Výrobní technologie CGO v GO Steel Frýdek Místek

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.