KR101623874B1

KR101623874B1 - 방향성 전기강판용 절연피막 조성물, 이를 이용한 방향성 전기강판의 절연피막 형성방법, 및 방향성 전기강판

Info

Publication number: KR101623874B1
Application number: KR1020140187238A
Authority: KR
Inventors: 권민석; 심호경; 최헌조
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2014-12-23
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2016-05-24

Abstract

방향성 전기강판용 절연피막 조성물, 이를 이용한 방향성 전기강판의 절연피막 형성방법 및 방향성 전기강판에 관한 것으로서, 구체적으로는, 00.1 내지 10 중량%의 인산 암모늄, 30 내지 60 중량%의 콜로이달 실리카, 30 내지 60 중량%의 금속 인산염을 포함하는 방향성 전기강판용 절연피막 조성물, 이를 이용한 방향성 전기강판의 절연피막 형성방법 및 방향성 전기강판을 제공할 수 있다.

Description

방향성 전기강판용 절연피막 조성물, 이를 이용한 방향성 전기강판의 절연피막 형성방법, 및 방향성 전기강판 {INSULATION COATING COMPOSITE FOR ORIENTED ELECTRICAL STEEL STEET, FORMING METHOD OF INSULATION COATING USING THE SAME, AND ORIENTED ELECTRICAL STEEL STEET}

방향성 전기강판용 절연피막 조성물, 이를 이용한 방향성 전기강판의 절연피막 형성방법, 및 방향성 전기강판에 관한 것이다.

방향성 전기강판은 (110)[001] 방향으로 정렬된 결정립 방위의 집합 조직을 갖는 전기강판이며, 압연 방향으로 우수한 자기적 특성을 가지고 있어, 변압기와 전동기, 발전기 및 기타 전자기기 등의 철심 재료로 널리 사용되고 있다.

이러한 방향성 전기강판의 전력 손실을 최소화하기 위하여, 그 표면에 절연피막을 형성하는 것이 일반적이며, 이때 절연피막은 기본적으로 전기 절연성이 높고 소재와의 접착성이 우수하며, 외관에 결함이 없는 균일한 색상을 가져야 한다.

최근에는, 변압기 소음에 대한 국제규격 강화 및 관련 업계의 경쟁 심화로 인하여, 절연피막의 저소음화가 불가피하게 대두되었으며, 이에 따라 방향성 전기강판의 자기 변형(자왜) 현상에 대한 연구가 필요한 실정이다.

구체적으로, 변압기 철심으로 사용되는 전기강판에 자기장이 인가되면 수축과 팽창을 반복하여 떨림 현상이 유발되며, 이러한 떨림으로 인해 변압기에서 진동과 소음이 야기된다.

이러한 자기 변형(자왜) 현상을 저감시키기 위하여, 통상적으로는 방향성 전기강판의 90°자구를 감소시키는 방법이 사용되고 있다. 여기서 90°자구란, 자계 인가 방향에 대하여 직각으로 향하고 있는 자화를 가지는 영역을 말하며, 이러한 90°자구의 양이 적을수록 자기 변형이 작아진다.

이와 관련하여, 방향성 전기강판의 절연피막을 형성하는 데 사용되는 조성물에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있나, 아직까지 고급 방향성 전기강판에 요구되는 소음 수준을 만족시키기에는 한계가 있다.

이에, 본 발명자들은 콜로이달 실리카, 인산 암모늄 및 금속 인산염을 사용함으로써 상기 지적된 문제점을 해소하고자 한다.

구체적으로, 본 발명의 일 구현 예에서는, 0.1 내지 10 중량%의 인산 암모늄, 30 내지 60 중량%의 콜로이달 실리카, 30 내지 60 중량%의 금속 인산염을 포함하는, 방향성 전기강판용 절연피막 조성물을 제공할 수 있다.

본 발명의 다른 일 구현 예에서는, 상기 특성의 조성물을 이용한 방향성 전기강판의 절연피막 형성방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 구현 예에서는, 상기 특성의 절연피막을 포함하는 방향성 전기강판을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에서는, 0.1 내지 10 중량%의 인산 암모늄(ammonium phosphate), 30 내지 60 중량%의 콜로이달 실리카, 및 30 내지 60 중량%의 금속 인산염을 포함하는 것인, 방향성 전기강판용 절연피막 조성물을 제공한다.

구체적으로, 상기 인산 암모늄은, 인산 암모늄((NH₄)₃PO₄), 암모늄 폴리포스페이트([NH₄PO₃]n), 모노인산 암모늄(NH₄H₂PO₄), 디인산 암모늄((NH₄)₂HPO₄)를 포함하는 군으로부터 선택된 단독 혹은 이들 중에서 선택된 둘 이상이 혼합되어 이루어진 것일 수 있다.

또한, 상기 콜로이달 실리카의 입경은, 3 내지 100 ㎚일 수 있다.

상기 금속 인산염은, 상기 금속 인산염은 Al, Mg, Ca, Sb, Sn, Pb, Bi 단독 혹은 이들중에서 선택된 둘 이상이 혼합되어 이루어질 수 있으며, 제1인산 알루미늄 또는 제1인산 마그네슘 또는 제1인산 칼슘의 단독 혹은 이들중에서 선택되는 적어도 둘 이상이 혼합된 형태로 이루어질 수 있다.

구체적으로, 금속 수산화물 및 인산(H₃PO₄)의 화학적인 반응에 의한 화합물로 이루어진 것일 수 있다.

이와 관련하여, 상기 금속 수산화물은 Al(OH)₃, Mg(OH)₂, 및 Fe(OH)₃를 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 1종인 것일 수 있다.

또한, 상기 인산에 대한 상기 금속 수산화물의 중량 비율은 1:100 내지 70:100으로 표시되는 것일 수 있다.

한편, 상기 조성물은 크롬 산화물을 더 포함할 수 있다.

이와 독립적으로, 상기 조성물은 붕산을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 일 구현예에서는, 방향성 전기강판 및 방향성 전기강판용 절연피막 조성물을 각각 준비하는 단계; 상기 방향성 전기강판용 절연피막 조성물을 상기 방향성 전기강판의 표면에 도포하는 단계; 상기 방향성 전기 강판 코팅 조성물이 도포된 방향성 전기강판을 열처리하여, 건조하는 단계; 및 표면에 절연피막이 형성된 방향성 전기강판을 수득하는 단계;를 포함하고, 상기 방향성 전기강판용 절연피막 조성물은, 0.1 내지 10 중량%의 인산 암모늄(ammonium phosphate), 30 내지 60 중량%의 콜로이달 실리카, 및 30 내지 60 중량%의 금속 인산염을 포함하는 것인, 방향성 전기강판의 절연피막 형성방법을 제공한다.

상기 방향성 전기강판용 절연피막 조성물을 상기 방향성 전기강판의 표면에 도포하는 단계;는, 상기 방향성 전기강판의 한쪽 표면 당 0.5 내지 7 g/m²의 범위로 상기 방향성 전기강판용 절연피막 조성물을 도포하는 것일 수 있다.

상기 방향성 전기 강판 코팅 조성물이 도포된 방향성 전기강판을 열처리하여, 건조하는 단계;에 관한 설명은 다음과 같다.

상기 건조는, 250 내지 950 ℃의 온도 범위에서 수행하는 것일 수 있다.

이와 독립적으로, 30초 내지 70초 동안 수행하는 것일 수 있다.

한편, 방향성 전기강판 및 방향성 전기강판용 절연피막 조성물을 각각 준비하는 단계;에서, 상기 방향성 전기강판의 준비는, 강 슬라브를 준비하는 단계; 상기 강 슬라브를 열간 압연하여, 열연판을 제조하는 단계; 상기 열연판을 냉간 압연하여, 냉연판을 제조하는 단계; 상기 냉연판을 탈탄 소둔하는 단계; 및 상기 탈탄 소둔된 강판의 표면에 소둔분리제를 도포하고 최종 소둔하는 단계;를 포함하며, 상기 강 슬라브의 조성은, 규소(Si): 2.7 내지 4.2 중량% 및 안티몬(Sb): 0.02 내지 0.06 중량%를 함유하고, 주석(Sn): 0.02 내지 0.08 중량%, 크롬(Cr): 0.01 내지 0.30 중량%, 산가용성 알루미늄(Al): 0.02 내지 0.04 중량%, 망간(Mn): 0.05 내지 0.20 중량%, 탄소(C): 0.04 내지 0.07 중량%, 및 황(S): 0.001 내지 0.005 중량%를 포함하고, 질소(N): 10 내지 50 ppm를 포함하며, 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 것일 수 있다.

상기 탈탄 소둔된 강판의 표면에 소둔 분리제 슬러리를 도포하고, 최종 소둔하는 단계; 이후에, 상기 최종 소둔된 방향성 전기강판의 표면에 절연 피막제를 도포하는 단계; 및 상기 절연 피막제가 도포된 방향성 전기강판을 소둔하고, 열교정(Heat flattening)하는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, 방향성 전기강판; 및 상기 방향성 전기강판의 표면에 형성된 절연피막;을 포함하고, 상기 절연피막은 0.1 내지 10 중량%의 인산 암모늄(ammonium phosphate), 30 내지 60 중량%의 콜로이달 실리카, 및 30 내지 60 중량%의 금속 인산염을 포함하는 것인, 방향성 전기강판을 제공한다.

본 발명의 일 구현예에서는, 자기변형에 기인한 소음을 저감시키는 데 우수한 방향성 전기강판용 절연피막 조성물을 제공할 수 있다.

본 발명의 다른 일 구현 예에서는, 상기 우수한 특성의 조성물을 사용함으로써 방향성 전기강판의 절연피막을 형성하는 방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 구현 예에서는, 상기 우수한 특성의 절연피막을 포함하는 방향성 전기강판을 제공할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 발명예 및 비교예에 따른 250kVA 변압기의 소음 특성을 비교한 결과이다.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 발명의 일 구현예에서는, 0.1 내지 10 중량%의 인산 암모늄; 30 내지 60 중량%의 콜로이달 실리카; 및 30 내지 60 중량%의 금속 인산염;를 포함하는, 방향성 전기강판용 절연피막 조성물을 제공한다.

이는, 자기 변형에 기인한 진동을 효과적으로 감쇄하는 코팅제로서, 방향성 전기강판의 표면 상에 절연피막을 형성하는 용도로 사용될 수 있는 조성물이다.

일반적으로, 방향성 전기강판의 소음은 자기 변형에 기인한 진동에서 유발되므로, 소음 특성을 개선하기 위해서는 강판에 인장 응력을 부여함으로써 90°자구를 감소시키는 방법이 알려져 있다.

그러나, 통상적인 습식 코팅 방식으로는 인장 응력 부여에 의한 소음 개선 효과가 부족하고, 후막 두께로 코팅해야 하기에 변압기 점적율 및 효율이 나빠지는 문제점이 있다. 또한, 물리적 증기 증착법(PVD: Physical Vapor Deposition) 및 화학적 증기 증착법(CVD: Chemical Vapor Deposition)의 진공 증착 코팅방식을 활용하면 높은 장력 특성을 부여할 수 있지만, 상업적인 생산이 어려울 뿐만 아니라, 절연 특성이 열위한 문제점이 지적되고 있다.

하지만, 본 발명의 일 구현예에서 제공되는 방향성 전기강판용 절연피막 조성물의 경우, 인산 암모늄, 콜로이달 실리카, 및 금속 인산염을 포함함으로써 상기 지적된 문제점들을 해소할 수 있다.

이하, 상기 조성물 내 각 성분이 포함되는 이유를 설명한다.

우선, 상기 인산 암모늄은 상기 조성물의 형태로 강판 표면에 도포된 후 열처리하는 과정에서 하기 화학 반응식에 따라 분해되어 암모니아 가스를 발생시키며, 이를 통해 절연피막 내부에 미세한 기공을 형성할 수 있다.

(NH₄)₃PO₃ → H(NH₄)₂PO₄ + NH₃↑

NH₄H₂PO₄ → H₃PO₄ + NH₃↑

(NH₄)₂HPO₄ → NH₄H₂PO₄ + NH₃↑

이와 같이 절연피막 내부에 형성된 미세한 기공은, 자기 변형 에너지를 열에너지로 변환시켜 진동 증폭을 억제할 수 있기 때문에, 소음을 개선하는 데 효과적이다.

또한, 상기 인산 암모늄은 콜로이달 실리카 및 금속 인산염과 혼용성이 우수하여 변압기 제조에 적합하고, 대량 생산이 용이한 장점이 있다.

따라서, 상기 인산 암모늄에 의하여, 자기 변형에 기인한 소음 유발 및 코팅 상용성 저하 문제를 동시에 해소할 수 있다.

또한, 상기 콜로이달 실리카의 경우, 피막 장력을 부여하는 역할을 하며, 상기 금속 인산염은 강판 및 상기 조성물의 계면에 접착력을 부여하는 역할을 하므로, 이들 물질 또한 상기 조성물에 포함될 필요가 있다.

이하에서는, 본 발명의 일 구현예에서 제공되는 방향성 전기강판용 절연피막 조성물에 관하여 보다 자세히 살펴보기로 한다.

상기 조성물 내 인산 암모늄, 콜로이달 실리카, 및 금속 인산염의 각 함량을 한정하는 이유는 다음과 같다.

상기 인산 암모늄의 함량이 0.1 중량% 미만으로 너무 낮은 경우에는 충분한 미세기공이 피막에 형성되지 않아, 자기 변형에 기인한 진동을 감쇄하는 소음 특성이 저하될 수 있고, 10중량%를 초과하는 경우에는 열처리 과정에서 과량의 가스가 발생되어 피막이 박리되거나 표면 조도가 거칠어 지는 문제가 발생할 수 있기에, 0.1 내지 10 중량%으로 그 함량을 한정하는 바이다.

또한, 상기 금속 인산염의 함량이 30 중량% 미만일 경우 코팅제의 접착력이 저하되어 피막 장력 및 밀착성이 저하되고, 60 중량%를 초과할 경우 절연 특성이 저하될 수 있기에, 30 내지 60 중량%으로 그 함량을 한정하는 바이다.

또한, 상기 콜로이달 실리카의 함량이 30 중량% 미만일 경우 상기 조성물의 피막 장력이 저하되어 철손 개선율이 저하되고, 60 중량%를 초과할 경우 강판에 상기 조성물을 도포하고 열처리한 뒤의 밀착성이 저하될 수 있기 때문에, 30 내지 60 중량%으로 그 함량을 한정하는 바이다.

한편, 상기 인산 암모늄은, 인산 암모늄((NH₄)₃PO₄), 암모늄 폴리포스페이트([NH₄PO₃]n), 모노인산 암모늄(NH₄H₂PO₄), 디인산 암모늄((NH₄)₂HPO₄)를 포함하는 군으로부터 선택된 단독 혹은 이들 중에서 선택된 둘 이상이 혼합되어 이루어진 것일 수 있다.

또한, 상기 콜로이달 실리카의 입경은, 3 내지 100 ㎚일 수 있다. 상기 콜로이달 실리카의 입경이 3 ㎚ 미만일 경우에는 비표면적이 증가하게 되고, 조성물의 안정성이 떨어져 대량 생산이 어려워지는 문제가 발생할 수 있고, 100 ㎚ 초과인 경우에는 표면 조도가 거칠어 지고, 표면 결함이 발생할 수 있기 때문에, 상기 범위로 한정한다.

이때, 상기 콜로이달 실리카는 입경 2 ㎚ 이상 50 ㎚ 이하의 나노 입자로 이루어지고, 서로 다른 평균 입경으로 이루어진 두 종류 이상의 콜로이달 실리카로 이루어질 수 있다.

다른 한편, 상기 금속 인산염은, 금속 인산염은 Al, Mg, Ca, Sb, Sn, Pb, Bi 단독 혹은 이들중에서 선택된 둘 이상이 혼합되어 이루어질 수 있으며, 제1인산 알루미늄 또는 제1인산 마그네슘 또는 제1인산 칼슘의 단독 혹은 이들 중에서 선택되는 적어도 둘 이상이 혼합된 형태인 것인,

구체적으로, 상기 금속 인산염은, 금속 수산화물 및 인산(H₃PO₄)의 화학적인 반응에 의한 화합물로 이루어진 것이고, 상기 금속 수산화물은 Ba(OH)₂, Co(OH)₂, Ni(OH)₂, Al(OH)₃, Mg(OH)₂, Zn(OH)₂, 및 Ca(OH)₂를 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상인 것일 수 있다.

구체적으로, 상기 금속 수산화물의 금속원자는 인산의 인과 치환 반응하여 단일결합, 이중결합, 또는 삼중 결합을 형성하여 이루어진 것이고, 미반응 자유인산(H₃PO₄)의 양이 35%이하인 화합물로 이루어진 것일 수 있다.

상기 금속 인산염은, 금속 수산화물 및 인산(H₃PO₄)의 화학적인 반응에 의한 화합물로 이루어진 것이고, 상기 인산에 대한 상기 금속 수산화물의 중량 비율은 1:100 내지 70:100으로 표시되는 것일 수 있다.

만약 70:100의 중량 비율을 초과하여 상기 금속 수산화물이 포함될 경우에는 상기 화학적인 반응이 완결되지 않아 침전물이 생기는 문제가 발생할 수 있고, 1:100의 중량 비율 미만으로 상기 금속 수산화물이 포함될 경우에는 내식성이 열위한 문제가 발생할 수 있기에, 상기와 같이 범위를 한정한다.

한편, 상기 조성물은 크롬 산화물을 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 조성물 내 크롬 산화물이 0.1 내지 7 중량% 포함될 수 있으며, 이 범위에서 상기 조성물의 내식성이 발현될 수 있다.

다만, 상기 조성물 내 크롬 산화물이 7 중량% 초과일 경우에는 급격한 점도 증가에 따라 상기 조성물의 안정성이 확보되지 못하고, 0.1 중량% 미만의 적은 함량으로는 상기 조성물이 내식성이 발현되기 불충분한 문제가 있다.

이와 독립적으로, 상기 조성물은 붕산을 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 조성물 내 붕산이 0.1 내지 4 중량% 포함될 수 있으며, 이 범위에서 상기 조성물에 의해 형성된 피막의 밀착성이 향상될 수 있다.

다만, 상기 4 중량% 범위 초과일 경우에는 상기 붕산이 상기 조성물 내 금속 인산염과 반응하여 침전물이 생성될 수 있다. 이와 달리, 0.1 중량% 미만일 경우 상기 조성물을 방향성 전기강판에 도포한 뒤 열처리하면, 절연피막에 균열이 발생되어 밀착성이 열위해지는 문제가 발생할 수 있다.

이는, 전술한 특성을 지닌 조성물을 사용하여 방향성 전기강판의 표면에 절연 피막을 형성하는 방법에 해당된다.

상기 조성물에 관한 설명은 전술한 바와 같고, 이하에서는 상기 각 단계에 대해 보다 자세히 설명한다.

다만, 7 g/m² 초과일 경우에는 점적율이 저하되어, 최종적으로 수득된 방향성 전기강판을 변압기로 제조하면, 상기 변압기 특성이 열위해지는 문제가 발생할 수 있다. 이와 달리, 0.5 g/m² 미만의 적은 양을 도포할 경우에는, 상기 절연피막에 의해 발현되는 절연 특성이 열위한 문제가 있다.

다만, 950 ℃ 초과일 경우에는 상기 절연피막에 얼룩 무늬 결함이 발견될 수 있고, 250 ℃ 미만일 경우에는 건조가 불충분하게 이루어질 뿐만 아니라 절연피막의 특성을 확보하기 어려운 문제가 있다.

상기 강 슬라브의 각 성분의 함량을 한정하는 이유는 다음과 같다.

규소(Si): 2.7 내지 4.2 중량%

상기 Si는 강의 비저항을 증가시켜 철손을 감소시키는 역할을 하는데, 상기 Si의 함량이 2.7 중량% 미만인 경우에는 강의 비저항이 작아져 철손 특성이 열화되고, 고온 소둔시 상 변태 구간이 존재하여 2차 재결정이 불안정해지므로 바람직하지 않으며, 4.2 중량% 초과인 경우에는 취성이 커져 냉간 압연이 어려워진다. 따라서 본 발명의 실시예에서 Si의 함량은 2.7~4.2 중량%로 한정한다.

크롬(Cr): (0.01) 내지 (0.30) 중량%

Cr은 {110}<001>방위의 고스결정립의 생성을 촉진하는 원소로서, 그 함량이0.01 중량% 미만인 경우에는 고스결정립 생성 촉진제로서 충분한 효과를 기대할 수없고, 0.30 중량%를 초과하면 표면에 편석되어 산화층 형성을 촉진하고 표면불량이 발생하게 된다. 따라서 본 발명의 실시예에서 Cr 함량은 0.01~0.20중량%로 한정한다.

알루미늄(Al): 0.02 내지 0.04 중량%

Al은 최종적으로 AlN, (Al,Si)N, (Al,Si,Mn)N 형태의 질화물로 되어 억제제로 작용하는 성분으로서, 그 함량이 0.02% 이하인 경우에는 억제제로서 충분한 효과를 기대할 수 없고, 너무 높은 경우에는 Al계통의 질화물이 너무 조대하게 석출, 성장하므로 억제제로의 효과가 부족해진다. 그러므로 본 발명의 실시예에서 Al의 함량을 0.020~0.040중량%로 한정한다.

망간(Mn): 0.05 내지 0.20 중량%

Mn은 Si과 동일하게 비저항을 증가시켜 철손을 감소시키는 효과가 있으며,Si과 함께 질화처리에 의해서 도입되는 질소와 반응하여 (Al,Si,Mn)N의 석출물을 형성함으로서 1차재결정립의 성장을 억제하여 2차재결정을 일으키는데 중요한 원소이다. 그러나 0.20중량% 이상 첨가시에는 열연도중 오스테나이트 상변태를 촉진하므로 1차 재결정립의 크기를 감소시켜 2차 재결정을 불안정하게 한다. 그러므로 Mn 은 0.20중량% 이하로 한다. 또한, Mn는 오스테나이트 형성 원소로서 열연 재가열시 오스테나이트 분율을 높여 석출물들의 고용량을 많게 하여 재석출시 석출물 미세화와 MnS 형성을 통한 1차 재결정립이 너무 과대하지 않게 하는 효과가 있으므로 0.05중량% 이상 포함하는 것이 필요하다. 따라서 본 발명의 실시예에서 Mn은 0.05~0.2 중량%로 한정한다.

탄소(C): 0.04 내지 0.07 중량%

C는 본 발명에 따른 실시예에서 방향성 전기강판의 자기적 특성 향상에 크게도움이 되지 않는 성분이므로 가급적 제거하는 것이 바람직하다. 그러나, 압연과정에서는 일정수준 이상 포함되어 있을 경우 강의 오스테나이트 변태를 촉진하여 열간압연시 열간압연 조직을 미세화시켜서 균일한 미세조직이 형성되는 것을 도와주는 효과가 있으므로 상기 C는 0.04중량% 이상으로 포함되는 것이 바람직하다. 그러나 함량이 과다하면 조대한 탄화물이 생성되고 탈탄시 제거가 곤란해지므로 0.07중량%이하로 한정한다.

질소(N): 10 내지 50 ppm

N은 Al 등과 반응하여 결정립을 미세화시키는 원소이다. 이들 원소들이 적절히 분포될 경우에는 상술한 바와 같이 냉간압연 이후 조직을 적절히 미세하게 하여적절한 1차 재결정 입도를 확보하는데 도움이 될 수 있으나 그 함량이 과도하면 1차 재결정립이 과도하게 미세화되고 그 결과 미세한 결정립으로 인하여 2차 재결정 시 결정립 성장을 초래하는 구동력이 커져서 바람직하지 않은 방위의 결정립까지 성장할 수 있다. 또한, N 함량이 과다하면 최종 소둔 과정에서 제거하는데도 많은 시간이 소요되므로 바람직하지 않다. 따라서, 상기 질소 함량의 상한은 50ppm으로 하고, 슬라브 재가열시 고용되는 질소의 함량이 10ppm 이상이 되어야 할 것이므로 상기 질소 함량의 하한은 10ppm으로 한정한다.

황(S): 0.001 내지 0.005 중량%

S는 0.005%이상 함유 되면 열간압연 슬라브 가열시 재고용되어 미세하게 석

출하므로 1차 재결정립의 크기를 감소시켜 2차 재결정 개시온도를 낮추어 자성을 열화시킨다. 또한 최종소둔공정의 2차균열구간에서 고용상태의 S를 제거하는데 많은 시간이 소요되므로 방향성 전기강판의 생산성을 떨어뜨린다. 한편 S함량이0.005% 이하로 낮은 경우에는 냉간압연전의 초기 결정립크기가 조대해지는 효과가있으므로 1차 재결정공정에서 변형밴드에서 핵생성되는 {110}<001> 방위를 갖는 결정립의 수가 증가된다. 그러므로 2차 재결정립의 크기를 감소시켜 최종제품의 자성을 향상시키므로 S는 0.005% 이하로 정한다. 또한, S는 MnS를 형성하여 1차 재결정립크기에 어느정도 영향을 미치므로 0.001중량%이상 포함하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명의 실시예에서 S는 0.001~0.005중량%로 한정한다.

안티몬(Sb): 0.02 내지 0.06 중량%

Sb은 {110}<001>방위의 고스결정립의 생성을 촉진하는 원소로서, 그 함량이

0.02 중량% 미만인 경우에는 고스결정립 생성 촉진제로서 충분한 효과를 기대할 수없고, 0.06 중량%를 초과하면 표면에 편석되어 동시 탈탄 및 질화반응을 억제하여 1차 결정립 크기가 불균일해지게 된다. 따라서 본 발명의 실시예에서 Sb 함량은 0.02~0.06 중량%로 한정한다.

주석(Sn): 0.02 내지 0.08 중량%

Sn은 {110}<001>방위의 고스결정립의 생성을 촉진하는 원소로서, 그 함량이

0.02 중량% 미만인 경우에는 고스결정립 생성 촉진제로서 충분한 효과를 기대할 수없고, 0.08 중량%를 초과하면 표면에 편석되어 동시 탈탄 및 질화반응을 억제하여 1차 결정립 크기가 불균일해지게 된다. 따라서 본 발명의 실시예에서 Sn 함량은 0.02~0.08 중량%로 한정한다.

이는, 상기 절연피막에 의하여 효과적으로 소음이 저감될 뿐만 아니라, 피막장력, 밀착성, 내식성, 및 광택이 모두 우수한 방향성 전기강판에 해당된다.

상기 절연피막에 관하여 앞서 상세히 설명하였으므로, 이에 대한 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예 및 시험예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

우선, 실리콘(Si)을 3.3 중량%, 산가용성 알루미늄(Al): 0.03 중량%, 및 망간(Mn): 0.07 중량%, 안티몬(Sb): 0.04 중량%, 주석(Sn): 0.04 중량%, 크롬(Cr): 0.10 중량%, 탄소(C): 0.05 중량%, 질소(N): 30ppm, 황(S): 0.002 중량%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 기타 불순물로 이루어진 강 슬라브를 준비하였다.

상기 강 슬라브를 1150℃ 에서 220 분간 가열한 뒤 2.3 ㎜ 두께로 열간 압연하여, 열연판을 제조하였다.

상기 열연판을 1120 ℃까지 가열한 뒤, 다시 온도를 930 ℃로 하여 80 초간 유지한 후, 물에 급냉하여 산세한 다음, 0.23 ㎜ 두께로 냉간 압연하여, 냉연판을 제조하였다.

상기 냉연판을 880 ℃로 유지된 노(Furnace) 속에 투입한 뒤, 이슬점 온도 및 산화능을 조절하고, 수소, 질소, 및 암모니아의 혼합 기체 분위기에서 동시 탈탄 침질 및 1차 재결정 소둔을 동시에 수행하여, 탈탄 소둔된 강판을 제조하였다.

이후, MgO가 주성분인 소둔분리제에 증류수를 혼합하여 슬러리를 제조하고, 롤(Roll) 등을 이용하여 상기 슬러리를 상기 탈탄 소둔된 강판에 도포한 후, 최종 소둔하였다.

상기 최종 소둔시 1차 균열온도는 700 ℃, 2차 균열온도는 1200 ℃로 하였고, 승온 구간의 속도는 15 ℃/hr로 하였다. 또한, 1200 ℃까지는 질소 25 부피% 및 수소 75 부피%의 혼합 기체 분위기로 하였고, 1200 ℃를 도달한 후에는 100 부피%의 수소 기체 분위기에서 15시간 유지한 다음 노냉(furnace cooling)하였다.

이로써, 최종 소둔 공정까지 마친 방향성 전기강판을 수득할 수 있었다.

그 뒤, 3 중량%의 인산 암모늄, 47 중량%의 콜로이달 실리카 (입경: 5㎚), 50 중량%의 인산알루미늄과 인산코발트가 9:1 혼합된 절연피막 조성물을(상기 방향성 전기강판의 한쪽 표면 당 상기 절연피막의 중량)이 4.2g/m²이 되도록 도포한 다음, 870 ℃ 온도 조건에서 45 초간 각각 열처리하였다.

이로써, 절연피막이 형성된 각 방향성 전기강판을 수득할 수 있었다.

실시예 1의 시험예 : 자기 특성 및 소음 특성 평가

실시예 1에 대하여, 상기 인산 암모늄의 종류 및 그 구체적인 함량에 따른 자기 특성 및 소음 특성을 평가하고자 하였다.

1.7T, 50Hz 조건에서, 실시예 1에 따른 각 방향성 전기강판을 제조하여 발명예 1 내지 4로 표시하고, 각각에 대해 자기 특성 및 특성 특성을 평가하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.

이와 대비되도록, 표 1의 비교예 1 내지 5에 따라 별도의 방향성 전기강판을 제조하고, 상기 조건으로 자기 특성 및 소음 특성을 평가하여, 그 결과 역시 표 1에 함께 나타내었다.

전기강판의 자기 특성은 통상 W17/50과 B8을 대표치로 사용한다. W17/50은 주파수 50Hz의 자기장을 1.7Tesla까지 교류로 자화시켰을 때 나타나는 전력 손실을 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 값을 나타낸다.

일반적인 소음은 국제규정 IEC 61672-1에 의거하여 음압(공기의 압력)을 시간영역에서 취득하고, 주파수 응답 데이터로 변환한 후, 이를 가청 대역의 응답성(A-가중 데시벨, A-weighted decibels)을 반영하여 가청 대역의 소음[dBA]으로 평가한다.

본 발명의 실시예에서 선택한 소음 평가 방법은, 국제규정 IEC 61672-1와 동일하게 평가하되, 음압 대신 전기강판의 떨림(진동) 데이터를 취득하여 소음환산값 [dBA]으로 평가한다. 전기강판의 떨림은 주파수 50Hz의 자기장을 1.7Tesla까지 교류로 자화시켰을 때, 레이저도플러 방식을 활용하여 비접촉식으로 시간에 따라 진동 패턴을 측정한다.

구분	성분 (중량%)	밀착성 (mmΦ)	자기 특성		소음 ( dBA )
구분	성분 (중량%)	밀착성 (mmΦ)	W17 /50(W/ kg )	B8(T)	소음 ( dBA )
비교에 1	-	15	0.88	1.90	59
비교예 2	(NH₄)₃PO₄) (0.05)	20	0.89	1.90	59
비교예 3	(NH₄)₃PO₄) (11)	70	0.97	1.88	-
발명예 1	(NH₄)₃PO₄ (2) (NH₄)₂HPO₄ (6)	25	0.87	1.91	52
발명예 2	(NH₄)₃PO₄ (3) NH₄H₂PO₄ (2)	20	0.86	1.91	51
발명예 3	(NH₄)₃PO₄ (3)	15	0.89	1.90	53
발명예 4	[NH₄PO₃]n (3)	30	0.88	1.92	57
발명예 5	NH₄H₂PO₄ (7)	25	0.89	1.92	54
발명예 6	(NH₄)₂HPO₄ (5)	20	0.87	1.91	54

표 1에 따르면, 비교예 1보다 발명예 1 내지 6의 소음 특성이 매우 우수한 것을 확인할 수 있다.

실시예2

( 절연피막 조성물의 제조) 원료 물질로서, 디인산 암모늄 ((NH₄)₂HPO₄), 금속 인산염으로는 인산알루미늄 및 인산마그네슘이 1:1의 중량 비율로 혼합된 용액을 준비하였고, 12nm 입경크기의 콜로이달 실리카 또한 준비하였다.

이때, 표 2에 기록된 발명예 A1 내지 A10에 따른 조성으로 상기 원료 물질을 혼합하여, 각 절연피막 조성물을 제조하였다.

(방향성 전기강판의 절연피막 형성) 실리콘(Si) 3.2 중량%, 알루미늄(Al): 0.02 중량%, 및 망간(Mn): 0.7 중량%를 함유하고, 안티몬(Sb): 0.04 중량% 함유하며, 최종 소둔되어 1차 피막을 가진, 0.27 ㎜ 두께의 방향성 전기강판(300x60mm)을 공시재로 준비하였다. 발명예 A1 내지 A10에 따른 각 절연피막 조성물의 도포량(상기 방향성 전기강판의 일 면적 당 상기 절연피막의 중량)이 2.7 g/m²이 되도록 도포한 다음, 920 ℃ 온도 조건에서 45 초간 각각 열처리하였다. 이로써, 절연피막이 형성된 각 방향성 전기강판을 수득할 수 있었다.

실시예2

(방향성 전기강판의 절연피막 형성) 실리콘(Si) 3.2 중량%, 산가용성 알루미늄(Al): 0.02 중량%, 및 망간(Mn): 0.9 중량%를 함유하고, 안티몬(Sb) 0.03 중량% 함유하며, 최종 소둔되어 1차 피막을 가진, 0.27 ㎜ 두께의 방향성 전기강판(300x60mm)을 공시재로 준비하였다. 발명예 A1 내지 A5에 따른 각 절연피막 조성물의 도포량(상기 방향성 전기강판의 일 면적 당 상기 절연피막의 중량)이 3.6 g/m²이 되도록 도포한 다음, 840 ℃ 온도 조건에서 65 초간 각각 열처리하였다. 이로써, 절연피막이 형성된 각 방향성 전기강판을 수득할 수 있었다.

실시예 2에 대한 시험예 : 절연성 및 소음 특성 평가

실시예 2에 대하여, 절연피막 조성에 따른 표면 품질, 절연성, 및 소음 특성을 평가하고자 하였다.

1.7T, 50Hz 조건에서 상기 실시예 2에 따른 방향성 전기강판의 절연성 및 소음 특성을 평가하고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.

이와 대비되도록, 표 2의 비교예 A0, 및 비교예 A1 내지 A5에 따라 별도의 방향성 전기강판을 제조하고, 상기 조건으로 절연성 및 소음 특성을 평가하여, 그 결과 역시 표 2에 함께 나타내었다.

표면품질은 5%, 35℃, NaCl 용액에 8시간 동안 시편의 녹 발생 유무를 평가하는 것으로서 녹 발생 면적이 5% 이하일 경우 우수, 20% 이하일 경우 양호, 20 ~ 50% 약간 불량, 50% 이상에서는 불량으로 표시하였다.

절연성은 ASTM A717 국제규격에 따라 Franklin 측정기를 활용하여 코팅상부를 측정하였다.

소음 특성은 상기 실시예 1에 대한 시험예와 동일한 방식으로 평가하였다.

구분	절연피막 조성(중량%)			표면 품질	절연성 ( mA )	소음 ( dBA )
구분	디암모늄 포스페이트	인산염 ( Al : Mg )	콜로이달 실리카	표면 품질	절연성 ( mA )	소음 ( dBA )
비교예 A0	-	50	50	△	360	66.4
발명예 A1	2.5	55.5	42	◎	87	63.3
발명예 A2	10	50	40	△	145	57.5
발명예 A3	5.2	47.5	47.3	○	154	54.4
발명예 A4	6.4	38.4	55.2	△	366	58.5
발명예 A5	0.1	54	45.9	○	375	66.2
발명예 A6	0.5	50	49.5	○	225	66.2
발명예 A7	8.5	55.7	35.8	○	97	55.5
비교예 A1	0.05	65	34.95	▽	310	68.4
비교예 A2	11	17	72	X	-	-
비교예 A3	5	33	62	▽	470	72.4
비교예 A4	5	90	5	X	-	-
비교예 A5	7	9	84	X	-	-

주) 물성판정/ 우수: ◎, 양호: ○, 보통: △, 약간불량: ▽, 불량:X

표 2에 따르면, 비교예 A0보다 발명예 A1 내지 A7의 표면 품질이 대체로 우수하고, 절연성 및 소음 특성이 매우 개선된 것을 확인할 수 있다. 이는, 비교예 A0에 비하여 인산 암모늄을 포함하는 절연피막 조성물에 의하여 달성된 효과임을 추론할 수 있다.

다만, 비교예 A1 내지 A5의 결과를 고려할 때, 상기 물질들의 함량을 적절히 제어할 필요가 있다. 이는, 상기 물질들이 수행하는 역할과 관련되는 것이며, 상기 발명예 A1 내지 A7에 따르면, 0.1 내지 10 중량%의 인산 암모늄을 포함하는 것이 적절하다고 평가된다.

이로써, 상기 방향성 전기강판에 대하여, 절연피막 성분 및 조성을 상기와 같이 제어할 경우, 절연성 및 소음 특성이 우수함을 알 수 있다.

시험예 : 250 kVA 변압기의 점적율 및 소음 특성 평가

본 발명의 일 구현예에 따른 조성물을 이용하여 표면에 절연 피막이 형성된 방향성 전기강판과 관련하여, 250 kVA 변압기의 제조 시 소음 특성을 평가하였다.

실리콘(Si) 3.2중량%를 함유하고, 마무리 소둔된 1차 피막을 가진 판두께 0.22 ㎜의 방향성 전기강판에 대하여, 절연피막 조성물은 발명예 A3에 따른 것을 선택하고, 피막 도포량을 3.7 - 4.2 g/m² 범위가 되도록 생산하여, 레이저 자구미세화 처리를 실행한 후, 250 kVA 변압기를 제작하여 설계 자속밀도에 따라 50Hz 조건에서 평가한 결과를 도 1 및 표 3에 나타내었다.

이와 대비되도록, 비교예 A0에 대해서도, 동일한 평가를 수행한 후 도 1 및 표 3에 기록하였다.

구분	자기 특성		소음(50 Hz , dBA )
구분	W17 /50(W/ kg )	B8(T)	1.3T	1.4T	1.5T	1.6T	1.7T	1.8T	1.9T
비교예	0.75	1.92	40.4	44.3	47.5	50.6	53.7	59.0	62.4
발명예	0.73	1.92	30.1	36.6	39.6	44.8	51.3	57.2	60.2

도 1 및 표 3에 따르면, 본 발명에 따르면, 250 kVA 변압기 소음 특성이 우수함을 알 수 있다.

본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims

0.1 내지 10 중량%의 인산 암모늄(ammonium phosphate);
30 내지 60 중량%의 콜로이달 실리카; 및
30 내지 60 중량%의 금속 인산염;을 포함하는,
방향성 전기강판용 절연피막 조성물.
제1항에 있어서,
상기 인산 암모늄은,
인산 암모늄((NH₄)₃PO₄), 암모늄 폴리포스페이트([NH₄PO₃]n), 모노인산 암모늄(NH₄H₂PO₄), 디인산 암모늄((NH₄)₂HPO₄)를 포함하는 군으로부터 선택된 단독 혹은 이들 중에서 선택된 둘 이상이 혼합되어 이루어진 것인,
방향성 전기강판용 절연피막 조성물.
제1항에 있어서,
상기 콜로이달 실리카의 입경은,
3 내지 100 ㎚인 것인,
방향성 전기강판용 절연피막 조성물.
제1항에 있어서,
상기 금속 인산염은,
제1인산 알루미늄, 제1인산 마그네슘, 또는 제1인산 칼슘의 단독 혹은 이들 중에서 선택되는 적어도 둘 이상이 혼합된 형태인 것인,
방향성 전기강판용 절연피막 조성물.
제1항에 있어서,
상기 금속 인산염은,
금속 수산화물 및 인산(H₃PO₄)의 화학적인 반응에 의한 화합물로 이루어진 것이고,
상기 금속 수산화물은 Al(OH)₃, Mg(OH)₂, 및 Fe(OH)₃를 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 1종인 것인,
방향성 전기강판용 절연피막 조성물.
제1항에 있어서,
상기 금속 인산염은,
금속 수산화물 및 인산(H₃PO₄)의 화학적인 반응에 의한 화합물로 이루어진 것이고,
상기 인산에 대한 상기 금속 수산화물의 중량 비율은 1:100 내지 70:100으로 표시되는 것인,
방향성 전기강판용 절연피막 조성물.
제1항에 있어서,
크롬 산화물;을 더 포함하는 것인,
방향성 전기강판용 절연피막 조성물.
제1항에 있어서,
붕산;을 더 포함하는 것인,
방향성 전기강판용 절연피막 조성물.
방향성 전기강판 및 방향성 전기강판용 절연피막 조성물을 각각 준비하는 단계;
상기 방향성 전기강판용 절연피막 조성물을 상기 방향성 전기강판의 표면에 도포하는 단계;
상기 방향성 전기 강판 코팅 조성물이 도포된 방향성 전기강판을 열처리하여, 건조하는 단계; 및
표면에 절연피막이 형성된 방향성 전기강판을 수득하는 단계;를 포함하고,
상기 방향성 전기강판용 절연피막 조성물은, 0.1 내지 10 중량%의 인산 암모늄(ammonium phosphate), 30 내지 60 중량%의 콜로이달 실리카, 및 30 내지 60 중량%의 금속 인산염을 포함하는 것인,
방향성 전기강판의 절연피막 형성방법.
제9항에 있어서,
상기 인산 암모늄은,
인산 암모늄((NH₄)₃PO₄), 암모늄 폴리포스페이트([NH₄PO₃]n), 모노인산 암모늄(NH₄H₂PO₄), 디인산 암모늄((NH₄)₂HPO₄)를 포함하는 군으로부터 선택된 단독 혹은 이들 중에서 선택된 둘 이상이 혼합되어 이루어진 것인,
방향성 전기강판의 절연피막 형성방법.
제9항에 있어서,
상기 콜로이달 실리카의 입경은,
3 내지 100 ㎚인 것인,
방향성 전기강판의 절연피막 형성방법.
제9항에 있어서,
상기 금속 인산염은,
제1인산 알루미늄, 제1인산 마그네슘, 또는 제1인산 칼슘의 단독 혹은 이들 중에서 선택되는 적어도 둘 이상이 혼합된 형태인 것인,
방향성 전기강판의 절연피막 형성방법.
제9항에 있어서,
상기 방향성 전기강판용 절연피막 조성물을 상기 방향성 전기강판의 표면에 도포하는 단계;는,
상기 방향성 전기강판의 한쪽 표면 당 0.5 내지 7 g/m²의 범위로 상기 방향성 전기강판용 절연피막 조성물을 도포하는 것인,
방향성 전기강판의 절연피막 형성방법.
제9항에 있어서,
상기 방향성 전기 강판 코팅 조성물이 도포된 방향성 전기강판을 열처리하여, 건조하는 단계;는,
250 내지 950 ℃의 온도 범위에서 수행하는 것인,
방향성 전기강판의 절연피막 형성방법.
제9항에 있어서,
상기 방향성 전기 강판 코팅 조성물이 도포된 방향성 전기강판을 열처리하여, 건조하는 단계;는,
30초 내지 70초 동안 수행하는 것인,
방향성 전기강판의 절연피막 형성방법.
제9항에 있어서,
방향성 전기강판 및 방향성 전기강판용 절연피막 조성물을 각각 준비하는 단계;에서,
상기 방향성 전기강판의 준비는,
강 슬라브를 준비하는 단계;
상기 강 슬라브를 열간 압연하여, 열연판을 제조하는 단계;
상기 열연판을 냉간 압연하여, 냉연판을 제조하는 단계;
상기 냉연판을 탈탄 소둔하는 단계; 및
상기 탈탄 소둔된 강판의 표면에 소둔분리제를 도포하고 최종 소둔하는 단계;를 포함하며,
상기 강 슬라브의 조성은, 규소(Si): 2.7 내지 4.2 중량% 및 안티몬(Sb): 0.02 내지 0.06 중량%를 함유하고, 주석(Sn): 0.02 내지 0.08 중량%, 크롬(Cr): 0.01 내지 0.30 중량%, 산가용성 알루미늄(Al): 0.02 내지 0.04 중량%, 망간(Mn): 0.05 내지 0.20 중량%, 탄소(C): 0.04 내지 0.07 중량%, 및 황(S): 0.001 내지 0.005 중량%를 포함하고, 질소(N): 10 내지 50 ppm를 포함하며, 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 것인,
방향성 전기강판의 절연피막 형성방법.
방향성 전기강판; 및
상기 방향성 전기강판의 표면에 형성된 절연피막;을 포함하고,
상기 절연피막은 0.1 내지 10 중량%의 인산 암모늄(ammonium phosphate), 30 내지 60 중량%의 콜로이달 실리카, 및 30 내지 60 중량%의 금속 인산염을 포함하는 것인,
방향성 전기강판.
제17항에 있어서,
상기 인산 암모늄은,
인산 암모늄((NH₄)₃PO₄), 암모늄 폴리포스페이트([NH₄PO₃]n), 모노인산 암모늄(NH₄H₂PO₄), 디인산 암모늄((NH₄)₂HPO₄)를 포함하는 군으로부터 선택된 단독 혹은 이들 중에서 선택된 둘 이상이 혼합되어 이루어진 것인,
방향성 전기강판.
제17항에 있어서,
상기 콜로이달 실리카의 입경은,
3 내지 100 ㎚인 것인,
방향성 전기강판.
제17항에 있어서,
상기 금속 인산염은,
금속 수산화물 및 인산(H₃PO₄)의 화학적인 반응에 의한 화합물로 이루어진 것인,
방향성 전기강판.