Výrobní technologie CGO v GO Steel Frýdek Místek

16. 11. 2018 | Aktualita

Orientované transformátorové oceli jsou přesněji Si-oceli s anizotropně orientovanou strukturou. Pro jejich označení se běžně používá zkratka GOES – z anglického grain oriented electrical steel. Orientovanou strukturou je zde myšleno maximální možné přiblížení ideální Gossově textuře {110} ˂001˃. Směr ˂001˃ je rovnoběžný s podélnou osou pásu, rovina {110} leží v rovině pásu. V tomto směru má pás nejlepší magnetické vlastnosti. S rostoucí odchylkou od Gossovy textury se magnetické vlastnosti zhoršují.

U CGO – materiálů pro běžné použití (označení dle ČSN EN 10107) je tato odchylka jednotlivých zrn od směru válcování do 7°, u HGO – materiálů pro zařízení vysokou permeabilitou (opět označení dle ČSN EN 10107) do 3°.

V GOSFM jsou produkovány pouze pásy a plechy z CGO –materiálů pro běžné použití CGO.

Základní použití těchto GOES je pro výrobu jader (magnetických obvodů) transformátorů. Z toho také vyplývají základní požadavky na tyto oceli – minimalizace ztrát naprázdno magnetického obvodu při střídavé magnetizaci plechů, z nichž je složeno jádro transformátoru.

Základní vlastnosti požadované u GOES jsou elektromagnetické vlastnosti, tedy základní parametry, které se projevují ve střídavém magnetickém poli při proudové frekvenci (50 resp. 60 Hz). Jsou to:

  • Magnetická polarizace – magnetizační schopnost, definovaná hodnotou magnetické polarizace při konkrétních hodnotách intenzity vnějšího pole;
  • Měrné ztráty – vyjadřují celkovou energetickou spotřebu (ztrátu), která vzniká zmagnetizováním váhové jednotky plechu při definované magnetické polarizaci – [W/kg].

Typické mechanické vlastnosti pásů, jako pevnost, tažnost nebo tvrdost nejsou pro GOES rozhodující.

Dnešní výroba GOES dosáhla velmi vysokého stupně vyspělosti. Celosvětově je počet výrobců schopných produkovat plechy a pásy z GOES velice omezený (v roce 2016 to bylo 14 výrobců). Tito producenti používají různé varianty výrobní technologie, které se poměrně výrazně liší, zejména z pohledu použitých inhibiční fází, které mají vliv na rekrystalizační procesy. To pak také určuje rozdíly v jednotlivých výrobních technologiích a parametrech dílčích technologických operací.

Jak bylo zmíněno výše, technologie jednotlivých producentů se liší především použitým inhibičním systémem. Z toho potom dále vyplývají další odlišnosti, jako jsou parametry válcování za tepla (včetně teploty ohřevu bram) a velikost deformace při válcování za studena, nebo např. fáze technologického cyklu, při kterém je prováděno rekrystalizační, resp. oduhličovací žíhání. V GOSFM je technologie založena na AlN + Cu inhibičním systému a používá dvoustupňové válcování s oduhličovacím žíháním v mezitloušťce.

Výrobní technologie v GOSFM začíná mořením vstupního materiálu. Vstupním materiálem pro GOSFM jsou za tepla válcované pásy (hot rolled coil – HRC) tloušťky 1,8 až 2,35 mm z křemíkové oceli, dovážené z německého Eisenhüttenstadtu a polského Krakowa. Na mořící lince jsou z povrchu HRC odstraňovány zbytky okují po válcování za tepla kombinací chemického moření v H2SO4 a mechanického čištění rotujícími kartáči.

Dalším krokem je 1. stupeň válcovaní za studena. Omořené HRC jsou na jedné ze 2 kvarto-stolic válcovány vratným způsobem, zpravidla na 4 úběry, na „mezitloušťky“ 0,55 až 0,65 mm.

Svitky po 1. stupni válcování za studena jsou zbaveny nečistot a zbytků válcovací emulze. Čistota povrchu pásu je zásadní pro následující operaci.

Takto připravené svitky jsou následně rekrystalizačně žíhány v průběžné žíhací peci, ve směsné atmosféře H2 + N2, která je navíc vlhčená (rosný bod 50 až 65 °C). Při této operaci dojde k primární rekrystalizaci struktury deformované válcováním za studena, a díky použité atmosféře dojde difuzními pochody ke snížení obsahu C v kovu z 0,025 až 0,040 hm.% na méně než 0,004 hm.%.

Na povrchu pásu se při rekrystalizačním/oduhličovacím žíhání také řízeně vytvoří vrstva směsného oxidu Fe2SiO4 – fayalit, která je důležitá při dalších technologických operacích.

Pásy po oduhličovacín žíhání jsou následně válcovány (2. stupeň válcování za studena) na stolici kvarto vratným způsobem, zpravidla na 3 až 5 úběrů, na finální jmenovité tloušťky 0,23; 0,27; 0,30 a 0,35 mm.

V dalším kroku jsou pásy opět zbaveny nečistot a zbytků emulze po 2. stupni válcování za studena, a následně je na pás nenesena vodní suspenze MgO. Tyto 2 technologické operace probíhají v GOSFM na jedné spojité lince.

Oboustranně nanesená vrstva MgO na pásu působí jednak jako separace jednotlivých závitů svitku při následujícím stacionárním vysokoteplotním žíhání a za druhé při VTŽ reaguje s oxidickou vrstvou fayalit za vzniku forsteritu (viz. níže u VTŽ).

Následující vysokoteplotní žíhání (VTŽ) je zásadní technologickou operací, při které GOES dosáhne své finální, orientované, hrubozrnné struktury. VTŽ je stacionární žíhání svitků v poklopových pecích při teplotách dosahující až 1200°C.

Cyklus vysokoteplotního žíhání je tvořen dehydratační výdrží, ohřevem na rafinační teplotu, rafinační výdrži a řízeným ochlazením. Při teplotě cca 350 °C začíná dehydratace. Při teplotách kolem 600 °C dochází k primární rekrystalizaci struktury deformované při 2. stupni válcování za studena Důležitým faktorem je pomalá rychlost ohřevu, kdy se předpokládá, že dojde ještě před primární rekrystalizací k vyloučení Cu na dislokacích, což příznivě ovlivní texturu primární matrice. Současně také dochází k difuzi Al směrem k nitridům SiN a dochází ke vzniku nitridů AlN. Při teplotách okolo 900 °C začíná sekundární rekrystalizace, při které dojde ke vzniku požadované Gossovy textury {110} ˂001˃. Přítomné inhibiční fáze zpočátku blokují růst zrn s jinou orientací, než je požadovaná {110} ˂001˃. Při teplotách 1100 až 1200 °C probíhá rafinace – v atmosféře 100% suchého H2 se inhibiční fáze rozpouštějí a z kovu se odstraňuje zejména S a N2. Celková délka žíhacího cyklu je cca 120 hodin.

Při VTŽ se také tvoří oxidická vrstva forsterit Mg2SiO4, což je základová vrstva pro finální elektrotechnickou izolaci. Při dehydrataci se Mg(OH)2 dělí na MgO a H2O (vodní páru). Vznikající volné 2MgO reaguje při teplotách nad 850 °C s oxidickou vrstvou fayalit Fe2SiO4, za vzniku forsteritu Mg2SiO4.

Poslední technologickou operací je nanášení finální elektrotechnické izolace a termorovnání. To probíhá v GOSFM na dvou spojitých termorovnacích linkách s takřka identickým uspořádáním. V 1. fázi, na začátku linek je, z pásu vodou a rotujícími kartáči odstraněno zbývající nezreagované MgO po VTŽ.

Následuje oboustranné naneseni finální elektrotechnické izolace, což je roztok koloidního SiO2, stabilizovaný různými oxidy kovů (dle varianty izolačního roztoku). Izolační povlak jednak zajišťuje izolaci jednotlivých laminací v jádru hotového transformátoru, a také vyvolává mírné tahové napětí, čímž pozitivně ovlivňuje finální magnetické vlastnosti.

Poslední fází termorovnacích linek je vlastní termorovnání. Průběžné žíhací pece nejprve usuší nános finální izolace a poté, při teplotách cca 820 °C a prodloužení okolo 1mm/m dojde k odstranění nerovností pásu po VTŽ.

Nově je od roku 2018 včleněno do linky TRL také zařízení pro Laser Scribing. Jedná se o zařízení pro doménové zjemňování, kdy pomocí vláknového laseru s výkonem až 3kW je možné rozdělit magnetické domény v kovové matrici GOES. Tím se zkrátí volná dráha elektronů a je takto možné, v průměru o 10 %, snížit wattové ztráty GOES.

Poté již následuje pouze dělení pásů na distribuční svitky, jejich balení a distribuce k zákazníkům.