KR100435446B1 - 저온인성이우수한인장강도60kgf/㎟급강재의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유정등지에서 원유 또는 천연가스를 정제시설까지 운송할 때 쓰이는 수송용 강재의 제조방법에 관한 것으로, 강의 성분을 적정범위로 조성하고, 조성된 강의 열간압연조건 및 냉각조건을 적절히 제어함으로써, 저온인성이 우수하고 인장강도가 60kgf/mm²급 강재를 제조할 수 있는 방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기한 목적달성을 위한 본 발명은 인장강도가 60Kg/mm²급 강재를 제조하는 방법에 있어서, 중량 %로 C:0.05%~0.09%, Mn:1.2%~2.0%, Si:0.2~0.5%, Al:0.02%~0.06%, Ti :0.01~0.03%, Nb:0.04~0.06%, V:0.05~0.07%, B:0.001~0.002, S:0.002% 이하, P:0.02%이하, N:10~100ppm, 0:0.01%~0.05%, Ca.10~100ppm, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순원소로 조성되는 강 슬라브를 1050℃~1300℃의 온도범위에서 가열한 후 재결정 영역에서 열간압연하고, 60%~80%의 압하량 범위로 재결정 온도 이하의 미재결정 영역에서 열간압연하여 Ar₃±30℃의 온도범위에서 종료하는 열간압연단계; 및 상기와 같이 열간압연된 열연판을 10~20℃/sec의 냉각속도 범위로 400~600℃의 온도범위까지 수냉한 다음, 상온까지 공냉하는 냉각단계를 포함하여 이루어지는 저온인성이 우수한 60kgf/mm²급 강재의 제조방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

저온인성이 우수한 인장강도 60kgf/㎟급 강재의 제조방법

본 발명은 유정등지에서 생산되는 원유 또 천연가스를 정제시설까지 운송하는 석유 수송용관 등에 쓰이는 강재의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인장강도 60Kgf/mm²급 이상을 유지하면서 극한지에 요구되는 저온인성을 크게 개선시킨 강재의 제조방법에 관한 것이다.

최근, 석유수송용 강재는 대구경화(大口硬化)되고 있는 추세이므로 이러한 강재로 사용하기 위해서는 인장강도가 60Kgf/mm²을 상회하는 고강도가 필요하며, 또한 시베리아 등의 극한지(極寒地)에 활용될 수 있기 위하여는 -20℃에서의 챠피 충격에너지가 300J/cm 이상의 저온인성이 필요하게 되었다.

한편, 석유자원의 많은 소비와 그 양의 한정에 의해 자원고갈 문제가 대두되고 있는 실정이다. 따라서, 그 동안 개발이 보류되어 왔던 시베리아 등의 극한지에 매장되어 있는 석유 자원 개발의 필요성이 부각되고 있다. 이러한 이유로 극한지용 석유수송 강재 등의 연구개발이 활발하게 진행되고 있다. 극한지용 석유소송용강은 특히 고강도 및 저온인성이 우수해야만 한다.

종래에는 석유수송용강의 제조방법에 있어 수송 능력의 효율성을 높이기 위하여 C, Mn 등의 합금원소를 다량 첨가하여 강재의 강도를 높이는 방법이 주로 이용되어 왔다. 또한, 석유수송용 강재의 후속 필수공정인 용접시의 용접성을 개선시키기 위하여는 합금 원소의 함유를 가급적 줄이고, 이에 따른 강도 저하는 가속냉각을 통한 미세조직의 제어를 통하여 보상하는 방법이 주로 이용되어 왔다.

그런데, 상기와 같은 방법을 통하여 얻어지는 미세조직은 미세한 페라이트 및 퍼얼라이트 밴드 조직으로 강도 및 용접성은 어느정도의 수준을 만족시키고 있으나, 저온인성을 확보하기 위해서는 미세한 페라이트 기지에 제 2상조직을 저온변태 조작인 베이나이트로 대체해야만 하는 문제점이 있다.

본 발명은 합금성분을 적정범위로 조정하고, 강의 열간압연조건 및 냉각조건을 적절히 제어하므로써, 저온인성이 -20℃에서 300J/cm이상의 챠피충격에너지를갖으면서 인장강도가 60Kgf/mm²급인 강재를 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

제 1도는 발명강과 비교강의 항복강도, 인장강도 및 연신율을 비교하여 나타낸 그래프

제 2도는 발명강과 비교강의 저온인성(-20℃에서의 챠피충격에너지)을 비교하여 나타낸 그래프

제 3도 (a)는 발명강의 미세조직 사진, (b)는 비교강의 미세조직사진

제 4도는 발명강의 전자주사현미경 관찰사진

본 발명은 인장강도가 60Kg/mm²급 강재를 제조하는 방법에 있어서, 중량 %로 C:0.05%~0.09%, Si :0.2~0.5%, Mn:1.2%~2.0%, Al:0.02%~0.06%, Ti :0.01-0.03%, Nb:0.04~0.06%, V:0.05~0.07%, B:0.001~0.002, S:0.002% 이하, P:0.02%이하, N:10~100ppm, 0:0.01%~0.05%, Ca:10~100ppm, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강 슬라브를 1050℃~1300℃의 온도범위에서 가열한 후 재결정 영역에서 열간압연하고, 60%~80%의 압하량 범위로 재결정 온도 이하의 미재결정 영역에서 열간압연하여 Ar₃±30℃의 온도범위에서 종료하는 열간압연 단계; 및 상기와 같이 열간압연된 열연판을 10~20℃/sec의 냉각속도 범위로 400~600℃의 온도범위까지 수냉한 다음, 상온까지 공냉하는 냉각단계를 포함하여 이루어지는 저온인성이 우수한 60Kgf/mm²급 강재의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명의 성분한정 이유에 대해 설명한다.

상기 강의 합금성분중 C은 그 함량이 0.05%미만이면 제 2상 조직의 분율이 저하하여 강도가 저하되고, 0.09%를 초과하면 강도는 증가하나 충격인성, 특히 저온인성을 해치고 용접시의 용접성을 저하시킨다. 따라서, 본 발명에서는 C의 함량을 0.05~0.09%범위로 한정하는 것이다.

상기 Si은 제강시에 탈산제로서 첨가되며 고용강화 효과도 있다. 그러나, 그 함량이 0.2%미만이면 효과가 미흡하고, 0.5%이상 첨가되면 용접성이 저하되며 강판표면에 산화피막이 심하게 형성된다. 따라서, 본 발명에서는 Si의 함량을 0.2~0.5% 범위로 제한하는 것이다.

상기 Mn은 S와 결합하여 연신된 비금속개재물인 MnS을 형성하여 상온연신율 및 저온인성을 저하시키므로 2.0% 이하로 관리하는 것이 바람직하다. 또한, 그 함량이 1.2% 미만이 되면 강의 경화능을 저하시켜 가속냉각시에 제 2상 조직으로 베이나이트를 형성하기 어려워 강도 확보가 어렵다. 따라서, 본 발명에서는 Mn의 함량 1.2∼2.0%로 제한하는 것이다.

상기 Al은 제강시에 탈산제로 첨가되는 성분으로, 그 함량이 0.02미만이면 탈산의 효과가 미흡하다. 또한, 그 함량이 0.06%를 초과하면 비금속 산화물인 Al₂O₃를 형성하여 충격인성을 저하시킨다. 따라서, 본 발명에서는 Al의 함량을 0.02~0.06% 범위로 제한하는 것이다.

상기 Ti은 강의 응고과정에서 TiN 석출물을 형성하여 주괴를 가열하는 동안에 결정립의 성장을 억제하고, 열간압연과정에서 재결정립의 성장을 억제함으로서, 강의 결정립 미세화에 큰 역할을 하는 주요한 원소이다. Ti의 적정 첨가량은 N의 함량에 따라 변하게 되는데, Ti 첨가가 0.01%미만으로 질소량에 비해 상대적으로 적으면 형성되는 TiN의 양이 적어서 결정립을 미세화시키는데 불리하다. 반면 0.03%를 초과하는 과량으로 첨가되면 가열 중 TiN이 조대해져서 또한 결정립 성장억제효과가 감소하게 된다. 따라서 본 발명에서는 Ti의 첨가량을 0.01~0.03%로 제한하는 것이다.

상기 Nb은 오스테나이트에 고용되어 오스테나이트의 경화능을 증대시켜, 페라이트 변태온도를 낮추어 페라이트 입도를 미세하게 하는 효과가 있고, 또한 페라이트 변태 후에 기지(Matrix)와 정합을 이루는 탄질화물(Nb(C,N))로 석출함으로써 강의 강도를 증가시키는 중요한 원소이다. 본 발명의 특징이 가속냉각에 의한 베이나이트 조직의 형성에 의하여 강도 및 저온인성이 우수한 강을 제조함에 있으므로 가속냉각 효과를 극대화하기 위하여는 Nb을 0.04%이상으로 다량 함유시키는 것이 중요하다. 그러나, 그 함량이 0.06%를 초과하더라도 더 이상의 효과 증대를 기대할 수 없으며, 과량 첨가로 인해, 페라이트 내에 고용된 상태로 존재하여 충격인성을 저하시킬 위험이 있고, 용접성을 저하시킬 수도 있다. 따라서, 본 발명에서는 Nb의 첨가량을 0.04%~0.06%로 제한하는 것이다.

상기 V는 냉각중에 VC를 형성하여 석출강화 및 입계성장 억제에 기여하며, 가속냉각시에 미세한 VC가 석출하여 강도를 증가시키는 성분이다. 그러나, 그 함량이 0.05%미만이면 상기 효과가 미흡하고, 그 함량이 0.07%를 초과하면 조대한 VC가 취성을 유발시키고 용접성을 저해한다. 따라서, 본 발명에서는 V의 함량을 0.05%~0.07%로 제한하는 것이다.

상기 B은 소입성을 증대시킬 뿐만 아니라 입계에 편석하여 입계의 결합력을 증진시키는 것으로 알려져 있다. 이는 입계를 따라 파단이 진전되는 인성 파괴 특성을 보이는 강에서의 저온인성을 증진시키는데 B이 큰 기여를 하게됨을 의미한다.따라서 이러한 효과를 얻기 위해 B을 0.001%이상 함유시키는 것이다. 그러나 그 함량이 0.002%를 초과하면 입계를 오히려 취화시키는 경향이 있다. 따라서, 본 발명에서는 B의 함량을 0.001%∼0.002% 범위로 제한하는 것이다.

상기 P는 충격인성에 특히 나쁜 원소로서 함량이 낮으면 낮을수록 좋으나 제강과정에서 피할 수 없는 원소이므로 물성에 해로운 영향을 끼치지 않도록 그 함량을 0.02% 이하로 제한하는 것이다.

상기S은 MnS의 비금속 개재물로 존재하여 열간압연에 의하여 길게 연신되어 강판물성의 이방성을 조장하고 충격인성을 저하시키므로 그 함량을 0.002%이하로 제한하는 것이다.

상기 합금 성분외에 다른 합금 성분인 N, O 및 Ca은 석유수송용 강재의 경우 통상함유되는 성분으로서, 그 함량 또한 통상의 범위인 N:10~100ppm, 0:0.01%~0.05% 및 Ca:10∼100ppm으로 함유되는 것이다.

이하, 열간압연 및 냉각에 대해 보다 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명에서는 상기와 같이 조성되는 강의 슬라브를 1050℃~1300℃의 온도범위에서 가열한 후 재결정 영역에서 열간 압연하고, 60%~80%의 압하량 범위로 재결정 온도 이하의 미재결정 영역에서 열간압연하여 Ar₃±30℃의 온도범위에서 종료하는 열간압연을 행하는 단계를 거친다.

상기와 같이 조성되는 강의 슬라브를 열간압연 하기전에 1050~1300℃의 온도범위에서 가열해주게 되는데, 그 이유는 다음과 같다. 본 발명에서는 Nb를 오스테나이트 중에 용해된 상태로 존재하도록 하여, 이 Nb에 의한 경화능 증가로 생기는 변태온도의 강하로 페라이트를 미세화 시키는 것이 강도 및 저온인성 향상을 위하여 주요한 점이다. 슬라브 상태에서는 Nb이 C과 결합하여 탄화물 NbC로 존재한다. 따라서 열간압연전에 슬라브를 1050℃이상으로 가열하여 NbC가 용해되어 Nb이 원자상태로 존재하도록 해야한다. 단지, 가열 온도가 1300℃ 이상일 경우에는 오스테나이트 입자가 너무 조대화되고, 강중에 델타 페라이트(δ-ferrite)가 일부 생성되어 강판의 성질을 열화시키므로 슬라브 가열온도를 1050~1300℃범위로 하는 것이다. 상기 가열온도로 가열된 주괴는 재결정영역에서 열간압연후 재결정온도 이하의 미재결정 영역에서의 압하량이 60~80%가 되도록 미재결정 압연한다.

압하량이 60% 이하일 경우에는 미재결정 압연에 의한 페라이트 입자 미세화를 기대할 수 없고 80% 이상일 경우에는 압연 후에 판내에 극심한 재질편차가 우려되므로 압하량은 60~80% 범위로 관리하는 것이다.

이때 미재결정 압하 개시온도(T4)는 재결정 온도보다 50℃가량 낮은 낮은 것이 적당한 데 재결정온도(R)은 조성에 따라 변하며 경험식에 의해, 하기식(1)로써 계산될 수 있다.

상기 식(1)은 재결정온도와 조성간의 관계를 연구하던중 얻어진 데이터를 희귀분석하여 얻어낸 식이다.

압연종료온도(T5)는 강도이외에도 저온인성에 밀접한 연관이 있으므로 특히엄격하게 관리해야 하는 지표이며 Ar₃를 기준으로 ±30℃ 정도에서 압연을 종료하여야 한다. 압연종료온도(T5)가 너무 높으면 연성, 저온인성 등은 우수하지만 강도가 저하되고, 압연종료온도가 너무 낮으면 이상역 압연이 발생하여 연신된 페라이트와 퍼얼라이트가 존재하고 퍼얼라이트 밴드가 형성되어 연성 및 저온인성을 매우 저하시키므로 압연종료온도는 하기식(2)의 Ar₃를 기준으로 ±30℃ 이내에서 관리하는 것이 바람직하다.

상기 식(2)는 Ar3온도와 조성간의 관계를 연구하던중 얻어진 데이터를 중희귀분석하여 얻어낸 식이다.

다음으로, 본 발명에서는 열간압연된 열연판을 10~20℃/sec의 냉각속도 범위로 400~600℃의 온도범위까지 수냉한 다음, 상온까지 공냉하는 냉각단계를 거친다.

압연후 조직의 대부분이 연신된 오스테나이트이므로 이를 가속냉각하여 침상 페라이트와 베이나이트의 혼합조직으로 조직을 제어해야 하므로 가속냉각속도는 가능한한 빠른 냉각속도가 유리하나 실생산 가능성을 고려하여 10~20℃/sec 범위의 냉각속도로 400~600℃까지 가속냉각 하는 것이 바람직하며 이후 상온까지는 공냉한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

실시예

하기 표 1과 같이 조성되는 저합금강의 슬라브를 제작하였다. 여기서 강종A,B는 진공용해재로서 본 발명의 범위를 만족하는 발명강이고, 강종 C,D,E는 현재 제철소에서 생산되는 동급 강종으로서 본 발명의 범위를 만족하지 못하는 비교강이다.

상기 표1과 같은 성분의 슬라브 A,B를 1250℃로 가열하여 조압연 한 후 미재결정압하 개시 온도(T4)=890℃, 압연종료온도(T5)=730℃, 냉각개시온도(SCT)=720℃, 냉각종료온도(FCT)=520℃가 되도록 사상압연 및 가속냉각하였는데, 이때의 냉각속도는 각각 10.8℃/sec, 11.3℃/sec 이었다.

한편, 상기 표1과 같은 성분의 슬라브 C, D, E는 통상적인 방법으로 열간압연 및 냉각하였다.

(실시예 1)

상기와 같이 제조된 시편들에 대한 항복강도, 인장강도, 연신율 등을 측정하고 그 결과를 하기 제 1도에 나타내었다. 발명재과 비교재 모두 인장강도 60kg/mm²으로써 비교강 C,D,E 보다 우수한 인장강도를 보여주고 있다.

(실시예2)

상기와 같이 제조된 시편들에 대한 -20℃에서의 챠피충격치 값을 측정하고 그 결과를 하기 제 2도에 나타내었으며, 상기 비교재의 챠피충격치를 함께 도시하였다. 비교재에 비해 발명재의 저온인성 값이 월등히 우수함을 볼수 있다.

(실시예 3)

상기 실시예 1 및 실시예 2에서 알 수 있듯이 발명재가 비교재에 비하여 강도 및 저온인성이 고루 우수하였다. 이는 합금원소, 압연 및 냉각 조건을 적정 제어함으로써 얻어지는 본 발명재의 미세조직이 타 비교재에 비해 우수하기 때문이다.

제 3도는 발명재인 강종 A와 비교재인 강종 C의 미세조직 사진이다. 강종 C는 불균일한 페라이트 기지에 퍼얼라이트가 밴드 형상으로 분포되어 있는 반면, 강종 A는 미세하고 균일한 페라이트에 제 2상으로 베이나이트가 고루 분포되어 있음을 볼 수 있다. 또한, 제 4도는 발명재인 강종 A의 전자현미경 조직사진으로써 미세조직이 페라이트 + 베이나이트로 형성됨을 보여주고 있다.

상기한 바와같이, 본 발명에 의하면 인장강도 60kg/mm²급을 만족하고, 저온 인성이 우수하면서 용접성이 우수한 강재가 제공된다. 이러한 강재는 극한지 등지에서 석유나 천연가스 등의 수송용 강재로서의 우수한 효과를 나타낸다.

Claims (2)

1. 인장강도가 60Kg/mm²급 강재를 제조하는 방법에 있어서, 중량 %로 C:0.05%~0.09%, Si:0.2~0.5%, Mn:1.2%~2.0%, Al:0.02%~0.06%, Ti :0.01~0.03%, Nb:0.04~0.06%, V:0.05~0.07%, B:0.001~0.002, S:0.002% 이하, P:0.02%이하, N:10~100ppm, 0:0.01%~0.05%, Ca:10~100ppm, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강슬라브를 1050℃~1300℃의 온도범위에서 가열한 후 재결정 영역에서 열간압연하고, 60%~80%의 압하량 범위로 하기 재결정 온도(R),

   이하의 미재결정 영역에서 열간압연하여 Ar₃±30℃의 온도범위에서 종료하는 열간압연 단계; 및 상기와 같이 열간압연된 열연판을 10~20℃/sec의 냉각속도 범위로 400~600℃의 온도범위까지 수냉한 다음, 상온까지 공냉하는 냉각단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저온인성이 우수한 60Kgf/mm²급 강재의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 Ar₃를 하기식

   Ar₃(℃) = 910-310C-80Mn에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 저온인성이 우수한 60kg/mm²강재의 제조방법.