Композиция для формирования грунтового покрытия на поверхности полосы из анизотропной электротехнической стали

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству полос из анизотропных электротехнических сталей с электроизоляционным покрытием. Композиция содержит следующие компоненты, в частях: MgO 100, MgSO₄ 0,10-0,40, MgCl₂ 0,04-0,10, SiO₂ 0,10-0,30. Получают композицию для формирования равномерного бездефектного грунтового покрытия, обладающего хорошей адгезией и высоким электросопротивлением. 1 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству полос из анизотропных электротехнических сталей с электроизоляционным покрытием.

Анизотропная сталь, используемая в трансформаторостроении, должна иметь высокие магнитные свойства и надежную межлистовую изоляцию, реализуемую за счет формирования на поверхности листов тонкой 2-6 мкм керамической пленки. Решающая роль в получении качественной изоляции принадлежит так называемому грунтовому покрытию, образующемуся в результате взаимодействия ортосиликата железа на поверхности стали с термостойким магнезиальным покрытием в процессе высокотемпературного отжига [1, 2].

Этот процесс состоит из следующих стадий:

1) нанесение на полосу композиции на основе MgO;

2) формирование из него в ходе обезуглероживающего отжига и на начальных стадиях (400-800°С) высокотемпературного отжига фаялитной (Fe₂SiO₄) пленки;

3) взаимодействие между оксидом магния и фаялитной пленкой с образованием при температурах 800-1050°С форстерита (Mg₂SiO₄), который составляет основу грунтового покрытия.

Необходимым условием для формирования качественного грунтового покрытия в процессе отжига является поддержание оптимального окислительно-восстановительного потенциала в межвитковом пространстве рулонов [3], свернутых из полос электротехнической стали, с нанесенной на нее композицией, из которой формируется грунтовое покрытие. При недостаточном окислительном потенциале часть оксида магния спекается с металлом, образуя специфические точечные дефекты грунтового слоя. При избыточном окислительном потенциале, напротив, грунтовое покрытие обогащается оксидами железа, что негативно влияет на диэлектрические свойства покрытия, прочность сцепления грунтового покрытия с металлом и товарный вид полос. Известны несколько приемов оптимизации и управления окислительно-восстановительным потенциалом межвитковой атмосферы, основанных:

- на ограничении в узких пределах степени гидратации оксида магния перед нанесением композиции в сочетании с регулированием длительности дегидратационной выдержки в процессе высокотемпературного отжига;

- на регулировании состава атмосферы (главным образом, соотношения N₂/H₂) при обезуглероживающем и высокотемпературном отжиге.

Реализация этих приемов не гарантирует получение однородного грунтового слоя форстерита по длине и ширине полос по следующим причинам:

- при высокотемпературном отжиге дегидратация покрытия не может быть стабильной вследствие большого градиента температур (до 300°С) в различных участках рулонов;

- изменение состава атмосферы в печах недостаточно эффективно в связи с высокой плотностью смотки полос и, следовательно, ограниченным массообменом между межвитковым зазором и печным пространством.

Наиболее близким аналогом к предложенному изобретению является композиция для формирования грунтового покрытия форстенита на поверхности рулонной полосы из анизотропной электротехнической стали, содержащая MgO и MgSO₄. Качественное грунтовое покрытие, обладающее хорошей адгезией и улучшенными магнитными свойствами анизотропной электротехнической стали, получено регулированием изменения степени гидратации MgO за счет введения в состав покрытия добавок, которые разлагаются в процессе высокотемпературного отжига с выделением гидроксил - ионов [4].

Однако известный из [4] состав не позволяет получить равномерное бездефектное грунтовое покрытие, обладающее высоким электросопротивлением и улучшенными магнитными свойствами.

Техническим результатом изобретения является создание композиции для формирования грунтового покрытия, которая наряду с хорошей адгезией с поверхностью анизотропной электротехнической стали, а также наряду с обеспечением высокого электросопротивления грунтового покрытия и улучшенными магнитными свойства стали позволяет получить равномерное бездефектное грунтовое покрытие в процессе отжига.

Технический результат изобретения достигается за счет состава композиции для формирования грунтового покрытия на поверхности рулонной полосы из анизотропной электротехнической стали, содержащего следующее соотношение компонентов в частях: MgO - 100, MgSO₄ - 0,10-0,40, MgCl₂ - 0,04-0,10, SiO₂ - 0,10-0,30.

В результате проведенных в промышленных условиях исследованиях установлено следующее.

1) Наилучшие результаты могут быть получены при условии, если оптимальный окислительный потенциал поддерживается во всем диапазоне температур грунтообразования (800-1050°С), что достигается предложенным составом покрытия для формирования грунтового покрытия.

2) Аналогичную роль регулятора окислительного потенциала атмосферы в межвитковом пространстве рулона из анизотропной электротехнической стали выполняют соединения, входящие в состав покрытия, которые способны связать водород. Этому условию соответствует галогенид щелочноземельного металла, а именно MgCl₂.

3) Введение в состав композиции нанодисперсного кремнезема стабилизирует процесс грунтообразования, снижает его чувствительность к различиям в морфологии пленки фаялита на разных участках поверхности полосы.

Таким образом, введение в состав покрытия компонентов, разлагающихся в интервале температур грунтообразования с выделением гидроксил - ионов и галогенов, связывающих водород, позволяет точно контролировать окислительный потенциал атмосферы в межвитковом зазоре рулонов при последующей обработке полосы для получения грунтового слоя. Добавка кремнезема преимущественно в нанодисперсном состоянии обогащает грунт кремнием и обеспечивает формирование стекловидного грунтового слоя, близкого по составу к форстериту по всей ширине полосы.

В описанных ниже примерах подтверждена эффективность предлагаемого варианта состава покрытия для формирования грунтового слоя.

Пример 1. Анизотропную электротехническую сталь, содержащую С - 0,027 - 0,033%; Si - 3,00-3,20%; Mn - 0,28-0,35%; Al - 0,014-0,018%; N₂ - 0,009-0,0011%, Fe - остальное, выплавляют в кислородных конверторах, разливают на машинах непрерывного литья, прокатывают на широкополосном стане горячей прокатки на полосу толщиной 2,5 мм. Затем горячекатаные полосы обрабатывают по схеме: травление, первая холодная прокатка на толщину 0,70 мм, обезуглероживающий отжиг в атмосфере увлажненной смеси азота (95%) и водорода (5%), вторая холодная прокатка на толщину 0,30 мм, обезжиривание, нанесение на полосу водной суспензии, содержащей на 1 л воды 150 г оксида и гидроксида магния в соотношении 88% и 12% соответственно, 0,3% сульфата магния, 0,05% хлорида магния и 0,2 золя кремнезема, взятый каждый от суммарного содержания оксида магния и гидроксида магния, прокатка полосы через ролики для удаления избытка суспензии и сушка, в результате получают на полосе композицию заявленного состава (см. таблицу); затем полосу с нанесенным покрытием сворачивают в рулон и проводят, высокотемпературный отжиг. При нанесении покрытия варьируют состав суспензии, изменяя содержание в ней сульфата магния, хлорида магния и золя кремнезема.

Таблица. Влияние модифицирующих добавок состава композиции на качественные характеристики сформированного грунтового покрытия
	Характеристика свойств грунтового покрытия	Расходный коэффициент при переделе горячекатаного подката, т/т	Доля высших марок 3408 и 3409, %
Состав покрытия*
Внешний вид - доля металла высших категорий качества, %	Прочность сцепления с металлом - доля металла с показателями адгезии О, А, В, С**, %	Диэлектрические свойства - доля металла с худшим значением коэффициента электросопротивления менее 10 Ом×см2, %
1. Оксид магния без добавок	55	50	40	1,28	67
2. Оксид магния с добавкой сульфата магния: MgO - 100;	60	50	35	1,25	70
MgSO4 - 0,10-0,40.
ПРОТОТИП
3. Оксид магния с добавкой сульфата магния и хлорида магния:	80	63	20	1,21	75
MgO - 100;
MgSO4 - 0,10-0,40;
MgCl2 - 0,04-0,10
4. Оксид магния с добавкой сульфата магния и коллоидного кремнезема:	70	65	20	1,20	73
MgO - 100;
MgSO4 - 0,10-0,40;
SiO2 (нанодисп.) - 0,10-0,30.
5. Оксид магния с добавкой сульфата магния, хлорида магния и нанодисперсного кремнезема:	90	75	10	1,17	85
MgO - 100;
MgSO4 - 0,1-0,4;
MgCl - 0,04-0,1;
SiO2 (нанодисп.) - 0,1-0,3.
ПРЕДЛАГАЕМЫЙ ВАРИАНТ
*Содержание добавок приводится в количестве долей, приходящихся на 100 частей основного компонента покрытия - MgO.
** Испытание прочности сцепления покрытия с металлом производится по стандарту GB 2522-88.

Из данных таблицы следует, что предложенный вариант композиции имеет преимущества по всему комплексу качественных показателей. За счет улучшения качества грунтового покрытия, полученного из композиции заявленного состава, значительно снижен расход стали, обусловленный удалением дефектных участков рулонов. Кроме того, увеличение содержания кремнезема в покрытии создает благоприятные условия для формирования грунтового слоя, обогащенного кремнием и близкого по составу к форстериту. Такое грунтовое покрытие, полученное из заявленной композиции, обеспечивает создание в металле более значительных растягивающих напряжений и улучшение магнитных свойств (увеличение доли стали высоких марок 3408 и 3409).

Пример 2. Технология выплавки, горячей прокатки и дальнейшего передела вплоть до нанесения покрытия не отличается от приведенных в примере 1. Состав композиции изменяется в рамках системы MgO - MgSO₄ - MgCl₂ - SiO₂ (нанодисперсный кремнезем).

Установлено, что введение добавки MgSO₄ более чем 0,40 частей и MgCl₂ более чем 0,10 частей сопровождается деградацией товарного вида металла и уменьшением прочности сцепления грунтового покрытия с металлом. При этом уменьшение концентрации этих элементов до менее чем 0,10 частей и 0,04 частей соответственно, мало эффективно. Оптимум концентрации нанодисперсного кремнезема приходится на 0,10-0,30 частей на 100 частей MgO.

Таким образом, предложенный состав композиции (MgO - 100 частей, основа, MgSO₄ 0,1-0,4 части, MgCl₂ 0,04-0,10 частей, SiO₂ 0,10-0,30 частей) позволяет значительно улучшить качество полученного из него грунтового покрытия на стали и сократить расход анизотропной электротехнической стали, обусловленный дефектами покрытия.

Источники информации

1. В.Г.Борисенко, А.А.Шварцман и др. Формирование стекловидных покрытий в анизотропной электротехнической стали (обзорная информация). Ин-т Черметинформация, 1980, №2.

2. Н.Fujii, S Yamazaki, Т.Nagashima. Glass Film Structure of Grain-Oriented Silicon Steel Using Aluminium Nitride as an Inhibitor. Journ. Mat. Engineering and Reformance, 3 (1994) p.214.

3. Патент США №3932234.

4. Патент РФ №2124055, публ. 07.08.1996.

Композиция для формирования грунтового покрытия на поверхности полосы из анизотропной электротехнической стали, содержащая оксид магния MgO и сульфат магния MgSO₄, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит хлорид магния MgCl₂ и кремнезем SiO₂ при следующем соотношении компонентов, в частях:

MgO	100
MgSO4	0,10-0,40
MgCl2	0,04-0,10
SiO2	0,10-0,30