KR101110244B1 - 소둔로 구조변경에 의한 철손하향 방향성 전기강판 제조방법 - Google Patents

소둔로 구조변경에 의한 철손하향 방향성 전기강판 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 변압기, 전동기, 발전기 및 기타 전자기기 등의 철심 재료로 사용되는 방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 1차재결정을 일으키는 소둔로의 구조변경에 의해 철손 하향된 제품을 만들 수 있는 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 중량%로, C: 0.03?0.095% , Si: 2.5?4.0%, Mn: 0.1?0.25%, P: 0.03%이하(0%는 제외), S: 0.008% 이하(0%는 제외), Al: 0.02?0.05% 이하, N: 0.01% 이하(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 방향성 전기강판 슬라브를 1190℃ 이하의 온도로 재가열한 후 열간압연하고, 600?640℃로 권취한 뒤, 1000?1150℃의 온도에서 열연판 소둔하고, 산세한 다음, 1회 냉간압연을 실시한 다음, 830℃초과 910℃미만의 온도에서 냉연판을 소둔로에서 재로시간 2?4분간 1차 소둔하며, 상기 소둔로 내의 조정대를 사용하여 철손을 안정화시키며, 그 다음 MgO 코팅을 실시하고 최종 마무리 고온소둔한 다음 잔류 MgO를 제거하고 절연코팅을 실시하는 소둔로 구조변경에 의한 철손하향 방향성 전기강판 제조방법에 관한 것이다.
방향성 전기강판, 소둔로, 조정대

Description

소둔로 구조변경에 의한 철손하향 방향성 전기강판 제조방법{Method for grain-oriented electrical steel sheet with a low iron loss by changing the structure of the annealing furnace}
본 발명은 변압기, 전동기, 발전기 및 기타 전자기기 등의 철심 재료로 사용되는 방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 1차재결정을 일으키는 소둔로의 구조변경에 의해 철손이 하향조정된 제품을 만드는 제조방법에 관한 것이다.
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.
방향성 전기강판은 자속밀도와 철손이 뛰어난 것이 요구되고 있다. 자속밀도는 자장의 강도가 1,000Amp/m에서 측정하는 B10의 값이 사용되고 철손은 주파수 50Hz에서 1.7 Tesla(테슬러)에서의 kg당 손실(Watt)로 나타낸다. 자속밀도는 클수록, 철손은 작을수록 특성이 우수하다.
N.P.Goss에 의해 냉간압연법에 의한 방향성 전기강판 제조법이 발명된 이래 개량을 거듭하여 많은 진보가 있었다. 방향성 전기강판의 제조방법이 발명된 이래, 방향성 전기강판의 연구의 역사는 철손저감 노력의 역사라 해도 과언이 아니다. 주요한 개선내용을 보면, 제품의 두께를 얇게 하고, 성분에 첨가원소를 다양하게 한다든가 또는, 제품에 레이저를 조사하여 자구를 미세하게 하는 방법 등이 있다. 이러한 모든 방법들은 제조원가를 높이고, 작업자들의 노력을 많이 필요로 하는 것들이다.
한편, 방향성 전기강판의 철손을 낮추기 위해서, 와류손실과 이력손실을 낮추고 있다. 와류손실을 감소시키기 위해서, 성분면에서는 비저항을 증가시키는 규소(Si)와 알류미늄(Al)의 함량을 증대하는 방법이 있고, 제품의 두께를 얇게 하는 방법이 있다. 또한 모든 방향성 전기강판 제품에서는 층간 절연성을 확보하기 위해 베이스코팅(Base Coating)을 하고, 이 위에 절연코팅을 하게 되는데 이중 베이스코팅은 강판 표면위에 얇은 유리 필름을 형성시켜 절연성 확보에 크게 기여를 하게 된다. 참고로, 이력손실을 낮추기 위해서는 강판의 재질특성인 결정립크기를 크게 성장시키거나 청정도를 향상시키는 방법 등이 사용되고 있다.
철손을 낮추기 위해서 여러가지 방법들이 행해지고 있는데 방향성 전기강판 제품은 타 제품과는 달리 2회에 걸쳐서 소둔하는 것이 일반적이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 1차 재결정 소둔로의 구조를 종전과 다르게 변경함으로써 기존에 생산했던 제품보다 철손이 개선된 제품을 얻을 수 있게 하는 데 그 목적이 있다.
본 발명은 승온대와 일정하게 온도를 유지시켜 주는 균열대에 이어서 중간대를 신설하여 열의 많고 적음을 조절할 수 있게 하여 각 온도에 따른 철손의 영향을 연구하여 최적 조건을 찾아냄으로써 종전보다 철손이 개선된 제품의 전기강판을 제조할 수 있는 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 중량%로, C: 0.03?0.095% , Si: 2.5?4.0%, Mn: 0.1?0.25%, P: 0.03%이하(0%는 제외), S: 0.008% 이하(0%는 제외), Al: 0.02?0.05% 이하, N: 0.01% 이하(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 방향성 전기강판 슬라브를 1190℃ 이하의 온도로 재가열한 후 열간압연하고, 600?640℃로 권취한 뒤, 1000?1150℃의 온도에서 열연판 소둔하고, 산세한 다음, 1회 냉간압연을 실시한 다음, 830℃초과 910℃미만의 온도에서 냉연판을 소둔로에서 재로시간 2?4분간 1차 소둔하며, 상기 소둔로 내의 조정대를 사용하여 철손을 안정화시키며, 그 다음 MgO 코팅을 실시하고 최종 마무리 고온소둔한 다음 잔류 MgO를 제거하고 절연코팅을 실시하는 소둔로 구조변경에 의한 철손하향 방향성 전기강판 제조방법에 관한 것이다.
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이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
우선 성분의 한정이유에 대하여 설명한다.
탄소(C)는 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 증 가하면 이보다 약간 높은 C의 양이 요구되므로 0.030%이상을 필요로 한다. C은 최종제품에 남아있게 되면 자기시효를 일으켜 변압기 등의 전기기기의 특성을 열화시키는 원소이므로, 최종제품에서는0.003%이하로 엄격히 관리되고 있다. 따라서 방향성 전기강판의 제조에는 탈탄공정이 반드시 들어가게 된다. 그러나 함량이 너무 많아 조대한 탄화물이 생성되면 탄소의 제거가 어려워지므로 0.03~0.095%로 하는 것이 바람직하다.
규소(Si)는 강의 비저항을 높여 주어 철손 특성을 현저하게 개선하는 원소로, 방향성 전기강판의 제조에 반드시 들어가는 원소이다. 그 첨가량은 여러가지 제한 요소에 의해 결정된다. 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. 2.5% 미만인 경우에는 그 첨가효과가 미미하여 큰 의미가 없게 되므로, 상기한 Si함량은 2.5~4.0%로 설정하는 것이 바람직하다.
황(S)은 편석이 심한 원소로 열간작업성을 위하여는 가능한 한 함유되지 않도록 하는 것이 바람직한데, 제강 시 탈S공정을 거쳐 극저S로 하기 위해서는 공정에 추가비용이 들게 된다. 따라서 불순물로 함유되는 정도의 S양을 지니고 있어도 무방하다. 그러나 S의 함량이 0.008%를 넘으면 강중에 포함되어 있는 Mn과 반응하여 MnS로 되어 1차재결정립을 작게 할 우려가 있으므로, S는 0.008%이하로 하는 것이 바람직하다.
알루미늄(Al)은 소강단계에서 함유되어 질화소둔시 강중으로 들어온 질소와 결합하여 AlN으로 되어 억제제의 역할을 하는 원소이다. 일반적으로 산가용성 Al은 0.03% 정도에서 가장 적절한 AlN을 형성하는 것으로 알려져 있다. Al의 함량이 0.02%미만으로 되면 형성된 AlN의 양이 작아 억제제로서의 역할이 미미하며, 0.05%를 초과하게 되면 AlN의 크기가 조대해져서 억제력이 작아지게 된다. 따라서 Al의 함량은 0.02~0.05%로 설정하는 것이 바람직하다.
망간(Mn)은 전기저항을 높여주고 철손을 낮추는 효과가 있는 성분으로써, 그 함량이 너무 많은 경우에는 자속밀도의 저하를 초래하므로, Mn의 함량은 0.1~0.25%로 선정하는 것이 바람직하다.
질소(N)는 불순물로 함유되는 질소의 양을 고려할 때 소강중에서 완전히 제거할 수는 없다. 또한 본 방법에서는 질화알루미늄(AlN)을 형성하는데 필요한 질소는 질화과정에서 넣어주게 되므로 소강의 질소는 억제제로 이용되는 AlN의 형성에 관여하지 않게 된다. 그러나 불순물로 존재하는 질소가 많으면 Al과 반응하기 쉬우므로 질화 후에 반응할 Al의 양을 적게 한다. 그리고 제강 시 질소를 극저로 낮추려면 공정이 추가되어야 한다. 따라서, 제강에서 쉽게 제어할 수 있는 질소량이 0.005%수준임을 고려해 볼 때, 질소는0.01%이하로 선정하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 조성된 강슬라브는, 바람직하게는 열간압연성과 자기적특성 확보 측면을 고려하여 1190℃이하의 온도범위에서 재가열한 다음, 열간압연하여 2.0～2.3mm두께의 열연판을 만든다.
그 후, 동시 탈탄질화처리를 실시하는데, 암모니아가스가 포함된 수소 및 질소의 습한 분위기하에서 830℃초과 910℃미만의 온도범위 내에서 실시하는 것이 바람직하다. 탈탄과 질화를 겸한 1차재결정 소둔온도가 830℃이하이거나 910℃ 이상이면 적정 1차재결정 집합조직의 형성에 방해가 되어 자성이 좋지 않다. 소둔로 내에 조정대를 설치하여 조정대 내에서 철손의 하향조정을 하고, 조정대의 온도는 830?880℃가 바람직하다.
그 후, 소둔분리제를 슬러리 상태로 하여 코타롤로 도포하고 700℃이하의 온도에서 건조한 다음 권취하여 대형코일로 만든다.
상기 소둔분리제의 도포 후에는, 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.
이하, 본 발명을 야금학적으로 설명하면 다음과 같다.
전기강판은 압연 후 1차 재결정립 성장을 위해 소둔을 실시하며 소둔로 내의 분위기를 습한 질소+수소의 혼합가스로 하여 830℃초과 910℃미만의 온도로 탈탄을 하고, 건조한 수소+질소분위기에 암모니아를 투입하여 910℃ 미만의 온도에서 질화소둔을 행한다. 질화소둔 과정에서 질소가 강판의 내부로 들어가 (Si,Mn)N, Si3N4같은 질화물이 형성된다. 이들 질화물은 최종 소둔과정에서 (Si,Al)N으로 변화되어 억제제로 이용된다.
탈탄과 질화를 동시에 행하는 방법은 소둔로 내의 분위기를 습한 수소+질소의 혼합분위기에 건조한 소량의 암모니아 가스를 투입시켜서 830℃초과 910℃미만의 온도로 행한다. 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.
1차재결정의 입도는 소둔온도, 소둔시간에 의해 결정된다. 탈탄을 우선적으로 행하는 경우에는 탈탄소둔의 온도와 시간에 의해 1차재결정립의 입도가 결정되고, 후속되는 질화소둔에 의해서 1차재결정립의 크기는 거의 변화하지 않게 된다. 이는 질화소둔 온도가 탈탄소둔 온도에 비하여 낮기 때문이다. 그러나 탈탄과 질화를 동시에 행할 경우, 소둔 온도와 시간 이외에 조정대에 의해서도 1차재결정립의 입도가 변하게 된다.
우수한 자기특성을 얻기 위해서는 2차재결정에 의해 압연방향으로 110[001]방위의 결정립을 발달시켜야 한다. 이는 적절한 1차재결정립의 크기와 질화량에 의해서 결정된다. 고온가열을 이용하는 기존의 제조법은 AlN의 완전용체화, 열간압연 등을 통하여 석출된 질화물이 탈탄소둔후의 1차재결정 입도를 결정한다. 그리고 저온가열하여 불완전 용체화를 하는 방법은 일부 고용된 석출물이 재석출하여 1차재결정 입도에 영향을 주게 된다.
그러나 본 발명의 방법은 1차소둔시 조정대의 역할에 의해 1차재결정 입도에 영향을 주어 최종 자성이 향상되게 하는 것이다. 이 경우는 소둔온도, 시간 질화량에 의한 영향보다 조정대의 역할이 1차재결정의 입도에 크게 작용하는 것을 실시예를 통하여 확인할 수 있었다.
따라서 본 발명은 조정대의 온도를 적절히 조정함으로써 종전보다 우수한 자기특성을 얻을 수 있는 조건을 결정한 것이다.
소둔로는 승온대(RHS), 균열대(Soak Section), 냉각대(Cooling Section)로 크게 나누어져 구성되어 있다.
승온대(RHS)는 버너를 이용하여 로 안에 열원을 공급해 주는 곳으로 도시가스 및 COG가 주로 사용되고 있다. 균열대(Soak Section)는 저항열을 이용하여 온도를 균일하게 유지시켜주는 역할을 하게 된다. 마지막으로 냉각대(Cooling Section)는 판을 상온과 비슷한 온도로 낮춰주는 역할을 하게 된다.
본 발명에서는 균열대와 냉각대의 사이에 조정대를 신설하여 여기에서 1차 재결정립을 적절하게 제어해 줌으로써 철손을 개선시킬 수가 있는 것이다.
통상적인 소둔로는 승온대(RHS) 45m, 균열대(Soak Section) 85m, 냉각대(Cooling Section) 50m이나, 본 발명의 일실시예에서는 승온대 40m, 균열대 150m, 조정대 15m, 냉각대 80m로 하여 균열대와 냉각대의 사이에 조정대를 15m 정도 설치한다.
특히, 이 조정대는 2개의 구역으로 분리하여 설치될 수도 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
[실시예 1]
중량%로, C: 0.046%, Si: 3.16%, Mn: 0.10%, S: 0.007%, Sol-Al: 0.028%, N: 0.0069%를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 원소로 이루어진 강을 이용하여, 1,190℃에서 2시간30분 재가열한 후 열간압연하여 판 두께가 2.3mm인 열연판을 얻었다.
이 열연판을 1,110℃에서 2분간 열연판 소둔한 후 냉각하여 산세한 후, 0.30mm로 냉간압연하였다. 냉간압연된 판에 대하여, 각각830, 870, 910℃로 유지된 로에 노점 62℃인 50%수소+50%질소의 혼합가스 분위기에서 3분간 균열하여 탈탄소둔을 행하였다. 탈탄소둔 후 질화소둔을 실시하여 최종 190ppm을 목표로 하였다. 이 강판에 소둔분리제인 MgO를 도포하여 2차재결정을 일으키기 위 고온소둔을 행하였다. 고온소둔은 25%수소+75%질소분위기에서 15℃/hr의 승온속도로 1,195℃까지 가열한 후, 100%수소분위기에서 12시간 유지한 다음 로냉하였다. 자기특성은 주파수 50Hz에서 1.7 Tesla(테슬러)에서의 철손과 1,000A/m의 자장에서 유도되는 자속밀도(B10)를 측정하였다.
[표 1]
탈탄소둔온도
(℃)		 조정대 온도
(℃)		 평균 결정립
㎛		 철손(W17/50)
W/kg		 자속밀도
(B10), Tesla		 종합
830 800 13.5 1.48 1.71 ×
830 15.9 1.37 1.83 ×
860 17.2 1.29 1.86 ×
880 19.5 1.27 1.88 ×
870 800 20.2 1.23 1.89 ×
830 22.5 1.19 1.91 ○
860 24.0 1.17 1.92 ○
880 26.5 1.15 1.94 ○
910 800 27.3 1.28 1.86 ×
830 31.7 1.32 1.84 ×
860 36.9 1.36 1.83 ×
880 39.8 1.40 1.79 ×

표 1에서 보면, 탈탄온도가 870℃일 때의 철손이 다른 조건에 비해 양호하 며, 조정대의 온도가 880℃일 때 가장 자기특성이 우수한 실적을 보이고 있다. 철손과 마찬가지로 자속밀도도 상기 조건에서 대부분이 1.90Tesla 이상인 것을 알 수 있다. 탈탄온도가 830℃나 910℃일 때 결정립의 크기가 너무 작거나 지나치게 큼을 알 수 있었고 이에 따라 철손 및 자속밀도가 저조하게 됨을 위 실시예로부터 확인할 수 있었다. 또한 탈탄온도가 870℃일 때 조정대의 온도는 830~880℃일 때의 철손이 800℃일 때보다 양호한 것을 알 수 있다. 이는 1차 재결정립이 다소 작은데 기인한다고 할 수 있다.
[실시예 2]
중량%로, C:0.046%, Si:3.16%, Mn:0.10%, S:0.007%, Sol.Al:0.028%, N:0.0069%를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 원소로 이루어진 강을 이용하여, 1,190℃에서 2시간 30분 재가열한 후 열간압연하여 판 두께가 2.3mm인 열연판을 얻었다.
이 열연판을 1,110℃에서 2분간 열연판 소둔한 후 냉각하여 산세한 후, 0.30mm로 냉간압연하였다. 냉간압연된 판에 대하여, 각각 870℃로 유지된 로에 노점 62℃인 50%수소+50%질소의 혼합가스 분위기에서 탈탄소둔을 행하였다. 탈탄소둔 후 질화소둔을 실시하여 최종 190ppm을 목표로 하였다. 시험로에서는 조정대의 온도를 880℃로 유지하였다. 이 강판에 소둔분리제인 MgO를 도포하여 2차재결정을 일으키기 위한 고온소둔을 행하였다. 고온소둔은 25%수소+75%질소분위기에서 15℃/hr의 승온속도로 1,195℃까지 가열한 후, 100%수소분위기에서 12시간 유지한 다음 로냉하였다. 자기특성은 주파수 50Hz에서 1.7 Tesla(테슬러)에서의 철손과 1,000A/m 의 자장 하에서 유도되는 자속밀도(B10)를 측정하였다.
[표 2]
구분 재로시간
(분)		 평균결정립,
㎛		 철손(W17/50)
W/kg		 자속밀도
(B10), Tesla		 비고
종전
소둔로		 2 15.7 1.40 1.78 ×
3 19.1 1.28 1.83 ×
4 21.3 1.25 1.87 ×
발명
소둔로		 2 22.5 1.15 1.92 ○
3 25.1 1.13 1.94 ○
4 28.6 1.16 1.90 ○

표 2에서 보는 것처럼 종전 소둔로와 발명 소둔로에서 재로시간을 변경하면서 시험한 결과 종전 소둔로에서의 평균결정립의 크기가 작았으며 이에 따라 철손 및 자속밀도가 발명 소둔로재 대비 열위하였다. 실시예 1에서와 마찬가지로 발명 소둔로에서의 결정립 크기는 22?28㎛ 사이를 유지하고 있었다. 재로시간이 4분인 경우는 다른 경우 대비 약간 열위한 실적을 보이고 있다. 이것은 재로시간 과다에 의한 결정립 크기의 증가에 의한 철손열위를 가져왔다고 볼 수 있다.
이상에서 보면, 조정대의 역할이 크게 작용하는 것을 알 수 있으며, 조정대를 사용함으로써 결정립 크기가 일정하게 조정될 뿐만 아니라 철손 또한 기존 소둔로재 대비 개선되는 것을 알 수 있었다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 압연후 1차재결정 형성을 위한 소둔로에서 조정대를 설치 사용함으로써 1차 재결정립 크기도 일정하게 유지하면서 우수한 자기특성을 확보할 수 있다.

Claims (3)

  1. 중량%로, C: 0.03?0.095% , Si: 2.5?4.0%, Mn: 0.1?0.25%, P: 0.03%이하(0%는 제외), S: 0.008% 이하(0%는 제외), Al: 0.02?0.05% 이하, N: 0.01% 이하(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 방향성 전기강판 슬라브를 1190℃ 이하의 온도로 재가열한 후 열간압연하고, 600?640℃로 권취한 뒤, 1000?1150℃의 온도에서 열연판 소둔하고, 산세한 다음, 1회 냉간압연을 실시한 다음, 830℃초과 910℃미만의 온도에서 냉연판을 소둔로에서 재로시간 2?4분간 1차 소둔하며, 상기 소둔로 내의 조정대를 사용하여 철손을 안정화시키며, 그 다음 MgO 코팅을 실시하고 최종 마무리 고온소둔한 다음 잔류 MgO를 제거하고 절연코팅을 실시하는 소둔로 구조변경에 의한 철손하향 방향성 전기강판 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소둔로 내의 조정대의 온도는 830?880℃인 것을 특징으로 하는 소둔로 구조변경에 의한 철손하향 방향성 전기강판 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 최종 마무리 고온소둔은 전 구간을 25% 이하의 질소함유 수소분위기로 하고 700～1200℃구간의 승온율을 15℃/hr이상 유지하면서 1200±10℃의 온도에서 20시간 이상 균열한 후 냉각하는 것을 특징으로 하는 소둔로 구조변경에 의한 철손하향 방향성 전기강판 제조방법.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS6283421A (ja) 1985-10-04 1987-04-16 Sumitomo Metal Ind Ltd 方向性電磁鋼板の製造方法
KR20010060750A (ko) * 1999-12-28 2001-07-07 이구택 타발성이 우수한 방향성전기강판의 제조방법
KR100435456B1 (ko) * 1999-11-30 2004-06-10 주식회사 포스코 글라스피막이 없는 저온재가열 방향성 전기강판의 제조방법

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