KR100328017B1 - 미니밀(mini-mill)에의한인장강도36Kg/㎟급강관용열간압연강판의제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 주로 전선관이나 압력배관용 등에 사용되는 강관용 열간압연강판의 제조방법에 관한 것이며, 그 목적은 소위 미니밀(mini-mill)공정에 의해 36kg/㎟급 강관용 열간압연강판을 제조하는 방법을 제공함에 있다.
상기 목적달성을 위한 본 발명은 주로 스크랩을 철원으로 하여 중량%로, C:0.07%이하, Mn:0.2-0.5%, Si:0.03%이하, P:0.03%이하, S:0.015%이하, Soluble Al:0.01-0.10%, 및 N:0.010%이하로 함유되고, 또한 상기 스크랩으로부터 유입된 트램프원소의 총합이 0.30%이하가 되도록 하는 한편 상기 트램프원소중 Cu는 0.2%이하, Sn는 0.05%이하, 및 Sb는 0.05%이하로 조절한 박슬라브를 만든 다음, 이 박슬라브를 오스테나이트단상영역에서 마무리열간압연하고 이어서 상기 열연판을 550-700℃의 온도에서 권취하는 미니밀에 의한 36kg/㎟급 강관용 열간압연강판의 제조방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.
Description
본 발명은 주로 전선관이나 압력배관용 등에 다양하게 사용되는 강관용 열간압연강판의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소위 미니밀(mini-mill)공정에 의해 인장강도 36∼49kg/㎟ 및 연신율 22%이상의 재질특성을 갖는 강관용 열간압연강판을 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근 주조부문의 기술개발동향은 용융금속으로부터 최종제품에 가까운 형상을 직접 주조하므로써 가열, 압연 등과 같은 중간공정을 대폭 생략하여 에너지 및 설비투자비, 조업비 등 제조원가를 절감하는 추세에 있다. 현재 가장 활발하게 기술개발이 추진되고 있는 기술은 박슬라브주조(thin slab casting)와 스트립캐스팅(strip Casting)이다. 그 가운데 박슬라브주조기술은 유럽의 SMS사의 CSP(Compact Strip Production), MDH사의 ISP(In-line Strip Production), VAI사의 CONROLL(Continuous Casting and Rolling) 등 여러가지 공법이 상용화되어 있다. 이들 박슬라브주조기술들은 대부분 슬라브 주조공정에서 슬라브의 두께를 좀더 얇은 두께로 하므로써 기존의 일관압연과는 달리 압연부문의 부하를 감소시키는 방향으로 전개되고 있다. 즉, 상기 박슬라브주조기술은 최근에는 점차 주로 스크랩(scrap)을 철원으로 이용하는 전기로 용해공정을 거쳐 박슬라브연속주조공정에 이어 최종적으로 열간압연기로 압연하는 공정을 포함한 제조기술(이하, 단지 '미니밀공정'이라 함)로 개발되고 있다.
전로조업-연속주조-열간압연으로 이루어지는 기존의 공정은 슬라브 재가열로(reheating furnace)가 필요한 반면, 상기 미니밀공정은 연주기와 압연기를 연속화시켰기 때문에 단지 중간가열설비(inducton heater) 및 보온균열설비(acceleration furnace)가 설치되어 있는 것이 보통이다. 따라서, 중간가열설비나 보열설비의 설치가 거의 불가능한 기존의 열연공정과는 달리, 미니밀에서는 상기 가열설비나 보온설비의 조업패턴을 변경하므로써 마무리압연온도를 유연하게 제어할 수 있는 장점이 있다. 이러한 잇점으로 인해 미니밀에서는 열간압연조건을 제어하므로써 열연판의 두께가 두꺼워질수록 열연판의 강도가 하락하는 현상을 방지할 수 있다. 이는 열연판의 두께가 두꺼워질수록 열연판의 강도가 하락하는 현상을 방지하기 위해 전로조업시 강조성을 조절하여야만 했던(결국 출강목표성분이 다양화될 수 밖에 없었던) 기존의 열연공정과는 달리, 미니밀만이 갖는 커다란 장점인 것이다. 즉, 미니밀공정에서는 마무리압연온도와 권취온도에 차등을 두어 열간압연을 실시하므로써 재질제어가 가능하기 때문에 목표출강 강종을 1개로 단순화할 수 있다.
또한, 미니밀공정에서는 연주기와 압연기가 연속화(in-line)되어 있기 때문에 연주공정과 열연공정이 서로 분리되어 있는 기존의 제철공정에서 처럼 압연속도에 의해 열연공장의 생산성이 결정되는 것이 아니고, 박슬라브 연주기의 주조속도에 의해 생산성이 좌우되므로 압연속도를 빨리할 필요가 없다. 또한, 기존의 열연공장에서 처럼 마무리 압연온도를 맞추기 위해 가속압연을 할 필요가 없으므로 압연속도를 일정하게 유지하는 등속압연이 가능하다. 이러한 이유로 미니밀공정에서는 기존 압연 대비 압연직후 물을 뿌리는 런아웃테이블(run-out-table)상에서의 스트립속도를 일정하게 유지할 수 있기 때문에 상대적으로 마무리압연온도뿐만아니라 권취온도제어 측면에서 기존 압연에 비해 매우 유리하다. 따라서, 이러한 미니밀공정특성상의 유리한 점을 최대한 이용하면 기존공정에서 여러개로 되어 있는 목표출강강종을 1개로 운영할 수 있어 출강목표강종의 단순화가 가능하고, 이때 발생되는 제품두께에 따른 재질변화는 실 조업상 마무리압연온도와 권취온도의 조합에 의해 보정 가능하다.
그러나, 상기 미니밀공정에서는 주로 스크랩을 철원으로 이용하기 때문에 전기로 용해단계에서 제거가 거의 불가능한 소위 트램프원소(tramp elements)(Cu, Ni, Cr, Mo, Sn 등)가 강중에 잔류하게 된다. 이들 원소들은 주로 강중 고용강화 효과를 갖을 뿐만아니라 열연판 제품의 품질 및 수요가 요구특성에도 영향을 미치기 때문에 미니밀공정에서는 이를 고려하여 미니밀공정에 적합한 합금설계가 요구된다. 요컨데 기존의 일관제철공장에서의 강종설계 개념을 그대로 미니밀공정에 적용하여 열연판을 제조하는 것은 제품의 품질상 많은 문제를 야기시킬 뿐만아니라 제조비용측면에서도 매우 비경제적이다. 이러한 이유로 이제까지 미니밀공정에 의한 열연판의 제조는 일부 강종에 국한되고 있는 실정이다. 따라서, 미니밀공정에의한 열연판의 제조기술을 확대하기 위해서는 다양한 강종을 개발하는 것이 필요하다.
이에 본 발명은 미니밀공정에 의한 다양한 강종개발확대의 하나로 미니밀공정을 도입하여 인장강도 36∼49kg/㎟ 및 연신율 22%이상의 재질특성을 갖는 강관용 열연강판의 제조하는 방법을 제공하고자 함에 그 목적이 있다.
상기 목적달성을 위한 본 발명은 주로 스크랩을 철원으로 하여 중량%로, C:0.07%이하, Mn:0.2-0.50%, Si:0.03%이하, P:0.03%이하, S:0.015%이하, Soluble Al:0.01-0.10%, 및 N:0.01%이하로 함유되고, 또한 상기 스크랩으로부터 유입된 트램프원소(Cu, Ni, Cr, Mo, Sn, Sb, Zn)의 총함량이 0.30%이하, 그리고 상기 트램프원소중 Cu는 0.2%이하, Sn는 0.05%이하, 및 Sb는 0.05%이하로 조성되도록 전기로 용해하는 공정; 상기 용해된 용강을 두께 70mm이하의 박슬라브로 연속주조하는 공정; 연속주조된 박슬라브를 오스테나이트단상영역에서 미니밀로 마무리열간압연하는 공정; 및 상기 열연판을 550-700℃의 온도에서 권취하는 공정;을 포함하여 구성되는, 미니밀에 의한 인장강도 36kg/㎟급 강관용 열간압연강판의 제조방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에서 제조하고자 하는 36kg/㎟급 강관용강은 JIS 규격으로 SPHT2에 해당되는 강으로, 3.0mm두께의 열연판을 기준으로 인장강도 36∼49kg/㎟,그리고 연신율 22%이상을 갖고 있다.
상기 강관용 열연강판은 통상 고로의 용선을 사용하여 전로제강공정 및 슬라브 열간압연공정을 통해 제조시 최종적으로 얻고자 하는 열연판의 제품두께에 따라 강성분조성을 달리하고 있다. 구체적으로 기존의 제철공정에서는 전로조업의 경우 탄소함량이 0.07-0.12중량%이고, 망간함량이 0.4-0.6중량% 함유한 강을 이용하며, 목표로 하는 제품의 두께에 따라 상기 범위내에서 C 및 Mn함량을 변경하여 출강하므로써 동일한 SPHT2강종이라하더라도 열연판의 두께가 두꺼울수록 강도가 하락하는 것을 방지하였다. 그러나, 이 경우 미니밀공정과는 달리, C 및 Mn의 첨가에 의한 비용상승은 물론 일정두께를 갖는 열연판의 제조하기 위해서는 용강의 조성을 달리해야 한다. 이에 따라 용강의 출강목표가 많아지므로 실라인 생산시 공정관리가 매우 복잡해지는 문제가 있다.
또한, 기존의 제철공정에서 SPHT2 강종의 열연제품을 제조하기 위해 적용하였던 강을 그대로 미니밀공정에 적용하는 경우 주편크랙이 발생할 위험이 매우 크다. 왜냐하면 기존의 강조성은 탄소영역이 0.08-0.15중량%의 범위에 속하며, 이 탄소영역은 소위 포정반응영역(peritectic reaction range)에 대부분 해당되기 때문에 미니밀 공정에서는 상기 탄소영역의 강조성을 적용하여 SPHT2 열연강판을 생산하기 어렵다.
더욱이, 철원으로서 용선을 주로 사용하기 때문에 두꺼운 슬라브를 이용하는 기존의 조업과 같은 방법을 그대로 미니밀에 적용시 주편의 크랙발생이 발생할 위험이 매우 크다. 일단 주편결함이 발생하면 미니밀공정의 연속직결성으로 인해 전체 라인이 중단되는 사태가 초래된다. 따라서, 미니밀공정의 경우 스크랩을 이용하므로 이로부터 유입되는 강중의 트램프원소들에 대한 제어가 먼저 최우선으로 해결되어야 하는 등 엄격한 강조성관리가 필요하다.
이하, 본 발명에 따른 강조성에 대한 수치한정이유를 상세히 설명한다.
먼저, 강중 탄소는 침입형 고용원소로서, 그 첨가량이 많을수록 강도확보에는 유리하나 함유량이 0.07중량%이상인 경우에는 주편크랙이 발생할 위험이 크므로, 그 상한치를 0.07%로 한정함이 바람직하다.
또한, 망간은 강중의 황에 의해 발생되는 결함인 에지크랙(edge crack)의 발생을 방지하는 역할을 하는 원소로서, 망간:황의 비(Mn/S의 비)를 가급적 크도록 관리하는 것이 필요하다. 이를 위해 본 발명의 경우 망간의 함량을 0.2-0.5%의 범위로 관리함이 바람직한데, 그 이유는 망간의 함량이 0.2%이하이면 열연판의 목표인장강도 확보가 곤란하고, 0.5%이상이면 열간가공성이 저하될 뿐만아니라 재질특성이 목표치를 벗어나게 되므로 곤란하다.
실리콘은 스케일(scale)결함을 조장하고 강관을 도금하여 백관으로 제조하는 경우 도금밀착성을 떨어뜨리는 원소이다. 통상 기존 밀에서는 그 양을 0.02%이하로 제한하고 있으나, 미니밀공정의 경우에는 상대적으로 Si의 제거에 난점이 있으며 또한 강관의 도금시 0.03%함량까지는 도금성을 크게 저해하지 않기 때문에 그 함량을 0.03%이하로 제한함이 바람직하다.
인은 편석경향이 강한 원소로서 기존 밀의 경우 그 양을 0.02%이하로 제한하고 있으나, 미니밀공정은 주조속도가 빠르기 때문에 기존 밀 대비 주편에서의 편석경향이 훨씬 적은 것으로 알려져 있다. 또한, 강중 P의 제거는 비용상승을 초래하므로 이러한 점을 감안하여 본 발명에서는 P의 함량을 0.03%이하로 완화함이 바람직하다.
황은 망간과 더불어 에지크랙 결함을 발생시키는 경향이 있는 원소로서, Mn/S의 비가 30이하인 경우 에지크랙문제뿐만아니라 용접시 고온균열을 발생시킬 소지가 크다. 그리고, 기존 밀에서는 통상 0.02%이하로 규정되어 있으나 미니밀공정에서는 공정특성상 더욱 엄격히 관리해야 할 필요가 있다. 본 발명의 경우 Mn투입량 절감 측면에서도 S가 적을수록 유리하므로 그 양을 0.015%이하로 관리함이 바람직하다.
산가용성(soluble) 알루미늄은 그 함량이 0.01%이하인 경우 강중 용존산소가 증대하는 문제가 발생하며, 또한 너무 많으면 개재물량이 증가할 뿐만아니라 제조비용측면에서도 비경제적이기 때문에 그 함량을 0.01-0.10%로 제한함이 좋다.
강중 질소는 기존 조업의 경우 강성분중의 함량이 통상 0.007%이하이기 때문에 그다기 문제가 되지 않는 원소이지만, 공정특성상 질소함량이 상대적으로 높은 미니밀공정에서는 질소의 관리가 매우 중요하다. 즉, 강중 질소는 그 양이 많아지면 가공성이 악화되고 또한 취성을 증가시킬 뿐만아니라 고용강화능이 매우 크기 때문에 본 발명에서는 질소함량은 최대 0.01%로 유지함이 바람직하다.
미니밀공정에서 전기로에 의한 용해시 스크랩으로부터 유입되는 강중의 트램프원소는 Cu, Ni, Cr, Mo, Sn, Sb, Zn 등이 주요원소이다. 일반적으로 이들 원소들은 강중에서 치환형 고용원소로 존재하기 때문에 그 양이 많아지면 가공성 등의 제품품질이 저하되기 때문에 트램프원소의 전체 함량을 0.30%이하로 한정함이 좋다. 특히, 상기 트램프원소들중 Cu, Sn, Sb 등의 경우는 주편의 표면결함을 발생시키는 경향이 강한 원소이기 때문에 그 양을 각각 Cu:0.2%이하, Sn:0.05%이하, Sb:0.05% 이하로 제한함이 바람직하다.
또한, 미니밀공정에서 각각의 강중 함유원소들은 열연제품의 인장강도에 미치는 영향도를 고려할 필요가 있다. 즉, 불순물이 없는 순철의 인장강도가 27.5kg/㎟정도이고, 본 발명에서 목표로 하는 강관용 SPHT2강종의 인장강도가 통상 36∼49kg/㎟의 범위, 그리고 연신율은 22%이상이 요구되므로 본 발명에 함유되는 강중 원소들과 인장강도증가량과의 관계를 고려하여 강 조성은
8.5≤65[%C]+7[%Mn]+10[%Si]+90[%P]+600[%N]+80[총트램프원소함량(%)]+0.06(840-마무리압연온도)+0.04(600-권취온도)≤21.5
의 관계를 만족하도록 제어함이 바람직하다.
이와 더불어 본 발명의 대상제품인 SPHT2 강관용 열연제품을 용접하여 강관으로 만들 때 용접성이 매우 중요하다. 즉, 본 발명에서는 상기 열연강판이 양호한 용접성을 갖도록 하기 위해 그 조성은
[%C]+[%Mn]/6+[%Cr+Mo]/5+[%Cu+%Ni]/15+[%Si]/6<0.4
의 관계를 갖도록 함이 좋다.
한편, 상기와 같은 조성을 갖는 강을 전기로에서 용해하여 그 용강을 70mm이하, 바람직하게는 50-70mm 두께의 박슬라브로 주조후 최종목표 두께를 갖도록 열간압연을 실시한다.
상기 열간압연은 가급적 고온을 유지한 상태에서 실시함이 바람직하며, 양호한 미세조직과 재질을 확보하기 위해서는 반드시 오스테나이트(austenite)단상영역에서 마무리한다. 구체적으로는 적어도 830℃이상에서는 열간압연이 종료되어야 한다.
또한, 열연강판은 작업성과 표면결함문제 등을 고려하여 550-700℃의 온도범위에서 권취작업을 실시한다. 구체적으로, 권취온도가 550℃미만의 경우에는 작업성이 크게 저하되며, 700℃를 초과하면 표면스케일 결함이 크게 증가한다.
일반적으로 마무리압연온도 및 권취온도가 낮을수록 인장강도는 상승하기 때문에 기본적으로 두께가 두꺼운 제품일수록 본 발명에 의한 미니밀공정에서는 상기 마무리압연온도 및 권취온도 범위 내에서 마무리압연온도와 권취온도를 제어하므로써 강도편차를 보정할 수 있다.
이에 따라 본 발명의 미니밀의 경우 공정특성상 기존공정에서 여러개로 되어 있는 강관용 강종(SPHT2)의 출강목표를 1개로 운영할 수 있어 출강목표강종의 단순화도 가능하다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다.
[실시예]
하기 표1과 같은 SPHT2강종의 조성을 갖도록 용해하여 용강을 제조하였다. 본 발명강(1)은 스크랩을 이용하여 전기로에서 용해하였으며, 비교강(1)(2)는 고로의 용선을 이용하여 기존의 전로에서 용해하였다.
[표 1]
상기 표1과 같이 조성되는 각 강종을 연속주조하여 슬라브로 제작하여 최종두께를 모두 2.7mm, 9.0mm두께의 열연판을 얻었다. 이때, 연속주조시 발명강은 약 60mm 두께의 슬라브로 만들고, 이 박슬라브를 각각 25mm, 30mm로 조압연한 다음, 최종 열연판을 각각 2.7mm, 9.0mm 두께로 하였다. 반면 비교강은 약 230mm 두께의 슬라브로 만들고, 이 슬라브로부터 조압연, 및 마무리압연을 통해 최종 열연간의 두께를 발명강의 경우와 동일하게 하였다.
각각 열간압연된 열연판을 하기 표2와 같은 온도에서 권취한 다음, 권취코일로부터 시편을 채취하고, 인장강도 및 연신율을 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
[표 2]
상기 표1,2에 나타난 바와 같이, 비교재(1)(2)의 경우 각각 탄소함량이0.08%(비교재1), 0.10%(비교재2)로서 중탄소강, 소위 포정반응영역에 속하는 강을 이용하는 반면, 본 발명재(1)의 경우 탄소함량이 0.05%로서 저탄소강을 이용하고 있다. 그럼에도 불구하고 본 발명의 경우 질소 및 트램프원소의 강화효과에 의해 비슷한 인장강도를 확보할 수 있슴을 보이고 있다. 이처럼 본 발명재의 경우 성분설계에 있어 탄소함량을 0.07%이하의 저탄소강을 기본 성분계로 이용하므로써 미니밀조업시 주편크랙민감영역을 피하는 동시에 중탄소강 대비 주조속도의 상승이 가능하다. 또한, 가공성이나 표면품질을 해치지 않는 범위내에서 스크랩중의 트램프원소등을 강도향상에 이용하는 특징이 있다.
더욱이, 기존의 공정에서는 비교재(1)(2)의 경우를 보면 두꺼운 제품(비교재2)일수록 탄소와 망간함량을 높이는 성분설계에 의해 강도를 보상하여 상대적으로 두께가 얇은 제품(비교재1)의 인장강도와 비슷한 값을 달성하고 있는 반면 각 발명재(1)(2)의 경우 열연 제품의 두께에 관계없이 동일한 성분계로도 열연 마무리압연온도와 권취온도에 차등을 두어 제조하므로써 비슷한 인장강도를 구현할 수 있슴을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 경우 미니밀공정에 의해 인장강도 36∼49kg/㎟ 및 연신율 22%이상의 재질특성을 갖는 SPHT2 강관용 열연판을 제조시 미니밀공정특성을 최대한 이용하므로써 출강목표를 하나의 성분계로 운용하여 열연제품의 두께에 따른 강도편차를 열연조건으로 보정하여 강종의 단순화도 이룰 수 있다. 따라서, 본 발명의 경우 기존의 제철공정에서와는 달리 중탄소강 대비 주조속도의 상승이 가능하므로 생산성을 크게 높일 수 있는 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 미니밀공정에 의해 인장강도 36kg/㎟이상인 강관용 열연강판을 제조함에 있어 미니밀공정특성을 최대한 이용하므로써, 무엇보다도 주편크랙을 피할 수 있고, 기존의 중탄소강 대비 주조속도의 상승이 가능하며, 더욱이 출강 목표조성을 1개로 운용 가능하므로 생산성이 크게 향상되는 효과가 있다.
Claims (4)
- 주로 스크랩을 철원으로 하여 중량%로, C:0.07%이하, Mn:0.2-0.50%, Si:0.03%이하, P:0.03%이하, S:0.015%이하, Soluble Al:0.01-0.10%, 및 N:0.10%이하로 함유되고, 또한 상기 스크랩으로부터 유입된 트램프원소(Cu, Ni, Cr, Mo, Sn, Sb, Zn)의 총함량이 0.30%이하, 그리고 상기 트램프원소중 Cu는 0.2%이하, Sn는 0.05%이하, 및 Sb는 0.05%이하로 조성되도록 전기로 용해하는 공정; 상기 용해된 용강을 두께 70mm 이하의 박슬라브로 연속주조하는 공정; 연속주조된 박슬라브를 오스테나이트단상영역에서 미니밀로 마무리열간압연하는 공정; 및 상기 열연판을 550-700℃의 온도에서 권취하는 공정;을 포함하여 구성되는, 미니밀에 의한 인장강도 36kg/㎟급 강관용 열간압연강판의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 박슬라브의 조성은[%Mn]/[%S]의 비가 30이상, 그리고8.5≤65[%C]+7[%Mn]+10[%Si]+90[%P]+600[%N]+80[총트램프원소함량(%)]+0.06(840-마무리압연온도)+0.04(600-권취온도)≤21.5 이고, 그리고[%C]+[%Mn]/6+[%Cr+%Mo]/5+[%Cu+%Ni]/15+[%Si]/6 <0.4의 관계를 만족함을 특징으로 하는 미니밀에 의한 인장강도 36kg/㎟급 강관용 열간압연강판의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 박슬라브는 830℃이상에서 마무리열간압연됨을 특징으로 하는 미니밀에 의한 인장강도 36kg/㎟급 강관용 열간압연강판의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 열연강판의 최종두께에 따른 강도편차는 박슬라브의 조성으로 조절하지 않고 마무리압연온도와 권취온도를 제어함으로서 조절함을 특징으로 하는 미니밀에 의한 인장강도 36kg/㎟급 강관용 열간압연강판의 제조방법.
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