변압기 코어용 배향강(GOES)과 모터 및 발전기용 비배향강(NOES)을 포함한 전기강은 자기 재료 공학의 정점을 나타냅니다. 이 강재들의 성능은 단 하나의 핵심 합금 원소에 달려 있습니다. 규소고순도 실리콘 금속(일반적으로 98.5~99.5% Si)을 첨가하면 일반 저탄소강의 자기적 특성이 크게 향상됩니다. 하지만 아무 실리콘이나 사용할 수 있는 것은 아닙니다. 순도, 입자 크기, 미량 원소 제어는 고급 전기강과 일반 전기강을 구분하는 결정적인 요소입니다.
이 글에서는 실리콘 함량과 순도가 전기 저항, 자기변형, 코어 손실 및 자기 투과율에 미치는 영향과 고순도 실리콘 금속(441, 553 등급)이 현대 전기강판 생산에 필수적인 이유를 살펴봅니다.
실리콘을 사용하는 이유는 무엇일까요? 야금학적 근거는 무엇일까요?
순수 철은 우수한 자기 포화도(2.15 T)를 가지지만, 교류 자기장에 노출될 경우 높은 와전류 손실과 상당한 자기변형이 발생합니다. 실리콘을 첨가하면 세 가지 근본적인 문제를 해결할 수 있습니다.
- 전기 저항을 증가시킵니다. 실리콘은 철의 전기 저항을 약 10 µΩ·cm에서 3% 실리콘 함량일 때 45~60 µΩ·cm로 높여 와전류 손실을 크게 줄입니다.
- 자기변형을 감소시킵니다. — 실리콘은 자화 과정에서 발생하는 치수 변화를 최소화하여 음향 소음을 줄이고 히스테리시스 손실을 더욱 감소시킵니다.
- 유리한 결정학적 조직을 촉진합니다 — 방향성강에서 실리콘은 쉬운 자화 방향을 압연 방향과 정렬하는 날카로운 Goss 조직({110}〈001〉)의 개발을 가능하게 합니다.
최적의 실리콘 함량: 저항률과 가공성의 균형
전기강판은 일반적으로 다음을 포함합니다. 실리콘 2.5%~3.5%일부 특수 등급은 실리콘 함량이 4.5~6.5%에 달하기도 합니다(단, 실리콘 함량이 높을수록 냉간 압연이 매우 어려워집니다). 실리콘 함량과 노심 손실(1.5T, 50Hz에서 W/kg) 사이의 관계는 잘 알려져 있습니다.
- 실리콘 0.5%: 코어 손실 ≈ 4.5–5.0 W/kg — 표준 저탄소강
- 실리콘 함량 1.5%: 심부 손실 ≈ 3.5–4.0 W/kg — 보급형 전기강판
- 실리콘 2.5% 함유 시: 코어 손실 ≈ 2.2–2.8 W/kg — 모터의 일반적인 NOES 값
- 3.2% Si: 코어 손실 ≈ 1.0–1.5 W/kg — 변압기용 프리미엄 GOES
- 실리콘 함량 6.5%: 코어 손실 ≈ 0.5–0.7 W/kg — 초저손실이지만 취성이 강함 (특수 처리 필요)
그만큼 3.0–3.3% Si 범위 이는 방향성 전기강판의 최적점을 나타내며, 고품질 GOES(예: M-3, 27QG090 등급)에 대해 최적의 자기 투과율(>1800)과 1.7T에서 1.0W/kg 미만의 코어 손실을 제공합니다.
순도 요구 사항: 불순물의 유해한 역할
실리콘 함량이 기본 자기 성능을 결정하지만, 실리콘 금속과 최종 강철 모두에서 불순물 수준 물성을 크게 저하시킬 수 있습니다. 제어해야 할 주요 불순물은 다음과 같습니다.
| 불순물 원소 | 원천 | 자기적 특성에 미치는 영향 | 최대 허용치(ppm) |
|---|---|---|---|
| 알루미늄(Al) | 실리콘 금속 / 원자재 | 비정상적인 곡물 성장을 촉진하고 히스테리시스 손실을 증가시킵니다. | <100 |
| 탄소(C) | 제철/실리콘 금속 | 자기 노화를 유발하고 시간이 지남에 따라 코어 손실을 증가시킵니다. | <30 |
| 질소(N) | 공기 혼입 / 실리콘 금속 | AlN 및 기타 석출물을 형성하여 결정립계를 고정시킵니다. | <20 |
| 황(S) | 제철/실리콘 금속 | MnS 함유물을 형성하고 Goss 질감 발달을 방해합니다. | <30 |
| 티타늄(Ti) | 실리콘 금속 트레이스 | Ti(C,N) 형성 - 결정립 성장에 매우 해로운 영향 | <20 |
이것이 바로 그 이유입니다 고순도 실리콘 금속(441, 553 등급) 전기강 생산에 사용되는 규격입니다. 441 등급 실리콘 금속은 일반적으로 다음과 같은 성분을 포함합니다.
- 실리콘 함량 99.0% 이상 (일부 공급업체는 99.2~99.5% 제공)
- Fe 0.4%, Al 0.1%, Ca 0.01%
- Ti, C, P 각각 < 0.01% (100 ppm)
고급 전기강 생산업체는 종종 다음과 같은 것을 요구합니다. 553학년 또는 알루미늄 함량이 50ppm 미만이고 티타늄 함량이 20ppm 미만인 맞춤형 정제 실리콘 금속을 사용하여 초박형 GOES(0.23mm 두께)에서 0.9W/kg 미만의 코어 손실을 달성합니다.
방향성 전기강과 비방향성 전기강: 서로 다른 실리콘 전략
실리콘 금속의 역할은 두 가지 주요 전기강 제품군에서 서로 다릅니다.
방향성 전기강판(GOES): 변압기 코어에 사용되는 GOES는 2차 재결정 및 선명한 고스(Goss) 조직을 얻기 위해 억제 원소(MnS, AlN)와 함께 정밀한 실리콘 함량 제어(2.8~3.4%)가 필요합니다. 불순물이 미묘한 억제 균형을 깨뜨리기 때문에 고순도 실리콘 금속이 필수적입니다. 티타늄이 50ppm만 함유되어도 고투과성 GOES에 사용되는 전체 열을 사용할 수 없게 만들 수 있습니다.
비방향성 전기강판(NOES): 모터 및 발전기 적층판에 사용되는 NOES는 일반적으로 2.0~3.2%의 Si를 함유합니다. 순도 요구 사항은 GOES보다 다소 덜 엄격하지만, 최신 고효율 모터(IE3, IE4 등급)는 일관되게 낮은 개재물 함량을 요구합니다. 여기서 실리콘 금속의 순도는 펀칭 품질과 층간 저항에 직접적인 영향을 미칩니다.
생산 고려 사항: 추가 방법 및 복구
실리콘 금속은 일반적으로 1차 탈산 후 레이들 야금 단계에서 첨가됩니다. 권장 사항은 다음과 같습니다.
- 입자 크기: 10~50mm 크기의 덩어리 실리콘 금속은 과도한 분진 발생 없이 최적의 용해를 제공합니다.
- 회복률: 산화철 함량이 낮은 탈산강에 실리콘을 첨가할 경우, 회수율은 일반적으로 90%를 초과합니다. 산화성이 높은 슬래그에는 실리콘 금속을 첨가하지 마십시오.
- 온도 조절: 실리콘 용해는 흡열 반응이므로 조기 응고를 방지하기 위해 과열로 보상해야 합니다.
- 분리 방지: 첨가 후에는 실리콘이 과다하게 축적되어 물성 변화를 일으키는 것을 방지하기 위해 충분히 저어주십시오.
사례 연구: 프리미엄 GOES를 위한 고순도 실리콘 금속으로 업그레이드
M-3 등급의 배향강(두께 0.27mm)을 생산하는 유럽의 한 전기제강 공장에서 1.7톤 하중 조건에서 0.95~1.20W/kg 범위의 불규칙적인 코어 손실 값이 발생하여 프리미엄 등급 규격을 충족하지 못하는 문제가 발생했습니다. 근본 원인 분석 결과, 이러한 변동성은 실리콘 금속 순도에 기인하는 것으로 밝혀졌습니다. 해당 공장에서 사용하는 표준 98.5% 실리콘 소재에는 250~300ppm의 알루미늄과 50~60ppm의 티타늄이 함유되어 있었습니다. 소재를 변경한 후 문제가 해결되었습니다. 등급 441 실리콘 금속(99.2% Si, Al < 80ppm, Ti < 15ppm)코어 손실이 0.92~0.98W/kg으로 안정화되어 고효율 변압기 적용 자격을 확보했습니다. 또한, 해당 제련소는 2차 재결정 균일성이 향상되었고 비정상적인 결정립 성장으로 인한 불량률이 15% 감소했다고 보고했습니다.
고순도 실리콘에 대한 수요 증가
고효율 변압기에 대한 글로벌 규제(DOE 2027 표준, EU 에코디자인 Lot 5)와 전기 자동차 모터 생산의 급속한 확대로 인해 고급 전기강, 나아가 고순도 실리콘 금속에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 브라이트 알로이스(Bright Alloys)는 이러한 수요에 대응하여 제품을 공급합니다. 441, 553 등급 및 맞춤형 정제 실리콘 금속 알루미늄, 티타늄, 탄소 함량이 낮다는 인증을 받았으며, GOES 및 NOES 생산 업체의 엄격한 요구 사항을 충족하도록 맞춤 제작되었습니다. 전기강판 제조업체에게 실리콘 금속 선택은 단순한 상품 선택이 아니라 자기 성능 및 에너지 효율성 향상을 위한 전략적 투자입니다.