KR20010060762A - 자성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것으로, 그 목적은 열연판의 에지크랙과 슬라브가 조압연기에 인입되기까지의 냉각조건의 관계를 규명하고 이에 근거하여 슬라브의 냉각조건을 엄밀하게 제어함으로써 열연판에지크랙의 발생을 방지하고 나아가 최종제품의 자성편차도 줄일 수 있는 방향성전기강판의 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 규소강 슬라브를 가열로에서 재가열한 후 조압연기에 인입하여 조압연한 다음, 사상압연하는 것을 포함한 방향성 전기강판의 제조방법에 있어서, 상기 가열로에서 추출하여 조압연기에 인입하는 규소강슬라브의 중심부 온도와 엣지부 온도와의 편차를 50℃이내로 하여 조압연하는 것을 포함하여 이루어지는 자성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

Description

자성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법{A METHOD FOR MANUFACTURING GRAIN ORIENTED ELECTRICAL STEEL SHEET WITH SUPERIOR MAGNETIC PROPERTY}

본 발명은 변압기등 전기기기의 철심소재로 적용되는 방향성 전기강판의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 슬라브추출 이후의 냉각조건을 제어하여 열간압연시 자성이 우수하면서도 열연판 엣지크랙을 최소화함으로써 경제적으로 고자속밀도 방향성전기강판을 제조할수 있는 방법에 관한 것이다.

방향성 전기강판은 압연방향으로 철의 자화용이 방향인 {110}면에 <001>방향이 배향된 집합조직(고스조직)을 가지고 있는 재료로, 우수한 자기특성을 가지고 있어 주로 변압기 등의 철심재료로 사용되고 있다. 통상적으로 방향성 전기강판은 압연공정을 통해 최종두께로 한 다음, 소둔공정을 통해 {110}<001> 1차재결정립을 선택적으로 2차재결정 성장시킴으로써 자성에 유효한 고스조직을 확보하고 있다. 이러한 제조기술에서는 석출물(인히비터)을 강내에 미세하고 균일하게 분산시켜 2차 재결정 개시전에 1차재결정립이 조대하게 성장하는 것을 억제하고, {110}<001> 만을 선택적으로 성장시키는 것이 매우 중요하다.

종래에는 주로 S를 첨가하여 MnS석출물로 고스조직을 확보한데 반하여 근래에는 Al을 새롭게 첨가하여 고스조직의 집적도를 보다 높이고 있다. 이 Al은 강판중에서 N와 결합하여 AlN으로 분산상을 만들고 1차재결정의 성장을 억제하여 집적도가 높은 2차재결정을 만드는 역할을 수행한다. AlN과 MnS를 이용하여 집적도가 높은 고스방위를 얻은 방향성전기강판을 통상 고자속밀도 방향성 전기강판이라 한다. 이에 관한 기술은 미국특허공보 제 3287183호, 제 3636579호에 의해 처음으로 개시되었고 이후 수 많은 고자속밀도 방향성전기강판의 제조기술이 공표되었다. Se를 첨가하고 거기다가 Sb를 추가로 첨가하는 기술, 또는 Cu, Sn 등을 강중에 함유시킨 기술처럼 Al을 첨가하지 않는 것도 있지만 실제의 공업에 응용된 것은 Al과 S를 공존시킨 것이 세계적으로 주류로 되어 있다.

Al과 S를 인히비터로서 이용하는 경우의 통상의 작용은 다음과 같다. Al과 S는 각각 AlN 혹은 MnS로서 석출분산상을 형성하고 이 입자가 1차재결정의 입계에 있어 입계의 움직임을 억제함으로써 2차재결정을 일으키는 것이다. 이 입자는 1차재결정을 효과적으로 억제하기 위해서 될 수 있는 한 그 크기가 작을 필요가 있다. 그렇기 때문에 통상 제강에서 만들어진 슬래브는 열간압연공정의 가열로에서 AlN, MnS를 고용시킬 목적으로 대단히 높은 온도 예를 들면 1400℃부근까지 가열하는 것이 상식으로 되어 있다. 가열로에서 고용체로 하고 압연중에 될 수 있는 한 석출되지 않도록 고온에서 단시간에 압연을 종료하여 냉각되도록 하고 이어지는 열연판소둔공정에서 MnS, AlN을 석출시켜 효과적인 석출분산상을 형성시킨다.

한편, 최근에는 변압기와 송전에 있어서의 전력손실을 작게 하여 성에너지를 목적으로 전기강판의 철손을 낮추는 것이 요구되면서 전기강판의 제조자로서는 모든 기술을 구사하여 저철손재의 개발을 추구하고 있다. 이러한 연구의 성과로 자구제어기술 및 강판의 두께를 박물화하여 철손을 낮추는 기술이 개발되어, 실제 0.3mm, 0.27mm 등의 제품두께를 0.23mm, 0.20mm로 하여 생산 판매하고 있다. 이와 같은 저철손재를 제조하는 데에는 집합조직인 (110)<001>의 집적도를 높일 필요가 있다. 즉, 석출분산상 소위 인히비터의 미세하고 균일한 존재가 중요하게 되고, 이 때문에 열연로의 가열로에 있어서의 가열조건, 온도, 시간은 보다 엄격한 방향으로 관리되고 있다. 결국, 보다 높은 온도에서 시간을 충분히 취하게 된다. 더욱이 열간압연에서의 석출을 방지하는 것이 중요하고 고온의 사상압연기에서 압연중에 석출을 방지하는 것도 필요하다.

그런데, 이와 같이 열연가열과 압연조건을 엄격한 방향으로 할 때에는 여러가지 문제가 생긴다. 그 중의 하나가 코일의 길이방향으로 자기적특성을 측정해보면 차이가 나는 현상이다. 가열로에서는 충분히 가열되고 인히비터는 고용상태로 되어도 압연에서는 슬래브의 전단부와 후단부에서 온도와 시간의 관계가 필연적으로 달라지므로 석출분산상의 차이가 발생한다. 즉, 슬래브의 전단부와 비교하여 압연중의 온도저하, 온도와 시간의 관계에서 후단부는 특성이 나쁘다고 하는 현상이생기는 것이다. 이런 연유로 전단부의 특성은 좋아도 후단부의 특성이 나쁘다고 하는 현상이 생겨 코일 길이 방향의 자기특성변동이 크게 된다. 이것은 공장의 제품실수율을 저하시켜 원가를 높게 할 뿐만 아니라 생산과 주문의 밸런스가 맞지 않는 것도 생겨난다.

또 하나의 큰 문제는 열간압연에서의 엣지크랙이 생기는 현상이다. 이 원인은 많은 요인이 겹쳐 있어 단순하지 않다. 그러나, 경험에 의하면 열연온도가 높아질수록 크랙이 많이 발생한다. 즉, 자기특성이 좋은 경우에는 크랙이 발생하고 역으로 자기특성이 나쁜 경우에는 양호한 엣지상태를 나타낸다. 이 크랙은 때로는 폭방향으로 100mm 혹은 그 이상 되는 크기도 나타난다. 이 크랙은 압연후에 절단 (Triming)하여야 하기 때문에 실수율의 막대한 저하의 큰 요인이 될 뿐만 아니라, 주문에 응하여 소정의 폭의 제품을 생산할 필요가 있는 공장으로서는 판매할 수 없는 제품을 제조하게 되어 큰 문제라고 할 수 있다.

위에서 언급한 크랙의 원인으로는, 가열로에서의 고온가열에 의해 조대해진 결정립의 생성 때문이라는 것이 일반적인 생각이었다. 지금까지 이 크랙을 없앨 목적으로 여러 기술이 제안되어 왔다. 이제까지의 기술들은 이 거대한 결정립이 형성된 슬라브에 여하히 크랙을 발생시키지 않으면서 열간압연으로 코일을 만드는 기술에 관한 것이다. 예로서 일본 공개특허공보 평 3-47601호에는 열간압연의 조압연에서 폭압연을 하여 엣지크랙을 방지하는 기술이 제안되어 있으며, 이 기술은 폭압연에서 거대결정의 재결정을 촉진함으로써 거대결정을 줄이는 것이다. 이외에도 일본 공개특허공보 평 6-122005, 소 57165102호에는 설비, 압연중의 냉각법, 엣지가열법 등으로 엣지크랙을 방지하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 방법 및 기타 지금까지 제안된 기술에서는 엣지크랙방지를 위하여 막대한 신규설비의 투자가 필요하여 비경제적일 뿐만 아니라 엣지크랙을 완전히 해결할 수도 없었다. 따라서, 방향성 전기강판 특히, AlN과 MnS를 인히비터로 하는 고자속밀도 방향성전기강판의 특성을 개선하려고 하면 엣지크랙은 필연적으로 발생하는 것이라고 하는 인식이 극히 일반적이고 이것은 어쩔 수 없이 생길 수밖에 없는 현상이라고 생각하기까지 이르고 있다.

그렇지만, 본 발명자들은 방향성 전기강판 특히, AlN과 MnS를 인히비터로 이용하는 고자속밀도 방향성 전기강판의 제조에 있어서 엣지크랙을 없애지 않는 한 생산성 및 실수율의 향상에 한계가 있음을 실제 조업을 통해 확인하고, 엣지크랙의 원인규명 및 엣지크랙의 발생을 방지하기 위해 수년간에 걸쳐 무수히 많은 연구를 시도한 결과 구체적인 방법을 도출하는데 성공하였다. 그 구체적 기술에 대하여는 대한민국 특허출원번호 1996-44545호, 1996-69482호, 1997-73574호, 1999-13215호 등에 상세히 기술되어 있다. 각각의 기술에 대한 개요는 다음과 같다.

상기 1996-44545호에는 크랙의 주요원인이 MnS로 존재하지 않는 유리 S에 있다는 것을 규명하고 제강단계에서의 S의 양을 최대한 줄임으로써 엣지크랙을 방지하고 후공정 즉, MgO첨가제에 S첨가 또는 최종고온소둔 분위기에서의 S첨가 등의 방법을 통하여 자성을 확보하는 방법이 제안되어 있다.

상기 1996-69482호에는 엣지크랙이 판의 엣지부의 유리S가 특히 문제가 된다는 것을 확인하고 연주에서 제조한 강 슬래브를 가열로에 장입하기 전 상태에서 Mn을 슬래브 엣지부에 도포함으로써 자성이 우수하고 열연판 엣지크랙이 없는 고자속밀도 방향성 전기강판의 제조방법을 제안되어 있다. 상기 1997-73574호에는 제강단계에서 S를 낮추면 연주단계에서 생성된 조대한 MnS가 가열온도를 낮추더라도 고용될 수 있다는 것을 발견하고 가열온도를 하향화시킴으로써 엣지크랙을 방지할 수 있는 방법이 제안되어 있다.

상기 1999-13215호에서는 열간압연하기 전의 슬라브 가열시 슬라브 가열속도를 제어함으로써 열연판에지크랙을 방지하는 기술이 제시되었다.

상기 본 발명자들이 제안한 기술들로 엣지크랙을 괄목할만하게 줄일 수 있었지만 조업을 계속함에 따라 제품의 품질측면과 엣지크랙 측면에서의 편차가 문제점으로 부각되게 되었고, 이들 방법만으로는 충분하지 않다는 것을 인식하기에 이르렀다. 이에 본 발명자들은 열연판의 엣지크랙을 방지하기 위하여 연구를 계속 진행하고 그 연구결과에 근거하여 본 발명을 제안하기에 이르렀다.

본 발명은 열연판의 에지크랙과 슬라브가 조압연기에 인입되기까지의 냉각조건의 관계를 규명하고 이에 근거하여 슬라브의 냉각조건을 엄밀하게 제어함으로써 열연판에지크랙의 발생을 방지하고 나아가 최종제품의 자성편차도 줄일 수 있는 방향성전기강판의 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 규소강 슬라브를 가열로에서 재가열한 후 조압연기에 인입하여 조압연한 다음, 사상압연하는 것을 포함한 방향성 전기강판의 제조방법에 있어서, 상기 가열로에서 추출하여 조압연기에 인입하는 규소강슬라브의 중심부 온도와 엣지부 온도와의 편차를 50℃이내로 하여 조압연하는 것을 포함하여 구성된다.

이하, 본발명을 상세히 설명한다.

본 발명자들은 가열로에서 슬라브가 추출된 이후의 냉각조건에 대한 모사실험을 통하여 냉각조건과 열연판 엣지와의 상관관계를 규명하고, 이 결과에 근거하여 냉각조건을 엄밀히 제어하면 열연판엣지크랙을 감소시킬 수 있고, 또한 최종제품의 자기적특성을 향상시킬수 있다는 결론에 도달하여 본 발명을 완성하게 되었다.

통상 슬라브는 소정의 온도에서 일정시간 가열로에서 가열을 끝낸 두께200~250mm의 슬라브는 압연을 위해서 추출되고 난 후 1320~1250℃에서 조압연을 하여 두께 40mm부근의 바(Bar)로 된다. 그 다음에 연속하여 사상압연에서 최종두께까지 압연되어 열연코일로 감기게 된다. 실제로, 열연판 엣지크랙이 관찰되는 곳은 열연코일이지만 일부는 바의 상태에서 관찰된다. 바 상태에서 관찰되는 크랙은 조압연에서 생겨난다는 것을 의미하므로 조압연이전의 작업조건을 제어하지 않으면 엣지 크랙을 완벽히 해결하기는 어렵다는 것을 의미한다.

본 발명자들은 이점에 주목하여 가열로에서 추출된 슬라브가 냉각되는 과정에서의 온도변화를 면밀히 측정한 결과, 조압연이전에 슬라브의 부위별 온도편차가 크다는 것을 발견하였다. 즉, 슬라브 부위별 온도편차가 크다는 것은, 부위별 상분율이 다르게 될 가능성이 있다는 것을 간과하지 않고 직접 조사한 결과, δ페라이트에서 오스테나이트로 변태하는 상태에서 온도가 낮을수록 오스테나이트 비율이 많아지게 되는 것을 확인할 수 있었다. 조압연은 필연적으로 페라이트와 오스테나이트의 혼합조직하에서 이루어지게 되는데, 여기서 엣지부의 온도가 낮아지면 엣지부의 조직은 중심부보다 오스테나이트가 많은 조직으로 된다. 이렇게 되면 조압연시 중심부와 엣지부의 변형불균형이 생기게 되고 바(Bar)에 크랙을 유발시키는 큰 원인으로 작용한 다은 결론에 도달할 수 있었다.

이러한 관점에 기초하여 계속하여 작업조건의 면밀한 검토와 실험을 한 결과, 열간압연이전의 슬라브 냉각조건을 최적화하면, 조압연이후의 바상태에서 엣지크랙이 생기지 않는 것을 발견하였다. 즉, 조압연에서 생겨나는 엣지크랙을 없애기 위한 슬라브 냉각조건은 슬라브 폭방향의 온도편차가 작도록 하는 것이며, 특히 엣기부와 중심부와의 온도편차가 50℃이내로 하는 것이 필수조건이라는 것을 도출할 수 있었다. 이러한 온도편차는 슬라브의 크기에 따라서 달라지는데 실생산라인 조건 즉, 슬라브크기가 두께 200~250mm, 폭 900~1100mm 인 경우 엣지부와 중심부와의 온도편차를 50℃이내로 할수 있는 조건은 슬라브가 가열로에서 추출되어 조압연까지 이송되는 시간을 50초 이내로 함으로써 달성할수 있다는 것을 도출하였다.

조업여건상 50초 이내로 할수 없는 경우의 방법으로서는 가열로와 조압연기까지의 사이에 보열로의 설치 또는 엣지히터의 설치를 통하여 엣지부의 온도강하를 방지함으로써 본 발명의 효과를 볼수가 있다.

이와 같이 조압연전 슬라브의 중심부와 엣지부의 온도편차를 감소시키면 엣지크랙을 방지하는 효과와 함께 최종제품에서의 폭방향 자성편차도 크게 감소시키게 되어 전체적으로 자성도 향상된다. 또한, 엣지크랙의 감소를 통한 실수율 향상과 자성향상을 동시에 달성할 수 있다.

본 발명은 약 1200℃ 이상의 고온에서 재가열하게 되어 에지크랙이 자주 발생하는 방향성 전기강판에 유용하게 적용될 수 있다. 이 방향성 전기강판으로는, 중량%로 Si: 2.0~4.0%, C: 0.02~0.10%, Sol-Al: 0.01~0.05%, Mn: 0.03~0.10%, N:0.005~0.015%, S: 0.007~0.030%, Cu: 0.01~0.15%를 포함하는 강을 대표적인 예로 들 수 있다.

이하. 실시예를 통하여 본발명을 상세히 설명한다.

[실시예 1]

제강의 성분으로서 중량%로 Si: 3.20%, C: 0.070%, Sol-Al: 0.028%, Mn: 0.079%, N: 0.090%, S: 0.015%, Cu: 0.08%, 나머지 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 이루어지는 강을 용해하였다. 이 성분의 강에서 두께 200mm, 폭 1000mm인 슬라브를 주조하여 가열온도를 1375℃로 하여 총 290분간 재로시킨후 추출하여 조압연을 한후 사상압연을 실시하여 2.3mm 두께의 열간압연판을 제조하였다. 또한, 상기 열연판을 1120℃에서 열처리를 행한 다음 최종두께 0.3mm까지 냉간압연하였다. 이 코일을 845℃에서 탈탄소둔을 하고, 그후 MgO를 주성분으로 하는 소둔분리제를 도포하여 1200℃로 최종 고온소둔을 행하였다. 이때, 가열로에서 추출이후 조압연까지의 이동시간을 조절함으로써 슬라브의 중심부온도와 엣지부와의 온도편차를 달리하여 폭방향 온도편차가 열연판의 엣지크랙, 조압연후의 바의 엣지크랙, 최종제품의 자성에 미치는 영향을 조사하였다. 열간압연판의 엣지크랙의 발생상황 및 이들 최종 고온소둔판의 자성을 하기표 1에 나타내었다.

구분	이동시간(초)	슬라브 중심부와 에지부의 온도편차(℃)	바에서의크랙유무	열연판 엣지크랙 발생율(%)	자속밀도(B10, Tesla)
				5mm이내		10mm이내	15mm이내
발명예	35	10	무	100	0	0	1.94
	40	30	무	100	0	0	1.94
	50	50	무	95	5	0	1.94
비교예	60	60	유	80	20	5	1.93
	65	80	유	65	25	10	1.92
	80	100	유	55	30	15	1.92
	90	120	유	40	40	20	1.92

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 가열로에서 추출이후 조압연까지의 슬라브 이동시간을 본 발명 범위이내로 한 경우는 조압연후의 바(Bar)에서는 엣지크랙이 관찰되지 않고, 열연판에서 조대한 엣지크랙의 발생율이 현저히 감소하며, 또한 최종제품의 자성도 양호하다는 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 조압연후의 바에서의 에지크랙을 방지하고 나아가 열연판의 폭방향 자성편차도 줄일 수 있는 유용한 효과가 있는 것이다.

Claims (4)

1. 규소강 슬라브를 가열로에서 재가열한 후 조압연기에 인입하여 조압연한 다음, 사상압연하는 것을 포함한 방향성 전기강판의 제조방법에 있어서,

   상기 가열로에서 추출하여 조압연기에 인입하는 규소강슬라브의 중심부 온도와 엣지부 온도와의 편차를 50℃이내로 하여 조압연하는 것을 특징으로 하는 자성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 가열로에서 조압연기까지 슬라브의 이동시간을 50초 이내로 하는 것을 특징으로 하는 자성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 가열로와 조압연기 구간에는 보열로 또는 엣지히터를 설치하여 슬라브의 온도저하를 방지하는 것을 특징으로 하는 자성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법
4. 제 1항 내지 제 3항중의 어느 한항에 있어서, 상기 규소강 슬라브는 중량%로 Si: 2.0~4.0%, C: 0.02~0.10%, Sol-Al: 0.01~0.05%, Mn: 0.03~0.10%, N: 0.005~0.015%, S: 0.007~0.030%, Cu: 0.01~0.15%, 나머지 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 이루어짐을 특징으로 하는 자성이 우수한 방향성 전기강판의 제조방법.