KR100368553B1 - 고온강도가 우수한 저항복비형 열연강판의 제조방법 - Google Patents

고온강도가 우수한 저항복비형 열연강판의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고온에서 우수한 재질 특성을 나타내어 건축용으로 사용되는 일반강을 대체하여 사용할 수 있도록 하기 위하여 합금원소와 여러 압연조건을 개선한 고온강도가 우수한 저항복비형 열연강판의 제조방법에 관한 것으로, 중량 %로 C : 0.05∼0.10%, Si : 0.6%∼1.0%, Mn : 0.5∼1.0%, P < 0.015%, S < 0.016%, Al : 0.02∼0.1%, Nb : 0.02∼0.06%, Mo : 0.1∼0.3%, Cr : 0.1∼0.3%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순 원소로 구성된 강을 820∼880℃에서 열간 마무리 압연하는 단계와, 냉각 속도 10∼60℃/s범위에서 수냉하는 단계와, 520∼650℃로 권취하는 단계로 이루어진 고온강도가 우수한 저항복비형 열연강판의 제조방법을 제공하는 것을 요지로 한다.

Description

고온 강도가 우수한 저항복비형 열연강판의 제조방법
본 발명은 고온 강도가 우수한 열연강판의 제조방법에 관한 것이고, 특히 고온에서 우수한 재질 특성을 나타내어 건축용으로 사용되는 일반강을 대체하여 사용할 수 있도록 하기 위하여 합금원소와 여러 압연조건을 개선한 고온강도가 우수한 저항복비형 열연강판의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 건축용으로 사용되는 일반 강재는 화재시에 급격한 내력 감소를 나타내므로 붕괴 위험성이 있다. 따라서 이를 방지하기 위해서 강재 표면에 내화 피복을 하여 시공하고 있다. 그러나, 강재표면에 실시하는 이러한 내화피복 시공으로 인하여 시공비 상승, 사용 실공간 감소 및 시공기간 증가 등의 문제점이 있다.
따라서, 온도 상승에 의한 강재의 내력 감소를 방지할 수 있도록 강재 표면에 실시하는 내화 피복을 경감하기 위하여 소재 자체의 고온 강도가 우수한 강재 개발에 대한 노력이 많이 진행되고 있으며, 이에 대한 공지기술은 다음과 같다.
일본 특개평 6-264136호에는 용접성이 우수한 건축용 저항복비 후판 내화강의 제조방법을 개시하고 있는데, 그 합금성분계로는 C : 0.04∼0.15%, Si : 0.05∼0.60%, Mn : 0.5∼1.5%, Mo : 0.1∼0.4%, Nb : 0.005∼0.06%, V : 0.005∼0.06%, Ti : 0.005∼0.03%를 함유하는 Pcm(= C + Si/30 + Mn/20 + Cu/20 + Ni/60 + Cr/20 + Mo/15 + V/10 +5B, 용접성 평가지수) 0.2%이하의 강재를 1050℃이상에서 가열하고, 850∼950℃에서 압연을 종료한 후, Ar3이상의 온도에서 3∼20℃/s의 냉각 속도로 400∼550℃까지 가속 냉각하고, 다시 Ac1∼Ac3의 온도 범위로 재가열하여 500∼650℃에서 소려함으로써 강재를 제조하는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 일본 특개평 7-173532에서도 소재 두께가 60∼70mmt인 용접성이 우수한 건축용 저항복비 내화강의 제조방법에 대해서 개시하고 있다. 여기서는 앞에 소개한 특허와 거의 유사한 성분계, 즉 C : 0.04∼0.15%, Si : 0.05∼0.60%, Mn : 0.5∼1.5%, Mo : 0.1∼0.4%m, Nb : 0.005∼0.06%, V : 0.005∼0.06%, Ti : 0.005∼0.03%, Al : 0.002∼0.1%를 함유하는 Pcm 0.2% 이하의 강재를 1050℃이상에서 가열하고, 850∼950℃에서 압연을 종료한 후 공냉하여 700∼750℃의 온도에서 3∼20℃/s의 냉각 속도로 400∼550℃까지 가속냉각한 후, 500∼650℃에서 소려하고, 필요시 : Cu 0.05∼0.4%, Ni : 0.05∼0.5%, Cr : 0.1∼0.4%, Ca : 5∼50ppm의 1종 이상의 합금 성분을 첨가함에 의해 우수한 재질 특성의 강재를 제조할 수 있다고 보고되고 있다.
또한, 일본 특개평 6-73449에서는 건축용 고강도 내화강판의 제조방법으로 C : 0.05∼0.15%, Si : 0.60%이하, Mn : 0.5∼1.8%, P : 0.03%이하, S : 0.03%이하, sol. Al : 0.003%이하, Mo : 0.1∼0.4%, Nb : 0.005∼0.06%, Ti : 0.005∼0.03%, N : 0.002∼0.007%, Ca 5∼50ppm의 성분계를 이용해서 1050℃로 가열한 후, 1000℃이하에서의 압하율을 50% 이상으로 하고, 850∼950℃에서 압연을 종료하는 건축용 고강도 내화강판의 제조방법에 대하여 보고하고 있는데, 이는 600℃에서 높은 내력과 양호한 용접성을 겸비하고, 낮은 항복비를 나타내는 강재를 제조함으로써 내화피복의 저감 및 생략이 가능하다고 한다. 이 발명의 특징으로는 sol. Al의 첨가량을 제한한 것인데, sol. Al : 0.003% 이하에서 내력이 증가하는 결과를 나타내고 있으나, 구체적인 원인에 대해서는 보고하지 않고 있다.
또한, 일본 특개평 6-57371은 600℃에서의 내력이 높고, 양호한 용접성 및 대입열 용접부 인성을 나타내는 건축용 저항복비 내화강의 제조방법에 대하여 보고하고 있는바, 이는 합금 원소 Mo, Cr의 적정한 첨가 및 200Å이하의 결정립 크기, 106개/mm3이상의 Nb탄질화물을 함유하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 열간압연 후 가속 냉각에 의해 Nb석출을 억제하여 고용 Nb에 의한 변태 강화를 활용하고, 모재조직을 베이나이트(bainite)주체로 만든 후, 소려에 의해 미세한 Nb탄질화물을 다수 석출시켜 석출 강화에 의하여 탄소당량이 낮으면서 고온 강도를 확보하는 것을 특징으로 한다.
한편, 일본 특개평 3-173715에서도 Cr, Mo, Nb를 복합 첨가하고, 제어 압연을 행하여 우수한 고온 강도를 나타내는 강재를 제조한다고 보고하고 있다.
또한, 일본 특개평 7-207338은 건축용 저항복비 내화강판의 제조방법에 대하여 보고하고 있는데, 여기서는 C : 0.04∼0.15%, Si : 0.60%이하, Mn : 0.8∼1.6%, P : 0.03%이하, S : 0.01%이하, Mo : 0.4∼1.0%, Nb : 0.005%이하, V : 0.02∼0.1%, Ti : 0.005∼0.025%, Al : 0.06%이하, N : 10∼60ppm을 함유하며 실질적으로는 Nb를 거의 첨가하지 않은 강재를 재가열하여 850℃ 이상의 온도에서 압연 종료후 공냉함으로써 두께 25mm이하이고 항복비 80%이하의 건축용 저항복비 내화 490N/mm2급 강재의 제조방법에 대해 개시하고 있다. 통상적으로 판두께가 얇은 강재를 열간압연하면, 조직의 미세화, 가공 조직의 생성, 압연후 공냉시 냉각 속도가 빠르기 때문에 항복강도, 인장강도는 상승하고, 이로 인해서 항복비는 상승하는 결과를 나타내는데, 특히 Nb는 상온에서 소재의 항복 강도를 높이는 것으로 많이 알려져 있기 때문에, 이 발명에서는 가능한 한 Nb첨가량을 억제하고 Mo와 V의 양을 조정해서 내화특성과 함께 저항복비를 얻고자 하였다.
또한, 일본 특개평6-248334에서 종래의 고온용 저합금강보다 용접성이 우수하고, 종래의 용접구조용 강재보다도 고온 강도가 우수한 건축구조용 내화강재의제조방법으로, 고온 강도를 향상시키기 위하여 Mo : 0.15∼0.60%, 상온강도 향상을 위하여 Nb : 0.005∼0.10%로 함께 (Mn+Cr+Cu+Ni+500B)를 0.8∼1.6%로 제어한 후, 강재를 1050∼1300℃으로 가열하여 열간압연을 950℃이상에서 종료한 후, 600∼750℃의 범위에서 급냉이후 공냉하는 것을 특징으로 하는 건축구조물용 내화강재의 제조방법을 보고하는데 이는 Mo, Nb탄화물에 의해 고온 강도의 향상을 꾀하고 있는 것이다.
또한, 내화강제를 제조할 수 있는 성분계, 두께 및 제어압연/제어냉각시의 냉각 개시 온도와의 관계를 명확하게 하여, 소정의 강도를 가지는 내화강재의 제조에 대하여, 판두께에 대한 최적의 제조 조건을 제공하는 것으로, 5% ≤ Mo + V + Ceq ≤ 1.0%를 만족하는 성분계를 열간압연가능한 두께로 가열하여 소정의 판두께로 Ar3이상으로 사상압연된 후, 하기 식 1에서 제공하는 온도 Ts±10℃의 온도범위에서 냉각을 개시하고, 550℃이하의 온도까지 매초 1∼50℃/s로 급냉하는 것을 특징으로 하는 상온 강도 490∼720N/mm2의 건축용 내화강재의 제조방법을 제공한다.
Ts = 400 × logK …………… (1)
여기에서, Ts : 냉각개시온도(℃), K = t/(Mo+V+Ceq), t : 최종제품의 두께(mm).
상술한 특허 내용을 간단히 정리하면, 600℃에서의 고온 강도를 향상시키기 위하여, Mo, Cr, Nb, V 등의 합금 원소를 적정량 첨가하고, 제어 압연, 가속 냉각 등의 공정을 적정하게 사용하고 있으며, 일부 Cu, Ni, B, 희토류 원소를 첨가하고있는 것을 특징으로 한다.
그러나, 여전히 건축용으로 사용되는 일반강재가 화재시에 급격한 내력감소로 붕괴위험성을 내재하고 있고, 또한 이를 방지하기 위하여 강재 표면에 실시하는 내화피복 시공으로 인한 시공비 상승, 사용 실공간 감소 및 시공기간증가 등의 문제점이 남아 있으므로 이를 위한 소재자체의 고온강도가 우수한 강재개발에 대한 노력이 더욱 더 요망되는 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 건축물의 화재시 붕괴를 방지하기 위한 내화피복의 두께를 저감하거나 생략할 수 있고, 더욱 정확하게는 상온 및 고온 강도가 우수하여 낮은 항복비(85%)를 가지는 강재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 Si첨가량에 따른 상온 인장 특성의 변화를 나타내는 그래프도.
도 2는 본 발명에 따른 Si첨가량에 따른 항복비의 변화를 나타내는 그래프도.
도 3은 본 발명에 따른 Si첨가량에 따른 600℃ 고온 인장 특성의 변화를 나타내는 그래프도.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 중량 %로 C : 0.05∼0.10%, Si : 0.61%∼1.00%, Mn : 0.5∼1.0%, P < 0.015%, S < 0.016%, Al : 0.02∼0.1%, Nb : 0.02∼0.06%, Mo : 0.1∼0.3%, Cr : 0.1∼0.3%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순 원소로 구성된 강편을 820∼880℃에서 열간 마무리 압연하는 단계와, 냉각 속도 10∼60℃/s범위에서 수냉하는 단계와, 520∼650℃로 권취하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 고온강도가 우수한 저항복비형 열연강판의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명강의 조성범위에 대한 한정이유에 대하여 상세히 설명한다.
C : 소재의 강도를 확보하기 위해서는 필수적인 원소이나, 과다한 첨가는 소재의 용접성을 평가하는 지수인 탄소당량을 상승시켜 용접성을 떨어뜨리며, 또한 충격인성의 확보면에서도 불리하게 작용하기 때문에 그 양을 제한할 필요가 있다. 본 발명에서는 그 하한을 0.05%, 상한을 0.10%로 설정하였다.
Si : 통상 탈산제로 주로 사용하고 있는 원소로, Si 첨가로 인해서 페라이트(ferrite)내에서 C의 확산 속도를 느리게 하기 때문에 탄화물의 형성을 억제하는 역할을 한다. 본 발명에서는 이러한 Si 효과를 이용하여 열연강판에서 탄화물 형성을 억제시킨 강판 상태를 유지하였으며, 이렇게 석출이 억제된 열연강판은 600℃에서 고온인장 시험과정에서 많은 양의 탄화물이 형성되어 고온 강도를 향상시키는 역할을 한다.
이처럼 통상 탈산제로 주로 사용되고 있는 Si을 이용해서 고온 강도를 향상시키고자 한 노력은 아직 진행된 적이 없으며, 본 발명의 경우, Si 첨가량이 0.61%미만에서는 그 효과가 적으며, 또한 Si이 너무 과도하게 첨가되는 경우는 표면에 묽은형 스케일의 형성으로 인한 결함을 나타내기 때문에 상한을 1.00%로 제한한다.
Mn : 강의 강도를 향상시키는 원소로 본 발명에서 보인 것처첨 고강도를 나타내기 위해서는 0.5% 이상은 첨가되어야 하나, 너무 과도한 Mn의 첨가는 비금속 개재물의 양을 증가시키고 편석도를 증가시키기 때문에 인성을 확보하기 어려우며, 또한 용접상 측면에서도 불리하게 작용하기 때문에 그 상한을 1.0%로 제한한다.
P, S : P는 페라이트 형성을 조장하는 원소로 강의 강도를 해치지 않고 연성을 증가시킬 수 있으나, 일반적인 강재의 제조시 편석이 극심한 원소로 중심편석 형성으로 재질을 열화시킨다. 또한 S는 MnS로 대표되는 비금속 개재물을 형성하여강의 가공중 크랙을 발생시키는 결함을 발생시키기 쉽다. 따라서 P, S는 가능한한 낮게 관리하는 것이 바람직하며, 통상 현재의 제강방법에 의해 저P화 및 저S화를 일반적으로 이룰 수 있는 수준인 0.015% 이하 및 0.016% 이하가 바람직하므로 본 발명에서는 이와 같이 제한하였다.
Al : 탈산을 위하여 주로 사용되는 원소로 페라이트의 형성을 도우므로 가공성 향상측면에서 유리하다. 이 경우 0.02% 정도 이상이 되어야 강중 산소가 충분히 제거되고, 또한 AlN의 형성으로 조직의 미세화에도 기여하게 된다. 함유량이 많은 경우에는 용접중 산화물의 형성으로 용접 결함을 생성시키기 쉬운 것으로 알려져 있기 때문에 0.1%를 상한선으로 정하였다.
Nb : 오스테나이트의 재결정을 억제하여 압연후 냉각 과정에서 생성되는 페라이트 결정립을 미세화시키고, 또한 생성되는 탄질화물에 의해 강의 상온 강도 및 고온 강도를 상승시키는 원소로, 첨가량이 적은 경우 강도가 낮아지며, 첨가량이 과도한 경우에는 상온에서의 항복 강도 상승폭이 인장 강도 상승폭보다 커져서 항복비를 급격하게 상승시키는 역할을 한다. 따라서, 본 발명에서는 Nb의 하한을 0.02%, 상한을 0.06%로 각각 제한한다.
Mo : 고온 강도 향상에 필수적인 원소로, 미세한 탄화물을 형성시켜 600℃에서의 강도 향상에 크게 기여하는 원소이다. 그러나, 0.1% 미만에서는 그 효과가 적고, 0.3% 이상 첨가시에는 고가의 합금 원소로 강재의 가격이 상승하기 때문에 상기와 같이 그 범위를 제한한다.
Cr : Mo와 마찬가지로 미세한 탄화물을 형성시켜 고온 강도 향상에 유효한원소로, 0.1% 미만에서는 그 효과를 기대하기 어렵고, 0.3% 이상에서는 그 효과가 포화되며 또한 경제적인 측면에서도 불리하기 때문에 그 범위를 제한한다.
본 발명에 관한 열간압연조건을 살펴보면, 본 발명의 재질을 결정하는데 중요한 열간 마무리 압연온도 820∼880℃가 바람직하고, 그 후 10∼60℃/s의 냉각 속도로 수냉을 실시하며 권취 온도 520∼850℃로 하여 작업하는 경우에 TS 50kg급으로 600℃에서 22kg/mm2이상의 항복 강도를 가지면서, 항복비 85% 이하를 나타내는 소재를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명하기로 한다.
(실시예 1)
표 1은 시험재의 화학 성분 및 열간압연 조건을 나타냈고, 표 2는 각 시험재의 기계적 성질에 대해서 정리한 것이다.
Si첨가량에 따른 상온 재질 변화를 조사하기 위하여, 본 발명에 따른 Si첨가량을 변화시킨 A1, A2, A4강의 인장 특성을 도 1에 나타내었는데, Si이 증량됨에 따라 상온 인장 강도는 증가하고 있는 것을 볼 수 있다. 이와 같은 경과는 고용강화 원소인 Si 첨가에 기인되는 것으로, Si를 0.05% 첨가에서 0.86%로 증량함에 의해 대략 5kg/mm2정도 인장 강도가 상승하는 것을 볼 수 있다. 한편, 항복 강도는 Si를 0.05%에서 0.49%로 증량함에 따라 2kg/mm2증가하다가 0.86%로 더욱 증량함에 의해 다소 감소하는 것을 볼 수 있다. Si첨가량에 따라 이와 같은 상온 인장 특성을 나타내는 본 시험재의 항복비(항복강도÷인장강도×100)의 변화를 도 2에 나타낸 바와 같이 감소하였음을 알 수 있다.
내화강의 경우, 통상 건축구조용 후판재로 많이 사용되고 있고, 굽힘가공 등의 변형이 비교적 작은 곳에 사용되나, 본 발명재와 같이 열연재로 사용되는 경우는 조관 성형(pipe forming)을 실시하여 파이프 형태로 사용되기 때문에 조관 성형을 용이하게 하기 위해서 항복비를 낮게 하는 것이 유리하다. 도 2에서 Si 첨가량이 0.05%(A1강), 0.49%(A2강), 0.86%(A3강)인 경우에 항복비는 각 각 88.3%, 86.3%, 82.2%를 나타내어 Si첨가량이 증가함에 따라 항복비는 감소하는 것을 볼 수 있으며, 본 발명에서 목표로 하는 85%이하의 항복비를 얻기 위해 Si첨가량은 0.61%이상 첨가해야 할 것으로 생각된다.
(실시예 2)
건축물에 사용되고 있는 일반강의 경우, 화재시에 급격한 내력 감소로 인한 붕괴 위험성을 내포하기 때문에, 고온에서 강도가 우수한 강재인 내화강이 요구되었다. 통상 강재의 내화성을 평가하기 위해서 600℃에서 인장 시험을 실시하여, 고온 항복 강도가 상온 항복 강도의 2/3이상을 나타내는지로 평가하고 있는데, 본 발명에서 목표로 하고 있는 TS 50kg급 강재의 경우 600℃ 고온 인장 시험에서 22kg/mm2이상의 항복 강도를 나타내어야 한다.
도 3은 Si첨가에 따른 고온 재질특성의 변화를 조사하기 위하여, Si첨가량이 각 각 0.05%, 0.49%, 0.86%인 A1, A2, A4강의 600℃에서의 강도 변화를 나타낸 것으로, A1, A2, A4강에서 각각 23.8, 25.1, 26.0kg/mm2의 항복 강도를 나타내어 Si첨가량이 증가함에 따라 항복강도는 계속해서 증가하는 것을 볼 수 있다. 통상 고온 강도는 600℃에서 진행되는 인장 시험중에 미세한 Mo, Cr계 탄화물들이 석출되어 전위의 이동을 방해하기 때문에 고온 강도가 상승하는 것으로 많이 알려져 있으며, 따라서 고온 인장 시험시에 많은 양의 탄화물을 석출시키기 위해서는 인장 시험전소재에서는 가능한한 탄화물의 석출을 억제하고, 인장 시험중에 많은 양의 탄화물을 석출시키는 것이 유리하다.
일반적으로 Si는 탄화물 형성을 억제하는 원소로 많이 알려져 있으며, 이러한 Si의 역할에 기인하여 인장 시험전 소재 상태에서는 탄화물의 석출이 억제되고, 인장 시험전 석출된 탄화물이 적은 소재는 인장 시험이 진행되는 과정에서 탄화물 석출이 활발하게 진행되기 때문에, Si첨가량이 증가함에 따라 고온강도는 향상되는 것으로 보인다.
한편, Si를 0.86% 첨가한 A3강에서 보이는 항복 강도는 21.1kg/mm2을 나타내어 TS 50kg급 규격에 미달되는 것을 볼 수 있는데, 이것을 A3강의 경우 권취 온도가 다른 강재(A4, A5강)에 비해 높기 때문이다. 즉, 권취 온도가 높은 경우는 소재 상태에서 많은 양의 탄화물이 석출되기 때문에, 이미 소재 상태에서 석출된 탄화물들은 인장 시험중 고온으로 유지되는 과정에서 조대화하여 고온 강도 향상에 크게 기여하지 못하는 것으로 생각된다. 또한, 인장시험전에 많은 양의 탄화물이 이미 석출되었기 때문에 고온 인장 시험중 새로 형성되는 탄화물 분율도 적어져서 강도가 낮게 나타나는 것으로 생각된다. 따라서, 고온 강도를 증가시키기 위해서는 권취 온도 범위는 650℃ 미만으로 낮게 설정하는 것이 바람직할 것으로 생각된다.
한편, Mo를 첨가하지 않은 A9강과 Mo, Cr을 첨가하지 않은 A10강의 고온 항복 강도는 각각 20.6, 15.6kg/mm2으로 나타나고 있는데, 이것은 고온 강도 향상에 유리한 Mo, Cr을 첨가하지 않음으로써 본 발명에서 목표로 하는 TS 50kg/mm2급 내화강재 규격인 22kg/mm2에 미달되는 것을 볼 수 있으며, 따라서 고온 강도 향상을 위해서는 Cr, Mo는 필수적인 원소임을 확인할 수 있다.
A6, A7, A8강은 C, Mn양을 제한하기 위한 것으로, A6강(0.25% Si)에 비해 C양이 감소되고 Mn양이 증량된 A7강과 A6강에 비해 C양 증량, Mn양이 감소된 A8강의 고온 항복 강도는 각 각 23.7, 22.5kg/mm2이며, 이는 A6강에 비해 1.4, 2.6kg/mm2정도 감소되고 있음을 알 수 있다.
따라서, 고온 항복 강도 측면에서 적정양의 C, Mn 첨가가 필요한 것을 확인할 수 있으며, 따라서 본 발명에서는 C양은 0.05∼0.1%로 제한하고, Mn은 0.5∼1.0%로 제한한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따라 열간 마무리 압연온도와 냉각속도, 권취온도를 조절하고 강의 Si함량을 조절함으로서 TS 50Kg급으로 600℃에서 22Kg/mm2이상의 항복강도를 가지면서 항복비 85%이하를 나타내는 소재를 제조할 수 있으므로 특히 고온에서 우수한 재질 특성을 나타내어 건축용으로 사용되는 일반강을 대체하여 사용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 고온강도가 우수한 저항복비형 열연강판의 제조방법에 있어서,
    중량%로 C : 0.05∼0.10%, Si : 0.61%∼1.00%, Mn : 0.5∼1.0%, P : 0.015% 이하, S : 0.016% 이하, Al : 0.02∼0.1%, Nb : 0.02∼0.06%, Mo : 0.1∼0.3%, Cr : 0.1∼0.3%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순 원소로 구성된 강을 820∼880℃에서 열간 마무리 압연하는 단계와,
    냉각 속도 10∼60℃/s범위에서 수냉하는 단계와,
    520∼650℃로 권취하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 고온강도가 우수한 저항복비형 열연강판의 제조방법.
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