KR100482201B1 - 권취 품질이 우수한 라인파이프용 열연강판의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유전 및 천연가스 수송관의 소재로 사용되는 고인성-고강도 라인 파이프용 열연강재의 제조방법에 관한 것으로, 그 목적은 압연공정과 권취공정에서 내부응력의 적절한 해소와 굽힘에 의한 응력을 방지하여 권취품질을 확보할 수 있는 라인파이프용 열연강판의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로 C:0.04~0.07%, Mn:1.50~1.70%, Si:0.15~0.25%, P:0.010%이하, S:0.003%이하, Nb:0.040~0.060%, V:0.040~0.060%, Ti:0.010~0.025%, Mo:0.10~0.30%, Ni:0.10~0.30%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 슬라브를 재가열하여 열간압연하고 권취하는 방법에 있어서,

상기 재가열된 슬라브의 마지막 조압연 이전의 2회 조압연후에는 각각 공냉대기하여 조압연하는 단계, 상기 조압연 바를 사상압연기의 스탠드 사이에서 냉각수를 분사하면서 사상압연하는 단계 및

상기 사상압연한 열연판을 500~590℃의 온도로 권취하면서 권취코일의 외측에 냉각수를 분사하는 단계를 포함하여 이루어지는 권취품질이 우수한 라인파이프용 열연강판의 제조방법에 관한 것을 그 기술요지로 한다.

Description

권취 품질이 우수한 라인파이프용 열연강판의 제조방법{Method for hot rolled steel sheet having excellent coiling quality for line pipe}

본 발명은 유전 및 천연가스 수송관의 소재로 사용되는 고인성-고강도 라인 파이프용 열연강재의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 압연공정과 권취공정에서의 내부응력의 적절한 해소와 굽힘에 의한 응력해소에 의해 권취 품질을 확보할 수 있는 라인파이프용 열연강판의 제조방법에 관한 것이다.

석유 수송용 강관은 기존의 유정들이 말기로 접어들면서 불순물의 유입에 따른 내환경성이 중요하다. 또한, 새로운 유정들은 열악한 기후의 극지방으로 이동하고 있어 저온인성이 중요시 되고 있다. 그리고, 건설비를 절감하기 위해 대구경-고강도화의 추진에 따라 후물의 라인파이프가 요구되고 있다.

사용환경이 극한랭지로 이동함에 따라 강재의 요구두께는 두꺼워졌고, 이를 위해 초기에는 15mm이상의 두께의 경우 후판(Plate)을 사용하였다. 그러나 후판을 이용하여 조관하는 경우 코일을 소재로 하여 강관을 만드는데 비하여 비용증가 및 생산성 하락이 발생한다. 따라서, 생산성 및 비용절감을 통한 경쟁력을 확보를 위하여 두께 15mm이상의 경우에도 열연코일의 공급을 요구하게 되었다. 15mm이상의 열연코일에 대해서도 강도뿐만 아니라 저온인성 요구수준 또한 엄격해지고 있다. 이른바 극저온 충격인성 및 고강도 라인 파이프용 열연강재를 요구하고 있고, 이에 대한 제조방법으로 저온압연, 저온인성 방법이 새롭게 개발 되고 있다.

저온압연, 저온인성 제조방법에 적용되는 강슬라브는, 중량%로 C:0.04~0.07%, Mn:1.50~1.70%, Si:0.15~0.25%, P:0.010%이하, S:0.003%이하, Nb:0.040~0.060%, V:0.040~0.060%, Ti:0.010~0.025%, Mo:0.10~0.30%, Ni:0.10~0.30%를 포함하여 조성되는 강이다. 이 슬라브를 1150℃~1200℃에서 재가열하고, 조압연 최종패스시 10~25%로 압연하고 890~930℃에서 마무리 조압연하여 45~55mm의 조압연바를 얻은 다음, 마무리온도를 790~830℃의 조건으로 사상압연하고, 560~600℃에서 권취하고 있다. 권취된 열연강판은 미세한 침상 페라이트(Acicular Ferrite)의 조직으로서, 라인 파이프용 열연강판으로서 인성 및 강도를 갖추고 있다. 이런 제조 과정중에 도 2의 (가)와 (나)부에서의 변태와 재결정에 따른 조직내부의 부피변화에 따른 내부응력이 발생하여 도 3에서 보여주는 대로 저온 변태에 따른 내부응력, 그리고, 도 4(a) 와 같은 권취시 굽힘에 따른 반력 등의 해소를 하지 못하고 있어 코일(Coil) 길이방향, 폭방향 불균일 응력에 의한 권취불량이 발생한다.

즉, 종래의 제조방법으로는 강도 및 인성을 만족 시킬 수 있으나, 도 1과 같이 권취후 권취코일이 풀어지거나 과도한 텔레스코프 (Telescope)가 빈번하게 발생하는 문제점이 있다. 즉, 저온압연에 의한 조직 미세화를 통해서 저온인성-고강도 강을 제조하는 기술은 많은 진척을 보이고 있으나, 후판이 아닌 코일(Coil)로 생산하여 상업적으로 쉽게 이용할 수 있는 기술개발은 미진한 상태이다. 특히, 권취품질을 확보하면서 저온인성과 고강도를 확보할 수 있는 기술은 전무하다.

따라서, 본 발명에서는 열연공정의 단위공정별로 제조 조건을 제어하여 저온인성 및 고강도를 확보하면서 상업적으로 요구되는 권취품질을 확보할 수 있는 열연강판의 제조방법을 제공하는데, 그 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 라인파이프용 열연강판의 제조방법은, 중량%로 C:0.04~0.07%, Mn:1.50~1.70%, Si:0.15~0.25%, P:0.010%이하, S:0.003%이하, Nb:0.040~0.060%, V:0.040~0.060%, Ti:0.010~0.025%, Mo:0.10~0.30%, Ni:0.10~0.30%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 슬라브를 재가열하여 열간압연하고 권취하는 방법에 있어서,

상기 재가열된 슬라브의 마지막 조압연 이전의 2회 조압연후에는 각각 공냉대기하여 조압연하는 단계,

상기 조압연 바를 사상압연기의 스탠드 사이에서 냉각수를 분사하면서 사상압연하는 단계 및

상기 사상압연한 열연판을 500~590℃의 온도로 권취하면서 권취코일의 외측에 냉각수를 분사하는 단계를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서는 항복강도 530Mpa 이상과 －60℃의 극저온 환경에서 요구되는 충격인성을 가지면서 권취 품질을 확보할 수 있는 라인파이프용 열연강판을 제조하는데 특징이 있다. 본 발명에서는 조압연과정에서 가공에 의한 내부 발열과 상변화에 따른 조직의 부피 변화로 발생된 응력을 해소하기 위하여 마지막 조압연 바로 이전의 2회 압연부터 조압연후에 일정 시간 공냉대기를 한다. 그리고, 사상압연에서는 압연스탠드사이에서 냉각수를 분사하고, 권취공정에서는 굽힘에 따른 반력 등의 해소를 위하여 권취코일의 외측에 냉각수를 분사하는 것이다.

본 발명의 대상이 되는 강슬라브는, 라인파이프용 소재로서 그 대표적인 예는 C:0.04~0.07%, Mn:1.50~1.70%, Si:0.15~0.25%, P:0.010% 이하,S:0.003%이하, Nb:0.040~0.060%, V:0.040~0.060%, Ti:0.010~0.025%, Mo:0.10~0.30%, Ni:0.10~0.30%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물 조성되는 강이다.

상기한 Nb-V-Ti-Mo-Ni 성분계의 강슬라브는 가열로에서 합금 원소(Nb)의 충분한 고용을 위해 1150~1200℃로 200~300분간 장시간 가열하여 조압연을 행하고 있다.

본 발명에서는 이러한 조압연공정에서 가공에 의한 내부 발열과 상변화에 따른 조직의 부피 변화로 발생된 응력을 해소하기 위하여 마지막 조압연(n회 조압연) 바로 이전의 두 번의 압연(n-2, n-1회의 조압연)후에 공냉대기를 행한다.

조압연 공정은 가역식 압연이 이루어진다. 통상 200∼250mm 슬라브(Slab)를 6회 또는 10회의 패스를 실시하여 사상압연에 들어 가기 위한 40∼60mm 조압연 바(Bar)로 만든다. 이러한 조압연 매패스마다 압연에 의한 가공발열이 발생한다. 또한, 조압연에서는 고온산화에 의한 스케일층 제거를 위해 고압의 디스케일링 (Descaling)을 표층에 분사하는데 이 과정에서 온도의 분포 형태가 표층과 내부가 다르게 되는 현상이 생긴다. 표층만이 우선 냉각에 의해 석출영역 온도에 이르게 되는 불균일한 열평형이 나타나게 된다.

본 발명은 이러한 열이력에 따른 조직변화 및 석출거동 변화의 물리야금학적 고유특성을 착안하여 조압연공정에서의 발열과 응력의 불균일 요인을 제거한다. 이를 구체적으로 설명하면, 가열로에서 추출한 슬라브(SLAB)는 매 패스시 마다 디스케일링을 실시하므로 강판의 냉각이 이루어지면서 결정립은 더욱 미세해 지지만 가공에 의한 내부 발열에 따라 표층과 내부의 온도차가 발생한다. 이는 조압연에서 압연 실시후 대기를 할 경우 내부발열에 의한 온도상승이 나타나는 것을 알 수 있다. 이와 같은 내부와 표층의 온도차는 다음 압연시에 응력 불균일을 유발하고, 내부열원은 다음 패스압연이 실시된 후에도 재결정시에 열원으로 작용하면서 조직 조대화를 유발하게 된다.

이를 해소하면 조직 미세화 및 응력해소가 가능하게 되는데, 그 방안으로 본 발명에서는 n-2, n-1회 조압연후에 공냉대기하는 것이다. 조압연후에 공냉대기하면 충분한 발열이 일어나서 그 후의 압연시에 반력이 줄어드는 동시에 내부응력을 해소할 수 있다. n-2회 조압연후 공냉대기시간은 20~30초가 바람직하며, n-1회 조압연후 공냉대기시간은 10~20초가 바람직하다. n-2패스 압연후의 대기시간은 발열이 충분히 되는 시간이며, n-1패스후의 대기 시간이 지나치면 조압연 공정 통과 시간이 과다하여 생산성 하락이 발생하는 측면을 고려한 것이다.

본 발명에 따라 n-2, n-1회 압연후에 대기냉각을 하면 니오븀(Nb)의 석출 종료온도인 900∼930℃정도에서 압연을 하게 되어 피닝(Pinning: 조직의 경계에 석출물이 존재하면서 조직이 조대화 되려는 것을 저지하는 현상)효과에 의한 미세화된 상태로 사상압연을 할 수 있게 되어 재결정 후에도 미세화된 조직 확보가 가능하게 된다. 이런 조압연 조건은 마지막 패스후의 조압연 마무리온도 870~910℃를 확보하는데 유리하다. 조압연 마무리 온도가 너무 높으면 오스테나이트 입도 조대화로 강도 확보가 곤란하며, 너무 낮으면 사상압연시 설비에 무리를 주기 때문에 바람직하지 않다.

본 발명에 따라 조압연한 조압연바를 사상압연한다.

통상적으로 사상압연은 누적압하율을 50% 이상되도록 하여 열연강판의 조직을 침상조직 (Bainitic Ferrite)으로 유도하고 있다. 동일한 사상압연 온도 및 권취 온도인 경우 사상압연의 누적 압하율이 클 경우 결정입계의 밀도, 전위밀도 및 변형대(Deformation Band)가 증가하게 되여 변형 기간 중 변형 유기석출(Strain Induced Precipitation)량이 증가하게 되어 결정립은 더욱 미세해지기 때문이다. 사상 압연 마무리 온도는 입도 미세화를 위해 통상적으로 오스테나이트에서 페라이트의 변태점 근처인 750~830℃에서 행하고 있다.

본 발명에서는 상기와 같은 사상압연조건에서 사상압연기의 스탠드 사이에서 냉각수를 분사하는 것이다. 종래에는 사상압연기 스탠드의 일부에서만 냉각수를 분사하고 있었다. 본 발명에 따라 사상압연기의 모든 스탠드사이에서 냉각수를 분사해주면 매 압연시 마다 발생하는 가공발열을 해소하고 페라이트의 변태점 직전에 압연이 끝나게 해 줌으로서 조직 미세화에 의한 강도 및 인성 개선 효과를 극대화 할 수 있다. 또한, 안정한 상(Phase)에서 사상압연이 이루어지게 됨에 따라 사상압연기에서의 부하 변동 감소가 가능하게 된다. 이에 따라 캠버(Camber: 강판이 길이 방향으로 휘어지는 현상) 방지 및 안정된 형상 확보가 되어 권취 품질 향상에 더욱 유리하고 저온 압연으로 인한 판 내부의 열응력 불균일을 해소하면서 동시에 더욱 미세한 조직을 확보 함으로서 인성과 강도 확보에 유리하다. 냉각수는 압연기에 따라 차등 압력으로 분사하며 압하율이 가장 큰 첫 압연기에 가장 큰 압력의 냉각수가 설치되어 있다.

상기와 같이 사상압연한 다음 권취한다.

통상적으로 500~590℃의 저온에서 권취하고 있다. 권취온도는 도 3에서 보는 바와 같이, 사상압연 후의 냉각방법을 나타내는 선이 가고자 하는 영역의 범위이다. 이 권취 온도 역에서는 미세한 침상조직(Bainitic Ferrite)이 형성 되므로 강도 및 저온 충격의 인성 확보가 가능하다. 고온으로 권취하면 페라이트 입자가 조대화 되고 너무 낮으면 강도가 높은 조직으로 변태되어 권취불량이 발생하게 되고 제품으로의 기능을 상실하게 된다.

이 권취 온도영역의 확보를 위한 냉각제어를 함에 있어 권취 온도는 일정한 온도를 유지하는 것이 아니라 일정 수준의 편차를 가지고 있다. 폭 방향, 길이 방향의 온도편차는 침상조직(Bainitic Ferrite), 페라이트, 베이나이트의 분율 분포 불균일을 유발하고 하게 되어 비록 강도 및 인성은 확보가 된다고 하더라도 권취 불량을 초래하는 영향으로 작용하므로 권취과정 중에 제거하여야 한다.

따라서, 본 발명에서는 사상압연기로부터 나오는 코일(Coil)이 권취기에 감겨진 시점(약 3~4바퀴 정도)부터 권취코일의 외측에 냉각수를 분사한다. 냉각수의 분사는 권취가 종료된 후 귄취코일의 외측에 60∼90초 동안 더 분사하는 것이 바람직하다. 분사시간이 과다하면 전체작업시간에 영향을 주게 되어 생산성 하락이 발생될 수 있고, 부족한 경우는 곡률반경이 작은 외권의 응력이 완전히 풀리지 않아 풀어지는 현상이 발생한다. 본 발명에 따라 권취코일의 외측에 냉각수의 분사는 통상의 트랙스프레이(Track Spray) 설비를 통해 행할 수 있다. 트랙 스프레이(Track Spray)는 권취 종료 후 외권부에 물을 분사(종래 10∼30초 정도)하여 외권부를 냉각해주는 설비이다.

도 4(a)와 같이 귄취코일은 평평한 상태로 돌아가려는 압축과 인장응력을 가진다. 이러한 권취코일의 외측에 트랙 스프레이를 이용해 냉각수를 분사하면 도 4(b)와 같이 판이 가지고 있는 응력이 열응력에 의해 해소 되면서 도 4(c)와 같은 응력의 평형상태를 유지하게 된다. 트랙스프레이를 이용하는 경우 권취 온도가 낮아 권취 불량이 발생될 것으로 예상될 경우에도 사용하면 권취 불량을 방지할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예]

표 1의 슬라브를 1250~ 1300℃에서 200~300분 가열하여 표 2의 조건으로 압연과 권취를 하여 열연강판을 제조하였다. 발명예들은 사상압연기 스탠드사이에서 냉각수를 분사하였다. 이 열연강판의 기계적성질과 충격인성 및 텔레스코프를 측정하여 표 3에 나타내었다. 텔레스코프의 측정결과는 도 5에 그래프의 형식으로도 나타내었다.

강종	C	Mn	Si	P	S	Nb	V	Ti	Mo	Ni
A	0.045	1.58	0.24	0.010	0.003	0.056	0.057	0.020	0.13	0.14
B	0.051	1.55	0.21	0.008	0.001	0.052	0.053	0.023	0.17	0.18
C	0.053	1.63	0.21	0.010	0.001	0.049	0.050	0.016	0.25	0.20
D	0.059	1.48	0.17	0.009	0.003	0.059	0.048	0.017	0.29	0.28

구분	강종	조압연후단4패스진입온도(℃)	조압연후단3패스후공냉시간(초)	조압연후단4패스후공냉시간(초)	조압연마무리온도(℃)	사상압연냉각수(개)	마무리온도(℃)	권취온도(℃)	트랙스프레이사용방법
발명예1	A	913	25	10	909	6	785	585	권취중
발명예2	B	911	27	12	871	6	784	571	권취중
발명예3	C	917	30	15	895	6	800	545	권취중
발명예4	D	915	26	15	890	6	802	556	권취중
비교예1	A	957	-	-	910	3	791	580	권취후
비교예2	C	960	-	-	900	3	789	573	권취후
비교예3	C	961	-	-	891	2	810	563	권취후
비교예4	D	965	-	-	895	2	811	559	권취후

구분	강종	기계적 성질(30℃ 방향)				충격시험(30℃ 방향)	텔레스코프(mm)
		항복강도(MPa)	인장강도(MPa)	연신율(%)	항복비(%)	-60℃(CVN, Joule)
발명예1	A	542	668	35	81	310	21
발명예2	B	549	685	36	80	309	15
발명예3	C	552	674	35	82	315	17
발명예4	D	543	679	37	80	325	10
비교예1	A	539	666	35	81	305	13
비교예2	B	550	685	36	80	285	22
비교예3	C	555	694	35	80	293	25
비교예4	D	540	685	37	79	308	35

표에 나타난 바와 같이, 발명재의 경우 비교재에 비하여 강도 및 인성이 동등 수준이면서 권취 형상 또한 우수하였다. 권취 품질을 확인할 수 있는 척도인 텔레스코프의 측정결과는 도 5에서 알 수 있듯이, 발명재의 권취 형상이 우수하였다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 인성과 강도를 동등 수준이상으로 이상으로 유지하면서 권취 불량을 해소할 수 있는 유용한 효과가 있는 것이다.

도 1은 권취품질이 불량한 코일

도 2는 Fe-C 상태도

도 3은 연속냉각변태 곡선

도 4는 권취시 트랙 스프레이에 의한 응력 변화를 나타내는 그래프

도 5는 본 발명예와 비교예에서 텔레스코브 발생정도를 비교한 그래프

Claims (3)

1. 중량%로 C:0.04~0.07%, Mn:1.50~1.70%, Si:0.15~0.25%, P:0.010%이하,S:0.003%이하, Nb:0.040~0.060%, V:0.040~0.060%, Ti:0.010~0.025%, Mo:0.10~0.30%, Ni:0.10~0.30%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 슬라브를 재가열하여 열간압연하고 권취하는 방법에 있어서,

   상기 재가열된 슬라브의 마지막 조압연 이전의 2회 조압연후에는 각각 공냉대기하여 조압연하는 단계,

   상기 조압연 바를 사상압연기의 스탠드 사이에서 냉각수를 분사하면서 사상압연하는 단계 및

   상기 사상압연한 열연판을 500~590℃의 온도로 권취하면서 권취코일의 외측에 냉각수를 분사하는 단계를 포함하여 이루어지는 권취품질이 우수한 라인파이프용 열연강판의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 조압연은 n회 조압연에서 n-2회의 조압연후에는 20~30초 공냉대기하고, n-1회 조압연후에는 10~20초 공냉대기하고, 조압연마무리 온도는 870~910℃가 되도록 함을 특징으로 하는 권취품질이 우수한 라인파이프용 열연강판의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 권취는 권취종료후 권취코일의 외권부에 60~90초 동안 추가로 냉각수를 분사하는 것을 특징으로 하는 권취품질이 우수한 라인파이프용 열연강판의 제조방법.