KR20180073261A - 방향성 전기강판용 절연피막 조성물 및 이를 이용한 절연피막 형성방법, 방향성 전기강판 및 방향성 전기강판의 제조 방법 - Google Patents

방향성 전기강판용 절연피막 조성물 및 이를 이용한 절연피막 형성방법, 방향성 전기강판 및 방향성 전기강판의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 기재는, 0.05중량% 내지 70중량%의 결정질 무기 파우더 및 30중량% 내지 99.5중량%의 인산염을 포함하는 방향성 전기강판용 절연피막 조성물, 및 이를 이용한 절연피막 형성방법, 방향성 전기강판 및 방향성 전기강판의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

방향성 전기강판용 절연피막 조성물 및 이를 이용한 절연피막 형성방법, 방향성 전기강판 및 방향성 전기강판의 제조 방법{COMPOSITION FOR FORMINGINSULATING FILM AND METHOD FOR FORMING INSULATION FILM USING THAT, ORIENTED ECECTRICAL STEEL SHEET AND MANUFACTURING METHOD FOR ORIENTED ECECTRICAL STEEL SHEET}
본 기재는 방향성 전기강판용 절연피막 조성물 및 이를 이용한 절연피막 형성방법, 방향성 전기강판 및 방향성 전기강판의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 방향성 전기강판이란 강판에 3.2% 전후의 Si성분을 함유한 것으로서, 결정립의 방위가 {100}<001> 방향으로 정렬된 집합 조직을 가지고 있어, 압연방향으로 극히 우수한 자기적 특성을 가진 전기강판을 말한다.
이러한 방향성 전기강판의 전력 손실을 최소화하기 위한 목적으로 전기강판의 표면에는 절연피막이 형성되어 있으며, 절연피막은 기본적으로 전기 절연성이 높고 소재와의 접착성이 우수하며, 외관에 결함이 없는 균일한 색상을 가져야 한다. 이와 함께, 변압기 소음에 대한 국제규격 강화 및 경쟁심화로 인해 절연피막의 저소음화에 대한 필요성이 대두되었다.
변압기 철심으로 사용되는 전기강판에 자기장이 인가되면 수축과 팽창을 반복하여 떨림현상을 유발한다. 이러한 현상을 자기변형 혹은 자왜라고 하는데, 이러한 떨림으로 인해 변압기에서 진동과 소음이 야기된다.
현재 상품화되고 있는 방향성 전기강판은 강판과 폴스테라이트계 바탕 피막 위에 형성된 절연피막의 열팽창계수 차이를 이용하여 전기강판에 인장응력을 부여함으로써 철손을 개선하고 자기변형에 기인한 소음의 감소를 도모하고 있다.
본 기재는, 방향성 전기강판의 소음을 효과적으로 저감하고 점적율이 우수한 방향성 전기강판용 절연피막 조성물 및 이를 이용한 절연피막 형성방법, 방향성 전기강판 및 방향성 전기강판의 제조 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방향성 전기강판용 절연피막 조성물은, 0.05중량% 내지 70중량%의 결정질 무기 파우더 및 30중량% 내지 99.5중량%의 인산염을 포함하며, 상기 결정질 무기 파우더는, 멀라이트(Mullite , Al6Si2O13), 코디어라이트(Cordierite, (Mg,Fe)2Al4Si5O18), 지르콘(Zircon, ZrSiO4), 스피넬(Spinel, MgAl2O4), 몬티셀라이트(Monticellite, CaMgSiO4), 카올리나이트(Kaolinite, Al2Si2O5(OH)4), 사파이어린(Sapphirine, (Mg,Al)8(Al,Si)6O20), 알루미늄 티타네이트(Aluminum titanate, Al2TiO5), 징크 티타네이트(Zinc titanate, ZnTiO3), 리튬 알루미네이트(Lithium aluminate, LiAlO2), 티타늄 실리콘 옥사이드(Titanium silicon oxide, TiSiO4), 테프로이트(Tephroite,Mn2SiO4)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 산화물을 포함한다.
상기 결정질 무기 파우더의 입경은 0.01㎛ 내지 30㎛일 수 있다.
상기 인산염은 수산화 알루미늄(Al(OH)3), 수산화 마그네슘(Mg(OH)3), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화 니켈(Ni(OH)2), 수산화 코발트(Co(OH)2) 및 수산화 망간(Mn(OH)2)으로 이루어지는 수산화물과 인산(H3PO4)를 혼합하여 제조한 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 화합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전술한 절연피막 조성물을 방향성 전기강판의 표면에 도포하는 단계 및 상기 절연피막 조성물이 도포된 상기 방향성 전기강판을 열처리하는 단계를 포함하는 방향성 전기강판의 절연피막 형성방법이 제공된다.
상기 절연피막 조성물은 편면당 0.5 g/m2 내지 10g/m2의 도포량으로 상기 방향성 전기강판의 표면에 도포될 수 있다.
상기 방향성 전기강판은 450℃ 내지 950℃ 온도범위에서 열처리될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 방향성 전기강판은 방향성 전기강판 기재, 상기 방향성 전기강판 기재의 일면에 위치하는 피막 및 상기 피막의 일면에 위치하는 결정질 무기물층을 포함하며, 상기 결정질 무기물층은, 멀라이트(Mullite , Al6Si2O13), 코디어라이트(Cordierite, (Mg,Fe)2Al4Si5O18), 지르콘(Zircon, ZrSiO4), 스피넬(Spinel, MgAl2O4), 몬티셀라이트(Monticellite, CaMgSiO4), 카올리나이트(Kaolinite, Al2Si2O5(OH)4), 사파이어린(Sapphirine, (Mg,Al)8(Al,Si)6O20), 알루미늄 티타네이트(Aluminum titanate, Al2TiO5), 징크 티타네이트(Zinc titanate, ZnTiO3), 리튬 알루미네이트(Lithium aluminate, LiAlO2), 티타늄 실리콘 옥사이드(Titanium silicon oxide, TiSiO4), 테프로이트(Tephroite,Mn2SiO4)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 산화물을 포함한다.
상기 피막은 포스테라이트(Mg2SiO4)를 포함할 수 있다.
상기 방향성 전기강판 기재는, 2.5 중량% 내지 4.5중량%의 실리콘(Si), 0.020중량% 내지 0.040중량%의 알루미늄(Al), 0.01중량% 내지 0.20중량%의 망간(Mn), 0.01중량% 내지 0.07중량%의 안티몬(Sb), 0.01중량% 내지 0.15중량%의 주석(Sn), 0.03중량% 내지 0.08중량%의 탄소(C), 10중량ppm 내지 50 중량ppm의 질소(N) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고 나머지 잔부는 철(Fe)을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 방향성 전기강판의 제조 방법은 강판의 일면 상에 피막을 형성하는 단계 및 상기 피막의 일면 상에 결정질 무기물층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 결정질 무기물층은, 멀라이트(Mullite , Al6Si2O13), 코디어라이트(Cordierite, (Mg,Fe)2Al4Si5O18), 지르콘(Zircon, ZrSiO4), 스피넬(Spinel, MgAl2O4), 몬티셀라이트(Monticellite, CaMgSiO4), 카올리나이트(Kaolinite, Al2Si2O5(OH)4), 사파이어린(Sapphirine, (Mg,Al)8(Al,Si)6O20), 알루미늄 티타네이트(Aluminum titanate, Al2TiO5), 징크 티타네이트(Zinc titanate, ZnTiO3), 리튬 알루미네이트(Lithium aluminate, LiAlO2), 티타늄 실리콘 옥사이드(Titanium silicon oxide, TiSiO4), 테프로이트(Tephroite,Mn2SiO4)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 산화물을 포함한다.
이때, 본 실시예의 방향성 전기강판의 제조 방법은 상기 피막을 형성하는 단계 이전에, 상기 강판을 탈탄시키는 단계, 상기 강판을 질화 소둔시키는 1차 소둔 단계 및 상기 강판의 일면에 소둔 분리제를 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 소둔 분리제는 산화 마그네슘(MgO)일 수 있다.
상기 피막은, 상기 강판의 재결정 형성을 위한 2차 소둔 공정 시 상기 소둔 분리제와 상기 강판 표면의 반응에 의해 생성되는 포스테라이트(Mg2SiO4)를 포함할 수 있다.
본 실시예의 방향성 전기강판의 제조 방법은 상기 피막을 형성하는 단계 이후에, 상기 강판의 상기 일면에 잔존하는 상기 소둔 분리제의 잔여물을 산세 처리하여 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 산세 처리는 염산(HCl), 질산(HNO3), 인산(H3PO4), 황산(H2SO4), 붕산(H3BO3), 불산(HF), 브롬화수소(HBr), 과염소산(HClO4), 요오드화수소(HI)를 포함하는 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중에서 선택되는 둘 이상이 혼합되어 이루어질 수 있다.
본 기재에 의하면 변압기 소음을 효과적으로 저감하고 점적율이 우수한 방향성 전기강판용 절연피막 조성물 및 이를 이용한 절연피막 형성방법, 방향성 전기강판 및 방향성 전기강판의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방향성 전기강판의 단면 일부를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방향성 전기강판을 제조하는 방법의 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 기재를 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 기재의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
본 기재를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분을 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로 본 기재가 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방향성 전기강판용 절연피막 조성물은 0.05중량% 내지 70중량%의 결정질 무기 파우더 및 30중량% 내지 99.5중량%의 인산염을 포함한다.
본 실시예의 결정질 무기 파우더는 멀라이트(Mullite , Al6Si2O13), 코디어라이트(Cordierite, (Mg,Fe)2Al4Si5O18), 지르콘(Zircon, ZrSiO4), 스피넬(Spinel, MgAl2O4), 몬티셀라이트(Monticellite, CaMgSiO4), 카올리나이트(Kaolinite, Al2Si2O5(OH)4), 사파이어린(Sapphirine, (Mg,Al)8(Al,Si)6O20), 알루미늄 티타네이트(Aluminum titanate, Al2TiO5), 징크 티타네이트(Zinc titanate, ZnTiO3), 리튬 알루미네이트(Lithium aluminate, LiAlO2), 티타늄 실리콘 옥사이드(Titanium silicon oxide, TiSiO4), 테프로이트(Tephroite,Mn2SiO4)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 산화물을 포함한다.
본 실시예의 결정질 무기 파우더는 자기변형 에너지를 열에너지로 변화하여 진동증폭을 억제하므로 소음을 개선할 수 있으며, 무기 산화물이기 때문에 내열성이 우수하여 변압기 제조에 적합하고 대량 생산이 용이하다.
결정질 무기 파우더를 단독으로 사용하여 방향성 전기강판용 절연피막 조성물을 조성할 경우 결정질 무기 파우더들이 서로 화학결합하여 입자크기가 불균일해지며 덩어리로 응집되면서 표면에 얼룩무늬 결함 및 밀착성 불량을 유발할 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 방향성 전기강판용 절연피막 조성물은 0.05중량% 내지 70중량%의 결정질 무기 파우더 및 30중량% 내지 99.5중량%의 인산염을 혼합하여 조성함으로써, 얼룩무늬 결함 및 밀착성 불량을 해소할 수 있다.
결정질 무기 파우더의 함량이 0.05중량% 미만일 경우 치밀한 피막이 형성되지않아 자기변형에 기인한 진동의 감쇄능력이 부족하여 소음특성이 저하될 수 있다. 그리고, 결정질 무기 파우더의 함량이 70중량% 초과일 경우 흡습성이 저하되거나 표면조도가 거칠어져 밀착성이 불량해질 수 있다.
전술한 결정질 무기 파우더는 0.01㎛ 내지 30㎛의 입경을 가질 수 있다. 결정질 무기 파우더의 입경이 0.01㎛보다 작을 경우에는 비표면적이 증가하여 소음특성이 저하될 수 있고, 결정질 무기 파우더의 입경이 30㎛보다 클 경우에는 표면조도가 거칠어져 표면결함이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방향성 전기강판용 절연피막 조성물에 포함되는 인산염은 30중량% 내지 99.5중량%로 함유될 수 있다. 인산염의 함량이 30중량% 미만일 경우 코팅제의 접착력이 저하되어 피막장력 및 밀착성이 저하되고, 인산염의 함량이 99.5중량% 초과일 경우 소음특성이 저하될 수 있다.
본 실시예의 인산염은 수산화 알루미늄(Al(OH)3), 수산화 마그네슘(Mg(OH)3), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화 니켈(Ni(OH)2), 수산화 코발트(Co(OH)2) 및 수산화 망간(Mn(OH)2)으로 이루어지는 수산화물과 인산(H3PO4)를 혼합하여 제조한 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 화합물을 포함한다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따라, 전술한 방향성 전기강판용 절연피막 조성물을 이용하여 방향성 전기강판의 절연피막을 형성하는 방법에 대해 설명하고자 한다. 본 실시예에 따른 방향성 전기강판의 절연피막 형성방법은 절연피막 조성물을 도포하는 단계 및 방향성 전기강판을 열처리하는 단계를 포함한다.
절연피막 조성물을 도포하는 단계는 전술한 방향성 전기강판용 절연피막 조성물을 전기강판의 표면에 도포하는 단계로, 이때 본 실시예의 절연피막 조성물은 편면당 0.5 g/m2 내지 10g/m2의 도포량으로 상기 방향성 전기강판의 표면에 도포될 수 있다.
절연피막 조성물의 도포량이 0.5g/m2 미만일 경우, 절연피막의 두께가 얇아 절연 및 소음특성이 열위하므로 변압기 등의 제품으로 생산하기에 충분하지 않다. 그리고, 절연피막 조성물의 도포량이 7g/m2 초과일 경우 점적율이 낮아져 효율적인 변압기 제작이 어렵게 된다.
방향성 전기강판을 열처리하는 단계는 절연피막 조성물이 도포된 방향성 전기강판을 소정의 온도에서 열처리하는 단계로, 본 실시예에 따른 열처리 온도는 450℃ 내지 950℃일 수 있다.
한편, 이하에서는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 전술한 방향성 전기강판용 절연피막 조성물에 의해 형성되는 방향성 전기강판용 절연피막을 포함하는 방향성 전기강판(100)에 대해 설명하고자 한다. 도 1은 본 실시예의 방향성 전기강판(100)의 단면 일부를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 방향성 전기강판(100)은 방향성 전기강판 기재(10)의 일면에 형성되는 피막(20) 및 피막(20)의 일면 상에 결정질 무기물층(30)을 포함한다.
방향성 전기강판 기재(10)는 2.5 중량% 내지 4.5중량%의 실리콘(Si), 0.020중량% 내지 0.040중량%의 알루미늄(Al), 0.01중량% 내지 0.20중량%의 망간(Mn), 0.01중량% 내지 0.07중량%의 안티몬(Sb), 0.01중량% 내지 0.15중량%의 주석(Sn), 0.03중량% 내지 0.08중량%의 탄소(C), 10중량ppm 내지 50 중량ppm의 질소(N) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고 나머지 잔부는 철(Fe)을 포함한다.
이하에서는 방향성 전기강판 기재(10) 성분의 한정 이유에 대해 설명한다.
실리콘(Si): 2.5 중량% 내지 4.5중량%
실리콘(Si)은 강의 비저항을 증가시켜 철손을 감소시키는 역할을 하는데, 실리콘(Si)의 함량이 2.5 중량% 미만인 경우에는 강의 비저항이 작게 되어 철손 특성이 열화되고 고온소둔시 상변태구간이 존재하여 2차 재결정이 불안정해지는 문재가 발생할수 있다. 실리콘(Si)의 함량이 4.5중량%을 초과하는 경우에는 취성이 커져 냉간압연이 어려워지는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 전술한 범위에서 실리콘(Si)의 함량을 조절할 수 있다.
알루미늄(Al): 0.020중량% 내지 0.040중량%
알루미늄(Al)은 최종적으로 AlN, (Al,Si)N, (Al,Si,Mn)N 형태의 질화물로 되어 억제제로 작용하는 성분이다. 알루미늄(Al)의 함량이 0.020중량% 미만인 경우에는 억제제로서 충분한 효과를 기대하기 어렵다. 또한, 알루미늄(Al)의 함량이 0.040중량%을 초과하는 경우에는 알루미늄(Al) 계통의 질화물이 너무 조대하게 석출, 성장하므로 억제제로의 효과가 부족해질 수 있다. 따라서, 전술한 범위에서 알루미늄(Al)의 함량을 조절할 수 있다.
망간(Mn): 0.01중량% 내지 0.20중량%
망간(Mn)은 실리콘(Si)과 동일하게 비저항을 증가시켜 철손을 감소시키는 효과가 있으며, 실리콘(Si)과 함께 질화처리에 의해서 도입되는 질소와 반응하여 (Al,Si,Mn)N의 석출물을 형성함으로서 1차 재결정립의 성장을 억제하여 2차 재결정을 일으키는데 중요한 원소이다. 그러나 망간(Mn)의 함량이 0.20중량%를 초과하는 경우, 열연 도중 오스테나이트 상변태를 촉진하므로 1차 재결정립의 크기를 감소시켜 2차 재결정을 불안정하게 한다. 또한, 망간(Mn)의 함량이 0.01중량% 미만인 경우, 오스테나이트 형성 원소로서 열연 재가열시 오스테나이트 분율을 높여 석출물들의 고용량을 많게 하여 재석출시 석출물 미세화와 황화망간(MnS) 형성을 통한 1차 재결정립이 너무 과대하지 않게 하는 효과가 불충분하게 일어날 수 있다. 따라서, 전술한 범위에서 망간(Mn)의 함량을 조절할 수 있다.
안티몬(Sb): 0.01중량% 내지 0.07중량%
안티몬(Sb)은 {110}<001>방위의 고스결정립의 생성을 촉진하는 원소로서, 안티몬(Sb)의 함량이 0.01 중량% 미만인 경우에는 고스결정립 생성 촉진제로서 충분한 효과를 기대할 수 없고, 안티몬(Sb)의 함량이 0.07 중량%를 초과하면 표면에 편석되어 산화층 형성을 억제하고 표면불량이 발생하게 된다. 따라서, 전술한 범위에서 안티몬(Sb)의 함량을 조절할 수 있다.
주석(Sn): 0.01~0.15중량%
주석(Sn)은 결정립계 편석원소로서 결정립계의 이동을 방해하는 원소이기 때문에 결정립 성장 억제제로서 {110}<001>방위의 고스결정립의 생성을 촉진하여 2차 재결정이 잘 발달하도록 하므로 결정립 성장 억제력 보강에 중요한 원소이다. 만약, 주석(Sn)의 함량이 0.01 중량% 미만이면 그 효과가 떨어지고, 0.15 중량%를 초과하면 결정립계 편석이 심하게 일어나 강판의 취성이 커져서 압연시 판파단이 발생하게 된다. 따라서, 전술한 범위에서 주석(Sn)의 함량을 조절할 수 있다.
탄소(C): 0.03중량% 내지 0.08중량%
탄소(C)는 본 발명에 따른 실시예에서 방향성 전기강판의 자기적 특성 향상에 크게 도움이 되지 않는 성분이므로 가급적 제거하는 것이 바람직하다. 그러나, 일정수준 이상 포함되어 있을 경우 압연과정에서는 강의 오스테나이트 변태를 촉진하여 열간압연시 열간압연 조직을 미세화시켜서 균일한 미세조직이 형성되는 것을 도와주는 효과가 있으므로, 탄소(C)의 함량은 0.03중량% 이상으로 포함되는 것이 바람직하다. 그러나 탄소(C)의 함량이 과다하면 조대한 탄화물이 생성되고 탈탄 시 제거가 곤란해지므로 0.08중량% 이하인 것이 바람직하다.
질소(N): 10중량ppm 내지 50 중량ppm
질소(N)는 알루미늄(Al) 등과 반응하여 결정립을 미세화시키는 원소이다. 이들 원소들이 적절히 분포될 경우에는 상술한 바와 같이 냉간압연 이후 조직을 적절히 미세하게 하여 적절한 1차 재결정 입도를 확보하는데 도움이 될 수 있다. 그러나, 그 함량이 과도하면 1차 재결정립이 과도하게 미세화되고 그 결과 미세한 결정립으로 인하여 2차 재결정시 결정립 성장을 초래하는 구동력이 커져서 바람직하지 않은 방위의 결정립까지 성장할 수 있다. 또한, 질소(N)의 함량이 과다하면 최종 소둔 과정에서 제거하는데도 많은 시간이 소요되므로 바람직하지 않다. 따라서, 질소(N) 함량의 상한은 50ppm으로 하고, 슬라브 재가열시 고용되는 질소의 함량이 10ppm 이상이 되어야 할 것이므로 상기 질소(N) 함량의 하한은 10ppm으로 하는 것이 바람직하다.
실험예 1 : 결정질 무기 파우더 성분 및 종류별 특성
실시예 1
실리콘(Si)을 3.3 중량%, 알루미늄(Al): 0.03 중량%, 망간(Mn): 0.05 중량% 안티몬(Sb)을 0.04 중량%, 주석(Sn)을 0.09 중량%, 탄소(C)를 0.06 중량%, 질소(N)를 40 중량ppm 포함하고, 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 슬라브를 준비하였다.
슬라브를 1150℃ 에서 220분간 가열한 뒤 2.3mm 두께로 열간 압연하여, 열연판을 제조하였다.
열연판을 1120℃까지 가열한 후 920℃ 에서 95초간 유지한 후, 물에 급냉하여 산세한 다음, 0.23mm 두께로 냉간 압연하여, 냉연판을 제조하였다.
냉연판을 850℃ 로 유지 된 노(Furnace) 속에 투입한 뒤, 70 부피%의 수소와 30 부피%의 질소 및 1 부피%의 건조한 암모니아 가스 혼합 분위기에 180초간 유지하여, 탈탄 침질 및 1차 재결정 소둔을 동시에 수행하여, 1차 재결정 소둔된 강판을 제조하였다.
소둔 분리제 조성물로서 산화티탄(TiO2) 5 중량%, Sb2(SO4)3 5 중량% 및 잔부 산화 마그네슘(MgO)과 증류수를 혼합하여 슬러리 형태로 제조하고, 롤을 이용하여 슬러리를 1차 재결정 소둔된 강판에 도포한 후, 2차 재결정 소둔하였다.
2차 재결정 소둔시 1차 균열온도는 700℃, 2차 균열온도는 1200℃로 하였고, 승온구간의 온도구간에서는 15℃/hr로 하였다. 또한, 1200℃까지는 질소 50 부피% 및 수소 50 부피%의 혼합 기체 분위기로 하였고, 1200℃ 도달한 후에는 100 부피%의 수소 기체 분위기에서 20시간 유지한 다음 노냉(furnace cooling)하였다.
미반응 산화 마그네슘(MgO)을 제거하기 위하여, 80℃ 온도의 황산(H2SO4) 조건에서 15초간 산세처리를 하였다.
그 뒤, 결정질 무기 파우더 45 중량%, 제1인산알루미늄 45 중량%, 산화크롬 5 중량%, 수산화니켈 5 중량%로 혼합된 세라믹 층 형성 조성물을 교반하고, 최종 소둔판 표면에 2.5g/m2이 되도록 도포한 다음, 860 ℃로 설정된 건조로에서 120초 동안 처리한 후, 자기적 특성 및 표면특성을 평가하였다. 또한, 코팅된 시편을 870℃ 온도와 혼합분위기 가스(H2:N2=5:5) 조건에서 2시간 동안 응력제거소둔(SRA)하고 철손 및 절연특성을 평가하였다.
실시예 2 내지 실시예 14
실시예 1과 동일하게 실시하되, 결정질 무기물 내의 멀라이트 및 인산염 성분을 하기 표 1과 같이 교체하여 피막을 형성하였다.
비교예 1
실시예 1과 동일하게 실시하되, 무결정 SiO2 50중량%, 제1인산알루미늄 45 중량%, 산화크롬 5 중량%를 포함하는 절연피막 조성물을 사용하였다.
비교예 2
비교예 1과 동일하게 실시하되, 인산마그네슘을 45중량%를 포함하는 절연피막 조성물을 사용하였다.
실시예 및 비교예에서 제조한 방향성 전기강판을 1.7T, 50Hz 조건에서, 자기 특성 및 소음 특성을 평가하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
전기강판의 자기 특성은 통상 W17/50과 B8을 사용한다. W17/50은 주파수 50Hz의 자기장을 1.7Tesla까지 교류로 자화시켰을 때 나타나는 전력 손실(W/kg)을 의미한다. 여기서, Tesla 는 단위면적당 자속(flux)를 의미하는 자속 밀도의 단위이다. B8은 전기강판 주위를 감은 권선에 800 A/m 크기의 전류량을 흘렸을때, 전기강판에 흐르는 자속 밀도 값(Tesla)을 나타낸다.
또한, 절연특성은 ASTM A717 국제규격에 따라 Franklin 측정기를 활용하여 코팅상부를 측정하였다.
구분 결정질 무기물 인산염 철손(W17/50, W/kg) 자속밀도(B8, T) 절연(mA) SRA 후 절연(mA) SRA 후 철손(W17/50, W/kg)
비교예 1 무결정 SiO2 Al 0.862 1.910 330 565 0.890
비교예 2 무결정 SiO2 Mg 0.870 1.908 385 478 0.882
실시예 1 멀라이트 Al 0.780 1.912 52 52 0.752
실시예 2 코디어라이트 Mg 0.742 1.920 60 65 0.732
실시예 3 지르콘 Ca 0.812 1.915 0 27 0.795
실시예 4 스피넬 Ni 0.840 1.912 7 125 0.815
실시예5 몬티셀라이트 Co 0.855 1.908 115 97 0.832
실시예6 카올리나이트 Mn 0.830 1.911 200 135 0.750
실시예7 사파이어린 Al+Mg
(1:1)		 0.725 1.933 150 216 0.685
실시예8 알루미늄 티타네이트 Al+Mg+Ca
(1:2:1)		 0.753 1.920 75 312 0.750
실시예 9 징크 티타네이트 Al 0.770 1.930 20 7 0.790
실시예 10 리튬 알루미네이트 Mg 0.835 1.920 35 2 0.834
실시예 11 티타늄 실리콘 옥사이드 Al+Ca
(5:1)		 0.760 1.925 2 5 0.735
실시예 12 테프로이트 Mg 0.860 1.911 211 16 0.825
실시예 13 멀라이트+코디얼라이트 (1:1) Mg 0.720 1.942 4 327 0.720
실시예 14 멀라이트+코디얼라이트+테프로이트 (2:1:1) Al+Mg
(2:1)		 0.732 1.935 11 11 0.722
표 1에서 나타나듯이, 비교예 1 내지 비교예 2 보다 실시예 1 내지 13의 특성이 우수한 것을 확인할 수 있다. 또한, 코팅 후 응력제거소둔(SRA)을 실시한 경우에 특성이 더욱 우수한 것을 확인할 수 있다.
실험예 2: 1000kVA 변압기의 자기특성, 점적율 및 소음 특성 평가
실시예 15
실리콘(Si)을 3.4 중량%, 알루미늄(Al): 0.03 중량%, 안티몬(Sb)을 0.03 중량%, 주석(Sn)을 0.07 중량%, 탄소(C)를 0.05 중량%, 질소(N)를 30 중량ppm 포함하고, 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 슬라브를 준비하였다.
슬라브를 1150℃ 에서 220분간 가열한 뒤 2.3mm 두께로 열간 압연하여, 열연판을 제조하였다.
열연판을 1120℃까지 가열한 후 920℃ 에서 95초간 유지한 후, 물에 급냉하여 산세한 다음, 0.23mm 두께로 냉간 압연하여, 냉연판을 제조하였다.
냉연판을 850℃ 로 유지 된 노(Furnace) 속에 투입한 뒤, 50 부피%의 수소와 50 부피%의 질소 및 1 부피%의 건조한 암모니아 가스 혼합 분위기에 180초간 유지하여, 탈탄 침질 및 1차 재결정 소둔을 동시에 수행하여, 1차 재결정 소둔된 강판을 제조하였다.
소둔 분리제 조성물로서 산화티탄(TiO2) 10 중량%, Sb2(SO4)3 2 중량% 및 잔부 산화 마그네슘(MgO)과 증류수를 혼합하여 슬러리 형태로 제조하고, 롤을 이용하여 슬러리를 1차 재결정 소둔된 강판에 도포한 후, 2차 재결정 소둔하였다.
2차 재결정 소둔시 1차 균열온도는 700℃, 2차 균열온도는 1200℃로 하였고, 승온구간의 온도구간에서는 15℃/hr로 하였다. 또한, 1200℃까지는 질소 50 부피% 및 수소 50 부피%의 혼합 기체 분위기로 하였고, 1200℃ 도달한 후에는 100 부피%의 수소 기체 분위기에서 20시간 유지한 다음 노냉(furnace cooling)하였다.
미반응 산화 마그네슘(MgO)을 제거하기 위하여, 95℃ 온도의 염산(HCl) 조건에서 9초간 산세처리를 하였다.
그 뒤, 멀라이트 55 중량%, 제1인산알루미늄 및 인산마그네슘 1:1 혼합물 40 중량%, 산화크롬 3 중량%, 수산코발트 2 중량%로 혼합된 세라믹 층 형성 조성물을 교반하고, 최종 소둔판 표면에 3.2g/m2이 되도록 도포한 다음, 865 ℃로 설정된 건조로에서 120초 동안 처리한 후, 레이저 자구미세화 처리를 실행하고, 1000kVA 변압기를 제작하여 설계 자속밀도에 따라 60Hz 조건에서 평가한 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
비교예 3
실시예 15과 동일하게 실시하되, 콜로이달 실리카 50중량%, 제1인산알루미늄 45 중량% 및 산화크롬 5중량%를 포함하는 절연피막 조성물을 사용하였다.
점적율은 JIS C2550 국제규격에 따라 측정기를 활용하여 측정하였다. 전기강판 시편을 복수개로 적층한 후 표면에 1MPa의 균일한 압력을 가한 뒤 시편의 4면의 높이 정밀 측정을 통해 전기강판 적층에 따른 실무게 비율을 이론 무게로 나누어 측정하였다.
소음 평가 방법은, 국제규정 IEC61672-1와 동일하게 평가하되, 음압 대신 전기강판의 떨림(진동) 데이터를 취득하여 소음환산값 [dBA]으로 평가한다. 전기강판의 떨림은 주파수 60Hz의 자기장을 1.7Tesla까지 교류로 자화시켰을 때, 레이저도플러 방식을 활용하여 비접촉식으로 시간에 따라 진동 패턴을 측정한다.
구분 철손(W17/50, W/kg) 자속밀도(B8, T) 점적율(%) 소음(dBA)
실시예 15 0.672 1.927 97.5 48.5
비교예 3 0.755 1.907 96.1 55.7
표 2에 나타나듯이, 비교예 3 보다 실시예 15의 특성이 월등히 우수한 것을 확인할 수 있다.
본 실시예의 피막(20)은 포스테라이트(Mg2SiO4)를 포함하는 포스테라이트 피막일 수 있다. 포스테라이트 피막의 형성에 대해서는 이후 방향성 전기강판의 제조 방법에 대한 설명 부분에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 실시예의 피막(20)의 두께는 0.1㎛ 내지 10㎛일 수 있다. 피막(20)의 두께가 0.1㎛보다 얇으면, 피막장력 부여능이 저하되어 철손이 열위한 문제가 생길 수 있다. 반면, 피막(20)의 두께가 10㎛보다 두꺼우면, 점적율이 열위해져 변압기 효율이 저하될 수 있다. 따라서, 피막(20)의 두께를 전술한 범위로 조절할 수 있다. 더욱 구체적으로 포스테라이트 피막(20)의 두께는 0.3 내지 7 ㎛일 수 있다.
결정질 무기물층(30)은 피막(20)의 일면 상에 형성된다. 본 실시예의 결정질 무기물층(30)의 두께는 0.5㎛ 내지 5㎛일 수 있다. 결정질 무기물층(30)의 두께가 0.5㎛보다 얇으면, 결정질 무기물층(30)의 절연 효과가 적게 나타나는 문제가 생길 수 있다. 결정질 무기물층(30)의 두께가 5㎛보다 두꺼우면, 결정질 무기물층(30)의 밀착성이 낮아지고, 박리가 일어날 수 있다. 따라서, 결정질 무기물 층(30)의 두께를 전술한 범위로 조절할 수 있다. 더욱 구체적으로 결정질 무기물층(30)의 두께는 0.5㎛ 내지 4.5 ㎛일 수 있다.
본 실시예의 결정질 무기물층(30)은 전술한 방향성 전기강판용 절연피막 조성물에 의해 형성되는 것으로, 구체적인 물질에 대한 설명은 전술한 것과 동일하므로 중복 기재는 생략하기로 한다. 또한, 본 실시예의 결정질 무기물층(30)은 전술한 방향성 전기강판의 절연피막 형성방법에 의해 형성될 수 있다. 이에 대해서는 이하에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 전술한 방향성 전기강판용 절연피막 조성물 및 방향성 전기강판의 절연피막 형성방법을 이용하여 전술한 방향성 전기강판(100)을 제조하기 위한 방법이 제공된다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방향성 전기강판(100)을 제조하는 방법의 순서도이다. 도 2를 참고하면, 본 실시예에 따른 방향성 전기강판(100)의 제조 방법은 강판의 일면 상에 피막을 형성하는 단계(S100) 및 피막의 일면 상에 결정질 무기물층을 형성하는 단계(S200)를 포함한다.
이때, 본 실시예에 따른 방향성 전기강판(100)의 제조 방법은 강판의 일면 상에 피막을 형성하는 단계(S100) 이전에 강판을 탈탄시키는 단계, 강판을 질화 소둔시키는 1차 소둔 단계 및 강판의 일면에 소둔 분리제를 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 소둔 분리제는, 이후 진행되는 강판의 2차 소둔 공정에서 소재 간의 상호 융착(sticking)을 방지하기 위하여 강판 표면에 도포되는 것으로, 산화 마그네슘(MgO)를 포함할 수 있다.
강판의 2차 소둔 공정은 강판의 재결정 형성을 위해 고온에서 진행되는 공정이다. 이때 2차 소둔 공정은 450℃ 내지 950℃ 온도범위에서 진행될 수 있다.
본 실시예에 따른 산화 마그네슘(MgO)을 포함하는 소둔 분리제는 강판 표면에 과량으로 도포된다. 그러므로, 450℃ 내지 950℃ 온도범위의 고온 환경에서 진행되는 2차 소둔 시, 소둔 분리제의 일부는 강판 내부로 확산하여 방향성 전기강판에 함유된 실리콘(Si)과 반응하여 포스테라이트(Mg2SiO4) 층을 생성함으로써 피막을 형성한다. 즉, 본 실시예의 피막 형성 단계는 2차 소둔 공정과 동시에 진행된다.
또한 본 실시예의 피막 형성 공정은 앞서 설명한 방향성 전기강판의 절연피막 형성방법에서 절연피막 조성물이 도포된 상기 방향성 전기강판을 열처리하는 단계에 대응될 수 있다.
이때, 포스테라이트 피막(20)을 형성하지 못한 대부분의 미반응 산화 마그네슘(MgO), 즉 소둔 분리제의 잔여물은 강판(10) 표면에 잔존하여 표면조도를 거칠게 하고 점적율을 저하하는 원인이 된다.
따라서, 본 실시예의 방향성 전기강판(100)의 제조 방법은 2차 소둔이 완료된 강판(10)을 산세 처리하여 미반응 산화 마그네슘(MgO)을 제거하는 단계를 더 포함한다.
본 실시예의 산세 처리는 염산(HCl), 질산(HNO3), 인산(H3PO4), 황산(H2SO4), 붕산(H3BO3), 불산(HF), 브롬화수소(HBr), 과염소산(HClO4), 요오드화수소(HI)를 포함하는 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중에서 선택되는 둘 이상이 혼합되어 이루어질 수 있다.
이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 방향성 전기강판용 절연피막 조성물 및 본 발명의 다른 실시예에 따라, 전술한 방향성 전기강판용 절연피막 조성물을 이용하여 절연 피막을 형성하는 방법, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 방향성 전기강판 및 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 방향성 전기강판의 제조 방법에 대해 설명하엿다. 본 기재에 의하면 변압기 소음을 효과적으로 저감하고 점적율이 우수한 방향성 전기강판용 절연피막 조성물 및 이를 이용한 절연피막 형성방법, 방향성 전기강판 및 방향성 전기강판의 제조 방법을 제공할 수 있다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100: 방향성 전기강판
10: 기재
20: 포스테라이트 피막
30: 결정질 무기물층

Claims (15)

  1. 0.05중량% 내지 70중량%의 결정질 무기 파우더; 및
    30중량% 내지 99.5중량%의 인산염을 포함하며,
    상기 결정질 무기 파우더는,
    멀라이트(Mullite , Al6Si2O13), 코디어라이트(Cordierite, (Mg,Fe)2Al4Si5O18), 지르콘(Zircon, ZrSiO4), 스피넬(Spinel, MgAl2O4), 몬티셀라이트(Monticellite, CaMgSiO4), 카올리나이트(Kaolinite, Al2Si2O5(OH)4), 사파이어린(Sapphirine, (Mg,Al)8(Al,Si)6O20), 알루미늄 티타네이트(Aluminum titanate, Al2TiO5), 징크 티타네이트(Zinc titanate, ZnTiO3), 리튬 알루미네이트(Lithium aluminate, LiAlO2), 티타늄 실리콘 옥사이드(Titanium silicon oxide, TiSiO4), 테프로이트(Tephroite,Mn2SiO4)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 산화물을 포함하는, 방향성 전기강판용 절연피막 조성물.
  2. 제1항에서,
    상기 결정질 무기 파우더의 입경은 0.01㎛ 내지 30㎛인, 방향성 전기강판용 절연피막 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 인산염은 수산화 알루미늄(Al(OH)3), 수산화 마그네슘(Mg(OH)3), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화 니켈(Ni(OH)2), 수산화 코발트(Co(OH)2) 및 수산화 망간(Mn(OH)2)으로 이루어지는 수산화물과 인산(H3PO4)를 혼합하여 제조한 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 화합물을 포함하는, 방향성 전기강판용 절연피막 조성물.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 절연피막 조성물을 방향성 전기강판의 표면에 도포하는 단계; 및
    상기 절연피막 조성물이 도포된 상기 방향성 전기강판을 열처리하는 단계를 포함하는, 방향성 전기강판의 절연피막 형성방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 절연피막 조성물은 편면당 0.5 g/m2 내지 10g/m2의 도포량으로 상기 방향성 전기강판의 표면에 도포되는, 방향성 전기강판의 절연피막 형성방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 방향성 전기강판은 450℃ 내지 950℃ 온도범위에서 열처리되는, 방향성 전기강판의 절연피막 형성방법.
  7. 방향성 전기강판 기재;
    상기 방향성 전기강판 기재의 일면에 위치하는 피막; 및
    상기 피막의 일면에 위치하는 결정질 무기물층을 포함하며,
    상기 결정질 무기물층은,
    멀라이트(Mullite , Al6Si2O13), 코디어라이트(Cordierite, (Mg,Fe)2Al4Si5O18), 지르콘(Zircon, ZrSiO4), 스피넬(Spinel, MgAl2O4), 몬티셀라이트(Monticellite, CaMgSiO4), 카올리나이트(Kaolinite, Al2Si2O5(OH)4), 사파이어린(Sapphirine, (Mg,Al)8(Al,Si)6O20), 알루미늄 티타네이트(Aluminum titanate, Al2TiO5), 징크 티타네이트(Zinc titanate, ZnTiO3), 리튬 알루미네이트(Lithium aluminate, LiAlO2), 티타늄 실리콘 옥사이드(Titanium silicon oxide, TiSiO4), 테프로이트(Tephroite,Mn2SiO4)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 산화물을 포함하는, 방향성 전기강판.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 피막은 포스테라이트(Mg2SiO4)를 포함하는, 방향성 전기강판.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 방향성 전기강판 기재는,
    2.5 중량% 내지 4.5중량%의 실리콘(Si);
    0.020중량% 내지 0.040중량%의 알루미늄(Al);
    0.01중량% 내지 0.20중량%의 망간(Mn);
    0.01중량% 내지 0.07중량%의 안티몬(Sb);
    0.01중량% 내지 0.15중량%의 주석(Sn);
    0.03중량% 내지 0.08중량%의 탄소(C);
    10중량ppm 내지 50 중량ppm의 질소(N); 및
    기타 불가피한 불순물을 포함하고 나머지 잔부는 철(Fe)을 포함하는, 방향성 전기강판.
  10. 방향성 전기강판의 일면 상에 피막을 형성하는 단계; 및
    상기 피막의 일면 상에 결정질 무기물층을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 결정질 무기물층은,
    멀라이트(Mullite , Al6Si2O13), 코디어라이트(Cordierite, (Mg,Fe)2Al4Si5O18), 지르콘(Zircon, ZrSiO4), 스피넬(Spinel, MgAl2O4), 몬티셀라이트(Monticellite, CaMgSiO4), 카올리나이트(Kaolinite, Al2Si2O5(OH)4), 사파이어린(Sapphirine, (Mg,Al)8(Al,Si)6O20), 알루미늄 티타네이트(Aluminum titanate, Al2TiO5), 징크 티타네이트(Zinc titanate, ZnTiO3), 리튬 알루미네이트(Lithium aluminate, LiAlO2), 티타늄 실리콘 옥사이드(Titanium silicon oxide, TiSiO4), 테프로이트(Tephroite,Mn2SiO4)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 산화물을 포함하는, 방향성 전기강판의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 피막을 형성하는 단계 이전에,
    상기 강판을 탈탄시키는 단계;
    상기 강판을 질화 소둔시키는 1차 소둔 단계; 및
    상기 강판의 일면에 소둔 분리제를 도포하는 단계를 더 포함하는, 방향성 전기강판의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 소둔 분리제는 산화 마그네슘(MgO)인, 방향성 전기강판의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 피막은,
    상기 강판의 재결정 형성을 위한 2차 소둔 공정 시 상기 소둔 분리제와 상기 강판 표면의 반응에 의해 생성되는 포스테라이트(Mg2SiO4)를 포함하는, 방향성 전기강판의 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 피막을 형성하는 단계 이후에,
    상기 강판의 상기 일면에 잔존하는 상기 소둔 분리제의 잔여물을 산세 처리하여 제거하는 단계를 더 포함하는, 방향성 전기강판의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 산세 처리는 염산(HCl), 질산(HNO3), 인산(H3PO4), 황산(H2SO4), 붕산(H3BO3), 불산(HF), 브롬화수소(HBr), 과염소산(HClO4), 요오드화수소(HI)를 포함하는 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중에서 선택되는 둘 이상이 혼합되어 이루어지는, 방향성 전기강판의 제조 방법.
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