KR101617288B1 - 무방향성 전기강판 및 그의 생산방법 - Google Patents

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Abstract

낮은 철손 및 높은 투자율을 가지는 무방향성 전기강판 및 그의 생산방법이 개시된다. 전기강판의 주조 슬래브는 이하의 성분을 포함한다: Si: 0.1~2.0wt%; Al: 0.1~1.0wt%; Mn: 0.10~1.0wt%; C: ≤0.005wt%; P: ≤0.2wt%; S: ≤0.005wt%; N: ≤0.005wt%; 잔여량은 Fe 및 기타 불가피한 불순물. 전기강판의 투자율은 이하의 식들을 만족한다: μ10＋μ13+μ15≥13982-586.5P15/50;μ10＋μ13+μ15≥10000, 여기에서, P15/50 는 50Hz, 1.5T 의 자기유도하에서의 철손을 나타내며,μ10,μ13 및μ15 는 50Hz, 1.0T, 1.3T 및 1.5T 의 자기유도에서의 상대 투자율을 각각 나타낸다. 강판은 고효율 및 초고효율 전기모터를 생산하는데 사용될 수 있다.

Description

무방향성 전기강판 및 그의 생산방법 {Non-oriented Electrical Steel Plate and Manufacturing Process Therefor}
본 발명은 금속공학 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 무방향성 전기강판 및 그의 생산방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 낮은 제조비용, 낮은 철손, 높은 투자율 및 공업용 모터로의 적용이 가능한 것을 특징으로 하는 무방향성 전기강판 및 그의 생산방법에 관한 것이다.
세계의 여러 나라들에서 에너지 절약의 요건들이 점점 더 심해지면서, 모터의 효율 및 에너지 절약에 관하여 더 엄격한 요건들이 제시되고 있다. 모터의 효율을 향상시키기 위해서는, 그 손실이 감소되어야 한다. 모터의 손실은 대략 고정자및 회전자의 동손(銅損), 기본적인 철손(鐵損), 기계적 손실과 표류손이 있다. 그 중 동손과 철손이 전체 손실의 약 40% 및 20%를 점유하며 둘 다 전기강판의 자기유도 및 투자율에 관련이 있다. 전기강판의 자기유도와 투자율을 향상하는 것은 동손과 철손을 감소하는데 도움이 되고, 적은 철손 및 높은 투자율이 특징인 무 방향성 전기 강판은 고효율 모터 제조에 있어 선호하는 재료가 되었다.
일반적으로, Si, Al 및 기타 관련 있는 다른 원소들이 재료들의 전기 저항률을 증대시켜 철손을 감소시키도록 첨가된다. 예를 들면, 일본특허 JP-A-55-73819 호는 적절한 양의 Al 첨가와 어닐링 분위기를 조정함으로써, 강판 표면의 내부 산화물 층이 감소될 수 있고, 이에 의해 우수한 자기 특성을 달성한다는 것을 개시하고 있다. 비슷하게, 일본특허 JP-A-54-68716 및 JP-A-61-87823은 Al 이나 REM을 첨가하거나, 어닐링의 냉각속도를 최적화 하는 것 또한 자기 성능을 향상시키는 것을 개시하고 있다.
반면에, Si, Al 및 기타 관련 있는 다른 원소들만을 첨가하거나, 또는 자기 성능을 향상시키기 위하여 동시에 채택하는 것은 매우 제한된 효과를 얻을 수 있는데, 그 이유는 잘 알려져 있듯이, Si 와 Al의 첨가는 전기 강판의 자기유도와 투자율을 낮추게 되고, 그리하여 모터의 효율을 감소시킨다.
미국특허 4545827 호는 낮은 철손 및 높은 투자율을 가지는 무방향성 전기강판 생산 방법으로서, C 함량(wt%)이 조정되어 제품의 탄화물 석출을 제어하고 템퍼 압연 기술이 채택되어 3.5-5.0 ASTM 강자성체 결정립 및 용이하게 자기화되는 조직의 성분을 얻는 것이 개시된다. 그러나, 이 특허의 성분 시스템은 낮은 Si 및 높은 C를 특징으로 하며, 높은 C 함량은 자성 노화 및 철손 증가에 이르기 쉬울 수 있다.
미국특허 6428632 호는, 낮은 이방성 및 우수한 처리특성 및 고주파수 영역에 적용가능한 무방향성 전기강을 개시한다. 이 특허는 강판의 특성이 식 B50(L+C)≥0.03W15/50(L+C)+1.63 및 W10/400(D)/W10/400(L+C)≤1.2 의 조건을 만족할 것을 요함으로써 높은 효율(92% 이상)을 가지는 모터를 생산하도록 하고 있다. 그러나, 이 특허기술로 생산된 무방향성 전기강은 주로 고주파 로터리 모터에 사용되며, 이는 높은 생산단가를 요하고, 따라서 보통의 산업용 모터에 적용될 수는 없다.
따라서, 낮은 생산단가, 낮은 철손 및 높은 투자율을 가지며 산업용 모터에 적용될 수 있는 무방향성 전기강판을 개발하는 것은 광범위한 시장에서의 전망을 부여한다. 이러한 목적으로, 본 발명자들은 이하의 아이디어에 근거하여 연구개발 계획을 수립하였다: 열간 압연 공정의 공냉시간 및 최종 압연온도를 제어하고 철강 내의 함유물을 조대화함으로써, 열연 강판의 재결정화 백분비 및 결정립의 크기가 증가되며, 낮은 철손 및 높은 투자율의 무방향성 전기강판을 얻게 되고, 그에 의하여 통상의 산업용 모터의 효율을 개선할 뿐 아니라 고효율 및 초고효율 산업용 모터의 효율을 개선하는데 사용될 수 있다. 특히, 본 발명은 1.0~1.6T 의 작업 자속밀도를 가지는 산업용 모터를 생산하는데 적용될 수 있으며, 모터의 효율을 1% 씩 개선할 수 있는 무방향성 전기강판에 관한 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은, 주조 슬래브가:
Si: 0.1~2.0wt%; Al: 0.1~1.0wt%; Mn: 0.10~1.0wt%; C: ≤0.005wt%; P: ≤0.2wt%; S: ≤0.005wt%; N: ≤0.005wt%; 잔여량은 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며,
투자율이 이하의 식 (1) 및 (2):
μ10＋μ13+μ15≥13982-586.5P15/50 (1);
μ10＋μ13+μ15≥10000 (2)
를 만족하는 무방향성 전기강판을 제공하는 것이며,
여기에서, μ10,μ13 및μ15 는 50Hz, 1.0T, 1.3T 및 1.5T 의 자기유도에서의 상대 투자율을 나타내며; P15/50 는 50Hz, 1.5T 의 자기유도하에서의 철손을 나타내며, 식(1)에서의 P15/50 는 그의 실제적인 단위(W/kg)와 관계없이 무차원 수치로서 계산된다.
전기강판의 투자율은 이하의 식(3)을 만족하는 것이 바람직하다.
μ10＋μ13+μ15≥11000 (3).
상기 강판에 있어서, Sn 및/또는 Sb 가 실제적인 환경에 근거하여 선택적으로 첨가될 수 있으며, 이들의 전체 함량은 ≤0.3wt% 로 제어되어야 한다.
다시 말해서, 본 발명은 그의 주조 슬래브가:
Si: 0.1~2.0wt%; Al: 0.1~1.0wt%; Mn: 0.10~1.0wt%; C: ≤0.005wt%; P: ≤0.2wt%; S: ≤0.005wt%; N: ≤0.005wt%; Sn 및 Sb 의 어느 한쪽 또는 양자: ≤0.3wt%; 및 잔여량은 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 강판의 투자율이 이하의 식 (1) 및 (2)를 만족하고:
μ10＋μ13+μ15≥13982-586.5P15/50 (1);
μ10＋μ13+μ15≥10000 (2),
여기에서, μ10,μ13 및μ15 는 50Hz, 1.0T, 1.3T 및 1.5T 의 자기유도에서의 상대 투자율을 나타내며; P15/50 는 50Hz, 1.5T 의 자기유도하에서의 철손을 나타내며; 식(1)을 계산할 때, P15/50 는 그의 실제적인 단위(W/kg)와 관계없이 무차원 수치로서 계산된다.
본 발명의 다른 목적은 순서대로 제강, 열간 압연, 산 세척, 냉간 압연 및 어닐링의 단계들을 포함하는 상기 전기강판의 생산 방법을 제공하는 것이다.
바람직하게는, 본 발명의 생산방법은 열연 강판의 노멀라이징 처리 공정을 생략한다.
바람직하게는 본 발명의 생산방법에 있어서의 열간 압연 공정의 최종 압연 온도(FDT:final rolling temperature)는 이하의 식(4)를 만족한다:
830+42×(Si+Al)＜FDT＜880+23×(Si+Al) (4).
여기에서, Si 및 Al 은 각각 Si 및 Al 의 중량비를 나타내며, FDT 의 단위는 섭씨(℃)이다.
바람직하게는, 본 발명의 생산방법에 있어서의 열연 강판의 명목상 결정립 크기 D (직경)는 30㎛ 이상이며; 여기에서 D = R×d 이고, R 은 재결정화율을, 또한 d 는 열연 강판의 평균 재결정 결정립 크기(직경)을 나타낸다.
바람직하게는, 본 발명의 생산방법에 있어서는, 열간 압연 공정에 있어서의 중간 슬래브의 조압연의 마지막과 F1 프레임 내의 최종 압연의 시작 사이의 간격 t1 은 20초 이상으로 되도록 제어되고, 중간 슬래브의 조압연의 마지막과 층간 냉각 공정의 시작 사이의 간격 t2 는 5초 이상이 되도록 제어된다. 여기서 층간 냉각 공정은 고온 압연 강판이나 강판 상에서 층류에 의해 온라인 제어된 냉각공정을 의미한다.
바람직하게는, 본 발명의 강판은 산업용 모터, 특히 고효율 및 초고효율 산업용 모터를 생산하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 무방향성 전기강판은 낮은 생산단가, 낮은 철손 및 높은 투자율을 가지며, 이는 산업용 모터를 생산하는데 사용될 때 높은 비용가치를 가지는 재료이다. 또한, 본 발명의 생산방법에 있어서는, 기타 단계의 공정조건을 개선함으로써 열연 강판의 노멀라이징 처리가 생략될 수 있어서, 공정의 흐름을 단축시키고, 그에 따라 무방향성 전기강판의 제조단가를 감소하며 낮은 철손 및 우수한 투자율을 가진 제품을 얻을 수 있다. 실험결과는, 종래의 무방향성 규소강 제품으로 만들어진 모터들과 비교할 때, 본 발명을 통하여 생산된 제품으로 만들어진 모터는 적어도 1% 이상 효율개선이 있었으며, 전기에너지를 현저하게 절약할 수 있다.
도 1은 무방향성 전기강판의 μ10+μ13+μ15 및 P15/50 와 모터효율 사이의 관계를 나타내는 도면이다.
도 2는 자기유도 B50에 대한 A형 전기강판 및 B형 전기강판의 철손 P15/50 의 곡선도이다.
도 3은 열간 압연 강판의 금속조직학적 미세구조의 사진이다.
도 4는 열연 강판의 결정립 크기와 최종 강판 제품의 전체 투자율(μ10+μ13+μ15) 사이의 상관관계를 나타내는 모식도이다.
실시예
본 발명의 기술적인 제안점은 첨부된 도면을 참고하여 이하에서 상세하게 설명한다.
정의
중간 슬래브
강판의 열간 압연 공정에서 조압연의 후, 다듬질 압연의 전에 얻어지는 강 슬래브.
F1 프레임
연속 다듬질 압연밀중 처음 압연 밀. 일련의 A 형 다듬질 압연밀은 7개의 압연밀로 구성되며, 간략하여 F1-F7 이라 부른다.
명목상 결정립 크기
본 발명에 있어서의 결정립 크기 및 재결정화 백분비를 설명하기 위하여 사용된 지수로서, D 로 표시하며; 여기에서 D=R×d 이고, R 은 재결정화 백분비를 나타내고, d 는 열연 강판의 평균 재구성 결정립의 크기를 나타낸다.
본 발명의 원리
모터의 효율은 생산재질로서의 무방향성 전기강의 철손 P 및 자기유도 B 와 밀접하게 관련되어 있기는 하지만, 철손 P 및 자기유도 B는 서로 모순된 파라미터의 쌍이라 할 수 있다. 전기강판의 모터효율과 자기적 성능 사이의 연구에 있어서, 본 발명자들은 다양한 산업용 모터를 제조하기 위하여 다양한 브랜드의 전기강판을 사용하였다. 연구에서 개시한 바와 같이, 통상의 산업용 모터는 1.0T~1.6T 의 작업 자기유도를 가지며, 이는 이들의 작업 범위가 통상의 환경에서는 재료 B50 의 자기유도에 도달하지 않고 모터 효율의 판단이 B50 레벨을 통하여 전기강판의 자기성능을 평가함으로써 쉽게 이루어지지는 않는다. 예를 들어, P15 /50 이 동일하게 유지되고, A 형 전기강의 B50 = 1.75T이고 B형 전기강의 B50 = 1.70T 일 때, A 형 전기강으로 만들어진 모터는 보다 에너지 절약적이고 효율적인 것처럼 보인다. 하지만, 도 1에서 나타낸 바와 같은 상황은 실제로 발생할 수도 있다. 다시 말해서, 모터들이 동일한 방식으로 설계되었다는 가정하에서는, B형 재질로 만들어진 모터가 A형 재질로 만들어진 것보다 더 효율적이 될 것이다.
도 2는 무방향성 전기강판의 μ10+μ13+μ15 및 P15/50 와 모터효율 사이의 관계를 나타내는 도면이다. 사용된 모터는 30kW-2 모터이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 무방향성 전기강판의 투자율(μ10+μ13+μ15) 및 철손 P15/50 이 다음 식 (1) 및(2)를 만족시킬 때에는, 모터효율이 현저하게 개선된다:
μ10＋μ13+μ15≥13982-586.5P15/50 (1);
μ10＋μ13+μ15≥10000 (2).
여기에서, 식(1)을 계산할 때, 철손 P15/50 은 그의 실제 단위(W/kg)에도 불구하고 무차원 수치로서 계산된다.
전기강판의 자기적 성능과 결정립 구조 사이의 관계
본 발명자는 최종 강판 제품의 투자율에 대한 열간 압연 공정의 영향을 심도있게 연구하였으며, 열연 강판의 결정립의 크기와 전기강판의 투자율과의 사이에는 현저한 상관관계가 있음을 발견하였다. 무방향성 규소강의 열간 압연시에는, 한편으로는 강판과 로울러의 사이에는 비교적 높은 마찰력이 있게 되고, 이는 강판의 표면상에 다중의 제한, 복합응력 및 압력 상태와 높은 누적적인 에너지를 야기한다; 한편, 강판의 표면상의 온도는 중심부보다는 낮으며, 표면에 저장된 에너지의 증폭율이 가속되고, 동적인 회복율이 낮고, 에너지 소비율이 낮으며, 따라서 동적인 재결정화에 대한 에너지 조건 및 동적인 재결정 결정립 구조 형성에 부합된다; 중심부에서는, 동적인 회복율이 높고, 누적된 에너지가 낮고, 개결정화 파워가 낮으므로 동적인 재결정화를 하기에는 불충분하고, 도 3에 나타낸 바와 같이 최종 압연 후의 구조는 주로 변형된 결정립들이다.
강판의 최종 압연 후의 온도는 비교적 높기 때문에, 정적인 회복과 재결정화 및 결정립의 성장은 주로 후속의 공냉 공정을 통하여 발생하게 된다. 정정인 회복율은 변형 저장된 에너지, 축적실패된 에너지 및 온도에 관한 것이다; 변형 축적된 에너지가 높을수록, 축적실패된 에너지 및 온도가 높으며, 정적인 회복율도 높아진다. 정적인 재결정화율은 정적인 회복율, 결정립 경계이동 난이도 및 온도와 관계된다. 정적인 회복이 적절할수록, 결정립경계 이동이 어려워지고 온도가 낮을 수록, 정적인 재결정화율도 낮아진다(비록 재결정화가 발생하기 불가능하더라도).
전체적으로, 규소강 열연강판의 결정립 구조는 주로 동적인 회복, 동적 재결정화, 정적 회복, 정적 재결정화, 결정립 성장 및 기타 절차에 의하여 결정된다; 강판의 두께 방향(교차 영역)내에서 표면으로부터 중심으로의 구조분포는: 표면상에는 주로 동적인 재결정 결정립들의 보다 정적인 회복 상태이며; 중심부는 주로 동적으로 회복된 변형 결정립의 보다 정적인 회복 또는 정적인 재결정 구조이며; 표면으로부터 중심으로의 천이영역은 주로 부분적인 동적으로 회복된 변형 결정립의 정적인 회복 또는 정적인 재결정 구조 및 부분적인 동적 재결정 결정립으로 되어 있다.
상기 재결정화 메커니즘에 근거하여, 본 발명자들은 열간 압연 공정에서 재결정화 및 결정립의 크기에 직접 관련되는 많은 처리조건에 대하여 연구하였으며, 최종 압연 온도(FDT), 조압연의 마지막과 F1 프레임의 시작 사이의 중간 슬래브의 유지시간, 층간 냉각 공정전의 유지시간 등과 같은 몇몇 조건에 대한 개선점 및 제한을 이루었으며, 강판의 재결정화율 및 결정립의 조대화가 보장되어 우수한 자기적 성능을 달성할 수 있었다.
전기강의 자기적 성능과 열연 강판의 결정립 구조 사이의 관계를 특정화하기 위하여, 본 발명자등은 도 3에 나타낸 바와 같이 열연 강판의 결정립 크기를 정의하였으며, "열연 강판의 명목상 결정립의 크기"의 개념을 제안하였다. 본 발명에 있어서 열연 강판의 명목상 결정립의 크기 D = R×d 이며, 여기에서 R 은 재결정화율을, 또한 d 는 열연 강판의 평균 재결정 결정립 크기를 나타낸다.
상기 식으로부터, 재결정화율은 명목상 결정립의 크기와 직접 비례하는 것을 알 수 있다. 연구에서 발견된 바와 같이, 열연 강판의 명목상 결정립의 크기가 클 수록, 전기강판의 투자율도 높아진다.
강판의 낮은 철손의 장점을 일반적인 산업용 모터의 1.0T~1.6T 의 작업 자기유도 범위내로 유지하기 위하여, 조압연의 마지막과 F1 프레임의 시작 사이의 중간 슬래브의 유지시간, F7 프레임 처리후와 층간 냉각 공정 사이의 유지시간 및 최종 압연 온도는 강판의 열간 압연에서 최적화될 수 있어서, 강판의 재결정화율 및 결정립의 조대화를 보장하게 된다.
높은 투자율을 달성하기 위하여, 본 발명에서의 열연 강판의 명목상 결정립 크기는 30㎛ 이상이다. 한편, 본 발명에서의 열연 강판의 명목상 결정립은 200㎛ 이하이다.
전기강의 성분
본 발명에 있어서, 무방향성 전기강판의 상이한 성분은 전기강의 철손 및 자기적 성능상에 각각 상이한 영향을 미치며, 강판의 주조 슬래브는 다음의 조성을 포함한다:
Si : 강자성체 내에 용융되어 치환 고용체를 형성하고, 기판의 비저항을 개선하고 철손을 감소하기 때문에 전기강 내에서 가장 중요한 합금원소 중 하나이다. 하지만 Si 는 자기유도를 악화시킬 수 있고, Si 함량이 특정한 수준에 도달한 후에도 연속적으로 증가하게 되면, 철손 감소에 대한 Si 의 효과가 약해진다. 본 발명에 있어서, Si 함량은 0.1%~2.0% 로 제한된다. 만약 2.0% 보다 높으면, 전기강의 투자율이 고효율 모터의 요구에 맞추기가 어려워진다.
Al : 강자성체 내에 용융되어 기판의 비저항을 개선하고, 결정립을 조대화하고, 철손을 감소시키고, 탈산작용을 하고 질소를 고정하지만, 최종 강판 제품의 표면내에 산화물을 용이하게 야기하기도 한다. 1.5% 이상의 Al 함량은 제련, 주조 및 처리를 어렵게 하고, 자기유도를 감소할 수 있다.
Mn : Si 및 Al 과 유사하게, 강의 비저항을 개선하고 철손을 감소한다; 부가적으로 Mn 불가피한 불순물 원소인 S 와 결합하여 안정된 MnS 를 형성하고 자기적 특성에 대한 S 의 폐해를 없애준다. 부가적으로 고온취성을 방지하기 위하여, 강자성체 내에 용융되어 치환 고용체를 형성하고 철손을 감소한다. 따라서, 적어도 0.1%의 함량으로 Mn 을 첨가할 필요가 있다. 본 발명에서는, Mn 의 함량이 0.10%~1.50%로 제한된다. 만약 Mn 함량이 0.1% 미만이며, 상술한 효과들이 현저하지 않게 되며; 만약 Mn 함량이 1.50% 보다 높으면, Ac1 온도 및 재결정화 온도의 양자를 감소하여 열처리시에 α-γ상변환을 초래하며, 바람직한 조직을 열화시킨다.
P : 특정한 양의 인(0.2% 이하)을 강철에 첨가하면 강판의 가공성을 개선할 수 있지만, 만약 P 함량이 0.2%를 초과하면, 강판의 냉간 압연 가공성을 열화시킨다.
S : 가공성 및 자기 특성에 대해서 해로우며, Mn 과 함께 미세한 MnS 결정립을 형성하기 쉬워서, 다듬질된 제품의 어닐링된 결정립의 성장을 방해하고 자기 특성을 심하게 열화시킨다. 부가적으로, S 는 저융점 FeS 및 FeS2 를 형성하기 쉽고또는 Fe 와 함께 공정(共晶)을 형성하기 쉬우며 열간 가공 취성의 문제를 야기한다. 본 발명에 있어서는, S 의 함량이 0.005% 이하로 제한된다; 만약 함량이 0.003%를 초과하면, MnS 의 양을 현저하게 증가시키고 기타 S 화합물을 석출시켜서 결정립의 성장을 방해하고 철손을 증가한다. 바람직하게는 본 발명에서는 S 함량은 0.003% 이하로 제어된다.
C : C는 자기 특성에 해로우며, 입자의 성장을 심각하게 방해하는 원소이다. C는 또한 γ상 영역을 확장하는 원소이고, 과다한 양의 C는 노멀라이징 공정 에서 α 및 γ상 영역의 변환을 증대시키고, Ac1 점을 크게 감소시키며, 결정 구조에 미치는 제련 효과를 갖고, 철손 증가를 야기한다. 본 발명에서, C 함량은 0.005% 이하로 제한되며, 바람직하게는 0.003% 이하로 제어된다.
Mn 과 함께 미세한 MnS 결정립을 형성하기 쉬워서, 다듬질된 제품의 어닐링된 결정립의 성장을 방해하고 자기 특성을 심하게 열화시킨다. 부가적으로, S 는 저융점 FeS 및 FeS2 를 형성하기 쉽고또는 Fe 와 함께 공정(共晶)을 형성하기 쉬우며 열간 가공 취성의 문제를 야기한다. 본 발명에 있어서는, S 의 함량이 0.005% 이하로 제한된다; 만약 함량이 0.003%를 초과하면, MnS 의 양을 현저하게 증가시키고 기타 S 화합물을 석출시켜서 결정립의 성장을 방해하고 철손을 증가한다. 바람직하게는 본 발명에서는 S 함량은 0.003% 이하로 제어된다.
N : AlN과 같은 미세한 분산 질화물을 형성하기가 쉬우며, 결정립의 성장을 집중적으로 방해하고 철손을 악화시킨다. 본 발명에 있어서는 N 의 함량이 0.002% 이하로 제한된다; 만약 함량이 0.002% 를 초과하면, AlN의 양을 현저히 증가시키고 기타 N 화합물이 석출되며, 결정립의 성장을 광범위하게 방해하고 철손을 증가시킨다.
Sn, Sb : 활성 원소로서, 표면상에서 또는 표면 결정립 경계에서 분리될 때, 이들은 표면 내의 산화를 감소할 수 있고, 결정립의 경계를 따라서 강판내로 활성산소가 침투하는 것을 방지하며, 조직을 개선하고, [100] 및 [110] 성분을 증가시키고 [111] 성분을 감소시키며, 투자율을 현저하게 개선한다. 본 발명의 무방향성 전기강에 있어서는, Sn 및/또는 Sb 중 하나 또는 양자를 포함하는 것이 바람직하다. Sn 및 Sb 의 전체 함량이 0.04%~0.1% 의 범위내에 있게 되면, 자기적 성능이 현저하게 개선될 수 있다.
Fe : 전기강의 주 성분.
불가피한 불순물 : 현재의 기술적 조건 및 경제적 관점에서 완전히 제거할 수 없는 물질들은 어느 정도까지는 존재하도록 허용된다. 전기강 내의 불순물을 조대화하거나 또는 결정립 형성에 있어서 이들이 참여하기 용이하도록 함으로써 전기강의 자기적 성능이 개선될 수 있다.
전기강의 생산공정
낮은 생산단가, 낮은 철손 및 높은 투자율을 가지는 본 발명의 무방향성 전기강판은 그의 성분을 한정함으로써 생산되고 처리기술을 개선한다.
일반적으로 무방향성 전기강 제품을 생산하는 기본적인 공정은 이하의 단계를 포함한다:
1) 제강 공정: 베쎄머 제강(bessemerizing), RH 제련 및 연속 주조 공정을 포함하며, 연속주조 슬래브의 두께는 일반적으로 200mm~300mm 이다. 제품의 성분, 불순물 및 미세구조는 상기 공정의 수단에 의하여 엄격하게 제어될 수 있다. 그 외에도, 이 공정은 철강 내의 불가피한 불순물 및 잔여 원소들을 비교적 낮은 레벨로 제어하고, 강철 내의 함유물의 양을 감소하며, 이들 함유물을 조대화하고, 제품의 다양한 필요에 따라서 합리적인 단가로 고등축정의 주조 슬래브를 얻는 것을 도와준다.
2) 열간 압연 공정: 1,200℃ 이하의 다양한 온도에서 1) 단계에서의 다양한 강철로 만들어진 주조 슬래브의 가열, 조압연, 다듬질 압연, 층류냉각 및 냉각을 포함하며, 성능 및 품질의 우수성 면에서 최종 제품의 요구를 만족시킬 수 있는 열연 강판을 얻는다. 열연 제품은 일반적으로 두께가 1.5mm~3.0mm 이다.
조압연의 마지막과 다듬질 압연의 시작의 사이에 있어서, 중간 슬래브는 전송 및 보관(또는 정상 상태로 방치) 및 재결정화, 결정립 성장 및/또는 결정립 변형을 포함하는 공정을 통과할 필요가 있다. 그러한 공정의 시간 경과의 길이는 재결정화 분포 및 강판의 변화에 영향을 미칠 수 있다. 본 출원에 있어서, 그러한 시간 경과는 "조압연의 마지막과 F1 프레임의 시작 사이의 중간 슬래브의 전송 및 보관 시간" 또는 "조압연의 마지막과 F1 프레임의 시작 사이의 중간 슬래브의 유지시간"으로 불리우며, t1 으로 약칭된다.
그 밖에, 다듬질 압연후 층류 냉각의 전의 기간에 있어서, 중간 슬래브는 또한 전송 및 보관(또는 정상 상태로 방치) 및 재결정, 결정립 성장 및/또는 결정립 변형을 포함하는 공정을 통과할 필요가 있다. 그러한 공정의 시간 경과의 길이는 재결정화 분포 및 강판의 변화에 영향을 미칠 수 있다. 본 출원에 있어서, 그러한 시간 경과는 "층류 냉각의 전의 전송 및 보관 시간" 또는 "층류 냉각 전의 유지시간"으로 불리우며, t2 로 약칭된다.
3) 노멀라이징 및 산 세척 공정: 2) 단계로부터의 열연 강판의 연속 어닐링을 통한 고온 열처리를 포함한다. 노멀라이징 처리 공정은 질소 보호 및 철저한 처리제어를 채택하며, 샷 블래스팅 및 산처리 공정을 포함하며, 두께가 1.5mm~3.0mm 인 노멀라이즈드 로울을 생산하며; 상술한 공정은 우수한 마이크로 구조, 질감 및 표면 특성을 얻는데 채택될 수 있다.
4) 냉간 압연 공정: 3)단계로부터 노멀라이즈드된 강판 또는 2)단계로부터의 열연 강판의 가역 압연 또는 연속 압연을 포함한다. 냉연 제품은 두께가 0.2mm~0.65mm의 냉연 제품과 같은 사용자에 의하여 요구되는 바에 따라 얻어질 수 있다. 0.15mm~0.35mm 의 두께를 요구하는 제품에 대하여, 중간 어닐링 및 2차 냉간압연 공정이 5)단계에서 기술되는 바와 같이 채택될 수도 있다.
5) 중간 어닐링 및 2차 냉간 압연 공정: 후속 2차 압연에 대해서 두께가 0.35mm~0.5mm인 1차 냉연 제품의 중간 어닐링 및 냉간 압연이 채택되어 목표 두께를 달성하게 되고, 1차 냉간 압연은 20% 이상의 감소율을 가진다.
6) 최종 어닐링 공정: 4)단계 또는 5)단계로부터의 냉연 제품의 연속 어닐링을 포함한다(즉, 2차 냉간 압연 공정의 중간 어닐링을 포함하거나 배제한다). 가열, 함침, 냉각 및 열처리가 상이한 분위기(질소-수소 혼합물) 하에서 마련되어 이상적인 조대 결정립 및 최적화된 조직의 성분을 형성하고, 최종 제품에 대하여 우수한 자기적 성능, 기계적 특성 및 표면절연을 얻는다. 본 발명의 최종 제품은 강판으로서, 두께가 대략 0.15mm~0.65mm 이다.
본 발명의 공정 개선
연구에 따르면, 열간 압연 공정 내의 최종 압연 온도(FDT)는 열연 강판의 명목상 결정립 크기 상에 직접적인 영향을 가지며, 열연 강판의 최종 압연온도(FDT)와 명목 결정립 크기와 강 슬래브의 구성성분(특히 강 슬래브의 Si 및 Al 함량) 사이의 내부 관계가 있다. 많은 실험들은, 열간 압연 공정 내의 최종 압연 온도(FDT, ℃)가 이하의 식(4)을 만족할 때:
830+42×(Si+Al)＜FDT＜880+23×(Si+Al) (4)
및 t1 및 t2 가 각각 20초 및 5초 이상으로 제어될 때, 얻어진 열연 강판의 명목상 결정립 크기가 30㎛ 이상에 달할 수 있다.
예를 들어, 1.0wt% Si, 0.32wt% Al, 0.65wt% Mn, 0.035wt% P, <0.0030wt% C 및 <0.0020wt% N 의 기본 성분을 가지는 강판 슬래브에 대하여, 상이한 유지시간 및 최종 압연온도가 채택될 때, 720℃에서의 고온 권취를 통하여 상이한 결정립 크기의 열연 구조가 얻어지고, 그 후에 동일한 공정들이 냉간 압연 및 연속 어닐링에 대하여 채택된다. 도 4는 얻어진 열연 강판의 결정립 크기와 투자율 사이의 관계를 나타낸다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 열연 강판의 명목상 결정립 크기가 30㎛ 이상에 도달할 때에만, 최종 제품이 상대적으로 높은 투자율을 달성할 수 있다.
이후의 설명에서 본 발명자들은 본 발명을 더 설명하기 위하여 몇개의 특정한 실시예들을 소개한다. 이하의 실시예들은 본 발명을 설명하기 위하여 소개된 것일뿐 어떠한 방식으로든 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아님을 이해하여야 한다.
실시예
1. 실시예 I
콘버터 공정 및 RH 제련처리 후, 융강은 주조 슬래브로 주조되고, 이는 열간 압연, 산 세척, 냉간 압연, 어닐링 및 코팅을 통하여 무방향성 전기강 제품을 생산하는데 사용된다. 종래의 생산 방법의 처리조건은 통상의 지식을 가진 자에게 주지되어 있다. 본 발명이 종래의 생산방법과 상이한 점은: 1. 노멀라이징 단계가 생략된다는 것. 2. 완성된 강판 제품의 투자율이 열간 압연 처리의 준비 시간 및 최종 압연온도를 조절하고, 그에 의하여 열연 강판의 재결정화율 및 명목상 결정립 크기를 최적화함으로써 개선된다는 것이다. 특히, 열간 압연 공정에서 강판 슬래브는 1,100~1,200℃의 온도로 가열되고, 열간 압연을 통하여 2.6mm 강판으로 압연된다; 열연된 2.6mm 강판은 그 후 냉간 압연 공정에 처해져서 0.5mm 강판으로 압연되고, 최종 어닐링 및 코팅을 통하여 강판 제품을 얻게 된다.
열연 강판의 명목상 결정립 크기, 최종 강판 제품의 상대 투자율 μ10, μ13 및 μ15 및 철손 P15 /50 과 30kW-2 모터의 효율이 측정되고, 결과를 표 1에 나타내었다.

번호
C
wt%
Si
wt%
Mn
wt%
Al
wt%
S
wt%
Sn
wt%
Sb
wt%
D
㎛
μ10+μ13+μ15
P15 /50
w/kg
모터
효율
%

실시예1
0.0025
0.30
0.38
0.23
0.0019
tr.
tr.
59
11844
5.38
91.47

실시예2
0.0020
0.75
0.50
0.65
0.0020
0.04
0.02
72
12025
4.92
92.6

실시예3
0.0018
1.0
0.22
0.31
0.0013
tr.
tr.
83
12173
4.88
92.14

실시예4
0.0023
1.30
0.22
0.31
0.0017
0.03
0.05
89
12632
3.97
92.46

실시예5
0.0024
1.5
0.65
0.3
0.0019
tr.
0.05
96
12822
3.72
92.85

비교예1
0.0025
1.45
0.60
0.32
0.0014
tr.
0.048
28
9653
4.10
90.15
여기에서, 기호"tr."는 흔적량 또는 잔여량을 나타낸다.
표 1로부터, 비교예 1의 최종 제품의 (μ10+μ13+μ15)값은 10000 미만이며 그 식의 요구를 만족하지 못하는 것을 알 수 있으며, 열연 강판의 명목상 결정립의 크기가 지나치게 작아서 그것으로 만들어진 30kW-2 모터의 효율이 본 발명의 범위 내의 전기강 재료로 만들어진 모터들보다 현저하게 떨어짐을 알 수 있다.
실시예 1 내지 실시예 5의 데이터들은 본 발명의 무방향성 전기강판은 낮은 철손 및 높은 투자율을 특징으로 하며, 고효율 산업용 모터의 생산에 적용하기에 아주 적합함을 나타낸다.
2. 실시예 II
콘버터 공정 및 RH 제련처리 후, 융강은 중량비로 이하의 조성을 포함하는 주조 슬래브로 주조되었다(Fe 및 기타 불가피한 불순물을 잔여량으로 하는 것을 제외함): 1.0wt% Si, 0.32wt% Al, 0.65wt% Mn, 0.035wt% P, <0.0030wt% C 및 <0.0020wt% N. 열연 강판 슬래브의 가열온도는 1160℃로 제어되었다. 표 2는 조압연의 마지막과 F1 프레임의 시작 사이의 중간 슬래브의 유지시간 t1, 층류 냉각과 FDT 전의 유지시간 t2 의 변화를 보여준다. 720℃에서의 고온 냉각 후에, 이들은 열간 압연을 통하여 2.6mm 강판으로 압연되고; 열연 2.6mm 강판은 냉간압연되어 0.5mm 강판으로 압연되었으며, 최종 어닐링 및 코팅을 거쳐서 강판 제품을 얻게 되었다.
열연 강판의 명목상 결정립 크기, 최종 강판 제품의 상대 투자율 및 철손 P15/50 과 30kW-2 모터의 효율이 측정되고, 결과를 표 2에 나타내었다.

번호
열간압엽 공정파라미터

D
(㎛)
자기적 성능
모터효율
(%)

FDT (℃)
t1(초)
t2(초)
μ10+μ13+μ15
P15/50(w/kg)

실시예 6
890
24
6
77
12236
3.56
92.1

실시예 7
900
26
7
90
12315
3.43
92.4

실시예 8
910
28
5
87
12297
3.51
92.3

비교예 2
820
10
7
25
10473
4.03
90.4

비교예 3
890
5
3
20
10312
4.17
89.7
표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 열연강판의 명목상 결정립의 크기는 비교예 2 및 비교예 3에서 지나치게 작았으며, 따라서 만들어진 모터의 효율역시 본 발명의 재질로 만들어진 모터보다 낮았다.
실시예 6 내지 실시예 8의 열간압연 공정은 모두 본 발명에 의하여 한정된 범위 내에 속하며, 따라서 만들어진 모터들은 높은 효율을 가진다. 실시예 6 내지 실시예 8의 데이터들은 본 발명의 무방향성 전기강판은 낮은 철손 및 높은 투자율을 특징으로 하며, 고효율 산업용 모터의 생산에 적용하기에 아주 적합함을 나타낸다.
본 발명의 기술적 제안을 상세히 설명하기 위하여 한정된 실시예들이 제공되었으며, 이들 실시예는 전기강판의 투자율 및 열간압연 공정에 있어서 3개의 파라미터(t1, t2 및 FDT)의 검증결과만을 보여주지만, 본 발명은 동 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 매우 명백한 더 많은 공정조건의 개선에까지 확장될 수 있음이 틀림없다. 따라서, 본 발명의 개념을 따른다는 전제하에, 다양한 변경 및 변형이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 만들어질 수 있으며, 이러한 것들은 모두 본 발명의 범위에 속하는 것이다.

Claims (8)

  1. 주조 슬래브가 0.1≤Si≤2.0 wt%; 0.1≤Al≤1.0 wt%; 0.10≤Mn≤1.0 wt%; 0＜C≤0.005 wt%; 0＜P≤0.2 wt%; 0＜S≤0.005 wt%; 0＜N≤0.005 wt%; 0＜Sb≤0.3 wt%; 잔여량은 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며,
    투자율이 이하의 식 (1) 및 (2)를 만족하는 무방향성 전기강판:
    μ10＋μ13+μ15≥13982-586.5P15/50 (1);
    μ10＋μ13+μ15≥10000 (2),
    여기에서, μ10,μ13 및μ15 는 50Hz, 1.0T, 1.3T 및 1.5T 의 자기유도에서의 상대 투자율을 나타내며; P15/50 는 50Hz, 1.5T 의 자기유도하에서의 철손을 나타내며, 식(1)에서의 P15/50 는 무차원 수치로서 계산된다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    Sn을 더 함유하며 Sn 및 Sb의 전체 함량이 0.3 wt%를 초과하지 않는 무방향성 전기강판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    이하의 식(3)을 만족하는 무방향성 전기강판:
    μ10＋μ13+μ15≥11000 (3).
  4. 제 2 항에 있어서,
    이하의 식(3)을 만족하는 무방향성 전기강판:
    μ10＋μ13+μ15≥11000 (3).
  5. 순서대로 제강, 열간 압연, 산 세척, 냉간 압연 및 어닐링의 단계들을 포함하고, 열간 압연 공정의 최종 압연 온도(FDT:final rolling temperature)가 이하의 식(4)를 만족하는 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 따른 전기강판의 생산 방법:
    830+42×(Si+Al)＜FDT＜880+23×(Si+Al) (4),
    여기에서, Si 및 Al 은 각각 Si 및 Al 의 중량비를 나타내며, FDT의 단위는 ℃ 임.
  6. 제 5 항에 있어서,
    열연 강판의 노멀라이징 처리 공정을 포함하지 않는 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    열연 강판의 명목상 결정립 크기 D의 직경이 30㎛ 이상 200㎛ 이하이며,
    여기에서 D = R×d 이며, R은 재결정화율을, 또한 d 는 열연 강판의 평균 재결정 결정립 크기의 직경을 나타내는 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    열간 압연 공정에 있어서, 중간 슬래브의 조압연의 마지막과 F1 프레임 내의 최종 압연의 시작 사이의 간격 t1 은 ≥20초로 되도록 제어되고, 중간 슬래브의 조압연의 마지막과 층간 냉각 공정의 시작 사이의 간격 t2 는 ≥5초로 되도록 제어되는 방법:
    여기에서 F1 프레임은 연속 다듬질 압연밀중 처음 압연 밀을 나타내고, 층간 냉각 공정은 고온 압연 강판이나 강판 상에서 층류에 의해 온라인 제어된 냉각공정을 의미한다.
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