JP7260649B2 - 方向性電磁鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
Goss集合組織は、固定器の磁性的側面で特化されている組織である。方向性電磁鋼板分野の場合、方向性電磁鋼板を使用時の効率性向上が最も大きい話題である。それは世界的なエネルギー問題により台頭しているエネルギー損失減少方案とその方向が一致する。そのため、効率性を代弁する鉄損と磁束密度、つまり、磁性特性が重要な要素である。
そして、優れた磁性特性を確保するためには、各工程で最適条件に維持することが必要であり、条件を最適に維持するために必要な因子のうちの一つが鋼板組織に形成される結晶粒の粒径(grain size)である。
一般的に知られた結晶粒を測定する方法では、塩酸に鋼板を浸漬して測定する。結晶粒内部と結晶粒境界(Grain boundary)との間のエネルギー差が大きいため、塩酸に鋼板を浸漬する場合、結晶粒境界側のエッチング速度が速くて一定時間が経過した後に鋼板を確認するようになるとエッチング量差によりタイルのような紋が示されるようになる。塩酸による方法は、明確な結晶粒径測定が可能であり、広く使用されているが、塩酸のエッチング時間が必要であることと、酸を使用しなければならないという環境的要素がある。そのため、絶縁コーティングがなされている電磁鋼板に非破壊およびリアルタイムで使用するには限界がある。
鋼板の幅方向(TD方向)に区間を分けて、各区間別に含まれる結晶粒の粒径により各区間別に相異なる変形部間の間隔が形成される。
鋼板の圧延方向(RD方向)に区間を分けて、各区間別に含まれる結晶粒の粒径により各区間別に相異なる変形部間の間隔が形成され、
結晶粒の粒径(x、mm)と変形部間の間隔(y、mm)が下記数1を満たす。
[数1]
y-2≦8.943-0.45x+0.011x2≦y+2
線状の変形部は、一時磁区変形部、永久磁区変形部またはこれらの組み合わせを含む。
線状の変形部は、永久磁区変形部を含み、永久磁区変形部の深さは3~30μmである。
鋼板の幅方向に区間を分けて、各区間別に測定された平均結晶粒径により各区間別に相異なる変形部間の間隔を形成する。
圧延方向に区間を分けて、各区間別に測定された平均結晶粒径により各区間別に相異なる変形部間の間隔を形成することができる。
結晶粒の粒径(x、mm)と変形部間の間隔(y、mm)が下記数1を満たす。
[数1]
y-2≦8.943-0.45x+0.011x2≦y+2
鋼板の結晶粒径を測定する段階は、鋼板表面に磁力を印加して磁化させる段階、結晶粒界により形成される漏洩磁束を検出する段階、および検出された漏洩磁束を演算して結晶粒径を測定する段階を含む。
線状の変形部を形成する段階は、鋼板にレーザーを照射して一時磁区変形部を形成する段階を含む。
本発明の方向性電磁鋼板の磁区微細化装置は、鋼板の結晶粒径を測定してその結果を変形部制御部に伝送する結晶粒径測定装置、結晶粒径測定装置から結晶粒径値を伝達されて変形部間の間隔を決定する変形部制御部、および変形部制御部で決定された間隔で鋼板表面に変形部を形成する変形部形成装置を含む。
結晶粒径測定装置は、鋼板表面に磁力を印加して磁化させる磁化器、および結晶粒界により形成される漏洩磁束を検出する磁気センサー、を含む。
変形部形成装置は、鋼板の幅方向に2~9台が設置され、各装置別に変形部制御部で決定された間隔で鋼板表面に変形部を形成することができる。
ここで使用される専門用語は、単に特定の実施形態を言及するためのものであり、本発明を限定することを意図しない。ここで使用される単数の形態は、文言がこれと明確に反対の意味を示さない限り、複数の形態も含む。明細書で使用される「含む」の意味は、特定の特性、領域、整数、段階、動作、要素および/または成分を具体化し、他の特性、領域、整数、段階、動作、要素および/または成分の存在や付加を除外させるものではない。
ある部分が他の部分の「上に」あると言及する場合、これは他の部分の直上にあるか、またはその間にまた他の部分が介され得る。対照的に、ある部分が他の部分の「直上に」あると言及する場合、その間にまた他の部分が介されない。
異なって定義しなかったが、ここで使用される技術用語および科学用語を含む全ての用語は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が一般的に理解する意味と同一の意味を有する。通常使用される辞書に定義された用語は、関連技術文献と現在開示された内容に符合する意味を有すると追加解釈され、定義されない限り、理想的または非常に公式的な意味に解釈されない。
本発明の一実施形態では、鋼板の結晶粒径に対応して変形部の間隔を調節して磁性を向上させることを目的とする。
方向性電磁鋼板の場合、製造工程が非常に複雑であり、結晶粒の粒径を制御する因子が多様に存在する。理想的には方向性電磁鋼板の全長にわたって同一の粒径の結晶粒を形成することが好ましいが、現実的には鋼板の幅方向(TD方向)および圧延方向(RD方向)に結晶粒径に偏差が多く発生する。
従来はこのような結晶粒径の偏差が現実的に存在するにもかかわらず、機械的に同一の間隔の変形部を形成したが、本発明の一実施形態では、結晶粒の粒径に対応して変形部間の間隔を多様に変形することによって、製造工程条件の変化に応じて結晶粒子の大きさが存在するとしても最終製品の結晶粒子(つまり、磁区の大きさ)を均一化するようにして電磁鋼板の磁性を総合的に向上させる。
本発明の一実施形態による方向性電磁鋼板は、電磁鋼板の表面に、圧延方向に沿って複数形成された線状の変形部20を含み、鋼板全長にわたって結晶粒10の粒径に対応して変形部間の間隔Dが変更され、変形部間の間隔Dが互いに異なる少なくとも2領域が存在する。
結晶粒径が異なるようになる場合、結晶粒内部の磁気的特性が異なるため、磁区と呼ばれる内部構造に差が生じるようになる。つまり、結晶粒径が大きい場合、磁区が類似する群が大きく位置付けるようになり、結晶粒径が小さい場合、磁区が類似する群が小さく位置付けている。
方向性電磁鋼板の場合、磁区に加えられる磁場の方向が連続的に変わる状態で方向性電磁鋼板を使用する変圧機で主に使用するため、前述した内容が重要である。
より具体的に説明すれば、変圧機でAC電圧を通常使用し、AC電圧を通じて磁化される方向が変化するようになる。ACは、時間により電流および磁場の方向が変わるようになり、方向が変化する時、結晶粒の粒径が大きくなるとその損失が大きくなる。結晶粒の粒径が大きい場合、AC電圧により変化した磁場方向に全体磁区群を移動させることにエネルギー的損失が大きくなるため、これを減らすために変形部付与を通じて磁区微細化を行って磁区の大きさを減らすようにする。
本発明で結晶粒径とは、圧延面(ND面)を基準とした粒径である。また結晶粒径とは、結晶粒と同一の面積を有する仮想の円を想定してその円の粒径を意味する。
それぞれの結晶粒に対して変形部の間隔Dを全部異なるようにすることが最も理想的であるが、速く移動する鋼板設備内でこれを実現することは事実上難しい。
本発明では鋼板の幅方向(TD方向)に区間を分けて、各区間別に含まれる結晶粒10の粒径により各区間別に相異なる変形部20間の間隔Dが形成される。具体的に各区間に含まれる結晶粒10の平均粒径を求め、その平均粒径により変形部間の間隔Dが形成される。具体的に鋼板の幅全体に対して2~9個の区間に分けることができる。
図3には鋼板の幅方向(TD方向)に区間を分けて、変形部間の間隔を異なるように形成した模式図を示した。
図4では鋼板の圧延方向(RD方向)に区間を分けて、変形部間の間隔を異なるように形成した模式図を示した。図3および図4では、説明のために区間別に結晶粒の粒径が急変するものと表現したが、実際の鋼板では区間境界前後に勾配(gradient)を有して結晶粒径が変わる。鋼板の幅方向(TD方向)および圧延方向(RD方向)、つまり、格子状に区間を分けて、変形部間の間隔を異なるように形成することも可能である。
結晶粒の粒径(x、mm)と変形部間の間隔(y、mm)が下記数1を満たす。
[数1]
y-2≦8.943-0.45x+0.011x2≦y+2
数1を満たさない場合、磁性、特に鉄損特性が顕著に落ちるようになる。既存のように結晶粒径と関係なく一律的に変形部の間隔Dを付与した場合、結晶粒径の偏差により前記数1を満たさなくなり、鉄損特性が劣化することがある。
より具体的に数1値がyの±1.5範囲内に含まれる。さらに具体的に数1値がyの±1範囲内に含まれる。さらに具体的に数1値がyの±0.5範囲内に含まれる。さらに具体的に数1値がyの±0.1範囲内に含まれる。
一時磁区変形部は、鋼板表面に熱衝撃を付与して磁区を微細化した変形部である。一時磁区変形部は、外観上には他の鋼板表面とは区別することができない。一時磁区変形部は、塩酸濃度5%以上で10分以上浸漬時に溝形態でエッチングされる部分であって、他の鋼板表面部分と区別が可能である。
永久磁区変形部は、鋼板表面にグルーブ(溝)を形成して磁区を微細化した変形部である。永久磁区変形部の深さは3~30μmである。
線状の変形部は、圧延方向と交差して形成される。
線状の変形部の長さ方向と圧延方向(RD方向)が75~88°の角度をなすことが可能である。前述した角度範囲内で磁性がより向上する。
線状の変形部は、鋼板の幅方向(TD方向)に連続的に形成されることも可能であり、断続的に形成されることも可能である。
前述したように、鋼板の全長にわたって結晶粒の粒径は3~25mmに多様に存在する。
まず、鋼板の結晶粒径を測定する。本発明の一実施形態で結晶粒径を測定する方法としては、リアルタイムで結晶粒径を測定して後述する変形部形成時に測定された結晶粒径を反映できる方法であれば制限なしに使用することができる。既存の結晶粒径測定方法として広く知られた酸浸漬法は、リアルタイムで結晶粒径を測定することができず、不適切である。
鋼板の結晶粒径を測定する方法の一例として、漏洩磁束法(Magnetic Flux Leakage Method)がある。具体的に結晶粒径を測定する段階は、鋼板表面に磁力を印加して磁化させる段階、結晶粒界により形成される漏洩磁束を検出する段階、および検出された漏洩磁束を演算して結晶粒径を測定する段階を含む。
結晶粒は、結晶粒内部と結晶粒界(結晶粒境界)に磁気的特性(Magnetic Property)の差が存在する。これによって、該当する位置に磁気センサーが位置すれば結晶粒境界で磁場の変化により測定信号の大きさに大きい変化が発生する。
これを利用して結晶粒の境界を測定して結晶粒の粒径を測定することができる。これと共に、センサーをスキャン方向と垂直方向に並んで配置するようになるとセンサー間隔により結晶粒を高解像度の2次元イメージで示すことができ、結晶粒径を明確に区分できるようになる。
即ち、磁化器(電磁石または永久磁石)で一定方向に鋼板を磁化させ、鋼板に存在する欠陥により外部に漏洩る磁場をホールセンサー(Hall sensor)、GMRなど磁気センサーで測定して欠陥を検出する。磁化器に発生される磁場が強磁性体鋼板に特定方向に磁化させ、結晶粒内部領域は磁場が均一に流れるが、結晶粒界では漏洩磁束が発生するようになり、漏洩る磁束の垂直成分をホールセンサー(Hall sensor)などの磁気センサーで測定する。
測定された結晶粒界から結晶粒径を求める方法には、面積測定法、重畳部位測定法などの多様な方法があるが、特に制限されない。一例として、面積測定法は、一定面積に任意の線を引いた後、結晶粒界と接する領域の個数を測定した後、それを全体面積で割って換算することによって結晶粒径を求めることができる。図6ではこれを模式化して示した。図6では一定面積に対して対角で2個の線を引いた後、結晶粒界と接する領域(円で表示した部分)の個数を測定して換算した。
前述したように、鋼板の幅方向、圧延方向または幅方向および圧延方向に区間を分けて、各区間別に測定された平均結晶粒径により各区間別に相異なる変形部間の間隔を形成することができる。
また、結晶粒の粒径(x、mm)と変形部間の間隔(y、mm)が下記数1を満たす。
[数1]
y-2≦8.943-0.45x+0.011x2≦y+2
線状の変形部を形成する方法としては、多様な方法を制限なしに使用することができる。具体的に鋼板にレーザー、電子ビームまたはプラズマのうちの1種以上を照射したり、酸を利用してエッチングしたり、粒子を衝突させて変形部を形成することができる。
また、線状の変形部を形成する段階は、鋼板にレーザーを照射して一時磁区変形部を形成する。
レーザーの鋼板幅方向(TD方向)のビーム長さ(L)が300~5000μmである。幅方向(TD方向)のビーム長さ(L)が過度に短ければ、レーザーが照射される時間が過度に短いため、適切な変形部を形成することができず、鉄損改善効果を得難い。反対に圧延垂直方向(TD方向)のビーム長さ(L)が過度に長ければ、レーザーが照射される時間が過度に長いため、過度に厚い深さの変形部が形成されて、鉄損改善効果を得難い。
レーザーの鋼板圧延方向(RD方向)のビーム幅(W)は10~200μmである。ビーム幅(W)が過度に短いか長ければ、変形部の幅が短いか長くなり、適切な磁区微細化効果を得ることができなくなる。
レーザービーム種類としては特に限定されず、シングルファイバーレーザー(single fiber laser)を使用することができる。
図7に示すように、本発明の一実施形態による方向性電磁鋼板の磁区微細化装置200は、鋼板の結晶粒10粒径を測定してその結果を変形部制御部220に伝送する結晶粒径測定装置210、結晶粒径測定装置210から結晶粒径値を伝達されて変形部間の間隔を決定する変形部制御部220、および変形部制御部220で決定された間隔で鋼板表面に変形部を形成する変形部形成装置230を含む。
以下、各構成別に詳細に説明する。
図7に示すように、矢印方向に鋼板が移動し、ディフレクターロール(Deflector Roll)241、242により鋼板支持ロール243に向かうように転換される。
結晶粒径測定装置210は、鋼板の結晶粒10粒径を測定してその結果を変形部制御部220に伝送する。前述した方向性電磁鋼板の磁区微細化方法でも説明したように、結晶粒径測定装置210は、リアルタイムで結晶粒径を測定して後述する変形部形成装置230で測定された結晶粒径を反映できる装置であれば制限なしに使用することができる。一例として、漏洩磁束法(Magnetic Flux Leakage Method)を適用した装置を使用することができる。
変形部制御部220は、結晶粒径測定装置210から結晶粒径値を伝達されて変形部間の間隔を決定する。変形部間の間隔を決定する原理については前述したため、重複する説明は省略する。
変形部形成装置230は、鋼板表面に変形部を形成できる装置であれば制限なしに使用することができる。図7では一例としてレーザー、電子ビームまたはプラズマ照射装置を表示した。それ以外にも酸エッチングや粒子衝突装置も使用することができる。
以下、実施例を通じて本発明をより詳細に説明する。しかし、このような実施例は単に本発明を例示するためのものであり、本発明はこれに限定されるのではない。
[実験例1]
20cm×10cmの大きさの試片を準備した。試片内の平均結晶粒径は、それぞれ、6.59mm(試片1)、10.2mm(試片2)および18.7mm(試片3)であり、結晶粒径の偏差が殆どない一定の試片を準備した。
それぞれの試片に変形部間の間隔を3~7mmに変えながら形成し、これに対する鉄損(17/50)を測定して表2に示した。
変形部は100mpm基準として1500W水準のNDファイバーレーザー(fiber laser)を使用した。
図9および図10では、それぞれ試片1および試片3での結晶粒を磁束漏洩法で分析した写真を示す。
前記試片を領域で分けて各領域別に式1値の±0.1範囲を満たすように変形部間隔を調節して形成し、これを実施例とした。
比較例1~3は、変形部間隔をそれぞれ4.5mm、5.5mm、6.5mmに一括的に適用した。
実施例と比較例1~3の鉄損(W17/50)を測定して表3に示した。
10:結晶粒
20:変形部
200:磁区微細化装置
210:粒径測定装置
220:変形部制御部
230:変形部形成装置
Claims (14)
- 電磁鋼板の表面に、圧延方向に沿って複数形成された線状の変形部を含み、
鋼板全長にわたって結晶粒の粒径に対応して変形部間の間隔が変更され、
前記変形部間の間隔が互いに異なる少なくとも2領域が存在し、
前記結晶粒の粒径(x、mm)と前記変形部間の間隔(y、mm)が下記式1を満たすことを特徴とする方向性電磁鋼板。
[式1]
y-2≦8.943-0.45x+0.011x 2 ≦y+2 - 鋼板の幅方向に区間を分けて、各区間別に含まれる結晶粒の粒径により各区間別に相異なる変形部間の間隔が形成されたことを特徴とする請求項1に記載の方向性電磁鋼板。
- 鋼板の圧延方向に区間を分けて、各区間別に含まれる結晶粒の粒径により各区間別に相異なる変形部間の間隔が形成されたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の方向性電磁鋼板。
- 前記線状の変形部は、一時磁区変形部、永久磁区変形部またはこれらの組み合わせを含むことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の方向性電磁鋼板。
- 前記線状の変形部は、永久磁区変形部を含み、永久磁区変形部の深さは3~30μmであることを特徴とする請求項4に記載の方向性電磁鋼板。
- 鋼板の結晶粒の粒径を測定する段階、および
前記測定された結晶粒の粒径の値に基づいて変形部間の間隔を決定して線状の変形部を形成する段階、
を含み、
変形部間の間隔が互いに異なる少なくとも2領域が存在するように変形部を形成し、
結晶粒の粒径(x、mm)と変形部間の間隔(y、mm)が下記数1を満たすことを特徴とする方向性電磁鋼板の磁区微細化方法。
[数1]
y-2≦8.943-0.45x+0.011x 2 ≦y+2 - 鋼板の幅方向に区間を分けて、各区間別に測定された平均結晶粒の粒径により各区間別に相異なる変形部間の間隔を形成することを特徴とする請求項6に記載の方向性電磁鋼板の磁区微細化方法。
- 圧延方向に区間を分けて、各区間別に測定された平均結晶粒の粒径により各区間別に相異なる変形部間の間隔を形成することを特徴とする請求項6または請求項7に記載の方向性電磁鋼板の磁区微細化方法。
- 前記鋼板の結晶粒の粒径を測定する段階は、
鋼板表面に磁力を印加して磁化させる段階、結晶粒の粒界により形成される漏洩磁束を検出する段階、および検出された漏洩磁束を演算して結晶粒の粒径を測定する段階を含むことを特徴とする請求項8に記載の磁区微細化方法。 - 前記線状の変形部を形成する段階は、鋼板にレーザー、電子ビームまたはプラズマのうちの1種以上を照射する段階、酸を利用してエッチングする段階、または粒子を衝突させる段階を含むことを特徴とする請求項8に記載の磁区微細化方法。
- 前記線状の変形部を形成する段階は、鋼板にレーザーを照射して一時磁区変形部を形成する段階を含むことを特徴とする請求項10に記載の磁区微細化方法。
- 鋼板の結晶粒の粒径を測定してその結果を変形部制御部に伝送する結晶粒の粒径測定装置、
前記結晶粒の粒径測定装置から結晶粒の粒径値を伝達されて変形部間の間隔を決定する変形部制御部、
および前記変形部制御部で決定された間隔で鋼板表面に変形部を形成する変形部形成装置を含み、
前記変形部制御部は、結晶粒の粒径(x、mm)と変形部間の間隔(y、mm)が下記式1を満たすように制御することを特徴とする方向性電磁鋼板の磁区微細化装置。
[数1]
y-2≦8.943-0.45x+0.011x 2 ≦y+2 - 前記結晶粒の粒径測定装置は、鋼板表面に磁力を印加して磁化させる磁化器、および結晶粒界により形成される漏洩磁束を検出する磁気センサー、を含むことを特徴とする請求項12に記載の方向性電磁鋼板の磁区微細化装置。
- 前記変形部形成装置は、鋼板の幅方向に2~9台が設置され、各装置別に変形部制御部で決定された間隔で鋼板表面に変形部を形成することを特徴とする請求項12または請求項13に記載の方向性電磁鋼板の磁区微細化装置。
Applications Claiming Priority (3)
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