KR100209450B1 - 압력용기용 고인성 크롬-몰리브덴 강 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학적 조성이 중량%로 탄소(C) 0.10%∼0.14%, 규소(Si) 0.10%∼0.30%, 망간(Mn) 0.25%∼0.50%, 니켈(Ni) 0.25%이하, 크롬(Cr) 1.8%∼2.7%, 몰리브덴(Mo) 0.90%∼1.30%, 바나디움(V) 0.10%이하, 티타늄(Ti) 0.008%∼0.030%, 보론(B) 0.0008%∼0.0030%, 알루미늄(Al) 0.005%∼0.030%, 인(P) 0.020%이하, 황(S) 00.010%이하이고, 잔부는 철(Fe) 및 제강정련에 의하여 제거할 수 없는 불가피한 불순원소로 구성된 압력용기용 고인성 강에 관한 것이다.

본 발명강은 고온에서 인장강도가 높고 뛰어난 파괴인성과 뜨임취성에 대한 높은 저항성을 갖는다.

Description

압력용기용 고인성 크롬-몰리브덴 강 및 그 제조방법

제1도는 냉각속도와 강의 충격인성과의 일반적인 관계를 나타낸 그래프이다.

제2도는 본 발명강의 제강 및 조괴공정을 나타낸 도면이다.

제3도는 본 발명강의 단조공정을 나타낸 도면이다.

제4도는 본 발명의 실험예에 따라 시험된 본 발명강과 비교강의 미세조직을 나타낸 사진이다.

제5도는 본 발명의 실험예에 따라 시험된 본 발명강과 비교강의 충격인성을 나타낸 그래프이다.

본 발명은 고온에서 인장강도가 높고, 뛰어난 파괴인성과 더불어 고온 고압에서 장시간 운전하는 조건에서도 뜨임취성에 대한 높은 저항성이 요구되는 압력용기를 제작하는 데 사용되는 크롬-몰리브덴이 함유된 특수강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

용기제작에 필요한 링과 경판의 두께는 120∼350mm에 달하는 극후재이므로 압력용기 제작에 요구되는 위의 성질을 얻기 위하여는 소재의 표면에서 중심부까지 열처리에 의하여 균질한 베이나이트 미세조직이 얻어져야 한다. 또 소재생산에 소요되는 기간을 단축시키고 극후 두께의 링을 단조상태로 열처리 하더라도 이러한 요구성질을 달성할 수 있도록 담금질성의 획기적인 개선이 요구된다.

그러나, 티타늄과 보론이 첨가되지 않은 종래 합금성분으로 제작한 압력용기용 소재의 경우 다음과 같은 문제점이 대두되었다.

첫째, 담금질성이 낮아 하기 공정도에 나타낸 공정으로 극후 두께의 단조링을 제조하였다. 즉, 단조후에 예비열처리인 불림처리를 수행하고, 소재를 담금질처리하는 동안에 열전달효과를 개선시키고, 소재의 두께를 얇게 하여 중심부에서도 요구되는 성질을 얻기 위하여 황삭 기계가공 후에 품질열처리인 담금질과 뜨임처리를 수행하였다.

이러한 제조공정에 따라 소재를 생산하면 두차례의 기계가공을 하므로써 소재의 제조공정이 복잡하고, 대형의 중량물을 취급하는 데 많은 어려움이 수반되어 소재생산에 소요되는 기간이 길어져 생산성이 낮다.

둘째, 제1도에 도시한 바와 같이 링의 중심부에서 높은 충격인성을 얻기 위하여 요구되는 최소 냉각속도는 분당 섭씨 7도이어야 된다고 알려져 있다. 따라서 종래의 강은 합금성분의 구성 등 상변태 특성 때문에 이러한 조건을 만족시킬 수 있는 최대한의 두께는 400mm로 제한된다. 그러나 상기한 조건으로 담금질을 하더라도 극후 압력용기 제작에 필요한 두께의 링 중심부에서 충격인성을 저해시키는 페라이트 미세조직이 생성되는 사례가 보고되어 있다. 즉 고온강도, 파괴인성 및 뜨임취성에 대한 저항성이 높은 극후 압력용기 제작용 링 소재의 두께가 350mm 이상일 경우 링의 가공전의 두께는 약 450mm이므로 단조상태에서 열처리할 수 없는 문제점을 안고 있다.

따라서 본 발명자들은 기존강종(ASME SA336 F22)의 재질적인 문제점을 해결한 강종으로서 열처리과정 동안의 담금질성이 우수하고, 높은 충격파괴인성과 뜨임취성에 대한 저항성을 갖는 극후 압력용기 소재를 제공하기 위하여, 화학조성이 중량%로 탄소(C) 0.10% 내지 0.14%, 규소(Si) 0.10% 내지 0.30%, 망간(Mn)이 0.25% 내지 0.50%, 니켈(Ni) 0.25%이하, 크롬(Cr) 1.80% 내지 2.70%, 몰리브덴(Mo) 0.90% 내지 1.30%, 바나디움(V) 0.10%이하, 티타늄(Ti) 0.008% 내지 0.030%, 보론(B) 0.0008% 내지 0.0030%, 알루미늄(Al) 0.005% 내지 0.030%, 인(P) 0.020%이하, 황(S) 0.010%이하이고, 잔부는 철(Fe) 및 제강정련에 의하여 제거할 수 없는 불가피한 불순원소로 구성된 소재를 제작하였다.

본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명 강의 화학성분을 다음 표 1에 나타내었다.

탄소(C)는 열처리 과정에 탄화물을 석출시켜 소재의 강도와 경도를 결정하는 중요한 원소로 0.10% 이하의 경우는 고온강도를 요구하는 값으로 유지할 수 없고, 0.14% 이상 함유되면 용접성을 저해시키므로 압력용기 제작이 어렵게 된다. 따라서 요구되는 강도를 유지하고, 용접성이 우수한 조건이 되기 위하여는 0.10% 내지 0.14%의 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

규소(Si)는 제강정련 동안에 용강중의 산소를 제거하는 탈산제 역할을 하며 함량이 0.10% 이하일 경우는 불안정한 탈산효과를 나타내고, 0.30% 이상 함유되면 탄화물의 안정성을 해치게 되어 강도를 낮추거나 뜨임취성을 조장시키기 때문에 적정함유량은 0.10% 내지 0.30%로 한정시키는 것이 바람직하다.

망간(Mn)은 강도유지와 열처리 과정에 담금질성을 향상시키는 합금원소로 중요한 역할을 한다. 0.25% 이하로 함유되면 강도 값이 낮아지고, 담금질성을 해치게 된다. 또 0.50% 이상 함유되면 규소와 함께 뜨임취성에 대한 저항성을 해치게 되므로 0.25% 내지 0.50% 범위가 바람직하다.

인(P)은 소재를 열처리하는 과정과 고온에서 사용하는 소재의 뜨임취성을 일으키는 역할을 하기 때문에 가능한 낮은 함량으로 제거하는 것이 바람직하다.

유황(S)은 소재에 함유된 망간(Mn)과 작용하여 충격인성을 저해하고, 소재의 기계적 성질의 이방성을 일으킬 뿐만 아니라 고온강도를 해치는 유해한 원소이므로 가능한 낮은 함량으로 제거하는 것이 바람직하다.

니켈(Ni)은 열처리 과정에 담금질성을 향상시키고, 인성을 높이는 효과가 있으나 고온 강도를 저해시키는 작용을 하므로 0.25% 이하로 함유량을 제한하는 것이 바람직하다.

크롬(Cr)은 고온강도 및 수소에 의한 침식 작용을 억제하는데 중요한 역할을 한다. 함유량이 1.8% 이하로 낮은 경우는 고온강도가 얻어지지 않고, 2.7% 이상 함유되면 수소에 의한 침식 저항성을 향상시키나 고온 강도를 급격하게 떨어지게 한다. 따라서 1.8% 내지 2.7%로 제한하는 것이 바람직하다.

몰리브덴(Mo)은 고온강도를 높이고, 뜨임취성에 대한 저항성을 높이는데 효과적이다. 그러나 함량이 0.9% 이하로 되면 섭씨 500도 근처에서 강도를 저하시키고, 1.30% 이상되면 용접성을 저해시키는 작용을 한다. 따라서 함유량을 0.9% 내지 1.30%로 제한하는 것이 바람직하다.

바나디움(V)은 미세한 탄화물을 석출시켜 고온 강도를 높이지만 다량 함유되면 용접균열 생성을 촉진시키므로 0.1% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

티타늄(Ti)은 용강중에 포함된 질소(N)와 반응하여 질화물을 생성시켜 보론(B)에 의한 소재의 담금질성을 향상시키는데 효과적이다. 함유량이 0.008% 이하이고, 질소함량이 0.003% 이상이면 보론(B)과 반응하여 보론질화물(BN)이 생성되어 담금질성이 저하되고, 티타늄의 함유량이 0.030% 이상이면 비금속개재물이 생성되어 충격인성을 나쁘게 하므로 0.008% 내지 0.030%로 제한하는 것이 바람직하다.

알루미늄(Al)은 용강중의 산소와 친화력이 강하므로 티타늄(Ti)과 보론(B) 첨가효과를 극대화하기 위하여 0.005% 내지 0.030%로 한정하는 것이 바람직하다.

보론(B)은 미량 첨가하여 소재를 열처리하는 과정에 담금질성을 획기적으로 개선시킬 수 있는 합금원소이다. 그러나 용강중에 보론(B)의 함량이 0.0005% 이하일 경우는 담금질성 향상에 미치는 효과를 얻을 수 없고, 0.0030% 이상 함유되면 열간가공성과 용접성을 해치게 되므로 0.0008% 내지 0.0030%로 한정하는 것이 바람직하다.

따라서 미량의 보론(B) 첨가에 의한 소재의 담금질성을 효과적으로 개선하기 위하여는 용강중의 산소(O), 질소(N)와의 반응성이 매우 강한 보론(B) 첨가 전에 알루미늄(Al)과 티타늄(Ti)을 첨가하여 유해한 산소(O)와 질소(N)를 제거하거나 질화물(TiN)을 생성시키도록 하는 것이 중요하다.

본 발명강을 이용한 극후 압력용기용 소재의 제조공정을 요약하면 다음과 같다.

본 발명강을 이용한 극후 압력용기용 소재의 제조공정

이하 본 발명의 제조공정을 단계별로 상세히 설명한다.

가. 제강 및 조괴

제강의 공정은 제2도에 나타낸 바와 같이, 염기성전기로(EAF)-2차 정련로(ASEA-SKF LRF)-진공 강괴 주입(VSD)의 공정을 거치며, 염기성전기로에서는 불순물의 원소(Cu, As, Sb, Sn)가 적은 고품질의 고철을 엄선하여, 전기로에서 용해작업, 탈인(P) 작업 산화정련을 거쳐 불순물을 제거한 후 레이들(Ladle)에 수강하여 ASEA-SKF 2차 정련로에서 비금속개재물의 부상 제거, 균일한 화학성분 및 온도를 조절하여 환원정련하고, 진공 탈가스 처리에 의하여 유해한 가스(H, N, O) 성분을 최대한 낮추거나 제거하여 진공분위기 상태에서 용강을 주입하여 강괴를 제조한다. 이때의 화학성분 요구값은 상기 표 1과 같다.

특히 ASEA-SKF 2차 정련로에서 진공탈가스 처리에 의하여 소재의 열처리 과정에 담금질성을 저해시키는 질소(N) 함량을 최대한 낮추거나 제거하기 위하여 질소와 친화력이 강한 티타늄(Ti)을 탈가스 처리후에 첨가하며, 산화물 계열의 비금속개재물의 생성을 억제하기 위하여 산소(O) 함량을 낮출 수 있는 알루미늄(Al)과 규소(Si)를 상한 값에 가깝게 맞춘다. 보론(B)은 용강을 주입하기 전에 상한 값에 가깝게 조절한다.

이와 같이 진공 탈가스처리를 하고, 진공상태에서 강괴를 제조하면 극후 압력용기 제조용 소재는 재질의 청정도가 높고, 기공, 성분편석 및 기계적 성질에 유해한 결함을 최대한으로 감소시킬 수 있다.

나. 단조

품질의 균일성과 내부 결함이 없는 대형 무계목 링을 제조하기 위하여 강괴를 제3도에 나타낸 바와 같이 가열하여 1차로 강괴에서 주조결함이 포함된 강괴의 밑부분(Bottom)과 상부(Hot Top)를 소정의 양만큼 나이프(Knife)로 절단하고, 소정의 크기로 엎세팅한 다음 중심공을 만들기 위하여 천공작업을 한다. 다음에 천공된 제품의 중심부에 링 단조용 다이를 끼워 확관 및 길이를 요구하는 제품크기로 단조하여 대형 무계목 링을 제작한다.

다. 열처리

본 발명강은 고온강도, 파괴인성, 충격인성 및 뜨임취성에 대한 저항성이 우수한 성질을 얻기 위해 단조후 불균질한 미세조직을 균질하게 조절하고, 극후 압력용기용 소재의 요구되는 특성을 얻기 위하여 예비열처리인 불림(Normalizing), 품질열처리(Quality Heat Treatment)인 담금질과 뜨임(Tempering) 열처리순으로 열처리된다.

불림처리는 880∼1000℃의 일정온도까지 소재두께 25mm당 1시간의 비율로 유지한 후 공기중에서 냉각시킨 다음 뜨임처리로서 660∼690℃의 일정온도에서 소재두께 25mm당 1시간의 비율로 유지한 후 공기중에서 냉각시켜 수행된다. 불림처리는 단조상태에서 얻어진 불균질한 미세조직을 균질하게 하고, 결정립을 미세화하여 기계적 성질을 개선시키기 위하여 오스테나이트 온도 영역에서 적당한 시간 유지한 후 공기중에서 냉각시켜 수행된다.

요구되는 물성을 얻기 위해 수행되는 품질열처리인 담금질은 910℃ 이상 1050℃ 이하의 일정온도에서 적당한 시간 유지한 후 수냉(Water Quenching)시킨 다음 뜨임처리로서 660∼690℃의 일정온도에서 적정시간 유지한 후 공기중에서 냉각시켜 수행된다. 담금질은 오스테나이트 온도로부터 소재를 적당한 속도로 냉각하는 처리로, 소재를 강화하기 위하여 요구되는 베이나이트 미세조직으로 상변태 시키기 위한 조치이다. 본 발명에서는 요구되는 베이나이트 미세조직을 얻기 위하여 극후 압력용기 소재의 중심부에서 최소냉각속도가 분당 섭씨 3도이상되도록 하여 안정한 소재를 생산할 수 있었다(표 2). 이러한 결과는 종래 소재에서 요구되는 냉각속도인 분당 최저 섭씨 7도 보다 훨씬 느린 냉각속도로 담금질처리할 수 있으므로 압력용기벽의 두께가 두꺼운 소재를 제작할 수 있음을 의미한다.

뜨임처리는 담금질한 소재를 상변태점이하의 온도로 가열하는 열처리이며, 불안정한 담금질상태의 금속조직을 안정화시켜 소재의 인성을 부여하기 위한 목적으로 수행한다. 뜨임처리의 온도와 유지시간 등의 조건은 요구되는 기계적 성질에 따라 다르며, 열처리중에 발생하는 잔류응력을 해소하여 용접중에 발생할 수 있는 균열생성 등을 최소화하는 목적도 있다.

상기에서와 같은 조성 및 제조공정에 의해 제조된 본 발명강은 아래에서 설명하는 실험예에서 보는 바와 같이 종래 강의 문제점인 충격인성, 뜨임취성에 대한 저항성이 개선되었으며, 열처리 과정에서 담금질성을 개선하여 중심부까지 균질한 베이나이트 미세조직을 생성함으로써 균일한 기계적 성질을 얻는 등 품질적인 문제를 효과적으로 해결하였고, 특히 두께 450mm의 극후 무계목 링을 황삭가공하지 않고 단조상태에서 열처리를 수행하더라도 높은 충격인성, 고온강성, 파괴인성이 얻어지는 베이나이트 미세조직을 표면에서부터 중심부까지 얻을 수 있어, 정유공장의 중질유분해 및 수소 첨가에 의한 정련에 사용되는 핵심 고온 고압 반응기 제조용 소재에 적용될 수 있다.

이하 실험예를 통하여 본 발명을 설명한다.

[실험예]

종래의 티타늄과 보론이 함유되지 않은 압력용기 소재용 강으로 사용되었던 ASME SA 387 Cl. 2, SA 336 F22 계열과 같은 계열의 실제 생산된 비교 재료의 화학성분을 표 2에 나타내었다. 종래에 사용되었던 수입소재(K-1)와 본 발명강의 성질을 비교하기 위하여 동일하게 열처리한 시험편으로 미세조직 및 충격인성 시험을 수행하여 그 각각의 결과를 표 3과 제4도 및 제5도에 나타내었다. 본 발명강의 담금질성, 충격인성등이 비교강에 비하여 안정하고 훨씬 우수함을 알 수 있다.

본 발명강의 특징을 표 3과 제4도 및 제5도에 나타낸 시험 결과로써 설명하면 다음과 같다.

(1) 담금질성

담금처리 과정에서 냉각속도에 따른 미세조직을 비교하면 본 발명강은 비교강에 비하여 담금질성이 우수하고, 미세조직이 층상을 이루는 방향성이 없는 것을 알 수 있다. 냉각속도가 비교강의 5.3℃/min. 보다 느린 3.5℃/min. 조건에서도 본 발명강은 충격인성을 저해하는 페라이트가 생성되지 않고 중심부까지 베이나이트 미세 조직으로 상변태하고 있음을 제4도로 부터 알 수 있다.

(2) 충격인성

비교강의 충격인성은 동일한 냉각조건으로 준비한 시험편을 이용하여 시험하였다. 비교강이 본 발명강에 비하여 시험온도에 따라 매우 불안정한 상태로 취성파괴 양상을 나타내는 파단면의 비율이 심하게 산포되는 것을 제5도로 부터 알 수 있다. 반면에 본 발명강의 충격인성은 동일한 시험 온도에서 취성파괴 파단면 비율의 산포가 안정되어 있음을 알 수 있다. 충격파괴에 견디는 충격파괴 흡수 에너지 값도 비교강에 비하여 높을 뿐만 아니라 시험온도에 따라 산포되는 정도가 안정함을 알 수 있다(제5도). 40ft-1bf천이온도(vTr) 및 연성-취성 천이온도(FATT)의 값도 비교강에 비하여 낮은 것으로 보다 본 발명강이 우수한 충격인성을 나타내고 있음을 제5도와 표 3으로부터 알 수 있다.

Claims (2)

1. 화학적 조성이 중량%로 탄소(C) 0.10%∼0.14%, 규소(Si) 0.10%∼0.30%, 망간(Mn) 0.25%∼0.50%, 니켈(Ni) 0.25%이하, 크롬(Cr) 1.80%∼2.70%, 몰리브덴(Mo) 0.90%∼1.30%, 바나디움(V) 0.10%이하, 티타늄(Ti) 0.008%∼0.030%, 보론(B) 0.0008%∼0.0030%, 알루미늄(Al) 0.005%∼0.030%, 인(P) 0.020%이하, 황(S) 0.010%이하이고, 잔부는 철(Fe)로 구성된 압력용기용 고인성 강.
2. 전기로에서의 산화정련, ASEA-SKF 2차 레이들 정련ㄹ에서의 환원정련과 진공탈가스에 의한 조괴, 단조 후, 황삭가공하지 않고 불림열처리를 실시하고, 담금질 처리로서 910∼1050℃의 온도로 재가열하고, 소재의 중심부의 최소 냉각속도가 분당 3℃가 되도록 수냉하므로써 중심부까지 균일한 베이나이트 조직을 얻고, 660∼690℃에서 뜨임열처리 하는 것을 특징으로 하는 고인성 강의 제조방법.

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