погрешность составила 8%).

Для текстуры прокатки рассматриваемыми направлениями являются: направление прокатки, поперечное направление и нормаль к поверхности. Съёмку проводят с поверхности шлифов, перпендикулярных нормалям к листу и поперечному направлению. При съёмке плоскость образца устанавливается перпендикулярно плоскости гониометра, и также как при обычном фазовом анализе регистрируют кривую интенсивности I(Θ). В нетекстурованном образце кристаллы расположены хаотично по отношению к плоскости образца, поэтому интенсивность Ihkl обусловлена только соответствующими множителями интенсивности (структурным, угловым и геометрией съёмки).

Возникает потребность в способе описания текстур, при котором индексы основных направлений образца определяются непосредственно, а рассеяние текстуры характеризуется количественно. Этим требованиям удовлетворяют обратные полюсные фигуры (ОПФ). Они представляют собой стандартную стереографическую проекцию полюсов основных плоскостей в кристалле, имеющих сравнительно небольшие индексы (hkl), причём каждому полюсу соответствует свой определённый статистический «вес». Последний представляет собой меру совпадения данной нормали к кристаллографической плоскости с одним из выбранных основных направлений в образце.

Метод ОПФ позволяет получить неискажённые данные о рассеянии текстуры. Методика даёт возможность построить ОПФ, если известно распределение полюсной плотности. Вершинами стереографического треугольника являются три главных направления: [001], [111] и [110] для кубической решетки. При этом около каждого полюса Nhkl

Процесс съёмки полностью автоматизирован, результаты выводятся на экран монитора компьютера в виде графика с характерными «пиками» либо (в зависимости от настройки) в виде гистограммы.

2.5 Магнитные испытания

Магнитные характеристики изотропной электротехнической стали: удельные потери P1,5/50, магнитная индукция B2500, анизотропия удельных потерь ∆P1,5/50 и анизотропия магнитной индукции ∆B2500 определялись на образцах размером 305×30 мм в 25 - сантиметровом аппарате Эпштейна. Масса образца 0,5 кг. От партии испытывались два образца: один - из проб, нарезанных вдоль направления прокатки, другой - из проб, нарезанных поперёк направления прокатки. Угол между направлением прокатки и нарезки должен отличаться от заданного не более чем на 5о.

Испытания проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 12119-80 «Сталь электротехническая. Методы определения магнитных свойств». Удельные потери и магнитная индукция испытывались в разных аппаратах на долевой и поперечной пробах и за результат принималось среднеарифметическое значение. Анизотропия магнитной индукции и удельных потерь бралась как разница между долевой и поперечной магнитной индукцией и удельными потерями соответственно. Погрешность измерения согласно описанной методике составила 2,5% для удельных потерь и 1,5% для магнитной индукции соответственно.

3. Статистическая обработка результатов

Экспериментальные данные подвергаются статистической обработке с определением следующих характеристик:

) среднее арифметическое значение величины Х из n измерений:

изотропный сталь электротехнический производство

                                                (8)

2) абсолютная погрешность отдельных измерений:

                                                    (9)

3) средняя квадратичная ошибка результатов измерений:

                                      (10)

4) доверительный интервал, внутри которого находится истинное значение оцениваемой величины:

                                          (11)

5) окончательный результат записывается в виде:

                                                       (12)

6) относительная погрешность результата измерений вычисляется по формуле:

                                                   (13)

В данной исследовательской работе статистической обработке подвергался определённый размер зерна.

4. Экспериментальная часть

.1 Исследование влияния углерода на формирование структуры изотропной электротехнической стали по переделам

С помощью методов оптической микроскопии были проведены исследования структуры изотропной электротехнической стали с вакуумированием и без по переделам. Химический состав приведён в табл. 3.

4.1.1 Структура горячекатаного подката

Микроструктура горячекатаной полосы представляет собой рекристаллизованную зону глубиной 300-700 мкм от поверхности с равноосными зёрнами, с вытянутыми полигонизованными зёрнами в остальной части полосы с равномерно расположенными по сечению строчками перлита (рис 22). Глубина рекристаллизованной зоны, размер равноосных зёрен, количество перлита и его форма определяются химическим составом стали и режимом горячей прокатки. В целом видно что в невакуумированом металле глубина рекристаллизованной зоны и размер зерна больше, чем в вакуумированном.

Для снятия внутренних напряжений, увеличения рекристаллизованной зоны и получения однородной структуры, часть плавок подвергалась нормализационному отжигу.

Из рисунков видно, что в центральной части полосы нормализованного металла наблюдается полигонизованная зона с переходом на зону с частичной рекристаллизацией, а затем на зону с полностью рекристаллизованными зёрнами (рис. 23, 24).

Данные по структуре горячекатаного подката приведены в таблице 4

Таблица 4. Структура стали горячекатаного подката

В результате обнаружено, что после нормализации, в отличие от горячей прокатки, размер зерна, как на поверхности, так и в центре, больше в вакуумированном металле. Углеродсодержащая фаза в невакуумированом металле представлена в виде вытянутых строчек перлита, расположенных равномерно по плоскости шлифа.

4.1.2 Структура рекристаллизованного металла

После окончательного обезуглероживающе-рекристаллизационного отжига структура металла представлена равноосными рекристаллизованными зёрнами. Средний размер зёрен колеблется от 60 до 110 мкм. В целом из полученных данных видно, что в невакуумированом металле размер зерна с нормализацией и без неё отличается не сильно, но в ненормализованном отмечена довольно заметная разнозернистость, что отрицательно сказывается на магнитных свойствах (рис. 25, 26). В вакуумированном металле с нормализацией размер зерна сильно отличается того же металла без нормализации, в нормализованном металле зерно крупнее более чем в 1,5 раза (в среднем на 39 мкм), кроме того, в металле, не подвергавшемся нормализации наблюдается сильная разнозернистость (рис. 27, 28). Из всех плавок самое крупное зерно в вакуумированном нормализованном металле (99 мкм), самое мелкое в вакуумированном ненормализованном (60 мкм). Данные по структуре образцов готовой стали приведены в таблице 5.

Таблица 5. Структура стали после обезуглероживающе-рекристаллизационного отжига

В невакуумированом металле в результате обезуглероживания происходит внутреннее окисление (это отчётливо видно на фотографиях), что крайне негативно сказывается на магнитных свойствах.

.2 Исследование влияния углерода на формирование текстуры изотропной электротехнической стали по переделам

Для изучения влияния углерода на текстуру изотропной электротехнической стали по переделам был проведён текстурный анализ по сечению полос после каждого вида обработки. Плотность компонент текстуры для горячекатаного и нормализованного металла определялась на поверхности полосы, в центре и в переходной зоне, для холоднокатаного и готового металла - на поверхности и в центре полосы.

Для удобства анализа текстуры был посчитан текстурный коэффициент К равный отношению суммы полюсной плотности благоприятных, с точки зрения магнитных свойств, компонент текстуры (200), (220) и (310) к сумме неблагоприятных - (211), (222) и (321).

K = (P200+P220+P310)/(P211+P222+P321)                                 (14)

4.2.1 Текстура вакуумированной стали

Результаты исследования текстуры вакуумированной стали представлены в таблице 6 и на рис. 29-36. В горячекатаном металле количество кубической компоненты (наиболее благоприятной) увеличивается от поверхности к центру возрастая в несколько раз (в среднем в 3-4 раза). Ребровая компонента присутствует только на поверхности, её плотность составляет порядка 26-28%. Октаэдрическая составляющая имеет наибольшую плотность в промежуточном слое, немного меньше её (2-5%) в центре и в 3-3,5 раза данной компоненты меньше на поверхности, чем в промежуточном слое.

После нормализации распределение компонент текстуры в целом не изменилось, количество кубической компоненты возрастает в промежуточном слое, а октаэдрической компоненты - в центре, на поверхности количество этих составляющих по-прежнему относительно мало. Ребровая ориентировка присутствует только в поверхностном слое, её плотность составляет около 30%.

Характерной особенностью горячекатаного и нормализованного металла является неоднородное распределение текстурных компонент по сечению полосы.

Рис. 29. Распределение компонент текстуры в вакуумированной стали после горячей прокатки ( - кубическая компонента;  - ребровая компонента;  - октаэдрическая компонента)

Рис. 30. Распределение компонент текстуры в вакуумированной стали после нормализации ( - кубическая компонента;  - ребровая компонента;  - октаэдрическая компонента)

После холодной прокатки выявлено повышение количества кубической ориентировки в стали прошедшей нормализацию. Ребровая компонента присутствует только в центре, в обоих случаях её количество одинаково и не очень значительно около 4%, что говорит об отсутствии её наследования после предыдущей обработки. Полюсная плотность октаэдрической ориентировки в металле с нормализацией и без нормализации отличается незначительно и составляет (как на поверхности, так и в центре) до 34%, т.е. её количество после холодной прокатки увеличивается.

Рис. 31. Распределение компонент текстуры в ненормализованной вакуумированной стали после холодной прокатки ( - кубическая компонента;  - ребровая компонента;  - октаэдрическая компонента)

Рис. 32. Распределение компонент текстуры в нормализованной вакуумированной стали после холодной прокатки ( - кубическая компонента;  - ребровая компонента;  - октаэдрическая компонента)

В стали прошедшей окончательный обезуглероживающе-рекристаллизационный отжиг полюсная плотность кубической составляющей текстуры в вакуумированной стали на поверхности и в центре приблизительно одинакова (с разницей в 1% в ту или иную сторону). Ребровая ориентировка представлена только в центре, при этом нормализация увеличивает содержание данной компоненты в 3 раза. Октаэдрической составляющей (и близкой к ней ориентировок (211), (321)) в готовом металле довольно большое количество: около 70% на поверхности, в центре 60% для стали без нормализации и 35-45% в стали проходившей нормализацию. Таким образом нормализация уменьшает количество октаэдрической и близкой к ней неблагоприятных в центре на 15-25%.

Рис. 33. Распределение компонент текстуры в готовой ненормализованной вакуумированной стали ( - кубическая компонента;  - ребровая компонента;  - октаэдрическая компонента)

Рис. 34. Распределение компонент текстуры в готовой нормализованной вакуумированной стали ( - кубическая компонента;  - ребровая компонента;  - октаэдрическая компонента)

Таблица 6. Текстура вакуумированной стали по переделам

Рис. 35. Гистограмма распределения компонент полюсной плотности в вакуумированной ненормализованной стали по переделам ( - поверхностный слой,  - промежуточный слой,  - центр)

Рис. 36. Гистограмма распределения компонент полюсной плотности в вакуумированной нормализованной стали по переделам ( - поверхностный слой,  - промежуточный слой,  - центр)

После анализа полученных данных видно, что более благоприятная текстура в нормализованной стали (текстурный коэффициент K увеличился как на поверхности, так и в центре, причем в центре он увеличился очень значительно - в 2,5 раза).

4.2.2 Текстура невакуумированного металла

Результаты исследования текстуры вакуумированной стали представлены в таблице 7 и на рис. 37-44. В горячекатаном металле количество кубической компоненты увеличивается от поверхности к центру возрастая в несколько раз (до 8 раз). Ребровая компонента присутствует в основном на поверхности, плотность данной компоненты составляет порядка 34-39%, хотя в некоторых образцах она встречается и в промежуточном слое (до 8%). Количество октаэдрической ориентировки возрастает от поверхности к центру ,в некоторых образцах до 4 раз, и достигает 27% (максимум).

После нормализации тенденция распределения текстурных компонент в целом не меняется. Количество кубической компоненты возрастает в промежуточном слое (около 70%), а октаэдрической - в центре (до 30%), на поверхности количество этих составляющих по-прежнему относительно мало (около 10%), при этом октаэдрической ориентировки в промежуточном слое нет. Ребровая компонента присутствует только на поверхности, её количество постоянно и составляет порядка 35%.

После горячей прокатки и нормализации отмечено неоднородное распределение текстурных компонент по сечению полосы.

После холодной прокатки выявлено повышение количества кубической ориентировки в стали прошедшей нормализацию. В центре количество данной компоненты увеличилось на 10%. Ребровая компонента присутствует только в центре и только в ненормализованном металле, суммарная полюсная плотность ребровой ориентировки и близкой к ней (310) составляет до 7%. Полюсная плотность октаэдрической ориентировки после холодной прокатки составляет (как на поверхности, так и в центре) до 34%. Таким образом, операция нормализации горячекатаного металла не влияет на количество октаэдрической компоненты, но после холодной прокатки её количество увеличивается. Суммарная полюсная плотность ориентировки (222) и близких к ней ориентировок (211) и (321) достигает 55%.

После обезуглероживающе-рекристаллизационного отжига распределение кубической компоненты представлено следующим образом: в стали не проходившей нормализацию плотность кубической ориентировки на поверхности достигает 25%, в центре - 16%. Нормализация увеличивает количество данной компоненты текстуры на поверхности на 4%, а в центре на 9% (с 16% до 25%). Ребровая ориентировка в ненормализованном металле представлено только в центре, суммарная полюсная плотность компоненты (220) и близкой к ней компоненты (310) составляет до 35%; в нормализованном металле ребровая компонента (220) и близкая к ней компонента (310) кроме центра (около 25% ) представлена ещё и на поверхности (около 17% ). Октаэдрической составляющей (и близкой к ней ориентировок (211), (321)) в готовом металле довольно большое количество: около 70% на поверхности, в центре 50% для стали без нормализации; и около 52% на поверхности и порядка48% в центре, в стали проходившей нормализацию. Таким образом нормализация уменьшает количество октаэдрической и близкой к ней неблагоприятных компонент на 20% на поверхности, в центре это уменьшение не так заметно - всего 3%.

Рис. 37. Распределение компонент текстуры в невакуумированной стали после горячей прокатки ( - кубическая компонента;  - ребровая компонента;  - октаэдрическая компонента)

Рис. 38. Распределение компонент текстуры в невакуумированной стали после нормализации ( - кубическая компонента;  - ребровая компонента;  - октаэдрическая компонента)

Рис. 39. Распределение компонент текстуры в ненормализованной невакуумированной стали после холодной прокатки ( - кубическая компонента;  - ребровая компонента;  - октаэдрическая компонента)

Рис. 40. Распределение компонент текстуры в нормализованной невакуумированной стали после холодной прокатки ( - кубическая компонента;  - октаэдрическая компонента)

Рис. 41. Распределение компонент текстуры в готовой ненормализованной невакуумированной стали ( - кубическая компонента;  - ребровая компонента;  - октаэдрическая компонента)

Рис. 42. Распределение компонент текстуры в готовой нормализованной невакуумированной стали ( - кубическая компонента;  - ребровая компонента;  - октаэдрическая компонента)

Таблица 7. Текстура невакуумированной стали по переделам

Рис. 43. Гистограмма распределения компонент полюсной плотности в невакуумированной ненормализованной стали по переделам( - поверхностный слой,  - промежуточный слой,  - центр)

Рис. 44. Гистограмма распределения компонент полюсной плотности в невакуумированной нормализованной стали по переделам ( - поверхностный слой,  - промежуточный слой,  - центр)

После анализа полученных данных видно, что более благоприятная текстура в нормализованной стали (текстурный коэффициент K увеличился как в центре (на 0,1), так и на поверхности (в 2 раза)).

4.3 Исследование магнитных свойств

Исследование магнитных свойств стали заключалось в определении удельных магнитных потерь P1,5/50, магнитной индукции B2500, анизотропии удельных магнитных потерь ∆P1,5/50 и анизотропии магнитной индукции ∆B2500 образцов после окончательной термообработки. Значения этих показателей приведены в таблице 8 и на рис. 44, 45.

Таблица 8. Магнитные свойства исследуемых сталей

Рис. 45. Гистограмма удельных магнитных потерь P1,5/50 в изотропной электротехнической стали

Рис. 46. Гистограмма анизотропии удельных магнитных потерь ΔP1,5/50 в изотропной электротехнической стали

Рис. 47. Гистограмма магнитной индукции B2500 в изотропной электротехнической стали

Рис. 48. Гистограмма анизотропии магнитной индукции ΔB2500 в изотропной электротехнической стали

В результате проведённых исследований выявлено, что самые низкие удельные магнитные потери и анизотропия удельных магнитных потерь и магнитной индукции в вакуумированной нормализованной стали. Наибольшая магнитная индукция в невакуумированной нормализованной стали. Худшие магнитные свойства имеет вакуумированная ненормализованная сталь.

4.4 Обсуждение результатов

Работы по изучению изотропных электротехнических сталей говорят о комплексном влиянии многих факторов на магнитные свойства данного материала. В данной научно-исследовательской работе этот факт также подтверждается.

Для исследования подбирались образцы плавок близкого химического состава, но с разным содержанием углерода, т.е. вакуумированный и невакуумированный металл. Часть металла не подвергалась нормализации. Было рассмотрено влияние углерода на формирование структуры и текстуры стали по технологическим переделам.

В результате анализа полученных данных было выявлено, что в невакуумированом металле после горячей прокатки глубина рекристаллизованной зоны больше, чем в вакуумированном в среднем в 2 раза (около 650 мкм.); размер зерна также больше не 15 мкм.

После нормализации стали происходит увеличение размеров зерна на поверхности до 55-57 мкм, а в центре в невакуумированом металле до 75 мкм, в вакуумированном - до 100 мкм; следовательно прямого наследования размеров зерна не наблюдается. Полученные данные хорошо коррелируют с данными о торможении процессов рекристаллизации примесными атомами [19], в данном случае атомами углерода.

После обработки на АНО выявлена следующая тенденция: в стали не проходившей нормализацию размер зерна больше в невакуумированной стали, кроме того, в вакуумированном металле отмечена сильная разнозернистость (от 30 мкм до 250 мкм), что отрицательно сказывается на магнитных свойствах изотропной электротехнической стали. В нормализованной стали картина обратная т.е. в вакуумированной стали размер зерна больше на 15 мкм и достигает 100 мкм, что приближается к оптимальным значениям.

Также после обезуглероживания невакуумированной стали выявлено появление зоны внутреннего окисления, что негативно отражается на магнитных свойствах (поскольку, по современным представлениям увеличение глубины ЗВО на 1 мкм приводит к увеличению удельных магнитных потерь на 0,01 Вт/кг).

В настоящее время одним из основных резервов снижения удельных магнитных потерь и увеличения магнитной индукции в изотропной электротехнической стали является увеличение доли кубических компонент текстуры, поэтому формированию текстуры в последнее время уделяется всё большее внимание.

Анализ данных исследования текстуры позволяет говорить о сложности и неравномерности распределения компонент текстуры по сечению полосы металла после горячей прокатки и нормализации вакуумированной и невакуумированной стали. Несмотря на это, выявлены общие закономерности в распределении текстурных компонент. Так, в горячекатаном металле количество кубической компоненты в увеличивается от поверхности к центру возрастая в несколько раз и достигая 70% (как для вакуумированной, так и для невакуумированной стали), ребровая компонента присутствует только на поверхности, её плотность составляет порядка 26-28% для вакуумированной стали и 34-39% - для невакуумированной стали. Количество октаэдрической ориентировки возрастает от поверхности к центру, в некоторых образцах до 4 раз, и достигает 27% (максимум в невакуумированной стали).

После холодной прокатки выявлено повышение количества кубической ориентировки в стали, прошедшей нормализацию. Ребровая компонента присутствует только в центре и во всех случаях её количество одинаково и не очень значительно (около 4%), что говорит об отсутствии её наследования после предыдущей обработки. Полюсная плотность октаэдрической ориентировки в металле с нормализацией и без нормализации отличается незначительно и составляет (как на поверхности, так и в центре) 33-36%, т.е. её количество после холодной прокатки увеличивается.

В вакуумированной стали, прошедшей окончательный обезуглероживающе-рекристаллизационный отжиг, полюсная плотность кубической составляющей текстуры на поверхности и в центре приблизительно одинакова: (разница около 1%). В невакуумированной стали без нормализации плотность кубической ориентировки на поверхности и в центре довольно сильно различается достигая 25% на поверхности и 16% в центре. Нормализация увеличивает количество данной составляющей текстуры на поверхности на 4%, а в центре на 9% (с 16% до 25%). Ребровая ориентировка в вакуумированном металле представлена только в центре, при этом нормализация увеличивает содержание данной компоненты в 3 раза. В невакуумированной стали ребровая ориентировка в ненормализованном металле представлено только в центре, суммарная полюсная плотность компоненты (220) и близкой к ней компоненты (310) составляет до 35%. В нормализованном металле ребровая компонента (220) и близкая к ней компонента (310) кроме центра (около 25% ) представлена ещё и на поверхности (около 17% ). Октаэдрической составляющей (и близкой к ней ориентировок (211), (321)) в текстуре готового ненормализованного металла довольно большое количество: около 70% на поверхности (для обоих вариантов обработки), в центре 60% для вакуумированной стали и 50% для невакуумированной стали.

Нормализация уменьшает количество октаэдрической и близкой к ней неблагоприятных компонент в вакуумированной стали в центре на 15-25%, в невакуумированной на поверхности на 20%.

В результате комплексного воздействия всех вяшеизложенных факторов лучшие магнитные свойства отмечены в вакуумированной нормализованной стали. Предположение Шимидзу И., Ито И., Ида И. о том, что углерод положительно влияет на образование кубической текстуры, подтвердилось. Его влияние обусловлено торможением дислокаций примесными атомами углерода, в результате чего скольжение дислокаций идёт по другому механизму. Это способствует увеличению доли кубической ориентировки, что приводит к увеличению магнитной индукции на 0,01 Тл. Однако, несмотря на более высокую полюсную плотность кубической ориентировки в невакуумированом металле, наличие зоны внутреннего окисления снижает магнитные свойства изотропной электротехнической стали, в частности увеличиваются удельные магнитные потери.

Нормализация для обоих типов металла сказывается положительно на магнитных свойствах, что обусловлено наличием более однородной структуры снятием внутренних напряжений и увеличением рекристаллизованной зоны перед холодной прокаткой.

Лучшие магнитные свойства имеет вакуумированная нормализованная сталь, худшие - вакуумированная ненормализованная, что обусловлено большой разнозернистостью и низким отношением суммы полюсной плотности благоприятных, с точки зрения магнитных свойств, компонент текстуры (200), (220) и (310) к сумме неблагоприятных - (211), (222) и (321).

Выводы

. Изучены структура и текстура вакуумированной и невакуумированной стали по переделам после горячей прокатки, нормализации, холодной прокатки и конечного отжига, и магнитные свойства готовой стали.

. Вакуумирование способствует в горячекатаной стали уменьшению глубины рекристаллизованной зоны и снижению размеров зерна.

Текстура вакуумированной и невакуумированной стали после горячей прокатки существенных отличий не имеет: плотность кубической ориентировки увеличивается от поверхности к центру достигая 70%, ребровая компонента присутствует только на поверхности (вакуумирование снижает её плотность с 35 до 25%), количество октаэдрической компоненты возрастает от поверхности к центру достигая до 27%.

. Нормализационная обработка горячекатаной стали способствует протеканию рекристаллизации, при этом в вакуумированном металле по сравнению с невакуумированным в центре зерно крупнее.

Тенденция распределения компонент текстуры не изменяется, при этом после вакуумирования наблюдается снижение плотности кубической ориентировки в промежуточном слое на 17%, а ребровой - на поверхности на 5%.

. После холодной прокатки наблюдается повышение количества кубической ориентировки в стали (с вакуумированием и без), прошедшей нормализацию. Полюсная плотность октаэдрической ориентировки в металле с нормализацией и без нормализации отличается незначительно и составляет (как на поверхности, так и в центре) 33-36%, т.е. её количество после холодной прокатки увеличивается.

. После окончательной обработки стали, не проходившей нормализацию, размер зерна больше в невакуумированной стали, кроме того, в вакуумированном металле отмечена сильная разнозернистость (от 30 мкм до 250 мкм. В нормализованной стали картина обратная т.е. в вакуумированной стали размер зерна больше на 15 мкм и достигает 100 мкм, что приближается к оптимальным значениям. В невакуумированной стали в результате обезуглероживающего отжига отмечено появление зоны внутреннего окисления.

В вакуумированной стали полюсная плотность кубической составляющей текстуры на поверхности и в центре одинакова. Ребровая ориентировка в ненормализованной стали представлена только в центре. Октаэдрической составляющей (и близкой к ней ориентировок (211), (321)) в готовом ненормализованном металле70% на поверхности в центре 50-60%.

Нормализация увеличивает количество кубической составляющей текстуры в невакуумированной стали, ребровой компоненты в вакуумированной стали в 3 раза; уменьшает количество октаэдрической и близких к ней неблагоприятных компонент (211), (321).

. Наилучшие магнитные свойства (на уровне марки 2412) получаются в вакуумированной нормализованной стали, что обусловлено отсутствием зоны внутреннего окисления, наличием сравнительно крупных равноосных зёрен и хорошим отношением благоприятных ориентировок текстуры к неблагоприятным (в центре К = 1,7), при этом в невакуумированной стали несмотря на более высокую плотность кубической составляющей текстуры (которая в данном случае даёт увеличение магнитной индукции на 0,01Тл) более высокие удельные магнитные потери..

. С целью получения высшего уровня магнитных свойств рекомендуется проводить вакуумирование и нормализацию ИЭТС 3 группы легирования.

5. Экономическая часть

.1 Сетевой график выполнения дипломной работы

С целью лучшей организации и контроля за ходом выполнения дипломной работы исследовательского характера составляется и рассчитывается сетевой график. Он позволяет рационально организовать рабочее время, порядок выполнения работ и контролировать процесс выполнения исследования в установленные сроки.

Составление перечня работ и первоначального варианта сетевого графика

Сетевой график включает три комплекса работ:

а) комплекс подготовительных работ;

б) проведение экспериментальных работ;

в) комплекс заключительных работ.

Общая продолжительность выполнения дипломной работы рассчитывается с момента окончания преддипломной практики и до 1июля, с учётом 40-часовой рабочей недели и двух выходных. Полученное время выполнения дипломной работы составляет 520 ч. и распределяется по этапам в соотношении 0,5:1,5:1,0. Следовательно на комплекс подготовительных работ приходится 86,7 ч., на проведение экспериментальных работ - 260 ч., на комплекс заключительных работ - 173,3 ч.

Таблица 9. Перечень работ, выполняемых в дипломной работе

Рис. 49. Сетевой график выполнения дипломной работы

Расчёт основных параметров сетевого графика в индексах работ

Основные параметры сетевого графика: ожидаемое время выполнения работ, ранние и поздние сроки начала и окончания работ, резервы работ.

Ожидаемое время выполнения работы:

tож = (tmin + 4tнв + tmax)/6,                                                                  (15)

tож = (3tmin + 2tmax)/5,                                                                (16)

где tmin - минимальное время, требуемое для выполнения работ при самых благоприятных условиях их протекания;

tmax - максимальное время, необходимое при самых неблагоприятных условиях;

tнв - наиболее вероятное время.

Порядок расчёта остальных параметров:

а) устанавливаем критический путь и его продолжительность

путь = 2 + 24 + 30 + 0 + 80 + 70 + 10 + 15 + 10 + 100 + 70 = 411 ч.,

путь = 2 + 60 + 5 + 80 + 70 + 10 + 15 + 10 + 100 + 70 = 422 ч.,

путь = 2 + 2 +20 + 2 + 10 + 10 + 0 + 10 + 15 + 10 + 100 + 70 = 251 ч.

Критический путь 2 имеет максимальную продолжительность и определяет общую длительность выполнения всего комплекса работ.

б) определяем ранние сроки начала и окончания работ, начиная с исходного события:

tijрн = max tni,                                                                               (17)

где tijрн - ранние сроки начала данной работы, ч.;

max tni - продолжительность предшествующих работ, ч.

tijро = tijрн + tij,                                                                            (18)

где tijро - ранние сроки окончания работы, ч.;

tij - продолжительность данной работы, ч.

в) определяем поздние сроки начала и окончания работ, начиная с завершающего события:

tijпн = Ткр - (tij + max tik),                                                            (19)

где tijпн - поздние сроки начала работ, ч.;

Ткр - продолжительность критического пути, ч.;

max tik - продолжительность последующих работ, ч.

tijпо = tijпн + tij,                                                                            (20)

где tijпо - поздние сроки окончания работ, ч.

г) определяем полный резерв работы:

Rij = tijпн - tijрн.                                                                            (21)

Результаты расчёта параметров заносим в таблицу 10.

Таблица 10. Параметры сетевого графика в индексах работ

5.2 Расчёт затрат

При проведении работы были определены следующие статьи затрат:

. Затраты на заработную плату;

. Затраты на сырьё, материалы и реактивы;

. Энергетические затраты;

. Затраты на воду;

. Затраты на амортизацию;

. Прочие затраты.

Затраты на заработную плату

Под исполнителями работ подразумеваются: студент - дипломник, руководители дипломной работы, консультанты и лаборанты привлекаемые к работе.

Заработная плата основная складывается из стипендии за время дипломной работы и зарплаты руководителей дипломной работы, консультантов, лаборантов, привлекаемых к работе. Дополнительная зарплата считается в процентах от зарплаты руководителей дипломной работы, консультантов, лаборантов и составляет 10-12%. Отчисления во внебюджетные фонды берутся в процентах от основной и дополнительной зарплаты и составляют 35,6%.

Таблица 10. Расчёт затрат на заработную плату

Затраты на сырьё, материалы и реактивы

Затраты на сырьё, материалы и реактивы для исследования определяются исходя из их количества.

Зм = ∑ Нм∙Цм,р.,                                                                                    (22)

где Нм - количество сырья (материалов, реактивов), которое пошло на исследования (в натуральном выражении);

Цм - цена материалов.

Таблица 11. Расчёт затрат на материалы, сырьё и реактивы.

Затраты на электроэнергию

Затраты на электроэнергию подсчитываются по формуле

Зээ = Цээ∙∑Мi∙ti∙mi, р.,                                                                           (23)

где Цээ - тариф на один кВтч, р./кВтч;

Мi - мощность i-того вида прибора или оборудования, кВт;

ti - время использования i-того вида оборудования, прибора, ч.;

mi - количество оборудования, приборов, шт.

Таблица 12. Расчёт энергетических затрат

Затраты на воду

Зв = Цв∙Vв, р.,                                                                               (24)

где Цв - цена воды, р/м3;

Vв - расход воды, м3.

Зв = 0,65∙3 = 1,95 р.

Амортизационные отчисления

Данные затраты определяются по формуле

Зам = ∑Соб.i∙Нам.i∙Тоб.i/(Т2∙100), р.,                                         (25)

где Соб.i - стоимость единицы прибора или оборудования, р;

Нам.i - норма амортизации прибора или оборудования, %;

Тоб.i - время использования оборудования в экспериментальной работе, дни;

Т2 - возможное число часов использования оборудования в течение года. При односменной работе равно 2100 часам.

Таблица 13. Расчёт затрат на амортизацию оборудования и приборов

Прочие затраты

Прочие затраты включают затраты на содержание администрации, зданий, охрану труда, технику безопасности, содержание библиотеки, общежития, на отопление, освещение, воду и т. д.

Величина прочих расходов принимается в процентах от затрат на заработную плату и составляет 30%.

Зпр = 0,3∙47374,5 = 14212,35 р.

Таблица 14. Сводная смета затрат

5.3 Расчёт экономического эффекта от применения полученных результатов

Повышение качества продукции связано с увеличением текущих затрат и с повышением оптовой цены продукции высшего качества. Расчёт эффекта производится по формуле:

Эк = [(Ц2-C2) - (Ц1-C1)]∙В, р.,                                                     (26)

где Ц1, Ц2 - оптовые цены продукции до и после повышения её качества, р./ед.;

C1, C2 - себестоимость единицы продукции до и после повышения её качества, р.;

В - годовой выпуск продукции, ед.

Эк = [(25 660-17 340)-(23 250-17 086)]∙7 330 = 15 803 480 р.

Для расчета полного экономического эффекта необходимо из полученного эффекта вычесть затраты на улучшения качества металла.

Полный экономический эффект составляет:

Э = 15 803 480-94 020,8 = 15 709 659,2 р.

6. Безопасность жизнедеятельности

.1 Анализ условий труда в лаборатории

Лаборатория расположена на втором этаже трёхэтажного здания инженерного корпуса ДИТ ОАО «НЛМК». Здание - бескаркасное с наружными несущими и ограждающими конструкциями стен из силикатного кирпича толщиной 64 см и внутренними стенами толщиной 38 см. Междуэтажные перекрытия (плиты ПК - 63 - 10), лестничные марши и площадки из тяжёлого бетона с арматурой класса А - I и А - II и защитным слоем из цементного раствора толщиной 2 см.

Лабораторное помещение с размерами L×B×H (12×6×3,2 м) имеет один выход в коридор с дверным проёмом 2,5×1,8 м. Расстояние от двери лаборатории до эвакуационного выхода - 20 м. Пожарный кран системы внутреннего пожаротушения расположен в коридоре на расстоянии 5,7 м от дверного проёма.

Естественное освещение лабораторного помещения - боковое через три оконных проёма с размерами 3×1,8 м. Искусственное освещение помещения лаборатории - общее с 23-мя люминесцентными лампами типа ЛД - 40 (мощность источника света - 40 Вт; мощность, потребляемая из сети - 100 Вт; габаритные размеры, мм: 1250×165×78,2).

Отопление - центральное, водяное, двухтрубное с верхней разводкой и чугунными радиаторами М - 140 обеспечивает температуру воздуха - 20 - 22˚ С; относительную влажность воздуха - 60 %; подвижность воздуха - 0,1 - 0,2 м/с. Для исключения ожога от труб и нагревательных приборов в подвальном помещении установлен элеватор, поддерживающий температуру на поверхности указанных элементов в пределах 60 - 70˚ С.

Ширина здания 18 м. Один продольный подъезд с твердым (асфальтовым) покрытием со стороны уличного фасада.

Вентиляция естественная и вытяжная. Отверстие зонта вытяжного шкафа имеет размеры: 1,8×2,85 м. Площадь пола лаборатории составляет 72 м2.

Число одновременно работающих в металловедческой лаборатории - не более 5 человек.

6.2 Опасные и вредные производственные факторы

К опасным производственным факторам относятся такие, воздействие которых на людей может привести к травмам и другим внезапным повреждения здоровья людей. В процессе выполнения данной исследовательской работы могут возникнуть следующие опасности:

механические повреждения при работе на шлифовальным станке;

поражение электрическим током.

К вредным производственным факторам относятся такие факторы, воздействие которых может привести к заболеванию либо снижению их работоспособности. Отрицательно влиять на санитарно-гигиенические условия труда при проведении исследований могут следующие факторы:

неудовлетворительные микроклиматические условия;

неудовлетворительная освещенность рабочих мест;

производственный шум;

пары и газы вредных химических веществ.

.3 Мероприятия по обеспечению безопасности труда

.3.1 Микроклимат

При выполнении работ по исследованию образцов на работающих воздействуют опасные вредные производственные факторы, представленные в таблице 16.

Таблица 16.Опасные и вредные факторы при проведении научного эксперимента

Показатели микроклимата должны обеспечивать сохранение теплового баланса человека с окружающей средой и поддержания оптимального или допустимого теплового состояния организма. Показателями, характеризующими микроклимат в производственных помещениях, являются (СанПиН 2.2.4.548 - 96):

температура воздуха;

температура поверхностей;

относительная влажность воздуха;

скорость движения воздуха.

Оптимальные показатели микроклимата распространяются на всю рабочую зону. Допустимые показатели устанавливаются дифференцировано для постоянных и непостоянных рабочих мест.

Проводимая исследовательская работа относится к категории Iб, к которой относятся работы с интенсивностью энергозатрат 121-150 ккал/ч (140-175 Вт), производимые сидя, стоя или связанные с ходьбой и сопровождающиеся некоторым физическим напряжением. Оптимальные параметры микроклимата для категории работ Iб должны быть в пределах норм, указанных в таблице 16.

Таблица 17. Оптимальные величины показателей микроклимата на рабочих местах производственных помещений для категории работ Iб (СанПиН 2.2.4.548-96)

Перепад температуры воздуха по высоте и по горизонтали, а так же изменение температуры воздуха в течении смены при обеспечении оптимальных величин микроклимата на рабочих местах не должны превышать 2° С. При наличии теплового облучения работающих, температура воздуха на рабочих местах для категории Iб не должна превышать 24° С.

Параметры микроклимата в помещениях лаборатории в пределах значений, указанных в таблице 17, обеспечивается необходимой толщиной наружных ограждающих строительных конструкций (по теплотехническому расчету), работой систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Измерения показателей микроклимата в целях контроля их соответствия гигиеническим требованиям должны проводится в холодный период года.

Шум

При проведении исследований источником шума является полировальный круг. Работа круга 2-3 часа в сутки. Уровни звукового давления в октавных полосах частот, замеренного на рабочем месте превышают нормативные уровни звукового давления по ГОСТ 12.1.003 - 83, приведенных в таблице 18.

Таблица 18. Допустимые и фактические уровни звукового давления в октавных полосах частот и эквивалентный уровень звука для лабораторий

Электробезопасность

Помещение лаборатории в отношении опасности поражения электрическим током относится к помещению повышенной опасности. По доступности электрооборудования и по квалификации персонала помещение лаборатории относится к производственному помещению. Питание всех электроустановок производится от сети переменного тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц. Система электроснабжения - трехпроводная с заземленной нейтралью (ГОСТ 12.1 - 038 - 82). Электропроводка скрыта под слоем штукатурки. Причиной поражения электрическим током может явиться: 1) прикосновение к токоведущим частям, изоляция которых повреждена; 2) прикосновение к металлическим частям оборудования, случайно оказавшимся под напряжением в результате отсутствия или повреждения защитных устройств. Воздействие электрического тока на организм вызывает различные электротравмы (электрический ожог, металлизация кожи, электрический знак, электpоофтальмия, электpоудаp). Для защиты от соприкосновения с токоведущими частями приборы имеют закрытое исполнение. Все оборудование располагается по периметру помещения. Провода и кабели размещены в недоступных местах. Полы помещений изготовлены из нетокопроводящих материалов.

В лаборатории имеются предупреждающие плакаты и надписи, что является важной мерой предосторожности при работе с электрооборудованием.

Для защиты работающих в случае прикосновения к металлическим частям электроустановок, случайно оказавшихся под напряжением, применяется защитное заземление. Пpи этом безопасность обеспечивается за счет малого сопротивления заземляющего устройства по сравнению с электpосопpотивлением тела человека. Электроустановки периодически подвергаются контролю. Для повышения надежности и безопасности работы проводятся профилактические испытания электрооборудования.

Используются искусственные заземлители, расположенные по периметру здания по контурной схеме. В качестве искусственных заземлителей применяются трубы диаметром 50 мм и длиной 2,5 м, расположенных друг от друга на расстоянии 2,5 м и на расстоянии 0,7 м от уровня земли до их верхних концов. Так как напряжение в сети до 1000 В (380/220 В), а мощность источника тока более 100 кВт, то сопротивление защитного заземляющего устройства не должно превышать 4 Ом.

Пожарная безопасность

Основными системами пожарной безопасности являются системы предотвращения пожара и противопожарной защиты, включает организационно-технические мероприятия. Требуемый уровень обеспечения пожарной безопасности людей с помощью указанных систем должен быть не менее 0,999 999 предотвращения опасных факторов в год в расчете на одного человека. Пожарная опасность производственных зданий определяется пожарной опасностью технологического процесса и конструктивно-планировочными решениями здания. Для правильного подбора противопожарных мероприятий и противопожарных средств необходимо определить категорию здания и степень огнестойкости его конструкций. Согласно НПБ 105-95 помещение лаборатории по взрывоопасной и пожарной стойкости относится к категории Д, характеризующейся обращением в производстве несгораемых веществ и материалов в холодном состоянии.

Возникновение отдельных пожаров зависит от степени огнестойкости здания, а образование сплошных пожаров от плотности застройки. Огнестойкость строительных конструкций проявляется в их способности сопротивляться воздействию огня или высокой температуры и сохранять при этом свои эксплуатационные функции.

Степень огнестойкости здания - I. Пределы огнестойкости строительных конструкций приведены в таблице 19.

Помещение лаборатории находится на втором этаже здания (рис.45). Для эвакуации людей из помещения категории Д с числом работающих не более 50 человек, при площади пола не более 600 м2 допускаются проектировать одну дверь, ведущую к эвакуационным выходам. Площадь пола лаборатории составляет 87 м2, число одновременно работающих не более 6 человек, что удовлетворяет требованиям нормативного документа СНиП 2.09.04 - 87.

Рис. 50. План эвакуации со второго этажа здания, масштаб 1:600. Условные обозначения: о - огнетушитель,  - пожарный кран, ___ - путь эвакуации через основной выход, - - - - путь эвакуации через запасной выход, х - экспериментальная лаборатория, R - длина рукава пожарного крана

Таблица 19. Пределы огнестойкости строительных конструкций и распространение огня по ним для зданий I степени огнестойкости

Расстояние от наиболее рабочего места до ближайшего эвакуационного выхода для здания I степени огнестойкости должны быть не более 40 м (в нашем случае 20 м). На рис. 45 показан план эвакуации со второго этажа здания при возникновении пожара в помещениях зданиях. Минимальная нормированная и реальная ширина коридоров, проходов, дверей, маршей и площадок лестниц приведены в таблице 20. Все реальные параметры удовлетворяют требованиям СНиП 2.09.04 - 87.

Таблица 20. Параметры проходов, коридоров, дверей, маршей и площадок лестниц

Между соседними зданиями разрывы должны быть не менее 10 м, а у нас 12 м. Количество эвакуационных выходов должно быть не менее 2 (выходом считается выход наружу или на лестничную клетку).

Источником пожара могут быть сгораемые материалы электрическое оборудование, установленное в лаборатории. Возгорание материалов в лаборатории устраняется путем подачи воды из пожарного крана, расположенного на расстоянии 6 м от двери лаборатории. Длина рукавов 16 м и длина струи под давлением 8 м позволяет устранить возгорание материалов в любой точке лаборатории. Кроме этого, для предотвращения возникновения пожара в результате короткого замыкания применяется релейная защита и плавкие предохранители. Для устранения локального возгорания в лаборатории имеются два огнетушителя ОП - 25 (ОХП - 10, ОУ - 5), что удовлетворяет требованиям НПБ 105-95. Успех ликвидации пожара зависит, прежде всего, от быстроты оповещения о его начале, поэтому лаборатория, согласно данной работе, оборудована датчиками пожарной сигнализацией. На территории, прилегающей к зданию, имеются два въезда - выезда, территория покрыта асфальтом, что позволяет произвести подъезд к любой точке здания в любое время года и при любой погоде. Для обеспечения внешнего пожаротушения на наружных сетях водоснабжения предусмотрены два гидранта (по одному с каждого торца здания).

Защита от вредных химических веществ

Содержание вредных химических веществ в воздухе рабочей зоны не должно превышать предельно допустимые концентрации, определяемых по ГОСТ 12.1.005-88.

При проведении опытов для обработки микрошлифов используется 3%-ный раствор азотной кислоты в дистиллированной воде. Азотная кислота относится к 3 классу опасности, с предельно допустимой концентрацией (ПДК), составляющей 2 мг/м3. Во избежание химического ожога и возрастания концентрации паров HNO3 выше ПДК = 2 мг/м3, приготовление реактивов ведется с использованием резиновых перчаток в вытяжном шкафу.

Фактическая концентрация паров HNO3 должна контролироваться газоанализаторами ГХ - 4 и УГ - 2. Периодичность контроля, за соблюдением максимально разовой ПДК для веществ 3 класса опасности - не реже одного раза в квартал.

Защита от пыли

При приготовлении шлифов образуется кремнесодержащая абразивная пыль. Фактический объем пыли не должен превышать нормативного объема концентрации 1 мг/м3. Мероприятия по ограничению неблагоприятного воздействия пыли должны быть комплексными и включать меры технологического, санитарно-технического, профилактического и организационного характера. Борьба с пылью осуществляется путём предотвращения проникновения её извне и удаления пыли, образующейся в помещениях. Подаваемый в помещение наружный и рециркуляционный воздух очищают в воздушных фильтрах, я сами помещения в случае необходимости изолируют. Для удаления пыли необходимо использовать механическую местную вытяжную вентиляцию. В качестве индивидуальных средств защиты можно рекомендовать противопылевые респираторы: «Лепесток», «Астра - 2» и др.

Защита от ионизирующего излучения

При проведении текстурного анализа работа проводится на рентгеновском дифрактометре опасным фактором при работе с которым является ионизирующее излучение. От ионизирующего излучения предусмотрена конструктивная защита в соответствии с НРБ - 96 ; в частности применяется защитный кожух, состоящий из двух слоёв стали по 1 мм каждый и применяется защитное свинцовистое стекло толщиной 3 мм.

Искусственное освещение лаборатории

Искусственное освещение в лаборатории согласно СНиП 23-05-95 по расположению светильников является комбинированным (общее + местное), а по типу светильников - освещение с газоразрядными лампами.

Уровень искусственной освещенности определяется точностью зрительной работы и видимостью объекта различения. Зрительная работа, производимая в ходе исследования, согласно СНиП 23-05-95, относится к работе средней точности, наименьший размер объекта различения 0,5-1 мм, следовательно, разряд зрительной работы - IV.

Видимость характеризуется способностью глаза воспринимать объект в зависимости от яркости и контраста объекта с фоном. Яркость оценивается коэффициентом отражения поверхности r, так как у нас r = 0,3, то значит фон - средний. Коэффициент контраста k = 0,1, т.е. контраст - малый (объект и фон мало отличаются по яркости). Зная r и k, определяем подразряд работы - б. Учитывая разряд и подразряд зрительной работы (IV б) освещенность рабочих мест должна быть 200 лк [20].

Проведем расчет и подбор ламп в лаборатории. Расчет и подбор люминесцентных ламп производится методом коэффициента использования. Этим методом расчет ведут в тех случаях, когда освещение рабочей поверхности происходит не только за счет светового потока, отражаемого от потолка, стен, элементов конструкции.

Согласно СНиП 23-05-95, выбираем наименьшую освещенность поверхности ен = 200 лк при освещении люминесцентными лампами. Эти лампы используются при необходимости создать особо благоприятные условия для зрительной работы. Они характеризуются большой световой отдачей (в 3-4 раза больше, чем у ламп накаливания), большим сроком службы (до 5 000 часов), благоприятным для зрения спектральным составом света.

Рассчитаем потребляемый световой поток:

F = eн∙kз∙S∙z/N∙r,                                                        (27)

где ен - номинальная освещенность, лк, (ен = 200 лк);з - коэффициент запаса (k = 1,5);- площадь помещения, м2, (S = 72 м2);- коэффициент для перехода от наименьшей освещенности к средней, (z = 1,1);- количество светильников, шт;- коэффициент использования, то есть относительная доля светового потока лампы, падающая на поверхность;

А и В - длина и ширина помещения, м (А = 12 м, В = 6 м);- высота подвеса светильников, м (h = 3 м).

Находим индекс помещения:

i = A∙B/h∙(A+B) = 12∙6/3∙(12+6) = 1,3                        (28)

По значению i находим коэффициент использования для комнаты площадью 72 м2, r = 0,27.

F×N = (200×1,5×72×1,1)/0,27 = 88 000, (лк×шт)                         (29)

Выбираем светильники ШОД с люминесцентными лампами ЛБ. Поток лампы ЛБ 40 принимают 2480 лк. Следовательно, необходимое количество ламп: = 88 000/2 480 = 35,5, (шт).                                       (30)

Так как количество ламп должно быть наименьшим четным числом, то округляем до 36 и берем число рядов равное 4, в каждом ряду по 9 светильников. Длина светильников с лампами - 1 250 мм, а общая длина ряда - 3 000 мм, то есть ряды будут на 0,5 м не доходить до торцевых стен.

Общеобменная исскуственная вентиляция

Лабораторное помещение представляет собой комнату размером 12 × 6 × 3 м (V = 216 м3). При приготовлении шлифов образуется кремнесодержащая абразивная пыль. Фактический объем концентрации пыли составляет 125,5 мг/м3 при нормативном объеме концентрации 1 мг/м3. Для вентиляции помещения требуется расчет и проектирование системы вытяжной вентиляции в рабочей зоне. Требуемый коэффициент воздухообмена в рабочей зоне за час:

k = CФ/ПДК = 125,5/1 = 125,5                                            (31)

Требуемый воздухообмен рабочей зоны за 1 час вычисляется по формуле:

m = Lтр = k×V = k×a×b×h = 27108 м3                      (32)

По требуемому воздухообмену производится подбор вентиляторов. Центробежный вентилятор Ц 4-70 №6 имеет производительность LB = 6 500 м3/ч.

Требуемое количество вентиляторов n будет равно

 = Lтр/ Lв = 27108/6500 = 4,17 шт                                     (33)

Принимаем n = 5 шт.

По воздухообмену LB = 6500 м3/ч и скорости движения воздуха ν = 2 м/с подбираем необходимое сечение воздуховода FB по формуле

Fв = (Lв∙n)/(3 600∙v) =(6 500∙5)/(3 600∙2) = 4,51 м2          (34)

Фактический воздухообмен от 5 вентиляторов считаем по формуле

Lф = 5∙6500 = 32500 м3/ч                                 (35)

По площади сечения воздухопровода определяем его диаметр

d = √5,42 = 2,33 м                                             (36)

С учетом производительности вентиляторов определяем фактическую концентрацию вредностей в воздухе рабочей зоны при работе системы вытяжной вентиляции

Сф1 = m / Lф = 27108/ 32500 = 0,83 мг/м3                        (37)

Сф1< ПДК

,83 < 1

Вывод: при работе вытяжной системы вентиляции с вентилятором Ц 4-70 №6 фактическая концентрация вредностей в воздухе рабочей зоны не будет превышать ПДК. Защита работающего персонала от вредностей будет обеспечена, если количество вентиляторов составит 5 шт.

Библиографический список

1. Миндлин, Б.И. Изотропная электротехническая сталь/Б.И. Миндлин, В.П. Настич, А.Е. Чеглов. - М.: Интермет Инжиниринг, 2006 - 240 с.

. Бозорт, Р Ферромагнетизм/Р. Бозорт. - М.: ИЛ, 1956. - 784 с.

. Вонсовский, С.В. Магнетизм/С.В. Вонсовский. - М.: Наука, 1971. - 1031 с.

. Шмидт, В. Современные способы производства листов и лент высокого качества из холоднокатаных изотропных электротехнических сталей/Обзор по системе «Информсталь». - М.: Черметинформация, 1980. Вып.4 (77) - 46 с.

. Казаджан, Л.Б. Магнитные свойства электротехнических сталей и сплавов/Под. ред. В.Д. Дурнева. - М.: ООО «Наука и технологии», 2000 - 224 с.

. Ванчиков, В.А. Основы производства изотропных электротехнических сталей/В.А. Ванчиков, Н.Г. Бочков, Б.В. Молотилов. - М.: Металлургия, 1985. - 272 с.

. Миронов, Л.В. Фазовые превращения и свойства электротехнических сталей/Л.В. Миронов, Н.Ф. Дубров, С.Г. Гутерман, М.И. Гольдштейн. - Свердловск: Металлургиздат, 1962 - 35 с.

. Чеглов, А.Е. Совершенствование технологии термической обработки горячекатаного подката высоколегированной электротехнической изотропной стали/Сталь. - 1999. - № 10. - С. 62-65.

. Гудремон, Э. Спецеальные стали. Т. 2/Э. Гудремон. - М.: Металлургия, 1996. - 1274 с.

. Морозов, А.Н. Водород и азот в стали/А.Н. Морозов. - М.: Металлургия, 1968. - 284 с.

. Виноград, М.И. Включения в стали и её свойства/М.И. Виноград. - М.: Металлургиздат, 1963. - 44 с.

. Молотилов, Б.В. Сера в электротехнических сталях/Б.В. Молотилов, А.К. Петров, В.М. Боревский, М.Б. Цырлин, И.Д. Зайдман. - М.: Металлургия, 1973. - 176 с.

. Дружинин, В.В. Магнитные свойства электротехнической стали/В.В. Дружинин. - М.: Энергия, 1974 - 240 с.

. Ващенко, А.И. Окисление и обезуглероживание стали/А.И.Ващенко, А.Г. Зеньковский, А.Е. Лифшиц и д.р. - М.: Металлургия, 1972. - 336 с.

. Миндлин Б.И., Чеглов А.Е., Гвоздев А.Г., Логунов В.В., Парахин В.И. Способ производства изотропной электротехнической стали/Пат. RU № 2155234 С1 кл.7 С21 D8/12. Заявл. 28.06.1999. Опубл. 27.08.2000.

. Чеглов А.Е., Миндлин Б.И., Гвоздев А.Г., Логунов В.В., Парахин В.И. Способ получения изотропной электротехнической стали/Пат. RU № 2186861 С2 кл.7 С21 D8/12. Заявл. 04.09.2000. Опубл. 10.08.2002.

. Настич В.П., Франценюк Л.И., Чеглов А.Е., Миндлин Б.И., Гвоздев А.Г., Логунов В.В. Способ получения изотропной электротехнической стали/Пат. RU № 2149194 С1 кл.7 С21 D8/12. Заявл. 01.06.1998. Опубл. 20.05.2000.

. Шимидзу, И. Формирование текстуры Госса у поверхности 3% ккреинистой стали в процессе горячей прокатки/И. Шимидзу, И. Ито, И. Ида//Met. Trans. 17 A. 1986. P. 1323.

. Горелик, С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов/С.С. Горелик. - М.: Металлургия, 1978 - 568 с.

. Кнорринг, Г.М. Справочная книга для проектирования электрического освещения/Г.М. Кнорринг, Ю.Б. Оболенцев, Р.И. Берим, В.М. Крючков. - Л.: Энергия, 1976. - 384 с.