KR100721821B1 - 두께가 두꺼운 방향성 전기강판의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변압기, 전동기, 발전기 및 기타 전자기기 등의 철심 재료로 사용되는 방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것으로, 중량%로 C: 0.003~0.01%, Si: 2.0~4.0%, Mn: 0.05~0.5%, S: 0.002~0.015%, Sol.-Al: 0.01~0.05%, N: 0.003~0.012%, 잔부 Fe 및 불가피하게 함유되는 원소로 이루어진 슬라브를 1300℃이하의 온도에서 재가열하고 열간압연 후, 열연판소둔을 행한 다음, 0.36~0.6mm 의 최종두께로 냉간압연하고, 1차재결정소둔에서 탈탄과 질화를 동시에 행한 뒤, 소둔분리제를 도포하고, 이어 고온소둔 및 절연코팅을 하는 방향성 전기강판의 제조방법에 있어서; 산가용성 Al의 함량을 고려하여 1차재결정 소둔을 하기 관계식1을 만족하는 온도(T) 범위로 1~20분간 시행하는 것을 특징으로 하는 두께가 두꺼운 방향성 전기강판의 제조방법을 제공한다.

[관계식1]

918-1,250 Al≤ T ≤975-1,000 Al

(T:1차재결정 소둔온도(℃), Al:산가용성 Al 함량(%), 0.01≤ Al ≤0.05)

본 발명은 통상보다 매우 낮은 소강탄소함량 범위에서도 Sol.-Al함량에 따라 적절한 온도범위의 1차재결정 소둔을 행함으로써, 안정적으로 2차재결정을 일으키는 동시에 탈탄 소요시간을 단축하여, 생산원가가 낮고 자기적 성질이 우수한 후물 방향성 전기강판을 제조할 수 있다.

방향성 전기강판, 동시 탈탄 질화, 후물, 자속밀도

Description

두께가 두꺼운 방향성 전기강판의 제조방법{A METHOD FOR MANUFACTURING THICK GAUGE GRAIN-ORIENTED ELECTRICAL STEEL SHEET}

도 1은 본 발명에 따라 우수한 자기특성을 얻을 수 있는 산가용성 알루미늄 함량과 1차재결정 소둔온도의 관계를 나타낸 그래프.

본 발명은 변압기, 전동기, 발전기 및 기타 전자기기 등의 철심 재료로 사용되는 방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알루미늄 함량을 고려하여 1차재결정소둔 온도를 제어함으로써 두께가 두꺼우면서도 우수한 자기적 특성을 갖는 방향성 전기강판을 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 방향성 전기강판이란 결정립의 방위가 (110)[001 ]방향으로 배향된 집합조직을 가진 전기강판으로서, 압연방향으로 극히 우수한 자기적 특성을 갖기 때문에 변압기, 전동기, 발전기 및 기타 전자기기 등의 철심 재료로 사용된다.

이러한 방향성 전기강판은 자속밀도와 철손이 뛰어난 것이 요구되고 있다.

이때, 자속밀도는 자장의 강도가 1000Amp/m에서 측정하는 B10의 값이 사용되 고, 철손은 주파수 50Hz에서 1.7 Tesla(테슬러)에서의 kg당 손실(Watt)로 나타내며, 자속밀도는 클수록, 철손은 작을수록 특성이 우수하다.

고스(N.P.Goss)에 의해 냉간압연법에 의한 방향성 전기강판 제조법이 발명된 이래 개량을 거듭하여 많은 진보가 있었다.

방향성 전기강판의 제조방법이 발명된 이래, 최근까지 거의 50여년간 방향성 전기강판의 제조는 슬라브를 분괴 또는 연주공정을 거쳐 슬라브로 만든 다음 슬라브를 열간압연을 위해 1400℃ 전후의 높은 온도로 재가열한 다음 열간압연을 하는 공정을 거쳤다.

그러나, 1960년대 말부터, 일본특허공보소46-937, 소46-4085, 소 46-26621등 일본의 고베제강이 슬라브 저온가열에 대한 특허를 출원하였고, 1980년대 초반부터 이를 개선한 특허들이(대한민국 특허공고 1996-63078, 1996-71517, 1997-53791, 1997-37247, 1997-28305, 1997-32747, 그리고 한국 공개특허 1989-13200, 1992-702728, 1990-016461) 다수 출원되어서 기술이 개량되었다.

즉, 기존의 고온슬라브 가열방식은 재료의 회수율이 낮고, 제조원가가 비싼 반면, 저온 슬라브 가열을 특징으로 하는 이들 방법은 재료의 회수율이 좋고, 후 공정에서도 재료의 손실이 매우 적으며, 열 원단위가 낮아서 제조원가를 절감할 수 있다.

방향성 전기강판은 통상 그 두께가 0.35mm이하로서 주로 변압기의 철심으로 사용되며, 제품에 적용시는 철심에 의한 에너지 손실(철손)을 줄이기 위해 여러 장을 적층하여 사용된다.

이때, 방향성 전기강판이 기존의 두께 0.35mm이하의 강판보다 두께가 두꺼우면서도 동일한 전자기적 특성을 가지게 되면, 방향성 전기강판의 생산성 향상으로 제조원가를 낮출 수 있으며, 이를 이용한 변압기 생산시에도 철심의 가공비가 낮아져 생산원가를 낮출 수 있는 장점이 있다.

그러나, 방향성 전기강판의 두께를 증가시키면, 방향성 전기강판의 가장 큰 장점인 압연방향으로의 낮은 철손 및 높은 자속밀도 특성이 열화되는 문제점이 있다.

이러한 자기특성의 열화는 2차재결정의 불안정과 두께의 제곱에 비례하여 증가하는 와전류손의 증가에 기인한다.

또한, 전기강판의 두께를 증가시키면, 1차재결정 소둔공정중에서 탄소 함량을 낮추는데 걸리는 시간이 길어지므로, 생산성이 현저히 낮아지며 이에 따라 제조원가가 높아진다.

방향성 전기강판에서 탄소는 안정적으로 우수한 자성을 얻는 데에 도움이 되는 원소이며, 일반적으로 슬라브에 0.045% 이상 함유되도록 제조한다.

이러한 탄소는 방향성 전기강판의 1차재결정 소둔공정중에서 강판중 함량이 30ppm 이하로 제거된다.

탄소가 충분히 제거되지 않은 방향성 전기강판으로 변압기등의 제품을 제조하는 경우, 자기시효를 유발하여 철심에서의 에너지 손실이 높아져, 에너지 효율이 현저히 낮아진다.

그동안, 저온슬라브 가열방식으로 두께가 기존의 0.35mm이하보다 두꺼우면서 도, 전자기적 특성이 양호한 방향성 전기강판을 제조하기 위한 연구가 진행되어 왔다.

대한민국 특허공보 특1998-045321에서는 저온슬라브 가열방식으로 1회냉연하여 후물 방향성 전기강판을 제조하는 방법을 제시하였으나, 기존의 두께가 0.35mm이하인 강판에 비해 자기특성이 열위하였으며, 소강탄소함량이 0.01% 이하인 경우에도 우수한 자기특성을 얻을 수 있음을 입증할 수는 없었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술이 갖는 한계성을 감안하여 이를 해결하고자 창출한 것으로, 소강탄소함량이 0.01%보다 낮은 경우에도 Sol.-Al 함량을 감안하여 탈탄소둔 온도를 적절히 제어함으로써 후물의 전기강판에서도 안정하게 2차재결정을 발달시켜 우수한 자기특성을 얻을 수 있는 두께가 두꺼운 저온 슬라브가열 방향성 전기강판의 제조방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다

본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 중량%로 C: 0.003~0.01%, Si: 2.0~4.0%, Mn: 0.05~0.5%, S: 0.002~0.015%, Sol.-Al: 0.01~0.05%, N: 0.003~0.012%, 잔부 Fe 및 불가피하게 함유되는 원소로 이루어진 슬라브를 1300℃이하의 온도에서 재가열하고 열간압연 후, 열연판소둔을 행한 다음, 0.36~0.6mm 의 최종두께로 냉간압연하고, 1차재결정소둔에서 탈탄과 질화를 동시에 행한 뒤, 소둔분리제를 도포하고, 이어 고온소둔 및 절연코팅을 하는 방향성 전기강판의 제조방법에 있어서; 산가용성 Al의 함량을 고려하여 1차재결정 소둔을 하기 관계식1을 만 족하는 온도(T) 범위로 1~20분간 시행하는 것을 특징으로 하는 두께가 두꺼운 방향성 전기강판의 제조방법을 제공한다.

[관계식1]

918-1,250 Al≤ T ≤975-1,000 Al

(T:1차재결정 소둔온도(℃), Al:산가용성 Al 함량(%), 0.01≤ Al ≤0.05)

이하에서는, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 도 1은 본 발명에 따라 우수한 자기특성을 얻을 수 있는 산가용성 알루미늄 함량과 1차재결정 소둔온도의 관계를 나타낸 그래프이다.

본 발명에서 사용되는 강 슬라브는 중량%로 C: 0.003~0.01%, Si: 2.0~4.0%, Mn: 0.05~0.5%, S: 0.002~0.015%, Sol.-Al: 0.01~0.05%, N: 0.003~0.012%, 잔부 Fe 및 불가피하게 함유되는 원소로 구성된다.

이때, 본 발명에 따른 상기 슬라브의 성분조성 및 그 한정사유는 다음과 같으며, 여기에서 단위 %는 모두 중량%를 의미한다.

[Si]

Si는 비저항치를 증가시켜 철손을 낮추는 역할을 하는 원소로서, 그 함량이 2.0%미만인 경우에는 철손특성이 나빠지고, 4.0% 보다 과잉 첨가되면 강이 취약해져 냉간압연성이 극히 나빠지므로, 2.0~4.0%로 첨가하는 것이 바람직하다.

[C]

C는 AlN석출물의 미세 고용 분산, 열간압연조직 균일화, 냉간압연시 가공에 너지 부여 등의 역할을 하는 원소로서, 이후 탈탄에 소요되는 시간을 최소화 하기 위하여 그 함량범위를 0.003~0.01%로 설정함이 바람직하다.

이는, 상기 C를 0.003% 미만으로 첨가하게 되면 슬라브가열시 결정립들이 조대하게 성장하여 고온소둔시 2차재결정의 발달이 불안정해지고, 0.01%를 초과하여 첨가하게 되면 탈탄소둔시 잔류탄소 함량을 30ppm 이하로 낮추기 위하여 장시간이 소요되므로 원가절감에 바람직하지 않다.

따라서, 상기 C는 0.003~0.01%로 제한함이 바람직하다.

[Mn]

Mn은 전기저항을 높여 철손을 높이는 효과가 있지만, 너무 많은 경우에는 자속밀도의 저하를초래하므로, 그 함량범위를 0.05~0.5%로 설정하는 것이 바람직하다.

[S]

S는 0.002% 미만으로 관리하려면 제강의 비용이 증가하고, 0.015%를 초과하면 MnS석출물이 형성되어 1차재결정립이 미세해져서 2차재결정의 발달에 불리하다.

따라서, 상기 S는 S: 0.002~0.015%로 제한함이 바람직하다.

[Sol.-Al]

산가용성 Al은 N과 함께 AlN의 석출물을 형성하여 입성장억제력을 확보하는 원소로서, 0.01% 미만이면 미세한 AlN이 석출하고, 0.05%를 초과하면 AlN이 지나치게 조대하여져 1차재결정립 성장의 억제효과가 없다.

따라서, 상기 산가용성 Al은 0.01~0.05%의 범위로 첨가됨이 바람직하다.

[N]

N은 0.003% 이상 0.012%이하로 하는 것이 바람직하다.

이는, N이 120ppm를 초과하면 압연성을 해치고 AlN이 조대해져 자성이 나빠진다.

이때, 그 원인은 정확히 알 수 없으나 N이 30ppm 이하이면 경험적으로 2차재결정이 불안정해진다.

따라서, 상기 N은 N: 0.003~0.012% 범위로 한정함이 바람직하다.

상기와 같은 조성의 강슬라브는, 바람직하게 열간압연성과 자기적특성 확보 측면을 고려하여 1150∼1300℃의 온도범위에서 재가열한 다음, 통상의 방법으로 열간압연한다.

이때, 열간압연판의 두께는 최종제품의 두께를 고려하여 냉간압연률이 79~91%의 범위에 포함되도록 함이 바람직하다.

열간압연 후 열연판소둔은 상온에서부터 가열하여 최고도달온도700~1200℃사이의 온도에서 10분이하로 유지한다.

이때, 700℃이하이면 열연판 미세조직이 불균일하여 자성이 나쁘고, 1100℃이상이면 석출물의 분포가 불균일하여 자성편차가 심하기 때문에 상기 온도범위로 한정함이 타당하다.

이후, 열연판소둔후 냉간압연을 실시하여 0.36~0.6mm 의 최종두께로 만든 다음 암모니아가스가 포함된 수소 및 질소의 습윤분위기하에서 탈탄소둔 및 질화를 겸하여 1차재결정소둔을 실시한다.

이때, 소둔온도는 Sol.-Al 함량을 고려하여 관계식1을 만족하는 범위내에서 행하며, 소둔시간은 잔류탄소량이 30ppm이하가 되도록 1~10분간이 적절하다.

소둔시간이 10분을 초과하는 경우 과도한 결정립 성장으로 2차재결정이 불안정해진다.

그 후, 소둔분리제를 슬러리 상태로 하여 코타롤로 도포하고 700℃이하의 온도에서 건조한 다음 권취하여 대형코일로 만든다.

상기 소둔분리제의 도포후에는, 최종 마무리 고온소둔을 실시하는데, 전 구간을 25% 이하의 질소함유 수소분위기로 하고 700∼1200℃구간의 승온율을 15℃/hr이상 유지하면서 1200±10℃의 온도에서 20시간 이상 균열한 후 냉각하는 식으로 행하는 것이 바람직하다.

그 후, 최종적으로 인산염, 콜로이달실리카 및 무수크롬산 등으로 구성된 코팅제를 도포한다.

본 발명은 0.36~0.6mm의 후물두께에서도 방향성이 우수한 2차재결정을 안정하게 일으킬 수 있도록, 1차재결정소둔시 소둔온도를 Sol.-Al함량에 따라 제어하는데 그 특징이 있다.

본 발명은 후물두께에서 탈탄이 쉽도록 소강탄소함량을 낮추었을 때, 방향성 전기강판의 자기특성이 Sol.-Al 및 1차재결정 소둔온도조건에 따라 크게 변화하는 것을 확인하고, 많은 실험을 행한 결과, 도 1에 보이는 바와 같이, Sol.-Al 함량에 따라 우수한 자기특성을 얻을 수 있는 1차재결정 소둔온도범위가 다르게 존재하는 것을 확인하였다.

상기 도 1로부터 얻은 우수한 자기특성을 얻을 수 있는 1차재결정 소둔온도의 상한과 하한을 하기한 관계식1로 나타내었다.

[관계식 1]

918-1,250 Al≤ T ≤975-1,000 Al

(T:1차재결정 소둔온도(℃), Al:산가용성 Al 함량(%), 0.01≤ Al ≤0.05)

상기 관계식1의 온도범위보다 낮은 온도에서는 1차재결정립의 크기가 작게 되어 고온소둔시 결정성장 구동력이 증가함으로써, 고스 방위 이외에도 자기특성이 좋지 않은 방위의 결정립들도 함께 성장하여 2차재결정 후 자기특성이 열위하다.

또한, 상기 관계식1의 온도범위보다 높은 온도에서는 1차재결정립이 과도하게 성장하여 고온소둔시 결정성장 구동력이 감소함으로써, 2차재결정이 불안정하여 자기특성이 급격히 열위해진다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

중량%로 C: 0.005%, Si: 3.2%, Mn: 0.1%, S: 0.006%, Sol.-Al: 0.01~0.05%, N: 0.007%, 잔부 Fe 및 불가피하게 함유되는 원소로 조성된 슬라브를 1150℃에서 저온재가열후, 4.0mm두께로 열간압연하였다.

이 열연판을 1100℃까지 가열한 후 900℃에서 90초간 유지한 후, 물에 급냉하고 산세한 뒤 최종두께 0.4mm로 냉간압연하였다.

1차재결정 소둔은 하기한 표 1에 보이는 바와 같이, 800~900℃사이의 온도에서 4분동안 실시하였으며, 수소와 질소가 혼합되고 암모니아가 소량 첨가된 습윤분 위기를 이용하여 탈탄과 질화를 동시에 처리하였다.

이 강판에 MgO를 코팅한 후 시간당 15℃의 속도로 1200℃까지 가열하는 고온소둔을 실시하였다.

그리고, 각각의 조건에 대하여 측정한 자기특성은 표 1과 같다.

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 같은 Sol.-Al 함량에서도 1차재결정온도가 관계식1의 범위에 들지 못하는 비교재들은 우수한 자기특성을 얻을 수 없음을 확인할 수 있었다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 통상보다 매우 낮은 소강탄소함량 범위에서도 Sol.-Al함량에 따라 적절한 온도범위의 1차재결정 소둔을 행함으로써, 안정적으로 2차재결정을 일으키는 동시에 탈탄 소요시간을 단축하여, 생산원가가 낮고 자기적 성질이 우수한 후물 방향성 전기강판을 제조할 수 있다.

Claims (1)

1. 중량%로 C: 0.003~0.01%, Si: 2.0~4.0%, Mn: 0.05~0.5%, S: 0.002~0.015%, Sol.-Al: 0.01~0.05%, N: 0.003~0.012%, 잔부 Fe 및 불가피하게 함유되는 원소로 이루어진 슬라브를 1300℃이하의 온도에서 재가열하고 열간압연 후, 열연판소둔을 행한 다음, 0.36~0.6mm 의 최종두께로 냉간압연하고, 1차재결정소둔에서 탈탄과 질화를 동시에 행한 뒤, 소둔분리제를 도포하고, 이어 고온소둔 및 절연코팅을 하는 방향성 전기강판의 제조방법에 있어서,

   산가용성 Al의 함량을 고려하여 1차재결정 소둔을 하기 관계식1을 만족하는 온도(T) 범위로 잔류탄소량이 30ppm이하가 되도록 1~20분간 시행하는 것을 특징으로 하는 두께가 두꺼운 방향성 전기강판의 제조방법.

   [관계식1]

   918-1,250 Al≤ T ≤975-1,000 Al

   (T:1차재결정 소둔온도(℃), Al:산가용성 Al 함량(%), 0.01≤ Al ≤0.05)

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