KR101568020B1 - 방향성 전기강판 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

방향성 전기강판의 제조방법 및 그에 따라 제조된 방향성 전기강판이 개시된다. 본 발명에 의한 방향성 전기강판의 제조방법은 중량%로, Si를 2.0~4.5%, C를 0.001~0.20%, Al를 0.01~ 3.0%, Mn를 0.001~0.08%, N를 0.0005~ 0.005%, S를 0.002~0.050% 함유하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 혼입되는 불순물로 이루어지는 슬라브를 가열하는 단계; 상기 슬라브를 열간압연하여 열연강판을 제조하는 단계; 상기 열연강판을 냉간압연하여 냉연강판을 제조하는 단계; 상기 냉연강판을 탈탄소둔 및 1차 재결정 소둔하는 단계; 및 상기 탈탄소둔 및 1차 재결정 소둔이 완료된 냉연강판을 2차 재결정 소둔하는 단계를 포함한다.

Description

방향성 전기강판 및 그의 제조방법{GRAIN-ORINENTED ELECTRICAL STEEL SHEET AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 방향성 전기강판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 AlN과 MnS와 같은 석출물을 결정립성장 억제제로서 사용하지 않고, 대신에 S의 입계편석과 FeS 석출물의 1차 재결정립 성장억제 효과를 이용하여 {110}<001>방위의 2차 재결정을 안정적으로 형성시킴으로써 우수한 저철손 특성을 갖는 방향성 전기강판에 관한 것이다.
방향성 전기강판은 강판의 결정방위가 {110}<001>인 일명 고스(Goss) 방위를 갖는 결정립들로 이루어진 압연방향의 자기적 특성이 뛰어난 연자성 재료이다.
일반적으로 자기특성이 우수한 방향성 전기강판은 강판의 압연방향으로 {110}<001>방위의 고스 조직(Goss texture)이 강하게 발달하여야 하며, 이와 같은 집합조직을 형성시키기 위해서는 고스 방위의 결정립들이 2차재결정이라는 비정상인 결정립 성장을 형성시켜야 한다. 이러한 비정상적인 결정성장은 통상적인 결정립성장과 다르게 정상적인 결정립 성장이 석출물, 개재물이나 혹은 고용되거나 입계에 편석되는 원소들에 의하여 정상적으로 성장하는 결정립계의 이동이 억제되었을 때 발생하게 된다. 이와 같이 결정립성장을 억제하는 석출물이나 개재물등을 특별하게 결정립성장 억제제(inhibitor)라고 부르며, {110}<001>방위의 2차재결정에 의한 방향성 전기강판 제조기술에 대한 연구는 강력한 결정립성장 억제제를 사용하여 {110}<001>방위에 대한 집적도가 높은 2차재결정을 형성하여 우수한 자기특성을 확보하는데 주력하여 왔다.
이제까지 방향성 전기강판을 제조하는 거의 모든 철강사에서는 주로 AlN, MnS[Se]등의 석출물을 결정립성장 억제제로 이용하여 2차재결정을 일으키는 제조방법을 사용하고 있다. 이러한 AlN, MnS 석출물을 결정립성장 억제제로 사용하는 방향성 전기강판 제조방법은 2차재결정을 안정적으로 일으킬 수 있는 장점은 있으나, 강력한 결정립성장 역제효과를 발휘하기 위해서는 석출물들을 매우 미세하고 균일하게 강판에 분포시켜야만 한다. 이와 같이 미세한 석출물을 균일하게 분포시키기 위해서는 열간압연 전에 슬라브를 1300℃ 이상의 높은 온도로 장시간동안 가열하여 강중에 존재하던 조대한 석출물들을 고용시킨 후 매우 빠른 시간내에 열간압연을 실시하여 석출이 일어나지 않은 상태에서 열간압연을 마쳐야 한다. 이를 위해서는 대단위의 슬라브 가열설비를 필요로 하며, 석출을 최대한 억제하기 위하여 열간압연과 권취공정을 매우 엄격하게 관리하고 열간압연 이후의 열연판 소둔공정에서 고용된 석출물이 미세하게 석출되도록 관리하여야 하는 제약이 따른다. 또한 고온으로 슬라브를 가열하게 되면 융점이 낮은 Fe2SiO4가 형성됨에 따라 슬라브 워싱 (washing) 현상이 발생하여 실수율이 저하된다.
상기의 문제점과 함께, AlN이나 MnS 석출물을 결정립성장 억제제로 사용하여 2차재결정을 일으키는 방향성 전기강판 제조방법은 2차재결정 완료후에 석출물 구성 성분을 제거하기 위하여 1200℃의 고온에서 30시간 이상 장시간 순화소둔을 해야만 하는 제조공정상의 복잡성과 원가부담이 따르게 된다.
즉, AlN이나 MnS와 같은 석출물을 결정립성장 억제제로 사용하여 2차재결정을 일으킨 후, 이와 같은 석출물들이 강판내에 잔류하게 되면 자구의 이동을 방해하여 이력손을 증가시키는 원인이 되기 때문에 반드시 이를 제거하여야 하며, 이를 위해서 2차 재결정 완료 후에 약 1200℃의 고온에서 100% 수소개스를 사용하여 장시간 순화소둔을 실시함에 의하여 AlN과 MnS와 같은 석출물 및 기타 불순물들을 제거하게 된다. 이러한 순화소둔에 의하여 MnS 석출물은 Mn과 S로 분리되어 Mn은 강중에 고용되고, S는 표면으로 확산하여 분위기 중의 수소개스와 반응하여 H2S로 형성되어 배출된다.
최근 개발된 냉간압연 이후 탈탄소둔 후 질화처리를 통한 AlN계 질화 석출물에 의하여 2차재결정을 형성하는 슬라브 저온가열법에 의한 방향성 전기강판 제조기술은 슬라브 가열온도를 1200℃ 이하로 하여 슬라브 가열설비 운영상의 어려움과 열연단계에서의 실수율 저하와 같은 문제점들은 많이 개선하여 왔다. 그러나 이 방법 역시 2차재결정 완료 후에 AlN 석출물의 구성 성분을 제거하기 위하여 1200℃의 고온에서 20시간 이상 장시간 순화소둔을 해야만 하는 제조공정상의 복잡성과 원가부담이 따르게 되는 문제점은 해소하지 못하고 있다.
그리고 이러한 순화소둔 과정에서 AlN계 석출물이 Al과 N으로 분해된 후에 Al이 강판표면으로 이동하여 표면 산화층의 산소와 반응함에 따라 Al2O3 산화물이 형성되는데, 이와 같이 형성된 Al계 산화물이나 순화소둔 과정에서 분해되지 않은 AlN 석출물들은 강판내 혹은 표면 가까이에서 자구의 이동을 방해하여 철손을 열화시키는 원인이 된다.
따라서 방향성 전기강판의 자성을 보다 향상시키고 순화소둔의 부담을 덜어 생산성을 향상시키기 위해서는 AlN, MnS와 같은 석출물을 결정립성장 억제제로 사용하지 않는 새로운 방향성 전기강판을 제조하는 기술을 필요로 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, AlN과 MnS와 같은 석출물을 결정립 성장 억제제로서 사용하지 않고, 대신에 S의 입계편석과 FeS 석출물의 1차재결정립 성장억제 효과를 이용하여 {110}<001>방위의 2차재결정을 안정적으로 형성시킴으로써 저철손 특성의 우수한 방향성 전기강판을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 상기 제조방법에 따라 제조되는 저철손의 자기특성을 갖는 방향성 전기강판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르면, 중량%로, Si를 2.0~4.5%, C를 0.001~0.20%, Al를 0.01~ 3.0%, Mn를 0.001~0.08%, N를 0.0005~ 0.005%, S를 0.002~0.050% 함유하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 혼입되는 불순물로 이루어지는 슬라브를 가열하는 단계; 상기 슬라브를 열간압연하여 열연강판을 제조하는 단계; 상기 열연강판을 냉간압연하여 냉연강판을 제조하는 단계; 상기 냉연강판을 탈탄소둔 및 1차 재결정 소둔하는 단계; 및 상기 탈탄소둔 및 1차 재결정 소둔이 완료된 냉연강판을 2차 재결정 소둔하는 단계를 포함하는 방향성 전기강판의 제조방법을 제공한다.
상기 2차 재결정 소둔하는 단계는 결정립 성장 억제제로서 S 편석, FeS 석출물 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.
상기 2차 재결정 소둔하는 단계는 10℃/hr 이상의 승온율로 승온하여 {110}<001> Goss 방위의 2차 재결정을 일으키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 2차 재결정을 일으키는 단계 이후 1,000 내지 1,200℃의 온도에서 순화소둔을 실시하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 순화소둔은 1시간 이하 동안 실시될 수 있다.
상기 2차 재결정 소둔하는 단계에서 2차 재결정 개시온도는 1,000 ℃ 이하일 수 있다.
상기 열간압연에 따라 제조된 열연강판을 열연판 소둔하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 슬라브의 가열은 1,050 내지 1,300 ℃의 온도에서 실시될 수 있다.
상기 열간압연에 따라 제조된 열연강판은 두께가 1.5 내지 4.0 mm일 수 있다.
상기 냉간압연은 1회의 냉간압연 또는 중간소둔을 포함하는 2회 이상의 냉간압연일 수 있다.
상기 냉간압연 중에 강판의 온도를 100 ℃ 이상으로 유지하는 온간압연을 실시하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 탈탄소둔은 750 ℃ 이상의 온도에서 30초 이상 유지하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 중량%로, Si를 2.0~4.5%, C를 0.001~0.20%, Al를 0.01~ 3.0%, Mn를 0.001~0.08%, N를 0.0005~ 0.005%, S를 0.002~0.050% 함유하고 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 혼입되는 불순물을 함유하는 슬라브로 제조되며, 결정립 성장 억제제로서 S 편석, FeS 석출물 또는 이들의 조합이 사용되는 방향성 전기강판을 제공한다.
상기 슬라브에 함유되는 상기 S 함량이 중량%로 0.005~0.050%이고 최종산물에 잔류하는 S 함량이 중량%로 0.0005% 이상일 수 있다.
상기 S가 상기 Mn과 미반응 상태에서 단독으로 입계에 편석될 수 있다.
상기 강판에는 Se, Te, P, Sn, Sb, Bi 및 B로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 합금원소가 더 포함될 수 있다.
결정립 성장 억제제로서 AlN 및 MnS을 사용하지 않고 {110}<001> 방위의 2차 재결정이 형성될 수 있다.
상기 전기강판은 상기 슬라브를 열간압연하여 열연강판을 제조하는 단계; 상기 열연강판을 냉간압연하여 냉연강판을 제조하는 단계; 상기 냉연강판을 탈탄소둔 및 1차 재결정 소둔하는 단계; 및 상기 탈탄소둔 및 1차 재결정 소둔이 완료된 냉연강판을 2차 재결정 소둔하는 단계를 거쳐 제조될 수 있다.
상기 방향성 전기강판은 상기 2차 재결정을 일으키는 단계 이후 1,000 내지 1,200℃의 온도에서 순화소둔을 실시하는 단계를 추가로 거쳐 제조될 수 있다.
상기 방향성 전기강판의 상기 순화소둔 과정은 1시간 이하 동안 실시될 수 있다.
상기 방향성 전기강판의 상기 2차 재결정 소둔하는 단계에서 2차 재결정 개시온도는 1,000 ℃ 이하일 수 있다.
상기 방향성 전기강판은 상기 열간압연에 따라 제조된 열연강판을 열연판 소둔하는 단계를 더 거쳐 제조될 수 있다.
상기 방향성 전기강판의 상기 슬라브의 가열은 1,050 내지 1,300 ℃의 온도에서 실시될 수 있다.
상기 열연강판은 두께가 1.5 내지 4.0 mm일 수 있다.
상기 방향성 전기강판의 상기 냉간압연 과정은 1회의 냉간압연 또는 중간소둔을 포함하는 2회 이상일 수 있다.
상기 방향성 전기강판은 상기 냉간압연 중에 강판의 온도를 100 ℃ 이상으로 유지하는 온간압연을 실시하여 제조될 수 있다.
상기 방향성 전기강판의 상기 탈탄소둔 과정은 750 ℃ 이상의 온도에서 30초 이상 유지시는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방향성 전기강판은 주파수 50Hz, 1.7 테슬라(Tesla)의 자장 하에서 방향성 전기강판에 의해 발생되는 철손이 1.0W/kg 이하일 수 있다.
본 발명에 의하면, 탈탄소둔 후에 추가적인 억제력 보강을 위한 질화 처리가 필요하지 않아 제조공정이 간단하다. 또한 결정립 성장억제제로서 S의 편석과 FeS석출물을 사용함으로써, Al계 석출물 형성을 위한 제강, 열연 조건 최적화의 공정부하와 전기강판 본 공정에서의 열연판소둔, 질화소둔 그리고 최종소둔에서의 석출물제어를 위한 공정부하가 제거될 수 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
기존의 방향성 전기강판 제조기술에서는 결정립성장 억제제로서 AlN, MnS와 같은 석출물을 사용하고 있으며, 모든 공정들이 상기의 석출물의 분포를 엄격하게 제어하고 2차재결정된 강판내에 잔류된 석출물이 제거되도록 하기 위한 조건들로 인해 공정조건들이 극히 제약되어 있다.
이에 본 발명자들은 결정립성장 억제제로서 AlN, MnS 석출물을 사용하지 않고 2차재결정을 안정되게 일으킬 수만 있다면 기존의 방향성 전기강판 제조공정을 획기적으로 단순화할 수 있을 것이라는 점에 착안하여 다양한 합금원소와 불순물, 그리고 이들의 석출물들을 결정립성장 억제제로 이용하여 자성이 우수한 방향성 전기강판을 제조하기 위한 연구에 착수하였다.
이와 같이 본 발명자들은 결정립성장 억제제로서 AlN, MnS 석출물을 사용하지 않는 새로운 방향성 전기강판 제조기술에 대한 오랜 기간의 연구를 통하여 입계 편석원소인 S가 단독으로 결정립계에 편석되도록 함과 동시에 FeS 석출물을 이용하여 결정립성장을 억제함으로서 {110}<001>방위의 2차재결정을 안정적으로 일으킴과 동시에 최종 고온소둔후의 강판내에 Al 석출물과 산화물을 최소화하여 극히 낮은 철손을 갖는 방향성 전기강판을 개발할 수 있다는 새로운 사실을 발견하였다. 즉, 본 발명자들은 결정립 성장에 미치는 입계 편석원소의 영향에 대하여 알아보기 위하여 특별히 석출물을 형성하는 원소들을 배제하고 입계 편석원소 S를 여러 함량으로 첨가시킨 성분계의 잉곳을 진공 용해하여 2차재결정 가능성을 조사한 결과, Mn의 첨가를 제한한 상태에서 S를 적정량으로 첨가하였을 때 {110}<001>방위의 2차재결정이 안정적으로 형성되고 1.90(Tesla)이상의 자속밀도와 함께 0.95(W/kg)이하의 우수한 철손 특성이 확보되는 사실을 확인할 수 있었다.
일반적으로 S는 입계에 편석하는 원소라는 사실은 이미 알려져 있었으며, 응고과정에서 중심편석을 일으켜 입계에서 편석하여 고온변형중에 크랙(crack)을 촉진하기 때문에 열연작업에 어려움을 초래하기도 한다. 또한 S는 일반 방향성 전기강판 제조공정에서 약 0.08%~0.2%의 Mn과 반응하여 MnS 석출물을 형성하고, 형성된 MnS 석출물이 결정립성장 억제제로 작용하여 결정립 크기를 미세화하는데 활용되고 있다. 그러나, 앞서 설명하였듯이 MnS 석출물을 미세하고 균일하게 분포시키기 위해서는 슬라브를 1300℃ 이상의 고온으로 가열해야만 하며, 2차재결정 고온소둔후에 조대한 MnS가 분해될 수 있도록 1200℃의 고온에서 장시간 소둔해야 하는 문제점이 있다.
본 발명에서는 상기의 문제점들을 보완하기 위하여 방향성 전기강판의 슬라브 제조시 S가 중심에 편석하지 않고 균일하게 분포되도록 유도하기 위하여 다량의 카본을 제강단계에서 사용하여 열연공정에서의 취성에 의한 판파단을 억제하였고, MnS 석출물이 거의 형성되지 않도록 Mn의 함량을 최소화시킴으로서 S가 Mn과 반응하지 않은 상태에서 단독으로 입계에 편석하거나 FeS 석출물이 형성되도록 하여 결정립의 성장을 적극 억제함으로써 AlN, MnS 석출물을 사용하지 않고도, {110}<001> 방위의 2차재결정 형성을 일으키는데 성공하였다.
따라서 본 발명자들은 AlN, MnS 석출물을 이용하지 않고 S 단독의 입계편석과 FeS 석출물에 의하여 결정립성장 억제효과를 발휘함으로써 AlN, MnS 석출물을 고용시키기 위해 슬라브를 고온으로 장시간 가열할 필요가 없으며, 탈탄소둔 후에 추가적인 억제력 보강을 위한 질화처리가 필요하지 않은 간단한 제조공정을 확립하였을 뿐만 아니라, 1194 ℃의 저융점 FeS를 이용함으로서 {110}<001> 2차재결정 개시온도를 1000 ℃ 이하로 낮추는 것이 가능하며, 1200 ℃의 온도에서 장시간의 순화소둔이 필요없는 방향성 전기강판 제조방법을 확립하게 되었다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 방향성 전기강판의 제조방법에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의한 방향성 전기강판의 제조방법은 슬라브를 가열하는 단계; 상기 슬라브를 열간압연하여 열연강판을 제조하는 단계; 상기 열연강판을 냉간압연하여 냉연강판을 제조하는 단계; 상기 냉연강판을 탈탄소둔 및 1차 재결정 소둔하는 단계;; 및 상기 탈탄소둔 및 1차 재결정 소둔이 완료된 냉연강판을 2차 재결정 소둔하는 단계를 포함한다. 상기 슬라브는 중량 퍼센트(wt%)로 Si를 2.0~4.5%, C를 0.001~0.20%, Al를 0.01~ 3.0%, Mn를 0.001~0.08%, N를 0.0005~ 0.005%, S를 0.002~0.050% 함유하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 혼입되는 불순물로 이루어진다.
상기 2차 재결정 소둔하는 단계는 결정립 성장 억제제로서 S 편석, FeS 석출물 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.
상기와 같이 결정립 성장억제제로서 S의 편석과 FeS 석출물을 이용함에 따라서, Al계 석출물 형성을 위한 제강, 열연 조건 최적화의 공정부하와 전기강판 본공정에서의 열연판소둔, 질화소둔 그리고 최종소둔에서의 석출물 제어를 위한 공정부하가 제거될 수 있다.
이와 같은 성과로부터 AlN 석출물 제어에 대한 부하가 사라짐에 따라, 철손을 획기적으로 감소시키기 위한 Al함량의 증량이 용이해지는 효과도 얻을 수 있었다.
Al은 Si 다음으로 비저항이 큰 원소로서, 하기 [식 1]에 나타낸 강판의 와전류손실 공식에서 같이 Al증량으로 인한 비저항 ρ의 증가에 의한 와전류 손실 감소 효과를 얻을수 있게 된다.
[식 1]
Wec = (π2 · d2 ·B2 ·f2) / (6 ·ρ)
여기서, Wec: 와전류손실, d: 결정립크기, B: 강판의 자속밀도 , f: 주파수, ρ: 강판 비저항
즉, 본 발명은 결정립 성장억제제로서 종래의 AlN, MnS를 사용하지 않고, S 편석 및 FeS 석출물을 사용함으로써 안정적인 2차재결정에 의한 우수한 자기특성을 확보할 수 있으며, 강판에 AlN 석출물 형성 없이 Al함량을 최대 3%까지 증량이 가능함에 따라서, 비저항 증가에 의한 획기적인 저철손의 자기특성을 갖는 방향성 전기강판을 제조할 수 있다.
이하, 본 발명에서 각 성분을 한정한 이유에 관하여 설명한다.
Si은 전기강판의 기본 조성으로 소재의 비저항을 증가시켜 철심 손실(core loss) 즉, 철손을 낮추는 역할을 한다. Si함량이 2.0%미만인 경우 비저항이 감소하여 철손특성이 열화되고 고온소둔시 상변태 구간이 존재하여 2차재결정이 불안정해지며, 4.5%을 초과하여 과잉 함유시에는 강의 취성이 커져 냉간압연이 극히 어려워지고, 오스테나이트 분율을 40%이상 함유하기 위한 C의 함량이 크게 늘어나며, 또한 2차재결정 형성이 불안정해진다. 그러므로 Si은 2.0~4.5%로 한정한다.
Al은 본 발명의 핵심 원소로서, Si 다음으로 소재의 비저항을 증가시켜 와전류손실을 감소시킴으로서 전체 철손을 낮추는 역할을 하기 때문에 무방향성 전기강판에서 중요하게 첨가되는 원소이다. 그동안 방향성 전기강판에서는 강중에 질소와 결합하여 AlN 석출물을 형성하여 2차재결정을 일으키는 중요한 원소로서 아주 소량으로 정밀하게 제어되어 왔다. 그러나, 본 발명에서는 AlN 석출물을 2차재결정에 이용하지 않기 때문에, Al을 정밀하게 소량 첨가할 필요가 없으며, 오히려 비저항 증가 효과를 극대화 하기 위해서 무방향성 전기강판과 같이 다량 첨가하는 것이 본 발명의 특징이다. 비저항 증가의 효과를 보기 위해서는 Al함량을 최소 0.01%이상 첨가하는 것이 바람직하며, 3%이상 첨가시에는 냉간압연에 대한 부하가 커지고 아울러 자기변형이 다시 증가하면서 변압기 특성이 떨어지는 문제가 발생하게 된다. 따라서 Al 함량은 0.01~3.0%가 바람직하다.
Mn은 Al 다음으로 비저항을 증가시켜 철손을 감소시키는 효과가 있지만, 종래의 특허에서 주장되었던 첨가의 주된 목적은 강중에서 황(Sulfur)과 반응하여 MnS 석출물을 형성하여 결정립 성장을 억제하는 것이었다. 그러나 본 발명에서는 MnS 석출물을 결정립성장 억제제로 사용하지 않기 때문에 Mn의 함량을 적극적으로 억제하는 것이 바람직하다. 매우 이상적인 방법은 Mn을 첨가하지 않는 것이나 제강과정에서 불가피하게 첨가된다면 그 첨가량은 0.08%이하로 제한하는 것이 바람직하다. Mn이 0.08%를 초과하여 첨가되면 MnS가 석출되므로 S가 단독으로 입계 편석되는 효과가 떨어지게 되며 FeS 석출도 어려워지게 된다. 더욱이 MnS 석출물을 이용하여 2차재결정을 형성한다 하여도 이후 순화소둔 공정에서 MnS 분해에 많은 시간이 소요되고 최종제품에 석출물로서 잔류하여 철손을 상승시키는 원인이 될 수 있으므로 Mn의 함량은 0.08%이하로 관리하는 것이 바람직하다.
N은 Si 및 Al과 반응하여 Si3N4과 AlN석출물을 형성하는 원소로서, 본 발명에서는 질화물 형성을 적극적으로 억제하여야 한다. Si3N4의 경우 석출물 분해온도가 800℃ 내외로서 1차재결정립의 결정성장을 억제하는 효과가 없으며 황(Sulfur)의 입계편석에 의한 2차재결정 형성에도 큰 영향을 미치지는 않는다. AlN의 경우 강중에 존재하게 되면 고용온도가 높기 때문에 2차재결정 형성에 영향을 미치게 되고, 아울러 AlN제거를 위한 고온의 순화소둔시간이 길어지게 된다. 따라서, N 함량은 가급적 적으면 적을수록 좋으며 소강단계에서 0.0005 ~ 0.005% 범위내에서 관리하는 것이 중요하다.
C는 오스테나이트 안정화 원소로서, 900℃ 이상의 온도에서 상변태를 일으켜 연주과정에 발생하는 조대한 주상정 조직을 미세화하는 효과와 더불어 S의 슬라브 중심편석을 억제한다. 또한 냉간압연 중에 강판의 가공경화를 촉진하여 강판내에 {110}<001>방위의 2차재결정 핵 생성을 촉진하기도 한다. 따라서 첨가량에 큰 제약은 없으나 0.001%미만으로 함유되면 상변태 및 가공경화 효과를 얻을 수 없고, 0.2%를 초과하여 첨가하게 되면 열연 엣지-크랙(edge-crack) 발생으로 작업상에 문제점과 아울러 냉간압연 후 탈탄소둔시 탈탄공정의 부하가 발생하므로 첨가량은 0.001~0.2%가 바람직하다.
S는 본 발명의 핵심 원소로서, 단독으로 입계에 편석함과 동시에 결정립계에서 FeS 석출물을 형성하여 결정립계의 이동을 강력히 억제함으로서 {110}<001>방위의 2차재결정 가능하게 한다. 가장 이상적으로는 순수하게 S가 단독으로 존재하거나 FeS를 형성하기에 필요한 함량으로서 S는 0.002~0.05%로 첨가되는 것이 바람직하나, 불가피하게 Mn이 혼입되어 함유되는 경우에는 MnS를 형성하고 남아 있는 S의 함량이 적어도 0.002% 이상이 되도록 제강단계에서 S는 0.005%이상으로 첨가시키는 것이 특별히 바람직하다. 따라서 S는 0.002~0.05%, 그리고 보다 바람직하게는 0.005~0.05%의 범위로 첨가한다. 만약, S가 0.002%미만으로 첨가되거나 MnS와 반응하지 않고 단독으로 존재하는 S가 0.002%미만이 되면 입계 편석이나 석출물 효과가 부족하며, 0.05%를 초과하여 첨가하게 되면 열간압연 단계에서 적열취성에 의한 엣지-크랙(edge-crack) 발생으로 열간압연 작업이 어렵게 된다.
아울러, 제강단계에서 S를 0.005~0.05%의 범위로 첨가하게 되면 최종제품에 S가 잔류하게 되는데, 이때 최종제품에서 잔류하는 S의 함량은 0.0005wt%이상이 된다. S는 최종소둔 공정에서 2차재결정을 형성하고 난 후에 H2 개스분위기와 반응하여 H2S개스로 강판에서 자연스럽게 제거되지만, 고온소둔 방법에 따라서 일부 잔류하게 된다. 이렇게 잔류하는 S는 주로 입계에 존재하게 되며, 최종제품의 자기특성에 나쁜 영향을 미치지는 않는다. 이러한 S의 특성이 본 발명을 가능하게 하는 중요한 이유 중에 하나이며, 최종제품에서는 S가 최소 0.0005wt%이상 잔류하게 되고, 최대의 S 잔류함량은 고온소둔 방법에 따라서 다르기 때문에 특별히 제한하지 않는다.
상기 설명한 합금원소외에, S의 입계 편석이나 FeS 석출물의 결정립성장 억제효과를 저해하지 않는 한 다른 합금원소들 즉, Se, Te, P, Sn, Sb, Bi 그리고 B 등이 첨가되어 입계편석과 함께 석출물을 형성함으로서 결정성장 억제력을 발휘하는 것도 본 발명의 범위에 포함된다.
이하에서는 본 발명의 자성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법에 대하여 설명한다.
제강단계에서는 AlN 석출물 형성원소인 N의 함량을 최대한 낮게 관리하는 것이 필요하며, 본 발명에서 필요한 단독의 S 혹은 FeS를 많이 형성시키기 위해서는 MnS의 석출이 최대한 억제되도록 하여야 한다. 그러기 위해서는 가급적 Mn의 함량도 낮게 관리하는 것이 필요하다. 그리고, 비저항을 증가시키는 Si의 첨가 및 조직균일화를 위한 C의 첨가와 결정성장 억제력을 얻기 위해서 필요한 S의 첨가 이외에 필요에 따라 {110}<001> 집합조직 형성에 유리한 Se, Te, P, Sn, Sb, Bi 그리고 B 등의 합금원소를 첨가하는 것도 본 발명에 효과적이다. 제강단계에서 성분이 조정된 용강은 연속주조를 통하여 슬라브로 제조된다. 이후의 슬라브 가열은 타강종의 슬라브 가열조건과 간섭이 일어나지 않도록 슬라브 가열온도를 정하면 된다. 따라서 슬라브의 가열은 1050~1300℃의 온도로 행하는 것이 바람직하다.
소정의 온도로 슬라브를 가열한 다음 열간압연을 실시하며, 최종 냉간압연단계에서 50~95% 의 압연율을 적용하여 최종 제품두께로 제조할 수 있도록 열간압연으로 1.5~4.0 mm 두께의 열연판으로 제조할 수 있다.
열간압연된 열연판은 필요에 따라 열연판 소둔을 실시하거나 열연판 소둔을 실시하지 않고 냉간압연을 수행한다. 열연판 소둔을 실시하는 경우 열연조직을 균일하게 만들기 위해서 900℃ 이상의 온도로 가열하고 적정시간 동안 균열한 다음 냉각한다.
이후 냉간압연은 리버스(Reverse) 압연기 혹은 텐덤(Tandom) 압연기를 이용하여 1회의 냉간압연 혹은 중간소둔을 포함하는 2회 이상의 냉간압연법으로 하여 최종제품 두께의 냉연판이 제조되도록 실시한다. 냉간압연중에 강판의 온도를 100℃ 이상으로 유지하는 온간압연을 실시하는 것은 자성을 향상시키는데 유리하다.
냉간압연이 끝난 후에는 탈탄소둔을 실시한다. 탈탄소둔은 탈탄이 잘 일어나도록 750℃ 이상의 온도에서 30초 이상 유지함으로서 강판의 탄소함량을 약 0.0030%이하로 감소시키도록 할 수 있으며, 이와 동시에 강판 표면에 적정량의 산화층을 형성시키게 된다. 탈탄소둔과 더불어 변형된 냉간압연 조직은 재결정하게 되고 적정크기까지 결정성장하게 되는데, 이때 재결정립의 크기는 5㎛이상 성장할 수 있도록 탈탄소둔 온도과 균열시간을 조정하면 된다.
탈탄 및 재결정 소둔을 행한 이후에는 통상적으로 소둔분리제인 MgO를 도포하고 수소와 질소의 혼합개스 분위기속에서 2차재결정 소둔을 실시하게 된다. 본 발명의 특징은 AlN, MnS 석출물을 사용하지 않고 S의 편석 및 FeS 석출물을 이용하기 때문에 2차재결정 형성온도가 낮으며, 기존의 1200℃ 고온에서의 30시간 정도의 장시간 순화소둔이 필요없다. 따라서, 2차재결정 소둔은 1000℃ 이상의 온도에서 최소 1시간 이상의 단축된 순화소둔을 실시하는 것이 가능하다. 단축된 2차재결정 고온소둔은 10℃/hr 이상의 승온율로 승온하여 {110}<001> Goss 방위의 2차재결정을 일으키고 이후 짧은시간동안 불순물 제거과정인 순화소둔을 거친 다음 냉각하면 된다. S의 경우 소둔분위기 개스인 수소개스와 반응하여 H2S로 쉽게 제거되기 때문에 짧은 순화소둔시간에도 자기특성에 영향을 미칠만큼 잔류하지 않는다. 그러므로 순화소둔 온도는 1000℃ 이상으로 하는 것으로 충분하며, 순화소둔에 필요한 시간은 순화소둔 온도에 따라 좌우되나, 약 1000~1200℃의 온도에서 1시간 이내의 균열처리 만으로도 극히 우수한 자성을 갖는 방향성 전기강판을 제조할 수 있다.
이러한 제조공정을 통해서 Al함량을 0.01~3.0% 증량하였을 때, Al의 비저항 증가 효과에 의해서 주파수 50Hz, 1.7Tesla의 자장하에서 방향성 전기강판에 의해 발생되는 철손이 1.0W/kg 이하인 우수한 저철손 특성을 갖는 방향성 전기강판을 제조할 수 있게 된다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러한 하기한 실시예는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
하기의 표 1에서와 같이 C, Si, Mn, S, Al 및 N 그리고 잔부 Fe 기타 불가피하게 혼입되는 불순물로 이루어지는 성분계를 진공용해하여 잉곳을 제조하고, 이어서 잉곳을 1250℃의 온도로 가열한 다음 두께 2.3mm가 되도록 열간압연하였다. 열간압연된 열연판은 900℃의 온도로 가열한 후 180초간 균열하여 열연판 소둔하였다. 이어서 열연판 소둔된 강판을 냉각시킨 후 산세한 다음, 냉간압연하여 두께 0.30mm의 냉연판으로 제조하였다. 냉간압연된 강판은 습한 수소와 질소의 혼합개스 분위기 속에서 810℃의 온도로 180초간 유지하여 탈탄 및 1차 재결정 열처리하였다. 탈탄 및 1차 재결정된 강판을 소둔분리제인 MgO로 도포한 후 코일상으로 최종소둔하였다. 최종소둔은 1200℃까지는 5%질소 및 95%수소의 혼합개스 분위기로 하였고, 1200℃ 도달후에는 100% 수소개스 분위기에서 1시간 동안 균열한 후 노냉하였다. Al함량의 변화에 따른 방향성 전기강판의 비저항 및 자기특성을 측정하여 하기의 표 1에 나타내었다.
Figure 112013117921144-pat00001
표 1을 참고하면, 비교재 2와 3를 제외하고 모든 조성에서 고스 방위의 2차재결정이 형성된 것을 확인할 수있고, Al 함량이 증가함에 따라서 철손이 현격하게 감소하는 것으로 나타났다. 비교재 2의 경우 Al함량이 너무 높아서, 냉간압연시 판파단 및 압연성 열위로 2차재결정 형성이 불안정하여 자속밀도가 매우 낮았으며, 그럼에도 불구하고 철손은 상대적을 양호한 결과를 얻었다. 비교재 1의 경우는 첨가는 Al함량이 너무 낮아서 Al 증가에 따른 철손감소 효과가 거의 없었으나, 발명재 1~8에서와 같이 Al함량이 증가할수록 2차재결정만 확실히 형성된다면, 철손은 급격하게 감소하는 것으로 나타났다. 한편, 비교재 3의 경우 Mn 함량이 본 발명의 범위를 넘어서는 경우, 본 발명의 특징인 S편석 및 FeS 석출물 형성이 어려워져서 2차재결정 형성이 불가능하여 자속밀도 및 철손 특성이 매우 열위한 것을 확인할 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (28)

  1. 중량%로, Si를 2.0~4.5%, C를 0.001~0.20%, Al를 0.053~ 3.0%, Mn를 0.001~0.08%, N를 0.0005~ 0.005%, S를 0.002~0.050% 함유하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 혼입되는 불순물로 이루어지는 슬라브를 가열하는 단계;
    상기 슬라브를 열간압연하여 열연강판을 제조하는 단계;
    상기 열연강판을 냉간압연하여 냉연강판을 제조하는 단계;
    상기 냉연강판을 탈탄소둔 및 1차 재결정 소둔하는 단계; 및
    상기 탈탄소둔 및 1차 재결정 소둔이 완료된 냉연강판을 2차 재결정 소둔하는 단계를 포함하는 방향성 전기강판의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2차 재결정 소둔하는 단계는 결정립 성장 억제제로서 S 편석, FeS 석출물 또는 이들의 조합을 사용하는 방향성 전기강판의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 2차 재결정 소둔하는 단계는 10℃/hr 이상의 승온율로 승온하여 {110}<001> 고스 (Goss) 방위의 2차 재결정을 일으키는 단계를 포함하는 방향성 전기강판의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 2차 재결정을 일으키는 단계 이후 1,000 내지 1,200℃의 온도에서 순화소둔을 실시하는 단계를 포함하는 방향성 전기강판의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 순화소둔은 1시간 이하 동안 실시되는 방향성 전기강판의 제조방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 2차 재결정 소둔하는 단계에서 2차 재결정 개시온도는 1,000 ℃ 이하인 방향성 전기강판의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 열간압연에 따라 제조된 열연강판을 열연판 소둔하는 단계를 더 포함하는 방향성 전기강판의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 슬라브의 가열은 1,050 내지 1,300 ℃의 온도에서 실시되는 방향성 전기강판의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 열간압연에 따라 제조된 열연강판은 두께가 1.5 내지 4.0 mm인 방향성 전기강판의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 냉간압연은 1회의 냉간압연 또는 중간소둔을 포함하는 2회 이상의 냉간압연인 방향성 전기강판의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 냉간압연 중에 강판의 온도를 100 ℃ 이상으로 유지하는 온간압연을 실시하는 단계를 포함하는 방향성 전기강판의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 탈탄소둔은 750 ℃ 이상의 온도에서 30초 이상 유지하는 단계를 포함하는 방향성 전기강판의 제조방법.
  13. 중량%로, Si를 2.0~4.5%, C를 0.001~0.20%, Al를 0.053~ 3.0%, Mn를 0.001~0.08%, N를 0.0005~ 0.005%, S를 0.002~0.050% 함유하고 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 혼입되는 불순물을 함유하는 슬라브로 제조되며,
    결정립 성장 억제제로서 S 편석, FeS 석출물 또는 이들의 조합이 사용되는 방향성 전기강판.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 슬라브에 함유되는 상기 S 함량이 중량%로 0.005~0.050%이고 최종산물에 잔류하는 S 함량이 중량%로 0.0005% 이상인 방향성 전기강판.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 S가 상기 Mn과 미반응 상태에서 단독으로 입계에 편석되는 방향성 전기강판.
  16. 제15항에 있어서,
    Se, Te, P, Sn, Sb, Bi 및 B로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 합금원소가 더 포함된 방향성 전기강판.
  17. 제16항에 있어서,
    결정립 성장 억제제로서 AlN 및 MnS을 사용하지 않고 {110}<001> 방위의 2차 재결정이 형성되는 방향성 전기강판.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 전기강판은 상기 슬라브를 열간압연하여 열연강판을 제조하는 단계; 상기 열연강판을 냉간압연하여 냉연강판을 제조하는 단계; 상기 냉연강판을 탈탄소둔 및 1차 재결정 소둔하는 단계; 및 상기 탈탄소둔 및 1차 재결정 소둔이 완료된 냉연강판을 2차 재결정 소둔하는 단계를 거쳐 제조된 방향성 전기강판.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 2차 재결정을 일으키는 단계 이후 1,000 내지 1,200℃의 온도에서 순화소둔을 실시하는 단계를 추가로 거쳐 제조된 방향성 전기강판.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 순화소둔은 1시간 이하 동안 실시되는 방향성 전기강판.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 2차 재결정 소둔하는 단계에서 2차 재결정 개시온도는 1,000 ℃ 이하인 방향성 전기강판.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 열간압연에 따라 제조된 열연강판을 열연판 소둔하는 단계를 더 거쳐 제조된 방향성 전기강판.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 슬라브의 가열은 1,050 내지 1,300 ℃의 온도에서 실시되는 방향성 전기강판.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 열연강판은 두께가 1.5 내지 4.0 mm인 방향성 전기강판.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 냉간압연은 1회의 냉간압연 또는 중간소둔을 포함하는 2회 이상의 냉간압연인 방향성 전기강판.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 냉간압연 중에 강판의 온도를 100 ℃ 이상으로 유지하는 온간압연을 실시하여 제조되는 방향성 전기강판.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 탈탄소둔은 750 ℃ 이상의 온도에서 30초 이상 유지시는 단계를 포함하여 제조되는 방향성 전기강판.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 방향성 전기강판은 주파수 50Hz, 1.7 Tesla의 자장 하에서 방향성 전기강판에 의해 발생되는 철손이 1.0W/kg 이하인 방향성 전기강판.
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