KR100268841B1 - Erw강관용 열연강판의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고장력 라인 파이프용 열연강판의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 순산소 취련 제강 및 연소주조공정을 거쳐 열간압연후 권취한 ERW( Electric Resistance Welding) 조관 및 스파이럴 조판(Seam Welding) 석유 수송 라인 파이프용(항복강도 100,000psi 이상, 인장강도 110,000psi 이상의 저온 인성보증) 고장력 열연강판(강대)의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 열연강판의 제조 방법은, 중량%로, C:0.10% 이하, Si:0.3%이하, Mn:1.00-2.00%, P:0.020% 이하, S:0.005% 이하, Nb:0.060% 이하, Ti:0.060% 이하, Mo:0.50% 이하, Ni:0.50% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 포함되는 불순물로 조성된 용강을 Ca 처리하여 각종 개재물을 구상화처리 및 제거하여 연소주조법에 의해 슬라브(Slab)를 주조하고, 주조된 열간 슬라브를 공냉시킨후, 제어 압연으로 열연 마무리온도 750 ~ 850℃, 권취온도 500 ~ 600℃로 열간압연하는 것을 기술 요지로 한다.

Description

[발명의 명칭]
ERW 강관용 열연강판의 제조 방법
[발명의 상세한 설명]
[발명의 목적]
[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]
본 발명은 고장력 라인 파이프용 열연강판의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 순산소 취련 제강 및 연소주조공정을 거쳐 열간압연후 권취한 ERW( Electric Resistance Welding) 조관 및 스파이럴 조판(Seam Welding) 석유 수송 라인 파이프용(항복강도 100,000psi 이상, 인장강도 110,000psi 이상의 저온 인성보증) 고장력 열연강판(강대)의 제조방법에 관한 것이다.
에너지 자원이 고갈됨에 따라 심저 해저 유전, 극한지 유전, 사막지대등 유전 지대의 환경이 열악해지고 석유 및 개스의 수송 라인도 장거리화되어 석유 수송용 라인 파이프(Line Pipe)의 강재 특성도 고강도화 및 저온 지역에서의 인성을 요구하게 되었으며, 강관의 대구경화에 따라, 두께의 박물화 및 광폭화도 요구되고 있는 실정이다.
우수한 용접성과 저온 인성의 향상을 위해서는 강도 상향에 따른 탄소의 양을 무한정 증가시킬 수가 없으며, 따라서 강도의 상승에 따라 오히려 탄소량이 감소하는 추세이고, 탄소 저감에 따른 강도 저하를 제어 압연 및 제어 냉각 기술에 의해 보상해 주어야 한다.
라인 파이프용 강의 중요한 성질중의 하나는 용접성이며, 이는 라인 파이프가 용접에 의해 제작되기 때문에 특별히 고려해야 한다. 열연강판 및 강대는 주로 ERW( Electric Resistance Welding) 방식에 의해 용접되며, 용접부도 모재와 마찬가지로 고강도와 저온 인성이 갖춰져야 한다. 용접지수를 평가하는 지수로서 탄소당량지수(Caq;Carbon Equivalent)가 주로 이용되고 있으며, 이 값이 낮을수록 용접성은 증가한다.
Caq = C + Mn/6 + (Ca+Mo+V)/5 + (Cu+Ni)/15
[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]
따라서 제어 압연이나 가속 냉각을 이용하여 주어진 합금성분계에서 강도를 증가시켜야만 Caq를 낮출 수 있게 되어 용접성을 향상시킬 수 있는 것이다. 용접부 인성의 양호 여부를 판단하기 위해 간편하게 쓰이는 기준으로는 경도를 많이 이용하는데, 용접부 또는 열영향부(HAZ:Heat Affected Zone)의 경도가 Hv(Vickers Hardness) 260 이하를 요구하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 요구 조건들 즉, 항복강도 100,00psi 이상, 인장강도 110,000psi 이상, 저온(-40℃)인성 90주울(Joule) 이상을 충족시키는 순산소전로 취련방법을 이용한 제강공정, 연속주조법에 의해 슬라브를 제조하고, 이를 열간압연한 고장력 라인 파이프용 열연강판(강대)을 제조하는데 그 목적이 있다.
[발명의 구성 및 작용]
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 중량%로, C:0.10% 이하, Si:0.3%이하, Mn:1.00-2.00%, P:0.020% 이하, S:0.005% 이하, Nb:0.060% 이하, Ti:0.060% 이하, Mo:0.50% 이하, Ni:0.50% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 포함되는 불순물로 조성된 용강을 Ca 처리하여 각종 개재물을 구상화처리 및 제거하여 연소주조법에 의해 슬라브(Slab)를 주조하고, 주조된 열간 슬라브를 공냉시킨후, 제어 압연으로 열연 마무리온도 750 ~ 850℃, 권취온도 500 ~ 600℃로 열간압연한 ERW 강관용 열연강판(강대)의 제조 방법을 제공한다.
이하, 양호한 실시예와 관련하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본발명에서는, 우선, 중량%로 C:0.10% 이하, Si:0.3%이하, Mn:1.00-2.00%, P:0.020% 이하, S:0.005% 이하, Nb:0.060% 이하, Ti:0.060% 이하, Mo:0.50% 이하, Ni:0.50% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 포함되는 불순물로 조성된 용강을 Ca 처리하여 각종 개재물을 구상화처리 및 제거하여 연소주조법에 의해 슬라브(Slab)를 주조한다.
이어서, 주조된 열간 슬라브를 공냉시킨후, 제어 압연으로 열연 마무리온도 750 ~ 850℃, 권취온도 500 ~ 600℃로 열간압연하여 열연강판(강대)를 제조하는 것이다.
이하에서는 본발명의 성분 조성 및 수치 한정 이유에 대해 설명한다.
탄소(C)의 함량이 0.10 중량%(이하, "%"라 한다) 이상이 되면 퍼얼라이트와 세멘타이트로의 변태량이 많아져 그부분이 취약해지므로 저온 인성의 확보가 어렵게 된다. 또한 탄소 당량을 높이게 되므로 용접성이 불량하게 된다. 따라서 C 의 함량은 0.10% 이하로 함이 바람직하다.
규소(Si)는 제강 조업시 탈산제로 사용하고 있어, 적정량의 첨가가 필요하고 고용강화 효과도 있으나 0.3% 이상이 되면 용접성이 저하되고 강판의 표면에 산화 피막을 심하게 형성시키므로 그 상한을 0.30%로 한정하는 것이 바람직하다.
망간(Mn)은 고용강화 효과와 열간압연시 Ar3변태를 지연시켜 조직의 미세화를 피해 강도를 확보하는 원소이나, 소량 첨가시 용강중 황화물(FeS) 형성의 억제 효과가 떨어져 연속주조 과정에서 소재의 내부 크랙을 유발하게 되며, 과다 첨가시 MnS 형태의 개재물이 증가되어 수소 집적에 의한 균열 발생 및 중심부 편석 문제를 일으키므로 함량을 1.00~2.00%로 제한한다.
인(P)은 편석을 일으키는 주된 원소로서 연속 주조중 중심부에 집적되어 내부 품질을 열화시켜 인성 저하의 주요인으로 작용하므로 함량을 0.020% 이하로 제한한다.
유황(S)은 용강중에 저융점의 황화물(FeS)을 형성하여 연속주조중 내부 크랙을 유발시키는 주된 요인이 되고, 또한 MnS 개재물을 형성하여 중심 편석 발생 및 인성 저하의 요인으로 작용하므로 함량을 0.005% 이하로 제한한다.
니오븀(Nb), 티타늄(Ti)은 탄소 및 질소와 결합하여 미세한 탄질화물을 형성하는데, 열간압연중 오스테나이트(Austenite)에 생셩된 석출물은 오스테나이트의 재결정을 억제하여 압연후 냉각시 페라이트(Ferrite) 핵 생성율을 증가시켜 결정립이 미세하게 되므로 강도 상승의 효과가 있다. 또한 오스테나이트 또는 페라이트 기지내에 생긴 탄질화물(Carbonitride)의 석출 강화 효과도 있다. 그러나, 두 원소에 의한 석출 강화 효과에는 한계가 있으며, 과다시 결정립의 극미세화로 인성 저하의 요인이 되므로 각각 0.060% 이하로 제한함이 바람직하다.
니켈(Ni)과 몰리브덴(Mo)은 고용강화 효과외에 Ar3변태 온도를 낮춤으로써 결정립 미세화와 변태 강화의 효과가 있다. Ar3변태 온도가 낮아지면 애시큘라페라이트(Acicular Ferrite), 베이나이트 등의 생성에 의해 강화가 일어난다. 이러한 원소는 적정량을 첨가해 주어야 하며, 본 강재에서의 적정 함량은 Mo:0.50%, Ni:0.50% 이하이다.
이하, 본 발명의 제조방법에 대해 설명한다.
상기와 같은 조성을 갖는 용강을 얻기 위해 순산소 전로 정련법으로 출강하여 용강에 생석회(CaO)를 투입하여 유황의 흡수능이 뛰어난 슬래그(Slag)를 형성한 후 불활성 개스를 강하게 불어 넣어 교반시켜 용강과 슬래그의 반응 기회를 확대시켜줌으로써 용강중의 유황(S)을 효과적으로 포집, 부상시킨후 칼슘실리콘(CaSi) 분말을 불어 넣어(Powder Injection), MnS, 알루미나(Alumina) 개재물을 구상화시키며, 다시 불활성 개스를 불어넣어 개재물을 포집, 제거한다. 개재물이 구상화되지 않으면 열간압연후 압연방향으로 연신되어 이러한 개재물을 중심으로 내부 균열이 유발되고 인성의 저하를 가져오게 된다. 이러한 칼슘(Ca)의 투입은 너무 많이 투입하면 개재물 부상 분리가 곤란한 산화성 개재물이 다량 존재하므로 그 적정량은 5~60 ppm이 바람직하다.
상기와 같이 제조된 용강을 통상의 연속주조 방법에 의해 슬라브를 제조한 후, 통상의 방법으로 재가열한후 열연 마무리온도(FDT;Finishing Deliver Temperature) 750~850℃로 압연한후 수냉하여 권취온도(CT;Coiling Temperature) 500~600℃로 권취(Coiling)를 실시한다.
본 발명에서 목표로 하는 ERW 용접성이 뛰어난 고장력강재 즉, 항복강도 100,000psi이상(70.8kgf/mm2이상), 인장강도 110,000psi이상(78kgf/mm2이상)의 재질을 확보하기 위해서는 강재의 화학 성분도 중요하지만, 이를 제어 압연하는 것도 중요한 요소이다. 강의 재질을 상승시키려면 조직을 미세하게 하여야 한다. 즉, 석출 강화 효과를 보기 위해 첨가한 합금원소의 석출온도를 감안하여 적정한 압연 온도를 설정하여야 하며, 합금원소 첨가에 따른 강의 Ar3변태온도 직상에서 압연종료해야 한다. 본 강재의 적정 열연마무리온도는 750~`850℃ 이다.
또한 재질을 상승시키려면 강의 조직을 원하는 상(phase)으로 유도하여야 한다. 본 발명에서 목표로 하는 재질을 얻으려면 강을 애시큘라 페라이트(Aacicular ferrite)또는 상부 베이나이트(Upper bainite) 조직으로 만들어야 하는데, 이는 적정한 압연온도와 적정한 냉각속도가 필요하다. 상변태곡선(CCT diagram)을 정확하게 예측 및 작성하여 그에 상응하는 냉각속도 및 권취온도를 결정해주어야 한다. 본 강재의 적정 권취온도는 500~600℃이다.
그러나 본 강재의 권취전 냉각대(ROT:Run Out Table)에서의 냉각도중 복열로 인해 권취온도가 ±100℃ 이상의 큰 불균일을 가져오게 되는데, 이는 재질의 편차를 유발한다. 본 발명에서는 이를 방지하기 위해 전 ROT 상에 걸쳐서 냉각을 하는 이른바 패턴(Pattern) 냉각을 실시하였다. 이는 ROT 위에서 강재를 냉각하기 위한 수냉 노즐을 번갈아서 온,오프하여 냉각을 제어하는 방법이다.
열간강판압연강판(Plate) 대비 열간압연강대(Coil, Skelp)는 권취라는 제약사항이 있는데, 이는 권취 형상이 상품 가치에 반영된다는 것이다. 즉, 권취후 강대의 형상이 불량하면 상품 가치가 떨어지게 되는데, 권취 온도가 너무 낮거나 불균일(편차)하면 권취 형상이 불량하게 되므로 이를 방지하여야 하는데, 본 발명에서는 상기와 같은 냉각방법으로 이를 개선하였다.
권취 형상의 불량에는 느슨 코일과 지그재그 코일(일명 Telescope)이 있다. 느슨 코일이란 말그대로 강대가 단단하게 감기지 않고 느슨하게 감겨있는 상태로 제품의 이동이나 언코일링 작업시 강대의 외권부와 내권부가 따로따로 움직여서 안전 사고를 일으킬 수 있다. 지그재그 코일이란 권취된 강대의 측면(edge)부위가 들쑥날쑥한 형태를 말하는데, 이는 제품 포장의 불량을 가져오고 작업시 불편함이 있으며 외관상으로 상품의 가치가 하락하게 된다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.
[실시예]
C:0.08%, Si:0.20%, Mn:1.50%, P:0.015% 이하, S:0.005% 이하, Nb:0.050%, Ti:0.050%, Mo:0.40%, Ni:0.20% 를 목표로 하는 성분으로 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 포함되는 불순물을 함유한 용강을 전로를 통하여 제조한후 개재물을 구상화 및 제거하기 위해 칼슘(Ca) 30ppm을 목표로 Ca-Si 분말을 불어넣어 구상화시킨후 불활성개스를 불어넣어 강교반시켜 슬래그(Slag)중으로 제거한다. 이러한 용강을 통상의 연속주조 방법으로 슬라브(Slab)화하여 통상의 방법으로 가열온도 1250℃ 이상, 재로시간 220분으로 재가열한후 열연마무리온도(FDT) 780~830℃로 열간압연하고, 수냉노즐을 번갈아 온,오프하는 패턴 냉각을 통해 냉각하여 권취온도(CT) 530~570℃로 권취하였다. 이와같이 제조한 열연강대의 주요성분 조성을 표 1에, 강재의 두께 및 압연온도를 표 2에 나타내었다.
표 1에 나타난 바와 같이 본 발명강은 Caq가 0.43% 이하로써 용접성이 우수하다.
상기 성분 및 제조방법으로 제조된 발명재를 미국석유협회(API;American Petroleum Institute)에서 석유 수송 강관 강재에 규정한 방법으로 인장시험, 충격 시험을 실시하였으며 그결과를 표 3에 나타내었다.
항복강도 71kgf/mm2이상(100,000psi이상), 인장강도 78kgf/mm2이상(110,000psi이상), 저온충격흡수에너지(Ve-40) 90주울(Joule) 이상의 우수한 재질을 나타내었다.
[발명의 효과]
상술한 바와 같이 본 발명의 열연강판의 제조 방법에 의하면, 니오븀(Nb)과 티타늄(Ti)의 석출강화효과와 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo)의 고용강화효과, 결정립을 미세화하는 압연조건과 원하는 상으로 가져가는 냉각조건 등에 의해 항복강도 100,000psi 이상, 인장강도 110,000psi 이상의 재질을 가지면서 저Caq로 ERW 조관 용접 조건을 만족시키는 우수한 강재가 얻어진다.

Claims (1)

  1. 중량비로 C:1.10% 이하, Si:0.3%이하, Mn:1.00-2.00%, P:0.020% 이하, S:0.005% 이하, Nb:0.060% 이하, Ti:0.060% 이하, Mo:0.50% 이하, Ni:0.50% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 포함되는 불순물로 조성된 용강에 생석회를 투입하여 유황의 흡수성이 뛰어난 슬래그를 형성한 후 불활성가스를 강하게 불어넣어 교반시켜 용강과 슬래그의 반응기회를 확대시켜 줌으로써 용강중의 유황을 효과적으로 포집하고, 부상시킨 후 칼슘 실리콘 분말을 불어넣어 개재물을 구상화시킴과 동시에 다시 불활성가스를 불어넣어 개재물을 포집제거하는 단계와; 상기 단계후 개재물이 구상화된 후 포집제거된 용강을 연속주조하여 슬라브를 만드는 단계와; 상기 단계후 주조된 슬라브를 공냉시킨 후 열간마무리온도 750-850℃로 열간압연하고 수냉하되 냉각도중 냉각대에서의 복열에 의해 재질에 편차를 유발시키는 것을 방지토록 ROT상에 걸쳐서 냉각하는 패턴냉각을 실시하여 권취온도 500-600℃에서 권취하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 ERW 강관용 열연판의 제조방법.
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