KR100779579B1 - 철손이 낮고 자속밀도가 높은 무방향성 전기강판의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철손이 낮고 자속밀도가 높은 무방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것으로서, 중량%로, C:0.005%이하, S :0.005%이하, N :0.005%이하, Si:1.5∼3.0%, Al:0.5~1.5%, Mn: 0.3~1.2%, P:0.03∼0.15%, Si+20*P < 4.5이고 나머지 Fe 및 기타 불순물로 조성된 강 슬라브를 1050∼1250℃온도에서 재가열하여 1.8~3.0mm두께로 열간압연하고 650∼800℃온도에서 권취한 다음, 900∼1050℃온도에서 열간압연판소둔 및 산세척 후 0.2~0.65mm두께로 1회 냉간압연하고, 900∼1100℃온도에서 30∼300초동안 재결정소둔하는 것을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 철손이 낮고 자속밀도가 높은 무방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것이다.

철손, 자속밀도, 무방향성 전기강판, 열간압연, core loss, magnetic flux density, nonoriented electrical steel, hot rolling

Description

철손이 낮고 자속밀도가 높은 무방향성 전기강판의 제조방법{Manufacturing method for non-oriented electrical steel sheet having low core loss and high magnetic flux density}

본 발명은 철손이 낮고 자속밀도가 높은 무방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세히는 중량%로, C:0.005%이하, S :0.005%이하, N :0.005%이하, Si:1.5∼3.0%, Al:0.5~1.5%, Mn: 0.3~1.2%, P:0.03∼0.15%, Si+20*P < 4.5이고 나머지 Fe 및 기타 불순물로 조성된 강 슬라브를 1050∼1250℃온도에서 재가열하여 1.8~3.0mm두께로 열간압연하고 650∼800℃온도에서 권취한 다음, 900∼1050℃온도에서 열간압연판소둔 및 산세척 후 0.2~0.65mm두께로 1회 냉간압연하고, 900∼1100℃온도에서 30∼300초동안 재결정소둔하는 것을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 철손이 낮고 자속밀도가 높은 무방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것이다.

무방향성 전기강판은 뛰어난 자기특성을 가지고 있으므로 각종 모터, 소형변압기, 안정기 등의 전기기기의 철심재료로 널리 사용되고 있으며, 수요가가 가공후 에 응력제거소둔을 반드시 실시해야만 하는 세미프로세스(Semi-Process) 제품과 수요가가 응력제거소둔을 할 필요가 없는 풀리프로세스(Fully-process) 제품으로 구분된다. 상기 세미프로세스 제품은 통상 제강→연속주조→슬라브 재가열→열간압연→권취→열연판소둔→냉간압연→소둔→경(Skin-Pass)압연→절연코팅의 제조공정으로 변형을 받은 상태로 출하되므로 수요가는 제품을 구입하여 원하는 형상으로 제품을 가공한 후에는 그 제품에 맞는 자기특성을 얻기 위하여 응력제거소둔을 실시해야한다. 한편, 풀리프로세스 제품은 제강→연속주조→슬라브 재가열→열간압연→권취→열연판소둔→냉간압연→재결정소둔→절연코팅의 제조공정을 통하여 변형이 해소된 상태로 출하되므로 수요가가 응력제거소둔을 하지 않고 사용할 수 있는 장점을 갖는다.

최근 에너지절약의 차원에서 전기기기의 효율을 높이고 소형화하려는 추세에 따라 철심재료인 전기강판에 있어서도 철손이 낮고 자속밀도가 높은 제품에 대한 수요가 점차 증가되고 있는 실정이다. 일반적으로 철손은 철심의 무게(㎏)당 전기적손실(Watt), 즉, 특정 자속밀도 및 주파수에서 발열 등으로 나타나는 전기에너지 손실로서 W/㎏으로 표시한다. 따라서, 철손이 낮은 철심 소재일수록 고효율 전기기기를 제작하는 데 바람직하다. 이에 고자속밀도와 저철손을 갖는 무방향성 전기강판을 제공하고자 다양한 방법이 제시되어 있다. 이중 미국특허 4,204,890호에는 Si, Al, Mn, Sb 등을 함유한 고자속밀도와 저철손 등 우수한 자기특성을 갖는 무방향성 전기강판의 제조방법이 제안되어 있다. 그러나, 이 무방향성 전기강판에는 자성의 향상을 위해 입계편석 원소로서 Sb를 첨가하게 되는데, Sb는 인체에 유해하여 사람이 직접 첨가해줄 수 없으므로 제강공정에서 별도의 첨가설비가 필요한 단점이 있다. 또한 Sb를 첨가하지 않으면 자기적 특성이 열화되는 단점이 있다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 풀리프로세스재 무방향성 전기강판의 경우에 Sb를 첨가하지 않고 적정 성분계를 설계하고 열간압연판소둔 및 재결정소둔시 강판의 균열온도를 적정온도에서 제어하여 재결정소둔 후 철손이 낮고 자속밀도가 높은 무방향성 전기강판을 제조하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 것으로서, 철손이 낮고 자속밀도가 높은 무방향성 전기강판의 제조방법에 있어서, 중량%로, C:0.005%이하, S :0.005%이하, N :0.005%이하, Si: 1.5∼3.0%, Al:0.5~1.5%, Mn:0.3~1.2%, P:0.03∼0.15%, Si+20*P < 4.5이고 나머지Fe 및 기타 불순물로 조성된 강 슬라브를 1050∼1250℃온도에서 재가열하여 1.8~3.0mm두께로 열간압연하고 650∼800℃온도에서 권취한 다음, 900∼1050℃온도에서 열연판소둔 및 산세척 후 0.2~0.65mm두께로 1회 냉간압연하고, 900∼1100℃온도에서 30∼300초동안 재결정소둔하는 것을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 열간압연은 800~950℃에서 마무리 압연을 행하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 냉간압연은 64~85%의 압하율로 1회 압연하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 구성을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명자들은 P을 적정량 첨가하고, 열간압연판소둔시의 균열온도 및 재결정소둔시의 균열온도를 동시에 제어함으로써 재결정소둔시 결정립 성장이 용이하게 되며, 자성에 유리한 집합조직이 발달하게 되어 철손이 낮고 자속밀도가 높은 무방향성 전기강판을 제조할 수 있음을 연구와 실험을 통해 확인하고 본 발명을 완성한 것이다.

본 발명은 크게 강 슬라브의 성분조성단계, 열간압연단계, 열간압연판소둔단계, 냉간압연단계 및 재결정소둔단계 로 분류된다. 각 단계별 공정조건을 제어하여 재결정소둔후 저철손 및 고자속밀도를 갖는 무방향성 전기강판을 제공하는데, 이하에서는 각 단계별로 상세히 설명한다.

[강슬라브 성분조성 단계]

강 슬라브 제조를 위한 성분조성단계 전에는 통상적으로 제강, 용강 및 조괴 또는 연속주조공정이 선행된다. 먼저 제강단계에서 용강내에 C, N, S의 함유량을 낮게 제어하고 Si, Al, Mn, P 등을 적정량 부가한다. 이어 용강을 조괴 또는 연속주조공정을 행함으로써 적정량의 성분을 함유한 강 슬라브를 제조한다. 본 발명의 슬라브강의 구성성분 중 C, N, S는 결정립성장을 방해하는 원소이므로 이미 제강단계에서 그 함유량을 낮게 제어하는 것이 필요하며, Si, Al, 및 Mn은 철손을 낮추고 동시에 자속밀도를 높이기 위해 적정 비율로 적정량 강내에 첨가하고, P은 재결정소둔시 결정립의의 집합조직을 바람직한 방향으로 형성시키기 위한 용도로 첨가한다. 그 조성범위 한정이유는 다음과 같다.

C: 0.005%이하

C는 과량 함유될 경우 본 발명의 전기강판 제조과정중에 탄화물(Carbide)을 형성하여 결정립 성장을 방해하며, 또한 전기기기의 철심으로 사용하는 중 자기시효를 일으켜서 자기적 특성을 저하시키는 경향이 있으므로 슬라브강내에 0.005% 이하의 조성을 갖도록 함유하는 것이 바람직하다.

N:0.005%이하

N은 본 발명의 강판 제조과정 중에 Al과 반응하여 AlN 석출물을 형성하여 입자성장을 억제시키는 경향이 있어 가능한한 최소량을 갖도록 하는 것이 바람직하므로 본 발명의 경우 0.005% 이하의 조성을 갖도록 함유하는 것이 바람직하다.

S:0.005%이하

상기 C 및 N과 더불어, S는 Mn과 반응하여 미세한 석출물인 MnS를 형성하여 결정립 성장을 억제시키는 경향이 있어 가능한한 최소량을 갖도록 하는 것이 중요하므로 본 발명의 경우 0.005% 이하의 조성을 갖도록 함유하는 것이 바람직하다.

Si: 1.5∼3.0%

Si의 함량이 1.5wt% 미만인 경우에는 강의 비저항이 작게 되어 철손특성이 열화되어 바람직하지 않으며, 3.0wt% 초과인 경우에는 우수한 자속밀도를 얻을 수 없을 뿐만 아니라 타발성이 열화되므로 수요가 금형마모율이 증가하여 좋지 않다.

Al: 0.5~1.5%

산가용성 Al은 0.5wt% 미만인 경우에는 강의 비저항이 작게 되어 철손특성이 열화되어 바람직하지 않으며, 1.5wt% 초과인 경우에는 냉간압연성을 해치게 되어 나쁘다.

Mn: 0.3~1.2%

Mn의 경우도 0.3wt% 미만인 경우에는 강의 비저항이 작게 되어 철손특성이 열화되어 바람직하지 않으며, 1.2wt% 초과인 경우에는 롤 하중이 증가하여 냉간압연성이 열화되므로 바람직하지 않다.

P: 0.03∼0.15%

제강중 강내에 첨가되는 P은 자기특성에 유해한 (111)면강도를 감소시키는 원소로서, 첨가량이 0.03wt% 미만인 경우 재결정소둔후 자속밀도개선 효과가 미미하며, 0.15wt% 초과인 경우에는 상승되는 효과가 없어 원재료비의 상승만을 초래하며 냉간압연성이 열화되므로 본 발명의 경우 P은 0.03∼0.15wt%의 양으로 첨가하는 것이 바람직하다.

Si+20*P < 4.5

각 성분의 함량을 만족하는 범위에서 Si과 P의 함량이 위식을 만족해야 한다. Si+20*P값이 4.5이상이면 재질의 경도가 높아서 냉간압연성이 열화되며 그리 인해 냉간압연시 재료내부에 응력이 집중되어 최종소둔시 자성에 불리한 {111}집합조직을 발달시킨다.

상기 성분외에 강내에는 Fe 및 기타 불가피한 불순물들이 함유되어 있다.

[열간압연단계]

상기 성분조성단계 이후 행하여지는 열간압연단계의 전처리과정으로서 상기 강 슬라브를 가열로에 장입하여 재가열하는데, 이때 슬라브 재가열 온도가 1050℃ 이하이면 슬라브가 지나치게 단단하여 열간압연이 용이하지 않으므로 열간압연이 용이하기 위해서는 강 슬라브의 재가열온도를 1050℃ 이상으로 하여야 한다. 또한 슬라브 재가열 온도가 1250℃를 넘으면AlN, MnS 등과 같은 철손특성에 해로운 석출물이 재용해되어 열간압연 후 미세한 석출물이 과도하게 발생하여 결정립 성장을 방해하고 철손특성을 열화시키므로 바람직하지 않다. 따라서, 본 발명의 경우1050∼1250℃ 온도로 가열하는 것이 좋다.

상기와 같이 가열하여 열간압연하는데, 그 조업조건은 통상의 방법에 따라 행해지며, 이때 열간압연판의 산화층이 과다하게 발생하지 않도록 하기 위해서는 마무리압연온도는 800∼950℃로 조절하는 것이 바람직하다. 열간압연판 두께는1.8mm 미만인 경우는 열간압연판 형상이 불량해지므로 바람직하지 않으며, 3.0mm를 초과하는 경우는 양호한 집합조직을 얻을 수 없어 자속밀도가 열화되므로 좋지 않다.

열간압연판 권취는 열간압연판에 산화층이 과도하게 발생되지 않도록 800℃ 이하의 온도에서 행하되 열간압연판의결정립 성장을 위해 650℃ 이상의 온도에서 행하는 것이 바람직하다. 이후 공기중에서 코일상태로 냉각하거나, 보다 바람직하게는 로냉한다.

[열간압연판소둔단계]

상기 열간압연판은 중심부의 연신립을 재결정시키고 강판두께방향으로 균일한 결정립분포가 얻어지도록 열간압연판소둔을 행한다. 이 때 소둔온도가 900℃미만의 경우에는 균일한 결정립분포가 얻어지지 않아 자속밀도 및 철손 개선효과가 미흡하게 되므로 바람직하지 않으며, 1050℃를 초과하는 경우에는 자성에 불리한 (111)면 집합조직이 증가하여 자속밀도가 열화된다.

[냉간압연단계]

상기 열간압연판소둔판은 산세 후 냉간압연 단계를 행한다. 이때 64%~85%의 압하율로 1회 냉간압연하는 것이 바람직하다. 64% 미만의 압하율로 압연하는 경우 압연 생산성이 감소하고 85%이상의 압하율로 압연하면 냉연판 내부에 응력이 많이 축적되어 소둔후 자성에 불리한 {111}면강도가 증가하여 자속밀도가 감소한다. 냉간압연 두께는 0.20mm미만인 경우 소둔후 자성에 불리한 집합조직인 (111)면 강도가 증가하여 자속밀도가 감소하므로 바람직하지 않으며, 0.65mm를 초과하는 경우에는 판두께의 증가에 따라 와전류손실(eddy current loss)이 증가하여 총 철손이 증가하게 되므로 좋지 않다.

[재결정소둔단계]

상기 방법에 따라 제조된 냉연판은 이어 행하여지는 재결정소둔단계에서, 소둔온도가 900℃보다 낮으면 재결정후 결정성장율이 저조하여 철손이 열화되며, 1100℃보다 높으면 결정성장의 잇점보다는 표면산화층 증가에 의한 폐해로 인하여 철손 및 자속밀도 특성이 열화하므로, 900∼1100℃온도에서 소둔시간은 30∼300초로 조절함이 바람직하다. 적정한 결정립 크기는 150㎛ 이상이 되어야 하는데, 30초 이하로 소둔하면 결정립이 150㎛ 이하로 성장하여 철손이 열화되고, 소둔 시간이 300초 이상이 되면 생산성이 저하되고, 내부적 응력이 발생하여 자성이 열화되므로 소둔 시간은 30~300초로 한다.

상기 재결정소둔단계에서 소둔한 강판은 경(Skin-Pass) 압연 단계를 거치지 않고 바로 유기질, 무기질 및 유무기복합피막으로 처리하거나 기타 절연가능한 피막제를 입혀 절연피막처리후 수요가로 출하되며, 수요가는 원하는 제품으로 타발한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예1]

하기 표 1과 같은 성분을 갖는 강슬라브를 제조하고, 이 강슬라브를 1160℃의 온도에서 가열하고 890℃의 마무리압연 온도조건으로 열간압연하여 2.0mm두께로 열간압연판을 만든 후, 700℃의 온도에서 권취후 공기중에서 냉각하였다. 냉각권취된 열간압연판은 1000℃에서 5분간 열간압연판 소둔을 행한 후 산세하고 이어서 0.35mm두께로 냉간압연한다음, 1000℃에서 100초간 재결정소둔하였다. 열연판소둔분위기는 공기였으나, 질소나 아르곤 등 불활성가스 분위기로 하여도 무방하다. 재결정소둔분위기는 수소 20%와 질소80%의 분위기였다. 재결정소둔판은 유무기복합의 절연피막을 입힌후 절단 후 자기특성 및 결정립도를 조사하고 그 결과를 하기 표2에 나타내었다. 이때, 철손, W15/50은 50Hz의 교류에서 철심에 1.5Tesla의 자속밀도를 유도하였을 때 열 등으로 소모되는 에너지 손실량이며, 자속밀도,B50은 5000A/m의 여자력에서 유기되는 값이며, 결정립도는 재결정소둔한 시편의 단면을 연마한 후 3% 나이탈(Nital)로 에칭하여 이미지 어넬라이저(Image Analyzer)로 측정하였다.

상기 표1 및 표2에 나타난 바와 같이, 발명재(1-6)가 비교재(1-10)에 비해 철손 및 자속밀도 특성이 우수함을 알 수 있었다. 구체적으로 설명하면, 비교재1,6,7은 C,S,N의 함유량이 본 발명범위 이상인 경우로 재결정소둔시 결정립 성장이 저조하여 우수한 철손특성이 얻어지지 않았으며, 비교재2는 Si의 함량이 본 발명범위 미만으로 첨가되었기 때문에 역시 우수한 철손특성이 얻어지지 않은 반면, 비교재3은 Si이 본 발명범위를 초과하여 첨가된 경우로 철손특성은 우수하나 자속밀도가 열등하였다. 또한 Al 및 Mn이 각각 본 발명범위 미만으로 첨가된 비교재4, 비교재5의 경우도 우수한 철손특성이 얻어지지 않았다. 비교재8은 P첨가량이 본 발명범위 미만으로 첨가된 경우로 집합조직이 열화된 결과로 우수한 자속밀도 및 철손특성이 얻어지지 않았다. 비교재9는 P이 본 발명범위 초과하는 경우로 철손이 우수하나 냉간압연성이 열위하였으며 {111}면강도 저감에 의한 집합조직개선 효과가 더 이상 나타나지 않았다. 비교재 10은 Si+20*P 값이 4.5이상으로 냉간압연성이 열위하였으며 자속밀도가 열등하였다.

본 발명의 성분 및 열간압연 조건 제어로 인해 냉연후 최종소둔시 자성에 불리한 {111}집합조직의 핵생성을 억제하여 자기적 성질이 우수한 무방향성 전기강판을 제조할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 철손이 낮고 및 자속밀도가 높은 무방향성 전기강판을 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 중량%로, C:0.005%이하, S :0.005%이하, N :0.005%이하, Si: 1.5∼3.0%, Al:0.5~1.5%, Mn: 0.3~1.2%, P:0.03~0.15, Si+20*P < 4.5이고 나머지 Fe 및 기타 불순물로 조성된 강 슬라브를 1050∼1250℃온도에서 재가열하여 1.8~3.0mm두께로 열간압연하고 650∼800℃온도에서 권취한 다음, 900∼1050℃온도에서 열연판소둔 및 산세척 후 0.2~0.65mm두께로 냉간압연하고, 900∼1100℃온도에서 30∼300초동안 재결정소둔하는 것을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 철손이 낮고 자속밀도가 높은 무방향성 전기강판의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 열간압연은 800~950℃에서 마무리 압연을 행하는 것을 특징으로 하는 철손이 낮고 자속밀도가 높은 무방향성 전기강판의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 냉간압연은 64%~85%의 압하율로 1회 압연하는 것을 특징으로 하는 철손이 낮고 자속밀도가 높은 무방향성 전기강판의 제조방법.