KR101103449B1 - 고효율 무방향성 전기 강판 제조 방법 - Google Patents

고효율 무방향성 전기 강판 제조 방법 Download PDF

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Abstract

강판 내 규소 함량을 3% 이상으로 증가시켜 저철손을 나타낼 수 있는 고효율 무방향성 전기 강판을 제조하는 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 고효율 무방향성 전기 강판 제조 방법은 (a) 납작한 형태의 페로실리콘(이하, Fe-Si) 파우더를 형성하는 단계; (b) 상기 Fe-Si 파우더를 규소 강판 상에 도포하는 단계; 및 (c) 상기 Fe-Si 파우더가 도포된 규소 강판을 냉간 압연하는 단계; (d) 열처리를 통하여 상기 Fe-Si 파우더를 상기 규소 강판 내부로 침투시켜, 상기 규소 강판 내 규소 함량을 증가시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고효율 무방향성 전기 강판 제조 방법 {METHOD OF MANUFACTURING NON-ORIENTED ELECTRICAL STEEL SHEET}
본 발명은 소형 전동기나 소형 전원 변압기용 철심 재료로 주로 사용되는 무방향성 전기 강판 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 규소 함량을 3% 이상으로 증가시켜, 전기 강판의 효율을 높일 수 있는 고효율 무방향성 전기 강판 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 무방향성 전기 강판에 관한 것이다.
전기 강판(Electrical steel sheet)은 규소(Si)가 3중량% 정도 첨가된 강판으로, 일반적인 강판에 비하여 규소의 함량이 매우 높아 규소 강판이라고도 한다.
전기 강판은 자기 특성에 따라서 방향성 전기 강판과 무방향성 전기 강판으로 나눌 수 있다.
방향성 전기 강판(oriented electrical steel sheet)은 강판의 압연방향으로 자화가 용이하도록 제조하여 압연방향으로 특히 우수한 자기 특성을 가지므로, 저 철손, 고투자율이 요구되는 대형, 중소형 변압기의 철심으로 주로 사용된다.
이에 반하여, 무방향성 전기 강판(non-oriented electrical steel sheet)은 강판의 방향에 관계없이 균일한 자기특성을 가지므로, 소형 전동기나 소형 전원 변압기용 철심 재료로 널리 사용되고 있다.
최근 에너지절약의 차원에서 전기기기의 효율을 높이고 소형화하려는 추세에 따라, 무방향성 전기 강판에 있어서도 철손을 최대한 낮추기 위한 연구가 진행되고 있다.
여기서, 철손이라 함은 철심의 무게당 전기적 손실(W/Kg)을 의미하며, 철손이 낮을수록 전기 강판의 전기적 효율이 높아진다.
일반적으로 규소의 함량이 증가할수록 비저항이 증가하여 철손이 낮아지고, 철손이 낮아짐에 따라서 고효율의 무방향성 전기 강판의 생산이 가능한 것으로 알려져 있다.
그러나, 규소의 함량이 전기 강판 전체 조성의 3중량%를 초과하여 첨가될 경우, 강판은 취성(brittleness)을 가지게 되어, 냉간 압연이 거의 불가능하다.
따라서, 제강단계에서 규소의 함량은 전기 강판 전체 조성의 3중량%를 초과하지 않는 것이 바람직하다.
이를 대체하기 위하여, 규소 대신에 알루미늄(Al)을 제강 단계에서 전기 강판에 첨가하고 있으나, 그 효과적인 측면에서 한계가 있다.
본 발명의 목적은 냉간 압연 직전에 페로실리콘(Fe-Si)을 규소 강판 상에 도포한 후, 냉간 압연 후 열처리를 통하여 강판 내부에 침규시켜, 강판 내 규소 함량을 3% 이상으로 증가시킬 수 있는 고효율 무방향성 전기 강판 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 제조 방법에 의해 제조된 저철손 고효율 무방향성 전기 강판을 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고효율 무방향성 전기 강판 제조 방법은 (a) 납작한 형태의 페로실리콘(이하, Fe-Si) 파우더를 형성하는 단계; (b) 상기 Fe-Si 파우더를 규소 강판 상에 도포하는 단계; (c) 상기 Fe-Si 파우더가 도포된 규소 강판을 냉간 압연하는 단계; 및 (d) 열처리를 통하여 상기 Fe-Si 파우더를 상기 규소 강판 내부로 침투시켜, 상기 규소 강판 내 규소 함량을 증가시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 열처리는 800~1,000℃의 온도에서, 10~60분 동안 진행될 수 있다.
또한, 상기 (a) 단계는 구형 또는 각형의 Fe-Si 파우더를 볼 밀(Ball Mill)하여 납작한 형상의 Fe-Si 파우더로 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 고효율 무방향성 전기 강판 제조 방법은 냉간 압연이 가능한 3중량% 이하의 규소 강판을 이용하여 냉간 압연이 가능하도록 하며, 또한 냉간 압연 직전에 납작한 형태의 페로실리콘(Fe-Si) 파우더를 도포하고, 이를 냉간 압연 후 열처리 과정에서 강판 내에 침규시킴으로써, 전기 강판 내 규소의 함량을 3중량% 이상으로 증가시킬 수 있다. 따라서, 높은 규소 함량을 함유할 수 있으므로, 저철손을 통한 고효율의 무방향성 전기 강판 생산이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 고효율 무방향성 전기 강판 제조 방법은 납작한 형상의 Fe-Si 파우더를 사용함으로써 냉간 압연시 압연 롤과 규소 강판의 손상을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 고효율 무방향성 전기 강판 제조 방법은 냉간 압연 후 침규를 위한 열처리 시간에 따라서 표면에 규소 함량이 높은 전기 강판이나 전체적으로 균일한 규소 함량을 갖는 전기 강판을 선택적으로 제조할 수 있는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 고효율 무방향성 전기 강판 제조 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.
그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 고효율 무방향성 전기 강판 제조 방법의 일실시예를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 도시된 무방향성 전기 강판 제조 방법은 납작한 형태의 Fe-Si 파우더 형성 단계(S110), Fe-Si 파우더 도포 단계(S120), 냉간 압연 단계(S130) 및 침규 단계(S140)를 포함한다.
납작한 형태의 Fe-Si 파우더 형성 단계(S110)에서는 규칙적 혹은 불규칙적으로 구형 또는 각형을 갖는 페로실리콘(이하, Fe-Si)을 가공하여 납작한 형태의 파우더로 형성한다.
본 단계에서 납작한 형태의 Fe-Si 파우더를 제작하는 이유는 구형이나 각형의 Fe-Si 파우더를 그대로 도포한 상태에서 냉간 압연을 진행하게 되면, 강판과 압연 롤에 손상을 주기 때문이다. 따라서, 납작한 형상의 Fe-Si 파우더를 사용하여 냉간 압연시 압연 롤과 강판의 손상을 최소화할 수 있다.
또한, 납작한 형상의 Fe-Si는 강판과 접촉 면적을 크게 하면서, 또한 얇고 균일한 두께로 규소 강판 상에 도포될 수 있다.
납작한 형태의 Fe-Si 파우더는 수평 중심 직경이 100 ~ 300마이크로미터(㎛)이고, 두께가 30 ~ 70㎛인 것이 이용될 수 있다. Fe-Si 파우더의 수평 중심 직경이 300마이크로미터를 초과하는 경우 압연 롤에 손상을 줄 수 있는 문제점이 있고, 100마이크로미터 미만일 경우 면적이 적어 강판에 부착력이 감소하는 문제점이 있다.
또한 Fe-Si 파우더의 두께가 30마이크로미터 미만이면 냉간압연 시 Fe-Si 파우더의 변형량이 적어 부착력이 감소하며, Fe-Si 파우더의 두께가 100마이크로 미터를 초과하면 냉간 압연시 압연 롤과 규소 강판을 손상시킬 수 있다.
납작한 형태의 Fe-Si 파우더는 여러 가지 방법으로 제작할 수 있으나, 균일한 두께의 Fe-Si 파우더를 쉽게 제작할 수 있는 볼 밀(Ball Mill) 방법이 가장 바람직하다.
도 2는 납작한 형상의 Fe-Si 파우더를 제조하기 위한 볼밀 장치의 예를 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 볼밀 장치는 볼 자(Ball Jar, 210)와 볼(220)을 포함한다.
볼 자(210)는 원통형의 형상을 가지며, 수평축을 기준으로 회전한다. 볼 자(210)는 지르코니아(ZrO2), 알루미나(Al2O3), 스테인리스 스틸 등의 재질로 형성 될 수 있다. 볼(220)은 볼 자(210) 내에 복수개로 배치되며, 그 재질은 볼 자(210)와 마찬가지로 지르코니아, 알루미나, 스테인리스 스틸 등의 재질로 형성될 수 있다.
볼 자(210) 내에는 규칙적 혹은 불규칙적으로 구형 또는 각형을 갖는 Fe-Si 파우더가 투입된다. 볼 자(210)가 회전하면, 원심력에 의하여 Fe-Si 파우더는 볼 자(210)의 내측벽에 집중되며, 내부에서 운동하는 볼(220)과 계속적으로 접촉하여 납작한 형태의 Fe-Si 파우더(230)로 형상이 변화된다.
이때, 볼 자(210)의 회전 속도는 50~100RPM인 것이 바람직하다. 볼 자(210)의 회전 속도가 50RPM 미만일 경우에는 볼(220)의 운동량이 적어 Fe-Si 파우더의 형상 변화에 영향을 미치기 어려우며, 볼 자(210)의 회전 속도가 100RPM을 초과할 경우에는 볼(220)의 운동량이 지나치게 크게 되어 Fe-Si 파우더가 분쇄되면서 목표로 하는 사이즈보다 작은 사이즈의 또 다른 구형의 Fe-Si 파우더를 형성하게 되어 바람직하지 못하다.
볼 밀은 용매를 사용하지 않을 수 있으며, 대기 분위기에서 대략 24~48시간 동안 지속될 수 있다. 또한 볼 밀은 고온에서 진행할 경우 마찰열에 의해서 산화가 발생할 수 있으므로, 10~40℃ 정도의 실온에서 진행될 수 있다.
Fe-Si 파우더 도포 단계(S120)에서는 냉간 압연 직전에 납작한 형태의 Fe-Si 파우더를 규소 강판 상에 도포한다. Fe-Si 파우더의 도포는 균일한 도포에 유리한 닥터 블레이드법을 제시할 수 있으나, 이에 제한되지 않고 파우더 도포에 이용되는 여러 방법이 이용될 수 있다.
냉간 압연 단계(S130)에서는 상기 Fe-Si 파우더가 도포된 규소 강판을 압연 롤에 통과시켜 냉간 압연한다. 이때, 냉간 압연의 압하율은 90% 초과를 제시할 수 있으나, 이 경우 압하율이 너무 높아, 강판 표면에 도포된 Fe-Si 파우더에 의하여 압연 롤과 규소 강판이 손상될 수 있다.
따라서, 압연 효율과 제조되는 전기 강판의 품질 등을 고려할 때, 본 단계에서 냉간 압연의 압하율은 70~90%인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 고효율 무방향성 전기 강판을 제조하기 위하여 적용되는 규소 강판은 규소(Si)가 강판 전체 조성의 2.8~3.0중량% 포함된 것을 이용하는 것이 바람직하다. 규소의 함량이 강판 전체의 2.8중량% 미만일 경우 후술하는 침규에 의하여도 규소 함량을 높이는 데 한계가 있다.
또한, 규소는 강판의 비저항을 증가시켜 철손을 낮추는데 유효한 성분이지만지만, 그 함량이 강판 전체 조성의 3.0중량%를 초과할 경우, 강판의 취성이 증가하여 냉간 압연시 강판이 깨지기 쉬운 문제점이 발생한다.
침규 단계(S140)에서는 냉간 압연된 규소 강판을 열처리 장치 내로 투입하여, 열처리를 통하여 Fe-Si 파우더를 규소 강판 내부로 침투시킨다.
Fe-Si 파우더가 규소 강판 내부로 침투될 경우, 규소 강판의 표면이나 혹은 규소 강판 전체적인 측면에서 보았을 때, 규소 강판 내에 상대적으로 규소의 함량 이 증가하게 된다.
널리 알려진 바와 같이, 무방향성 전기 강판에서 규소의 함유량이 클 경우 저철손이 가능하며, 전기적으로 고효율의 무방향성 전기 강판 혹은 철심 등의 제품의 생산이 가능하다.
이때, 본 단계(S140)에서 열처리는 800~1,000℃의 온도에서 진행될 수 있다. 열처리 온도가 800℃ 미만일 경우 침규 효율이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 열처리 온도는 보다 높은 것이 바람직하다. 그러나, 열처리 온도가 1,000℃를 초과하는 경우 침규 효율은 높일 수 있으나 열처리 비용이 그만큼 많이 소요되는 문제점이 있다.
또한, 상기 열처리 온도 범위에서, 열처리 시간은 10~60분 동안 진행되는 것이 바람직하다. 열처리 시간이 10분 미만일 경우, 침규에 소요되는 시간이 짧아 충분히 침규가 이루어지지 않는 문제점이 있다. 또한 열처리 시간이 60분을 초과할 경우에는 열처리 비용이 상승할 뿐이다.
한편, 열처리 시간이 10~20분 정도로 상대적으로 짧은 경우, 표면부에는 규소 함량이 높고, 전기 강판의 중심부에는 규소 함량이 상대적으로 낮은 전기 강판의 제조가 가능하다.
반대로, 열처리 시간이 50~60분 정도로 상대적으로 긴 경우, 전기 강판의 표면부와 중심부에서 균일한 규소의 함량을 갖는 전기 강판의 제조가 가능하다.
또한, 열처리는 수소 가스 분위기에서 진행될 수 있다.
도 3은 냉간 압연과 열처리를 통하여 Fe-Si 파우더가 규소 강판 내로 침투하는 침규 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 냉간 압연 직전, t1의 두께를 갖는 규소 강판(301) 상에는 납작한 Fe-Si 파우더(302)가 도포된다.
규소 강판(301)은 한 쌍의 압연 롤(310a,310b)의 회전에 의하여 압연롤(310a,310b) 쪽으로 이송되고, 압연 롤(310a,310b)을 통과하면서 미리 정해진 압하율로 압하되어 t2의 두께를 갖는다. 또한, 냉간 압연 과정에서 도포되어 있는 Fe-Si 파우더(302)가 규소 강판(301)에 밀착되게 된다.
냉간 압연이 이루어진 후, 열처리를 실시하면 밀착된 Fe-Si 파우더(302)가 규소 강판(301) 내로 침규하게 되고, 규소 강판(301) 내부의 전체적인 규소 함량이 증가된다.
따라서, 고규소 함량을 통하여 저철손을 이룰 수 있고, 이를 통하여 고효율의 전기 강판을 제조할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고효율 무방향성 전기 강판 제조 방법은 냉간 압연이 가능한 최대 3중량%의 규소 강판을 이용하여 냉간 압연이 가능하도록 한다.
또한 본 발명에 따른 고효율 무방향성 전기 강판 제조 방법은 냉간 압연 직전에 납작한 형태의 Fe-Si 파우더를 도포하고, 이를 열처리를 통하여 강판 내에 침규시킴으로써, 전기 강판 내 규소의 함량을 3% 이상으로 증가시킬 수 있다. 따라 서, 높은 규소 함량을 함유할 수 있으므로, 저철손을 통한 고효율의 무방향성 전기 강판 생산이 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 고효율 무방향성 전기 강판 제조 방법의 일실시예를 나타낸 것이다.
도 2는 납작한 형상의 Fe-Si 파우더를 제조하기 위한 볼밀 장치의 예를 나타낸 것이다.
도 3은 냉간 압연과 열처리를 통하여 Fe-Si 파우더가 규소 강판 내로 침투하는 침규 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.

Claims (10)

  1. (a) 납작한 형태의 페로실리콘(이하, Fe-Si) 파우더를 형성하는 단계;
    (b) 상기 Fe-Si 파우더를 규소 강판 상에 도포하는 단계; 및
    (c) 상기 Fe-Si 파우더가 도포된 규소 강판을 냉간 압연하는 단계;
    (d) 열처리를 통하여 상기 Fe-Si 파우더를 상기 규소 강판 내부로 침투시켜, 상기 규소 강판 내 규소 함량을 증가시키는 단계;를 포함하며,
    상기 (a) 단계는 구형 또는 각형의 Fe-Si 파우더를 볼 밀(Ball Mill)하여 납작한 형상의 Fe-Si 파우더로 형성하는 것을 특징으로 하는 고효율 무방향성 전기 강판 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 규소 강판은 규소(Si)가 2.8~3.0중량% 포함된 것을 이용하는 것을 특징으로 하는 고효율 무방향성 전기 강판 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열처리는 800~1,000℃의 온도에서 진행되는 것을 특징으로 하는 고효율 무방향성 전기 강판 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열처리는 10~60분 동안 진행되는 것을 특징으로 하는 고효율 무방향성 전기 강판 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열처리는 수소 가스 분위기에서 진행되는 것을 특징으로 하는 고효율 무방향성 전기 강판 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계는 70~90%의 압하율로 냉간 압연하는 것을 특징으로 하는 고효율 무방향성 전기 강판 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 납작한 형태의 Fe-Si 파우더는 수평 중심 직경이 100 ~ 300 ㎛이고, 두께가 30 ~ 70㎛인 것을 특징으로 하는 고효율 무방향성 전기 강판 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 볼 밀은 볼 자(Ball Jar)를 50~100RPM의 속도로 회전시켜 진행하는 것을 특징으로 하는 고효율 무방향성 전기 강판 제조 방법.
  10. 삭제
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