KR101605793B1

KR101605793B1 - 방향성 전기강판 및 그 자구미세화 방법

Info

Publication number: KR101605793B1
Application number: KR1020150110253A
Authority: KR
Inventors: 심호경; 최병섭; 권오열
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2015-08-04
Filing date: 2015-08-04
Publication date: 2016-03-23
Also published as: KR20150093143A

Abstract

본 발명은 방향성 전기강판의 자구미세화 방법에 관한 것으로, 전기강판의 표면에 레이저 빔을 조사하는 자구미세화 방법에 있어서, 상기 레이저 빔에 의한 조사선과 압연방향이 이루는 각(β)이 84~88° 또는 92~96°가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 방향성 전기강판의 자구미세화 방법이 개시된다.

Description

방향성 전기강판 및 그 자구미세화 방법{GRAIN-ORIENTED ELECTRICAL STEEL SHEET AND METHOD FOR REFINING MAGNETIC DOMAINS THEREIN}

본 발명은 방향성 전기강판의 자구미세화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압연방향에 대하여 비스듬하게 레이저빔을 조사함으로써 자구미세화하는 방법 및 자구미세화된 방향성 전기강판에 관한 것이다.

변압기의 철심 소재로 사용하는 전기강판은 자기장의 이동 경로로 이용되며, 이때 전기강판에서 발생하는 손실을 철손이라 부른다. 종래의 기술은 대부분 철손을 줄이기 위한 전기강판 제조에 관한 것이다.

그러나, 최근에는 변압기 소음에 대해 국제 규격 강화 및 저소음 경쟁 심화로 인해 저소음 변압기용 철심 소재를 개발할 필요성이 대두되었다. 전기강판에 자기장이 흐르면 수축과 팽창을 반복하는 일련의 떨림이 발생하며 이를 자기변형(자왜)이라 하는데, 이 떨림으로 인해 변압기에서 진동과 소음이 야기된다.

만약, 권선(구리도선)을 통해 전류를 인가하면 전기강판에 자기장이 발생하고, 측정 대상인 전기강판에 도 4에서와 같은 자기장이 흐르면, 도 5에서와 같이 구조적인 수축과 팽창의 일련의 자기변형(혹은 자왜)이 반복적으로 발생한다.

종래의 자기변형 측정은 진폭(vibration amplitude)을 측정하였으며, 주요 지표는 Zero-peak(λ_op)이라는 값을 관찰하였다. Zero-peak(λ_op)은 강판에 자기장이 없는 자유상태를 zero점으로 정의하고, 외부에서 자기장을 가했을 때 강판이 최대 수축한 길이 혹은 최대 팽창된 길이를 나타낸다. 수축과 팽창된 길이가 동일한 경우가 있으나 도 5에서와 같이 대부분 동일하지 않다. 그리하여 zero-peak 은 전체 진폭을 나타내지 못한다.

따라서 도 5와 같이 peak-peak(λ_pp) 값을 관찰하기도 한다. Peak-peak(λ_pp) 은 강판의 전체 진폭을 나타내기 때문에 떨림의 크기를 이해하는 척도로 활용할 수 있다. peak-peak(λ_pp) 은 진동 크기을 나타내는 척도로는 충분하나 소음을 평가할 수 있는 지표로 활용하기 어렵다. 그 이유는 소음은 시간 영역(time domain)의 응답(response)을 푸리에 변환(Fourier transform)을 통해 주파수 영역(frequency domain)의 응답 데이터인 스펙트럼(spectrum)으로 변환하고 이를 가청 대역의 응답성(A-가중 데시벨, A-weighted decibels)을 반영하여 가청 대역의 음압(sound pressure)을 평가하기 때문이다.

방향성 전기강판에 열로 발생하는 손실인 철손을 줄이기 위해, 강판 표면에 레이저를 조사하여 일시적으로 자구를 미세화하거나 자구미세화 롤을 이용한 기계적 방법으로 영구 자구미세화하는 방법 등이 있다. 종래에는 레이저 빔을 이용하여 도 2에서와 같이 압연 수직 방향으로 자구를 미세화하였다. 이 경우, 자구(magnetic domain)가 미세화(refinement)되어 단판 떨림이 감소하는 효과도 일부 나타난다. 자구미세화 기술은 전기강판 제품의 대표 규격인 철손을 줄일 목적으로 제조 공정 기술을 구성하기 때문에, 자기변형에 대한 연구 및 소재 개발이 부족할 뿐만 아니라 종래의 자구미세화 조건이 자기변형을 감소시키는 조건과 상이할 수 있다. 그리하여 일시 자구미세화 전기강판의 경우 철손은 우수하나 떨림이 심해 소음이 커지는 문제가 있었다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명은 레이저 빔을 압연방향과 수직 방향 전후로 조사함으로써 전기강판의 자구를 미세화하는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 전기강판의 표면에 레이저 빔을 조사하는 자구미세화 방법에 있어서, 상기 레이저 빔에 의한 조사선과 압연방향이 이루는 각(β)이 84~88° 또는 92~96°가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 방향성 전기강판의 자구미세화 방법이 제공될 수 있다.

상기 조사선의 간격은 5.0 ~ 6.0mm인 것을 특징으로 하며, 상기 레이저 빔의 주파수는 100Hz~8.5kHz 인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면 전기강판의 압연방향과 수직 방향에서 벗어나도록 조사선을 형성함으로써 자기변형 및 철손을 개선시킬 수 있다.

도 1은 방향성 전기방향의 자구미세화 장치의 개략도이다.
도 2는 종래의 자구미세화를 위해 레이저빔이 조사된 전기강판의 모습이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 레이저빔이 조사된 전기강판의 모습니다.
도 4는 방향성 전기강판을 자화시키는 자기장 정현파 파형이다.
도 5는 정현파의 자기장으로 자화시켰을 때 전기강판의 자기변형 파형이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기강판의 주파수에 따른 자기변형량을 나타낸 그래프이다.
도 7은 상기 도 6의 그래프를 로그(log) 스케일로 변환 후 A-가중 데시벨(A-weighted decibels)을 적용한 주파수 응답 데이터 그래프이다.

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.

본 발명은 방향성 전기강판에 임의의 각도로 레이저를 조사하여 강판의 자구를 미세화하는 기술로, 도 1은 방향성 전기강판의 자구미세화 장치의 개략도인데, 레이저 미러(10)를 향해 입사하는 레이저 빔(15)의 각도를 임의로 변경 가능 하도록 상기 레이저 미러(10) 하단에 정밀 모터(미도시)를 장착하고 이를 전산 패널에서 조절할 수 있도록 장치를 구성한다. 이때, 전기강판(50)의 하부에는 서포트롤(20)이 상기 전기강판(50)과 접촉된 채로 지지하고 있다. 이와 같은 방식으로 레이저 조사선(30)이 전기강판(50)의 표면에 형성되어 자구를 미세화하게 된다.

본 발명의 일실시예에서는 전기강판의 레이저 조사각은 압연방향으로부터 84~88° 또는 92~96° 내에서 조절한다. 이때, 자기변형을 최소화 하는 각도는 86°, 94°이다.

본 발명의 일실시예에 따르면 방향성 전기강판의 철손을 줄이기 위한 종래의 자구미세화 기술을 변압기 소음 저감 관점으로 접근하여 자기변형을 감소시킬 수 있는 자구미세화 방법을 제공한다. 도 2는 종래의 자구미세화를 위해 레이저빔이 조사된 전기강판의 모습인데, 도 2를 참조하면 종래에는 압연방향과 조사선(30)이 이루는 각(α)이 약 90°를 이루었다.

그러나, 본 발명의 일실시예에서는 압연방향과 레이저 조사선(30)이 이루는 각(β)을 84~88° 또는 92~96°가 되도록 비스듬히 조사선(30)을 형성하여, 자기변형으로 인한 소음을 줄일 수 있도록 하였다. 이에 대해서는 도 3에 도시하였다.

상기 수치 범위를 보다 구체적으로 살펴보면, 압연방향과 레이저 조사선(30)이 이루는 각(β)의 크기는 84~96°의 범위에서 수직에 가까운 88~92°를 제외한 각임을 알 수 있다.

이는 88~92°의 각은 종래의 기술과 유사한 것으로 레이저 조사선(30)이 비스듬히 형성되지 않아 소음을 줄이는 데 큰 효과가 없기 때문에 이를 제외한 것이다. 반면, 상기 β의 크기가 84°보다 작거나, 96°보다 큰 경우에는 자구미세화의 효과가 미미해질 수 있으므로 본 발명의 실시예에서는 압연방향과 레이저 조사선(30)이 이루는 각을 상기 범위로 한정한다.

도 4는 방향성 전기강판을 자화시키는 자기장 정현파 파형을 나타낸 것인데, 방향성 전기강판 시편에 도 4와 같은 1 사이클(cycle)의 정현파 자기장을 생성시키면, 도 5에서와 같이 자기변형은 2 사이클로 진동하는 패턴의 변형이 생긴다. 현재까지 관측했던 자기변형량은 도 5의 진폭(λ_0p , λ_pp )이다. 그러나, 소음은 가청 대역의 주파수 응답 특성을 기준으로 평가하기 때문에 시간 영역의 진동량으로는 절대 평가가 어렵다.

따라서 본 발명의 일실시예에서는 도 5의 시간영역의 자기변형량을 푸리에 변환을 통해 도 6에서와 같이 주파수 분석을 실시하였다. 이를 로그(log) 스케일로 변환 후 가청 대역의 응답성(A-가중 데시벨, A-weighted decibels)을 반영하여 나타낸 것이 도 7의 그래프이다. 도 7의 주파수 응답을 합산하면 자기변형(dBA)으로 나타낼 수 있다.

자기변형 dBA가 단판 떨림에 의해 발생한 소음 dBA와 어떤 상관관계가 있는지 확인하기 위해, 방향성 전기강판 상단 20cm 위에 마이크로폰을 설치하여 실시간 모니터링을 실시하였다. 이때, 자기변형 dBA(λ_dBA) 는 소음 dBA 에 1.5 배 곱한 수치로 나타났다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 대하여 보다 구체적으로 설명한다. 레이저 미러를 통해 나온 레이저 빔을 0.27mm 두께의 방향성 전기강판의 표면에 조사하여 자구미세화를 실시하고, 동일한 방향성 전기강판 원판에 종래의 압연 직각 방향으로 레이저 조사선을 형성하고, 이후 원판에 대해서는 88°, 86°, 84°, 82° 방향으로 조사선을 형성하였다. 이때 조사선 간격은 5.0 ~ 6.0mm 이며 레이저 빔의 인입에너지는 80~90 mJ/mm² 범위 내에서 조절하였다. 그 결과, β각이 90°인 경우에 비하여 본 발명의 실시예인 경우에 자기변형 및 철손 모두 개선율이 높았으며, 특히 84°의 조건에서 가장 높았다.

본 발명의 실시예에서는 레이저 빔의 발진 주파수(fL)가 100Hz 미만이거나 8.5kHz 초과인 경우는 동일한 레이저 출력, 조사거리, 라인속도에서 그루브 깊이는 변화가 나타나지 않기 때문에, 고속의 라인속도에는 적용할 수 없으므로 레이저 빔의 발진 주파수는 100Hz~8.5kHz로 한정한다.

그리고, 상기 레이저빔에 의한 열영향부의 영향을 최소화시키기 위하여 조사선의 간격은 5.0 ~ 6.0mm로 한정한다.

본 발명의 실시예를 표 1에 나타내었다.

재료	제조 조건		실험 결과 (측정 조건 : 1.7T, 50Hz)			실험 결과	비고
재료	제조 조건		λ_PP [nm]	λ_dBA [dBA]	W17/50 [W/kg]	B8 [T]	비고
A	원판		1010	57.9	0.947	1.92	원판 특성
	자구미세화	90도	345	56.33	0.874	1.918	비교예(종래)
		88도	376	56.2	0.862	1.917	발명예
		86도	310	55.6	0.854	1.918	발명예
		84도	356	56.12	0.863	1.918	발명예
		82도	399	56.3	0.88	1.91	비교예
B	원판		987	56.87	0.94	1.919	원판 특성
	자구미세화	90도	335	55.32	0.893	1.915	비교예(종래)
		88도	341	54.56	0.883	1.916	발명예
		86도	306	54.4	0.878	1.918	발명예
		84도	318	54.7	0.875	1.917	발명예
		82도	367	54.6	0.889	1.915	비교예

상기와 같이 방향성 전기강판에서 발생하는 자기변형이 소음에 기인한 영향도를 판별하기 위해서는, 종래의 지표(측정값)인 zero-peak이나 peak-peak을 참고는 하되 주요 지표는 자기변형 dBA(λ_dBA)를 활용하였다. 진동량을 도 5와 같이 시간 데이터로 취득하고, 푸리에 변환을 통해 도 6에서와 같이 주파수 응답 데이터로 변환한 후, 이를 A-가중 데시벨을 적용하여 도 7에서와 같이 자기변형 dBA(λ_dBA)로 변환하여 전체 범위에 대한 [dBA]을 산출하였고, 표 1에서와 같이 레이저 빔의 조사 전(원판)과 조사 후(88°,86°,84°)의 자기변형 dBA(λ_dBA) 값의 차이가 1.7 ~ 2.47 범위로 낮아진다.

이상 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.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

전기강판의 표면에 레이저 빔을 조사하는 자구미세화 방법에 있어서,
상기 전기강판의 진동과 소음을 저감하기 위하여, 상기 레이저 빔의 인입에너지를 80~90 mJ/mm² 으로 조사하고, 상기 레이저 빔에 의한 조사선과 압연방향이 이루는 각(β)이 84~86°이 되도록 상기 레이저 빔을 조사하여 자구미세화하되,
상기 레이저 빔의 조사 전과 조사 후, 상기 전기강판의 자기변형 dBA(λ_dBA) 값의 차이가 1.7 ~ 2.47 범위로 낮아지고,
상기 레이저 빔의 주파수는 100Hz~8.5kHz 이고,
상기 전기강판의 두께는 0.27mm인 것을 특징으로 하는 방향성 전기강판의 자구 미세화 방법.
전기강판의 표면에 레이저 빔을 조사하는 자구미세화 방법에 있어서,
상기 전기강판의 진동과 소음을 저감하기 위하여, 상기 레이저 빔의 인입에너지를 80~90 mJ/mm² 으로 조사하고, 상기 레이저 빔에 의한 조사선과 압연방향이 이루는 각(β)이 94~96° 이 되도록 상기 레이저 빔을 조사하여 자구미세화하되,
상기 레이저 빔의 조사 전과 조사 후, 상기 전기강판의 자기변형 dBA(λ_dBA) 값의 차이가 1.7 ~ 2.47 범위로 낮아지고,
상기 레이저 빔의 주파수는 100Hz~8.5kHz 이고,
상기 전기강판의 두께는 0.27mm인 것을 특징으로 하는 방향성 전기강판의 자구 미세화 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 조사선의 간격은 5.0 ~ 6.0mm인 것을 특징으로 하는 방향성 전기강판의 자구미세화 방법.
전기강판의 진동과 소음을 저감하기 위하여, 상기 전기강판의 표면에 레이저 빔의 인입에너지를 80~90 mJ/mm² 으로 조사하고, 상기 레이저 빔에 의한 조사선과 압연방향이 이루는 각(β)이 84~86° 또는 94~96° 으로 조사선이 형성되도록 자구미세화하여, 상기 레이저 빔의 조사 전과 조사 후, 상기 전기강판의 자기변형 dBA(λ_dBA) 값의 차이가 1.7 ~ 2.47 범위로 낮아지고, 상기 레이저 빔의 주파수는 100Hz~8.5kHz 이고,
상기 전기강판의 두께는 0.27mm인 것을 특징으로 하는 방향성 전기강판.
제4항에 있어서,
상기 조사선의 간격은 5.0 ~ 6.0mm인 것을 특징으로 하는 방향성 전기강판.