KR101110250B1 - 단시간 저온 열연판소둔이 가능한 방향성 전기강판의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중량%로, C: 0.02?0.05%, Si: 2.9～3.4%, Mn: 0.05～0.2%, sol-Al: 0.027?0.04%, N: 0.002?0.01%, P: 0.015～0.035%, S: 0.004～0.010%로 이루어지는 슬라브를 1150?1200℃로 재가열하고, 열간압연하여 열연판 두께를 2.0?2.30mm로 한 후, 650℃ 이상에서 권취한 다음, 열간압연판 소둔을 700?1100℃의 온도에서 2분 이하로 실시하고, 냉간압연하여 최종 두께로 한 다음 840℃?910℃에서 1차 재결정을 겸한 탈탄 및 질화소둔 처리를 동시 또는 분리 처리한 다음, MgO를 주성분으로 하는 소둔분리제를 도포하고 최종 마무리 고온소둔한 후 코팅제를 도포하는 공정을 포함하는 방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것이다.

전기강판, 열연판 소둔, 권취

Description

단시간 저온 열연판소둔이 가능한 방향성 전기강판의 제조방법{Method for grain-oriented electrical steel sheet with a short hot band annealing time}

도 1은 열연판 소둔을 생략한 시편(a)과 열연판 소둔을 실시한 시편(b)(c)의 고온소둔후의 조직을 나타낸 그림,

도 2는 열연판 소둔을 실시한 시편과 열연판 소둔을 생략했을 때의 1차 재결정 조직을 나타낸 그림,

도 3은 탄소와 sol-Al 함량에 따른 자속밀도의 변화를 나타낸 그림,

도 4는 sol-Al 함량별로 AlN 석출물의 분포를 나타낸 그림,

도 5는 1차 재결정 온도가 855℃일 때 권취 온도와 열연판 소둔 온도에 따른 자속밀도의 변화를 나타낸 그림,

도 6은 열연판 소둔 온도가 1000℃일 때, 권취 온도와 1차 재결정 온도와의 관계를 나타낸 그림,

도 7은 권취 온도 700℃일 때 자속밀도의 변화를 나타낸 그림,

도 8은 열연판 소둔 시간과 1차 재결정 온도에 따른 자속밀도의 변화를 나타낸 그림.

본 발명은 변압기, 전동기, 발전기 및 기타 전자기기 등의 철심 재료로 사용되는 방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 열간압연조건을 제어하여 열연판 소둔 공정을 생략할 수 있는 제조방법에 관한 것이다.

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

방향성 전기강판은 우수한 자속밀도와 뛰어난 철손특성이 요구되고 있는데, 자속밀도는 자장의 강도가 1000Amp/m에서 측정하는 B10의 값이 사용되고 철손은 주파수 50Hz에서 1.7 Tesla(테슬러)에서의 kg당 손실(Watt)로 나타낸다. 자속밀도는 클수록, 철손은 작을수록 자기적 특성이 우수한 것이다.

N.P.Goss에 의해 냉간압연법에 의한 방향성 전기강판 제조법이 발명된 이래 개량을 거듭하여 많은 진보가 있었다. 방향성 전기강판의 제조방법이 발명된 이래, 최근까지 거의 50여년간 방향성 전기강판의 제조는 분괴 또는 연주공정을 거쳐 슬라브로 만든 다음 슬라브를 열간압연을 위해 1400℃ 전후의 높은 온도로 재가열하고 열간압연을 하는 공정을 거쳤다. 그러나, 1960년대 말부터, 일본특허공보 소46-937, 소46-4085, 소 46-26621 등 일본의 고베제강이 슬라브 저온가열에 대한 특허를 출원하였고, 1980년대 초반부터 이를 개선한 특허들(대한민국 특허공고 1996-63078, 1996-71517, 1997-53791, 1997-37247, 1997-28305, 1997-32747, 그리고 한국 공개특허 1989-13200, 1992-702728, 1990-016461)이 다수 출원되어서 기술이 비 약적으로 발전하고 있다.

즉, 기존의 고온 슬라브 가열방식은 재료의 회수율이 낮고, 제조원가가 비싼 반면, 저온 슬라브 가열을 특징으로 하는 이들 방법은 재료의 회수율이 좋고, 후 공정에서도 재료의 손실이 매우 적은 장점이 있고, 고온의 열간압연을 필요로 하지 않아서 열 원단위가 낮아 제조원가를 획기적으로 절감할 수 있다.

그러나 고온 슬라브 가열이건 저온 슬라브 가열이건 간에, 통상 열간압연 후 조직의 불균일을 해소하고, 석출물을 미세하게 석출 분산시킬 목적으로 열연판 소둔(혹은 예비소둔이라고도 부름)을 반드시 실시하고 있다.

그러나 열연판 소둔은 다량의 열에너지를 소비하고 있고, 방향성 전기강판을 위한 공장을 신증설할 경우에는 반드시 열연판 소둔로를 건설해야 하므로 막대한 투자비가 소요된다. 따라서 본 발명에서 저온 슬라브 가열을 기본으로 하면서 열연판 소둔을 간략하게 하여 생산성을 향상시킬 수 있는 제조방법을 제시하고자 한다.

방향성 전기강판에서 열연판 소둔을 생략하는 방법에 대해서 대한민국 특허공보 특1994-0008934에서 제시한 바와 같이 열간압연 후 600℃이하에서 권취하여 열연판 소둔을 생략할 수 있다고 주장하고 있으나 저온 권취하게 되면 판의 기계적 강도가 증가하여 냉간압연 생산성이 좋지 않게 되는 결함이 있다. 대한민국특허공보 특0139247에서는 조질 열간압연의 압하율과 Al과 N의 양에 따른 열간압연 온도의 조절 등을 통하여 열간압연을 생략하는 제조방법을 제시하고 있다. 그러나 제조방법이 아주 까다로울 뿐만 아니라, 슬라브의 성분에 따라서 제조방법을 유연하게 바꾸어야 하므로 실제 적용 시 생산성이 저하되는 단점이 있다. 일본특허공보 2878501에는 Al(%)-27/14N(5)>0.0100 이상으로 Al과 N을 관리하여 열연판 소둔공정의 생략을 시도하고 있으나 이 기술만으로는 AlN 석출물을 제대로 제어하기가 힘들다.

이와 같이 방향성 전기강판의 제조방법에 있어서, 열연판 소둔을 생략할 수는 있으나 공정관리가 매우 어렵고 편차가 많이 발생한다. 특히 열연판 소둔을 생략하면 열연코일의 길이방향으로 열간압연 시 온도편차에 의한 영향이 극대화되어 코일 길이방향으로 자성편차가 심해진다. 따라서, 열연판 소둔을 완전히 생략하지 않고 열처리를 간략히 하고, 생산속도를 증가시켜서 자성편차 없이 생산성을 향상시키는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에서는 슬라브 저온가열 기술을 바탕으로 하면서 열연판 소둔을 간략하게 하여 생산성을 향상시킬 수 있는 방향성 전기강판 제조방법을 제시하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명자는 실험을 통해 다음과 같은 사실을 발견하였다.

열연판 소둔을 생략하거나 간략하게 하면 2차 재결정이 불안정해져 자성이 악화된다. 도 1은 온도를 달리하여 열연판 소둔을 실시한 시편과 열연판 소둔을 생략했을 때의 시편의 고온 소둔 후의 조직을 나타내는 그림이다. 열연판 소둔을 통상온도인 1100℃에서 실시한 시편(c)에서는 2차 재결정 조직이 잘 발달되어 있으나 이보다 낮은 온도인 1000℃에서 실시한 시편(b)은 부분적으로 2차 재결정이 잘 발달하지 않을 때 발생하는 미세립을 많이 관찰할 수 있고, 열연판 소둔을 생략한 시 편(a)은 시편전체에서 2차 재결정이 잘 발달되지 않은 모습을 볼 수 있다.

열연판 소둔의 생략에 의해 자성이 나빠지게 되는 것은 1차 재결정립 크기가 미세해지고 집합조직의 발달이 2차 재결정에 불리하게 형성되는 것으로 밝혀졌다. 고온슬라브 가열에 의한 방향성 전기강판의 제조방법에서는 석출물에 의한 1차 재결정립 성장억제력이 강하므로 1차 재결정립의 크기가 작을수록 2차 재결정에 유리하다. 그러나 저온슬라브 가열방법은 질소를 열간압연 후에 강판에 주입하는 방법을 택하기 때문에 1차 재결정립의 입성장 억제력이 약하다. 통상 20?30μm 정도의 1차 재결정 직경을 가지는 것이 자성에 가장 좋은 것으로 알려져 있다. 그런데 열연판 소둔을 생략한 시편은 5?15μm 정도 1차 재결정립이 작아지는 것을 발견하였다(도 2). 도 2의 (a)는 열연판 소둔을 실시한 시편이며, (b)는 열연판 소둔을 생략한 시편이다.

1차 재결정립의 크기가 작아지면 2차 재결정 온도가 낮아져 고스집합조직의 선택적 2차 재결정 성장이 방해를 받는다. 또한, 열간압연을 생략하면 110<001>강도가 감소하여 2차 재결정의 핵은 줄어들고 <001>축이 압연방향으로부터 벗어난 결정립이 2차 재결정되어 결과적으로 자성이 좋지 않게 된다.

열연판 소둔을 생략하는 대신 열연판 소둔을 저온에서 고속으로 실시하면 원가를 대폭적으로 절감할 수 있으면서 생략시 발생하는 문제점을 해결할 수 있다. 단순히 소둔을 간략히 하는 것으로는 열연판 생략 시 일어나는 문제점을 완전히 해결할 수 없다.

본 발명에서는 저온 고속 열연판 소둔에 알맞은 새로운 성분계를 사용하고, 공정조건을 바꾸어서 자성저하를 해결하고자 한다.

이하 본 발명의 구성에 대해 설명한다.

이하, 본 발명의 강 성분 및 제조조건에 대하여 설명한다.

본 발명에서 규소(Si)는 비저항치를 증가시켜 철손을 낮추는 역할을 하는 원소로서, 그 함량이 2.9%미만인 경우에는 철손특성이 나빠지고, 3.4%보다 과잉 첨가되면 강이 취약해져 냉간압연성이 극히 나빠지므로, 2.9?3.4%로 첨가하는 것이 바람직하다.

탄소(C)는 AlN석출물의 미세 고용 분산, 압연조직형성, 냉간압연시 가공에너지 부여 등의 역할을 하는 원소로서, 이후 탈탄공정을 고려하여 그 함량범위를 0.02?0.05%로 설정하였다. 0.02%이하이면 최종제품의 중심부분에 미세결정립이 형성되어 자기적 성질이 나빠지고, 0.05%이상이면 본 발명과 같이 간략한 열연판 소둔시 미세한 AlN이 형성되고 1차 재결정립이 미세해져서 집합조직형성이 자성에 나쁘게 된다.

망간(Mn)은 재가열시 석출물의 고용온도를 낮추며, 열간압연시 소재 양 끝부분에 생성되는 크랙을 방지의 역할을 하는 원소로서, 이와 같은 작용효과를 얻기 위해서는 0.05%이상 첨가되어야 한다. 그러나, 과잉 첨가되면 Mn산화물을 형성하여 철손을 악화하므로, 그 함량범위는 0.05?0.2%로 설정하는 것이 바람직하다.

산 가용성 알루미늄(Al)은 질소(N)와 함께 AlN의 석출물을 형성하여 입성장 억제력을 확보하는 원소로서, 무게 함량의 곱을 관리하는 것이 자성에 효과적이다. 산가용성 Al이 0.027%이하이면 미세한 AlN이 석출하고 0.04%이상이면 AlN이 지나치게 조대하여져 1차 재결정립 억제 효과가 없다.

질소(N)의 양은 20?100ppm으로 하는 것이 바람직하다. N의 양이 100ppm이상이면 압연성을 해치고 AlN이 조대해져 자성이 나빠진다. 정확한 원인은 불명확하나 N의 양이 20ppm이하이면 경험적으로 2차재결정이 일어나지 않는다.

인(P)은 1차 재결정의 입성장을 억제하는데 부분적으로 유용한 원소로서, 0.015～0.035%첨가하는 것이 효과적이다. 0.015%이하이면 효과가 없고, 0.035%이상이면 취성이 증가하여 압연성을 해친다.

황(S)은 0.001～0.010%로 하는 것이 바람직한데, 0.001%이하로 관리하려면 제강의 비용이 증가하고, 0.01%이상이면 MnS석출물이 형성되어 1차 재결정립이 미세해져서 2차 재결정의 발달에 불리하다.

상기와 같이 조성된 강슬라브는, 바람직하게는 열간압연성과 자기적 특성 확보 측면을 고려하여 1150～1200℃의 온도범위에서 재가열한 다음, 열간압연하여 2.0～3.0mm두께의 열연판을 만든다. 열간압연판의 두께는 최종제품의 두께와 관련이 있는데 제품 두께가 두꺼울수록 열연판의 두께도 두꺼워야 한다.

열간압연 후 권취 온도는 650℃ 이상의 온도에서 실시하는데 650℃이하이면 열간압연 미세조직이 불균하여 자성에 나쁘다.

열연판 소둔은 상온에서부터 가열하여 최고도달온도 700?1100℃사이의 온도에서 2분 이하로 유지한다. 700℃이하이면 열연판 미세조직이 불균일하여 자성이 나쁘고, 1100℃이상이면 석출물의 분포가 불균일하여 자성편차가 심하다.

열연판 소둔 후 냉간압연을 실시하여 최종두께로 만든 다음 암모니아가스가 포함된 수소 및 질소의 습윤 분위기 하에서 탈탄소둔 및 질화를 겸하여 1차 재결정 소둔을 실시한다. 본 발명자들의 실험결과에 의하면 840℃ 이하이면 자성이 좋지 않은 것으로 나타났으며, 910℃이상이면 2차 재결정이 일어나지 않아서 좋지 않다.

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.

본 발명의 성분계는 통상 저온슬라브 가열 방식의 방향성 전기강판 제조법보다 sol-Al함량이 높고 탄소함량이 낮다. 열연판 소둔의 생략 대신 간략한 열연판 소둔을 실시하더라도 AlN의 미세석출을 완전히 방지할 수 없으므로 통상 sol-Al 성분계는 0.025?0.030%인데 비해 0.027?0.04%로 sol-Al함량을 높이고 탄소함량도 통상 성분계의 0.05?0.06%보다 낮은 0.02?0.05%로 낮추어서 AlN석출물의 미세분포를 방지하였다. sol-Al함량을 높인 것은 sol-Al 함량이 높을수록 AlN의 조대화가 이루어지기 때문이다. 탄소함량은 방향성 전기강판의 성분계에서 900?1400℃ 고온영역에서 오스테나이트 형성을 조장한다. 오스테나이트 상은 고온에서 AlN 용해도 적이 페라이트 상보다 크다. 따라서, 고온영역에서 오스테나이트 상의 증가는 AlN의 미세 석출을 조장하므로 탄소함량을 의도적으로 감소시켰다.

통상 방향성 전기강판의 제조법에서는 열간압연 후 코일상으로 권취할 때, 600℃ 이하의 저온 권취를 실시한다. 이 이유는 저온 권취로 조대한 탄화물의 생성을 억제시켜서 냉간압연 시 미세한 탄화물이나 고용탄소를 이용하여 집합조직을 개선하기 때문이다. 통상 조대한 탄화물은 600?700℃에서 생성되기 때문이다. 그러나 간략한 열연판 소둔을 적용할 때는 열연판 미세조직이 열연판 소둔에서 균일해지는 기회가 상실되므로, 650?850℃ 고온권취로 간략한 열연판 소둔에 의한 자성저하를 보완해주는 편이 훨씬 유리하다. 이에 대한 자세한 실험결과는 실시예에서 설명한다.

간략한 열연판 소둔에 의해 생기는 미세한 석출물의 분포를 방지하는 또 다른 방법으로는 1차 재결정 소둔을 840?910℃로 제한하는 것이 좋다. 이러한 온도범위는 통상의 1차 재결정 온도 보다 높다. 본 발명자들의 실험결과에 의하면 840℃ 이하이면 자성이 좋지 않은 것으로 나타났다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

표 1에서 나타낸 성분으로 조성된 슬라브를 1150℃의 저온재가열후, 2.3mm두께로 열간압연하였다. 열간압연은 930℃에 종료하고 권취온도는 700℃로 하였다. 이 때 열연판 소둔을 1000℃에서 1분간 실시하였다. 열연판 소둔 후 냉간압연하여 최종두께인 0.30mm 두께로 하였다. 탈탄 및 질화소둔은880℃ 에서 3분간 암모니아 가 포함된 수소 질소의 습윤분위기에서 탈탄과 질화를 동시에 하는 소둔처리를 하였다. MgO를 코팅한 후 시간당 15℃의 속도로 1200℃까지 가열하는 고온소둔을 실시하였다. 탄소와 sol-Al함량에 따른 자속밀도의 변화를 도 3에 나타냈다. 자속밀도는 자계의 세기가 1000 amp*turns/m일 때의 값 B10(Tesla)로 나타내었다. Sol-Al이 0.029?0.037%이고, 탄소함량이 0.032?0.043% 일 때 자속밀도 값이 가장 높았다. 이는 앞에서도 설명한 바와 같이 AlN 석출물 분포와 깊은 관련이 있다. 도 4에는 sol-Al함량별로 AlN 석출물의 분포를 나타냈다. 강의 성분 내에 sol-Al이 증가함에 따라 AlN 석출물의 크기가 증가하는 것을 알 수 있다.

[표 1]

Ch No.	Si	Mn	Cr	Sn	S-Al	P	C	N	S
1	3.24	0.097	0.056	0.053	0.028	0.020	0.043	0.0073	0.007
2	3.20	0.097	0.053	0.053	0.022	0.020	0.040	0.0075	0.007
3	3.22	0.098	0.054	0.052	0.034	0.020	0.041	0.0069	0.007
4	3.29	0.101	0.054	0.053	0.032	0.021	0.040	0.0048	0.007
5	3.22	0.100	0.052	0.053	0.029	0.021	0.031	0.0067	0.007
6	3.18	0.096	0.054	0.053	0.027	0.020	0.055	0.0064	0.007
7	3.25	0.100	0.053	0.054	0.042	0.021	0.042	0.0067	0.007
8	3.19	0.103	0.053	0.052	0.033	0.021	0.040	0.0070	0.007
9	3.21	0.101	0.052	0.052	0.038	0.021	0.039	0.0063	0.007

[실시예 2]

중량%로, Si: 3.2%, P: 0.015%, S: 0.007%, Mn: 0.01%, sol-Al: 0.031%, N: 0.0073%, C: 0.043%를 함유한 강을 1150℃로 슬라브 가열 후 2.3mm 두께로 열간압연하였다. 열간압연은 930℃에서 종료하였다. 권취 온도와 열연판 소둔 온도를 반응표면분석법을 이용하여 표 2와 같이 변화시켰다. 열연판소둔은 표 2의 각 온도에 서 1분 실시하였고, 1차 재결정 온도는 탈탄 및 질화소둔을 겸하여 3분 실시하였다.

[표 2]

권취온도	670	730	670	730	670	730	670	730	650	750	700	700	700	700	700
열연판 소둔온도	950	950	1050	1050	950	950	1050	1050	1000	1000	916	1084	1000	1000	1000
1차 재결정 온도	840	840	840	840	870	870	870	870	855	855	855	855	830	880	855

도 5, 도 6, 도 7에 위의 세가지 변수에 대한 자속밀도의 변화를 나타냈다.

도 5에 1차 재결정 온도가 855℃일 때 권취 온도와 열연판 소둔 온도에 따른 자속밀도의 변화를 나타냈다. 권취 온도는 700℃, 열연판 소둔 온도는 1010℃ 부근이 가장 우수하였다.

도 6은 열연판 소둔 온도가 1000℃일 때, 권취 온도와 1차 재결정 온도와의 관계를 나타냈다. 권취 온도 700℃에서 1차 재결정 온도가 증가할수록 자속밀도 값이 우수하였다.

도 7은 권취 온도가 700℃일 때 자속밀도의 변화를 나타내었는데 열연판 소둔 온도 1020℃에서 1차 재결정 온도가 증가할수록 자속밀도가 우수함을 알 수 있다. 종합하면 권취 온도는 700℃부근, 열연판 소둔 온도는 1000℃부근에서, 그리고 1차 재결정 온도는 표 2의 범위 내에서는 소둔 온도가 높을수록 우수한 자성을 보였다. 1차 재결정 온도가 증가하면 자속밀도 값이 증가하지만 어느 한계 이상에서 는 자속밀도 값이 급격히 감소한다.

[실시예 3]

실시예 2의 성분계로 최적의 1차 재결정 온도 범위를 조사하기 위하여 권취 온도 700℃, 열연판 소둔 온도 1000℃에서 열연판 소둔 시간과 1차재결정 온도를 변화시켰다. 도 8에 열연판 소둔 시간과 1차 재결정 온도에 따른 자속밀도의 변화를 나타냈다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의하면, 방향성 전기강판을 열간 압연판 소둔 시간을 짧게 하여 생산원가를 크게 낮추면서, 공정을 복잡하게 제어하지 않고도 안정적인 자기적 성질을 확보할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 중량%로, C: 0.02?0.05%, Si: 2.9～3.4%, Mn: 0.05～0.2%, sol-Al: 0.027?0.04%, N: 0.002?0.01%, P: 0.015～0.035%, S: 0.004～0.010%로 이루어지는 슬라브를 1150?1200℃로 재가열하고, 열간압연하여 열연판 두께를 2.0?2.30mm로 한 후, 650℃ 이상에서 권취한 다음, 열간압연판 소둔을 700?1100℃의 온도에서 2분 이하로 실시하고, 냉간압연하여 최종 두께로 한 다음 840℃?910℃에서 1차 재결정을 겸한 탈탄 및 질화소둔 처리를 동시 또는 분리 처리한 다음, MgO를 주성분으로 하는 소둔분리제를 도포하고 최종 마무리 고온소둔한 후 코팅제를 도포하는 공정을 포함하는 단시간 저온 열연판소둔이 가능한 방향성 전기강판의 제조방법.
2. 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 균열하는 것을 특징으로 하는 단시간 저온 열연판소둔이 가능한 방향성 전기강판의 제조방법.

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