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KR101739866B1 - 방향성 전기강판의 자구미세화 방법과 그 장치 - Google Patents

방향성 전기강판의 자구미세화 방법과 그 장치 Download PDF

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Publication number
KR101739866B1
KR101739866B1 KR1020160008380A KR20160008380A KR101739866B1 KR 101739866 B1 KR101739866 B1 KR 101739866B1 KR 1020160008380 A KR1020160008380 A KR 1020160008380A KR 20160008380 A KR20160008380 A KR 20160008380A KR 101739866 B1 KR101739866 B1 KR 101739866B1
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KR
South Korea
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steel plate
laser
steel sheet
laser beam
irradiation
Prior art date
Application number
KR1020160008380A
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Inventor
임승호
이도륜
김진호
천명식
이규택
홍성철
Original Assignee
주식회사 포스코
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to US16/072,167 priority patent/US11072838B2/en
Priority to EP16886657.2A priority patent/EP3406742B9/en
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Abstract

설비와 공정을 최적화함으로써, 이를 통해 자구 미세화 효율을 높이고 작업성을 개선하여 처리 능력을 증대시킬 수 있도록. 생산라인을 따라 진행하는 강판을 지지하면서 상기 강판의 상하 방향 위치를 제어하는 강판지지롤 위치 조절단계, 강판 표면에 레이저빔을 조사하여 상기 강판을 용융시켜 강판의 표면에 홈을 형성하는 레이저 조사 단계, 및 레이저 조사 과정에서 강판 표면에 조사된 레이저 빔의 반사에 따른 복사열을 흡수 제거하는 제거 단계를 포함하는 방향성 전기강판의 자구미세화 방법을 제공한다.

Description

방향성 전기강판의 자구미세화 방법과 그 장치{METHOD AND APPARATUS FOR REFINING MAGNETIC DOMAINS GRAIN-ORIENTED ELECTRICAL STEEL}
방향성 전기강판에 레이저를 조사하여 영구적으로 강판의 자구를 미세화 처리하는 방향성 전기강판의 자구미세화 방법과 그 장치에 관한 것이다.
예를 들어, 변압기와 같은 전기기기의 전력손실을 줄이고 효율을 향상시키기 위해, 철손이 낮고 자속밀도가 높은 자기적 특성을 지닌 방향성 전기강판이 요구된다.
방향성 전기강판의 철손을 줄이기 위해, 강판 표면에 기계적 방법이나 레이저 빔을 조사하여 압연 방향에 대해 수직방향으로 자구를 미세화함으로써, 철손을 감소시키는 기술이 개시되어 있다.
자구 미세화 방법은 응력 제거 소둔 후 자구 미세화 개선 효과를 유지하는지 여부에 따라 일시 자구미세화와 영구 자구미세화로 크게 구분할 수 있다.
일시 자구미세화 방법은 응력 제거 소둔 후 자구미세화 효과를 상실하는 단점이 있다. 일시 자구미세화 방법은, 강판 표면에 국부적인 압축 응력부를 형성시킴으로써 자구를 미세화시킨다. 그러나, 이러한 방법은 강판 표면의 절연 코팅층 손상을 일으키기 때문에 재코팅이 요구되며, 최종 제품이 아닌 중간 공정에서 자구미세화 처리를 하기 때문에 제조 비용이 높은 단점이 있다.
영구 자구미세화 방법은 열처리 후에도 철손 개선 효과를 유지할 수 있다. 영구 자구미세화 처리를 위해, 에칭 공법이나 롤 공법, 레이저 공법을 이용한 기술이 주로 사용되고 있다. 에칭 공법의 경우 홈 형성 깊이나 폭 제어가 어렵고, 최종 제품의 철손 특성의 보증이 어려우며 산용액을 사용하기 때문에 환경친화적이지 못한 단점이 있다. 롤을 이용한 공법의 경우, 기계 가공에 대한 안정성, 신뢰성 및 프로세스가 복잡한 단점이 있다.
레이저를 이용하여 강판을 영구 자구미세화하는 공법은, 강판을 지지하고 장력을 조절한 상태에서 강판의 표면에 레이저빔을 조사하여 강판 표면에 용융 홈을 형성하여 자구를 미세화시킬 수 있다. 이와 같이, 레이저를 이용하여 자구를 미세화함에 있어서, 고속 처리가 가능하면서, 전기강판의 철손을 낮추고 자속밀도를 높일 수 있도록 보다 효과적인 공정의 개선과 최적화가 요구된다.
설비와 공정을 최적화함으로써, 이를 통해 자구 미세화 효율을 높이고 작업성을 개선하여 처리 능력을 증대시킬 수 있도록 된 방향성 전기강판의 자구미세화 방법과 그 장치를 제공한다.
레이저 빔의 반사와 복사열로 인한 광학계의 손상을 방지할 수 있도록 된 방향성 전기강판의 자구미세화 방법과 그 장치를 제공한다.
레이저 조사에 따라 형성된 힐업과 스패터 등의 오염물질을 보다 효과적으로 제거하여 제품의 품질을 높일 수 있도록 된 방향성 전기강판의 자구미세화 방법과 그 장치를 제공한다.
공정에 필요한 최적의 동작 환경을 제공할 수 있도록 된 방향성 전기강판의 자구미세화 방법과 그 장치를 제공한다.
본 구현예의 자구 미세화 방법은, 생산라인을 따라 진행하는 강판을 지지하면서 상기 강판의 상하 방향 위치를 제어하는 강판지지롤 위치 조절단계, 강판 표면에 레이저빔을 조사하여 상기 강판을 용융시켜 강판의 표면에 홈을 형성하는 레이저 조사 단계, 및 레이저 조사 과정에서 강판 표면에 조사된 레이저 빔의 반사에 따른 복사열을 흡수 제거하는 제거 단계를 포함할 수 있다.
상기 제거 단계는 강판에서 반사되는 레이저 빔의 반사 위치에 대응하여 레이저를 조사하는 광학계 하부에 설치되는 냉각블럭을 통해 레이저의 복사열을 열교환하여 흡수하는 단계, 냉각블럭으로 냉각 매체를 순환시켜 냉각블럭의 냉각 온도를 유지하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제거 단계는 냉각블럭으로 공급되는 냉각매체의 유량을 검출하는 단계와, 냉각매체의 공급유량 이상시 레이저 발진기의 구동을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 레이저 조사단계는, 강판지지롤 표면에 원호형태로 접하여 진행되는 강판의 표면에 대해, 레이저 빔의 조사방향이 강판지지롤의 중심축을 지날 때의 레이저 빔 조사 위치를 기준점으로 하여 상기 기준점에서 강판지지롤 중심에서 외주면을 따라 각도를 두고 이격된 위치에, 레이저 빔을 조사할 수 있다.
상기 레이저 조사단계에서, 레이저 빔은 상기 기준점에 대해 강판지지롤 중심에서 외주면을 따라 3 내지 7°이격된 범위에서 조사될 수 있다.
상기 자구 미세화 방법은, 레이저 조사가 진행되는 레이저룸의 내부 동작 환경을 설정하고 유지하는 설정유지단계를 더 포함할 수 있다.
상기 설정유지단계는, 레이저룸 내부를 외부와 격리시켜 외부 오염물질의 유입을 차단하는 단계와, 레이저룸 내부 온도와 압력 및 습도를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 자구 미세화 방법은, 상기 강판을 평평하게 펼쳐진 상태로 유지되게 상기 강판에 장력을 부여하는 장력 제어단계를 더 포함할 수 있다.
상기 자구 미세화 방법은, 강판이 생산라인 중앙을 따라 좌우로 치우침이 없이 이동하게 하는 사행 제어단계를 더 포함할 수 있다.
상기 자구 미세화 방법은, 레이저 조사단계를 거쳐 상기 강판의 표면에 형성된 힐업(hill up)과 스패터(spatter)를 제거하기 위한 후처리 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 후처리 단계는 브러쉬롤로 강판 표면에 묻은 힐업과 스패터를 제거하는 브러쉬 단계를 포함할 수 있다.
상기 후처리 단계는, 강판을 알칼리용액과 전기분해반응시켜 강판 표면에 잔존하는 힐업과 스패터를 추가 제거하는 청정단계와, 청정 단계에서 강판으로부터 제거되어 알칼리용액 내에 포함된 이물질을 알칼리용액으로부터 걸러내기 위한 필터링 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 사행 제어단계는, 강판의 폭 중앙위치가 생산라인 중앙에서 벗어난 사행량을 측정하는 사행량 측정단계, 및 상기 사행량 측정단계에서 측정된 강판의 사행량에 따라 스티어링 롤(Steering Roll)의 축을 회전 및 이동시켜 강판이 움직이는 방향을 조정하여 강판의 사행량을 제어하는 사행량 제어단계를 포함할 수 있다.
상기 사행량 제어단계는 강판의 사행량을 ±1mm 이내로 제어할 수 있다.
상기 장력 제어단계는, 상기 텐션 브라이들 롤(Tension Bridle Roll)에 의하여 강판에 장력을 인가하는 강판 장력 인가단계, 상기 강판 장력 인가단계를 행한 상기 강판의 장력을 측정하기 위한 강판 장력 측정단계, 및 상기 강판 장력 측정단계에서 측정된 강판의 장력에 따라 상기 텐션 브라이들 롤의 속도를 조정하여 강판 장력을 제어하는 강판 장력 제어단계를 포함할 수 있다.
상기 강판지지롤 위치 조절단계는, 상기 레이저 조사단계에 위치하는 강판을 강판지지롤로 지지하는 강판 지지단계, 상기 레이저 조사단계에서 강판에 레이저 조사 시 발생하는 불꽃의 밝기를 측정하는 휘도 측정 단계, 및 상기 휘도 측정 단계에서 측정된 불꽃의 밝기에 따라 강판지지롤 위치 제어계에 의하여 강판지지롤의 위치를 조정하여 레이저의 초점심도(Depth of Focus) 내에 강판이 위치하도록 제어하는 강판지지롤 위치 제어단계를 포함할 수 있다.
상기 레이저 조사단계는, 레이저 발진기에서 조사된 레이저 빔을 전달받은 광학계에 의하여 강판 표면에 조사하여 상부폭, 하부폭과 깊이가 각각 70㎛ 이내, 10㎛ 이내, 3 내지 30㎛의 홈을 형성시킴과 동시에 레이저 빔 조사 시 용융부의 홈 내부 벽면에 잔류시키는 재응고부가 생성되도록, 강판의 용융에 필요한 1.0 내지 5.0 J/㎟ 범위내의 레이저 빔 에너지 밀도를 강판에 전달하는 레이저 조사 및 에너지 전달단계를 포함할 수 있다.
상기 레이저 조사단계는, 레이저 발진기 제어기에 의하여 정상적인 작업조건 하에서는 레이저 빔을 발진하는 레이저 발진기를 온(On) 상태로 하고 강판의 사행량이 15mm 이상 발생되면 레이저 발진기를 오프(Off) 상태로 제어하는 레이저 빔 발진 제어단계를 포함할 수 있다.
상기 레이저 조사단계에서 레이저 발진기는 싱글 모드(Single mode) 연속파 레이저 빔을 발진할 수 있다.
상기 레이저 조사단계에서 광학계는 레이저 주사속도를 제어하여 레이저 빔 조사선의 간격을 압연방향으로 2 내지 30 mm로 조정할 수 있다.
상기 레이저 조사단계는, 강판 표면에 조사되는 레이저빔의 조사선 각도를 변환하는 각도 변환 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 각도 변환 단계는, 강판의 폭방향에 대해 레이저 빔의 조사선 각도를 ±4°의 범위로 변환할 수 있다.
상기 레이저 조사 단계는 레이저 빔의 반사광과 산란광이 레이저 조사설비의 광학계로 유입되는 것을 차단하는 차단 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 레이저 조사 단계는, 레이저 빔 조사시 발생된 흄(fume)과 용융철을 흡입하여 제거하는 집진단계를 더 포함할 수 있다. 상기 집진 단계는 강판의 홈 내부로 압축 건조공기를 분사하여 홈 내부에 잔존하는 용융철을 제거하기 위한 분사 단계를 포함할 수 있다.
본 구현예의 자구 미세화 장치는, 생산라인을 따라 이동되는 강판을 지지하면서 강판의 상하 방향 위치를 제어하는 강판지지롤 위치 조절설비, 및 레이저 빔을 조사하여 강판을 용융시켜 상기 강판의 표면에 홈을 형성하는 레이저 조사설비, 및 강판 표면에 조사된 레이저 빔의 반사에 따른 복사열을 흡수하여 제거하는 흡수부를 포함할 수 있다.
상기 흡수부는 강판에서 반사되는 레이저 빔의 반사 위치에 대응하여 상기 레이저 조사설비의 광학계 하부에 설치되어 반사된 레이저의 복사열을 열교환을 통해 흡수하는 냉각블럭을 포함할 수 있다.
상기 흡수부는 상기 냉각블럭 내부에 형성되는 냉각유로, 상기 냉각유로에 연결된 공급관을 통해 냉각블럭으로 냉각매체를 순환 공급하는 공급부를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각블럭은 광학계의 하부에 레이저 빔이 지나가는 개구부 주변을 따라 설치될 수 있다.
상기 냉각블럭은 레이저 빔의 반사광이 조사되는 전면이 반사광의 조사 방향을 향하도록 경사진 구조일 수 있다.
상기 냉각블럭은 표면에 비산 용융철의 부착을 방지하기 위한 화학기상코팅층이 형성될 수 있다.
상기 냉각블럭의 냉각유로는 냉각블럭의 외측면을 통해 직선으로 복수의 유로를 형성하고, 유로와 유로의 교차 지점에서 유로가 일방향으로 연결되도록 유로 내부에 유로를 막는 플러그를 설치하여 지그 재그 형태로 형성하는 구조일 수 있다.
상기 플러그는 냉각블럭에 코깅구조로 고정 설치될 수 있다.
상기 공급부는 냉각매체 순환라인 상에 설치되어 냉각블럭을 거친 냉각 매체를 냉각하는 열교환기와, 열교환기를 거친 냉각 매체를 냉각블럭으로 공급하는 공급펌프와, 공급펌프의 구동에 따라 순환라인을 따라 냉각블럭으로 유입되는 냉각매체의 공급 유량을 검출하는 플로우스위치, 상기 플로우스위치의 검출값에 따라 상기 광학계의 레이저 발진기의 구동을 제어하는 제어회로를 포함할 수 있다.
상기 레이저 조사설비는 강판지지롤 표면에 원호형태로 접하여 진행되는 강판의 표면에 대해, 레이저 빔의 조사방향이 강판지지롤의 중심축을 지날 때의 레이저 빔 조사 위치를 기준점으로 하여, 상기 기준점에서 강판지지롤 중심에서 외주면을 따라 각도를 두고 이격된 위치에 레이저 빔이 조사하는 구조일 수 있다.
상기 레이저 조사설비는 레이저 빔을 상기 기준점에 대해 강판지지롤 중심에서 외주면을 따라 3 내지 7°이격된 범위에 조사하는 구조일 수 있다.
상기 강판지지롤 위치 조절설비와 레이저조사설비를 외부로부터 격리 수용하며 레이저 조사를 위한 동작 환경을 제공하는 레이저룸을 더 포함할 수 있다.
상기 레이저룸은 상기 레이저 조사설비와 강판지지롤 위치 제어설비를 수용하여 외부와 격리시키도록 내부 공간을 형성하고, 강판의 진행방향을 따라 양 측면에는 입구와 출구가 형성되고, 내부에는 레이저룸 내부 압력을 외부보다 높이기 위한 양압장치, 레이저 조사설비의 광학계가 위치한 상부공간을 강판이 지나가는 하부공간과 분리시키는 광학계 하부프레임, 및 레이저룸 내부 온도와 습도를 제어하는 항온항습제어기를 포함할 수 있다.
강판을 평평하게 펼쳐진 상태로 유지되게 강판에 장력을 부여하는 장력 제어설비를 더 포함할 수 있다.
강판이 생산라인 중앙을 따라 좌우로 치우침이 없이 이동하게 하는 사행 제어설비를 더 포함할 수 있다.
상기 강판의 표면에 형성된 힐업(hill up)과 스패터(spatter)를 제거하기 위한 후처리 설비를 더 포함할 수 있다.
상기 후처리 설비는 레이저룸 후단에 배치되어 강판 표면의 힐업과 스패터를 제거하는 브러쉬롤을 포함할 수 있다.
상기 후처리 설비는 브러쉬롤 후단에 배치되어 강판을 알칼리용액과 전기분해반응시켜 강판 표면에 잔존하는 힐업과 스패터를 추가 제거하는 청정유닛과, 청정유닛에 연결되어 청정유닛의 알칼리용액 내에 포함된 이물질을 알칼리용액으로부터 걸러내기 위한 필터링부를 더 포함할 수 있다.
상기 사행 제어설비는 상기 강판의 이동 방향을 전환하기 위한 스티어링 롤(Steering Roll), 상기 강판의 폭 중앙위치가 생산라인 중앙에서 벗어난 정도(사행량)를 측정하기 위한 사행 측정센서, 및 상기 사행 측정센서의 출력값에 따라 상기 스티어링 롤의 축을 회전 및 이동시켜 강판이 움직이는 방향을 조정하기 위한 강판 중앙위치 제어계(Strip Center Position Control System)를 포함할 수 있다.
상기 장력 제어설비는 상기 강판에 장력을 인가하면서 이동을 유도하는 텐션 브라이들 롤(Tension Bridle Roll), 상기 텐션 브라이들 롤을 통과한 상기 강판의 장력을 측정하기 위한 강판 장력 측정센서, 및 상기 강판 장력 측정센서에서 측정된 강판의 장력에 따라 상기 텐션 브라이들 롤의 속도를 조정하기 위한 강판(Strip) 장력 제어계를 포함할 수 있다.
상기 강판지지롤 위치 조절설비는, 상기 레이저 조사설비 위치에서 강판을 지지하는 강판지지롤, 상기 레이저 조사설비에서 강판에 레이저 조사 시 발생하는 불꽃의 밝기를 측정하기 위한 휘도 측정센서, 및 상기 휘도 측정센서에서 측정된 불꽃의 밝기에 따라 상기 강판지지롤의 위치를 제어하기 위한 강판지지롤 위치 제어계를 포함할 수 있다.
상기 레이저 조사설비는, 연속파 레이저 빔을 발진하기 위한 레이저 발진기, 상기 레이저 발진기로부터 발진된 상기 레이저 빔을 강판 표면에 조사하여 상부폭, 하부폭과 깊이가 각각 70㎛ 이내, 10㎛ 이내, 3 내지 30㎛의 홈을 형성시킴과 동시에 레이저 조사 시 용융부의 홈 내부 벽면에 잔류시키는 재응고부가 생성되도록, 강판의 용융에 필요한 1.0 내지 5.0 J/㎟ 범위내의 레이저 에너지 밀도를 강판에 전달하는 광학계를 포함할 수 있다.
상기 레이저 조사설비는, 정상적인 작업조건 하에서는 레이저 발진기를 온(On) 상태로 하고 강판 사행량이 15mm 이상 발생되면 레이저 발진기를 오프(Off) 상태로 제어하는 레이저 발진기 제어기를 더 포함할 수 있다.
상기 레이저 발진기는 싱글 모드(Single mode) 연속파 레이저 빔을 발진할 수 있다.
상기 광학계는 레이저 주사속도를 제어하여 레이저 조사선의 간격을 압연방향을 따라 2 내지 30mm로 조정할 수 있다.
상기 레이저 조사설비는 강판에 레이저 빔을 조사하는 광학계가 구동부에 의해 회전 가능한 구조로 이루어져, 상기 광학계가 강판에 대해 회전하여 강판의 폭방향에 대해 레이저빔의 조사선 각도를 변환하는 구조일 수 있다.
상기 레이저 조사설비는 레이저 산란광과 열이 광학계로 유입되는 것을 차단하는 차폐부를 더 포함할 수 있다.
상기 레이저 조사설비는, 상기 강판에 레이저빔 조사에 따라 생성된 흄과 스패터를 제거하기 위한 용융철 제거설비를 더 포함할 수 있다.
상기 용융철 제거설비는 강판의 홈 내부로 압축 건조공기를 분사하여 홈 내부에 잔존하는 용융철을 제거하는 에어나이프, 흄과 용융철을 흡입하여 제거하는 집진후드를 포함할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 구현예에 의하면, 강판을 2m/sec 이상의 고속으로 진행시키면서도, 안정적으로 레이저에 의한 자구 미세화 공정을 진행하여, 전기강판의 열처리 전,후의 철손 개선율을 각각 5% 이상, 10% 이상 확보할 수 있다.
또한, 레이저 빔의 반사에 따른 복사열에 의해 광학계가 가열되는 것을 방지함으로써, 광학계가 열변형되어 손상되는 것을 방지할 수 있게 된다.
또한, 냉각블럭의 구조가 단순하고 제조가 용이하며, 강판과 광학계 사이의 좁은 공간에서도 광학계 하부에 설치 및 정비가 용이하다.
또한, 냉각블럭의 열크랙을 최소화할 수 있으며, 레이저 빔에 의해 용융되어 비산되는 용융철이 냉각블럭에 융착되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 냉각매체의 흐름을 지속적으로 검출하여 레이저 발진기를 제어함으로써, 광학계의 성능 저하로 인한 자구미세화 처리 불량을 방지할 수 있게 된다.
또한, 자구 미세화 효율을 높이고 작업성을 개선하여 자구 미세화 처리 능력을 증대시킬 수 있게 된다.
또한, 레이저 조사에 따라 형성된 힐업과 스패터 등의 오염물질을 보다 효과적으로 제거하여 제품의 품질을 높일 수 있게 된다.
또한, 공정에 필요한 최적의 동작 환경을 제공함으로써, 고품질의 제품을 대량으로 생산할 수 있게 된다.
도 1은 본 실시예에 따른 방향성 전기강판의 자구미세화 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따라 자구 미세화 처리된 강판을 도시한 개략적인 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따라 흡수부를 구비한 레이저 조사설비의 광학계 구성을 도시한 개략적인 도면이다.
도 4는 본 실시예에 따라 광학계 하부에 냉각블럭이 설치된 구성을 도시한 개략적인 도면이다.
도 5는 본 실시예에 따른 냉각블럭을 도시한 사시도이다.
도 6은 본 실시예에 따른 냉각블럭 내부의 냉각유로를 도시한 개략적인 도면이다.
도 7은 본 실시예에 따른 냉각블럭의 플러그 고정 구조를 도시한 개략적인 도면이다.
도 8은 본 실시예에 따라 냉각블럭으로 냉각매체를 공급하는 구조를 도시한 개략적인 구성도이다.
이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 이에, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
이하 설명에서 본 실시예는 변압기 철심 소재 등에 사용되는 방향성 전기강판의 영구 자구미세화를 위한 설비를 예로서 설명한다.
도 1은 본 실시예에 따른 방향성 전기강판의 자구미세화 장치를 개략적으로 도시하고 있고, 도 2는 본 실시예에 따라 자구 미세화 처리된 강판을 도시하고 있다. 이하 설명에서, 압연방향 또는 강판 이동방향은 도 2에서 x축 방향을 의미하며, 폭방향은 압연방향에 직각인 방향으로 도 2에서 y축 방향을 의미하고, 폭은 y축 방향에 대한 강판의 길이를 의미한다. 도 2에서 도면부호 31은 레이저 빔에 의해 홈 형태로 파여져 강판(1) 표면에 연속적으로 형성된 조사선을 가리킨다.
도 1을 참고하면, 본 실시예에 따른 방향성 전기 강판의 자구 미세화 장치는 강판(1)이 2m/s 이상의 고속으로 진행되더라도 안정적으로 영구 자구미세화 처리를 수행한다.
본 실시예의 자구 미세화 장치는 생산라인을 따라 이동되는 강판(1)을 지지하면서 강판의 상하 방향 위치를 제어하는 강판지지롤 위치 조절설비, 및 레이저 빔을 조사하여 강판을 용융시켜 상기 강판의 표면에 홈을 형성하는 레이저 조사설비, 및 강판 표면에 조사된 레이저 빔의 반사에 따른 복사열을 흡수하여 제거하는 흡수부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 자구 미세화 장치는 상기 강판지지롤 위치 조절설비와 레이저조사설비를 외부로부터 격리 수용하며 레이저 조사를 위한 동작 환경을 제공하는 레이저룸(20)을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 자구 미세화 장치는 강판이 쳐지지 않고 평평하게 펼쳐진 상태로 유지되도록 강판에 장력을 부여하는 장력 제어설비를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 자구 미세화 장치는 강판이 생산라인 중앙을 따라 좌우로 치우침이 없이 이동하게 하는 사행 제어설비를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 자구 미세화 장치는 레이저 빔 조사에 따라 상기 강판의 표면에 형성된 힐업(hill up)과 스패터(spatter)를 제거하기 위한 후처리 설비를 더 포함할 수 있다.
힐업(hill up)은 강판 표면에 레이저 빔을 조사하여 홈을 형성할 때, 강판에서 용융된 철이 홈 부위의 양 옆에 일정 높이 이상으로 쌓여 형성되는 부분을 의미한다. 스패터(spatter)는 레이저 빔 조사시 발생되어 강판 표면에 응고된 용융철을 의미한다.
상기 사행 제어설비는 상기 강판(1)의 이동 방향을 전환하기 위한 스티어링 롤(Steering Roll)(2A, 2B), 상기 강판(1)의 폭 중앙위치가 생산라인 중앙에서 벗어난 정도(사행량)를 측정하기 위한 사행 측정센서(4), 상기 사행 측정센서(4)의 검출 신호를 연산하여 상기 스티어링 롤(2A, 2B)의 축을 회전 및 이동시켜 강판(1)이 움직이는 방향을 조정하기 위한 강판 중앙위치 제어계(Strip Center Position Control System)(3)를 포함할 수 있다.
사행 측정센서(4)는 스티어링 롤(2B) 후단에 배치되어 스티어링 롤을 거친 강판의 실제 사행량을 실시간으로 검출하게 된다.
상기 사행 제어설비에 의해 강판이 생산라인의 중앙을 따라 좌우 치우침 없이 똑바로 이동됨으로써, 강판의 전 폭에 걸쳐서 강판 표면에 홈을 형성할 수 있게 된다.
상기 사행 제어설비는 레이저 조사에 의한 강판 표면 홈 형성 전 공정에서, 사행 측정센서(4)에 의해 강판의 사행량이 측정된다. 사행 측정센서(4)에 의해 측정된 값은 강판 중앙위치 제어계로 출력되고, 강판 중앙위치 제어계는 사행 측정센서의 출력값을 연산하여 연산된 사행 정도에 따라 스티어링 롤(2A, 2B)의 축을 회전 및 이동시키게 된다. 이와 같이, 스티어링 롤(2A, 2B)이 회전 및 이동됨으로써, 스티어링 롤에 감겨져 이동되는 강판의 움직이는 방향이 조정된다. 이에, 상기 강판의 사행량이 제어되어 강판(1)의 사행량을 ±1mm 이내로 제어할 수 있다.
상기 장력 제어설비는 상기 강판(1)에 일정한 크기의 장력을 인가하면서 이동을 유도하는 텐션 브라이들 롤(Tension Bridle Roll: TBR)(5A, 5B), 상기 텐션 브라이들 롤을 통과한 상기 강판(1)의 장력을 측정하기 위한 강판 장력 측정센서(7), 및 상기 강판 장력 측정센서(7)에서 측정된 강판(1)의 장력에 따라 상기 텐션 브라이들 롤(5A, 5B)의 속도를 조정하기 위한 강판(Strip) 장력 제어계(6)를 포함할 수 있다.
상기 강판 장력 측정센서(7)는 텐션 브라이들롤(5B) 후단에 배치되어 텐션 브라이들롤(5B)을 거쳐 장력이 부여된 강판의 실제 장력을 실시간으로 측정한다.
본 실시예에서, 강판의 장력은 레이저 조사설비의 레이저 조사 위치에서의 강판 표면 형상을 평평하게 만들게 하면서 너무 과도한 장력으로 인해 강판의 파단이 발생되지 않도록 설정될 수 있다.
상기 장력 제어설비는 설정된 범위 내의 강판 장력으로 조업하기 위해, 강판 장력 측정센서(7)에서 측정된 강판의 장력에 따라 강판(Strip) 장력 제어계(6)에 의하여 텐션 브라이들 롤(Tension Bridle Roll: TBR)(5A, 5B)의 속도를 조정한다. 이에, 상기 장력 제어설비는 강판(1)의 장력오차가 상기 설정 범위 이내가 되도록 제어하여 강판에 장력을 부여한다.
상기 장력 제어설비를 통과한 강판은 레이저룸(20) 내부로 유입되어 강판지지롤 위치 조절설비와 레이저 조사설비를 거쳐 자구 미세화 가공된 후 레이저룸(20) 외부로 빠져나가게 된다. 상기 레이저룸에 대해서는 뒤에서 다시 설명하도록 한다.
본 실시예에서, 레이저룸(20) 내부에는 레이저 조사설비 바로 아래쪽에 강판지지롤(9)이 배치되고, 강판지지롤을 사이에 두고 양쪽에 각각 디플렉터롤(Deflector Roll)(8A, 8B)이 배치된다.
강판(1)의 이동방향은 디플렉터 롤(Deflector Roll)(8A, 8B)에 의해 강판지지롤(9)로 향하도록 전환된다. 강판(1)은 디플렉터 롤(8A)를 지나면서 강판지지롤(9)쪽으로 이동방향이 전환되어 강판지지롤(9)에 접한 후 다시 디플렉터 롤(8B)쪽으로 방향이 전환되어 디플렉터 롤(8B)를 지나 이동된다.
디플렉터 롤에 의해 강판(1)은 강판지지롤(9)을 따라 원호형태로 감겨져 강판지지롤에 면접촉되면서 지나가게 된다. 레이저 빔 조사시 강판의 진동 및 웨이브에 의한 레이저 빔 초점 거리 변동을 최소화하기 위해서는, 강판이 강판지지롤에 충분히 면접촉되어 지나가야 하고, 이 상태에서 강판지지롤을 따라 진행되는 강판에 레이저 빔을 조사해야 한다. 본 실시예에서는 상기와 같이 강판지지롤에 강판이 면접촉됨에 따라 강판에 대해 레이저빔을 정확히 조사할 수 있게 된다.
상기 강판지지롤 위치 조절설비는, 상기 레이저 조사설비의 레이저 조사 위치로 강판(1)을 지지하는 강판지지롤(9), 상기 레이저 조사설비에서 강판(1)에 레이저 조사 시 발생하는 불꽃의 밝기를 측정하기 위한 휘도 측정센서(10), 및 상기 휘도 측정센서(10)에서 측정된 불꽃의 밝기에 따라 상기 강판지지롤(9)의 위치를 제어하기 위한 강판지지롤(SPR) 위치 제어계(12)를 포함할 수 있다.
상기 강판지지롤 위치 조절설비는, 강판지지롤(9)에 의하여 레이저 조사부 위치로 강판(1)을 지지하고, 레이저 강판조사 효율이 높은 초점심도(Depth of Focus)내에 강판이 위치하도록, 강판에 레이저 조사 시 발생하는 불꽃의 밝기가 가장 좋은 상태가 되게 강판지지롤(9) 위치를 전체적으로 상하로 조정한다. 또한, 강판에 레이저 조사 시 발생하는 불꽃의 밝기는 휘도 측정센서(10)를 이용하여 측정한다.
본 실시예에서 상기 강판지지롤 위치 조절설비는 레이저 조사설비의 광학계로부터 강판 표면 사이의 실제 거리를 측정하기 위한 거리측정센서(11)를 더 포함할 수 있다. 상기 강판지지롤 위치 제어계(12)는 휘도 측정센서(10)로부터 검출된 불꽃의 밝기와 거리측정센서(11)로부터 실제 측정된 광학계와 강판 표면간의 거리를 연산하여 강판지지롤(9)의 위치를 보다 정밀하게 제어한다.
상기 사행 제어설비, 장력 제어설비 및 강판지지롤 위치조절설비는 레이저 조사설비에 의해 정밀하게 강판에 레이저 홈을 형성시킬 수 있도록 레이저 조사 위치에서의 강판 조건을 만들어주는 역할을 한다. 레이저 조사 위치에서의 강판은 강판 중앙위치가 생산라인의 중앙 위치에 있어야 하고 광학계와의 거리가 설정된 값으로 유지되어야 한다.
상기 레이저 조사설비는, 레이저 발진기 제어기(13), 연속파 레이저 빔(16)을 발진하기 위한 레이저 발진기(14), 광학계(15)를 포함할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 광학계(15)는 회전가능하게 설치되어 강판 폭방향에 대한 레이저빔 조사선의 각도를 부여하는 모듈 플레이트(37)와, 상기 모듈 플레이트(37)를 회전시키기 위한 구동부(36), 상기 모듈 플레이트(37)에 설치되고 레이저 발진기(14)로부터 인가된 레이저 빔을 광학계(15) 내부로 출사하는 헤더(39), 모듈 플레이트(37)에 회전가능하게 설치되어 헤더(39)로부터 출사된 레이저 빔을 반사시키는 폴리곤 미러(32), 상기 폴리곤 미러(32)를 회전 구동시키는 회전모터(33), 상기 모듈 플레이트(37)에 설치되어 상기 폴리곤 미러(32)에서 반사된 레이저 빔(16)을 강판 쪽으로 반사시켜 강판에 집광시키는 집광 미러(35), 상기 집광 미러(35)에 연결되어 집광 미러(35)를 이동시켜 레이저 빔의 초점 거리를 조절하는 구동모터(34), 상기 모듈 플레이트(37)에 설치되어 레이저 빔 조사 여부에 따라 모듈 플레이트(37)를 선택적으로 차단하는 셔터(38)를 포함할 수 있다.
상기 광학계(15)는 광학 박스를 이루는 모듈 플레이트(37) 내에 헤더(39), 폴리곤 미러(32), 집광 미러(35) 및 셔트가 배치되어 한 몸체를 이룬다. 레이저 발진기(14)와 헤더(39)는 예를 들어 광케이블(41)로 연결된다. 이에, 레이저 발진기(14)에서 나온 레이저는 광케이블(41)을 타고 헤더(39)로 보내진다. 상기 광학박스를 이루는 모듈 플레이트(37) 내부에서 헤더(39)와 폴리곤 미러(32) 및 집광 미러(35)는 레이저 빔(16)을 원하는 위치로 반사시키기 위해 정 위치에 배치된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 예를 들어 상기 헤더(39)는 폴리곤 미러(32)를 사이에 두고 양 쪽에 배치되어 각각 폴리곤 미러(32)를 향해 레이저 빔을 각각 출사하는 구조일 수 있다. 폴리곤 미러(32)에서 반사되는 각각의 레이저 빔에 맞춰 두 개의 집광 미러(35)가 배치된다. 헤더(39)에서 출사된 레이저 빔은 회전모터(33)의 구동에 따라 회전하는 폴리곤 미러(32)에서 반사되어 집광 미러(35)로 보내진다. 집광 미러(35)로 반사된 레이저 빔(16)은 집광 미러(35)에서 셔터(38)를 통해 강판쪽으로 반사되고 강판(1) 표면에 집광된다. 이에, 강판 표면에 레이저 빔이 주기적으로 조사되어 폭방향으로 연속홈을 형성하게 된다.
광학계(15)에 의한 레이저 빔(16)의 전체적인 초점 거리는 강판지지롤(9)의 상하 이동에 의해 조정되며, 좌우 초점거리가 맞지 않는 것은 집광 미러(35)에 연결설치되어 있는 구동모터(34)에 의해 조정된다.
상기 셔터(38)는 모듈 플레이트(37) 하부에 설치되어 모듈 플레이트(37)를 개폐한다. 상기 셔터(38)는 집광 미러(35)로부터 레이저 빔이 하부로 조사될 때 개방되어 레이저 빔과 간섭을 방지하며, 레이저 빔이 조사되지 않을 때는 폐쇄되어 외부의 흄이나 이물질이 광학계(15) 내부로 유입되는 것을 차단한다.
강판 사행량이 과도하면 강판이 레이저 조사위치에서 벗어나게 되어 강판지지롤(9)에 레이저가 조사되면서 손상이 발생한다. 이에, 강판지지롤 손상을 방지하기 위해, 상기 레이저 발진기 제어기(13)는 정상적인 작업조건 하에서는 레이저 발진기를 온(On) 상태로 하고 강판 사행량이 15mm 이상 발생되면 레이저 발진기를 오프(Off) 상태로 제어한다.
상기 레이저 발진기(14)는 싱글 모드(Single mode) 연속파 레이저 빔을 발진하여 상기 광학계(15)에 전달할 수 있다. 광학계(15)는 전달된 레이저 빔(16)을 강판 표면에 조사한다.
레이저 발진기(14)와 광학계(15)는, 레이저 빔을 강판 표면에 조사하여 상부폭, 하부폭과 깊이가 각각 70㎛ 이내, 10㎛ 이내, 3 내지 30㎛의 홈을 형성시킴과 동시에, 레이저 조사 시 용융부의 홈 내부 벽면에 잔류시키는 재응고부가 생성되도록 강판의 용융에 필요한 1.0 내지 5.0 J/㎟ 범위내의 레이저 에너지 밀도를 강판에 전달할 수 있다.
상기 광학계(15)는 레이저 주사속도를 제어하는 기능이 있어 레이저 조사선(도 2의 31)의 간격을 압연방향으로 2 내지 30 mm로 조정할 수 있다. 이에, 레이저 빔에 의한 열영향부(HAZ, Heat Affected Zone)의 영향을 최소화하여 강판의 철손을 개선할 수 있다.
또한, 상기 레이저 조사설비는 강판 표면에 조사되는 레이저빔의 조사선 각도를 강판의 폭방향에 대해 변환하는 구조일 수 있다. 본 실시예에서 상기 레이저 조사설비는 강판의 폭방향에 대해 레이저 빔의 조사선 각도를 ±4°의 범위로 변환할 수 있다.
이를 위해, 상기 레이저 조사설비는 강판에 레이저 빔을 조사하는 광학계(15)가 구동부(36)에 의해 회전 가능한 구조로 이루어져, 강판 표면에 형성되는 레이저빔의 조사선 각도를 강판의 폭방향에 대해 변환하는 구조일 수 있다. 이와 같이 광학계에 의한 레이저빔의 조사선 각도가 변환됨으로써, 레이저빔에 의한 조사선(31)은 강판의 압연 방향에 대해 직각인 방향에서 ±4°의 범위로 기울어져 형성된다. 따라서, 레이저에 의한 홈 형성에 따른 자속밀도 저하를 최소화할 수 있게 된다.
또한, 본 실시예에서, 상기 레이저 조사설비는 강판(1)에 대한 레이저 빔의 조사 위치를 제어하여, 강판에 조사되는 레이저빔이 강판에서 반사되어 광학계나 레이저 발진기로 들어가는 백 리플렉션 현상을 방지하는 구조로 되어 있다.
이를 위해, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 레이저 조사설비는 강판지지롤(9) 표면에 원호형태로 접하여 진행되는 강판의 표면에 대해, 광학계(15)에서 조사되는 레이저 빔의 조사방향이 강판지지롤(9)의 중심축을 지날 때의 레이저 빔 조사 위치를 기준점(P)으로 하여, 상기 기준점(P)으로부터 강판지지롤(9) 중심에서 외주면을 따라 각도(이하 설명의 편의를 위해 이격각도(R)이라 한다)를 두고 이격된 위치에 레이저 빔을 조사하는 구조일 수 있다.
상기 기준점(P)이란 도 3에서 강판지지롤(9) 중심축을 지나는 선과 강판이 만나는 지점이다. 레이저 빔의 조사방향이 강판지지롤(9)의 중심축을 지나는 경우 레이저 빔의 초점은 기준점(P)에 맞춰진다. 이 경우, 레이저 빔의 조사방향이 기준점(P)에서의 강판지지롤(9) 접선과 직각을 이룸에 따라, 강판에 맞아 반사되는 레이저 빔이 그대로 광학계와 레이저 발진기로 들어가 손상을 입히는 백 리플렉션 현상이 발생된다.
본 실시예에 따른 레이저 조사설비는 상기와 같이, 기준점(P)에서 이격각도(R) 만큼 이격된 위치에 레이저 빔을 조사함으로써, 강판에서 되반사되는 레이저 빔이 광학계로 입사되지 않게 된다. 따라서, 상기한 백 리플렉션 현상을 방지하고 레이저 빔에 의해 형성되는 홈 형상의 품질을 유지할 수 있게 된다.
본 실시예에서, 상기 이격 각도(R)는 상기 기준점(P)에 대해 강판지지롤(9) 중심에서 외주면을 따라 3 내지 7°의 범위로 설정될 수 있다.
상기 레이저 빔이 조사되는 위치인 이격 각도(R)가 3°보다 작은 경우에는 강판에서 되반사 되는 레이저 빔의 일부가 광학계나 레이저 발진기로 유입될 수 있다. 상기 이격각도(R)가 7°를 넘게 되면 레이저 빔에 의한 홈 형성 제대로 이루어지지 않고 홈의 형성 불량이 발생할 수 있다.
이와 같이, 본 실시에의 레이저 조사설비는 기준점(P)을 중심으로 소정 각도 이격된 지점에서 강판에 레이저를 조사함으로써, 백 리플렉션 현상을 방지하고 레이저 빔 반사시 입사 광로와 간섭되지 않으며 레이저 빔에 의해 형성되는 홈 형상의 품질을 안정적으로 유지할 수 있게 된다.
그리고, 레이저 빔 조사 위치에서 반사되는 반사광은 광학계의 개구부(37A) 주변으로 조사되나, 본 실시예에 따라 광학계에 구비되는 흡수부는 레이저 빔의 반사에 따른 복사열을 흡수 제거하여 광학계의 손상을 방지하게 된다.
도 4와 내지 도 6은 본 실시예에 따라 광학계 하부에 설치되는 흡수부의 구조를 예시하고 있다. 이하 도 4 내지 도 6을 참조하여 상기 흡수부에 대해 설명한다.
상기 흡수부는 광학계(15) 하부에 설치되어 강판에서 반사된 레이저의 복사열을 흡수하는 냉각블럭(70)을 포함할 수 있다. 상기 냉각블럭(70)은 강판(1)에서 반사되는 레이저 빔의 반사 위치에 대응하여 상기 레이저 조사설비의 광학계 하부에 설치된다. 상기 냉각블럭(70)은 반사된 레이저의 복사열을 열교환을 통해 흡수하는 구조로 되어 있다.
상기 냉각블럭(70)은 광학계의 하부에 레이저 빔이 지나가는 개구부(37A) 주변을 따라 설치될 수 있다. 광학계(15) 하부의 개구부(37A)를 통해 강판(1)에 조사된 레이저 빔은 언급한 바와 같이 기준점(P)에서 이격각도(R)만큼 벗어나 조사되므로, 입사 광로에서 벗어나 개구부(37A) 주변으로 반사된다. 이에, 상기 냉각블럭(70)이 광학계 하부의 개구부(37A) 주변으로 설치됨으로써, 광학계로 반사된 레이저의 복사열을 효과적으로 흡수 제거할 수 있게 된다.
상기 냉각블럭(70)은 복사열 흡수가 용이하도록 열전도율이 높은 구리 또는 알루미늄 재질로 이루어질 있다. 또한, 상기 냉각블럭(70)은 단일 구조물로 제조될 수 있다. 이에, 인라인 공정으로 이루어진 영구 자구 미세화 공정에서 광학계(15)에 대해 냉각블럭(70)을 설치하거나 분리하는 작업이 용이하고 정비 시간을 최소화할 수 있게 된다.
도 4와 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 냉각블럭(70)은 레이저 빔의 반사광이 조사되는 전면(71)이 반사광의 조사 방향을 향하도록 경사진 구조일 수 있다. 이에 반사광이 냉각블럭(70)의 전면(71)에 바로 조사되어 복사열의 흡수 효율을 높일 수 있게 된다.
또한, 상기 냉각블럭(70)은 표면에 비산 용융철의 부착을 방지하기 위한 화학기상코팅층이 형성될 수 있다.
강판에 조사되는 레이저 빔에 의해 강판에 국부적으로 형성된 스패터 등의 용융철은 일정한 방향성을 가지며 특히, 강판이 이동하며 가공되는 방향으로 비산되어 냉각블럭(70)에 융찰될 가능성이 높다. 비산된 용융철이 냉각블럭(70) 표면에 부착되어 층을 이루면서 점점 성장하게 되면 용융철 덩어리가 강판에 접촉되어 강판에 스크래치를 발생시키게 된다.
이에, 본 실시예의 냉각블럭(70)은 표면에 화학기상코팅층을 형성함으로써, 비산된 고온의 용융철이 냉각블럭(70) 표면에 부착되는 것을 방지할 수 있게 된다. 화학기상코팅층이 형성되지 않는 경우 고온의 용융철에 의한 부착이나 용해로 합금화가 발생되어, 냉각블럭이 열크랙으로 인해 파손되거나 수명이 감소하게 된다.
상기 화학기상코팅층은 냉각블럭 표면을 알루미나 등으로 코팅하여 형성할 수 있다. 이에, 냉각블럭은 고온에서 내산화성 및 슬래그 난부착 특성을 확보할 수 있게 된다. 화학기상코팅층은 용융철 부착 방지와 더불어 장시간 동안 냉각블럭(70) 표면을 개질된 상태로 유지하여, 냉각블럭(70)의 교환 및 정비 주기를 종래와 비교하여 90% 이상 증가시킬 수 있게 된다.
상기 냉각블럭(70)은 내부로 냉각매체를 순환시킴으로써, 냉각블럭이 복사열에 의해 가열되는 것을 방지하고 냉각상태를 유지하여 복사열의 흡수 효율을 보다 높일 수 있다.
이를 위해 본 실시예의 흡수부는 상기 냉각블럭(70) 내부에 형성되는 냉각유로(72), 상기 냉각유로(72)에 연결된 공급관을 통해 냉각블럭(70)으로 냉각매체를 순환 공급하는 공급부를 더 포함할 수 있다. 상기 냉각매체는 예를 들어 냉각수 일 수 있으며 열교환가능한 유체면 특별히 한정되지 않고 모두 적용가능하다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 냉각유로(72)는 냉각블럭(70) 내부를 따라 지그재그 형태로 형성되어, 냉각매체를 냉각블럭(70) 전체에 대해 고르게 지나가면서 전면(71)을 균일하게 냉각시키게 된다. 도 6에서 화살표는 냉각매체가 흐르는 방향을 나타낸다.
광학계(15)와 강판(1) 사이의 좁은 간격을 고려하여 냉각블럭(70) 역시 매우 얇은 판 구조를 이루며, 이러한 냉각블럭(70) 내부에 냉각유로(72)를 형성하여 서로 연결하는 것은 매우 어렵다.
이에, 본 실시예의 경우, 상기 냉각유로(72)는 냉각블럭(70)의 외측면을 통해 직선으로 복수의 유로(73,74)를 형성하고, 유로와 유로의 교차 지점에서 유로가 일방향으로 연결되도록 유로 내부에 유로를 막는 플러그 또는 볼(75)를 설치하여 지그 재그 형태로 형성하는 구조로 되어 있다.
즉, 냉각블럭(70)의 측면과 상면 또는 전면에서 각각 직선의 유로를 형성한다. 예를 들어, 냉각블럭(70)의 측면에서 수평방향으로 형성된 유로(73)와 상면에서 수직방향으로 형성된 유로(74)는 서로 직교하여 교차한다. 수평방향의 유로(73)와 수직방향의 유로(74)가 직교하여 교차하는 부분은 냉각유로(72)의 방향이 전환되는 부분일 수 있다. 상기 냉각블럭(70)의 측면으로 관통된 수평방향의 유로(73)를 통해 또는 상면으로 관통된 수직방향의 유로(74)를 통해 내부로 플러그 또는 구형태의 볼(75)이 삽입된다. 상기 플러그 또는 볼(75)은 유로의 직경과 대응되는 크기로 이루어져 유로를 막는 구조물로, 유로 내부에서 적절한 위치에 삽입되어 유로를 차단한다.
유로(73,74) 내부에서 적절한 위치란 냉각블럭(70) 내부에 일방향을 따라 냉각유로(72)를 지그재그형태로 형성하기 위해 필요한 유로 이외의 위치로 막혀있어야 할 부분을 의미한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 냉각매체의 흐름 방향을 따라 수평방향 유로(73)와 수직방향의 유로(74)가 교차하는 지점을 지난 위치에 플러그나 볼(75)이 위치할 수 있다. 이에, 예를 들어 교차지점에서 수평방향의 유로는 플러그나 볼에 의해 차단되어 수직방향의 유로를 따라 이동하게 된다. 따라서, 냉각매체는 플러그나 볼에 의해 일방향으로 형성된 냉각유로(72)를 따라 흘러 이동하게 된다.
상기 유로(73,74) 내부에서 플러그나 볼(75)이 유로를 따라 흐르는 냉각매체의 유압에 의해 움직이지 않도록 냉각매체가 이동하는 방향으로 유로(73,74)에 폭이 좁아지는 단차(73A,74A)를 형성할 수 있다. 이에, 상기 플러그나 볼(75)이 상기 단차(73A,74A)에 걸려 더 이상 이동되지 않고 그 위치에서 고정될 수 있다.
또한, 유로 형성을 위해 냉각블럭(70)의 측면이나 상면 또는 전면에 가공되어 관통된 부분은 별도의 플러그(76)를 설치하여 막아줌으로써, 냉각매체가 빠져나가는 것을 방지할 수 있다.
본 실시예에서 상기 플러그(76)는 냉각블럭(70)을 코깅(cogging)(77)하여 고정 설치될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 냉각블럭(70)에 플러그(76)를 조립한 후 플러그의 외측 외주부에 소성 변형이 일어나도록 냉각블럭(70)을 코깅(77) 작업하여 플러그(76)를 고정 설치한다.
일반적으로 구멍을 차단하기 위한 구조로서 플러그에 탭가공을 하여 나사 체결하는 방식이 주로 사용된다. 그러나, 본 실시예와 같이 강판과 광학계의 간극이 매우 작아 냉각블럭(70)의 표면 온도가 매우 높으며 냉각블럭 전체에서 온도 구배가 심하게 일어나는 경우, 냉각블럭은 열크랙에 매우 취약하다. 이에, 상기한 종래의 탭 가공 구조로 플러그를 조립하였을 경우 탭 가공 부위에서 마이크로 크랙이 발생하고 성장하여 열크랙을 발생시키며 이에 누수의 위험성이 높아지게 된다.
따라서, 본 실시예의 경우 플러그(76)가 탭가공없이 냉각블럭(70)에 코깅(77)되어 고정 설치됨으로써, 고열과 온도구배에 대해 열크랙을 방지하여 누수의 위험성을 낮출 수 있다.
도 8은 상기 공급부의 구성을 예시하고 있다.
도 8에 도시된 바와 같이 상기 공급부는 냉각매체 순환라인(78) 상에 설치되어 냉각블럭(70)을 거친 냉각 매체를 냉각하는 열교환기(79)와, 열교환기를 거친 냉각 매체를 냉각블럭(70)으로 공급하는 공급펌프(80)와, 공급펌프의 구동에 따라 순환라인을 따라 냉각블럭(70)으로 유입되는 냉각매체의 공급 유량을 검출하는 플로우스위치(81), 상기 플로우스위치의 검출값에 따라 상기 광학계의 레이저 발진기의 구동을 제어하는 제어회로(82)를 포함할 수 있다.
상기 공급부는 순환라인(78) 상에 설치되어 열교환기(79)를 거쳐 냉각된 냉각매체가 수용되어 온도를 유지하는 항온조(83)를 더 포함할 수 있다.
상기 공급부의 공급펌프(80)는 항온조(83) 후단에 설치되며 적어도 두 개가 병렬로 배치되어 순환라인(78) 상에 설치된다. 이에, 일측 공급펌프가 고장난 경우 나머지 공급펌프가 구동되어 냉각매체를 계속 순환 공급할 수 있게 된다.
냉각블럭(70)으로 공급되는 냉각매체는 불순물에 의한 냉각유로 막힘이나 누수, 공급펌프 고장 등으로 인하여 냉각블럭(70)에 적절한 유량으로 공급되지 않는 경우가 발생된다. 냉각블럭(70)으로 적절한 유량의 냉각매체가 공급되지 않으면, 온도에 민감한 광학계가 열화되고 광수차 발생 및 초점거리 변화를 일으켜 자구미세화 정도가 불균일하고 품질을 저하시키게 된다.
이에 따라 본 실시예의 공급부는 상기와 같이 항상 냉각매체가 적정 유량 이상으로 공급되고 있는지를 모니터링하고 레이저 발진기 제어기와 인터락을 구성함으로써, 냉각블럭(70) 이상시 레이저 빔 조사 작동을 정지하여 광학계를 보호하고 강판의 품질 열화를 방지한다.
공급펌프(80)에 의해 인출된 냉각 매체는 순환라인(78) 상에 설치된 필터(84)를 거치면서 불순물이 제거되고 냉각블럭(70) 전에서 갑압밸브(85)를 통해 감압된 후, 분배헤더(86)를 통해 분기되어 복수개의 냉각블럭(70)으로 분배 공급된다.
분배헤더(86)에서 분기된 각 라인에는 각 냉각블럭(70)에 대해 개별적으로 플로우스위치(81)가 설치되어 각 냉각블럭(70)으로 공급되는 냉각매체의 유속 또는 유량 이상을 검출하게 된다.
플로우스위치(81)의 검출신호에 따라 제어회로(82)가 구동되어, 레이저 발진기 제어기(도 1의 13)는 레이저 발진기(도 1의 14)의 구동을 오프시키게 된다. 즉, 플로우스위치(81)는 냉각블럭(70)으로 공급되는 냉각 매체의 유량 또는 유속이 기준값보다 낮아 이상이 있는 경우 이상신호를 출력하고, 제어 회로(82)는 플로우스위치(81)의 출력신호에 따라 레이저 발진기 제어기(13)에 신호를 인가하게 된다. 레이저 발진기 제어기(13)는 제어회로(82)의 이상 신호에 따라 레이저 발진기(14)로 인가되는 전원을 차단하여 레이저 발진기 구동을 멈추게 된다. 이에, 냉각블럭(70)으로 냉각매체가 제대로 순환되지 않아 반사광의 복사열 흡수 제거가 원활하지 않는 경우에는 레이저 발진기가 작동되지 않게 된다. 따라서, 광학계 열화로 인한 변형을 방지하고 레이저 빔의 조사 상태를 안정적으로 유지시켜, 강판 표면에 일정한 홈 깊이로 조사선을 안정적으로 형성할 수 있게 된다.
또한, 상기 레이저 조사설비는 상기 강판에 레이저빔 조사에 따라 생성된 흄과 스패터를 제거하기 위한 용융철 제거설비를 더 포함할 수 있다.
상기 용융철 제거설비는 강판의 홈 내부로 압축 건조공기를 분사하여 홈 내부에 잔존하는 용융철을 제거하는 에어나이프(17), 흄과 용융철을 흡입하여 제거하는 집진후드(19A, 19B)를 포함할 수 있다. 상기 에어나이프와 집진후드를 통해 레이저 조사시 생성된 흄이 제거되어 광학계 내부로 흄이 유입되는 것을 방지할 수 있다. 상기 에어나이프(17)는 상기 강판(1)의 홈 내부로 일정한 크기의 압력(Pa)을 갖는 압축 건조공기를 분사하여 홈 내부에 잔존하는 용융철을 제거한다. 상기 에어 나이프(17)에서 상기 압축 건조공기는 0.2 kg/cm2 이상의 압력(Pa)을 가지는 것이 바람직하다. 상기 압축 건조공기의 압력이 0.2 kg/cm2보다 작은 경우에서는 홈 내부의 용융철 제거가 불가하여 철손 개선 효과를 확보할 수 없기 때문이다. 에어나이프에 의해 제거된 흄과 스패터는 레이저 조사 위치 전후에 배치된 집진 후드(19A, 19B)에 의해 제거된다.
또한, 상기 레이저 조사설비는 레이저 빔의 반사광과 산란광 및 복사열이 광학계로 유입되는 것을 차단하는 차폐부(18)를 더 포함할 수 있다. 상기 차폐부(18)는 강판에 조사된 레이저 빔(16)의 반사와 산란에 의해 광학계로 유입되는 반사광과 산란광을 차단함으로써, 반사광과 산란광에 의한 복사열에 의해 광학계가 가열되어 열변형되는 것을 방지한다.
상기 레이저룸(20)은 내부 공간을 갖는 룸 구조물로, 내부에는 상기 레이저 조사설비와 강판지지롤(9) 위치 제어설비를 수용하여 외부와 격리시키고, 이들의 원활한 구동을 위한 적절한 동작 환경을 제공한다.
강판 진행방향을 따라 상기 레이저룸(20)의 입측과 출측에는 각각 입구와 출구가 형성된다. 상기 레이저룸(20)은 외부의 먼지 등에 의해 내부 공간이 오염되지 않도록 오염물질 유입을 차단하는 시설을 구비한다. 이를 위해, 상기 레이저룸(20)은 내부 압력을 외부보다 높이기 위한 양압장치(23)를 구비한다. 상기 양압장치(23)는 레이저룸(20) 내부 압력을 외부 압력보다 상대적으로 높게 유지한다. 이에, 외부의 이물질이 레이저룸(20) 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있게 된다. 또한, 강판이 출입되는 상기 입구와 출구에는 에어커튼(22A,22B,22C,22D)이 설치된다. 상기 에어커튼은 강판이 레이저룸(20)으로 들어오고 빠져나가는 통로인 입구와 출구에 공기를 분사하여 막을 형성함으로써, 입구와 출구를 통해 먼지 등이 유입되는 것을 차단한다. 또한, 상기 레이저룸(20) 내부 오염을 방지하기 위해, 레이저룸(20)의 출입구인 도어에는 샤워부스(21)가 설치될 수 있다. 상기 샤워부스(21)는 레이저룸(20)으로 들어오는 출입자의 몸에 묻은 이물질을 제거하게 된다.
상기 레이저룸(20)은 실질적으로 레이저 빔에 의한 강판 자구 미세화 공정이 진행되는 공간으로, 내부 환경의 변화를 최소화하고 적정 환경을 유지시킬 필요가 있다. 이를 위해, 상기 레이저룸(20)은 레이저 조사설비의 레이저 발진기(14)와 광학계(15) 등이 위치한 상부공간을 강판(1)이 지나가는 하부공간과 분리시키는 광학계 하부프레임(24), 및 레이저룸(20) 내부 온도와 습도를 제어하는 항온항습제어기(25)를 구비한다.
상기 광학계 하부프레임(24)은 레이저 발진기(14)와 광학계(15) 등의 주요 설비 동작 환경을 보다 철저히 관리할 수 있도록 한다. 상기 광학계 하부프레임(24)은 레이저룸(20) 내부에서 강판이 지나가는 광학계 하부 공간과 레이저 발진기와 광학계 미러 들이 위치한 광학계 상부 공간을 분리하도록 설치된다. 광학계 하부프레임(24)에 의해 레이저룸(20) 내부에서도 광학계 상부 공간이 별도로 분리되어 레이저 발진기나 광학계 등의 주요 설비에 대한 오염 방지와 온도 및 습도 제어가 보다 용이해진다.
상기 항온항습제어기(25)는 레이저룸(20) 내부의 온도와 습도를 조절하여 적정 환경을 제공한다. 본 실시예에서 상기 항온항습제어기(25)는 레이저룸(20)의 내부 온도를 20 내지 25℃로 유지하고, 습도를 50% 이하로 유지할 수 있다.
이와 같이, 레이저룸(20)의 내부 공간은 작업 환경에 적합한 온도와 습도로 계속 유지되어, 최적의 상태에서 강판에 대해 자구 미세화 공정이 진행될 수 있게 된다. 따라서, 공정에 필요한 최적의 동작 환경하에서 고품질의 제품을 대량으로 생산할 수 있게 된다.
본 실시예의 자구 미세화 장치는, 상기 강판의 표면에 형성된 힐업(hill up)과 스패터(spatter)를 제거하기 위한 후처리 설비를 더 포함할 수 있다.
힐업과 스패터는 제품의 절연성과 점적률 저하의 원인이 되므로, 상기 후처리 설비를 통해 완전히 제거함으로써 제품의 품질을 높일 수 있다.
상기 후처리 설비는 강판 이동방향을 따라 레이저룸(20) 후단에 배치되어 강판 표면의 힐업과 스패터를 제거하는 브러쉬롤(26A,26B)을 포함할 수 있다. 상기 브러쉬롤(26A,26B)은 구동모터에 의해 고속으로 회전되며, 동작시 발생되는 구동모터의 전류치를 설정된 목표치로 제어하는 전류제어계와, 브러쉬롤과 강판 사이의 간격을 조절하여 제어하는 브러쉬 위치제어계에 의해 회전속도와 강판과의 간격이 제어된다. 상기 브러쉬롤은 레이저 빔에 의한 홈이 형성된 강판의 일면에만 배치되거나, 강판의 양면에 배치될 수 있다. 상기 브러쉬롤(26A,26B)은 강판 표면에 밀착되어 고속으로 회전하면서 강판 표면에 부착되어 있는 힐업과 스패터 등을 제거하게 된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 브러쉬롤(26A,26B)에 근접하여 브러쉬롤에 의해 제거된 힐업과 스패터를 배출하기 위한 집진후드(19C)가 더 설치된다. 상기 집진후드(19C)는 브러쉬롤(26A,26B)에 의해 강판에서 떨어져나간 힐업과 스패터 등의 용융철을 흡입하여 외부로 배출하게 된다.
또한, 상기 후처리 설비는 브러쉬롤(26A,26B) 후단에 배치되어 강판을 알칼리용액과 전기분해반응시켜 강판 표면에 잔존하는 힐업과 스패터를 추가 제거하는 청정유닛(29)과, 청정유닛에 연결되어 청정유닛의 알칼리용액 내에 포함된 이물질을 알칼리용액으로부터 걸러내기 위한 필터링부(30)를 더 포함할 수 있다.
강판은 브러쉬롤(26A,26B)을 거쳐 1차적으로 힐업과 스패터가 제거되고, 청정유닛(29)을 지나면서 2차적으로 잔존 힐업과 스패터가 제거된다. 이에, 강판 표면에 부착된 힐업과 스패터를 보다 완벽하게 제거하여 제품 품질을 높일 수 있게 된다.
상기 청정유닛(29)은 내부에 알칼리용액이 채워지고, 일측에 필터링부(30)가 연결된다. 상기 청정유닛을 통해 강판을 처리함에 따라 내부 알칼리용액에 강판에서 제거된 힐업과 스패터가 누적되어, 강판의 청정 성능이 떨어지게 된다. 상기 필터링부(30)는 청정유닛의 알칼리용액을 순환시키면서 알칼리용액에 포함되어 있는 힐업과 스패터를 제거한다. 상기 필터링부(30)는 힐업과 스패터를 제거하여 알칼리용액의 철분 함유량을 500ppm 이하로 관리한다. 이와 같이, 청정 유닛의 청정 성능 저하를 방지하여 연속적으로 강판을 처리할 수 있게 된다.
이하, 본 실시예에 따른 전기강판의 자구 미세화 과정에 대해 설명하면 다음과 같다.
연속적으로 이송되는 강판은 사행제어설비와 장력제어설비를 거쳐 레이저룸 내부로 진입되어 2m/sec 이상의 속도로 진행되며, 자구 미세화 처리된다. 레이저룸 내부로 진입된 강판은 레이저 조사설비를 통해 영구 자구 미세화 처리 된 후 레이저룸 밖으로 인출된다. 레이저룸 외부로 인출된 강판은 후처리 설비를 거쳐 표면에 잔존하는 힐업과 스패터 등이 제거되어 후 공정으로 보내진다.
이 과정에서, 강판 표면에 대한 레이저 조사가 진행되는 레이저룸은 자구 미세화를 위한 최적의 환경을 제공할 수 있도록 내부 동작 환경을 알맞게 설정하고 유지하게 된다.
상기 레이저룸은 내부를 외부와 격리시켜 외부 오염물질의 유입을 차단하고, 레이저룸 내부 온도와 압력 및 습도를 자구 미세화 형성을 위한 동작 환경에 맞춰 제어하게 된다.
레이저룸은 내부의 압력을 외부와 비교하여 높게 설정하여 유지함으로써, 외부의 먼지 등 이물질이 레이저룸 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 강판이 이동되는 통로인 입구와 출구에 공기에 의한 막을 형성함으로써, 입구와 출구를 통해서 강판이 진행하는 과정에서 먼지 등 이물질이 레이저룸 내부로 유입되는 것을 차단할 수 있게 된다.
또한, 레이저룸에 설치된 항온항습제어기는 레이저룸 내부의 온도를 20 내지 25℃로 유지하고, 습도를 50% 이하로 유지함으로써, 레이저 조사에 의한 자구 미세화 처리에 최적의 조건을 제공한다.
이와 같이 레이저룸에 의해 레이저 빔 조사를 위한 최적의 환경이 제공되며, 강판은 사행 제어설비, 장력 제어설비, 그리고 강판지지롤 위치 조절설비를 거치면서 레이저 조사 위치에 정확히 위치하게 된다.
먼저, 자구 미세화 처리를 위해 강판은 사행제어설비를 통해 진행 방향이 제어되어 생산라인 중앙을 따라 좌우로 치우침 없이 똑바로 이동하게 된다.
사행 측정센서는 강판의 사행량을 지속적으로 검출하며, 강판이 사행하게 되면, 사행 측정센서에서 검출된 신호를 연산하여 강판 중앙위치 제어계가 스티어링롤의 축을 회전 및 이동시켜 강판을 정위치로 이동시키게 된다. 이와 같이 강판의 위치에 따라 지속적으로 스티어링 롤을 제어함으로써, 강판을 계속해서 생산라인 중앙을 벗어나지 않고 연속적으로 이동시킬 수 있게 된다.
강판은 스티어링 롤을 지나 장력 조절을 위한 텐션 브라이들롤을 거쳐 이동하게 된다. 텐션 브라이들롤을 지난 강판의 장력은 장력 측정센서에 의해 검출된다. 강판 장력 제어계는 장력 측정센서에 의해 검출된 측정값을 연산하여 설정된 장력에 맙춰 텐션 브라이들롤의 속도를 제어한다. 이에, 이동되는 강판의 장력을 설정된 범위에 맞춰 지속적으로 유지할 수 있게 된다.
텐션 브라이들롤을 거친 강판은 레이저룸의 입구를 통해 레이저룸 내부로 유입된다. 강판은 레이저룸 내부에서 브라이들롤에 의해 방향이 전환되어 두 개의 브라이들롤 사이에 위치한 강판지지롤에 밀착된 상태로 이동된다.
상기 강판지지롤은 강판을 상하로 이동시켜 레이저 빔의 초점심도 내에 강판을 위치시키게 된다.
레이저 조사설비로부터 강판에 레이저 빔이 조사되면 휘도 측정센서는 강판 표면의 불꽃 밝기를 실시간으로 검출하고, 휘도 측정센서에서 검출된 측정값에 따라 강판지지롤 위치 제어계가 강판지지롤을 상하로 이동시켜 레이저 빔의 초점 심도 내에 강판이 위치하도록 한다. 이에, 강판 표면에 레이저 빔이 효과적으로 조사되어 고품질의 조사선을 형성할 수 있게 된다.
상기 레이저 발진기 제어기는 강판의 사행 정도에 따라 레이저 발진기를 온/오프 시킨다. 상기 레이저 발진기 제어기는 사행 측정센서와 연결되어 사행 측정센서로부터 측정된 강판의 사행량이 예를 들어, 15mm 이상이 되면 강판이 강판지지롤에서 너무 많이 벗어난 것으로 판단하여 레이저 발진기를 오프(off)시킨다. 이에, 레이저 빔이 사행된 강판을 지나 강판지지롤 표면에 조사되어 롤이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
레이저 발진기 제어기의 명령에 따라 레이저 발진기에서 생성된 레이저 빔은 광학계를 거쳐 강판 표면에 조사된다. 레이저 발진기는 TEM00 연속파 레이저빔을 발진하여 광학계로 전달한다.
광학계는 레이저 빔의 방향을 전환하여 강판의 표면에 레이저를 조사함으로써, 강판 표면에 연속적으로 용융 홈을 형성하여 자구 미세화 처리한다.
광학계를 거쳐 강판에 조사되는 레이저 빔에 의해 강판 표면이 용융되면서 조사선을 따라 용융 홈이 형성된다. 본 실시예에서, 레이저 빔 조사를 통해 강판 표면에 상부폭, 하부폭과 깊이가 각각 70㎛ 이내, 10㎛ 이내, 3 내지 30㎛인 홈을 형성시킴과 동시에 레이저 조사 시 용융부의 홈 내부 벽면에 잔류시키는 재응고부가 생성되도록, 레이저 발진기와 광학계는 강판의 용융에 필요한 1.0 내지 5.0J/㎟ 범위내의 레이저 에너지 밀도를 강판에 전달한다.
또한, 광학계를 통한 레이저빔 조사 과정에서 기준점에서 이격된 위치에 레이저 빔을 조사함으로써, 강판에서 되반사되는 레이저 빔이 광학계로 입사되지 않게 된다. 따라서, 상기한 백 리플렉션 현상을 방지하고 반사광에 의해 레이저 빔의 입사 광로가 간섭받지 않아 레이저 빔에 의해 형성되는 홈 형상의 품질을 유지할 수 있게 된다.
본 실시예는 레이저 조사 과정에서, 강판 표면에서 반사되는 반사광의 복사열을 흡수 제거하여, 광학계의 열화를 방지한다.
강판에서 반사된 반사광은 광학계 하부에 설치된 냉각블럭으로 조사되고 냉각블럭은 내부로 흐르는 냉각매체에 의해 냉각된 상태로 반사광의 복사열과 열교환하여 복사열을 흡수 제거하게 된다. 냉각매체는 냉각블럭 내부로 순환되어 냉각블럭의 냉각 온도를 유지하게 된다.
이와 같이, 광학계로 반사되는 반사광의 복사열을 흡수 제거함으로써, 광학계가 가열되는 것을 방지할 수 있게 된다.
한편, 본 실시예는 상기한 반사광의 복사열 흡수 제거 과정에서, 냉각블럭으로 공급되는 냉각매체의 유량을 검출하고, 냉각매체의 공급유량 이상시 레이저 발진기의 구동을 제어하게 된다. 따라서, 냉각매체가 적정 유량으로 공급되지 않는 경우 바로 레이저 발진기의 구동을 정지시킴으로써, 광학계를 보호하고 강판의 품질 열화를 방지할 수 있게 된다.
상기 광학계는 레이저 주사속도를 제어하는 기능이 있어 압연 방향에 대해 레이저 조사선의 간격을 조정할 수 있다. 또한, 광학계는 회전기능을 구비하여 레이저 조사선의 각도를 변경할 수 있다. 본 실시예에서, 광학계에 의해 레이저 조사선의 간격을 압연방향으로 2 내지 30mm로 조정 가능하게 함으로써 레이저 빔에 의한 열영향부 (HAZ, Heat Affected Zone)의 영향을 최소화하여 강판의 철손을 개선할 수 있다. 또한, 레이저 빔 조사 과정에서 상기 광학계의 회전을 통해 강판 표면에 조사되는 레이저빔의 조사선 각도를 변환할 수 있다. 본 실시예에서, 상기 광학계는 레이저 빔의 조사선 각도를 강판의 폭방향에 대해 ±4°의 범위로 변환할 수 있다. 즉, 도 2에서 y축 방향에 대해 ±4°범위에서 기울어지도록 하여 레이저 빔의 조사선(31)을 형성할 수 있다. 이에 강판 표면에 형성되는 조사선은 압연 방향에 대해 86 내지 94°의 범위에서 기울어져 형성될 수 있다. 이와 같이 조사선을 y축 방향에 대해 기울어지게 형성함으로써, 레이저에 의한 홈 형성에 따른 자속밀도 저하를 최소화할 수 있게 된다.
상기 레이저 빔 조사 과정에서, 강판이 레이저 빔에 의해 용융되면서 다량의 흄과 용융철인 스패터가 발생된다. 흄과 스패터는 광학계를 오염시키며, 홈 내부에 용융철이 잔존하는 경우 정확한 홈의 형성이 어렵고 철손의 개손이 이루어지지 않아 제품 품질을 저해하게 된다. 이에, 강판의 홈 내부로 압축 건조공기를 분사하여 홈 내부에 잔존하는 용융철을 제거하고, 집진후드를 통해 흄과 용융철을 바로 흡입하여 제거한다. 따라서, 강판 자구 미세화 과정에서 흄이 광학계 쪽으로 유입되는 것을 차단하고, 흄과 스패터를 신속하게 제거하여 자구 미세화 처리 효율을 높일 수 있게 된다. 또한, 상기 레이저 빔 조사 과정에서 레이저 빔의 산란광과 열이 레이저 조사설비의 광학계로 유입되는 것을 더 차단할 수 있다.
레이저 빔 조사를 통해 강판 표면에 홈이 형성되면서 자구 미세화 처리되고, 자구 미세화 처리된 강판은 연속적으로 이동되어 레이저룸의 출구를 통해 외부로 배출된다.
레이저룸에서 배출된 강판은 후처리 과정을 거쳐 강판 표면에 부착된 힐업과 스패터를 제거하는 과정을 거치게 된다.
강판은 먼저 레이저룸 외측에 배치된 브러쉬롤을 지나면서, 강판에 밀착되어 고속으로 회전하는 브러쉬롤에 의해 일차적으로 힐업과 스패터가 제거된다.
브러쉬롤을 거친 강판은 이차적으로 청정 유닛을 거치면서 강판과 알칼리용액과의 전기분해반응을 통해 잔존하는 힐업과 스패터가 최종적으로 제거된다. 청정유닛을 거치면서 힐업과 스패터가 제거된 강판은 후공정으로 이송된다.
철손
개선율(%)
레이저 조사후 열처리후
9.5 11.6
9.7 12.9
11.5 13.5
8.4 11.6
8.6 11.8
8.5 11.7
상기 표 1은 본 실시예에 따른 연속파 레이저 빔 조사에 의해 0.27mm 두께의 강판 표면에 형성된 홈에 의한 방향성 전기강판의 철손 개선율을 나타내고 있다. 표 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예를 통해 자구 미세화 처리된 강판의 경우 레이저 조사 후와, 레이저로 자구 미세화하고 열처리한 후 모두 철손이 개선됨을 확인할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.
1 : 강판 2A,2B : 스티어링 롤(SR)
3 : 강판 중앙위치 제어계 4 : 사행 측정센서
5A,5B : 텐션 브라이들롤 6 : 강판 장력 제어계
7 : 강판 장력 측정센서 8A : 디플렉터 롤
8B : 디플렉터 롤 8C : 중간 디플렉터 롤
9 : 강판지지롤 10 : 휘도 측정센서
11 : 거리 측정센서 12 : 강판지지롤 위치 제어계
13 : 레이저 발진기 제어기 14 : 레이저 발진기
15 : 광학계 16 : 레이저 빔
17 : 에어 나이프 18 : 차폐부
19A,19B,19C : 집진후드 20 : 레이저룸
21 : 샤워부스 22A,22B,22C,22D : 에어커튼
23 : 양압장치 24 : 광학계 하부프레임
25 : 항온항습제어기 26A,26B : 브러쉬롤
27 : 모터전류 제어계 28 : 브러쉬 위치 제어계
29 : 청정유닛 30 : 필터링부
31 : 조사선 32 : 폴리곤 미러
33 : 회전모터 34 : 구동모터
35 : 집광 미러 36 : 구동부
37 : 모듈 플레이트 38 : 셔터
39 : 헤더 70 : 냉각블럭
71 : 전면 72 : 냉각 유로
73,74 : 유로 75 : 볼
76 : 플러그 77 : 코깅
78 : 순환라인 79 : 열교환기
80 : 공급펌프 81 : 플로우스위치
82 : 제어 회로

Claims (26)

  1. 생산라인을 따라 진행하는 강판을 지지하면서 상기 강판의 상하 방향 위치를 제어하는 강판지지롤 위치 조절단계, 강판 표면에 레이저빔을 조사하여 상기 강판을 용융시켜 강판의 표면에 홈을 형성하는 레이저 조사 단계, 및 레이저 조사 과정에서 강판 표면에 조사된 레이저 빔의 반사에 따른 복사열을 흡수 제거하는 제거 단계를 포함하고,
    상기 레이저 조사단계는, 강판지지롤 표면에 원호형태로 접하여 진행되는 강판의 표면에 대해, 레이저 빔의 조사방향이 강판지지롤의 중심축을 지날 때의 레이저 빔 조사 위치를 기준점으로 하여 상기 기준점에서 강판지지롤 중심에서 외주면을 따라 각도를 두고 이격된 위치에, 레이저 빔을 조사하는 방향성 전기강판의 자구미세화 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 조사단계는, 강판 표면에 조사되는 레이저빔의 조사선 각도를 변환하는 각도 변환 단계를 더 포함하는 방향성 전기강판의 자구미세화 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 각도 변환 단계는, 강판의 폭방향에 대해 레이저 빔의 조사선 각도를 ±4°의 범위로 변환하는 방향성 전기강판의 자구미세화 방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 조사단계에서, 레이저 빔은 상기 기준점에 대해 강판지지롤 중심에서 외주면을 따라 3 내지 7°이격된 범위에서 조사되는 방향성 전기강판의 자구미세화 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제거 단계는 강판에서 반사되는 레이저 빔의 반사 위치에 대응하여 레이저를 조사하는 광학계 하부에 설치되는 냉각블럭을 통해 레이저의 복사열을 열교환하여 흡수하는 단계, 및 냉각블럭으로 냉각 매체를 순환시켜 냉각블럭의 냉각 온도를 유지하는 단계를 포함하는 방향성 전기강판의 자구미세화 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제거 단계는 냉각블럭으로 공급되는 냉각매체의 유량을 검출하는 단계, 및 냉각매체의 공급유량 이상시 레이저 발진기의 구동을 제어하는 단계를 더 포함하는 방향성 전기강판의 자구미세화 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    레이저 조사가 진행되는 레이저룸의 내부 동작 환경을 설정하고 유지하는 설정유지단계를 더 포함하고,
    상기 설정유지단계는, 레이저룸 내부를 외부와 격리시켜 외부 오염물질의 유입을 차단하는 단계와, 레이저룸 내부 온도와 압력 및 습도를 제어하는 단계를 포함하는 방향성 전기강판의 자구미세화 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 강판을 평평하게 펼쳐진 상태로 유지되게 상기 강판에 장력을 부여하는 장력 제어단계를 더 포함하는 방향성 전기강판의 자구미세화 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 강판이 생산라인 중앙을 따라 좌우로 치우침이 없이 이동하게 하는 사행 제어단계를 더 포함하는 방향성 전기강판의 자구미세화 방법.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 레이저 조사단계를 거쳐 상기 강판의 표면에 형성된 힐업(hill up)과 스패터(spatter)를 제거하기 위한 후처리 단계를 더 포함하는 방향성 전기강판의 자구미세화 방법.
  12. 생산라인을 따라 이동되는 강판을 지지하면서 강판의 상하 방향 위치를 제어하는 강판지지롤 위치 조절설비, 및 레이저 빔을 조사하여 강판을 용융시켜 상기 강판의 표면에 홈을 형성하는 레이저 조사설비, 및 상기 레이저 조사설비로부터 강판 표면에 조사된 레이저 빔의 반사에 따른 복사열을 흡수하여 제거하는 흡수부를 포함하고,
    상기 레이저 조사설비는 강판지지롤 표면에 원호형태로 접하여 진행되는 강판의 표면에 대해, 레이저 빔의 조사방향이 강판지지롤의 중심축을 지날 때의 레이저 빔 조사 위치를 기준점으로 하여, 상기 기준점에서 강판지지롤 중심에서 외주면을 따라 각도를 두고 이격된 위치에 레이저 빔을 조사하는 구조의 방향성 전기강판의 자구미세화 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 강판지지롤 위치 조절설비와 레이저조사설비를 외부로부터 격리 수용하며 레이저 조사를 위한 동작 환경을 제공하는 레이저룸을 더 포함하는 방향성 전기강판의 자구미세화 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 레이저룸은 상기 레이저 조사설비와 강판지지롤 위치 제어설비를 수용하여 외부와 격리시키도록 내부 공간을 형성하고, 강판의 진행방향을 따라 양 측면에는 입구와 출구가 형성되며, 내부에는 레이저룸 내부 압력을 외부보다 높이기 위한 양압장치, 레이저 조사설비의 광학계가 위치한 상부공간을 강판이 지나가는 하부공간과 분리시키는 광학계 하부프레임, 및 레이저룸 내부 온도와 습도를 제어하는 항온항습제어기를 포함하는 방향성 전기강판의 자구미세화 장치.
  15. 삭제
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 레이저 조사설비는 레이저 빔을 상기 기준점에 대해 강판지지롤 중심에서 외주면을 따라 3 내지 7°이격된 범위에 조사하는 구조의 방향성 전기강판의 자구미세화 장치.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 레이저 조사설비의 광학계는 구동부에 의해 회전 가능한 구조로 이루어져, 강판에 대해 회전하여 강판의 폭방향에 대해 레이저 빔의 조사선 각도를 변환하는 구조의 방향성 전기강판의 자구미세화 장치.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 강판을 평평하게 펼쳐진 상태로 유지되게 강판에 장력을 부여하는 장력 제어설비를 더 포함하는 방향성 전기강판의 자구미세화 장치.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 강판이 생산라인 중앙을 따라 좌우로 치우침이 없이 이동하게 하는 사행 제어설비를 더 포함하는 방향성 전기강판의 자구미세화 장치.
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 강판의 표면에 형성된 힐업(hill up)과 스패터(spatter)를 제거하기 위한 후처리 설비를 더 포함하는 방향성 전기강판의 자구미세화 장치.
  21. 제 12 항 내지 제 14 항 및 제 16 항 내지 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡수부는 강판에서 반사되는 레이저 빔의 반사 위치에 대응하여 상기 레이저 조사설비의 광학계 하부에 설치되어 반사된 레이저의 복사열을 열교환을 통해 흡수하는 냉각블럭을 포함하는 방향성 전기강판의 자구미세화 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 흡수부는 상기 냉각블럭 내부에 형성되는 냉각유로, 상기 냉각유로에 연결된 공급관을 통해 냉각블럭으로 냉각매체를 순환 공급하는 공급부를 더 포함하는 방향성 전기강판의 자구미세화 장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 공급부는 냉각매체 순환라인 상에 설치되어 냉각블럭을 거친 냉각 매체를 냉각하는 열교환기와, 열교환기를 거친 냉각 매체를 냉각블럭으로 공급하는 공급펌프와, 공급펌프의 구동에 따라 순환라인을 따라 냉각블럭으로 유입되는 냉각매체의 공급 유량을 검출하는 플로우스위치, 상기 플로우스위치의 검출값에 따라 상기 광학계의 레이저 발진기의 구동을 제어하는 제어회로를 포함하는 방향성 전기강판의 자구미세화 장치.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 냉각블럭은 표면에 비산 용융철의 부착을 방지하기 위한 화학기상코팅층을 형성한 방향성 전기강판의 자구미세화 장치.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 냉각블럭의 냉각유로는 냉각블럭의 외측면을 통해 직선으로 복수의 유로를 형성하고, 유로와 유로의 교차 지점에서 유로가 일방향으로 연결되도록 유로 내부에 유로를 막는 플러그를 설치하여 지그 재그 형태로 형성하는 구조의 방향성 전기강판의 자구미세화 장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 플러그는 냉각블럭에 코깅되어 고정설치되는 방향성 전기강판의 자구미세화 장치.
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