KR101404101B1 - 고 자기유도를 가지는 무방향성 규소강의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

하기의 공정을 포함하는 고 자기유도를 가지는 무방향성 규소강의 제조 방법: 1)제련 및 주조: 무방향 규소강은 중량백분율의 화학 조성을 가지며: Si 0.1 ~ 1%, Al 0.005 ~ 1.0%, C ≤ 0.004%, Mn 0.10 ~ 1.50%, P ≤ 0.2%, S ≤ 0.005%, N ≤ 0.002%, Nb+V+Ti ≤ 0.006%, 잔부는 Fe; 용해 강은 제련되고 제 2차 정련 처리되며, 그리고 나서 빌렛으로 주조된다; 2)열간 압연: 빌렛은 1150 ~ 1200℃로 가열되며, 그리고 나서 830 ~ 900℃의 마무리 압연 온도에서 강판으로 열간 압연되며, 570℃ 이상으로 냉각될 때, 상기 강판은 권취된다; 3)평탄화: 판은 2 ~ 5%의 압하율로 냉간 압연된다; 4)노말라이징: 판은 950℃ 이상의 온도에서 노말라이징되며, 30 ~ 180s 동안 상기 온도에서 유지된다; 5)산세 및 냉간 압연: 노말라이징된 판은 산세되며, 그 후 70 ~ 80%의 전체 압하비로 최종 제품의 두께를 가지는 냉간 압연된 시트로 여러번 냉간 압연된다; 6) 최종 소둔: 상기 냉간 압연된 시트는 급속 가열 소둔되는데, 여기서 승온 속도는 100℃/s 이상이며, 온도는 800 ~ 1000℃ 사이까지 가열되며, 그리고 5 ~ 60s 동안 상기 온도에서 유지되며, 그 후에, 600 ~ 750℃까지 천천히 냉각되는 제조 방법이다. 제조 방법은 철손의 증가 없이 적어도 200 가우스에 의해 무방향성 규소강의 자기 유도를 증가시킬 수 있다.

Description

고 자기유도를 가지는 무방향성 규소강의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING NON-ORIENTED SILICON STEEL WITH HIGH-MAGNETIC INDUCTION}

일반적으로, 본 발명은 무방향성 규소강, 특히, 고 자기유도를 가지는 무방향성 규소강의 제조 방법에 관한 것이다.

무방향성 규소강은 중요한 자기 재료이고 다양한 전기 기기, 압축기 등의 제조에 널리 이용된다. 일반적으로, 무방향성 규소강은 6.5% 미만의 규소, 3% 미만의 알루미늄. 0.1% 미만의 탄소, 및 다른 미량원소를 함유한다. 규소강의 제조 방법은 열간 압연, 노말라이징(nomalization), 냉간 압연, 최종 소둔, 및 절연 필름의 코팅의 절차를 포함한다.

무방향성 규소강에 관해서, 주요 특성 지수는 철손(iron loss), 자기유도, 및 자기 이방성을 포함한다. 무방향성 규소강의 자기 특징은 재료 조성, 두께, 열처리 공정 등과 같은 다양한 요소에 의해 영향을 받기 매우 쉽다.

초고 자기유도를 가지는 무방향성 규소강을 얻기 위해서, 일반적인 관례는 규소 함량을 줄이고 이에 따라 재료 전기 비저항을 줄이는 한편, 열간 압연된 판에 대하여 더 높은 노말라이징 온도, 예를 들어 1000℃ 까지를 채택하는 것이다. 그러나, 규소와 알루미늄의 함량이 다소 낮기 때문에, 노말라이징된 무방향성 규소강판의 재결정화 구조는 꽤 미세하다. 노말라이징에서 발생한 미세 입자(grain) 구조는 다소 낮은 강도, 이에 따라 낮은 자기유도를 가지는 최종 소둔된 시트의 표면 텍스쳐(surface texture) {Okl}의 원인이 될 것이다.

더욱이, 소둔 공정도 규소강의 자기유도에 영향을 주는 결정적인 요인이다. 적절한 크기의 입자를 가지는 소둔된 시트를 만들기 위해서, 일반적인 관례는 적절한 균열(soakage) 온도 및 적절한 균열 시간을 채용하는 것이다. 만약에 균열 온도가 너무 높거나 균열 시간이 너무 길면, 소둔된 규소강의 결정립은 다소 조대해질 것이고, 표면 텍스쳐(surface texture) {111}는 강화될 것이며, 시트의 자기유도는 약해질 것이다; 이에 반하여, 만약 입자의 직경이 작은 측면(small side) 상에 있다면, 재료의 이력 손실(hysteresis loss)은 최종 용도에 전기 손실을 증가시키는 큰 측면 상에 있을 것이다.

소둔 공정에서, 낮은 승온 속도에서 가열하는 것과 비교해서, 더 높은 승온 속도에서 가열하는 것은 꽤 집약적인 가우스 텍스쳐(Gauss texture)를 초래할 것이다. 반면에, 더 낮은 승온 속도에서 가열하는 것은 최종 규소강의 텍스쳐가 더 많은 {111} <112> 성분 및 더 적은 {110} <114>, {001} <120> 및 {111} <110> 성분으로 구성되는 것으로 귀결될 것이다.(논문: Jong-Tae Park, Jerzy A.SZPUNAR Sang-Yun CHA Effect of heatinf Rate on the development of Annealing Texture in Non-oriented Electrical steels ISIJ International, Vol.43(2003), No.10, PP.1611-1614 참조) 그러므로, 소둔 공정에서, 더 높은 승온 속도로 가열하는 것은 회복을 하락시킬 수 있고, 철심(core)에서 {110} 및 {100}을 가지는 표면 텍스쳐를 제공할 수 있으며, 이에 따라 최종 규소강 제품의 자기유도를 효과적으로 향상시킨다.

본 발명의 목적은 고 자기유도를 가지는 무방향성 규소강의 제조 과정을 제공하는 것이고, 상기 제조 과정은 열간 압연 판을 가볍게 압연하고 냉간 압연된 시트를 소둔 온도로 빠르게 가열하여서, 시트의 철손을 증가시키지 않은 전제조건 하에서 고 자기유도를 가지는 무방향성 규소강을 얻는 방법을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적 달성을 위해서, 고 자기유도를 가지는 무방향성 규소강의 발명의 제조 방법은 이하의 절차를 포함한다:

1)제련(smelting) 및 주조

중량 백분율로, 무방향성 규소강의 화학 조성은: Si 0.1 ~ 1%, Al 0.005 ~ 1.0%, 0% < C ≤ 0.004%, Mn 0.10 ~ 1.50%, 0% < P ≤ 0.2%, 0% < S ≤ 0.005%, 0% < N ≤ 0.002%, 0% < Nb+V+Ti ≤ 0.006%, 잔부는 Fe 및 불가피한 함유물이며; 상기 무방향성 규소강은 전로 또는 전기로에서 제련되며 2차 정련 처리되고, 그리고 나서 강 빌렛(steel billet)으로 주조된다;

2)열간 압연

강 빌렛은 1150 ~ 1200℃ 사이의 온도로 가열되며, 특정 시간 동안 상기 온도에서 균열처리되며, 그리고 나서 830 ~ 900℃의 마무리 압연(finish-rolling) 온도에서 강판으로 열간 압연되고, 온도 ≥ 570℃로 냉각될 때, 상기 열간 압연된 판은 권취된다;

3)평탄화

열간 압연된 판은 2 ~ 5%의 압하율(rolling compression ratio)로 냉간 압연된다;

4)노말라이징

냉간 압연된 후, 상기 열간 압연된 판은 950℃ 이상의 온도에서 한번에 연속적으로 노말라이징되며, 그리고 30 ~ 180s 동안 상기 온도에서 유지된다;

5)산세(pickling) 및 냉간 압연

상기 노말라이징된 판은 산세되고, 그리고 나서 최종 제품의 두께를 가지는 냉간 압연된 규소강으로 70 ~ 80%의 점진적인 또는 전 압하율로 여러 번 연속적으로 최종적으로 냉간 압연된다;

6)소둔

상기 냉간 압연된 시트는 100℃/s 이상의 승온 속도로, 800 ~ 1000℃ 사이의 온도까지 빠르게 가열되며, 그리고 5 ~ 60s 동안 상기 온도에서 유지되며, 그 후에, 3 ~ 15℃/s의 냉각 속도로 600 ~ 750℃로 천천히 냉각된다.

바람직한 실시예에서, 부피 백분율로, 소둔의 분위기는 30 ~ 70%의 H₂ + 70 ~ 30%의 N₂, 이슬점 ≤-25℃이다.

무방향성 규소강의 자기유도 강도 B₂₅ 및 B₅₀ 상에 효과를 가지는 주요한 요소는 화학적 조성물 결정립 텍스쳐이다. 더 높은 함량의 규소, 알루미늄 및 망간은 더 높은 전류 비저항 및 더 낯은 자기 특성 B₂₅ 및 B₅₀ 으로 귀결될 것이다. 이상적인 결정 텍스쳐(crystal texture)는 표면 텍스쳐 (100) [uvw]이며, 이는 등방성을 가지며 및 강자화 방향(hard-magnetized direction)이 압연된 표면상에 없기 때문이다. 실무상, 이런 종류의 단일 표면 텍스쳐를 얻는 것은 불가능하다. 일반적으로, 텍스쳐 성분 (100) [011], (111) [112], (110) [001], (112) [011] 등이 존재하고, 그 중 텍스쳐 성분 (100)만이 20%의 양 정도이고, 그리고 무방향성 무질서 텍스쳐, 즉 자기 이방성 테스쳐에 광범위하게 속한다. 이에 의하여, (100) 성분을 강화하고 (111) 성분을 약화하도록 제조 과정을 개선하는 것과 재료의 화학 조성을 변경하는 것은 자기유도 강도 B₂₅ 및 B₅₀를 상승시키는 주요한 접근법이다.

본 발명의 조성 설계에서, 다음과 같은 점들이 주로 고려된다.

Si: 이것은 대체 고용체를 형성하기 위해 페라이트 내에 용해성이 있고, 그럼으로써 철손을 감소하고 재료의 비저항을 증가시키며, 따라서 전기강의 가장 중요한 합금 원소 이지만, 자기유도에 부적절하다. 본 발명은 고 자기유도를 가지는 무방향성 규소강이 목표로 하기 때문에 Si 함량은 0.1 ~ 1%만큼 낮게 결정된다.

Al: 이것도 비저항을 증가시키기 위한 원소이고, 그리고 페라이트 내에 용해성이 있어서 재료 비저항을 증가시키고 조대한 결정립을 제조하고 철손을 감소시키지만, 이것도 자기유도를 감소시킬 것이다. 1.5% 이상의 Al 함량은 제련, 주조 및 기계 가공이 어려워지는 원인이 될 것이고, 자기유도를 감소시킬 것이다.

Mn: Si 및 Al과 같이, 이것은 강의 비저항을 증가시킬 것이고 자기유도를 감소시킬 것이지만, 이것은 철손을 감소시키는데 유리하며, 그리고 이것은 자기 특성에 대한 S의 부적절한 영향을 제거하기 위해 안정적인 MnS를 제조하여 조성물 S와 반응할 것이다. 따라서, 그것은 규소강에서 0.1% 이상의 Mn 함량을 가지는 것이 필요하다. 본 발명에서, Mn 함량은 0.10 ~ 1.50% 이내로 조절된다.

P: 강의 조성 내의 특정 함량의 P 첨가는 규소강의 제조용이성을 향상시킬 수 있지만, P 함량은 0.2% 이하일 것이다.

C, N, Nb, V 및 Ti: 이들 모두는 자기 특성에 부적절한 요소이다. 본 발명에서, 자기 특성에 대한 부정적인 영향을 감소시키기 위해서, C ≤ 0.004%, S ≤ 0.005%, N ≤ 0.002%, Nb+V+Ti ≤ 0.006%로 조절한다.

가열된 빌렛 또는 슬래브(slab)의 온도는 강에 MnS 및 AlN 개재물의 고용체 온도 보다 낮을 것이다. 본 발명에서, 가열 온도는 1150 ~ 1200℃로 설정되며, 마무리 압연(finishing rolling) 온도는 830 ~ 900℃로 설정되며, 그리고 권취 온도는 570℃ 이상으로 설정되며, 이런 온도는 개재물의 고용화를 지연시킬 수 있고, 열간 압연된 판이 조대한 입자를 가지도록 할 수 있다.

본 발명에서, 열간 압연된 판을 적절히 평탄화하는 것은 초고 자기유도 무방향성 규소강을 이루기 위한 주요한 요소이다.

본 발명은 초고 자기유도 무방향성 규소강의 제조 방법을 목적으로 하며, 따라서, 강의 화학적 조성 내에 규소 및 알루미늄의 함량은 다소 낮게 조절된다. 하지만, 너무 적은 규소 및 알루미늄 함량은 열간 압연된 판의 노말라이징 공정에서 결정립이 정상적으로 성장할 수 없는 경우를 야기할 것이다. 더욱이, 낮은 규소 함량을 가지는 무방향성 규소강판은 열간 압연되는 과정에 재결정화를 발생시키는 경향이 있다. 노말라이징되기 전에, 2 ~ 5%의 압하율로 생기 열간 압연된 판을 평탄화하는 것은 노말라이징된 판의 재결정 텍스쳐를 더욱 조대하게 하기 위하여 변형 저장 에너지를 증가시킬 수 있다. 평탄화 공정에서 너무 높은 압하비는 열간 압연된 판이 더 많은 내부 결함을 가지도록 하여 입자 성장에 영향을 미칠 것이다.

사전 소둔되고 노말라이징된 열간 압연된 판을 가지기 위한 의도는 입자 구조(grain structure) 및 텍스쳐를 향상시키는 것이다. 무방향성 규소강에 대한 연구 조사는 냉간 압연 전에 입자 구조를 조대하게 하는 것은 냉간 압연된 시트가 최종 소둔된 후에 냉간 압연된 시트의 텍스쳐 성분{okl}을 강하게 할 수 있고, 냉간 압연된 시트의 텍스쳐 성분{111}을 약하게 할 수 있으며, 텍스쳐 성분{okl}은 자기 특성에 유리하다는 것을 지적한다. 더욱이 분리된 물질(separated substance)이 조대하게 되는 부수적인 현상은 입자 성장을 훨씬 더 쉽게 함으로써 자기 유도를 향상시키며, 철손을 감소시킬 수 있다. 본 발명에서, 고 자기유도 무방향성 규소강판의 노말라이징 온도는 950℃ 이상이며, 균열처리 시간은 30 ~ 180s이다.

보통, 자기 특성에 유리한 가우스 텍스쳐 {110}의 입자는 보통 냉간 압연된 재료의 전단 변형 영역(shear-deformed zone)에서 핵생성하고 성장한다. 만약 승온 속도가 너무 낮다면, 온도가 낮은 상태에서, 재료에 회복 과정이 일어날 것이고, 격자 왜곡을 감소시킬 것이며, 따라서 핵생성하는 가우스 텍스쳐의 확률은 크게 떨어질 것이다. 소둔 공정에서 높은 승온 속도를 사용하는 것은 가우스 텍스쳐의 발달에 불리한 온도 범위를 빠르게 지나칠 수 있고, 자기 특성에 유리한 표면 텍스{okl}가 훨씬 더 잘 발달하게 할 수 있으며, 따라서 자기 유도 및 철손을 최적화할 수 있다. 소둔된 시트를 느리게 냉각하는 것은 그것의 자기 특성을 향상할 수 있다. 본 발명에서, 냉간 압연된 시트는 100℃/s 이상의 온도 상승 속도로 800 ~ 1000℃ 사이의 온도로 급속 가열하는 것과, 5 ~ 60s의 균열 시간에 의해 최종 소둔되며, 그 이후, 3 ~ 15℃/s의 냉각 속도로 600 ~ 750℃까지 느리게 냉각된다.

종래의 제조 과정과 비교할 때, 본 발명의 제조 과정은 같은 철손을 유지하는 전제 조건 하에서 적어도 200 가우스만큼 무방향성 규소강의 자기유도를 상승 시킬수 있다.

도 1은 열간 압연된 판이 냉간 압연되는 압하율과 최종 소둔된 강의 자기 특성 사이의 상호관계를 나타낸다.

이제 본 발명은 실시예에 의해 그리고 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명된다.

실시예 1

(1)2.6 mm 두께를 가지는 열간 압연 된 무방향성 규소강판으로서, 조성 및 함량은: Si 0.799%, Al 0.4282%, C 0.0016%, Mn 0.26%, P ≤ 0.022%, S ≤ 0.0033%, N ≤ 0.0007%, Nb 0.0004%, V 0.0016%, Ti 0.0009%, 잔부는 Fe 및 불가피한 함유물이다.

(2)상기 열간 압연된 판은 1 ~ 10%의 압하율에서 냉간 압연 되었다.

(3)상기 냉간 압연된 판은 970℃의 노말라이징 균열 온도에서 노말라이징되었고, 60s 동안 상기 온도에서 유지되었으며, 그 다음 상기 노말라이징된 판은 산세되었고, 그 후, 두께 0.5 mm의 강으로 냉간 압연 되었다.

(4)상기 냉간 압연된 시트는 승온 속도 250℃/s, 850℃의 균열처리 온도 및 13s의 균열처리 시간으로 실험실에서 전기 소둔로 내에서 높은 가열 속도로 소둔되었다.

열간 압연된 판이 1 ~ 10%의 압하비로 냉간 압연되는 경우에, 노말라이징된 후에 노말라이징된 시트의 재결정된 입자는 더욱 확실하게 조대화되었지만, 최종 규소강 제품의 미세구조는 크게 변하지 않았다는 것이 밝혀졌다. 4 ~ 6%의 압하비의 경우에, 최종 규소강 제품의 자기 특성은 1.83T까지 자기 유도 B50으로 최상이 되었다. 최종 소둔된 규소강의 자기 특성은 표 1에 나타나 있다. 열간 압연된 판이 여러 번 연속적으로 냉간 압연되어 강으로 되는 압하비와 최종 소둔된 강의 자기 특성 사이의 상호 관계가 도 1에 나타나 있다.

최종 소둔된 무방향성 규소강의 자기 특성

압축비	노말라이징 공정	소둔 공정	P15/50	B50
0	60s 동안 970℃	13s 동안 850℃	4.495	1.813
1%			4.392	1.816
2%			4.245	1.827
4%			3.971	1.83
6%			3.982	1.829
8%			3.871	1.823
10%			4.092	1.821

상이한 압연 압하비로 얻어진 최종 소둔된 시트와 노말라이징된 판 양자의 미세구조가 검사되었다. 열간 압연된 판이 가볍게 냉간 압연된 후에, 노말라이징된 판의 결정립은 분명하게 성장하지만, 최종 소둔된 시트의 결정립의 크기는 분명하게 변하지 않았다는 것이 밝혀졌다. 노말라이징된 판과 최종 소둔된 시트 양자 모두의 평균 입자 직경이 표 2에서 보여진다. 이 결과와 최종 시트 제품의 자기 특성 사이에 양호한 상응하는 관계가 있다. 즉, 노말라이징된 판의 입자는 커지고, 최종 소둔된 이후의 냉간 압연된 시트의 텍스쳐 성분 {111}은 약해지며, 반면에 자기 특성에 유리한 텍스쳐 성분 {111}은 강화되며. 이에 의해, 최종 소둔된 시트의 자기 유도 B50은 최적화된다.

무방향성 규소강의 최종 소둔된 시트와 노말라이징된 판 양자 모두의 평균 입자 직경

압축비	노말라이징 공정	최종 소둔 공정	노말라이징된 판의 입자 직경, μm	최종 소둔된 시트의 입자 직경, μm
0	60s 동안 970℃	13s 동안 850℃	65	38
1%			74	40
2%			200	40
4%			288	42
6%			230	40
8%			170	40
10%			170	40

실시예 2

(1)2.6 mm 두께를 가지는 열간 압연된 무방향성 규소강판으로서, 그 조성 및 함량은: Si 1%, Al 0.2989%, C 0.0015%, Mn 0.297%, P 0.0572%, S 0.0027%, N 0.0009%, Nb 0.0005%, V 0.0015%, Ti 0.0011%, 잔부는 Fe 및 불가피한 함유물이다.

(2)상기 열간 압연된 판은 4%의 압연 압축비에서 냉간 압연되었다.

(3)상기 냉간 압연된 판은 950℃의 노말라이징 균열 온도에서 노말라이징되었고, 60s 동안 상기 온도에서 유지되었으며, 그 다음 노말라이징된 판은 산세되었고, 그 후, 0.5 mm의 강으로 냉간 압연되었다.

(4)상기 냉간 압연된 시트는 각각 20℃/s, 150℃/s 및 250℃/s의 상이한 승온 속도, 960℃의 균열처리 온도 및 13s의 침지 시간으로 실험실의 전기 소둔로 내에서 높은 가열 속도로 소둔되었다.

최종 소둔된 무방향성 규소강의 자기 특성을 표 3에 도시하였다.

최종 소둔된 무방향성 규소강의 자기 특성

온도 증가율, ℃/s	노말라이징 공정	소둔 공정	P15/50	B50
20	60s 동안 950℃	13s 동안 960℃	4.564	1.775
150			4.180	1.7885
250			4.100	1.790

표 3에서 볼 수 있듯이, 최종 소둔된 시트의 철손 및 자기 유도는 승온 속도에 의해 영향을 받았다. 승온 속도가 증가하면서, 철손은 감소하였고 그리고 자기유도는 증가하였다.

Claims (2)

1. 하기의 공정을 포함하는 고 자기유도(High magnetic induction)를 가지는 무방향성 규소강의 제조 방법;
   1)제련(smelting) 및 주조
   무방향성 규소강은 이하의 중량백분율의 화학 조성물을 가지며: Si 0.1 ~ 1%, Al 0.005 ~ 1.0%, 0% < C ≤ 0.004%, Mn 0.10 ~ 1.50%, 0% < P ≤ 0.2%, 0% < S ≤ 0.005%, 0% < N ≤ 0.002%, 0% < Nb+V+Ti ≤ 0.006%, 잔부는 Fe 및 불가피한 함유물이며; 상기 무방향성 규소강은 전로 또는 전기로에서 제련되고 제 2차 정련 처리되며, 그리고 나서 강 빌렛(steel billet)으로 주조된다;
   2)열간 압연
   상기 강 빌렛은 1150 ~ 1200℃ 사이의 온도로 가열되며, 특정 시간 동안 상기 온도에서 균열처리되며, 그리고 나서 830 ~ 900℃의 마무리 압연 온도에서 강판으로 열간 압연되며; 570℃ 이상으로 냉각될 때, 상기 판은 권취된다;
   3)평탄화
   상기 열간 압연된 판은 4 ~ 6%의 압연 압하율(rolling compression ratio)로 냉간 압연된다;
   4)노말라이징
   냉간 압연된 후, 상기 열간 압연된 판은 950℃ 이상의 온도에서 한번에 연속적으로 노말라이징되며, 그리고 30 ~ 180s 동안 상기 온도에서 유지된다;
   5)산세(pickling) 및 냉간 압연
   상기 노말라이징된 판은 산세되며, 그 후 70 ~ 80%의 전체 압하비로 최종 제품의 두께를 가지는 냉간 압연된 시트로 여러 번 냉간 압연된다;
   6)소둔
   상기 냉간 압연된 시트는 급속 가열 소둔되는데, 여기서 승온 속도는 100℃/s 이상이며, 온도는 800 ~ 1000℃ 사이까지 가열되며, 그리고 5 ~ 60s 동안 상기 온도에서 유지되며, 그 후에, 3 ~ 15℃/s의 냉각 속도에서 600 ~ 750℃까지 천천히 냉각되는 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 소둔 분위기가, 주피 백분률로 30 ~ 70%의 H₂ + 70 ~ 30%의 N₂, 이슬점 ≤-25℃인 것을 특성으로 하는 제조 방법.

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