KR100544616B1 - 자기적 특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기기기의 철심재료로 이용되는 방향성 전기강판을 제조하는 방법에 관한 것으로서,열간압연시 재가열온도에 따른 적절한 열간압연 조건을 적용하여 열연코일을 안정적으로 제조하므로써 철손이 낮은 고자속밀도 방향성전기강판을 안정적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 방향성전기강판을 제조하는 방법에 있어서, 중량%로, C:0.02-0.1%, Si:1.0-4.8%, S:0.006% 이하, 산가용성 Al:0.01-0.05%, Mn:0.05-0.2%, 및 N:0.01% 이하로 이루어지는 기본조성에 B를 0.001%≤B≤0.012% 의 조건을 만족하도록 첨가하고, 그리고 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강의 슬라브를 1,200~1,300℃로 재가열하여1150℃ 이하의 열연개시온도 및 950℃ 이상의 압연종료온도 조건으로 열간압연한 후, 열연판소둔하고, 냉간압연한 다음, 탈탄 및 질화소둔을 동시에 또는 분리하여 행한 후, 고온소둔하여 자기적 특성이 우수한 방향성 전기강판을 제조하는 방법을 그 요지로 한다.

고자속밀도, 방향성, 전기강판, 압연개시온도, 재가열온도

Description

자기적 특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법{Method for Manufacturing Grain-Oriented Electrical Steel Sheet with Superior Magnetic Property}

본 발명은 전기기기의 철심재료로 이용되는 방향성 전기강판을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소강성분에 질화물 형성원소인 B 첨가강을 이용하여 열간압연조건을 적절히 제어하므로써 철손이 낮고 고자속밀도를 갖는 자기적 특성이 우수한 방향성 전기강판을 안정적으로 제조하는 방법에 관한 것이다.

방향성전기강판은 압연방향으로 {110}<001>방위의 집합조직을 발달시킨 것으로, 미국특허 제1,965,559호에 처음으로 그 제조방법이 제시되었다.

그 후 많은 발명자들에 의해 제조방법의 개선이 이루어지고, 새로운 제조방법도 많이 제시되어 있다.

방향성전기강판의 제조에 있어서 공통적인 것은 1차재결정립의 성장억제 기능을 하는 석출물이나 입계편석원소를 이용한다는 것이다.

이러한 석출물이나 편석원소를 억제제(inhibitor)라 하는데, 이들은 최종소둔시 1차재결정된 결정립들의 성장을 억제시키는 기능을 한다.

그러나, 소둔온도가 높아지면, 성장이 억제된 결정립들 중에서 {110}<001>방위를 갖는 결정립들이 우선적으로 성장하면서 주위의 결정립들을 잠식하면서 성장하는데, 이를 2차재결정이라 한다. 이와 같이 적절한 억제제를 사용하여 {110}<001>방위의 2차재결정립을 압연방향으로 발달시키는 것이 방향성 전기강판 제조기술의 핵심이다.

현재 공업적으로 생산되고 있는 방향성 전기강판은 MnS, AlN, MnSe와 같은 석출물을 단독 또는 조합에 의해서 억제제로 이용하고 있다.

대표적인 것으로는 MnS만을 억제제로 이용하는 방법, MnS+AlN을 억제제로 이용하는 방법, MnS(Se)+Sb를 억제제로 이용하는 방법이 있다.

석출물들이 억제제로서의 제기능을 하기 위해서 갖추어야 할 조건은 다음과 같다.

1차재결정립을 2차재결정이 일어나기 직전까지 성장이 억제될 수 있도록, 석출물들이 충분한 양과 적절한 크기로 고르게 분포되어 있어야 하고, 2차재결정이 일어나기 직전인 고온까지 열적으로 안정해서 쉽게 분해되지 않아야 한다.

현재 공업적으로 이용되는 각각의 방향성 전기강판의 제조방법은 장단점을 가지고 있다.

우선 MnS를 억제제로 이용하는 방법은 M. F. Littmann에 의해 일본특허 공보(소)30-3651호에 제시되어 있다.

이 방법은 중간소둔을 포함한 2회의 냉간압연을 하며, 안정적인 2차재결정 조직을 얻을 수 있다. 그러나 이 방법으로는 높은 자속밀도를 얻을 수 없으며, 중간에 소둔을 포함한 2회의 냉간압연에 의해 제조되므로 제조원가가 비싸지는 문제가 있다.

MnS+AlN을 이용하여 방향성 전기강판을 제조하는 방법은 일본특허 공보(소)40- 15644호에 제시되어 있는데, 이 방법에서는 80% 이상의 높은 압하율로 1회 냉간압연하여 방향성 전기강판을 제조한다. 이 방법은 1회냉간압연을 하며 자속밀도가 높은 제품을 얻을 수 있는 장점이 있다.

그러나, 공업적인 생산시에는 제조조건이 매우 엄격하여 각 공정조건을 엄격히 제어해야 하는 문제점이 잇다.

또한, MnS(또는 MnSe)+Sb를 이용하여 방향성 전기강판을 제조하는 대표적인 방법이 일본특허 공보(소)51-13469호에 제시되어 있다. 이 방법은 높은 자속밀도를 얻을 수 있으나 2회의 냉간압연을 행하며, 유독성이 있고 고가인 Sb와 Se과 같은 원소를 사용한다는 문제점이 있다.

그러나, 이러한 방향성 전기강판의 제조방법들은 근본적인 문제점을 안고 있었다. 즉 각각의 방법에서 원하는 크기와 분포를 갖는 석출물을 얻어 억제제로 이용하기 위해서는, 열간압연을 행하기 전에 슬라브를 고온으로 재가열하여야 한다. 이는 열간압연 공정에서 석출물의 크기와 분포를 원하는 대로 제어하기 위해 필요한 것으로, MnS나 AlN이 충분히 고용되는 온도로 가열되어야 한다는 기술적인 사상에 근거한 것이다.

즉, 소강성분에 함유된 MnS나 AlN 등을 고온에서 장시간 가열하여 완전히 고용시켜야 하는데, 이를 완전용체화라 한다. 그 후 열간압연 및 냉각과정에서 적절한 크기와 분포를 갖는 석출물로 만들어 주게 된다.

이론적으로는 MnS를 이용하는 방법은 1,300℃, MnS+AlN을 이용하는 방법은 1,350℃, MnS(또는 MnSe)+Sb를 이용하는 방법은 1,320℃ 이상이 되어야 완전고용이 된 다. 그러나 실제로 공업적으로 생산할 때는 슬라브의 두께 등을 고려하면, 내부까지 이러한 온도까지 도달하기 위해서는 슬라브의 표면부는 1,400℃에 가까운 온도까지 가열하지 않으면 안된다.

위와 같은 이유로, 슬라브의 고온 장시간 가열이 필수적인데, 이 경우 다음과 같은 문제점이 발생한다.

즉, 사용열량이 많아 제조원가가 비싸지고, 슬라브의 표면부가 용융상태에 이르러 흘러내리게 되므로 가열로의 보수비가 많이들고 수명이 단축되며, 슬라브의 표면에 발달되어 있는 응고조직인 주상정이 조대하게 성장하여 후속되는 열간압연 공정에서 판의 폭방향으로 깊은 크랙(crack)을 발생시켜 실수율을 현저하게 저하시킨다.

그러므로, 슬라브의 재가열온도를 낮추어 방향성전기강판을 제조할 수 있다면, 제조원가와 실수율 측면에서 많은 장점이 있다.

그러나, 앞서 언급한 것처럼, 종래의 기술은 슬라브를 고온에서 완전용체화 처리를 하지 않으면 석출물의 제어가 어려워 방향성 전기강판의 제조가 불가능하게 된다.

따라서, 최근에는 위와 같은 문제점을 해결하기 위해서 슬라브의 가열온도를 낮추고, 억제제를 열간압연 단계에서 만들지 않는 방법들이 많이 연구되고 있다.

이는 소강성분에 포함되어 있는 원소들로부터 억제제를 전적으로 의존하는 것이 아니고, 제조공정 중의 적당한 곳에서 석출물을 만들어 주는 것에 의해 가능해졌다.

이러한 방법은 일본특허 공보(평)1-230721, 일본특허 공보(평)1-283324에 제시된 것처럼 불완전용체화와 질화처리에 의해 가능해졌다.

이 방법은 슬라브의 가열온도를 1,200℃이하로 불완전용체화 하여, 미반응Al을 남 긴 후, 냉간압연 후에 질화소둔에 의해 질소를 강중에 넣어서 석출물로 반응시킨다는 기술적인 사상을 가지고 있다. 이러한 방법으로 생성된 (Al,Si)N 이 억제제로서의 기능을 하게 되는 것이다.

질화처리 방법에는 질화능이 있는 화합물을 함유하는 소둔분리제를 강판에 도포하는 것, 고온소둔 공정의 승온기간 동안 질화능이 있는 가스를 분위기 가스내에 포함시키는 것, 탈탄공정에서 균열처리 후 질화능이 있는 가스분위기에서 강판을 질화하는 것이 있다.

또한 질화의 시점에 관한 대표적인 방법이 일본특허 공보(평)2-228425호에 제시되어 있는데, 열간압연된 판이나 최종 냉간압연전에 행하는 질화공정에 의해 질소를 강중에 넣어 석출물을 만들어 주는 방법이 있고, 일본특허 공보(평)2-294428호에 제시되어 있는 것처럼 냉간압연이 완료된 후 행하는 탈탄소둔시 질화와 탈탄을 행하는 것이 있다.

그러나, 이 방법의 경우에는 2차재결정이 불안정하게 되는 문제점이 있어, 일본특허 공보(평)3-2324호에서 일본특허 공보(평)2-294428호를 개량하여 탈탄소둔을 우선적으로 행하고 결정립의 크기가 어느정도 이상으로 성장한 후 암모니아 가스에 의해 질화를 행하는 방법을 제시하고 있다.

위의 모든 방법은 암모니아 가스에 의한 질화로 암모니아가 약 500℃ 이상에서 분해되어 발생되는 질소를 강판 내부로 넣어주는 방법을 이용하고 있다. 이 때 강판내부로 들어간 질소는 이미 강중에 존재하고 있는 원소인 Al, Si, Mn등과 반응해서 질화물이 되고, 고온소둔 과정에서 열역학적으로 가장 안정한 (Al,Si)N으로 되어 억제제의 기능을 한다.

이와 같은 방법으로 슬라브의 저온가열에 의해 방향성 전기강판을 제조하는 것이 가능해졌다.

그러나, 위의 방법은 최종적으로 억제제로 이용되는 (Al,Si)N을 만들어 주기 위해서는 다음과 같은 제조공정을 거쳐야 하는 것이 필수적이다.

소강성분에 함유되어 있는 Al과 N이 결합하지 않도록 슬라브 가열시 불완전용체화를 하여야 한다. 이는 질화공정에서 반응할 수 있는Al의 양을 극대화시키기 위한 것으로 슬라브의 가열온도를 1,200℃ 이하로 낮게 해야 한다. 실제로는 AlN의 고용량을 최소화하기 위하여 1,150℃ 또는 그 이하의 온도에서 슬라브를 재가열하고 있다. 이는 후속되는 열간압연의 개시온도와 마무리온도가 낮아지는 결과를 초래하여 압연설비에 많은 부하를 주고 있으며, 일반적인 탄소강의 재가열 온도보다 현저히 낮아 방향성 전기강판과 일반강을 동시에 생산할 수 없는 문제점을 여전히 안고 있다.

이에, 본 발명자들은 1,200~1,300℃에서 재가열하여, 열간압연의 부하를 없애고, 일반강과 동일한 재가열온도 영역에서 안정적으로 생산가능한 방향성 전기강판의 제조방법을 개발하여, 한국특허 출원 2000-72745호에 제시한 바 있다.

이 방법은 소강에 B를 첨가하여 BN를 우선적으로 형성시킴으로써 AlN의 고용온도를 낮추어 완전고용을 시키는 방법으로, 위에서 언급한 불완전용체화 방법과는 기술적인 사상을 달리한다.

이 방법에서는 소강의 N이 B와 결합하여 대부분 조대한 석출물로 되어 존재하므로, 후속되는 탈탄소둔이나 질화소둔시에 1차재결정의 입도에 관여하는 미세한 석출물이 거의 존재하지 않게 된다.

따라서 탈탄과 동시에 질화를 행하는 경우, 질화량에 알맞은 1차재결정입도를 갖도록 해 주어야 최종소둔시 2차재결정이 잘 발달하게 된다. 이 경우 최종 2차재결정소둔시 1차재결정립의 성장을 억제시키는 억제제는 동시 탈탄질화과정에서 새로이 형성된 AlN이다. 즉, 탈탄과 동시에 질화가 일어나는 공정의 소둔온도와 시간을 조절하여 적절한 1차재결정 입도를 갖도록 해 줌과 동시에 적정한 질화로 억제제인 AlN을 형성시켜 주어야 우수한 자기특성을 얻을 수 있다.

상기 방법에 의하면, B의 첨가에 의하여 1,200~1,300℃에서 재가열하여도 자기특성이 우수한 고자속밀도 방향성 전기강판이 제조될 수 있다.

그러나, 본 발명자들의 추가 연구 및 실험을 통하여 B의 첨가가 AlN의 고용온도를 낮추는데 매우 효과적인 반면, 열간압연시 B를 첨가하지 않은 강종과는 현저히 다른 고온변형 거동을 나타낸다는 것을 알게 되었다.

그러므로 기존의 방법에 의한 열간압연 방법으로는 상기의 발명을 구현하는데 어려움이 있고, 따라서 열연코일을 제조하는데에 있어서의 불안정성이 실수율의 저하를 초래하게 되는 문제점이 있다.

이에, 본 발명자들은 상기한 종래 방법의 문제점을 해결하기 위하여 연구 및 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 열간압연시 재가열온도에 따른 적절한 열간압연 조건을 적용하여 열연코일을 안정적으로 제조하므로써 철손이 낮은 고자속밀도 방향성전기강판을 안정적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 방향성전기강판을 제조하는 방법에 있어서, 중량%로, C:0.02-0.1%, Si:1.0-4.8%, S:0.006% 이하, 산가용성 Al:0.01-0.05%, Mn:0.05-0.2%, 및 N:0.01% 이하로 이루어지는 기본조성에 B를 0.001%≤B≤0.012% 의 조건을 만족하도록 첨가하고, 그리고 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강의 슬라브를 1,200~1,300℃로 재가열하여 1150℃ 이하의 열연개시온도 및 950℃ 이상의 압연종료온도 조건으로 열간압연한 후, 열연판소둔하고, 냉간압연한 다음, 탈탄 및 질화소둔을 동시에 또는 분리하여 행한 후, 고온소둔하여 자기적 특성이 우수한 방향성 전기강판을 제조하는 방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

우선 성분의 한정이유에 대하여 설명한다.

상기 C는 열간압연 조직을 미세화시키기 위하여 첨가하는 원소로, 열간압연시 제 기능을 한 후에는 불순물로 되어 자기적 특성에 악영향을 미치므로 제거되어야 한다. 3%의 Si이 함유된 경우 약 0.018%의 C을 함유하면 열간압연시 α-γ변태가 일어나 열간압연 조직을 미세화시키는 기능을 할 수 있다. 따라서 Si양이 증가하면 이보다 약간 높은 C의 양이 요구되므로 0.020%이상을 필요로 한다. C은 최종제품에 남아있게 되면 자기시효를 일으켜 변압기 등의 전기기기의 특성을 열화시키는 원소이므로, 최종제품에서는 0.003% 이하로 엄격히 관리되고 있다. 따라서 방향성 전기강판의 제조에는 탈탄공정이 반드시 들어가게 된다. 그러나 함량이 너무 많아 조대한 탄화물이 생성되면 탄소의 제거가 어려워지므로 그 함량은 0.02-0.1%로 설정하는 것이 바람직하다.

상기 Si은 강의 비저항을 높여 주어 철손 특성을 현저하게 개선하는 원소로, 방향성 전기강판의 제조에 반드시 첨가되는 원소이다.

그 첨가량은 여러가지 제한 요소에 의해 결정되며, 실제로는 약 2.95-3.5%정도가 함유되어 있는 것이 일반적이다. 이는 공업적으로 냉간압연을 안정적으로 할 수 있는 것에 의해 상한이 정해지고 있다. 특수하고 엄밀히 제어된 압연법에서는 약 4.5%의 Si이 함유된 강도 압연이 가능한 것으로 알려져 있다.

상기 Si의 함량이1.0% 이하인 경우에는 그 첨가효과가 미미하여 큰 의미가 없게 되므로, 상기 Si의 함량은 1.0-4.8%로 설정하는 것이 바람직하다.

상기S는 편석이 심한원소로 열간작업성을 위하여는 가능한 한 함유되지 않도록 하는 것이 바람직한데, 제강시 탈S공정을 거쳐 극저 S로 하기 위해서는 공정에 추가비용이 들게 된다. 따라서 불순물로 함유되는 정도의 S양을 지니고 있어도 무방하다. 그러나 S의 함량이 0.006%를 넘으면 강중에 포함되어 있는 Mn과 반응하여 MnS로 되어 1차재결정립을 작게 할 우려가 있으므로, 상기 S는 0.006%이하로 설정하는 것이 바람직하다.

상기 Al은 소강단계에서 함유되어 질화소둔시 강중으로 들어온 질소와 결합하여 AlN으로 되어 억제제의 역할을 하는 원소이다. 일반적으로 산가용성 Al은 0.03% 정 도에서 가장 적절한 AlN을 형성하는 것으로 알려져 있다.

상기Al의 함량이 0.01%이하로 되면 형성된 AlN의 양이 작아 억제제로서의 역할이 미미하며, 0.05%이상으로 되면 AlN의 크기가 조대해져서 억제력이 작아지게 된다.

따라서 상기 Al의 함량은 0.01-0.05%로 설정하는 것이 바람직하다.

상기 Mn은 전기저항을 높여주고 철손을 낮추는 효과가 있는 성분으로써, 그 함량이 너무 많은 경우에는 자속밀도의 저하를 초래하므로, 상기 Mn의 함량은 0.05-0.2%로 선정하는 것이 바람직하다.

상기N는 불순물로 함유되는 질소의 양을 고려할 때 소강중에서 완전히 제거할 수는 없다. 또한 본 방법에서는AlN을 형성하는데 필요한 질소는 질화과정에서 넣어주게 되므로 소강의 질소는 억제제로 이용되는 AlN의 형성에 관여하지 않게 된다.

그러나, 불순물로 존재하는 질소가 많으면 Al과 반응하기 쉬우므로 질화후에 반응할 Al의 양을 적게한다.

또한, 불순물로 존재하는 질소는 B에 의해 우선적으로 질화물을 만들어 없애야 하므로, 질소량이 많으면 이를 제거하기 위한 B의 양도 많아져야 한다. 그리고 제강시 질소를 극저로 낮추려면 공정이 추가되어야 한다.

따라서, 제강에서 쉽게 제어할수 있는 질소량이 0.005%수준임을 고려해 볼 때, 질소의 함량은 0.01%이하로 선정하는 것이 바람직하다.

상기 B은 소강성분에 불순물로 함유되어 있는 질소를 제거하기 위하여 필요한 성분이다.

그 첨가량은 질소와 우선적으로 결합하여 Al과의 결합을 할 수 없도록 해야 하는 것을 기준으로 한다.

이러한 기준에서 B는0.001% ~ 0.012%로 설정하는 것이 바람직하다. (한국특허 출원 2000-72745호 참조)

이하, 공정조건에 대해서 설명한다.

상기 전기강판 슬라브의 가열온도는 1,200-1,300℃로 선정하는 것이 바람직 한데, 그 이유는 가열온도가 1,200℃ 이하인 경우에는 슬라브의 온도가 너무 낮아서 열간압연 작업이 어려워지고, 다른 종류의 일반강과 같이 재가열을 할 수 없어 생산성도 저하되고, 1,300℃ 이상인 경우에는 자기적 특성에는 크게 영향이 없으나, 슬라브의 저온가열에서 오는 잇점이 크게 감소되기 때문이다. 슬라브 가열과정에서 내부에 존재하는 질소는 B와 반응하여 질화물로 되고, Al은 질화물로 되지 못하고 남아있게 된다.

상기와 같이 재가열된 슬라브는 열간압연하여 일정한 두께의 열연판, 바람직하게는 1.5~3mm 두께의 열연판으로 제조하게 된다.

이 공정은 본 발명의 주요 특징부에 헤당하는 것으로서, 슬라브의 가열후 열연개시온도를 반드시 1150℃ 이하로 하여야 하며, 압연종료온도를 950℃ 이상으로 하여야 한다.

보다 구체적으로 설명하면, 슬라브 가열온도가 1250℃ 이상인 경우는 열연개시온도를 반드시 1150℃ 이하로 하여야 하며, 압연종료온도를 950℃ 이상으로 하여야 한다.

반면에, 슬라브 가열온도가 1250℃ 미만인 경우에도 위의 조건을 만족하는 것이 바 람직하나 실제의 공정에서는 크게 문제되지 않는다. 이하는 이에 대한 이유를 설명한다.

일반적으로 슬라브는 재가열후 로에서 추출되어 가역식 열간압연기(reversing mill)에서 수회 압연되어 약 30~50mm두께의 바(bar)로 제조된 후, 다시 비가역식 압연기(Tandem mill)에서 최종두께로 압연된다.

이 과정에서 슬라브는 바(bar)로 제조되면서 필연적으로 온도의 하락이 일어나게 된다.

그러므로, 재가열온도가 높을수록 최종압연기에 물리게 되는 온도인, 압연개시온도가 높아지게 된다.

본 발명이 적용되는 조성의 강은 약 1,200-1,300℃에서 재가열되는 것이므로 비교적 온도가 낮은 1250℃ 미만인 경우에는 자연적인 온도하락으로 압연개시온도가 1150℃ 이하로 되기 쉽다.

그러나, 슬라브 가열온도가 1250℃ 이상인 경우에는 특별히 압연개시온도를 관리해 주지 않을 경우, 압연개시온도가 1150℃ 이상으로 되기 때문이다.

위의 조건이 반드시 지켜져야 하는 이유는 후술되는 야금학적 특징과 실시예에서 설명될 것이다.

상기한 방법으로 열간압연하여 제조된 열연판은 열연판 소둔을 하게 된다.

열연판소둔은 900-1180℃의 범위에서 소둔된다. 고온에서 재가열하여 방향성전기강판을 제조하는 기존의 방법에서는 열연판소둔시 석출물의 고용과 석출현상을 이용하여 원하는 석출물 분포를 얻기위하여 1,100-1,150℃에서 유지한 후 약 900℃에 도달하면 급냉하는 방법을 사용하였다. 그러나 본 발명은 위와 같은 방법에 의해서도 우수한 자속밀도를 얻는 것이 가능하나, 열연판소둔 조건을 소강의 Al함량에 따라 상기의 온도로 조정하면 낮은 철손을 얻는 것이 가능하다.

다음에, 소둔된 판은 산세하여 냉간압연을 행한다.

이때, 중간소둔 없이 1회의 압연에 의해서 최종 두께로 압연되는 것이 바람직하다.

압연율은 84-90%의 범위내에서 이루어지면 높은 자속밀도를 얻을 수 있다.

최종제품두께로 냉간압연된 판은 탈탄과 질화를 위하여 소둔된다.

이 때 탈탄을 먼저 행하고 질화를 하는 방법과 탈탄과 동시에 질화를 행하는 방법이 있다. 각각의 방법은 소둔온도와 투입되는 암모니아의 양이 다르고, 질화 후 형성된 질화물의 종류도 다르다.

본 발명은 어느 방법을 적용하여도 무방하다.

탈탄소둔후 질화하는 방법에서는 소둔로내의 분위기를 습한 질소+수소의 혼합가스로 하여800~900℃에서 탈탄을 하고, 건조한 수소+질소분위기에 암모니아를 투입하여800℃ 이하의 온도에서 질화소둔을 행하는 것이 바람직하다.

질화소둔 과정에서 질소가 강판의 내부로 들어가 (Si,Mn)N, Si₃N₄같은 질화물이 형성된다.

이들 질화물은 최종소둔과정에서 (Si,Al)N으로 변화되어 억제제로 이용된다.

탈탄과 질화를 동시에 행하는 방법은 소둔로내의 분위기를 습한 수소+질소의 혼합분위기에 건조한 소량의 암모니아 가스를 투입시켜서 820~920℃에서 행하는 것이 바람직하다. 이 과정에서 강판의 탄소는 제거되고, 암모니아 가스의 분해에 의해 생긴 질소는 강판의 내부로 들어가게 된다. 강의 내부로 들어온 질소는 미반응 Al과 반응하여 AlN으로 되고, 이는 억제제로 이용된다.

어느 방법에서나 소둔온도, 소둔시간에 의해 1차재결정의 입도가 결정된다. 탈탄을 우선적으로 행하는 경우에는 탈탄소둔의 온도와 시간에 의해 1차재결정립의 입도가 결정되고, 후속되는 질화소둔에 의해서 1차재결정립의 크기는 변화하지 않게 된다. 이는 질화소둔 온도가 탈탄소둔 온도에 비하여 낮기 때문이다.

질화소둔 후 강판의 표면에 MgO를 주성분으로 하는 소둔분리제를 도포하여 코일상으로 고온소둔을 행한다.

고온소둔은 2차재결정 조직을 발달시키는 승온구간과 불순물을 제거하는 순화소둔 구간으로 이루어진다. 승온구간의 승온속도는 석출물의 성장거동에 영향을 미치므로 매우 중요하다. 경험적으로 승온속도가 너무 빠르면 2차재결정이 불안정해진다.

반면에, 승온속도가 너무느리면 소둔시간이 길어져 비경제적이다.

따라서, 바람직한 승온속도는 10-40℃/hr 이다. 승온과정에서는 억제제로 사용되는 AlN의 유실을 방지하기 위하여 질소가 포함된 분위기를 유지해 주는 것이 바람직하고, 순화소둔은 환원분위기에서 유지하여 강중의 유해원소를 제거하는 과정이므로 100% 수소를 사용하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 특징을 야금학적으로 설명하면 다음과 같다.

일반적으로 방향성 전기강판은 억제제의 종류와 이를 형성시키는 방법에 의해 제조법이 달라지게 된다.

이제까지의 방향성 전기강판의 제조는 슬라브의 고온가열에서 저온가열로 발달하여 왔다.

즉, 소강성분에 포함된 성분인 MnS나 AlN을 슬라브의 고온가열을 통해 완전용체화시킨 후, 열간압연에서 석출물을 제어하여 억제제로 이용하는 방법이 고온가열 기술이다.

이에 반해, 슬라브를 저온가열을 통해 불완전용체화시킨 후, 질화소둔에서 석출물을 형성시켜 억제제로 이용하는 방법이 저온가열 기술이다.

따라서, 고온가열 기술은 1,300℃ 이상, 저온가열 기술은 1,200℃ 이하 라는 극단적인 온도에서 슬라브를 가열하여야 하는 것이다.

그러나 본 발명은 슬라브의 가열온도를 일반강과 동일하게 1,200~1,300℃로 하고, 질화소둔에 의해 석출물을 형성시켜 억제제로 이용하는 방법이다.

이는 강중의 질소을 첨가원소에 의해 임의대로 조정하는 것에 의해 가능해진다. 이는 Al보다 쉽게 질화물을 형성하는 원소의 첨가에 의해 이루어 진다.

본 발명에서는 B를 이용하여 상기의 목적을 달성한 것으로, 그 작용 원리는 다음과 같다.

일반적으로B는 Al보다 열역학적으로 질화물을 만드는데 필요한 에너지가 높다. 그러나 이는 B와 Al이 각각 존재하여 BN이나 AlN을 형성할 때 필요한 에너지를 비교한 것이다. 이들이 Fe내에 소량씩 공존하고 있는 경우에는 질소와 결합하기 위해서는 강중에서 확산이 일어나야 하는데, Fe내에서의 확산속도는 B가Al에 비해 훨씬 빠르다.

따라서, 실제적으로 강중에서는 BN이 AlN보다 우선적으로 생성되는 것이다. 따라서 동일한 온도나 압력 조건하에서는 이들이 공존하고 있어도, Al의 질화물이 나중에 생성된다. 그러므로 B의 첨가에 의해 Al과 반응할 수 있는 질소를 제거하는 효과를 가져오게 되는 것이다.

이론적으로 B를 이용하여 질소를 제거할 경우, B와 N의 원자비로 결합하게 된다. 따라서 B/N = 10.8/14 = 0.77으로 된다. 이는 강중에 존재하는 질소를 0.01%라 할 때, B를 0.0077% 첨가하면 모두 BN으로 되어 Al과 결합할 수 있는 질소의 양은 남아있지 않게 됨을 의미한다.

AlN의 용해도적 식은 일반적으로 log[%Al][%N]= -(A/T)+C, (여기서 T는 고용온도, A와 C는 상수)로 표시된다. 이 식에서 A와 C의 값은 실험에 의해 결정되는 상수이다. 따라서 고용온도는[%Al]과 [%N]의 곱에 의해서 결정이 되는데, [%N]이 낮아지면 고용온도가 낮아지게 되는 것이다. 본 발명은 B의 첨가에 의해 질소의 제거, 즉 [%N]의 감소를 가져오므로 AlN의 고용온도를 낮출 수 있게 되는 것이다. 이는 B의 첨가량의 조절에 의해 완전고용이 일어나는 온도를 조절할 수 있음을 의미하는 것이다.

상기와 같은 이론적인 사상에 근거한 조성과 제조조건을 통해 제조된 본 발명강은 까다로운 슬라브의 가열조건 없이 방향성 전기강판을 제조하는 방법을 제공하며, 경제성과 자기특성이 모두 우수한 것이 특징이다.

그러나, 앞서 언급한 것처럼, B의 첨가에 의해 발명의 조성을 갖는 강의 고온변형 거동이, B를 첨가하지 않은 강에 비해 크게 달라져, 적절한 열간압연 조건을 재설정하여야 안정적인 열연판을 얻을 수 있게된다.

일반적으로 B는 결정립계에 편석을 하는 원소로 알려져 있다.

따라서, 본 발명의 조성을 갖는 강에서도 B는 결정립계에 우선적으로 편석하여 변형거동, 특히 고온변형거동을 다르게 하는 것으로 추정된다. 본 발명자들은 결정립계에 편석된 B에 의해 고온변형이 쉽게 이루어지는 것으로 판단하고 있다. 즉 결정립계의 B는 고온변형시 결정립계의 미끄러짐(sliding)을 용이하게 하는 것으로 보인다. 이에 대한 구체적인 증거는 실시예에서 설명한다.

이러한 현상에 의해서 1150℃이상에서 열간압연이 될 경우, 재질이 너무 무르게 되어 압연시 파단이 쉽게 발생하게 된다. 따라서 적절한 고온강도가 확보되는 조건에서 열간압연이 시작되어야 하는 것이, 본 발명의 압연개시온도를 제한하는 배경이 되는 것이다.

한편, 재가열온도가 1,200~1,300℃이므로 이 과정에서 B의 질화물은 부분적인 고용상태로도 존재할 수 있게 되는데, 이는 온도가 낮아지면서 다시 질화물로 석출된다. 따라서 열간압연이 진행되면서 온도가 점점 낮아지면, B가 질화물로 석출된다. 따라서 이러한 석출물이 나타나면 고온에서의 변형이 어렵게 되고, 따라서 특정온도 이하에서는 고온변형 저항이 급격히 향상된다. 본 발명의 조성의 강에서는 약 900℃에서 이러한 현상이 나타났다. 따라서 이 온도 이상에서 열간압연 작업을 마무리 하여야 한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

중량%로, C:0.045%, Si:3.14%, Mn:0.10%, S:0.006%, Sol.Al:0.027%, N2:0.0069%, B:0.0035%를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 원소로 이루어진 강을 이용하여, 1,280℃에서 2시간 재가열 후 추출하여 가역식 열간압연기( reversing roughing mill)에서 각각 3, 5, 7패스의 압연과 사용되는 냉각수의 양을 조절하여 비가역식 열간압연기(tandem finishing mill)에 물리는 압연개시온도를 각각1200℃, 1175℃, 1150℃로 한후, 6패스로 최종 열간압연하여 판 두께가 2.3mm인 열연판을 얻었다. 이 때 각각의 열연개시온도에 따라 최종열연판의 파단횟수를 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

재가열 온도	압연개시온도	시도 횟수	파단 횟수	비고
1280℃	1200℃	5	5	비교예1
	1175℃	5	2	비교예2
	1150℃	5	0	본발명예1

상기 표1에 나타난 바와 같이, 압연개시온도가 높으면 판 파단이 일어날 확률이 높은 것을 알 수 있다. 압연개시온도가 1200℃ 에서는 모두 파단이 일어 났으며, 압연개시온도가 1150℃ 에서는 파단이 일어나지 않음을 알 수 있다.

[실시예 2]

상기 실시예 1과 동일 조성의 강을 1,280℃에서 2시간 재가열 후 추출하여 가역식 열간압연기에서 35mm의 바(bar)로 제조한 후, 비가역식 열간압연기(tandem finishing mill)에 물리는 압연개시온도를 각각 1150℃로 한후, 6패스로 최종 열간압연하여 판 두께가 2.3mm인 열연판을 얻는 과정에서, 압연속도와 냉각수량을 조절하여 최종 6번째 스탠드(stand)에 물리는 압연종료온도를 1000℃, 950℃, 900℃로 하였다. 이 때 각각의 열연종료온도에 따라 최종열연판의 파단횟수와 두께의 편차 를 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

재가열온도	압연개시온도	압연종료온도	시도횟수	파단횟수	두께편차	비고
1280℃	1150℃	1000℃	5	0	±0.07mm	본발명예2
		950℃	5	0	±0.1mm	본발명예3
		900℃	5	2	+0.15~0.2mm	비교예3

상기 표2에 나타난 바와 같이, 압연종료온도가 950℃ 이상인 경우에는 파단이 일어나지 않았으며, 압연종료온도가 900℃ 인 경우에는 판파단율이 40%에 달하였고, 파단이 일어나지 않은 열연판도 최종두께가 목표두께에 비해 최고 0.2mm까지 높게 나타남을 알 수 있다.

[실시예 3]

상기 실시예 1과 동일 조성의 강을 1,280℃에서 재가열 했을때의 각 압연온도에 따른 고온 변형저항을 측정하기 위하여, 고온변형 저항 측정 설비를 이용하여 각각 20%, 40%, 60%, 80%의 압축응력을 가하면서 응력(MPa)을 측정하고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 여기서 변형량은 (처음두께 -변형후두께)/처음두께를 나타낸 것이다.

변형량 온도	0.2	0.4	0.6	0.8
1200℃	25	27	29	30
1150℃	40	43	45	47
1100℃	55	56	58	60
1000℃	75	79	81	85
950℃	90	93	95	97
900℃	180	183	190	195

상기 표 3에 나타난 바와 같이, 1200℃ 에서는 약 25-30MPa의 응력이 필요해 재료가 매우 무른 것을 알 수 있다.

그러나 1150℃에서는 40MPa의 응력값을 보이고 있어, 본 발명의 재료는 최소 이 이상의 응력범위에서 열간압연이 이루어져야 파단이 일어나지 않음을 알 수 있다.

그러나, 온도가 900℃에 이르면 급격하게 응력이 커지는 것을 알 수 있는데, 이 것이 실시예2에서 나타난 소둔 종료온도가 900℃인 경우에 파단이 일어나거나, 압연이 잘되지 않는 현상을 설명해 주고 있다.

따라서 열간압연 전과정을 통하여 약 40~100MPa의 응력범위를 갖도록 열연조건을 설정해 주는 것이 바람직한 것으로 판단된다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 고온이나 저온에서 열연재가열하지 않고도 소강성분에 적당한 양의 B을 첨가하고, 열간압연조건을 적절히 제어하므로써 자기특성이 우수한 방향성 전기강판을 안정적으로 제조할 수 있을 뿐만 아니라 방향성 전기강판과 일반강의 재가열온도 범위가 동일해져 생산성 및 작업성의 개선효과를 가져오게 되는 효과가 있는 것이다.

Claims (2)

1. 방향성전기강판을 제조하는 방법에 있어서, 중량%로, C:0.02-0.1%, Si:1.0-4.8%, S:0.006% 이하, 산가용성 Al:0.01-0.05%, Mn:0.05-0.2%, 및 N:0.01% 이하로 이루어지는 기본조성에 B를 0.001% < B ≤0.012%의 조건을 만족하도록 첨가하고, 그리고 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강의 슬라브를 1,200~1,300℃로 재가열하여 1150℃ 이하의 열연개시온도 및 950℃ 이상의 압연종료온도 조건으로 열간압연한 후, 열연판소둔하고, 냉간압연한 다음, 탈탄 및 질화소둔을 동시에 또는 분리하여 행한 후, 고온소둔하는 것을 특징으로 하는 자기적 특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법
2. 제1항에 있어서, 탈탄 및 질화소둔공정이 탈탄소둔후 질화하는 공정인 경우에는 소둔로내의 분위기를 습한 질소+수소의 혼합가스로 하여 800~900℃에서 탈탄소둔을 행한 후, 건조한 수소+질소분위기에 암모니아를 투입하여 800℃ 이하의 온도에서 질화소둔을 행하고; 그리고

   탈탄 및 질화소둔공정이 탈탄과 질화를 동시에 행하는 공정인 경우에는 소둔로내의 분위기를 습한 수소+질소의 혼합분위기에 건조한 소량의 암모니아 가스를 투입시켜서 820~920℃에서 행하는 것을 특징으로 하는 자기적 특성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법