KR100276283B1 - 자성 및 탈탄특성이 우수한 저온재가열 방향성 전기강판의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변압기, 전동기, 발전기 및 기타 전자기기 등의 철심재료로 사용되는 방향성 전기강판을 제조하는 방법에 관한 것이며, 그 목적은 자성 및 탈탄특성이 우수한 저온 재가열 방향성 전기강판을 제조하는 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 방향성 전기강판의 제조 방법에 있어서,

중량%로, Si:2.9-3.3%, C:0.025-0.055%, P:0.015%이하, 용존 Al:0.008-0.027%, N:0.0080-0.012%, S:0.007%이하, Ni:0.02-0.08%, Mn:0.32%이하, Cu:0.60%이하, 및 Fe와 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어지는 강 스라브를 1250-1330℃의 온도에서 재가열하고, 통상의 열간압연을 행한 다음, 열연판소둔을 하고, 1차 냉간압연 및 920-960℃의 건조 분위기에서 중간소둔을 행하고, 이후 54-69%의 압하율로 2차냉간압연을 행하여 최종두께로 압연한 후에, 800-860℃의 습윤 분위기에서 탈탄소둔을 한다음, MgO를 주성분으로 하는 용착방지제를 도포하고, 최종 마무리소둔하는 자성 및 탈탄특성이 우수한 저온재가열 방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

자성 및 탈탄특성이 우수한 저온재가열 방향성전기강판의 제조방법

본 발명은 변압기, 전동기, 발전기 및 기타 전자기기 등의 철심재료로 사용되는 방향성 전기강판의 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자성 및 탈탄특성이 우수한 저온 재가열 방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것이다.

방향성 전기강판은 특수한 가공과 열처리에 의하여 압연방향으로 철의 자화용이방향인 (110)면에〈001〉방향이 배향된 재결정집합조직(고스 조직이라고도 한다.)을 가지고 있는 연자성 재료로서, 우수한 자기특성을 이용하여 변압기, 전동기, 발전기 및 기타 전기기기 등의 철심으로 사용된다.

방향성 전기강판의 제조 공정은 약2-4%의 규소와 입성장억제제로 대부분 MnS나 MnSe를 함유하고 있는 성분계를 용해하여 스라브를 만든 후, 재가열 및 열간압연→예비 소둔→중간소둔이 낀 2회의 냉간압연→탈탄 소둔→용착방지제 도포→최종 마무리 고온소둔 등의 복잡한 공정을 거쳐서 최종 제품으로 완성된다. 이러한 복잡한 제조공정중 가장 제조상 어려운 것은 고온에서 열처리를 행하는 스라브 재가열공정이다. 이 스라브 재가열공정은 입성장억제제로 사용되는 MnS 나 AlN 등의 석출물들을 완전히 고용 분산시킨 후 미세하게 석출시키기 위하여 약 1400 ℃ 정도의 고온에서 5시간 정도의 유지가 필요하다. 이때, 고온의 스라브 표면에서는 공기와의 산화반응으로 Si 및 Fe성분이 복합된 파이어라이트(Fe₂SiO₄)라는 산화물이 생기는데, 이산화물은 융점이 1340℃ 정도로 낮아 재가열시 표면에서 부터 녹아서 흘러 내린다. 이때, 용융상태의 산화물은 일부 로 바깥으로 흘러내리게 설계되어 있지만, 대부분은 로 상부의 내화물 등에 축척되어 작업종료와 동시에 산화물 제거를 위한 전체적인 내부수리가 불가피하다. 따라서 연속작업을 특징으로 하는 제철소에서는 작업성 불량, 생산성 감소, 원가 상승 등의 경제적 부담을 주고 있다.

상기 산화물의 용융 방지를 위한 재가열온도의 하향화 노력은 선진 제조사를 중심으로 진행되고 있으며, 여러 가지 방법이 제시되고 있는 중이다. 즉, 재가열온도를 파이어라이트 산화물이 녹지 않는 약 1300℃이하의 온도에서 가열하는 것을 기준으로 하여 기본 성분계의 조정을 행하고, 이 성분설계에 부가하여 제조공정중의 석출물 관리기법등이 제안되고 있다. 현재까지 공지 기술들은 주로 일본에서 제안되어 국내에 기술을 공개한 한국공개 특허번호 89-8334, 89-13200, 92-707278, 92-9999, 92-14941 및 공고번호 89-882 등이 있다. 이들은 모두 방향성 전기강판의 종류중에서 고자속밀도 방향성 전기강판만을 대상으로 하고 있으며, 상기 산화물 용융 방지를 위하여 재가열을 보통 1150-1200℃ 온도에서 실시한다. 또한, 자속밀도값을 확보하기 위해서 입성장억제제 성분의 하나인 N성분을 공정중에서 보충해야하므로, 탈탄소둔공정 후 소재내에 질소를 함침시키기 위한 침질화설비가 필요하다. 따라서, 이 기술은 제철소 일반강의 재가열온도인 1250-1280℃보다 오히려 낮은 온도에서 실시되기 때문에 상호 작업간섭이 있고, 침질반응을 위한 추가설비의 설치가 필요하기 때문에 큰 원가부담이 된다. 특히, 입성장억제력 확보를 위해 1회강압연 처리로 공정관리가 극히 어렵게 됨에 따라 로트별 자성편차가 심하게 나타나 실수율(스라브 중량대비 제품으로 되는 중량)이 낮게 될 수 밖에 없는 단점들이 있다.

이에 본 발명자들은 방향성 전기강판 종류중에서 재래식 방향성전기강판을 제철소 일반강의 처리 조건과 동일한 재가열온도인 1250-1300℃ 부근에서 열처리하여 열간압연을 하는 성분계를 설계하였으며, 기존의 제조 공정에서 추가적인 설비보완이나 신설이 없이도 작업이 가능한 새로운 제조방법을 확립하여, 한국특허출원 93-23751호에, 부가적인 요소기술들을 한국특허출원 94-21388, 21389, 21390 및 21391호 등에 제안한 바 있다. 상기 방법에 의하면 저온재가열법을 이용하여 실제 생산시 높은 실수율 및 우수한 자기적 특성을 갖는 제품을 생산 할 수 있었다. 그러나, 이제조 방법은 통상재의 제조 순서와 달리 1차냉간압연 후 통상 0.60-0.70㎜의 중간두께에서 탈탄소둔을 하므로 장시간의 탈탄이 필요로 하여 생산성이 저하되고, 또한 최종 제품에서의 잔류탄소량 관리한계인 30ppm이하 범위를 넘기도 하여 수요가가 가공 사용시에 자기시효현상이 나타나 사용하는데 문제가 되고 있다. 자기시효현상은 수요가가 방향성 전기강판을 변압기로 가공 조립하여 사용할 때에 변압기 자체의 온도가 상승하게 되고, 이에 따라 소재 내부에 있던 잔존 탄소성분이 Fe₃C 등의 탄화물로 되고, 이 탄화물이 결정입계에 석출되어 자구의 이동을 방해하기 때문에 자기적특성이 열화되어서 생기는 것이다. 결국, 이러한 자기시효현상은 소재의 잔류성분중에서 탄소가 가장 심하게 영향을 미치기 때문에, 제조 공정에서 최종제품의 탄소를 집중관리해야 할 필요가 있다. 구체적으로 공장자체의 잔류 탄소량의 관리범위는 통상 30ppm이하로 하고 있는데, 이것은 잔류탄소량이 30ppm이하에서는 시간에 따른 자기시효현상이 거의 없기 때문이다. 그러나 종래의 방법에 의하면 잔류탄소량을 생산공장에서 30ppm 이하로 제어하기 위해서는 통상 후물재(통상 0.60-0.70㎜)에서 탈탄소둔이 이루어지기 때문에 탄소량의 관리가 어렵고 자기특성 및 생산성이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 기존의 저온 재가열 방향성 전기강판을 열간압연시 입성장억제제를 안정화 되도록 소강탄소량의 적절히 제어하는 한편 탈탄소둔을 최종두께에서 처리되도록 2차 냉간압연을 적절히 제어 함으로써 탈탄성도 우수하고 자기적특성도 안정된 방향성 전기강판의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 저온재가열 방향성 전기강판 제조 방법에 있어서,

중량%로, Si:2.9-3.3%, C:0.025-0.055%, P:0.015%이하, 용존 Al:0.008-0.027%, N:0.0080-0.012%, S:0.007%이하, Ni:0.02-0.08%, Mn:0.32%이하, Cu:0.60%이하와 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어지는 스라브를 1250-1330℃의 저온 재가열후 열간압연 하고, 열연판을 1000℃이하의 온도에서 열연판소둔을 시행한 후에, 1차 냉간압연 하고, 상기 판을 920-970℃의 건조분위기에서 중간소둔하고, 이어 54-69%의 압하율로 2차냉간압연을 행하여 최종두께로 냉간압연한 다음, 냉간압연판을 800-860℃의 습윤분위기에서 탈탄소둔을 한 다음, MgO를 주성분으로 하는 용착방지제를 도포하고, 권취하여 대형코일로 만든다음, 최종 마무리소둔함을 포함하여 구성되는 자성 및 탈탄특성이 우수한 저온재가열 방향성 전기강판을 제조하는 방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본발명은 저온 재가열재의 탈탄소둔공정을 최종두께 상태에서 실시 함으로써, 탈탄성을 향상시켜 생산성을 증대하는 한편, 탈탄소둔에 의해 이미 1차재결정이 완료됨으로서 마무리소둔시 형성되는 2차재결정 구동에너지가 부족하여 자성이 떨어지는 현상을 방지하기 위해 소강탄소량을 550ppm 수준까지 향상시켜 열연시의 입성장억제제인 AlN의 고용 및 석출물 형성을 안정화 시키고, 특히 2차 냉간압연시의 압하율을 통상재의 50-55%에 비해 크게 함으로써 냉간압연시 소재의 가공에너지를 크게함에 특징이 있다. 이렇게 하여 최종 마무리소둔시에 형성되는 2차재결정이 안정화되기 때문에 통상 처리재인 중간 탈탄처리 방법에 비해 동등이상의 자기적특성을 확보할 수 있다.

이를 위해 우선 본 발명의 강 스라브중에 함유되는 C는 AlN석출물의 미세 고용 분산에 유리하게 작용하고, 적정한 압연조직을 형성하게 하며, 냉간압연시 가공에너지를 부여하기 때문에 가능한한 상향 관리하는 것이 유리하나 이후, 탈탄공정의 어려움을 고려하여 그 첨가 범위는 적정선인 0.025-0.055%까지 한정하는 것이 바람직하다.

Si는 전기강판의 기본성분으로 소재의 비저항치를 증가시켜 철손을 낮추는 역할을 하지만, 첨가 함량이 2.9%이하에서는 철손특성이 나쁘고, 첨가 함량이 3.3%이상 일 경우에는 강이 취약해져 냉간압연성이 극히 나빠져 2차재결정형성이 불안정해지므로 첨가함량은 2.9-3.3%로 한정하는 것이 바람직하다.

Mn은 재가열시 석출물의 고용온도를 낮추며 열간압연시 소재 양 끝 부분에 생성되는 크랙을 방지하는 역활을 하므로 많이 첨가할수록 유리하지만, 첨가 함량이 0.32%이상 첨가시에는 포스테라이트피막의 밀착성이 악화되므로 그 첨가 함량은 0.32%이하로 한정한다.

S은 Cu나 과 Mn과 유화물의 석출물을 형성하여 억제제의 역할을 하나 함량이 0.007%까지는 제조 공장에서 기본적으로 함유되는 것을 고려하여 가능한한 첨가함량을 0.007%이하로 관리하는 것이 필요하다. 만약 0.0007%이상이 함유되면 열연에서 저온 재가열시 중심편석부의 고용 및 확산이 어려워지므로 탈 S공정 등을 채용하여 강력 억제하여야 한다.

Al은 N과 함께 AlN의 석출물을 형성하여 입성장억제력을 확보하는 중심원소로서 총량적인 Al관리가 아닌 용존상태의 Al량이 중요하다. 용존 함량이 0.008%이하에서는 극박제품에서 2차재결정형성에 필요한 충분한 역제력을 갖지 못하기 때문에 결정립크기가 적고 불완전 미립자가 나타나 자속밀도가 낮고 철손이 나빠진다. 한편 용존 함량이 0.027%이상에서는 억제력이 너무 강해 자성이 우수한 (110)〈001〉방위의 2차재결정 형성 자체를 어렵게 하여 자기적 특성이 급격히 열화되므로 중점관리가 필요한 대표적 성분이다. 그러므로 Al의 용존함량은 0.0008-0.027%로 한정하는 것이 바람직하다.

N는 용존Al과 반응 석출물을 형성하여 1차재결정의 입성장억제제로 작용하므로 2차재결정형성에 있어서 필수적인 성분이며 0.008%이하에서는 형성 석출물이 부족하게되고, 0.012%이상 첨가시에는 강판표면에 브리스터라는 결함이 생겨 제품이 표면특성을 열화시키므로 과잉 함유 를 억제한다.

Cu는 불순성분인 S과 결합하여 Cu₂S의 석출물을 형성하고, 석출물중 가장 저온에서 고용되는데, 본 발명재는 S성분이 MnS의 형성을 억제하여야 하므로 가능한 많이 첨가할수록 유리하다. 그러나 0.6%이상되면 탈탄소둔시 형성되는 산화물이 절연피막 형성에 악 영향을 주지만 2차재결정립의 크기가 거대하여 자속밀도는 좋으나 철손값이 열화될 수 있으므로 총 첨가하는 Cu량은 0.6%까지로 한정한다.

Ni은 1차재결정립을 미세화시켜서 석출물의 분산효과가 크기 때문에 적정 재가열온도 범위를 보다 높을 수있다. 따라서, 재가열온도를 기본적으로 1250-1330℃에서 적업하기 위해서는 최소 0.02%이상 첨가가 필요하고, 0.08%이상 첨가할 때에는 소재중의 C성분과 결합함으로서 이후 탈탈성을 나쁘게 하므로 제한한다.

이상의 성분계는 방향성전기강판 제조시 재가열온도를 하향화시키는 기본 조건이다. 상기와 같은 조성의 규소강 스라브는 재가열온도를 통상 일반 탄소강의 재가열 온도인 1250℃에서 작업을 행하여도 자기특성의 확보가 가능하며, 이때 재가열온도가 1330℃를 넘으면 전기강판 스라브가 용융하기 시작하는 온도이므로 제철소에서 가장 경제적인 온도인 1250-1330℃까지로 한정한다.

이와같이 재가열된 스라브를 열간압연, 열연판소둔, 1차냉간압연을 할 때에는 최종 2차냉연율이 54-69%가 되도록 중간 두께를 조정해야 안정적인 자성을 확보 할 수있다. 이때 54%이하 및 69%이상에서는 2차재결정형성에 필요한 구동에너지가 너무 작아 재결정형성이 불안정하여 자기적특성이 열화되므로 54-69%로 한정한다.

또한 본 발명재의 특징인 탈탄특성의 향상은 2회압연 적용시 후공정에서의 탈탄법 적용이다. 이것은 1차 압연 후 920-970℃의 건조 분위기에서 중간소둔을 하고, 이어 2차 냉간압연을 행하여 최종 두께로 조정한 후에 800-860℃의 습윤분위기에서 탈탄소둔을 행하는 방법의 적용에 의하여 가능하게 되는 것이다.

최종 마무리소둔은 전구간을 10%이하의 질소 함유 수소분위기 이며, 700-1200℃구간의 승온율을 15℃/hr이상 유지 하면서 1200 ±10℃의 온도에서 20시간 이상 균열한 후 냉각하는 열사이클을 거치는 마무리고온소둔을 행함으로써, 제품의 탈타성 및 자성이 우수한 저온 스라브 가열법의 일반 방향성 전기강판을 제조할 수 있다. 본 발명의 구성에 있어서 제강 성분중의 탄소함량, 2차냉간압하율 및 최종 제품두께인 2차소둔시의 탈탄소둔을 행하는 것 등을 제외한 기타공정 조업조건은 본 발명에서는 특별히 한정하지 않는다.

이하 본 발명을 실시예를 통하여 설명한다.

＜실시예 1＞

중량비로 Si:3.12%, C:0.046%, P:0.012%, 용존 Al:0.017%, N:0.0089%, S:0.004%, Ni:0.05%, Mn:0.23%, Cu:0.48%이고 나머지를 Fe로 구성되는 조성의 성분계 이용하여 200㎜두께의 스라브를 만들고 1310℃의 온도에서 4시간 저온재가열 후 열간압연을 행하여 2.3㎜두께의 열연판을 만들었다. 여기서 부터 비교재로서 통상의 저온재가열법 공정인 한국특허 출원 93-23751호의 방법대로 1차 냉간압연시에 0.65㎜로 압염후 860℃온도의 습윤분위기에서 탈탄소둔을 하고 다시 2차냉간압연하여 최종두께인 0.30㎜로 조정하고 550℃의 건조분위기에서 회복소둔까지를 행하였다. 그러나 본 발명재는 열연판을 950℃에서 열연판 소둔후 1차냉간압연하여 두께를 0.75㎜로 조정 하고, 960℃에서 열연판 소둔 후 1차 냉간압연하여 두께를 0.75㎜로 조정 하고, 960℃의 건조분위기에서 중간소둔처리를 행하였다. 이어 2차냉간압연에 의하여 최종두께인 0.30㎜로 조정한 후 820℃의 습윤 분위기에서 최종 탈탄소둔을 행하였다. 이들의 양 소둔판을 MgO를 주성분으로 하는 융착방지제를 도포한 후 권취하여 대형코일로 만들고, 최종 마무리소둔을 하였다. 이때 최종 마무리소둔은 전 구간을 100% 수소분위기이며, 700-1200℃구간의 승온율을 18℃/hr로 유지하면서, 1200℃의 온도에서 30시간 균열한 후 냉각하는 열사이클을 거쳐 최종 제품을 만들었다.

이들 두 종류의 시편의 잔류탄소량 및 자성을 측정한 결과를 하기표 1에 나타내었다.

W_17/50(w/kg) : 자속밀도 1.7T, 주파수 50Hz에서의 철손값

B₁₀(Tesla): 자장의 세기가 1000Amp/m일때의 자속밀도 값.

상기표 1에서 나타난 바와 같이, 본 발명재(1)인 경우는 탈탄성이 우수하여 17 ppm 수준으로 낮은 반면 통상재인 비교재(1)은 86 ppm 수준으로 높아서 추후 수요가가 사용할 때에 자기 시효현상이 나타날 수 있다. 또한 두 방법의 자성 비교에서는 철손 및 자속밀도 공히 유사한 수준을 나타내고 있다. 이 두가지 특성을 종합해보면 탈탄성이 우수한 본 발명재가 전체적인 조업특성이 우수하다고 말 할 수 있다. 한편, 상기 두가지 방법에 의하여 제조된 잔류탄소 17ppm 및 86ppm의 두소재를 200℃의 대기 분위기 로 내에서 유지하고, 50시간 100시간 150시간 200시간 250시간 경과시의 자기시효현상에 의한 철손변화를 조사하여 표2에 나타내었다.

비교재(2)의 경우처럼 잔류탄소량이 86ppm으로 높으면 시간에 따른 급격한 자성 열화현상이 나타나서 초기 제공시편에 비해 크게 철손값이 증가된다. 반면, 본 발명재(2)처럼 잔류탄소량이 17ppm으로 낮은 경우는 초기 상태에 비해 시간이 경과되어도 증가됨이 아주 적은 우수한 상태임을 알 수 있다.

＜실시예 2＞

실시예 1의 성분을 갖는 스라브를 1300℃의 온도에서 3.5시간 저온재가열 후 열간압연을 행하여 2.3㎜두께의 열연판을 만들었다. 이어 950℃에서 열연판소둔을 시행하고 산세후 1차 냉간압연을 행하였다. 이때, 최종제품의 두께를 0.30㎜로 하는 것을 기준으로 하여 2차냉간압연율이 48-76%까지 되도록 1차압연 하였으며 이때의 압연두께는 0.58-1.25㎜이다. 이것을 950℃의 건조분위기에서 중간소둔처리를 하였다. 이어 2차냉간압연에 의하여 최종두께인 0.30㎜로 조정하였다. 이를 820℃의 습윤분위기에서 최종 탈탄소둔을 행한 후 권취하여 대형코일로 만들고, 실시예의 조건으로 최종 마무리 소둔공정을 행하여 최종 제품을 만들었다. 이들의 자성를 측정한 결과를 하기표 3에 나타냈다.

W_17/50(w/kg) : 자속밀도 1.7T, 주파수 50Hz에서의 철손값

B₁₀(Tesla): 자장의 세기가 1000Amp/m일때의 자속밀도 값.

상기표 3에서 나타난 바와 같이 2차 냉연율이 48%인 비교재(3)은 자속밀도가 낮고 철손이 높아서 자성이 다소 저조하고, 또한 2차냉연율이 76%인 비교재(4)는 자속밀도가 낮아지고 철손이 높아지는 자성열화 현상이 나타났다. 그러나 본 발명의 범위인 발명재(3-6)은 자속밀도가 높고 철손이 낮아졌다. 따라서 제품화에 필수적인 2차냉연율은 54-69%로 한정하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 기존의 저온 재가열 방향성 전기강판을 제조 하는 방법에 있어서, 성분에서 부터 석출물 소둔 까지는 기존 제조법과 동일하게 처리하고, 중간압연두께인 후물상태에서 처리하던 탈탄소둔을 2회압연법중 최종두께에서 처리함과 동시에 적절한 1,2차 냉간압하율을 확보함으로서, 탈탄성도 우수하고 자기적특성도 안정적인 제품을 제공할 수 있으며, 제공된 상기 강판은 자기시효현상이 없는 우수한 자성이 요구되는 변압기 등의 전기기기 제조 분야에 적용될 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 방향성 전기강판의 제조 방법에 있어서,

   중량%로, Si:2.9-3.3%, C:0.025-0.055%, P:0.015%이하, 용존 Al:0.008-0.027%, N:0.0080-0.012%, S:0.007%이하, Ni:0.02-0.08%, Mn:0.32%이하, Cu:0.60%이하, 및 Fe와 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어지는 강 스라브를 1250-1330℃의 온도에서 재가열하고, 통상의 열간압연을 행한 다음, 1000℃ 이하의 온도에서 열연판소둔을 하고, 1차 냉간압연 및 920-960℃의 건조 분위기에서 중간소둔을 행하고, 이후 54-69%의 압하율로 2차냉간압연을 행하여 최종두께로 압연한 후에, 800-860℃의 습윤 분위기에서 탈탄소둔을 한 다음, MgO를 주성분으로 하는 용착방지제를 도포하고, 전구간을 25%이하의 질소를 함유한 수소분위기에서 700-1200℃구간의 승온율을 15℃/hr이상 유지 하면서, 1200 ±10℃의 온도에서 20시간 이상 균열한 후 냉각하는 열사이클을 거쳐 최종 마무리소둔하는 것을 특징으로 하는 자성 및 탈탄특성이 우수한 저온재가열 방향성 전기강판의 제조방법.