KR20140115364A - 무방향성 규소강 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 우수한 자기특성을 가지는 무방향성 규소강 및 그의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 제조 공정시에는, 콘버터 출강시 융강의 온도 T, 탄소 농도 [C] 및 자유산소 농도 [O]가 다음의 식: 7.27×103≤[O][C]e(-5,000/T)≤2.99×104을 만족하고, 최종 어닐링 단계는 단시간동안 낮은 온도에서의 텐션 어닐링을 이용한다. 본 발명의 제조 공정의 수단에 의하여, 낮은 철손 및, 철손의 이방성이 우수한 무방향성 규소강을 얻을 수 있다.

Description

무방향성 규소강 및 그의 제조방법 {Non-oriented Silicon Steel and Its Manufacturing Method}
본 발명은 무방향성 규소강 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 우수한 철손 및 철손의 이방성을 특징으로 하는 무방향성 규소강 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
무방향성 규소강은 중형 및 대형의 모터(>50 HP) 및 발전기의 고정자 철심과, 높은 에너지 효율이 요구되는 소형 모터의 고정자 및 회전자 철심을 만드는데 주로 사용된다. 전자 장비를 소형화하고 에너지를 절약하기 위하여는, 사용되는 무방향성 규소강이 낮은 철손 및 탁월한 철손의 이방성을 가지는 것이 요구된다.
무방향성 규소강을 제조하기 위한 종래의 방법은, 무방향성 규소강의 전기저항을 증가시키기 위하여 규소(2.5wt% 이상) 및 알루미늄(0.2wt% 이상)을 포함하는 주조 슬래브를 채택하여, 철손을 감소하고 있다. 그러나, 이 방법은 1,000℃ 이상의 최종 어닐링 온도를 요구하기 때문에, 고비용, 용해로 롤러의 돌출(nodulation) 등의 문제를 야기한다.
전자 장비의 소형화 및 에너지 절약의 양자를 수행할 수 있는 무방향성 규소강을 제조하기 위하여, 우수한 자기적 특성을 가진 무방향성 규소강의 개발을 목적으로 하는 여러 연구가 무방향성 규소강의 성분 및 제조 공정에 대해서 이루어져 왔다.
미국특허 US4560423 호는 중량%로 계산된 바에 따른 다음의 성분: Si≥2.5%, Al≥1.0%, 3.5%≤(Si+Al)≤5.0%, S≤0.005% 및 N≤0.004% 를 포함하는 주조 슬래브를 개시하며, 이는 2 단계의 어닐링 공정을 통과하게 되는데, 즉, 먼저 850∼1,000℃ 에서 30∼120초 동안 그리고 1,050℃ 에서 3∼60초 동안 단열이 유지되어, P15/50≤2.70W/kg 의 철손을 가지는 무방향성 규소강을 얻는다(0.5mm 두께의 규소강).
일본 공개특허공보 JP1996295936S 호는 중량백분율로 계산된 다음의 성분: C<0.005%, Si: 2.0∼4.0%, Al: 0.05∼2%, Mn: 0.05∼1.5%, P≤0.1%, S≤0.03%, N<0.004%, Sn: 0.003∼0.2%, Cu: 0.015∼0.2%, Ni: 0.01∼0.2%, Cr: 0.02∼0.2%, V: 0.0005∼0.008% 및 Nb<0.01% 을 포함하는 주조 슬래브를 개시하며, 이는 80℃/초 이하의 냉각율로 노멀라이징 및 냉각 공정을 겪게되고, 88% 이상의 압하율로 냉간 압연하고, 마지막으로 2단계 어닐링 공정을 거쳐서 낮은 철손을 가지는 무방향성 규소강을 얻는다.
미국특허 US6139650 호는, Sb, Sn 과, Se, Te 와 같은 희토류 원소를 주조 슬래브에 첨가하여 규소강의 S 의 농도, 표면 질소함량 등을 제어하여, 규소강의 철손 P15/50 을 2.40W/kg 이하가 되도록 제어한다(0.5mm 두께의 규소강).
비록 상술한 모든 종래의 기술은 비교적 낮은 수준에서 규소강의 철손을 제어할 수는 있지만, 철손의 이방성을 고려하고 있지는 않다. 규소강의 철손의 이방성은 고정자 및 회전자 철심의 회전 손실에 대하여 직접적으로 영향을 미치며, 모터 구동장치의 우수한 손실 특성을 고려하는 하나의 주요한 인자임은 주지의 사실이다. 따라서, 낮은 철손 및 우수한 철손 이방성을 동시에 가지는 무방향성 규소강의 개발은 중요한 의의 및 광범위한 적용 가능성을 나타내게 될 것이다.
본 발명의 목적은, 우수한 자기적 특성을 가지는 무방향성 규소강 및 그의 제조방법을 제공함에 있다. 본 발명에 있어서, 무방향성 규소강은 비교적 낮은 철손(0.5mm 두께의 규소강에 대해서 철손 P15/50≤2.40W/kg 의 철손) 및 우수한 철손 이방성(≤10%)을 가지며, 중형 및 대형 모터와 발전기의 요구 및, 철심재료에 대한 소형 고효율 모터의 요구를 만족시킬 수 있다. 부가적으로, 본 발명의 방법은 낮은 비용, 안정적인 효과 등을 특징으로 한다.
본 발명은, 순서대로: a) 제강, b) 열간 압연, c) 노멀라이징, d) 냉간 압연, 및 e) 어닐링의 단계를 포함하며,
상기 제강 단계 a)에 의하여 중량백분율로: C 0.001∼0.004%, Si 2.5∼4.0%, Al 0.5∼1.5%, Mn 0.10∼1.50%, P≤0.02%, S≤0.002%, N≤0.003%, B≤0.005% 을 포함하고 Mn/S≥300, Al/N≥300, 나머지가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 주조 슬래브가 얻어지고;
상기 제강 단계 a) 는, 콘버터 출강시 융강의 온도 T (K로), 탄소 농도 [C] (ppm으로) 및 자유산소 농도 [O] (ppm으로)가 다음의 식: 7.27×103≤[O][C]e(-5,000/T)≤2.99×104을 만족하는 컨버터 제강을 포함하고,
상기 어닐링 단계 e)에서, 냉연 강대(鋼帶)가 900~1,050℃로 가열되고, 그 후에 8~60 초의 시간 t 동안 0.5~1.5MPa 의 텐션 σ하에서 단열에 처해지는 무방향성 규소강의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 방법에 있어서는, 먼저 제강에 의하여 주조 슬래브를 얻고, 그 주조 슬래브를 열간 압연에 의하여 열연 강대를 형성하고, 열연 강대에 대하여 노멀라이징처리를 행하고, 노멀라이징 처리후 열연 강대를 냉간 압연함으로써 냉연 강대를 형성하고, 최종적으로 냉연 강대에 대하여 최종 어닐링 처리를 행한다.
본 발명의 방법에 있어서는, 규소강 제품의 제조단가를 감소하고 품질 안정성을 개선한다는 관점에서, 상기 어닐링 단계 e)의 시간 t 을 8~60 초로 제한하여야 한다. 시간 t 가 8초 보다 짧으면, 결정립이 적절하게 굵어지지 않고, 이는 무방향성 규소강의 철손의 감소 및 철손의 이방성에 반하는 것이며; 시간 t 가 60 초를 넘으면, 제조단가가 상승하고, 무방향성 규소강의 철손과 철손의 이방성이 더 개선되지 않는다.
본 발명의 방법에 있어서, 상기 주조 슬래브내에 포함된 불가피한 불순물은, 바람직하게는: Nb≤0.002wt%, V≤0.003wt%, Ti≤0.003wt%, 및 Zr≤0.003wt% 이다.
본 발명의 방법에 있어서, 결정립의 성장을 촉진시키고 압연 방향과 교차 방향 사이의 물성 차이를 감소한다는 관점에서, 상기 어닐링 단계 e)의 온도는 바람직하게는 900과 1,050℃ 사이에서 제어되고, 더 바람직하게는 920과 1,000℃ 사이에서 제어되며; 상기 어닐링 단계 e)의 텐션 σ는 바람직하게는 0.5와 1.5MPa 사이로 제어되고, 더 바람직하게는 1과 1.3 MPa 사이로 제어된다. 만약 상기 어닐링 단계 e)의 온도가 지나치게 낮으면, 결정립의 성장을 방해하고; 상기 어닐링 단계 e)의 온도가 지나치게 높으면, 제조단가를 감소하고 기술적 단계를 단순화한다는 목적에 반하게 된다. 만약 상기 어닐링 단계 e)의 텐션 σ가 지나치게 낮으면, 낮은 온도에서의 단시간 어닐링에서의 결정립의 급속한 성장에 반하게 되며; 만약 상기 어닐링 단계 e)의 텐션 σ가 지나치게 높으면, 압연 방향과 교차 방향 사이에서의 결정립의 물성의 차이가 현저하게 되며, 이는 무방향성 규소강의 철손의 이방성 감소에 반하게 된다.
본 발명의 방법에 있어서는, 최종 규소강 제품의 표면층에서의 N 및 O 의 함량을 더욱 감소하고 규소강 제품의 결정 조직을 개선한다는 관점에서, 상기 제강 단계 a)에서의 주조 슬래브는 바람직하게는 Sn 및/또는 Sb 를 더 포함하며, Sb+2Sn 의 함량은 0.001~0.05 wt% 의 범위이다.
본 발명의 방법에 있어서는, 상기 제강 단계 a)는 RH 정련 단계를 더 포함하고, 탈산 효과의 개선의 관점에서, 상기 RH 정련 단계에서, 탈산(deoxidation)은 먼저 FeSi 합금을 사용하고 다음으로 FeAl 합금을 사용함으로써 탈탄(decarbonization)의 마지막에 행해지게 된다.
본 발명의 방법에 있어서는, 노멀라이징의 배치로(batch furnace) 또는 노멀라이징의 연속 어닐링을 채택할 수 있다. 철손의 이방성을 더 감소시키고, 최상의 판형상을 얻고, 냉간 압연을 용이하도록 한다는 관점에서, 바람직하게는 노멀라이징의 배치로가 이하의 조건하에 채택된다: 질소 및 수소의 보호 분위기 하에서, 강대는 2~6 시간 동안 780~880℃에서 단열에 처해지거나; 또는 노멀라이징의 연속 어닐링이 이하의 조건하에서 채택된다: 열간 압연된 강대가 먼저 5~15℃/sec 의 가열율에서 850~950℃로 가열되고, 10~90 초의 시간 t 동안 질소의 보호 분위기 하에서 단열에 처해진 후, 10℃/sec 의 냉각률로 650℃ 로 냉각되고, 마지막으로 자연 냉각된다.
본 발명의 방법에 있어서는, 철손의 이방성을 더 감소할 목적으로, 바람직하게는 냉간 압연 단계 d)는 70~88%의 압하율(reduction rate)을 가진다.
본 발명의 방법에 있어서는, 최종 규소강 제품의 결정립 구조를 더 개선할 목적으로, 바람직하게는 상기 열간 압연 단계 b)는 950℃ 이상에서 80% 이상의 변형을 가진다. 부가적으로, 적절한 판형상을 얻고 모서리에서의 크랙을 방지할 목적으로, 열연 강대의 다양한 위치 사이에서의 최대 온도차이는 바람직하게는 20℃ 이하, 보다 바람직하게는 10℃ 이하로 제어된다.
무방향성 규소강의 제조공정에 부가하여, 본 발명은 또한 본 발명의 상기 제조공정에 따라서, 2.5~4.0 wt% 의 Si를 함유하는 주조 슬래브를 사용함으로써 제조될 수 있는, 낮은 철손과 철손 이방성이 우수한 무방향성 규소강을 제공한다. 본 발명에 있어서는, 무방향성 규소강은 100㎛과 200㎛ 사이의 결정립 지름 및, 1.05와 1.35 사이의 결정립 등축계수 (grain equivalent axial coefficient) L 을 가진다.
더욱이, 바람직하게는 상기 주조 슬래브는 중량 백분율로: C 0.001∼0.004%, Al 0.5∼1.5%, Mn 0.10∼1.50%, P≤0.02%, S≤0.002%, N≤0.003%, B≤0.005%, Mn/S≥300, Al/N≥300, 나머지가 Fe 및 불가피한 불순물인 조성을 가진다.
더욱이, 바람직하게는 무방향성 규소강의 표면으로부터 30㎛ 의 깊이에서의 질소 및 산소의 총함량은 300ppm 이하이다.
더욱이, 바람직하게는 무방향성 규소강내에 포함된 500nm 이하의 크기를 가지는 함유물의 양은 40% 이하이다.
본 발명에 있어서는, 상기 제강 단계 a) 는, 콘버터 출강시 융강의 온도 T와, 탄소 농도 [C] 및 자유산소 농도 [O] 사이의 관계를 엄격하게 제어하고, 또한 주조 슬래브내의 다양한 성분의 함량을 조정함으로써 함유물의 양을 감소할 수 있고 이들의 형상이 제어될 수 있어서, 무방향성 규소강의 구조 및 자기적 물성을 개선하게 된다.
또한, 상기 어닐링 단계 e)에서, 적절한 온도에서 적절한 텐션을 가하고 단시간의 어닐링을 제공함으로써, 결정립이 급속하게 성장하고, 압연 방향과 교차 방향 사이에서의 이들의 물성의 차이가 적어지게 되고, 이는 철손 및 철손 이방성 양자의 감소에 기여하게 된다.
제강 단계에서의 주조 슬래브내의 다양한 성분의 함량을 조정하는 것과, 콘버터 출강시 융강의 온도 T와 탄소 농도 [C] 및 자유산소 농도 [O] 사이의 관계를 엄격하게 제어하여 함유물의 양을 감소하는 것 및, 결정립 형상을 제어하도록 낮은 온도에서 단시간동안 어닐링을 제공하는 것 등의 수단에 의하여, 본 발명은 우수한 철손 및 철손 이방성을 가지는 무방향성 규소강을 얻을 수 있다. 본 발명에 있어서, 무방향성 규소강은 P15/50≤2.40W/kg 의 철손(0.5mm 두께의 규소강에 대하여) 및 10% 이하인 철손 이방성을 가지며, 여기에서 P15/50 은 50Hz 에서 1.5T 의 자기유도하에서의 무방향성 규소강의 철손을 나타낸다.
도 1은 무방향성 규소강을 제조하기 위한 주조 슬래브의 Mn/S 비와 무방향성 규소강의 철손 P15/50 사이의 관계를 나타낸다.
도 2는 무방향성 규소강을 제조하기 위한 주조 슬래브의 S 함량와 무방향성 규소강의 철손 P15/50 사이의 관계를 나타낸다.
도 3은 무방향성 규소강을 제조하기 위한 주조 슬래브의 Al/N 비와 무방향성 규소강의 철손 P15/50 사이의 관계를 나타낸다.
도 4는 무방향성 규소강의 표면으로부터 30㎛ 깊이에서의 질소 및 산소의 총함량과 무방향성 규소강의 철손 P15/50 사이의 관계를 나타낸다.
도 5는 무방향성 규소강의 결정립의 등축계수와 무방향성 규소강의 철손 이방성 사이의 관계를 나타낸다.
먼저, 본 발명에 있어서 무방향성 규소강을 제조하기 위한 주조 슬래브내에 포함된 다양한 성분을 한정하는 이유에 대하여 이하에서 설명한다.
Si : 강자성체 내에 용융되어 치환 고용체를 형성하고 재료의 비저항을 개선하고 철손을 현저하게 감소하고 항복강도를 증가시키기 때문에 무방향성 규소강 내에서 가장 중요한 합금원소이다. Si 함량이 지나치게 낮으면, 철손 감소의 효과가 현저해지지 않는다; Si 함량이 지나치게 높으면, 철손 감소 효과가 명확하게 감소할 뿐아니라, 처리를 어렵게 한다. 본 발명에 있어서 Si 함량은 2.5~4.0wt% 로 제한된다.
Al : 강자성체 내에 용융되어 재료의 비저항을 개선하고, 조대한 결정립을 제조하고, 철손을 감소시키고 탈산 및 질소고정 시에 항복강도를 개선하지만, 완성된 강판 제품의 표면 내에서 산화를 쉽게 일으킨다. Al 의 함량이 지나치게 낮으면, 철손 감소, 탈산 및 질소 고정 효과가 현저하지 않다; 만약 Al 의 함량이 지나치게 높으면, 제련 및 주조가 어렵고, 자기 유도가 감소하며 공정이 어려워진다. 본 발명에 있어서 Al 함량은 0.5~1.5wt% 로 제한된다.
Mn : Si 및 Al 과 유사하게, 강의 비저항을 개선하고 철손을 감소하며, 불순물 원소인 S 와 결합하여 안정된 MnS 를 형성하고 자기적 특성에 대한 S 의 폐해를 없애준다. 고온 취성(hot shortness)을 방지하는 것에 부가하여, 강자성체에 용융되어 치환 고용체를 형성하며, 고용체를 강화시키는 기능을 가지며, 매트릭스의 항복강도를 개선한다. 만약 Mn 함량이 지나치게 낮으면, 상술한 효과들이 현저하지 않게 되며; Mn 함량이 지나치게 높으면, 규소강의 상변이점 온도 Acl 및 재결정 온도가 감소하고, 열처리 시에 α-γ 상변이가 있게 되고, 따라서 바람직한 결정조직을 열화시킨다. 본 발명에 있어서 Mn 함량은 0.10~1.50wt% 로 제한된다.
또한, 본 발명자는 무방향성 규소강의 Mn/S 비와 철손 P15/50 사이의 관계를 연구해왔다. 도 1은 무방향성 규소강을 제조하기 위한 주조 슬래브의 Mn/S 비와 무방향성 규소강의 철손 P15/50 사이의 관계를 나타낸다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 철손(P15/50)감소의 양호한 효과는 Mn/S 비가 300 이상일 때에 관찰되었으며, 철손(P15/50) 감소의 효과는 Mn/S 비가 600 이 되었을 때 기본적으로 포화로 되었다. 본 발명에 있어서, Mn/S 비는 300 이상으로 제한되며, 바람직하게는 350과 600 의 사이이다.
S : 가공성 및 자기 특성에 대해서는 해로우며, Mn 과 함께 미세한 MnS 결정립을 형성하기 쉬워서, 마무리된 제품의 어닐링된 결정립의 성장을 방해하고 자기 특성을 심하게 열화시킨다. 부가적으로, S 는 저융점 FeS 및 FeS2 또는 Fe 와 함께 공정(共晶)을 형성하기 쉬우며 열간 가공 취성의 문제를 야기한다. 본 발명자는 무방향성 규소강의 철손(P15/50)에 대한 S 함량의 영향을 연구해왔다. 도 2는 무방향성 규소강을 제조하기 위한 주조 슬래브의 S 함량와 무방향성 규소강의 철손 P15/50 사이의 관계를 나타낸다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 무방향성 규소강의 철손 P15/50 은 S 함량이 0.002wt% 를 초과하면 악화된다. 본 발명에 있어서는, S 의 함량이 0.002wt% 이하로 제한된다.
P : 강철에 인을 특정량 첨가하면 강대의 가공성을 개선할 수 있다; 하지만 P 함량이 지나치게 높으면 강대의 냉간 압연 가공성을 열화시키게 된다. 본 발명에 있어서는, P 함량이 0.02% 이하로 제한된다.
C : 자기 특성에 해로우며, γ상 영역을 확장하는 동안 결정립의 성장을 광범위하게 방해한다; C 함량이 과도하면 노멀라이징 처리시에 α 및 γ 의 양쪽 상영역의 변이를 증가시키게 되며, 상변이점 온도 Acl 를 현저하게 감소하여, 결정구조의 이상 제련을 발생하여 철손을 증가시킨다. 부가적으로, 틈새원소(interstitial element)로서의 C 함량이 지나치게 높으면, 규소강의 피로 특성의 개선에 불리하다. 만약 C 함량이 지나치게 높으면, 자성 파괴를 일으키고; C 함량이 지나치게 낮으면 항복강도를 현저하게 감소시킨다. 본 발명에서는 C 의 함량이 0.001~0.004wt%로 제한된다.
N : 틈새원소로서의 N 은, 결정립의 성장을 광범위하게 방해하고 철손을 악화시키는 Ti, Al, Nb 또는 V 와 함께 미세한 분산 질화물을 형성하기가 쉽다. 만약 N 함량이 지나치게 높으면 질화물 침전량이 증가하여 결정립의 성장을 광범위하게 방해하고 철손을 악화시킨다. 본 발명에 있어서는 N 의 함량이 0.003wt% 이하로 제한된다.
통상, Al 의 함량이 증가되면 AlN 을 굵게하고 N 원소 및 기타 미세한 질화물의 영향을 감소시킨다. Al/N 비는 AlN 의 형상 및 크기에 직접적인 영향을 미킨다. 만약 Al 함량이 지나치게 낮으면, 가는 바늘과 같은 AIN 이 형성되고, 자기영역의 동정에 심각하게 영향을 주며, 따라서 철손을 악화시킨다. 본 발명자는 무방향성 규소강의 Al/N 비와 철손 P15/50 사이의 관계를 연구해왔다. 도 3은 무방향성 규소강을 제조하기 위한 주조 슬래브의 Al/N 비와 무방향성 규소강의 철손 P15/50 사이의 관계를 나타낸다. 도 3에 나타낸 바와 같이, Al/N 비가 300 이상일 때, 바람직하게는 350 과 600 사이일 때 철손이 낮으며, 철손 감소의 효과는 Al/N 비가 600 에 달할 때 기본적으로 포화상태가 된다. 본 발명에 있어서는, Al/N 비는 300 이상, 바람직하게는 350 과 600 의 사이로 제한된다.
O : 자기특성에 해롭고 제강 공정중에 산화물의 함유물을 형성할 수 있어서, 그의 함량 및 형태는 자기 특성에 현저하게 영향을 미친다. 따라서, 제강 공정중에 최종 산소함량을 가능한한 감소하는 것에 부가하여, 제강 기술을 통하여 산화물의 함량 감소 및 이들의 형상을 제어할 필요가 있다.
B : 낮은 Si 함량과 함께 B 가 철강내에 첨가되면, Al 함량을 감소하고 제강 비용을 감소할 수 있다; B 가 높은 Si 함량 및 Al 함량과 함께 철강내에 첨가되면, 고용체의 상태가 되며, 이 상태에서, 결정립의 경계를 따른 그의 분리에 의하여 결정구조를 개선할 수 있고 P 분리에 의하여 야기되는 부서짐을 방지하는 한편 내부 산화물층 및 내부 질화물층의 형성을 방지함으로써, 결정의 성장을 제고한다. 그러나, 틈새원소로서, B 함량이 과도하면 자기영역의 동정을 방해하고 자기특성을 감소한다. 따라서, 본 발명에 있어서는, B 함량은 0.005wt% 이하로 제한된다.
다음으로, 본 발명자는 표면층에서의 질소 및 산소의 총 함량과 무방향성 규소강의 결정립의 등축계수가 무방향성 규소강의 철손 및/또는 철손의 이방성에 미치는 영향을 연구해 왔다.
무방향성 규소강의 표면층에서의 질소 및 산소의 총 함량은 표면 질화도 및 내부 산화도와 산화물의 총량의 레벨을 나타내며, 무방향성 규소강의 철손 레벨에 직접적으로 영향을 미친다. 도 4는 무방향성 규소강의 표면으로부터 30㎛ 깊이에서의 질소 및 산소의 총 함량과 무방향성 규소강의 철손 P15/50 사이의 관계를 나타낸다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 무방향성 규소강의 철손은 질소 및 산소의 총 함량의 증가에 따라서 증가하며, 질소와 산소의 총 함량이 300ppm 이하일 때 무방향성 규소강은 낮은 철손을 나타내었다. 따라서, 낮은 철손을 가지는 무방향성 규소강을 얻기 위하여, 무방향성 규소강의 표면층에서의 질소 및 잔소의 총 함량을 가능한한 감소시켜야 한다.
본 발명에 있어서, 상기 "결정립의 등축계수"는 다음과 같이 정의된다: 판표면에 평행하게 샘플들을 선택하고, 그 표면층을 문질러서 금속조직 샘플을 얻고, 현미경으로 결정립의 구조를 관찰하고, 압연 방향에 평행한 결정립 구조의 평균직경 DL 과 압연방향에 수직인(즉 교차방향의) 결정립 구조의 평균직경 DC 를 각각 측정한다. 평균직경 DC 에 대한 평균직경 DL의 비를 결정립의 등축계수 L, 즉 L=DL/DC 로 정의한다.
L 은 압연방향과 교차방향에서의 결정립의 형상의 특징을 특징화하기 위하여 채택된다. L 의 값이 1에 가까워질수록, 결정립이 등축 결정립에 근사화됨을 의미한다. L 의 값이 1에서 멀어질수록, 결정립들이 등축 형상으로부터 벗어남을 의미하며; L 의 값이 높을수록, 압연방향에서 결정립들이 더 길어지고, 교차방향에서의 결정립은 더 짧아진다. 도 5는 무방향성 규소강의 결정립의 등축계수와 무방향성 규소강의 철손 이방성 사이의 관계를 나타낸다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 무방향성 규소강은 L 값이 1.05와 1.35의 사이에 있을 때 철손의 이방성이 낮아진다. 따라서, 우수한 자기 특성을 가지는 무방향성 규소강을 얻기 위하여는, 결정립의 등축계수 L 이 1.05와 1.35 의 사이로 설정되어야 한다.
본 발명의 방법에 있어서의 하나의 바람직한 실시예에 있어서는, RH 정련 단계에서, 탈산은 먼저 FeSi 합금을 사용하고, 다음으로 FeAl 합금을 사용함으로써 행해진다. 탈산을 위하여 먼저 FeSi 합금을 사용하는 것은 규소강 내에 함유된 자유산소의 대부분을 효과적으로 제거할 수 있으며, 그로 인한 탈산된 제품 SiO2 는 큰 규격을 가져서 나타나기 쉽고 제거하기도 쉽게 된다; 그리고 FeSi 합금보다 더 나은 산화능력을 가지는 FeAl 합금을 사용하는 것은 규소강 내의 잔여 자유산소를 용이하게 제거할 수 있도록 해주고, 규소강의 산화물 함유물의 양을 현저하게 감소하고, 최종 규소강제품 내에 포함된 500nm 의 크기를 가지는 산화물 함유물의 양을 40% 이하로 되도록 제어하고, 따라서 결정립 경계의 피닝(pining) 효과 및 자기 영역의 피닝 효과를 약화시키고, 규소강의 자기 특성을 개선한다. 규소강의 함유물에 대한 FeSi 합금 탈산 및 FeAl 합금 탈산의 영향을 표 1에 나타내었다.
<0.5㎛ 0.5~1㎛ 1~1.5㎛ 1.5~5㎛ 5~10㎛
FeSi 합금
탈산		 대량의 MnS, Cu2S 및 AlN AlN 과 MnS 복합물, 소량의 MnS AlN 과 MnS 복합물, 소량의 Cu2S AlN 과 MnS 복합물, 소량의 CaO, Al2O3, FeO 및 기타 복합물 소량의 FeO 및SiO2 복합물
FeAl 합금
탈산		 대량의 MnS 및 Cu2S 주로
MgO+MnS/Cu2S		 주로 AlN 및
Al2O3 		AlN, Al2O3 및 SiO2 또는 Cu2S 복합물 소량의 FeO 및Al2O3 복합물
본 발명의 방법의 다른 바람직한 실시예에 있어서는, 열간 압연 단계 b)에 있어서, 950℃ 이상에서의 변형은 80% 이상이다. 강판 구조상에서의 열간 압연에 있어서의 고온 변형(950 ℃ 이상에서의 변형)의 영향은 표 2에 나타내었다. 표 2에 나타낸 바와 같이, 열간 압연에서의 고온병형의 증가는 강대 내의 미세 침전물을 감소할 수 있으며 결정립의 재결정화를 개선한다. 따라서, 우수한 자기특성을 가지는 무방향성 규소강을 얻기 위하여, 본 발명에 있어서는, 상기 열간 압연 단계 b)에서 950℃ 이상에서의 변형은 80% 이상이다.

950℃ 이상에서의 변형
미세 침전물
재결정화
1 30% 명확하게 보임 철심에서의 섬유구조
2 50% 명확하게 보임 철심에서의 섬유구조
3 60% 보임 철심에서의 소량의 섬유구조
4 80% 극히 적음 완전히 재결정화됨
5 85% 극히 적음 완전히 재결정화됨
본 발명의 방법에서의 다른 바람직한 실시예에 있어서, 열간 압연 단계에서의 열연 강대의 다양한 위치 사이에서의 최대 온도 편차는 바람직하게는 20℃ 이하, 더욱 바람직하게는 10℃ 이하이다. 강대의 최대 중심-모서리 온도편차와 볼록면 및 모서리 크랙의 최대 정도 사이의 관계를 표 3에 나타내었다. 표 3에 나타낸 바와 같이, 온도편차가 20℃ 이하였을 때 볼록면 및 모서리 크랙의 정도는 우수한 수준에 도달하였고, 온도편차가 10℃ 이하였을 때는 모서리 크랙이 대부분 회피되었다. 따라서, 우수한 판형상을 얻고 모서리 크랙을 방지하는 차원에서, 열연 강대의 다양한 위치 사이에서의 최대 온도 편차는 바람직하게는 20℃ 이하, 더욱 바람직하게는 10℃ 이하이다.

최대 중심-모서리 온도편차(℃)
볼록면의 최대 정도
모서리 크랙
1 10 30㎛ 모서리 크랙 없음
2 15 30㎛ 모서리 크랙 가끔 있음
3 20 35㎛ 약간의 모서리 크랙 있음
4 30 50㎛ 모서리 크랙 있음
5 >35 60㎛ 확실한 모서리 크랙 있음
다음으로 본 발명은 실시예들과 관련하여 더 기술되지만, 본 발명의 보호범위는 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
제1 제강 단계에서, 중량백분율로 이하의 성분을 포함하는 주조 슬래이브가 RH 제련 및 연속 주조를 통하여 얻어졌다: C 0.002%, Si 3.2%, Al 0.7%, Mn 0.50%, P 0.014%, S 0.001%, N 0.002%, B 0.002%, Nb 0.001%, V 0.002%, Ti 0.0015%, Zr 0.001%, Sn 0.008% 및 나머지가 Fe 및 불가피한 불순물; 제강 단계에서, 콘버터 출강시 융강의 온도 T, 탄소 농도 [C] 및 자유산소 농도 [O]가 다음의 식: 7.27×103≤[O][C]e(-5,000/T)≤2.99×104을 만족하고, RH 정련 단계에서, 탈산은 먼저 FeSi 합금을 사용하고 다음으로 FeAl 합금을 사용하여 행해졌다.
후속의 열간 압연 공정에서, 주조 슬래브는 1,100℃로 가열되고, 단열 후 압연되었으며, 열간 압연 말기에서의 온도는 850℃ 이상이고, 950℃ 이상에서의 변형은 80% 이상이었고, 열연 강대는 1.5-3.0mm 의 두께를 가졌다.
그리고, 노멀라이제이션의 연속 어닐링 또는 노멀라이제이션의 배치로가 채택된다. 노멀라이제이션의 연속 어닐링이 채택될 때는, 노멀라이제이션 공정이 850~950℃에서 10~90초간 유지되고, 노멀라이제이션의 가열율은 5~15℃/s 이며, 냉각율은 5~20℃/s이며; 노멀라이제이션의 배치로가 채택될 때는, 노멀라이제이션 공정이 수소의 보호 분위기 하에서 780~880℃에서 2~6h 간 유지된다.
다음에, 노멀라이징 처리 후의 열연 강대는 냉간 압연에 처해져서 냉연 강대를 형성하고, 냉연 강대는 냉각 압연 후 0.27~0.5mm 의 두께를 가지고, 냉간 압연의 압하율은 70~88% 였다.
최종적으로, 냉연 강대는 어닐링에 처해진다. 연속 어닐링로 내에서, 25~45℃/s 의 가열율로 900℃로 가열되고, 그 온도에서, 어닐링 공정은 0.5MPa 의 텐션 σ 하에서 질소 및 수소의 보호분위기 하에서 8~60 초간 유지되어, 실시예 1에서의 무방향성 규소강을 얻게 되었다.
실시예 2
실시예 2의 무방향성 규소강은 최종 어닐링 단계에서의 어닐링 온도가 920℃로 바뀐것을 제외하고는, 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 방법으로 제조되었다.
실시예 3
실시예 3의 무방향성 규소강은 최종 어닐링 단계에서의 어닐링 온도가 1,020℃로 바뀐것을 제외하고는, 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 방법으로 제조되었다.
실시예 4
실시예 4의 무방향성 규소강은 최종 어닐링 단계에서의 어닐링 온도가 1,050℃로 바뀐것을 제외하고는, 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 방법으로 제조되었다.
실시예 5
실시예 5의 무방향성 규소강은 최종 어닐링 단계에서의 텐션 σ 가 1MPa 로 바뀐것을 제외하고는, 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 방법으로 제조되었다.
실시예 6
실시예 6의 무방향성 규소강은 최종 어닐링 단계에서의 텐션 σ 가 1.3MPa 로 바뀐것을 제외하고는, 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 방법으로 제조되었다.
실시예 7
실시예 7의 무방향성 규소강은 최종 어닐링 단계에서의 텐션 σ 가 1.5MPa 로 바뀐것을 제외하고는, 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 방법으로 제조되었다.
비교예 1
비교예 1의 무방향성 규소강은 최종 어닐링 단계에서의 어닐링 온도가 850℃로 바뀐것을 제외하고는, 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 방법으로 제조되었다.
비교예 2
비교예 2의 무방향성 규소강은 최종 어닐링 단계에서의 어닐링 온도가 1,100℃로 바뀐것을 제외하고는, 실시예 2에서 사용된 것과 동일한 방법으로 제조되었다.
비교예 3
비교예 3의 무방향성 규소강은 최종 어닐링 단계에서의 텐션 σ 가 0.3MPa 로 바뀐것을 제외하고는, 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 방법으로 제조되었다.
비교예 4
비교예 4의 무방향성 규소강은 최종 어닐링 단계에서의 텐션 σ 가 2MPa 로 바뀐것을 제외하고는, 실시예 4에서 사용된 것과 동일한 방법으로 제조되었다.
비교예 5
비교예 5의 무방향성 규소강은 최종 어닐링 단계에서의 어닐링 시간이 5초로 바뀐것을 제외하고는, 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 방법으로 제조되었다.
비교예 6
비교예 6의 무방향성 규소강은, 콘버터 출강시 융강의 온도 T, 탄소 농도 [C] 및 자유산소 농도 [O]가 다음 식: 7.27×103≤[O][C]e(-5,000/T)≤2.99×104 을 만족하는 않는 것 외에는, 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 방법으로 제조되었다.
상기 실시예 및 비교예에서의 무방향성 규소강(두께 0.5mm)의 철손 P15/50 및 철손의 이방성이 측정되었고, 그 결과를 표 4에 나타내었다.
다음 식을 만족하는지 여부:
7.27×103≤ [O][C]e(-5,000/T)≤2.99×104 		최종
어닐링
시의 온도
(℃)		 최종
어닐링
시의 텐션 σ (MPa)		 최종
어닐링
시의
어닐링 시간
(초)		 철손 P15/50
(W/kg)		 철손의
이방성 (%)
실시예 1 예 900 0.5 8~60 2.37 7.5
실시예 2 예 920 0.5 8~60 2.35 8.0
실시예 3 예 1,020 0.5 8~60 2.30 9.0
실시예 4 예 1,050 0.5 8~60 2.26 9.6
실시예 5 예 900 1 8~60 2.34 8.6
실시예 6 예 900 1.3 8~60 2.28 9.1
실시예 7 예 900 1.5 8~60 2.30 9.5
비교예 1 예 850 0.5 8~60 2.45 7.0
비교예 2 예 1,100 0.5 8~60 2.26 11.1
비교예 3 예 900 0.3 8~60 2.53 7.0
비교예 4 예 900 2 8~60 2.46 10.1
비교예 5 예 900 0.5 5 2.65 7.2
비교예 6 아니오 900 0.5 8~60 2.48 8.0
상기 표로부터, 비교예들과 비교할 때, 상기 실시예들에 있어서의 무방향성 규소강은 낮은 철손 및 철손 이방성을 가짐을 알 수 있었다. 무방향성 규소강은 2.40W/kg 이하의 철손 P15/50 및 0.5mm 두께에서 10% 이하의 철손 이방성을 가졌으며 여기에서 P15/50 은 50Hz 에서 1.5T 의 자기유도 하에서의 무방향성 규소강의 철손을 나타낸다.
부가적으로, 본 발명자는 상술한 실시예들에서 무방향성 규소강의 표면특성 및 결정립 특성을 측정하였다. 그 결과는 상기 실시예들의 무방향성 규소강이 100 과 200㎛ 사이의 결정립 지름을 가지며, 결정립 등축계수 L 은 1.05와 1.35 사이었음을 보여준다. 또한, 상술한 실시예들에서 무방향성 규소강의 표면으로부터 30㎛ 깊이에서의 질소와 산소의 총 함량은 300ppm 이하였으며, 무방향성 규소강내에 함유된 500nm 이하의 크기를 가지는 함유물의 양은 40% 이하였다.
본 발명의 실험적인 결과들은, 본 발명에 있어서, 콘버터 출강시 융강의 온도 T와, 탄소 농도 [C] 및 자유산소 농도 [O] 사이의 관계를 엄격하게 제어하고, 또한 주조 슬래브내의 다양한 성분의 함량을 조정함으로써, 무방향성 규소강의 함유물의 질소 및 산소의 총 함량 및 함유물의 양이 감소될 수 있고, 따라서 무방향성 규소강의 구조 및 자기 특성을 개선한다. 또한, 0.5~1.5MPa 의 텐션하에서 900~1,050℃ 의 온도로 저온 단시간 어닐링을 함으로써, 결정립들이 신속하게 성장하고 적절한 결정립 등축계수를 얻으며, 따라서 철손 및 철손 이방성의 양자를 감소하고 무방향성 규소강의 자기 성능을 증가시키게 된다.
본 발명의 유리한 효과
함유물의 양 및 이들의 형상을 제어하기 위하여 콘버터 출강시 융강의 온도 T와, 탄소 농도 [C] 및 자유산소 농도 [O] 사이의 관계를 엄격하게 제어하고, 또한 주조 슬래브내의 다양한 성분의 함량을 조정하며, 결정립의 형상을 제어하기함으로 위하여 하나의 텐션에서 저온 단시간 어닐링을 함으로써, 철손 및 철손 이방성의 양자가 감소된 무방향성 규소강을 얻을 수 있다. 본 발명의 무방향성 규소기의 소형화 및 에너지 절약 요구를 만족시킬 수 있고, 따라서 넓은 적용분야가 예상된다.

Claims (16)

  1. 순서대로: a) 제강, b) 열간 압연, c) 노멀라이징, d) 냉간 압연, 및 e) 어닐링의 단계를 포함하며,
    상기 제강 단계 a)에 의하여 중량백분율로: C 0.001∼0.004%, Si 2.5∼4.0%, Al 0.5∼1.5%, Mn 0.10∼1.50%, P≤0.02%, S≤0.002%, N≤0.003%, B≤0.005% 을 포함하고 Mn/S≥300, Al/N≥300, 나머지가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 주조 슬래브가 얻어지고;
    상기 제강 단계 a) 는, 콘버터 출강시 융강의 온도 T, 탄소 농도 [C] 및 자유산소 농도 [O]가 다음의 식: 7.27×103≤[O][C]e(-5,000/T)≤2.99×104을 만족하는 콘버터 제강을 포함하고,
    상기 어닐링 단계 e)에서, 냉연 강대가 900~1,050℃로 가열되고, 그 후에 8~60 초의 시간 t 동안 0.5~1.5MPa 의 텐션 σ하에서 단열에 처해지는 무방향성 규소강의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 어닐링 단계 e)에서, 온도는 920~1,000℃ 이며 텐션 σ는 1~1.3MPa 인 무방향성 규소강의 제조방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제강 단계 a)에서 얻어진 주조 슬래브는: 350≤(Mn/S)≤600, 350≤(Al/N)≤600 을 만족하는 무방향성 규소강의 제조방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 주조 슬래브는 Sn 및/또는 Sb 를 더 포함하며, Sb+2Sn 의 함량은 0.001~0.05 wt% 의 범위인 무방향성 규소강의 제조방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제강 단계 a)는 RH 정련 단계를 더 포함하고, 상기 RH 정련 단계에서, 탈산(deoxidation)은 먼저 FeSi 합금을 사용하고 다음으로 FeAl 합금을 사용함으로써 탈탄(decarbonization)의 마지막에 행해지는 무방향성 규소강의 제조방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉간 압연 단계 d)는 70~88%의 압하율을 가지는 무방향성 규소강의 제조방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    강대가 질소 및 수소의 보호 분위기 하에서 2~6 시간 동안 780~880℃에서 단열에 처해지는 상기 노멀라이징 단계 c) 내에서 노멀라이징 배치로(batch furnace)가 사용되는 무방향성 규소강의 제조방법.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    열연된 강대가 먼저 5~15℃/sec 의 가열율에서 850~950℃로 가열되고, 10~90 초의 시간 t 동안 질소의 보호 분위기 하에서 단열에 처해진 후, 10℃/sec 의 냉각률로 650℃ 로 냉각되고, 마지막으로 자연 냉각되는 상기 노멀라이징 단계 c) 내에서 노멀라이징의 연속 어닐링이 사용되는 무방향성 규소강의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 노멀라이징 단계 c) 내에서, 열간 압연 강대는 850~930℃로 가열되는 무방향성 규소강의 제조방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 열간 압연 단계 b)는 950℃ 이상에서 80% 이상의 변형을 가지는 무방향성 규소강의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 열간 압연 단계 b)에서, 열연된 강대의 다양한 위치 사이에서의 최대 온도차이는 20℃ 이하인 무방향성 규소강의 제조방법.
  12. 무방향성 규소강을 제조하기 위한 주조 슬래브가 2.5~4.0 wt% 의 Si를 함유하고; 또한
    무방향성 규소강은 100과 200㎛ 사이의 결정립 지름과, 1.05와 1.35 사이의 결정립 등축계수 (grain equivalent axial coefficient) L 을 가지는 무방향성 규소강.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 주조 슬래브는 중량 백분율로: C 0.001∼0.004%, Al 0.5∼1.5%, Mn 0.10∼1.50%, P≤0.02%, S≤0.002%, N≤0.003%, B≤0.005%, Mn/S≥300, Al/N≥300, 나머지가 Fe 및 불가피한 불순물인 조성을 가지는 무방향성 규소강.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    무방향성 규소강의 표면으로부터 30㎛ 의 깊이에서의 질소 및 산소의 총 함량은 300ppm 이하인 무방향성 규소강.
  15. 제 12 항 내지 제 14 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    무방향성 규소강내에 포함된 500nm 이하의 크기를 가지는 함유물의 양은 40% 이하인 무방향성 규소강.
  16. 제 12 항 내지 제 15 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    무방향성 규소강은 0.5mm 의 두께에서 2.40W/kg 이하의 철손 P15/50 및 10% 이하인 철손 이방성을 가지며, P15/50 은 50Hz 에서 1.5T 의 자기유도하에서의 무방향성 규소강의 철손을 나타내는 무방향성 규소강.
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