Разработка технологии и оборудования для снижения удельных магнитных потерь анизотропной электротехнической стали лазерной обработкой без разрушения электроизоляционного покрытия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.07, кандидат наук Шишов Алексей Юрьевич

• Шишов Алексей Юрьевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Шишов Алексей Юрьевич

Введение

Глава 1. Анизотропные электротехнические стали и пути снижения в них удельных магнитных потерь

1.1. Анизотропные электротехнические стали в производстве трансформаторов

1.2. Методы снижения удельных магнитных потерь в электротехнической

стали созданием искусственных линий дробления доменов

1.3. Преимущества и недостатки лазеров, которые могут быть использованы,

для обработки трансформаторной стали

1.4. Задачи исследования

Глава 2. Материалы, методики и оборудование, используемые для исследований

2.1. Трансформаторные стали

2.2. Экспериментальный стенд для обработки анизотропной

электротехнической стали лазерным излучением

2.3. Лазерные источники, использованные в работе

2.4. Оборудование для исследования реакции покрытия и поверхности металла стали на локальную лазерную обработку

2.5. Оборудование и методики измерения магнитных характеристик

2.6. Методика экспресс-оценки изменения магнитных характеристик трансформаторной стали после лазерной обработки

2.7. Методика измерения электросопротивления изоляционного покрытия трансформаторной стали после лазерной обработки

2.8. Оборудование и методики исследования структуры материала трансформаторной стали, обработанной лазерным излучением

Выводы по Главе

Глава 3. Физические особенности формирования линий дробления доменов на поверхности трансформаторной стали лазерным излучением

3.1. Особенности лазерного излучения, формирующего структурные барьеры в трансформаторных сталях

3.2. Исследование влияния термодеформационного состояния анизотропной электротехнической стали на магнитные свойства после воздействием лазерного излучения

3.3. Исследование распределения намагниченности анизотропной электротехнической стали после лазерной обработки

Выводы по Главе

Глава 4. Исследование влияния на магнитные свойства анизотропной электротехнической стали параметров режимов обработки её поверхности излучением твердотельных лазеров

4.1. Влияния параметров импульсного излучения твердотельного лазера с модулированной добротностью

4.2. Влияние параметров излучения непрерывного волоконного лазера

4.3. Влияние параметров диодного лазера

Выводы по Главе

Глава 5. Разработка и создание опытной установки для промышленной обработки анизотропной электротехнической стали

5.1. Конструктивная схема участка лазерной обработки анизотропной электротехнической стали

5.2. Характеристики лазерно-оптического модуля

5.3. Оптическая система модуля

5.4. Система фиксации плоскости обработки ленты

5.5. Система управления лазерным модулем

5.6. Опытная апробация участка лазерной обработки

Выводы по Главе

Общие выводы по работе

Список литературы

Основные условные обозначения и сокращения

ЭАС - электротехническая анизотропная сталь; ЛЛО - локальная лазерная обработка; НЛМК - Новолипецкий металлургический комбинат; ЛТК - лазерный технологический комплекс; ПТС - производство трансформаторной стали.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологии и оборудования для снижения удельных магнитных потерь анизотропной электротехнической стали лазерной обработкой без разрушения электроизоляционного покрытия»

Введение

Интенсивное развитие энергетических систем в электроэнергетике с повышенными требованиями по энергосбережению, влечёт за собой потребность производства энергосберегающих трансформаторов.

Обострение конкуренции на рынке анизотропной электротехнической стали (трансформаторной стали) диктует необходимость её производства с низкими удельными потерями Р1;7/50 <1,0 Вт/кг, высоким уровнем магнитной индукции В800 >1,91 Тл и высоким уровнем качества поверхности и электросопротивления электроизоляционного покрытия.

Данный вид стали является одним из наиболее высокотехнологичных и дорогостоящих, поскольку требует значительных производственных затрат. Отношение затрат на переработку к стоимости исходного сырья, энергетических и вспомогательных материалов для трансформаторной стали с гарантированными потерями в пределах 1,00-1,2 Вт/кг составляет 65-80%, в то время как для автолиста и высокопрочных сварных труб этот показатель составляет 20-40%, для плоского проката из нержавеющих и мартенситостареющих сталей - 35-50%. Повышение магнитной проницаемости и снижение удельных магнитных потерь связано с материальными затратами на создание чистых ферросплавов, прецизионного легирования, обеспечение режимов горячей и холодной прокатки листа, термической обработки, нанесения вспомогательного и окончательного покрытий, а также внедрение новых технологических переделов.

Существуют альтернативные методы улучшения магнитных характеристик анизотропной электротехнической стали, таких как ударная обработка и воздействие концентрированными источниками энергии. Однако до настоящего времени не предложено комплекса современного оборудования и не проводились глубокие исследования технологии снижения удельных магнитных потерь анизотропной электротехнической стали локальной лазерной обработкой без разрушения электроизоляционного покрытия. Такая технология позволяет производить обработку на уже готовом материале при размотке и

транспортировке полосы в линии непрерывного технологического комплекса. На основании вышесказанного тема работы является весьма актуальной.

Целью работы является разработка технологии и оборудования на основе современных лазеров для снижения удельных магнитных потерь анизотропной электротехнической стали локальной лазерной обработкой без разрушения электроизоляционного покрытия.

Основными задачами исследования являются следующие:

1. Разработать оборудование и методики для исследования влияния лазерного излучения на листовую трансформаторную сталь.

2. Исследовать взаимодействие лазерного излучения с материалом электроизоляционного покрытия.

3. Разработать и исследовать приёмы для снижения удельных магнитных потерь трансформаторной стали путём создания линий дробления доменов воздействием лазерного излучения.

4. Исследовать влияние параметров режимов лазерного излучения на магнитные свойства готовой трансформаторной стали.

5. Разработать технологию обработки поверхности трансформаторной стали лазерным излучением без разрушения электроизоляционного покрытия.

6. Разработать проект и изготовить опытно-промышленный комплекс для обработки трансформаторной стали.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Экспериментально и теоретически установлено, что применение технологии локального воздействия излучения твердотельных лазеров с длиной

Л

волны 900 - 1070 нм и погонной энергии развёртки от 0,018 до 0,022 Дж/см позволяет создавать линии дробления доменов на поверхности трансформаторной стали с сохранением целостности электроизоляционного покрытия. При этом

снижение удельных магнитных потерь ДР17/50 достигается в диапазоне от 8,0 до 15,0%.

2. Теоретически и экспериментально доказано, что эти линии возникают при нагреве тонколистовой анизотропной электротехнической стали лазерным излучением до температур от 250 до 300°С, что не приводит к изменению микроструктуры стали. При этом возникают внутренние остаточные напряжения в местах лазерного воздействия, которые и являются причиной дробления магнитных доменов, что приводит к снижению удельных магнитных потерь.

3. Показано, что создание в стальной полосе, за счёт её натяжения в процессе

Л

лазерной обработки, растягивающих напряжений на уровне от 6,0 до 18,0 Н/мм , способствует дополнительному снижению удельных магнитных потерь ДР17/50 от 40 до 60 %.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Разработана технология обработки трансформаторной стали излучением волоконного и диодного лазеров без разрушения электроизоляционного покрытия.

2. Разработаны оптимальные режимы лазерной обработки трансформаторной стали излучением твердотельного лазера с модулированной добротностью, а также волоконного и диодного лазеров, позволяющие снизить удельные потери ДР17/50 в трансформаторной стали до 15,0%.

3. Создан опытно-промышленный технологический комплекс для обработки трансформаторной стали излучением волоконного лазера, встроенный в линию непрерывного агрегата на действующем производстве.

Методы исследования. Поставленные задачи решались с использованием теоретических и экспериментальных методов исследований. Расчеты тепловых полей проводили с использованием программы ANSYS. Для измерения магнитных характеристик стали после лазерной обработки разработана методика с применением прибора MPG 100D фирмы BROCKHAUS MESSTECHNIK,

Германия. Создана методика экспресс-оценки изменения магнитных характеристик в процессе лазерной обработки с использованием порошкового способа визуализации картины доменной структуры на приборе «Domen Viewer». Для оценки оптических характеристик электроизоляционного покрытия применяли спектрофотометр LAMBDA 950 (Perker Elmer (США).

Достоверность работы обеспечена корректным использованием общих положений фундаментальных наук (уравнения баланса энергии, теплопереноса, массопереноса и т.д.), проверена по известным критериям изучаемых процессов и подтверждена экспериментальными данными.

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на научных семинарах кафедры Лазерных технологий в машиностроении, Москва, 2014, 2015, 2016, 16 международная конференция «Лазерные и лучевые технологии», Санкт-Петербург, 2016; Отраслевой конференция «Лазерные технологии и методики в промышленности». Санкт - Петербург, 2016; Научно-практическая конференция «Лазерные технологии обработки материалов в промышленности», Москва, 2017.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 7 научных работах, 3 из которых входят в перечень ВАК РФ общим объемом 1,9 п.л. и в 1 патенте на изобретение №2405841.

Объём работы. Диссертационная работа состоит из основных условных обозначений и сокращений, введения, пяти глав, общих выводов по работе и списка литературы из 79 наименований. Диссертация изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков и 20 таблиц.

Глава 1. Анизотропные электротехнические стали и пути снижения в них удельных магнитных потерь

1.1. Анизотропные электротехнические стали в производстве трансформаторов

Для производства магнитопроводов трансформаторов необходим специальный материал с высокой магнитной проницаемостью и коэрцитивной силой, имеющий малые удельные потери в переменных магнитных полях. Подобным, наиболее распространенным материалом является электротехническая анизотропная сталь, так же называемая трансформаторной. Эти стали были созданы ещё в начале 20 века и достаточно хорошо изучены [1,2].

Сталь применяется при производстве различного рода трансформаторов и обладает особыми свойствами - низкими удельными магнитными потерями, что и делает ее незаменимой при изготовлении магнитных сердечников. Это достигается благодаря особому химическому составу (содержанию кремния в среднем 3 %), малой толщине проката и специальной ориентировке кристаллической решетки данного вида стали (текстурой).

Химический состав анизотропной электротехнической стали зависит от качества шихтовых материалов. Скорость кристаллизации слитков влияет на дефектную структуру кристаллической решётки. При стандартном содержании примесей: 0,025-0,040% С; <0,01% Б; 0,1-0,3% Мп; <0,012% Р - альфа + гамма область расширена и в гамма-фазу превращается лишь незначительная часть кристаллов, при температурах выше 800 °С.

Самым вредным по влиянию на магнитные свойства является углерод - он увеличивает потери на гистерезис. Его примеси затрудняют образование требуемой текстуры рекристаллизации анизотропной стали. Переход углерода из цементита в графит улучшает магнитные свойства готовой стали.

Азот оказывает влияние на магнитные свойства стали. Содержание серы влияет на размер зерна, а в сумме с азотом они увеличивают потери при перемагничивании, которые в свою очередь снижает фосфор, увеличивая при этом электросопротивление [3].

Необходимую текстуру в готовой трансформаторной стали создают в процессе её производства добавлением в сплав большого числа легирующих элементов - кремния, алюминия, серы, марганца, азота и других элементов в узких пределах. Присутствие кремния в стали улучшает ее состав, поскольку кремний связывает часть растворённых в металле газов и в первую очередь кислород. Легирование кремнием оказывает благоприятное действие на магнитные свойства стали, в частности снижение магнитострикции. В присутствии кремния сталь приобретает более крупнозернистую структуру. Это приводит к увеличению магнитной проницаемости стали, снижению коэрцитивной силы и потерь при перемагничивании. Одним из путей уменьшения потерь на вихревые токи в листах низкоуглеродистой стали является повышение ее удельного электрического сопротивления. При легировании такой стали кремнием последний образует с железом твердый раствор и повышает сопротивление стали в 2-6 раз. Вместе с тем кремний неблагоприятно влияет на механические свойства стали, повышая ее твердость и хрупкость. При содержании кремния свыше 5% снижается индукция материала, затрудняется прокатка и штамповка стали [4].

Элементарная кристаллическая ячейка электротехнической стали при комнатной температуре представляет собой - объёмно- центрированный куб (альфа-решётка). Постоянная альфа решётки зависит от содержания кремния. Повышение содержания кремния в электротехнической стали ведёт к уменьшению значения плотности [5].Характерной особенностью анизотропной электротехнической стали является её крупнозернистость. В зависимости от величины зёрен магнитная проницаемость и потери на вихревые токи -увеличиваются, потери на гистерезис и коэрцитивная сила уменьшаются, при увеличении величины зерна, что существенно влияет на магнитные свойства

стали. Анизотропная электротехническая сталь характеризуется наличием ребровой текстуры (текстуры Госса) [6].

Кристаллографическая текстура - влияние кристаллографической ориентации зёрен относительно плотности листа и направления прокатки магнитного материала - обусловлено наличием магнитной кристаллографической анизотропии. Особенности кристаллографических свойств дислокаций и процессов рекристаллизации в материале используются для получения кристаллографически текстурированной электротехнической стали. Например, процесс рекристаллизации не наступает при длительном отжиге при температуре 600°С, хотя плотность дислокаций снижается. Ориентацию осей <110> зёрен вдоль направления прокатки обеспечивает отжиг при 900°С, вызывая рекристаллизацию. Совершенство кристаллографической текстуры при этом составляет 80%, что является достаточным для большого количества магнитопроводов. Более высокое совершенство до 90% позволяет получить отжиг при температуре 1150-1200 °С, рафинируя материал и снижая коэрцитивную силу [6].

Магнитные потери в направлении прокатки у этой стали значительно меньше, чем поперек направления, а магнитная индукция выше, что обеспечивает малые потери электроэнергии, низкий нагрев и высокую экономичность трансформаторов. Анизотропия свойств холоднокатаной текстурованной стали определяет конструкцию трансформаторов, в которых магнитный поток в металле должен совпадать с направлением прокатки, что обеспечивает наименьшие потери в сердечнике. Поэтому наиболее широко холоднокатаная анизотропная электротехническая сталь применяется при производстве силовых трансформаторов. Наряду с высокими магнитными свойствами, при соблюдении технологии производства, она имеет высокое качество поверхности и хорошую обрабатываемость [7].

Кремнистые стали изготавливают двумя способами: горячей и холодной прокаткой. По уровню магнитных свойств, геометрической точности листа и качеству отделки холоднокатаные стали существенно превосходят горячекатаные

и постепенно вытесняют последние. Сталь маркируется четырьмя цифрами: первая означает структурное состояние и вид прокатки (1 - горячекатаная изотропная, 2 - холоднокатаная изотропная, 3 - холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой); вторая - примерное содержание кремния; третья - основные нормируемые характеристики [0 - удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц (Р1,7/50), 1 - при индукции 1,5 Тл и частоте 50 Гц (Р1,5/50), 2 -при индукции 1 Тл и частоте 400 Гц (Р1/400), 6 - магнитная индукция в слабых магнитных полях при напряженности поля 0,4 А/м (В04), 7 - магнитная индукция в средних магнитных полях при напряженности поля 10 А/м (В100) [8].

Кроме легирования необходимо соблюдать особый режим нагрева слябов в узким температурным интервалом и регламентированную степень обжатия на стане горячей прокатки. После этого применяют специальные режимы обезуглероживающего, рекристаллизационного, высокотемпературного отжигов и т.д. Выполнение всех вышеуказанных технологических условий возможно только на специализированном оборудовании, что ограничивает число производителей данной стали. Марка трансформаторной стали, определяемая, в первую очередь, величиной магнитных потерь, вместе с прочими параметрами, такими как толщина, качество покрытия и др., существенно влияет на цену данной продукции.

Этот вид стали является одним из наиболее высокотехнологичных и дорогостоящих, поскольку требует значительных производственных затрат. Отношение затрат на переработку к стоимости исходного сырья, энергетических и вспомогательных материалов для трансформаторной стали с гарантированными потерями в пределах 1,00-1,2 Вт/кг составляет 65-80%, в то время как для автолиста и высокопрочных сварных труб этот показатель составляет 20-40%, для плоского проката из нержавеющих и мартенситостареющих сталей - 35-50% [9].

При изготовлении трансформаторов существенное значение имеет не только состав и структура материала, но и качество поверхности листа. Не допускаются грубые и средние поверхностные дефекты, окалина, царапины и прочие. Качество трансформаторов во многом зависит от технологии их изготовления.

Возможность отжига магнитопровода после штамповки листа и сборки, а так же снижение толщины электроизоляционного покрытия положительно сказываются на технологии изготовления. Термостойкость электроизоляционного покрытия позволяет отжигать магнитопровод для снятия наклепа после штамповки и улучшения электротехнических свойств на 5-10%. Магнитоактивность электроизоляционного покрытия позволяет зафиксировать напряженное состояние стальной основы за счет разницы коэффициентов термического расширения и также улучшить электротехнические характеристики готовой стали.

В настоящее время данная сталь выпускается в объёме более 2,2 млн. тонн в год 13 крупнейшими мировыми металлургическими холдингами на 17 предприятиях по пяти различным технологиям. Электротехническая сталь выпускается в виде отдельных листов, рулонов или ленты и предназначается для изготовления магнитопроводов. Для уменьшения потерь на вихревые токи и исключения межслойного короткого замыкания пластин, на полосу электротехнической стали наносят электроизоляционное покрытие после высокотемпературной обработки. С помощью покрытых полиуретановых роликов наносится алюмофосфатное покрытие с последующей сушкой в проходной печи с защитной безокислительной атмосферой [10]. Важнейшим эффектом, достигаемом на данном этапе технологического процесса, является фиксация растягивающих напряжений в стали за счет разницы коэффициентов термического расширения, керамического покрытия и стальной матрицы. Растягивающие напряжения в готовой стали обеспечивают улучшение магнитных характеристик.

Окончательно изготовленная сталь покрывается специальным электроизоляционным покрытием, целостность которого является необходимым условием надёжной работы трансформатора.

Интенсивное развитие энергетических систем в электроэнергетике с повышенными требованиями по энергосбережению, влечёт за собой создание инновационных способов повышения потребительских свойств ЭАС для

обеспечения возможности производства энергосберегающих трансформаторов. Обострение конкуренции на рынке трансформаторной стали и трансформаторного оборудования, диктует необходимость производства стали с низкими удельными потерями (Р^о <1,0 Вт/кг), высоким уровнем магнитной индукции (В800 >1,91 Тл), высоким уровнем качества поверхности и электросопротивления электроизоляционного покрытия. Однако достижение этих показателей только изменением химического состава и технологии производства весьма дорогостоящий процесс, требующий существенного перевооружения целых цехов и участков, поэтому появляется ряд способов повышения электротехнических характеристик на стандартных, относительно недорогих марках сталей путём их обработки после практически окончательного изготовления.

1.2. Методы снижения удельных магнитных потерь в электротехнической стали созданием искусственных линий дробления доменов

С начала 80-х годов XX века начали создаваться альтернативные способы снижения удельных магнитных потерь в трансформаторных сталях, не требующих изменения химических составов и технологии изготовления, существенно снижало стоимость производства [11,12].

Авторами работы [12] удельные магнитные потери снижались путём создания линий дробления доменов «скрайбирования», то есть удалением части материала с поверхности листа, за счёт перемещения перпендикулярно направлению прокатки твердосплавного инструмента (иглы, резцы), как показано на Рис.1.1.

Рис.1.1.

Схема процесса создания линий дробления доменов скрайбированием

В этом случае происходит внесение напряжённого состояния, приводящего к изменению доменной структуры с образованием 180-градусных замыкающих доменов. Однако, как показала практика, этот способ трудно реализуем в промышленных условиях, а так же, при этом разрушалось электроизоляционное покрытие и его надо было снова наносить после обработки.

В работе [13] описывается метод уменьшения домена для снижения потерь трансформаторной стали с высокой проницаемостью с помощью сборных блоков крупных шаров с малым трением. Данные блоки перемещались поперёк направления прокатки с целью создания напряжённого состояния в местах воздействия. Приложение соответствующей нагрузки к блокам шариков диаметром до 39,7 мм позволило снизить потери на величину до 9,6%, при расстоянии между линиями напряжения 7,5-10 мм. Это достигалось без разрушения изоляции. В усовершенствованном варианте рассматриваемой технологии использовались шарики сравнительно большего диаметра: 20-40 мм.

Типичное устройство шариковых блоков, показанное на Рис. 1.2, представляет собой большой стальной шар (12-40 мм), окружённый многочисленными меньшими шариками в обойме.

Рис. 1.2.

Схема устройства сборных блоков крупных шаров с малым трением для снижения потерь трансформаторной стали Для шариковых блоков создавалась нагрузка с помощью пружины, различные уровни нагрузки достигались посредством применения шайб-прокладок. Для отработки и оптимизации процесса, несколько шариковых блоков были размещены на шлифованной плите, прикреплённой к передвигающему блоку с приводным ремнём.

Влияние изменения технологических параметров, таких как: диаметра шарика, приложенная нагрузка и интервалы полос напряжения на магнитные свойства было оценено при использовании образцов размером 610*220*0,27 мм из рулона электротехнической стали с ориентированным зерном с высокой магнитной проницаемостью и образцов из рулонов разных производств. В частности, были рассмотрены наборы шариковых блоков с диаметром шарика 12,7-39,7 мм, значения прикладываемой нагрузки 2-7 кг и изменения интервала между полосами напряжения 3-10 мм.

В результате применения этого оборудования вихретоковая составляющая удельных магнитных потерь на перемагничивание уменьшалась. Расстояние между следами воздействия составляло от 2 до 10 мм.

Потери для полосы толщиной 0,27 мм снижались приблизительно на 5-9% без значительного ущерба для проницаемости. Установлено, что чем тоньше лист ориентированной стали, тем он чувствительней к измельчению домена. Метод шариковых блоков особенно приемлем для сталей толщиной менее 0,23 мм. Данные технологические приёмы широкого применения не получили, поскольку имеют низкую технологичность при массовом производстве стали из-за износа инструмента, воздействия на электроизоляционное покрытие и малой производительности.

Японская металлургическая компания Kawasaki Steel еще в 1998 г. представила новые марки трансформаторной стали, со сниженным уровнем удельных магнитных потерь, полученных с применением технологии локального травления канавок и последующей прокатки и термообработки [14]. Но такой метод является также очень затратным из-за длительности процессов и дополнительных энергозатратных технологических переделов.

С развитием техники и технологии наибольшее распространение получили способы локального теплового воздействия, обладающие большей эффективностью и технологичностью. Для этой цели применяют плазменную струю, остросфокусированное лазерного излучение и ионно-лучевую обработку [11,15,16]. Данные способы снижения удельных магнитных потерь в готовой трансформаторной стали позволяют создавать в поверхностном слое листа различного рода структурные барьеры. Эти барьеры приводят к искажению магнитной текстуры в локальных участках поверхности металла и образованию сложной структуры областей (доменов) спонтанного намагничивания. При локальном лазерном нагреве в поверхностных слоях материала создаются термические напряжения, изменяющие характер доменной структуры в зонах, прилегающих к лазерной дорожке.

Способ, предложенный Институтом физики металлов УрО РАН [11] включает высокотемпературный отжиг, выдержку, охлаждение до комнатной температуры, ионно-лучевую обработку (ИЛО), а именно бомбардировку ускоренными ионами инертных газов, и термомагнитную обработку в

знакопеременном магнитном поле, при этом облучение могут проводить ионами аргона Аг+ с энергией пучка ионов 20-50 кэВ оптимальной для каждого материала

дозой, в частности для поликристаллических и аморфных сплавов на основе

2 2 кремнистого железа - 1015-1016 ион/см , на основе никеля - 1016 ион/см

соответственно, а термомагнитную обработку различных магнитомягких сплавов

в знакопеременном магнитном поле проводят в диапазоне частот от 50 Гц

(массивные поликристаллы, например Fe-Si) до 10-80 кГц (тонкие ленты

аморфных сплавов, например, на основе Fe-Si-B). Изобретение обеспечивает

улучшение магнитных характеристик магнитомягких материалов за счет

предварительной ионной обработки материала, обеспечивающей повышение его

чувствительности к наведению одноосной магнитной анизотропии при

термомагнитной обработке.

Фирма «KAWASAKI» применяла также локальную плазменную обработку с микролегированием локальных областей поверхности [18].

Наиболее перспективным способом создания линий дробления доменов оказалась локальная лазерная обработка, впервые предложенная для этих целей в 1974 г. в Институте физики металлов УрО АН СССР [19]. В первых работах по использованию лазерного излучения для снижения удельных магнитных потерь измельчение доменов осуществлялось за счет получения в стали кристаллитов определённых форм и размеров[15]. Сталь подвергали ЛЛО после холодной прокатки. Области термического воздействия имели форму узких полос поперёк направлению прокатки, отстоящих друг от друга на расстоянии 2-3 мм. В них протекала первичная рекристаллизация и при последующей обработке создавались структурные барьеры, препятствующие свободному росту зерен при вторичной рекристаллизации [20]. На месте областей термического воздействия лазерного излучения формировались границы крупных зерен вторичной рекристаллизации. Метод позволял снижать удельные магнитные потери на 612% в зависимости от остроты кристаллической текстуры (110)[001]. Другой метод заключался в ЛЛО готовой крупнозернистой стали. В областях ЛО, также нанесённых перпендикулярно направлению прокатки и отстоящих друг от друга

на 3-10 мм, при последующем отжиге развивались процессы полигонизации, в результате которых формировалась характерная микроструктура с большой плотностью малоугловых границ [21, 22]. Данный метод, как и описанный выше, приводил к термически устойчивому эффекту снижения удельных магнитных потерь.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шишов Алексей Юрьевич, 2019 год

Список литературы

1. Электротехническая анизотропная сталь. История развития / Лобанов М. Л. [и др.] //Металловедение и термическая обработка металлов. 2011. № 7. С. 25-36.

2. Тагучи С. Современное состояние развития электротехнических сталей // Тэцу то Хагане. 1976. Т. 62, № 7. С. 905 -915.

3. Казаджан Л.Б. Магнитные свойства электротехнических сталей и сплавов. М.: Наука и технологии. 2004. 352с.

4. Производство новых видов электротехнических сталей в ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат» / Поляков М.Ю. [и др.] // Производство проката. 2010. №7. С. 19-23.

5. Франценюк И. В., Казаджан В. Б., Барятинский В. П. Достижения в улучшении качества электротехнических сталей на НЛМК // Сталь. 1994. № 10. С. 35 - 38.

6. Sadayori Т., lida К, Fukuda В. Development of grain- oriented silicon steel sheets with low iron loss // Kawaski Steel Giho. 1989. V. 21, No. 3. P. 239-244.

7. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. Магнитные характеристики и практические применения. М.: Мир.1987. 159 с.

8.Петрова Л. Г., Потапов М.А., Чудина О. В. Электротехнические материалы М.: МАДИ, 2008. 198 с.

9.Счастливцева И. К., Губернаторов В. В., Соколов Б. К. и др. О стабилизации размера зерна матрицы в тонкой ленте трансформаторной стали // Физика металлов и металловедение. 1967. №5. С. 929 -933.

10. Могутнов Б. М, Емельянов Л. П., Кононов А. А. Физическая химия процессов обработки электротехнических сталей. М.: Металлургия, 1990. 168 с.

11. Соколов Б.К., Губернаторов В.В., Драгошанский Ю.Н. Влияние ионно-лучевой обработки на магнитные свойства магнитомягких материалов // Физика металлов и металловедение, 2000. №. 4. С. 32-42.

12.Русаков Г. M., Редикульцев А. А., Каган И. В.Механизм образования полос сдвига при холодной деформации технического сплава Fe - 3 % Si.

// Физика металлов и металловедение. 2010. Т. 109, №6. С. 701 -707.

13. Katayama M., Okunava V. Reduction of losses of electrical steel with high permeability by using prefabricated blocks, large balls.// Journal of engineering physics. 1985. № 235.P. 56-69.

14. Yamaguchi T. Luchi K, Kuroki O. Reducing the level of specific magnetic losses obtained using the technology of local etching of grooves and subsequent rolling and heat treatment. //Steel rolling technology. 1989. № 10.P. 45-54.

15. Драгошанский Ю. Н., Соколов Б. К., Пудов В. И. Улучшение магнитных свойств анизотропных магнитомягких материалов лазерной обработкой и контроль ее эффективности.// Доклады Академии наук. 2003.Т. 391, №. 1, С. 4446.

16. Snell D., Lockhart C. The effect of spark ablation on the power loss of grain oriented electrical steels. //British Steel Corporation, Techical and Research Department. 1985. № 5. Р.85-99.

17. Соколов Б.К., Терегулов Н.Г. Актуальные вопросы лазерной обработки сталей и сплавов. Уфа.: Технология, 1994. 97c.

18. Fukuda В., Irie Т., Shimanaka Н. Local plasma treatment with micro-alloying of local areas of the steel surface. //Japanese technology magazine.2003.№6.P.46-58.

19. Драгошанский Ю.Н., Зайкова В.А., Хан Е.Б. Оптимизация режимов лазерной обработки электротехнической стали // Физика металлов и металоведение.1974. №6. С.24-38.

20. Соколов Б. К., Драгошанский Ю. Н. Структурные барьеры и снижение магнитных потерь в анизотропных электротехнических сталях. // Физика металлов 1991. № 1. С. 92 - 102.

21. Пудов В.И., Драгошанский Ю.Н. Магнитная доменная структура и термостабилизация зон лазерного воздействия в магнитомягких материалах. //Физика твердого тела. 2016. Том 58, №2 С.56-64.

22. Буханова, И. Ф., Дивинский В. В., Журавель В. М. Лазерная обработка пластин магнитопроводов силовых трансформаторов // Электротехника. 2004. № 1. С. 39-42.

23. Iuchi T., Yamaguchi S., Ichiyama T. Laser processing for reducing core loss of grainoriented silicon steel // Journal Applied Phusics. 1982. V.53, №3.P.32-44.

24. Каюков С. В., Зайчиков Е. Г., Дудоров И. А. Оптимизация режимов лазерной обработки анизотропной электротехнической стали // Известия Самарского научного центра РАН. 2003. Т. 5, № 1. С. 66-73.

25. Гиржон В. В. , Смоляков А. В. , Бабич Н. Г. Влияние импульсных лазерных нагревов на магнитные свойства аморфного сплава Fe76Si13B11 // Физика металлов и металловедение. 2009. Т. 108, № 2. С. 133-138.

26. Андреев А. О., Бровин М. А., Петровский В. Н. Пространственно-неоднородное распределение намагниченности в ферромагнитных материалах, обработанных излучением лазера // Журнал технической физики. 2016. Т. 86, № 4. С. 113-118.

30. Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Технологические процессы лазерной обработки. М.: Издательство МГТУ им.Н.Э.Баумана. 2008. 680с.

31.Богданов А.В., Голубенко Ю.В Волоконные технологические лазеры и их применение. Санкт-Петербург: Лань. 2016.208с.

32.Кристоф У. Диодные лазеры высокой мощности. //ФОТОНИКА. 2016.№3. С.12-17.

33. Takahashi N., Harase J. Recent development of technology of grain oriented silicon steel // Pro^s Material Science Forum. 1996. V. 204-206, P. 143- 145.

34. Honda К., Kaya S. On the magnetisation of single crystals of iron // Sciеns Repir Tohoku Imp. Univ. 1986. V. 15, P. 721 -754.

35. Франценюк И. В., Казаджан В. Б., Барятинский В. П. Достижения в улучшении качества электротехнических сталей на НЛМК // Сталь. 1994. № 10. С. 35 - 38.

36.Rusakov G. М., Redikultsev A. A., Lobanov М. L. Formation mechanism for orientation relationship between {110}(001) and {111}(112) grains during twinning in Fe - 3 % Si alloy // Metallurgical and materials transactions A. 2008. V. 39, № 10. P. 2278 - 2280.

37. Механизм образования полос сдвига при холодной деформации технического

сплава Бе - 3 % / Г. М. Русаков [и др.] // Физика металлов и металловедение. 2010. Т. 109, №6. С. 701 -707.

38. Ветер В. В. , Жулейкин С. Г. , Игнатенко Л. Н. Градиентные структуры, возникающие при пластической деформации перлитной стали.// Известия Российской Академии Наук. Серия физическая. 2003. Т. 67, № 10. С. 1370-1375.

39. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки. М.: Машиностроение.1996.280 с.

40. Андреев А. О. , Блинова Е. Н. , Либман М. А. Влияние циклического лазерного нагрева на образование дисперсных структур в железо-хром-никелевых сплавах // Материаловедение. 2016. № 10. С. 37-40.

41. Вейко, В. П. Лазерные технологии. Введение в лазерные технологии. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2009.143 с.

42. Лобанов М. Л. [и др.] Электротехническая анизотропная сталь. История развития.Ч.2 //Металловедение и термическая обработка металлов. 2011. № 8.

С. 25-36.

43. Корзухин Г.С., Литвиненко Л.А. О возможности определения магниных напряжений магнито-порошковым методом // Дефектоскопия.1997.№11. С.40-42

44.Карзухин Г.С., Пужевич Р.Б , Цирлин М.Б. Влияние магнитных напряжений на магнитные свойства анизотропнойэлектротехнической стали // Физика металлов и металловедение. 2007.Т.103, №2.С. 147-156.

45. О магнитных способах оценки внутренних напряжений / Ю.А. Мехонцев //Дефепктоскопия.1986.№2.С.94-95

46. Определение внутренних напряжений в текстуированной электротехнической стали / Г.С. Карзухин, М.П. Уварова // Электротехнические материалы.1989.№ 10.С.7-8.

48. Пространственно-неоднородное распределение намагниченности в ферромагнитных материалах, обработанных излучением лазера / А. О. Андреев, М. А. Бровин, В. Н. Петровский // Журнал технической физики. - 2016. Т. 86, № 4. С. 113-118.

49. Улучшение магнитных свойств анизотропных магнитомягких материалов

лазерной обработкой и контроль ее эффективности / Ю. Н. Драгошанский, Б. К. Соколов, В. И. Пудов //Доклады Академии наук. 2003. Т. 391, №1. С. 44-46.

50. Лазерная обработка пластин магнитопроводов силовых трансформаторов / Б. К. Соколов, В. В. Губернаторов, Ю. Н. Драгошанский //Физика металлов и металловедение. 2000. Т. 89, № 4. С. 32-42.

51. О виде замыкающих доменов внутри кристаллов Fe-Si / Я.С. Шур, Ю.Н. Драгошанский // Физика металлов и металловедение. 1996. Т.22, №5.С.702-710.

52. Магнитная доменная структура и термостабилизация зон лазерного воздействия в магнитомягких материалах / В.И. Пудов, Ю.Н. Драгошанский // Физика твердого тела. 2016. Т. 58, № 2. С.43-51.

53. Оптимизация режимов лазерной обработки анизотропной электротехнической стали / С. В. Каюков, Е. Г. Зайчиков, И. А. Дудоров // Известия Самарского научного центра РАН. 2003.Т. 5, № 1. С. 66-73.

54. Влияние импульсных лазерных нагревов на магнитные свойства аморфного сплава 30КСР / В. В. Гиржон, А. В. Смоляков, Н. И. Захаренко // Физика металлов и металловедение. 2011. Т. 111, № 6. С. 587-591.

55. Комплексная лазерная обработка электротехнической стали / А.Г. Григорьянц,

A.Ю. Шишов, В.А. Фунтиков // Технология Машиностроения. 2015.№ 10. С.12-15.

56. Влияние лазерной обработки на динамические магнитные свойства аморфной ленты Fe64CO21B15 / А. Л. Семенов, А. А. Гаврилюк, А. В. Гаврилюк // Неорганические материалы. 2010. Т. 46, № 6. С. 694-701.

57. Производство новых видов электротехнической сталей. / М .Ю. Поляков, С.В. Бахтин, А.Ю Шишов // Листопрокатное производство. 2010.№7. С.21-29.

58. Технологии локальной лазерной обработки электротехнической анизотропной стали диодными лазерами прямого действия / А.Г. Григорьянц, А.Ю. Шишов,

B.А. Фунтиков // Сварочное производство. 2017 . №9.С. 47-53.

59. Магнитоупругие свойства аморфных металлических лент, прошедших лазерную обработку / А. А. Гаврилюк, А. Л. Семенов, Н. В. Морозова // Материаловедение. 2011. № 10. С. 19-24.

60. Использование фазовых превращений для создания градиентных материалов/ М. П. Галкин, М. А. Либман, Э. И. Эстрин // Материаловедение. 2014. № 3. С. 2528.

61. Джумаев П.С. , Емельянова О.В. , Якушин В.Л. Влияние обработки потоками импульсной плазмы на структурно-фазовое состояние ферритно-мартенситной стали ЭК-181 // Известия высших учебных заведений. Физика. 2014. Т. 57, № 12. С. 276-280.

62. Андреев А. О. , Миронов В. Д. , Петровский В. Н. Изменение фазового состава металлов излучением волоконного лазера для управления их магнитными характеристиками // Ядерная физика и инжиниринг. 2013. Т. 4, № 5. С. 396-405.

63. Mohanan S., Diebolder R., Hibst R. Effect of pulsed laser irradiation on the structural and the magnetic properties of NiMn/Co exchange bias system. // Journal of applied physics. 2008. Vol. 103, № 7. С. 07B502.

64. Влияние циклического лазерного нагрева на образование дисперсных структур в железо-хром-никелевых сплавах / А. О. Андреев, Е. Н. Блинова, М. А. Либман // Материаловедение. 2016. № 10. С. 37-40.

65. Способ производства листовой анизотропной электротехнической стали/ Патент № RU 2405841 С1/Ю.И. Ларин, М.Ю. Поляков, В.Н. Поляков, А.Ю. Шишов, С. А. Крысанов; заявл. 08.03.2009; опубл. 10.12.2010.

66. Электротехническая сталь: [Электронный ресурс] // НЛМК. Каталог продукции. - URL: http://nlmk.com/upload/iblock/fd6/elektrotekhnika_katalog.pdf (Дата обращения: 20.03.2018).

67. ГОСТ 12119.0-98 Сталь электротехническая. Методы определения магнитных и электрических свойств. Общие требования. М.: ИПК Издательство стандартов, 1999.83 с.

68. ГОСТ 12119.1-98 Сталь электротехническая. Методы определения магнитных и электрических свойств. Методы измерения магнитной индукции и коэрцитивной силы в аппарате Эпштейна и на кольцевых образцах в постоянном магнитном поле. М.: ИПК Издательство стандартов, 2003

69. ГОСТ 12119.2-98 Сталь электротехническая. Методы определения магнитных

и электрических свойств. Метод измерения магнитной индукции в пермеаметре. М.: ИПК Издательство стандартов, 2003

70. ГОСТ 12119.3-98 Сталь электротехническая. Методы определения магнитных и электрических свойств. Метод измерения коэрцитивной силы в разомкнутой магнитной цепи. М.: ИПК Издательство стандартов, 2003

71 . ГОСТ 12119.4-98 Сталь электротехническая. Методы определения магнитных и электрических свойств. Метод измерения удельных магнитных потерь и действующего значения напряженности магнитного поля

72. ГОСТ 12119.5-98 Сталь электротехническая. Методы определения магнитных и электрических свойств. Метод измерения амплитуд магнитной индукции и напряженности магнитного поля. М.: ИПК Издательство стандартов, 2003

73. ГОСТ 12119.6-98 Сталь электротехническая. Методы определения магнитных и электрических свойств. Метод измерения относительной магнитной проницаемости и удельных магнитных потерь мостом переменного тока. М.: ИПК Издательство стандартов, 2003

74. ГОСТ 12119.7-98 Сталь электротехническая. Методы определения магнитных и электрических свойств. Метод измерения удельного электрического сопротивления мостом постоянного тока. М.: ИПК Издательство стандартов, 2003

75. ГОСТ 12119.8-98 Сталь электротехническая. Методы определения магнитных и электрических свойств. Метод измерения коэффициента сопротивления изоляционного покрытия. М.: ИПК Издательство стандартов, 2003

76. Ольков С.А. Формирование субструктуры при рекристаллизации и разработка способов улучшения эксплуатационных свойств электротехнической анизотропной стали: дис. ... канд. техн. наук: 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов / Ин-т физики металлов УрО РАН. Екатеринбург, 2013.122 с.

77. Третьяков Р.С. Технологические особенности процесса лазерной модификации поверхностей с коаксиальной подачей порошковых материалов: дис. ... канд. техн. наук: 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки / МГТУ им. Н.Э. Баумана. Москва,2014.162 с.

78. Лобанов М.Л. Управление структурой и текстурой электротехнической анизотропной стали с нитридным ингибированием: дис. ... доктора техн. наук: 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов / УГТУ-УПИ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина. Екатеринбург, 2010.242 с.

79. Сысолятина И.П. Контроль качества электроизоляционных покрытий, текстуры и величины зерен в процессе производства анизотропной электротехнической стали: дис. ... канд. техн. наук: 05.02.11 - Методы контроля и диагностика в машиностроении / Ин-т физики металлов УрО РАН. Екатеринбург, 2004.145 с.

В диссертационный совет Д 212.141.06 при

МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д.5. стр.1

ОТЗЫВ

Научного руководителя, д.т.н профессора Григорьянца Александра Григорьевича о работе Шишова Алексея Юрьевича над диссертацией «Разработка технологии и оборудования для снижения удельных магнитных потерь анизотропной электротехнической стали лазерной обработкой без разрушения электроизоляционного покрытия», представленной на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.07 -Технология и оборудование механической и физико-технической обработки.

Шишов Алексей Юрьевич после окончания кафедры сварочного производства металлургического факультета Липецкого технического университета и срочной военной службы в ГРАУ МО РФ прошёл трудовой путь на Новолипецком металлургическом комбинате от инженера лаборатории стыкосварочных машин до начальника лаборатории новых технологий Инженерного центра.

Начиная с 2005 года непосредственно руководил и принимал участие в исследовательской работе по новому технологическому направлению «лазерная обработка поверхности трансформаторной стали с целью снижения удельных магнитных потерь». По результатам проведённых расчётов энерговременных параметров и измерений магнитных характеристик стали были спроектированы и построены три лабораторных стенда. Итогом работы стало создание и ввод в опытно-промышленную эксплуатацию лазерного технологического комплекса и создание новой цеховой технологической инструкции.

В 2011 году Алексей Юрьевич Шишов поступил в заочную аспирантуру в МГТУ им. Н.Э. Баумана и, параллельно работая в университете, приступил к написанию диссертационной работы. Найдено

принципиально новое направление исследований при применении нового типа диодного лазерного источника с фокусировкой излучения в линию.

Им лично проведен анализ литературных источников для определения современного состояния исследуемой области и формулировки целей и задач диссертации, разработаны методики, проведены эксперименты, выполнена обработка полученных результатов и их обобщение, подготовлены и выполнены доклады на конференциях, опубликованы в 7-ми научных работах, 4 из которых статьи в журналах из перечня ВАК по теме диссертации. Создан новый лабораторный стенд и на выбранных оптимальных режимах обработаны серии образцов. Проведены измерения магнитных характеристик на специализированных установках. Разработана технология локальной лазерной обработки электротехнической анизотропной стали без разрушения электроизоляционного покрытия.

Выбранная тема работы является актуальной для современной промышленности, поскольку, в связи обострением конкуренции на рынке анизотропной электротехнической стали (трансформаторной стали) есть необходимость её производства с низкими удельными потерями Р 1,7/50 < 1,0 Вт/кг, высоким уровнем магнитной индукции В800 >1,91 Тл, высоким уровнем качества поверхности и сохранением целостности электроизоляционного покрытия.

Данный вид стали является одним из наиболее высокотехнологичных и дорогостоящих, поскольку требует значительных производственных затрат. Повышение магнитной проницаемости и снижение удельных магнитных потерь связано со значительными объёмами технического перевооружения производства на создание чистых ферросплавов, прецизионного легирования, обеспечение режимов горячей и холодной прокатки листа, термической обработки, нанесения вспомогательного и окончательного покрытий, а также внедрение новых технологических переделов. В то же время остро стоит проблема разработки отечественного оборудования, способного надёжно, с сохранением заданных энергетических параметров и заданной

производительностью проводить лазерную обработку при транспортировке полосы электротехнической стали с электроизоляционным покрытием в линии промышленного агрегата. Изыскания в части разработки технологии лазерной обработки материала для изготовления стальных сердечников силовых трансформаторов являются актуальной задачей.

Теоретические и экспериментальные исследования в области локальной лазерной обработки поверхности анизотропной электротехнической стали Шишова Алексея Юрьевича, в сотрудничестве с известными специалистами по лазерной технике (Каюков C.B. ФИАН, г. Самара, С.Р. Рустамов АО «НИИ «Полюс» имени М.Ф. Стельмаха»), с кафедры МТ-12 МГТУ им. Н.Э. Баумана, привели к созданию отечественного лазерного технологического комплекса. Разработаны оптимальные режимы лазерной обработки трансформаторной стали излучением твердотельного лазера с модулированной добротностью, а также волоконного и диодного лазеров, позволяющие снизить удельные потери ДР 1,7/50 в трансформаторной стали до 15,0%. Разработана технология обработки трансформаторной стали излучением волоконного и диодного лазеров без разрушения электроизоляционного покрытия. Создан опытно-промышленный технологический комплекс для обработки трансформаторной стали излучением волоконного лазера, встроенный в линию непрерывного агрегата.

Физическое и математическое моделирование в сочетании с практическими экспериментами позволило оптимизировать процесс разработки режимов лазерной обработки, что сказывается на общем числе необходимых для опытной обработки и измерения магнитных свойств образцов.

В ходе работы над диссертацией Шишов А.Ю. проявил себя как грамотный специалист - технолог в области лазерных технологий, умелый экспериментатор и исследователь, в достаточной мере владеющий

современными методами научных исследований, в том числе математическим аппаратом.

В ходе научной деятельности Шишов Алексей Юрьевич получил 1 патент на изобретение, в соавторстве опубликовал 3 статьи по теме диссертации в научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ, а также выступил с докладами на международных научных конференциях.

С учётом квалификационного уровня соискателя, плодотворной работы и достижения практических результатов, которые привели к созданию нового промышленного лазерного комплекса для обработки поверхности трансформаторной стали, рекомендую присвоить Шишову А.Ю. учёную степень кандидата технических наук по специальности 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки.

Научный руководитель

Доктор технических наук, профессор Григорьянц А.Г.

заведующий кафедрой лазерных технологий в

машиностроении МГТУ им. Н.Э. Баумана

г. Москва, 2-я Бауманская ул. д.5. стр.1, т. 8(499) 261-40-00 Эл. почта: [e-mail]