[논문]극박 방향성 전기강판에서 장력코팅에 의한 철손 감소효과 고찰

조성수; 김상범; 허남회; 소준영; 서판석; 한상옥

극박 방향성 전기강판에서 장력코팅에 의한 철손 감소효과 고찰
Effect of tension coating on reducing iron losses of thin grain-oriented electrical steel sheets 원문보기

조성수 (한전 전력연구원 신소재그룹) , 김상범 (한전 전력연구원 신소재그룹) , 허남회 (한전 전력연구원 신소재그룹) , 소준영 (한전 전력연구원 신소재그룹) , 서판석 (키스타(주)) , 한상옥 (충남대학교 전기공학과)

Effect of tension coating on reducing iron losses of thin grain-oriented 3% Si-Fe steel sheets was investigated. Conventional grain-oriented electrical steel sheets have a forsterite coating layer and a tension coating layer in order to apply tensile stress to the rolling direction of the sheets. However the proposed coating method in this paper is to form only a tension coating layer on the both surfaces of the sheets. Iron losses with the tension coating were reduced by 8% under the condition of 1.7 T and 60 Hz. Consequently the proposed tension coating is applicable to $80{\mu}m$-thick 3% Si-Fe steel sheets.

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문제 정의

두께 80 ㎛의 극박규소강판의 철손 성능 개선을 위해 현재 상용제품에 사용하는 장력 코팅액과 유사한 조성의 코팅액을 극박규소강판에 적용해 보고 철손 감소 효과를 평가하여 보았다. 특히 이번에 시도된 코팅층 형성방법은 기존의 방향성 규소강판에 적용하고 있는 forsterite 코팅층을 생략하고 곧바로 무기질 코팅층만을 형성하는 것으로 1.
본 논문에서 다루게 될 극박규 소강판은 상용규 소강판과 달리 베이스 코팅층을 생략하고 장력 코팅층만을 형성하는 공법을 시도하고 있으며 이러한 공법이 처음 시도되고 있는 점을 고려하여 본 논문에서는 전기절연성 보다는 장력 코팅층의 철손 감소 효과에 대해서 검토하였다.

가설 설정

일반적으로 유사한 집합조직을 갖는 재료는 유사한 B₁₀값과 철손 특성을 갖는다[6]. 따라서 본 실험에서는 동일한 냉간 압연판에서 발췌한 샘플이므로 B₁₀이 유사한 것은 유사한 집합조직을 갖는다는 가정 하에 B₁₀이 유사한 샘플들만을 비교 데이터로 사용하였다. B₁₀은 외부자계 H=1000 A/m일 때, 재료에 유도되는 자화의 세기(=자속밀도, 자기유도) 이다.

제안 방법

이 중에서 B10 값이 유사한 샘플들을 골라 코팅전, 후의 철손을 측정하였으며 그 결과를 과 에 정리하였다.
철손 측정 전에 8001 질소 분위기에서 2시간 동안 응력제거 소둔을시행하였다. 철손 측정을 마친 시편은 장력코팅효과를 측정하기 위해 바 코 터를 이용하여 한 면씩 코팅 액을 도포한 후, 응력제거 소둔분위기와동일한 분위기에서 코팅 액을 건조시킴으로써 장력코팅 효과를 부여하였다. 실험에 사용된 장력코팅 액은 현재 상용 방향성 규소강판에 적용되는 무기질 코팅 액(C-10 규격)과 유사한 조성의 코팅액을 사용하였다.
철손 및 B₁₀은 독일 Brockhaus사의 MPG 100D와 Single strip tester를 이용하여 측정하였다. 철손 측정조건은 주파수 60Hz와 자속밀도 1.0, 1.3, 1.5, 1.7 T 조건에서 각각 측정하였다. 일반적으로 유사한 집합조직을 갖는 재료는 유사한 B₁₀값과 철손 특성을 갖는다[6].

대상 데이터

실험 샘플은 두께가 80㎛인 40개의 규소강판 냉연 샘플을 고온 열처리 과정을 마친 후, 각각의 B₁₀과 철손을 측정하였다. 이 중에서 B₁₀값이 유사한 샘플들을 골라 코팅전, 후의 철손을 측정하였으며 그 결과를 <표 1>과 <그림2>에 정리하였다.
철손 측정을 마친 시편은 장력코팅효과를 측정하기 위해 바 코 터를 이용하여 한 면씩 코팅 액을 도포한 후, 응력제거 소둔분위기와동일한 분위기에서 코팅 액을 건조시킴으로써 장력코팅 효과를 부여하였다. 실험에 사용된 장력코팅 액은 현재 상용 방향성 규소강판에 적용되는 무기질 코팅 액(C-10 규격)과 유사한 조성의 코팅액을 사용하였다. 코팅 액은 금속 성분의 조성만을 조금씩 달리하여 5가지 유형으로 분류하였으며 주성분에는 큰 차이가 없다.
실험에 사용한 극박규소강판의 크기는 가로 90 mm, 세로 270 mm, 두께 80 ㎛의 판재로서 상용 규소강판(30PH₁₃9, POSCO)의 코팅층을 제거한 후, 냉간 압연과 고온열처리과정을 마친 후에 철손을 측정하였다. 철손 측정 전에 8001 질소 분위기에서 2시간 동안 응력제거 소둔을시행하였다.
코팅 액은 금속 성분의 조성만을 조금씩 달리하여 5가지 유형으로 분류하였으며 주성분에는 큰 차이가 없다. 철손 및 B₁₀은 독일 Brockhaus사의 MPG 100D와 Single strip tester를 이용하여 측정하였다. 철손 측정조건은 주파수 60Hz와 자속밀도 1.

성능/효과

3% 규소 강판에서 자기 유도 B₁₀의 이론치는 2.03 T이며 이 값에 근접할수록 자성 특성이 우수하게 나타난다. 현재 고품질의 전기강판은 이 값이 1.
<표 1>에서 볼 수 있듯이, 자속밀도가 낮을수록 장력 코팅에 의한 철손감소 효과는 크게 나타났으며 자속 밀도가 높아질수록 철손감소율은 작아졌다. 이것은 자속밀도가 낮은 영역에서는 큰 영향을 주지 않던 lancet과 같은 보조자구(supplementary domain structure)들이 자속밀도가 높아지면서 철손에 악영향을 주기 때문으로 생각된다.
3>에서와 같이 5개 코팅액 조성의 평균 철손 감소치를 보면 1.7 T 60 Hz 조건에서 약 8%의 철손 개선 효과가 있음을 알 수 있다. forsterite층에 의한 장력 부여 효과가 없음에도 2개의 코팅층에 의한 철손감소 효과와 큰 차이가 나지 않는 것은 철손에 나쁜 영향을 주는 forsterite층이 없기 때문이다.
이것은 forsterite 코팅층을 생략함으로써 전기강판에 가해지는 장력은 줄어들지만 이 코팅층이 철손에 나쁜 영향을 주는 요인이 없어지기 때문에 철손 개선 효과가 기존 2중 코팅층에 비해 크게 떨어지지 않고 있는 것이다. 이러한 결과로부터 본 실험에 사용된 장력 코팅액은 극박규소강판에 충분한 장력을 부여하고 있음을 알 수 있었다.
보고 철손 감소 효과를 평가하여 보았다. 특히 이번에 시도된 코팅층 형성방법은 기존의 방향성 규소강판에 적용하고 있는 forsterite 코팅층을 생략하고 곧바로 무기질 코팅층만을 형성하는 것으로 1.7 T, 60 Hz 측정조건에서 약 8%의 철손개선 효과를 얻을 수 있었다. 이것은 forsterite 코팅층을 생략함으로써 전기강판에 가해지는 장력은 줄어들지만 이 코팅층이 철손에 나쁜 영향을 주는 요인이 없어지기 때문에 철손 개선 효과가 기존 2중 코팅층에 비해 크게 떨어지지 않고 있는 것이다.

후속연구

하지만 forsterite층이 생략됨으로 인해 전기적절연성은 상당히 미흡할 것으로 생각된다. 따라서 전기절연성을 보강할 수 있는 극박 규소강판 전용 장력 코팅액을 개발해야 할 것이다.

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