KR20190126089A - 낮은 코어 손실을 갖는 방향성 규소강 및 이의 제조 방법 - Google Patents

낮은 코어 손실을 갖는 방향성 규소강 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

낮은 코어 손실을 갖는 방향성 규소강이 제공되며, 이의 표면에는 복수의 그루브가 제공되고, 각각의 그루브는 10-60 μm의 폭 및 5-40 μm의 깊이이며, 인접한 그루브 사이의 간격은 1-10 mm이다. 상기에 대한 제조 방법은 그루브를 형성시키기 위해 레이저를 이용하여 낮은 코어 손실을 갖는 방향성 규소강의 표면을 스코어링하는 것을 포함한다. 낮은 코어 손실을 갖는 방향성 규소강은 응력 제거 어닐링 공정에서 자구 정련 효과를 유지할 수 있고, 더 많은 잔여 응력의 도입을 피할 수 있다.

Description

낮은 코어 손실을 갖는 방향성 규소강 및 이의 제조 방법
본 발명은 강종(steel grade) 및 이의 제조 방법, 특히 규소강(silicon steel) 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 몇 년 동안, 전세계 에너지 및 환경 문제가 점점 더 두드러지고 있으며, 에너지 보존 및 소비 감소에 대한 요구가 전 세계적으로 증가하고 있다. 결과로서, 다양한 유형의 장비의 무효 전력 소비를 감소시키기 위해 국가들에서 장비의 에너지 소비 표준이 일반적으로 높아졌다. 현재, 전력 전송 시스템의 기본 구성요소인 변압기는 전력 전송 시스템 손실의 약 40%를 차지한다. 방향성 규소강재(grain-oriented silicon steel material)로 제조된 변압기 코어의 손실은 전체 손실의 약 20%를 차지한다. 철 코어 손실은 종종 철손(iron loss)으로 언급된다. 따라서, 방향성 규소강의 철손을 감소시키는 것은 현저한 경제적 및 사회적 이점을 갖는다.
방향성 규소강은 강자성 재료이며, 이는 이의 내부 입자 {110}<001> 배향이 규소강을 강판으로 압연하는 방향과 실질적으로 일치하기 때문에 이로 명명된다. {110}<001> 방향으로 입자의 최상의 투자율(magnetic permeability)로 인해, 방향성 규소 강판은 우수한 자기 특성을 갖고, 높은 투자율 및 낮은 철손 성능을 나타내며, 따라서 전력 전송을 위한 송전 및 분배 변압기의 제조에 널리 사용된다. 방향성 규소강의 투자율은 일반적으로 T 단위의 B8, 즉, 800 A/m의 여기 자기장에서의 규소 강판의 자속 밀도(magnetic flux density)로 특징 지워진다. 철손은 일반적으로 W/kg 단위의 P17/50, 즉, 규소 강판의 자속 밀도가 50 Hz의 AC 여기 장에서 1.7T에 도달하는 경우의 자화에 의해 소비되는 비효율적인 전기 에너지에 의해 특징 지워진다.
방향성 규소 강판의 철손은 히스테리시스(hysteresis) 손실, 와전류 손실 및 비정상적인 와전류 손실의 세 부분으로 구성된다. 히스테리시스 손실은 자기 유도 강도에서의 변화가 자기장 강도에서의 변화보다 뒤떨어지는 자기 히스테리시스에 의해 야기되는 에너지 손실이다. 자기 히스테리시스는 재료의 함유물, 결정 결함, 내부 응력 및 결정 배향과 같은 요인으로 인해 강자성 물질의 자화 및 탈자화에서의 자속 변화 및 자구벽(magnetic domain wall) 운동의 방해에 의해 야기된다. 와전류 손실은 와전류에 의해 야기되는 에너지 손실이며, 규소 강판의 전기 전도도 및 두께와 관련이 있으며, 와류는 방향성 규소 강판의 교류 자화 동안 자속의 변화에 의해 유도되는 국소 기전력에 의해 야기된다. 비정상 와전류 손실은 규소 강판이 자화되는 경우에 자구 구조의 차이에 의해 야기되는 에너지 손실이며, 주로 자구의 폭에 의해 영향을 받는다.
자발적 자화 및 반자장(demagnetizing field)의 조합에 의해 형성되는 자구 구조는 방향성 규소강의 입자 내에 존재하는 것으로 널리 공지되어 있다. 자구 내부의 원자의 자기 모멘트는 동일한 방향으로 배열되어, 거시 결정은 강자성을 나타낸다. 외부 자기장의 부재하에서, 자구는 주로 역평행으로 배열된 180o 자구이다. 단일 자구의 폭은 전형적으로 약 수십 마이크론 또는 심지어 밀리미터일 수 있다. 인접한 자구 사이에 수십 내지 수백 개의 원자 층의 전이 층이 존재하는데, 이는 자구벽으로 명명된다. 자화 과정 동안, 자기 모멘트는 외부장에 의해 회전되고, 자구벽의 이동은 인접한 자구가 서로 합쳐지도록 하고, 이에 의해 자기 전도성 기능을 실현시킨다. 자구의 폭은 규소 강판의 히스테리시스 손실 및 비정상 와류 손실에 직접 영향을 미치며, 이에 의해 규소 강판의 전체 철손 성능에 영향을 미친다. 자구를 정련(즉, 자구의 폭을 감소)시키는 것은 비정상 와류 손실을 효과적으로 감소시킬 수 있고, 규소 강판의 철손을 감소시키기 위한 중요한 방법이며, 또한 규소강 기술의 주요 발달 방향 중 하나이다.
요약하면, 방향성 규소 강판의 철손을 개선시키기 위한 주요 방법은 다음과 같다:
(1) 야금학적 방법: 개선된 이차 재결정화 구조를 획득하고, 배향도를 개선시키기 위해 조성 및 공정 파라미터를 최적화시킴에 의함.
(2) 장력 제어: 자구를 정련하고, 철손 및 자기 변형을 감소시키기 위해 기판 표면 상의 코팅의 장력을 개선시킴에 의함.
(3) 표면 스코어링(scoring): 레이저, 전자 빔, 플라즈마 등에 의해 압연 방향을 따라 규소강의 표면에 일정한 간격을 두어 연속적 또는 간헐적 스코어링 라인을 적용하고, 자구를 정련하고, 철손을 감소시키기 위해 응력 또는 변형을 적용함.
최근 몇 년 동안, 배향도가 야금 방법에 의해 매우 높은 수준으로 상승되었고, 즉, Hi-B 강의 결정 입자의 배향 편차 각도가 평균 5° 미만이므로, 추가 개선을 위한 공간이 제한된다. 따라서, 규소 강판의 전자기 성능을 개선시키기 위한 핵심은 장력 코팅 및 스코어링 공정을 개선시키는 것이다.
표면 스코어링에 의한 방향성 규소강의 철손을 개선시키는 방법의 원리는 규소강의 표면 상에서의 스코어링이 자구를 정련시켜 철손을 감소시킬 수 있다는 것이다. 스코어링 기술은 스코어링의 효과에 따라 2개의 범주로 나뉠 수 있다. 하나의 유형은 응력 제거 어닐링에 저항성이 없는 스코어링 기술이다. 이러한 기술에서, 레이저, 플라즈마 빔, 전자 빔 등을 사용하여 일정한 간격으로 규소강 표면 상에 선형의 열 응력 영역이 형성되어, 그 영역 주위에 하위-자구(sub-magnetic domain)를 야기시킴으로써 주요 자구의 폭을 감소시키고, 철손 감소의 목적을 달성한다. 상기 방법에서, 응력 제거 어닐링 후 열 응역의 제거에 따라 자구의 정련 효과가 사라지며, 철손은 이후 원래 수준으로 되돌아 간다. 따라서, 상기 방법은 응력 제거 어닐링이 없는 적층 철 코어 변압기의 제조에서만 사용될 수 있다. 또 다른 유형은 응력 제거 어닐링에 저항성이 있는 스코어링 기술이다. 현재 보고된 기술적 수단은 기계적, 레이저 빔, 전기화학적 부식 등을 포함한다. 기술적 해법은 일반적으로 방향성 규소 강판의 표면 상에 선형 변형 영역을 형성시켜 결정의 내부 에너지를 재분배함으로써 주요 자구의 폭을 감소시키고 철손을 감소시키는 것을 포함한다. 상기 방법에 의해 생성된 방향성 규소 강판의 철손은 응력 제거 어닐링 후에 저하되지 않는다. 따라서, 상기 방법에 의해 생성된 규소 강판은 응력 제거 어닐링을 필요로 하는 권취 코어 변압기의 제조에 적용될 수 있다.
"Method for Indirect-electrification-type Continuous Electrolytic Etching of Metal Strip and Apparatus for Indirect-electrification-type Continuous Electrolytic Etching"을 표제로 하는 미국 특허 문헌(공개 번호 US2003/0164307A1호, 공개일: 2003년 9월 4일)에는 금속 스트립의 간접-대전-유형 연속 전해 에칭을 위한 방법이 개시되어 있다. 이 특허 문헌에 개시된 기술적 해법에서, 내열성 스코어링된 규소 강판은 전해 에칭을 이용하여 형성된다. 첫째로, 하층을 갖는 방향성 규소 강판은 레이저와 같은 방법을 이용하여 선형으로 가공되어 영역 내의 금속 기판을 노출시킨다. 이후, 방향성 규소 강판은 전해질에 침지되어 규소 강판과 백금 전극 사이에 전극 쌍을 형성한다. 기판은 영역이 직사각형에 가깝게 선형 그루브(groove)를 형성하도록 전극 전위의 양성 및 음성 변화를 교대로 제어함으로써 전해 에칭된다.
"Grain-oriented Electrical Steel Sheet Excellent in Magnetic Properties and Method for Producing the Same"을 표제로 하는 미국 특허 문헌(공개 번호 US2004/0040629A1, 공개일: 2004년 3월 4일)에는 자기 특성이 우수한 단방향성 전자기 강판 및 이를 생성하기 위한 방법이 개시되어 있다. 이 특허 문헌에 개시된 기술적 해법에서, 고온 연신(hot stretching), 조질 압연(temper rolling) 및 어닐링 전 또는 후에 규소 강판의 표면이 레이저 빔을 이용한 국소 선형 가열에 적용되어 재용융 구역을 형성한다. 코팅 물질 및 금속 기판의 일부는 용융되고, 냉각되고, 고화되어, 재용융 구역을 형성하고, 규소 강판의 철손은 재용융 구역의 폭 및 깊이를 제어함으로써 감소된다. 또한, 특허 문헌에 개시된 기술적 해법에서, 고온 용융 구역은 레이저 공정에 의해 형성된다. 금속의 높은 융점 및 열 전도도로 인해, 물질 용융에 대한 레이저 가공은 극도로 높은 에너지의 주입을 필요로 한다. 열 확산은 강판을 넓은 범위에 걸쳐 열 응력을 형성하도록 하며, 사용 전에 어닐링되어야 한다.
"GRAIN-ORIENTED ELECTRICAL STEEL SHEET AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME"을 표제로 하는 미국 특허 문헌(공개 번호 US2013/0139932A1호, 공개일: 2013년 6월 6일)에는 방향성 전자기 강판을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 이 특허 문헌에 개시된 기술적 해법에서, 일정한 깊이를 갖는 그루브가 연속 레이저를 이용하고 레이저의 빔 에너지 밀도를 제어함으로써 규소강의 표면에 형성된다. 이차 재결정화 어닐링 후, 등축 결정 영역은 그루브 아래에 강판의 두께 방향으로 형성된다. 등축 결정은 가우스(Gauss)와 상이한 배향을 가지므로, 등축 결정 영역은 고온 어닐링 동안 이러한 영역에서 이차 재결정화 입자의 추가 성장을 방해하여, 이차 재결정화 입자의 크기를 감소시키고, 자구를 정련시킨다.
본 발명의 목적 중 하나는 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강을 제공하는 것이다. 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강은 응력 제거 어닐링 공정에서 자구 정련 효과를 유지할 수 있고, 더 많은 잔여 응력의 도입을 피할 수 있다. 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강은 특히 응력 제거 어닐링이 없는 적층 코어 변압기의 제조에 직접 사용하기에 적합하며, 권취 코어 변압기의 제조에도 적용 가능하다.
상기 목적을 기초로 하여, 본 발명은 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강을 제공하며, 방향성 규소강의 표면은 복수의 그루브를 갖고, 각각의 그루브는 10-60 μm의 폭, 5-40 μm의 깊이이며, 인접 그루브 사이의 간격은 1-10 mm이다.
본 발명의 기술적 해법에서, 자구를 정련하기 위해 방향성 규소강의 표면 상에 일련의 그루브가 형성된다. 또한, 그루브는 어닐링에 의해 변경되지 않으므로, 철손 감소의 효과는 응력 제거 어닐링에서 사라지지 않는다. 따라서, 본 발명의 방향성 규소강은 권취 코어에 특히 적합하다.
방향성 규소강은 일정한 규소 함량 및 제조 공정의 압연 방향과 실질적으로 동일한 용이한 자화 방향을 갖는 전기 강판이다. 방향성 규소 강판에서 입자의 용이한 자화 방향과 동일한 방향으로 180° 자구가 존재한다. AC 자화 동안, 강판의 자극(magnetic pole)은 자구벽의 운동에 의해 신속한 회전을 실현한다. 따라서, 방향성 규소강은 우수한 투자율을 가지며, 이는 작은 자력으로 높은 자기 유도가 달성될 수 있고, 철손이 낮음을 의미한다. 따라서, 방향성 규소강으로 제조된 변압기는 높은 투자율 및 낮은 철손을 갖는다. 방향성 규소강에 대한 일반적인 제조 공정은 다음과 같다. Si-함유 강재는 제철, 제강, 연속 주조에 적용된 후, 고온 압연 공정에 적용된다. 다음으로, 단일 저온 압연 또는 중간 어닐링을 갖는 이중 저온 압연이 수행되어 강재를 원하는 두께로 압연시킨다. 이후, 표면에 옥사이드 막을 갖는 일차 재결정화 강판을 회득하기 위해 탈탄(decarburization) 어닐링이 수행된다. 이후, 강판은 표면 상에 MgO-기반 세퍼레이터(separator)로 코팅되고, 20시간 이상 동안 고온 어닐링에 적용되어 이차 재결정화 구조를 갖는 규소 강판을 형성한다. 이후, 고온 연신, 조질 압연 및 어닐링이 수행되고, 코팅이 적용되고, 베이킹(baking) 공정이 수행되어, 완성된 방향성 규소 강판을 생성한다. 획득된 방향성 규소 강판은 높은 자기 유도 및 낮은 철손의 특징을 가지며, 변압기 코어의 제조에 사용될 수 있다.
자구의 정련은 규소 강판의 비정상 와류 손실을 감소시킬 수 있으므로, 압연 방향에 실질적으로 수직인 미세선형 열 응력 영역이 레이저 또는 전자 빔 등에 의해 방향성 규소 강판의 표면에 적용된다. 응력은 근처에서 압연 방향에 수직인 90° 자구를 발생시켜, 180° 자구의 폭이 감소되고, 방향성 규소 강판의 철손이 이에 따라 감소된다. 상기 이유로, 이러한 유형의 규소 강판은 다양한 적층 철 코어 변압기의 제조에 널리 사용되어 왔다.
에너지 절약 및 환경 보호에 대한 요구가 증가함에 따라, 권취 코어 변압기가 점차 시장에서 호응을 얻고 있다. 권취 코어용 규소 강판은 강판의 자화 방향으로 용이하게 권취되므로, 적층 철 코어와 비교하여 낮은 손실, 낮은 소음, 전단 폐기물 없음 등의 장점을 가지며, 소형 및 중간 에너지 절약 변압기의 제조에 특히 적합하다. 그러나, 권취 공정 동안 방향성 규소 강판에서 생성되는 내부 응력은 규소 강판의 철손 성능의 저하를 야기시킨다. 따라서, 철 코어는 응력 제거 어닐링에 적용되어야 한다. 그러나, 레이저 또는 전자 빔을 이용하여 선형 응력 영역을 생성시킴으로써 자구가 정련되는 통상적인 방향성 규소 강판의 경우, 자구의 정련 효과는 응력 제거 어닐링 후에 응력의 제거에 따라 사라진다. 따라서, 상기 방향성 규소 강판은 권취 코어 변압기의 제조에 적합하지 않다.
방향성 규소강의 철손을 효과적으로 감소시키기 위해, 본 발명의 발명자는 많은 실험 연구를 수행하였고, 그루브의 폭 및 깊이가 철손에 영향을 미치는 것을 발견하였다. 구체적으로, 그루브의 깊이가 5 μm 미만인 경우, 규소 강판의 철손은 현저하게 개선될 수 없다. 그루브의 깊이가 40 μm 초과인 경우, 그루브 영역에서 과도한 자속 누출로 인해 자기 유도가 현저히 감소되고, 이는 방향성 규소강의 투자율에 영향을 미친다. 인접한 그루브 사이의 간격이 1 mm 미만인 경우, 방향성 규소강의 자기 유도는 과도하게 밀집한 그루브로 인해 현저하게 감소된다. 인접한 그루브 사이의 간격이 10 mm 초과인 경우, 자구의 정련 효과에 의해 영향을 받는 영역이 너무 적어서, 방향성 규소강의 철손이 현저하게 개선될 수 없다.
또한, 본 발명에 따른 낮은 철손을 갖는 방향성 규소 강판이 적층 코어 변압기 또는 권취 코어 변압기의 제조에 직접 적용되도록 하기 위해, 그루브의 폭을 엄격하게 제어할 필요가 있다. 그루브의 폭이 60 μm 초과인 경우, 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강의 내식성이 저하되어, 변압기의 사용 환경에서 부식 파괴의 위험을 발생시킨다. 그루브의 폭이 10 μm 미만인 경우, 자구 상의 그루브의 정련 효과가 제한되고, 방향성 규소강의 철손이 감소될 수 없고, 너무 작은 폭으로 인해 생산 공정이 어렵다.
따라서, 본 발명에 따른 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강에서, 그루브의 크기는 다음과 같이 정의된다: 각각의 그루브는 10-60 μm 폭이고, 5-40 μm 깊이이고, 인접한 그루브 사이의 간격은 1-10 mm이다.
본 발명에 기재된 기술적 해법에서, 그루브는 내열 스코어링 기술에 의해 형성되는 것이 인지되어야 한다. 내열 스코어링 기술은 화학적 침식 및 기계적 압력과 같은 특정 수단에 의해 강판의 표면에 그루브가 형성되는 기술을 나타낸다. 그루브에서의 자유 자극의 발생은 정자기 에너지를 증가시키고, 자구벽 에너지를 감소시키고, 이에 의해 자구의 폭을 감소시키고, 자구를 정련시키고, 철손을 감소시킨다. 그루브는 어닐링으로 인해 변경되지 않으므로, 철손의 감소 효과는 응력 제거 어닐링 공정 동안 사라지지 않는다. 따라서, 내열 스코어링 기술은 권취 코어를 제조하는데 특히 적합하다.
또한, 본 발명에 따른 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강에서, 강판의 그루브와 폭 방향 사이에 형성된 각도는 30° 이하이다. 이는 방향성 규소강 내의 주요 자구가 180°이기 때문에, 강판의 그루브와 폭 방향 사이의 각도가 30°를 초과하는 경우, 규소 강판의 철손을 감소시키기 위한 효과적인 자구 정련 효과가 생성될 수 없다. 동시에, 큰 각도는 그루브의 길이를 증가시켜, 방향성 규소강의 생산 효율을 감소시킨다.
또한, 본 발명에 따른 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강에서, 그루브는 레이저 스코어링에 의해 형성된다. 그루브를 형성시키기 위한 전기화학적 방법은 공정이 복잡하고, 어느 정도의 오염을 갖는다. 또한, 기계적 압력 또는 레이저 융합에 의해 그루브를 형성시키는 방법에서, 스코어링 동안의 톱니 롤(toothed roll)의 압력 또는 유의한 열 확산 효과는 금속 매트릭스에 많은 양의 잔여 응력을 야기시키므로, 감소된 철손을 갖는 방향성 규소강을 획득하기 위해 응력 제거 어닐링을 수행할 필요가 있다. 따라서, 이들 통상적인 방법은 적층 코어 변압기의 제조에 적합하지 않다.
본 발명자는 고 에너지 밀도 펄스화 레이저 빔이 내열 스코어링 공정을 수행하기 위해 사용되므로, 열 응력 현상이 레이저 스코어링에 의해 형성된 그루브에서 효과적으로 제어되고, 획득된 방향성 규소강이 낮은 철손을 갖는 것을 연구를 통해 발견하였다. 또한, 응력 제거 어닐링 전 및 후의 방향성 규소강의 자기 특성 사이의 차이가 작고, 이에 따라 응력 제어 어닐링이 필요하지 않으므로, 방향성 규소강은 적층 코어 변압기의 제조에 직접 사용될 수 있다. 또한, 방향성 규소강은 응력 제거 어닐링을 필요로 하는 권취 코어 변압기의 제조에 또한 적합하다.
또한, 본 발명에 따른 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강에서, 방향성 규소강의 하나 또는 둘 모두의 표면(들)은 그루브를 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강에서, 응력 제거 어닐링 전 및 후의 철손의 상대 변화율은 ΔP17 /50%이고, 여기서 ΔP17 /50%는 5% 이하이고, 여기서
Figure pct00001
이고,
P17/50은 W/kg 단위의 방향성 규소 강판의 철손이다.
본 발명자는 내열 스코어링 기술로 재료를 소작시킴으로써 형성된 그루브에 대해 ΔP17 /50%가 5% 이하인 경우, 소작에 의해 발생된 열 확산 및 응력의 범위가 작고, 에너지 효율이 높고, 낮은 철손을 갖는 획득된 방향성 규소강이 필요한 폭, 깊이 및 그루브의 간격을 갖고, 이에 따라 철손의 개선율이 6% 이상에 도달하는 것을 반복된 실험 및 상세 연구를 통해 발견하였다. 따라서, 획득된 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강은 권취 코어 변압기의 제조에 적합하고, 응력 제거 어닐링이 없는 적층 코어 변압기의 제조에 직접 적용될 수 있다. ΔP17 /50%가 5% 초과인 경우, 내열 스코어링 기술에 의해 생성된 소작 에너지는 확산으로 인해 심각하게 손실되고, 재료 내부의 응력은 너무 크고, 이에 따라 형성된 그루브는 작아, 방향성 규소강의 철손이 응력 제거 어닐링 전에 낮아지더라도, 철손은 어닐링 후의 저하로 인해 본래 수준에 가깝게 증가된다. 따라서, 획득된 방향성 규소강은 권취 코어 변압기의 제조에 적합하지 않다.
따라서, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 기재된 바와 같이 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강을 생성시키기 위한 방법을 제공하는 것이다. 제조 방법에 의해 획득된 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강은 응력 제거 어닐링 전 및 후에 자기 특성에 있어서 작은 차이를 가지며, 권취 코어 및 적층 코어 변압기의 제조에 매우 적합하다.
상기 목적을 기초로 하여, 본 발명은 또한 레이저로 방향성 규소강의 표면을 스코어링하여 그루브를 형성시키는 단계를 포함하는, 상기 기재된 바와 같은 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강을 생성시키기 위한 방법을 제공한다.
본 발명의 제조 방법에서, 방향성 규소강의 표면은 레이저에 의해 스코어링되어 그루브를 형성하므로, 그루브 근처의 응력 분포 범위는 매우 제한되고, 영향을 받는 영역이 크게 감소되어, 응력 제거 어닐링 후의 방향성 규소강은 철손의 유의한 증가를 야기시키지 않는다. 그 이유는 다음과 같다. 방향성 규소강은 매우 높은 융점 및 큰 열 전달 계수를 가지므로, 레이저가 규소강의 표면을 제거하여 그루브를 형성시키는 경우, 강재의 미세영역은 레이저로 조사되는 경우 열 확산을 불가피하게 겪고, 이의 용융 온도에 도달하여, 격자 왜곡을 발생시키고, 이에 따라 광범위한 열 응력을 발생시킨다.
또한, 본 발명의 제조 방법에서, 레이저는 CO2 레이저, 고형 레이저 및 섬유 레이저로부터 선택되는 하나 이상의 레이저이다.
또한, 본 발명의 제조 방법에서, 레이저는 2.0×106 W/mm2 이상의 평균 단일-펄스 순간 피크 출력 밀도를 갖는다.
열 확산은 그루브를 형성하는 레이저 소작 능력을 약화시키므로, 본 발명자는 재료의 레이저 제거에 의해 발생된 열 확산 범위와 평균 단일-펄스 순간 에너지 사이의 관계를 조사하기 위해 광범위한 실험을 수행하였고, 둘 사이에 유의한 긍정적 상관관계가 있음을 발견하였다. 즉, 평균 단일-펄스 순간 에너지가 높은 경우, 레이저는 단시간에 규소 강판 표면의 미세 영역에 많은 양의 에너지를 주입한다. 그러나, 열 전도의 제한된 범위로 인해, 레이저 에너지는 주로 그루브를 형성시키기 위해 재료를 제거하는데 사용된다. 따라서, 평균 단일-펄스 순간 에너지는 열 확산 범위를 효과적으로 제어함으로써 열 영향 영역 및 응력 영역을 효과적으로 제어하고, 이에 따라 생성된 하위-도메인의 수를 감소시키고, 본 발명의 방향성 규소강의 철손이 어닐링 후의 응력 제거에 의해 현저하게 변화되는 것을 방지하도록 제어될 수 있다.
재료에 대한 펄스화된 레이저의 작용 기간은 펄스 폭에 의존한다. 그러나, 펄스 폭이 단축되는 경우, 제거 시간이 또한 단축되어, 제한된 양의 재료 제거를 발생시킨다. 따라서, 평균 단일-펄스 순간 에너지를 증가시킬 필요가 있다. 평균 단일-펄스 순간 에너지는 평균 단일-펄스 피크 순간 전력 밀도에 의해 특징 지워질 수 있다. 평균 단일-펄스 순간 피크 전력 밀도 P 0 는 하기와 같이 표현된다:
Figure pct00002
상기 식에서, P는 W 단위의 레이저의 출력 전력이고; f r 은 Hz 단위의 레이저의 반복 주파수이고; S는 mm2 단위의 스폿 영역이고; t P 는 s 단위의 펄스 폭이다.
평균 단일-펄스 순간 피크 전력 밀도 p 0 가 클수록, 짧은 시간에 레이저에 의해 강판으로 주입되는 에너지가 더 높고, 스코어링 깊이가 더 높고, 열 영향 구역이 더 작아지는 것이 상기 식으로부터 관찰될 수 있다. 따라서, 철손을 낮추는 효과가 더욱 현저하고, 응력 제거 어닐링 전 및 후의 철손의 변화율이 더 작아진다. 본 발명자는 규소강의 응력 제거 어닐링 전 및 후의 철손 및 변화율을 효과적으로 감소시키기 위한 임계값을 실험 연구를 통해 결정하였다. 본 발명자는 평균 단일-펄스 순간 피크 전력 밀도 p 0 이 2.0×106 W/mm2를 초과하는 경우, 방향성 규소강의 철손의 개선율이 현저하고, 응력 제거 어닐링 전 및 후의 철손이 5% 초과만큼 상이하지 않는 것을 발견하였다. 그러나, 임계값보다 낮은 경우, 효과적인 자구 정련 효과가 형성될 수 없다.
또한, 본 발명의 제조 방법에서, 레이저의 평균 단일-펄스 에너지 플럭스 밀도 J F 및 펄스 폭 t p 는 하기 관계를 만족시킨다:
Figure pct00003
상기 식에서, 펄스 폭 t p 의 단위는 ns이고; J F 의 단위는 J/mm2이다.
그루브가 레이저 스코어링에 의해 형성되는 경우, 방향성 규소강의 열 응력 장은 펄스 폭 및 레이저 에너지 둘 모두에 의해 영향을 받는다. 따라서, 방향성 규소강의 철손을 추가로 감소시키기 위해, 본 발명자는 상세한 연구 및 반복된 실험을 수행하였고, 평균 단일-펄스 에너지 플럭스 밀도 J F 및 펄스 폭 t p 가 상기 관계를 만족시키는 경우, 응력 제거 어닐링 전 및 후의 방향성 규소강의 철손의 상대 변화율 ΔP17/50%이 5%를 초과하지 않는 것을 발견하였다.
레이저의 평균 단일-펄스 에너지 플럭스 밀도 J F 는 다음과 같이 표현되는 것이 인지되어야 한다:
Figure pct00004
상기 식에서, P는 W 단위의 레이저의 출력 전력이고; f r 은 Hz 단위의 레이저의 반복 주파수이고; S는 mm2 단위의 스폿 영역이다.
레이저의 에너지 플럭스 밀도는 단위 영역 당 단일-펄스 레이저의 에너지를 특징으로 하며, 이는 레이저 가공 동안 발생된 열의 양에 직접 영향을 준다. 레이저 에너지 플럭스 밀도 J F 가 클수록, 레이저가 더 많은 열을 발생시키고, 열 확산으로 인해 응력 영역을 형성할 위험이 더 커진다. 따라서, 열 확산을 감소시키기 위해 재료에 대한 레이저의 작동 시간, 즉, 펄스 폭을 단축시킬 필요가 있다. 또한, 레이저 펄스 폭이 클수록, 스코어링 동안 재료에 대한 작용 시간이 길어지고, 열 확산이 발생할 가능성이 높아진다. 따라서, 레이저에 의해 야기되는 표면 온도의 증가를 효과적으로 제어하고, 즉, 에너지 플럭스 밀도를 감소시킬 필요가 있다. 그러나, 에너지 플럭스 밀도가 너무 작으면, 스코어링 효율이 낮고, 철손을 개선시키는 효과를 달성하기 위해 스코어링을 여러 번 반복할 필요가 있다.
또한,
Figure pct00005
가 0.005 미만인 경우, 레이저의 처리 효율이 너무 낮으며, 철손을 개선시키는데 필요한 그루브 크기를 달성하기 위해 다중 레이저 스캐닝이 필요하므로, 산업적인 실제 값을 갖지 못한다.
Figure pct00006
가 1보다 큰 경우, 레이저 가공의 열 응력이 현저하고, 응력 제거 어닐링 전 및 후의 철손의 상대 변화율 ΔP17 /50%은 5%를 초과하여, 응력 제거 어닐링 후의 방향성 규소 강판의 철손의 불충분한 개선율을 발생시킨다. 따라서, 본 발명의 제조 방법에서, 레이저의 평균 단일-펄스 에너지 플럭스 밀도 J F 및 펄스 폭 t p 는 하기 관계를 만족시키도록 제어된다:
Figure pct00007
또한, 본 발명의 제조 방법에서, 레이저는 1066 nm 이하의 파장을 갖는다. 본 발명자는 응력 제거 어닐링 전 및 후의 방향성 규소 강판의 철손의 변화율에 대한 레이저 파장의 효과를 연구하였고, 레이저 파장이 길수록, 열 효과가 크고, 응력 제거 어닐링 전 및 후의 방향성 규소 강판의 철손의 변화율이 더 큰 것을 발견하였다. 이러한 현상에 대한 이유는 방향성 규소강이 상이한 파장의 레이저에 대한 상이한 흡수율을 갖기 때문이다. 레이저의 파장이 1066 nm 초과인 경우, 레이저 처리 동안 많은 양의 열 흡수가 발생하고, 재료가 녹아 그루브 근처에 돌출부를 형성하고, 내부에 많은 양의 응력을 형성하여, 규소 강판의 응력 제거 어닐링 전 및 후에 철손의 변화율을 증가시킨다. 따라서, 본 발명의 제조 방법에서, 레이저의 파장은 1066 nm 이하로 제어된다.
본 발명의 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강은 응력 제거 어닐링 공정에서 자구 정련 효과를 유지할 수 있고, 더 많은 잔여 응력의 도입을 피할 수 있다. 따라서, 본 발명의 방향성 규소강은 응력 제거 어닐링이 없는 적층 코어 변압기의 제조 뿐만 아니라 권취 코어 변압기의 제조에 직접 사용하기에 특히 적합하다.
도 1은 종래 기술의 기계적 스코어링에 의해 생성된 국소 응력장을 제시한다.
도 2는 본 발명에 따른 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강의 그루브에서의 응력 분포를 제시한다.
도 3은 철손의 상이한 상대 변화율 ΔP17 /50%에서 본 발명에 따른 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강의 자기 유도 및 철손의 개선을 제시한다.
도 4는 상이한 평균 단일-펄스 피크 전력 밀도 p 0 에서 본 발명의 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강의 어닐링 전 및 후의 철손의 상대 변화율 ΔP17 /50% 및 개선율을 제시한다.
도 5는 상이한
Figure pct00008
에서 본 발명의 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강의 응력 제거 어닐링 전 및 후의 철손의 상대 변화율 ΔP17/50% 및 개선율을 제시한다.
본 발명의 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강 및 이의 제조 방법은 첨부된 도면 및 특정 실시예를 참조하여 추가로 설명되고 하기에 예시될 것이다. 그러나, 설명 및 예시는 본 발명의 기술적 해법을 과도하게 제한하지 않는다.
실시예 A1-A19 및 비교예 B1-B13
실시예 A1-A19의 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강 및 비교예 B1-B13의 통상적인 방향성 규소강을 하기 단계에 의해 획득하였다:
(1) 원료 물질을 제철, 제강, 연속 주소, 및 고온 압연 공정에 적용시켰다. 다음으로, 단일 냉간 압연을 수행하여 강을 0.23-0.27 mm의 두께로 압연하였다. 실시예 A1 내지 A15 및 비교예 B1 내지 B10의 두께는 0.23 mm였고, 실시예 A16 내지 A19 및 비교예 B11 내지 B13의 두께는 0.27 mm였다. 850℃에서 탈탄 어닐링 후, 표면 옥사이드 층이 형성되었다. 이후, 강을 표면에 MgO 세퍼레이터로 코팅하고, 코일에 권취한 후 20시간 동안 1200℃에서 고온 어닐링에 적용시켰다. 이후, 강의 표면에 절연 코팅을 적용하고, 최종 어닐링을 수행하여 완성된 규소 강판을 획득하였다.
(2) 실시예 및 비교예 각각의 규소 강판의 표면을 레이저로 스코어링하여 그루브를 형성시켰다. 구체적인 공정 파라미터는 표 1에 제시되어 있다.
표 1은 각각의 실시예에서 낮은 철손을 갖는 방향성 강의 단계 (2)에서의 구체적인 공정 파라미터를 열거한다.
표 1
Figure pct00009
Figure pct00010
Figure pct00011
Figure pct00012
실시예 A1-A3의 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강 및 비교예 B1-B2의 통상적인 규소강을 315 kVA의 용량을 갖는 일차 에너지 효율 권취 코어 분배 변압기로 제조하였다. 코어의 설계 중량은 430 kg이었고, 무-부하 손실 및 부하 손실을 측정하였다. 결과는 표 2에 제시된다.
표 2
Figure pct00013
Figure pct00014
실시예 A1-A3에서, ΔP17 /50%는 5% 이하이고, 스코어링의 철손의 개선율은 6% 초과이고, 제조된 분배 변압기의 무-부하 손실은 340 W 미만이고, 부하 손실은 3065W 이하인 것이 표 2로부터 관찰될 수 있다. 다른 한편으로, 비교예 B1-B2에서, ΔP17/50%는 5% 초과이고, 스코어링의 철손의 개선율은 6% 미만이고, 분배 변압기의 무-부하 손실 및 부하 손실 둘 모두는 실시예 A1-A3의 것보다 높았다.
표 3은 실시예 A4-A6의 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강 및 비교예 B3-B4의 통상적인 규소강에서 사용되는 레이저 파라미터, 및 500 mm×500 mm 방법에 의해 측정된 철손 P17/50의 시험 결과를 나열한다.
표 3
Figure pct00015
표 3으로부터 관찰될 수 있는 바와 같이, 비교예 B3 및 B4에서, 레이저의 평균 단일-펄스 에너지 플럭스 밀도 J F 및 펄스 폭 t p 는 관계:
Figure pct00016
을 만족시키지 않았고, ΔP17 /50%는 5%를 초과하였다. 실시예 A4-A6에서,
Figure pct00017
의 관계가 만족되었고, ΔP17/50%는 5% 미만이다.
표 4는 실시예 A7-A15의 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강 및 비교예 B5-B10의 통상적인 규소강에서 사용되는 레이저 파라미터, 및 500 mm×500 mm 방법에 의해 측정된 철손 P17/50의 시험 결과를 나열한다.
표 4
Figure pct00018
표 4로부터 관찰될 수 있는 바와 같이, 실시예 A7-A15의 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강의 레이저 공정 및 표면 스코어링 공정에서의 파라미터는 본 발명에 의해 정의된 범위 내이다. 즉, 실시예 A7-A15의 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강에서, 그루브는 10 내지 60 μm의 폭 및 5 내지 40 μm의 깊이를 갖고, 인접한 그루브 사이의 간격은 1 내지 10 mm이고, 강판의 그루브와 폭 방향 사이에 형성된 각도는 30° 이하이고, 레이저의 평균 단일-펄스 순간 피크 전력 밀도는 2.0×106 W/mm2 이상이고, 레이저의 평균 단일-펄스 에너지 플럭스 밀도 JF 및 펄스 폭 tp는 다음 관계:
Figure pct00019
을 만족시킨다. 따라서, 각각의 실시예의 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강은 우수한 성능, 1.90 T 이상의 자기 유도 B8, 및 0.825 W/kg 이하의 어닐링 전 및 후의 철손 P17/50을 갖는다. 다른 한편으로, 비교예 B5-B9의 통사적인 규소강은 본 발명의 실시예 A7-A15에 대한 성능보다 떨어진다.
실시예 A16-A19의 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강 및 비교예 B11-B13의 통상적인 규소강을 500 mm×500 mm 방법에 의해 철손 P17/50에 대해 시험하였고, IEC68-2-11 표준에 따라 7시간 동안 연속 염수 분무 시험에 적용시켰다. 규소 강판의 표면의 내식성 특징을 평가하였다. 획득된 시험 결과는 표 5에 제시된다.
표 5
Figure pct00020
표 5로부터, 필요시, 표 1과 관련하여, 본 발명의 실시예 A16-A19의 그루브 폭은 60 μm 이하이므로, 염수 분무 시험에서의 규소 강판의 녹 영역은 2% 이하인 것이 관찰될 수 있으며, 이는 본 발명의 각각의 실시예의 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강이 내식성이 우수함을 나타낸다. 다른 한편으로, 비교예 B11-B13의 그루브 폭은 60 μm 초과이므로, 규소 강판의 내식성은 크게 감쇠된다.
도 1은 종래 기술의 기계적 스코어링에 의해 생성된 국소 응력장을 제시한다. 도 1로부터 관찰될 수 있는 바와 같이, 표면에 그루브를 형성시키기 위해 규소 강판 기판에 인장 강도보다 큰 기계적 응력을 적용하는 것이 필요하므로, 필요한 압력 값은 일반적으로 200 MPa를 초과하고, 강판의 압연 방향에서 규소 강판의 전체 두께 방향에 걸친 응력장의 분포는 스코어의 변형 영역을 크게 초과한다. 가공 후에 잔여 응력 영역에서 많은 수의 하위-자구(sub-magnetic domain)가 생성되며, 이는 규소 강판의 히스테리시스 손실을 증가시키고, 자기 유도 특징을 감소시킨다. 따라서, 종래 기술의 규소강은 적층 코어 변압기의 제조에 직접 적용될 수 없다.
도 2는 본 발명에 따른 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강의 그루브에서의 응력 분포를 제시한다. 도 2로부터 관찰될 수 있는 바와 같이, 본 발명은 내열 스코어링을 수행하기 위해 고 에너지 펄스화 레이저를 이용하므로, 그루브 근처의 응력의 분포는 매우 제한되고, 응력에 영향을 받는 영역은 크게 감소된다. 따라서, 응력 제거 어닐링 후의 규소 강판의 철손은 현저하게 증가되지 않는다. 따라서, 본 발명에 따른 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강은 권취 코어 및 적층 코어 변압기의 제조에 적용될 수 있다.
도 3은 철손의 상이한 상대 변화율 ΔP17 /50%에서 본 발명에 따른 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강의 자기 유도 및 철손의 개선을 제시한다. 도 3으로부터 관찰될 수 있는 바와 같이, I의 범위에서 본 발명의 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강은 자기 유도 B8의 우수한 개선율 및 철손 P17/50의 명백한 개선율(6% 초과의 개선율)을 갖는다. 따라서, 본 발명에 따른 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강은 권취 코어 변압기의 제조에 사용될 수 있고, 응력 제거 어닐링이 없는 적층 코어 변압기의 제조에 또한 직접 사용될 수 있다. 도면에서, I는 ΔP17 /50%가 5% 이하의 범위에 있는 것을 나타내고, II는 방향성 규소강의 자기 유도의 개선율의 곡선을 나타내고, III는 방향성 규소강의 철손 P17/50의 개선율의 곡선을 나타낸다.
도 4는 상이한 평균 단일-펄스 피크 전력 밀도 p 0 에서 본 발명의 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강의 어닐링 응력 제거 전 및 후의 상대 변화율 ΔP17 /50% 및 철손의 개선율을 제시한다. IV 범위 내에 있는 경우, 본 발명에 따른 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강은 5% 이하의 응력 제거 어닐링 전 및 후의 철손의 상대 변화율 ΔP17/50%를 가지며, 철손의 개선율은 높은 것이 도 4로부터 관찰될 수 있다. 도면에서, IV는 평균 단일-펄스 피크 전력 밀도 p0가 2.0×106 W/mm2 이상인 것을 나타내고, V는 방향성 규소강의 철손의 개선율을 나타내고, VI는 응력 제거 어닐링 전 및 후의 철손의 상대 변화율 ΔP17 /50%를 나타낸다.
도 5는 상이한
Figure pct00021
에서 본 발명의 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강의 응력 제거 어닐링 전 및 후의 상대 변화율 ΔP17 /50% 및 철손의 개선율을 제시한다. VII 범위 내에 있는 경우, 본 발명에 따른 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강은 5% 이하의 응력 제거 어닐링 전 및 후의 철손의 상대 변화율 ΔP17 /50%를 가지며, 철손의 개선율은 높은 것이 도 5로부터 관찰될 수 있다. 도면에서, VII는 레이저의 평균 단일-펄스 에너지 플럭스 밀도 JF 및 펄스 폭 tp가
Figure pct00022
의 관계를 만족시키는 것을 나타내고, VIII는 방향성 규소강의 철손의 개선율을 나타내고, IX는 응력 제거 어닐링 전 및 후의 철손의 상대 변화율 ΔP17 /50%를 나타내고, X는 레이저 가공 영역을 나타낸다.
상기는 본 발명의 단지 특정 예임이 인지되어야 한다. 본 발명은 상기 실시예에 제한되지 않고, 많은 유사한 변형을 갖는 것이 명백할 것이다. 본 발명의 개시로부터 당업자에 의해 도출되거나 생각된 모든 변형은 본 발명의 범위 내에 속할 것이다.

Claims (11)

  1. 낮은 철손(iron loss)을 갖는 방향성 규소강(grain-oriented silicon steel)으로서, 표면 상에 복수의 그루브(groove)를 갖고, 각각의 그루브가 10-60 μm의 폭 및 5-40 μm의 깊이이며, 인접한 그루브 사이의 간격이 1-10 mm인, 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강.
  2. 제1항에 있어서, 강판의 그루브와 폭 방향 사이에 형성된 각도가 30° 이하인 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강.
  3. 제1항에 있어서, 그루브가 레이저 스코어링에 의해 형성되는 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강.
  4. 제1항에 있어서, 방향성 규소강의 하나 또는 둘 모두의 표면이 그루브를 갖는 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 방향성 규소강이 5% 이하의 응력 제거 어닐링 전 및 후의 철손의 상대 변화율 ΔP17 /50%를 갖고,
    Figure pct00023
    이고,
    P17/50이 W/kg 단위의 방향성 규소 강판의 철손인, 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강.
  6. 레이저로 방향성 규소강의 표면을 스코어링하여 그루브를 형성시키는 단계를 포함하는 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강을 생성시키기 위한 방법으로서, 각각의 그루브가 10-60 μm의 폭 및 5-40 μm의 깊이이고, 인접한 그루브 사이의 간격이 1-10 mm인, 방법.
  7. 제6항에 있어서, 강판의 그루브와 폭 방향 사이에 형성된 각도가 30° 이하인 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강을 생성시키기 위한 방법.
  8. 제6항에 있어서, 레이저가 CO2 레이저, 고형 레이저, 및 광섬유 레이저로부터 선택되는 하나 이상의 레이저인 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강을 생성시키기 위한 방법.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저가 2.0×106 W/mm2 이상의 평균 단일-펄스 순간 피크 전력 밀도를 갖는 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강을 생성시키기 위한 방법.
  10. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저의 평균 단일-펄스 에너지 플럭스 밀도 J F 및 펄스 폭 t p 가 하기 관계를 만족시키는 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강을 생성시키기 위한 방법:
    Figure pct00024

    상기 식에서, 펄스 폭 t p 의 단위는 ns이고; J F 의 단위는 J/mm2이다.
  11. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저가 1066 nm 이하의 파장을 갖는 낮은 철손을 갖는 방향성 규소강을 생성시키기 위한 방법.
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