[0001] Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zur Herstellung eines Elektroblechs aus einem Warmband.
[0002] Die Herstellung von Elektroblechen aus Warmbandstahl mit einer Zusammensetzung, die
in die im Anspruch 1 angegebenen Bereiche fällt, ist beispielsweise aus der
JP H 06 220583A sowie der
JP H08 319539A und der JP S 56 38451 A bekannt.
[0003] Werkstoffe für Elektrobleche sind auch aus der
DE 101 53 234 A1 oder
DE 601 08 980 T2 bekannt. Sie bestehen meist aus einer Eisen-Silizium- oder Eisen-Silizium-AluminiumLegierung,
wobei nach kornorientierten (KO) und nichtkornorientierten (NO) Elektroblechen unterschieden
wird und diese für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt werden. Aluminium und Silicium
werden insbesondere hinzugegeben, um die Magnetisierungsverluste möglichst gering
zu halten.
[0004] Allgemein werden Werkstoffe, deren physikalische Eigenschaften von der Beanspruchungsrichtung
abhängen, als anisotrop bezeichnet. Sind die Eigenschaften in allen Beanspruchungsrichtungen
gleichwertig, spricht man von isotropen Werkstoffen. Die Anisotropie der magnetischen
Eigenschaften von Elektroband beruht auf der Kristall-Anisotropie des Eisens. Eisen
und seine Legierungen kristallisieren in einer kubischen Struktur. Die Würfelkantenrichtung
ist dabei die am leichtesten magnetisierbare Richtung [100]. Die Richtung der Raumdiagonale
[111] im Würfel ist die magnetisch ungünstigste Richtung.
[0005] Für Anwendungen im Elektromaschinenbau, bei denen der magnetische Fluss auf keine
bestimmte Richtung festgelegt ist und deshalb gleich gute magnetische Eigenschaften
in allen Richtungen verlangt werden, erzeugt man üblicherweise Elektroband mit möglichst
isotropen Eigenschaften, welches als nichtkornorientiertes (NO-) Elektroband bezeichnet
wird. Dieses wird schwerpunktmäßig in Generatoren, Elektromotoren, Schützen, Relais
und Kleintransformatoren eingesetzt.
[0006] Die ideale Struktur (Gefügeaufbau) für ein nichtkornorientiertes Elektroband ist
ein polykristallines Gefüge mit Korngrößen zwischen 20 µm und 200 µm, wobei die Kristallite
regellos in der Blechebene mit der Fläche (100) ausgerichtet sind. In der Praxis sind
jedoch die magnetischen Eigenschaften von realem nichtkornorientiertem Elektroband
in der Blechebene in geringem Umfang von der Magnetisierungsrichtung abhängig. So
betragen die Verlustunterschiede zwischen Längs- und Querrichtung nur max. 10 %. Die
Ausprägung einer hinreichenden Isotropie der magnetischen Eigenschaften bei nichtkornorientiertem
Elektroband wird wesentlich durch die Gestaltung des Fertigungsweges Warmumformung,
Kaltumformung und Schlussglühung beeinflusst.
[0007] Für Verwendungszwecke, bei denen es auf einen besonders niedrigen Ummagnetisierungsverlust
ankommt und besonders hohe Ansprüche an Permeabilität oder Polarisation gestellt werden,
wie bei Leistungstransformatoren, Verteilungstransformatoren und höherwertigen Kleintransformatoren,
erzeugt man Elektroband mit einheitlicher Orientierung der Kristallite (kristallografische
Textur), das man als kornorientiertes (KO-) Elektroband bezeichnet. Die einheitliche
Orientierung der Kristallite bewirkt ein stark anisotropes Verhalten des Elektrobandes.
Bei kornorientiertem Elektroband wird hierzu durch die aufwendige Fertigung eine wirksame
Kornwachstumsauslese durchgeführt. Seine Körner (Kristallite) zeigen mit einer geringen
Fehlorientierung im schlussgeglühten Material eine nahezu ideale Textur, die nach
ihrem Erfinder benannte Goss-Textur. Eine Würfelkante zeigt in Walzrichtung, eine
Flächendiagonale zeigt quer zur Walzrichtung. Die Abweichung der Würfelkante zur Walzrichtung
beträgt beim Standardmaterial üblicherweise bis 7° und beim hochpermeablen Material
bis 3°. Die Größe der Körner beträgt mehrere Millimeter bis Zentimeter.
[0008] Nach dem bekannten Stand der Technik werden die magnetischen Eigenschaften beim Elektroband
wesentlich durch einen hohen Reinheitsgrad, den Gehalt an Silizium und Aluminium (bis
ca. 4 Massenanteile in %), geringe Mengen anderer Legierungselemente, wie z. B. Mangan,
Schwefel und Stickstoff, sowie durch Warmwalz-, Kaltwalz- und Glühprozesse bestimmt.
Die gängigen Blechdicken liegen im Bereich deutlich unter 1 mm, z. B. bei 0,18 oder
0,35 mm.
[0009] Während der nichtkornorientierte Werkstoff in der Blechebene möglichst isotrope magnetische
Eigenschaften hat und demzufolge vorzugsweise für rotierende Maschinen Verwendung
findet, wird beim kornorientierten Werkstoff durch mehrere aufeinander folgende Walz-
und Glühbehandlungen eine Kornorientierung (Textur) erzeugt. Durch diese gezielt eingebrachte
Anisotropie im Werkstoff verringern sich bei entsprechender Magnetisierungsrichtung
die Ummagnetisierungsverluste und die relative Permeabilitätszahl steigt. Mit diesem
texturierten Werkstoff kann man daher verglichen mit nichtkornorientierten Werkstoffen
Transformatoren fertigen, die bei höherem Wirkungsgrad eine geringere Baugröße haben.
[0010] Der aus der
DE 101 53 234 A1 bekannte Werkstoff für ein nichtkornorientiertes Elektroblech weist eine Legierungszusammensetzung
mit C <0,02%, Mn ≤1,2%, Si 0,1 - 4,4% und Al 0,1 - 4,4% auf. Es werden verschiedene
Herstellungsverfahren, wie z. B. Dünnbrammen- oder Dünnbandgießen beschrieben, mit
denen ein Warmband erzeugt werden kann.
[0011] Nachteilig bei dem bekannten Werkstoff sind die mit jeweils max. 4,4% relativ niedrigen
Si- und Al-Gehalte, mit denen bei vielen Anwendungsfällen die magnetische Permeabilität
noch nicht ausreichend hoch und der Magnetisierungsverlust ausreichend niedrig ist,
was sich nachteilig auf den Wirkungsgrad der Elektromaschinen und damit deren Wirtschaftlichkeit
auswirkt. Mit steigendem Si- und Al-Gehalt, steigt der elektrische Widerstand des
Stahls, Dadurch werden die induzierten Wirbelströme und damit auch die Kernverluste
reduziert.
[0012] Ein Problem besteht darin, dass mit zunehmendem Gehalt an Si oberhalb der bekannten
Grenzen, das Vergießen mit den bekannten Verfahren durch Makroseigerungen oder Biegungen
des Stranges oder Bandes während der Erstarrung erschwert oder sogar unmöglich wird.
Stahl mit Al-Gehalten >2% bildet während der Erstarrung an Luft ein Oxid (Al
2O
3), das extrem hart und spröde ist und somit ein Vergießen und eine Weiterverarbeitung
unmöglich macht. Daher lässt sich der Stahl nur durch aufwändige Verfahrenstechniken
wie z. B. Vakuum-Induktionsschmelzen der Basislegierung zu Blöcken, anschließendes
Elektro-Schlacke-Umschmelzen zur Homogenisierung und Reinigung der Schmelze und abschließendes
Umschmieden mit ggf. spanender Bearbeitung zu Blechen weiterverarbeiten. Ab 3,5% Si
ist die Kaltformbarkeit aufgrund der Sprödigkeit (eingestellter Ordnungszustand) nicht
mehr gegeben, während die Warmumformung bis zu 4% relativ unproblematisch ist. Da
die Fertigbanddicke quadratisch mit den Wirbelstromverlusten einhergeht, ist eine
dünne Enddicke anzustreben. Dieser Weg ist bei der konventionellen Route (Bramme,
Dünnbrammengießen (CSP)) aufgrund der Sprödigkeit nur schwer zu realisieren. Bei endkonturnahen
Gießverfahren, wie z. B. Dünnbandgießen mit entsprechend hohen Abkühlgeschwindigkeiten
können kritische Ordnungszustände vermieden werden.
[0013] Weiterhin ist bei den bekannten Verfahren nachteilig, dass das Vorprodukt ein sehr
grobes Korn aufweist und das Vergießen mit Gießpulver aufgrund des hohen Al-Gehaltes
des ferritischen Stahles problematisch ist. Gießpulver lässt sich ab einem Al-Gehalt
der Schmelze von mehr als ca. 2% nicht verwenden, da Aluminium mit dem im Gießpulver
gebundenen Sauerstoff interagiert und sich damit Aluminiumoxide (siehe oben) bilden.
[0014] Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur Herstellung eines Elektroblechs anzugeben,
mit dem im Vergleich zu bekannten Elektroblechen deutliche verbesserte magnetische
Eigenschaften, insbesondere eine höhere magnetische Permeabilität, erreicht werden
kann.
[0015] Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein verbessertes und kostengünstigeres Herstellungsverfahren
für dieses Warmband anzugeben.
[0016] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Elektrobleches aus einem Warmband
weist ein Warmband mit folgender Legierungszusammensetzung in Gew.% auf:
C: 0,001 bis 0,08
Al: 4,8 bis 20
Si: 0,05 bis 5
B: bis zu 0,1
Zr: bis zu 0,1
Cr: 0,1 bis 4
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen
mit der Maßgabe, dass bei Al-Gehalten von 4,8 bis 8 % der Si -
Gehalt zwischen 2 und 5 %, bei Al - Gehalten von mehr als 8
bis 15 % der Si - Gehalt bis zu 4 %
und bei mehr als 15 bis 20% Al der Si -
Gehalt bis zu 2 % liegt.
[0017] Eine Zugabe von B und/oder Zr bis zur angegebenen Grenze kann vorteilhaft zur Verbesserung
der Warmwalzeigenschaften beitragen, da die sich bildendenden Nitride (BN, ZrN) oder
Karbide (ZrC) an die Korngrenzen anlagern und das Gleiten bei hohen Temperaturen (Warmwalztemperaturen)
verbessern. Um einen Effekt zu erzielen, sollte der Mindestgehalt für B 0,001% und
für Zr bei 0,05% betragen. Vorteilhaft ist außerdem, dass durch diese Zugaben die
Heißrissanfälligkeit deutlich reduziert wird.
[0018] Durch eine Zugabe von Cr von mehr als 0,1% bis maximal 4% kann die Duktilität bei
Raumtemperatur vorteilhaft verbessert werden ohne die magnetischen Eigenschaften wesentlich
zu beeinflussen.
[0019] Das durch das Verfahren erzeugte Warmband mit der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung
zeichnet sich durch deutlich verbesserte magnetische Eigenschaften, insbesondere durch
eine deutlich höhere magnetische Permeabilität, aus, durch die der Einsatzbereich
dieses Werkstoffs unter energetischen und wirtschaftlichen Aspekten deutlich vergrößert
werden kann. Insbesondere der im Vergleich zu bekannten Elektroblechen deutlich auf
max. 20% erhöhte Al-Gehalt bewirkt eine deutliche Erhöhung des elektrischen Widerstands
und damit eine entsprechende Verringerung der Ummagnetisierungsverluste.
[0020] Da das Warmband bei Temperaturen oberhalb von 400°C weiterverarbeitet, z. B. gewalzt
wird, werden hohe Anforderungen bezüglich eines Verzunderungsschutzes an das Material
gestellt. Durch die außergewöhnlich hohen Gehalte an Al bzw. Si bildet sich auf der
Oberfläche des erwärmten Bleches eine dichte Schicht aus Al
2O
3 oder SiO
2 aus, die eine Verzunderung des Eisens im Stahl wirksam verringert bzw. sogar vollständig
hemmt. Die Dicke der Schicht kann durch die Temperatur und die Zeitspanne der Glühung
beeinflusst werden.
[0021] Mit zunehmender Temperatur und Zeitspanne der Glühung nimmt die Dicke der Schicht
zu. Allerdings sollte diese Zunderschicht eine Dicke von 100 µm, besser 50µm, nicht
überschreiten, damit die Schicht wegen der mit zunehmender Dicke ebenfalls zunehmenden
Sprödigkeit, die Walzbarkeit durch abplatzenden Zunder nicht negativ beeinflusst.
[0022] Eine weitere Steigerung der magnetischen Permeabilität wird durch eine höhere Zugabe
von Si ≥ 0,05% erreicht. Erfindungsgemäß erfolgt die Zugabe von Si in Abhängigkeit
der AI-Gehalte. Bei Al-Gehalten von 4,8 bis 8%, muss der Si-Gehalt zwischen 2 und
5 %, bei Al-Gehalten von mehr als 8 bis 15% zwischen 0,05 und 4% und oberhalb von
15% Al bis zu 2% liegen, damit das Material warmwalzbar bleibt.
[0023] Zur qualitätssicheren und wirtschaftlichen Herstellung eines derartigen Warmbandes
wird erfindungsgemäß ein Verfahren angewandt, bei dem die Schmelze in einer horizontalen
Bandgießanlage strömungsberuhigt und biegefrei zu einem Vorband im Bereich zwischen
6 und 30 mm Dicke vergossen und anschließend zu Warmband mit einem Umformungsgrad
von mindestens 50% in Dicken von 0,9 bis 6,0 mm gewalzt wird. Vor dem Warmwalzen kann
ein Glühprozess bei 800 bis 1200°C notwendig sein.
[0024] Für den einzuhaltenden Mindestumformgrad hat sich gezeigt, dass dieser mit steigendem
Al-Gehalt ebenfalls erhöht werden sollte. So sind abhängig von der zu erreichenden
Endbanddicke und vom Al-Gehalt Umformgrade von mehr als 50, 70 oder sogar mehr als
90% einzuhalten, um eine gemischte Struktur aus geordneten und ungeordneten Phasen
zu erreichen. Der hohe Umformgrad ist auch notwendig, um die Gefügestruktur besonders
bei Hoch-AI-Legierungen zu zerstören und damit die Körner zu verkleinern (Kornfeinung).
Höhere Al-Gehalte erfordern deshalb entsprechend höhere Umformgrade.
[0025] Bei einer Dicke von beispielsweise 0,9 mm, lässt sich das Warmband auch vorteilhaft
als Endprodukt in elektromagnetischen Anwendungsfeldern einsetzen. Um ein Band mit
kornorientiertem Gefüge zu erhalten ist ein zusätzlicher Glühprozess notwendig, damit
sich die Körner ausrichten können. Dieser Prozess, der eine Glühbehandlung zwischen
800 und 1200°C vorsieht, kann kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen und bis
zu 30 Minuten andauern. Somit ist es möglich mit der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung
je nach Vorgabe sowohl kornorientierte (KO) wie auch nicht kornorientierte (NO) Elektrobänder
zu erzeugen.
[0026] Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, das Warmband nach einem wiedererwärmenden
Glühprozess (ggf. in entkohlender Atmosphäre) kaltzuwalzen und damit Enddicken von
bis zu 0,1 mm einzustellen. Das Glühen nach dem Kaltwalzen sollte bei Temperaturen
von 700 und 900°C für maximal 10 Minuten erfolgen oder für KO-Elektrobänder mehrere
Stunden in einem vergleichbaren Temperaturfenster.
[0027] Eine entkohlende Atmosphäre ist vorteilhaft, weil damit der Kohlenstoffgehalt in
dem Band sinkt (hauptsächlich im Randbereich). Dies führt zu einer Verbesserung der
magnetischen Eigenschaften, da weniger Fehlstellen im Material auftreten, die beispielsweise
durch die Kohlenstoffatome verursacht werden.
[0028] Der Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist darin zu sehen, dass bei Verwendung
einer horizontalen Bandgießanlage Makroseigerungen und Lunker aufgrund sehr homogener
Abkühlbedingungen in der horizontalen Bandgießanlage weitgehend vermieden werden können.
Da bei diesen Anlagen kein Gießpulver verwendet wird, entfällt die Gießpulverproblematik
ebenfalls.
[0029] Verfahrenstechnisch wird für den Bandgießprozess vorgeschlagen, die Strömungsberuhigung
dadurch zu erreichen, dass eine synchron oder mit optimaler Relativgeschwindigkeit
zum Band mitlaufendes Feld erzeugende mitlaufende elektromagnetische Bremse eingesetzt
wird, die dafür sorgt, dass im Idealfall die Geschwindigkeit des Schmelzenzulaufs
gleich der Geschwindigkeit des umlaufenden Förderbandes ist. Die als nachteilig angesehene
Biegung während der Erstarrung wird dadurch vermieden, dass die Unterseite des die
Schmelze aufnehmenden Gießbandes sich auf einer Vielzahl von nebeneinander liegenden
Rollen abstützt. Verstärkt wird die Abstützung in der Weise, dass im Bereich des Gießbandes
ein Unterdruck erzeugt wird, so dass das Gießband fest auf die Rollen gedrückt wird.
Zusätzlich erstarrt die Al-reiche bzw. Si-reiche Schmelze in einer fast Sauerstoff-freien
Ofenatmosphäre. Bei konventionellen Routen oberhalb von 1250°C verflüssigt sich der
Si-reiche Zunder (Fayalit), der darüber hinaus nur extrem schwer zu entfernen ist.
Das kann durch eine entsprechende Temperatur-Zeit-Führung in der Einhausung und die
folgenden Prozessschritte vermieden werden.
[0030] Um diese Bedingungen während der kritischen Phase der Erstarrung aufrecht zu erhalten,
wird die Länge des Förderbandes so gewählt, dass am Ende des Förderbandes vor dessen
Umlenkung das Vorband weitestgehend durcherstarrt ist.
[0031] Am Ende des Förderbandes schließt sich eine Homogenisierungszone an, die für einen
Temperaturausgleich und möglichen Spannungsabbau genutzt wird.
[0032] Das Walzen von Vorband zu Warmband kann entweder in-line oder separat off-line erfolgen.
Vor dem off-line-Walzen kann das Vorband nach der Herstellung vor dem Abkühlen entweder
direkt warm gehaspelt oder zu Tafeln geschnitten werden. Das Band- oder Tafelmaterial
wird dann nach einer eventuellen Abkühlung wiedererwärmt und für das off-line-Walzen
abgewickelt bzw. als Tafel wiedererwärmt und gewalzt.
[0033] In der im Anhang gezeigten einzigen
Figur ist schematisch ein erfindungsgemäßer Verfahrensablauf für die Bedingung Gießgeschwindigkeit
= Walzgeschwindigkeit dargestellt.
[0034] Dem Warmwalzprozess vorgeschaltet ist das Gießverfahren mit einer horizontalen Bandgießanlage
1, bestehend aus einem umlaufenden Förderband 2 und zwei Umlenkrollen 3, 3'. Zu erkennen
ist auch eine Seitenabdichtung 4, die verhindert, dass die aufgegebene Schmelze 5
rechts und links vom Förderband 2 herunterfließen kann. Die Schmelze 5 wird mittels
einer Pfanne 6 an die Bandgießanlage 1 transportiert und fließt durch eine im Boden
angebrachte Öffnung 7 in ein Zulaufgefäß 8. Dieses Zulaufgefäß 8 ist wie ein Überlaufgefäß
ausgebildet.
[0035] Nicht dargestellt sind die Einrichtungen zur intensiven Kühlung der Unterseite des
Obertrums des Förderbandes 2 sowie die vollständige Einhausung der Bandgießanlage
1 mit entsprechender Schutzgasatmosphäre.
[0036] Nach Aufgabe der Schmelze 5 auf das umlaufende Förderband 2 kommt es infolge der
intensiven Kühlung zur Erstarrung und zur Bildung eines Vorbandes 9, das am Ende des
Förderbandes 2 weitestgehend durcherstarrt ist.
[0037] Zum Temperaturausgleich und Spannungsabbau schließt sich an die Bandgießanlage 1
eine Homogenisierungszone 10 an. Diese besteht aus einer wärmegedämmten Einhausung
11 und einem hier nicht dargestellten Rollgang.
[0038] Das dann nachfolgende erste Gerüst 12 ist entweder nur als reines Treiberaggregat
ggf. mit einem geringen Anstich oder als Walzenaggregat mit einem vorgegebenen Anstich
ausgebildet.
[0039] Es folgt eine Zwischenerwärmung, vorteilhafterweise hier als induktive Erwärmung
z. B. in Form einer Spule 13 ausgebildet. Die eigentliche Warmumformung findet in
der nachfolgenden Gerüststaffel 14 statt, wobei die ersten drei Gerüste 15, 15', 15"
die eigentliche Stichabnahme bewirken, während das letzte Gerüst 16 als Glättwalzwerk
ausgebildet ist.
[0040] Nach dem letzten Stich folgt eine Kühlzone 17, in der das fertige Warmband bis auf
Haspeltemperatur heruntergekühlt wird.
[0041] Zwischen Ende der Kühlstrecke 17 und Haspel 19, 19' ist eine Schere 20 angeordnet.
Diese Schere 20 hat die Aufgabe, das Warmband 18 quer zu teilen, sobald einer der
beiden Haspel 19, 19' vollgewickelt ist. Der Anfang des nachfolgenden Warmbandes 18
wird dann auf den zweiten frei gewordenen Haspel 19, 19' geleitet. Dadurch wird sichergestellt,
dass der Bandzug über die gesamte Bandlänge aufrecht erhalten bleibt. Dies ist insbesondere
bei der Erzeugung dünner Warmbänder von Bedeutung.
[0042] Nicht dargestellt sind in der Figur die Anlagenteile zur Wiedererwärmung des Vorbandes
9 vor dem Warmwalzen und zum Kaltwalzen des Warmbandes.
Bezugszeichenliste
| Nr. |
Bezeichnung |
| 1 |
Bandgießanlage |
| 2 |
Förderband |
| 3, 3' |
Umlenkrolle |
| 4 |
Seitenabdichtung |
| 5 |
Schmelze |
| 6 |
Pfanne |
| 7 |
Öffnung |
| 8 |
Zulaufgefäß |
| 9 |
Vorband |
| 10 |
Homogenisierungszone |
| 11 |
Einhausung |
| 12 |
erstes Gerüst |
| 13 |
Induktionsspule |
| 14 |
Gerüststaffel |
| 15, 15', 15" |
Walzgerüst |
| 16 |
Glättgerüst |
| 17 |
Kühlstrecke |
| 18 |
fertiges Warmband |
| 19, 19' |
Haspel |
| 20 |
Schere |