KR100530078B1 - 파이프가공성이 우수한 인장강도 35㎏/㎟급 미니밀열연강판과 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전선배관용 등의 파이프제조시 굽힘성이 우수한 강관용 미니밀 저탄소열연강판에 관한 것으로, 그 목적은 산가용 알루미늄 대신 보론(Boron)을 이용하여 가공경화를 일으키는 고용질소를 감소시킴으로써 조관전후의 항복강도 상승량을 감소시킬 수 있는 미니밀 강관용 열연강판과 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로 C:0.05%이하, Mn:0.35~0.45%, Si:0.05%이하, P:0.03% 이하, S:0.015% 이하, 산가용 Al: 0.001~0.10%, N:0.008~0.015% , B: 0.0015~0.0035%, 스크랩으로부터 유입된 트램프원소의 총함량이 0.25% 이하, 트램프 원소중 Cu:0.20%이하, Sn: 0.05%이하, Sb: 0.05%이하, 나머지 Fe 조성되는 파이프가공성이 우수한 인장강도 35kg/mm2급 미니밀 열연강판과

상기와 같이 조성되는 용강을 박슬라브로 주조한 다음, 박슬라브를 마무리압연온도 860℃ 이상의 조건으로 열간압연하고, 550~700℃에서 권취하는 것을 포함하여 이루어지는 파이프가공성이 우수한 인장강도 35kg/mm2급 미니밀 열연강판의 제조방법에 관한 것을 그 기술요지로 한다.

Description

파이프가공성이 우수한 인장강도 35㎏/㎟급 미니밀 열연강판과 그 제조방법{35kg/mm2 grade hot-rolled steel sheet with a good pipe formability by the mini-mill process and method for manufacturing thereof}

본 발명은 전선배관용 등의 파이프제조시 굽힘성이 우수한 강관용 미니밀 저탄소열연강판의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산가용 알루미늄 대신 보론(Boron)을 이용하여 가공경화를 일으키는 고용질소를 감소시킴으로써 조관전후의 항복강도 상승량을 감소시킬 수 있는 미니밀 강관용 열연강판과 그 제조방법에 관한 것이다.

용융금속으로부터 최종제품에 가까운 형상을 직접주조하여 가열, 압연 등과 같은 중간공정을 대폭생략하는 기술로는 박슬라브 주조가 대표적이다. 박슬라브 주조기술은 슬라브의 두께를 얇은 두께로 만들어 기존의 일괄압연과는 달리 압연부문의 부하를 감소시키는 방향으로 전개되고 있다.

최근에는 스트랩을 철원으로 이용하는 전기로에서 용해한 용강을 박슬라브 연주기에서 박슬라브로 주조하면서 최종적으로 열간압연하는 제조기술이 실용화되어 있으며, 보통 미니밀 공정이라고도 한다. 미니밀 공정은 미니밀연주기와 압연기가 연속화(In-line)되어 있어 생산성을 높일 수 있는 장점이 있다. 미니밀 공정에서는 주로 스크랩을 철원으로 이용하기 때문에 전기로 용해단계에서 제거가 거의 불가능한 소위 Cu, Ni, Cr, Mo, Sn, Sb, Zn 등의 트램프원소(Tramp element)가 강에 잔류하여 최종제품의 재질 및 표면품질에 부정적인 영향을 미친다.

미니밀 열연강판은 강관용으로 많이 사용되고 있으며, 이 경우에 조관전후의 항복강도 상승량을 7kg/mm2이하로 조절하는 것이 가장 중요한데, 이는 화학성분상의 문제로 압축되고 있다. 파이프 조관전후의 항복강도의 상승량을 7kg/mm2 이내로 억제하는 것은 조관후 항복강도 상승량이 이 보다 클 경우 가공경화량 때문에 파이프벤딩시 벤딩굴곡부에 균열 발생 가능성이 크기 때문이다.

미니밀 강관용 저탄소 열연강판의 대표적인 성분계는, 탄소함량 0.05중량% 이하, 망간(Mn)함량 0.20~0.50%, 실리콘(Si) 0.03% 이하, 인(P) 0.03% 이하, 황(S) 0.015%이하, 산가용 알루미늄(soluble Al) 0.01~0.15%, 질소(N) 0.015% 이하를 기본으로 하고 스크랩중에 구리(Cu), 니켈(Ni),크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 주석(Sn), 안티몬(Sb), 아연(Zn)등의 트램프원소의 총량이 0.25% 이하로 조성되는 미니밀 강이다. 이러한 화학성분계에서 N는 침입형 고용원소로서 파이프조관전후의 항복강도 변화에 미치는 영향이 가장 크다. 즉 강중 고용질소(N)의 양에 따라 파이프 조관 전후의 항복강도의 거동에 큰 영향을 미치게 되는데, 이는 강중 고용질소(N)가 파이프 조관시에 부여되는 변형량(t/D,%)에 의해 재료내부에 가공경화를 유발시키기 때문이다.

따라서, 산가용 알루미늄(soluble Al)의 양을 0.10~0.15중량%로 함과 동시에 강중 질소의 양을 0.008~0.015% 범위로 제한 하고 있다. 알루미늄과 질소의 양을 제한하는 중요한 이유는 강중의 질소를 알루미늄이 AlN의 형태로서 고정함으로서 강중 고용질소의 양을 감소시키기 때문이다. 그러나 산가용 알루미늄(Al)은 그 양이 0.10% 이상인 경우는 강중에서의 개재물량이 증가하여 용접시 용접부에서의 개재물성 용접결함을 유발할 가능성이 있기 때문에 알루미늄 이외의 합금원소를 이용하여 강중의 고용질소를 감소시키는 방안이 필요하다.

본발명은 미니밀 공정에 의해 소재상태에서 인장강도 35kg/mm2급의 및 연신율 27% 이상의 재질특성을 기본적으로 만족하면서, 조관후 파이프가공성을 부여하기 위한 조건인 항복강도의 상승량이 7kg/mm2이내인 재질특성을 만족하는 미니밀 강관용 열연강판과 그 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 미니밀 열연강판은, 중량%로 C:0.05%이하, Mn:0.35~0.45%, Si:0.05%이하, P:0.03% 이하, S:0.015% 이하, 산가용 Al: 0.001~0.10%, N:0.008~0.015% , B: 0.0015~0.0035%, 스크랩으로부터 유입된 트램프원소의 총함량이 0.25% 이하, 트램프 원소중 Cu:0.20%이하, Sn: 0.05%이하, Sb: 0.05%이하, 나머지 Fe 조성된다.

또한, 본 발명의 미니밀 열연강판의 제조방법은,

중량%로 C:0.05%이하, Mn:0.35~0.45%, Si:0.05%이하, P:0.03% 이하, S:0.015% 이하, 산가용 Al: 0.001~0.10%, N:0.008~0.015% , B: 0.0015~0.0035%, 스크랩으로부터 유입된 트램프원소의 총함량이 0.25% 이하, 트램프 원소중 Cu:0.20%이하, Sn: 0.05%이하, Sb: 0.05%이하, 나머지 Fe 조성되는 용강을 박슬라브로 주조한 다음, 박슬라브를 마무리압연온도 860℃ 이상의 조건으로 열간압연하고, 550~700℃에서 권취하는 것을 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

저탄소강의 인장곡선에서는 탄성변형이 증가하다가 갑자기 떨어져 대략 일정한 응력에서 움직이다가 다시 증가하는데, 갑자기 떨어질 때의 응력을 상부항복점이라 하고 일정할 때의 응력을 하부항복점이라 한다. 또한 일정한 응력에서의 연신율을 항복점 연신율이라 하며, 항복점 연신율에서 일어나는 변형은 일반적으로 균일하다. 상부항복점에서는 변형된 금속의 불연속띠가 응력집중부에서 나타나며 이띠의 형성과 동시에 응력이 하부항복점으로 떨어진다. 이때 형성된 띠는 시편의 길이에 따라 전파하며 항복점연신이 일어난다. 여러 개의 띠가 여러 개의 응력집중점에서 형성되며 인장축과 약 45도를 이루는 것이 보통이다. 이러한 항복점 현상은 저탄소강 뿐만 아니라 기타의 비철금속에서도 관찰되는 것으로서, 저탄소강을 예를들면 탄소와 질소를 완전히 제거하면 항복점이 나타나지 않는다. 그러나 시효현상에 의해 곧바로 이러한 항복점 현상이 다시 나타나기 때문에 탄소와 질소를 강중에서 어떠한 형태로 묶을 필요가 있다. 항복점 현상을 방지하는 것은 시효에 의한 가공경화량을 최소화 하는 것으로 파이프의 가공성을 향상시키기 위해서는 필수적인 항목이다.

항복점현상을 설명하는 것으로서 재료가 시험에 의해 부과되는 변형속도와 전위이동과의 사이에는 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다.

[관계식 1]

(b:burgers vector, : 전위밀도, :변형속도)

또한 전위밀도는 변형에 따라 증가하기 때문에 다음과 같이 표현된다.

[관계식 2]

=(τ/τ_n)^m

여기서 τ_n은 단위속도에 대응하는 분해전단응력이다.

원래 전위밀도가 작은 재료에서는 b가 부과된 변형속도에 부응할 수 있는 유일한 방법은 가 커지는 것이다. 그러나, 관계식 2에 의하면 이것은 높은 응력에서만 이루어질 수 있다. 그러나 일단 약간의 전위가 이동하기 시작하면 이것들이 증식되기 시작하고 전위밀도 가 급속히 증가한다. 이 때문에 약간의 가공경화가 일어나지만 의 감소로 전위를 이동시키는 데 필요한 응력의 감소에 비하면 가공경화정도는 훨씬 작다 그러므로 항복이 시작하기만 하면 시편을 변형시키는데 필요한 응력이 감소하여 항복강하가 일어난다. 철의 경우에는 전위밀도가 적어도 10⁶㎠ 이상이기 때문에 미세한 탄화물이나 질화물이 전위선을 따라 석출함으로서 이러한 항복점 현상을 억제시키기 위해서는 강중에 존재하는 탄소 및 질소등의 침입형원소의 농도를 감소시켜야 한다.

즉 항복점현상의 존재는 파이프 조관후 가공시 나타나는 재료의 가공경화와 밀접한 관계가 있기 때문에 초기 재료의 항복점 현상을 없앤다는 관점은 재료의 가공시 가공경화량을 최소화 할 수 있다는 것과 일치되는 것이다. 일반적으로 질소가 탄소보다 철의 변형시효에 더 중요한 역할을 하는데 그 이유는 질소의 용해도와 확산계수가 탄소의 경우보다 더 크고 서냉하는 동안 석출이 덜 일어나기 때문이다. 심가공용강에서 변형시효를 제거하는 것은 중요한데 그이유는 항복점현상이 시효에 의해 다시 일어나면 국한된 불균일 변형이 일어나 균열형성의 요소로 작용하기 때문이다. 이러한 변형시효 및 항복점 현상을 제거하기 위해서는 강중에 고용되어 있는 탄소나 질소를 안정한 탄화물이나 질화물로 만들어 그 고용된 양을 줄이는 것이 바람직하다. 이러한 목적으로 주로 사용되는 것이 알루미늄, 바나듐, 티타늄, 보론(B)등의 합금원소를 첨가하는 방법을 사용한다.

따라서 본 발명에서는 산가용 알루미늄 대신 보론(Boron)의 성분을 이용하여 상기의 특성을 만족시키는 미니밀 강관용 열연강판을 제공하는데, 그 특징이 있다. 이러한 본 발명에 있어 각각의 성분범위를 한정시킨 이유를 상세히 설명한다.

·탄소(C):0.05%이하

탄소함량이 0.05%초과이면 목표로 하는 강도확보에는 문제가 없으나 연신율 확보에 어려움이 있고 또한 변형시효에 의한 항복점현상을 일으키기 때문에 그 상한치를 0.05%로 한정하는 것이 바람직하다.

·망간(Mn): 0.35~0.45%

망간은 MnS의 개재물에 의해 발생되는 결함인 에지크랙(Edge crack)의 발생을 방지하는 역할을 하는 원소로서 망간/황의 비 (Mn/S비)를 적정하기 관리하기 위해 0.35%이상 첨가한다. 이 Mn/S비가 클수록 좋으나, 망간량이 너무 높으면 강도상승량이 규제치를 넘을 위험이 클 뿐만 아니라 합금첨가 비용이 상승하는 비경제적인 결과를 초래하게 되므로 0.45%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

·실리콘(Si): 0.05%이하,

Si은 스케일 결함을 조장하고 강관을 도금하여 백관으로 제조하는 경우 도금밀착성을 떨어뜨리는 원소이지만 미니밀 공정의 경우는 상대적으로 실리콘의 제거에 난점이 있고, 또한 강관의 도금시 0.05% Si함량 까지는 도금성을 크게 저해하지 않기 때문에 그 함량을 0.05%이하로 제한한다.

·인(P): 0.03%이하

P은 편석경향이 강한 원소로서 고로밀의 경우 그 양을 0.02% 이하로 제한 하고 있으나, 미니밀 공정은 주조속도가 빠르기 때문에 고로밀 대비 주편에서의 편석경향이 훨씬 적은 것으로 알려져 있으며, 또한 강중 P의 제거는 비용상승을 초래하므로 그 함량을 0.03% 이하로 제한한다.

·황(S): 0.015%이하

S은 에지크랙 결함을 발생시키는 경향을 지닌 원소로서 Mn/S비가 30이하인 경우는 에지크랙 문제 뿐만 아니라 용접시 고온균열을 발생시킬 소지가 큰 원소로서 기존밀에서는 통상 0.02%이하로 규정되어 있으나 미니밀 공정에서는 공정특성상 더욱 엄격히 관리해야 하며, 또한 Mn투입량 절감 측면에서도 S가 적을수록 유리하므로 그 양을 0.015% 이하로 규정하는 것이 바람직하다.

·산가용 알루미늄(Al): 0.001~0.10%

산가용 알루미늄(Al)은 강중에 존재하는 질소(N)을 AlN형태로서 석출되게 함으로써 고용질소(N)의 양을 감소시키는 중요한 역할을 하는 원소이다. 본 발명에서는 조관전후의 항복강도 상승량을 7kg/mm2이내로 제어하기 위한 산가용 알루미늄의 양을 0.001~0.10%로 규정한다. Al의 양이 0.01% 미만의 경우는 강중 용존산소가 증대하는 문제가 발생하며, 또한 너무 많으면 개재물량의 증가 및 용접시의 문제점 등의 경제적인 관점에서 불리하다.

·질소(N):0.008~0.015%

N는 미니밀 공정특성상 강중질소의 양을 80ppm이하로 보증하기에는 경제적인 문제점이 대두되기 때문에 0.008%이상으로 한다. N의 양을 0.015%이하로 하는데 질소(N)의 양이 0.015% 가 넘으면 질소(N)의 과다로 조관시 가공경화상승량이 크게되어 조관후 항복강도 상승량이 10kg/mm2이상으로 상승되기 때문에 상한치를 0.015%로 제한한다.

·보론(B):0.0015~0.0035%

B은 입계에 편석하여 입계강도를 상승시키는 원소로서 일반적으로는 20ppm이하로 관리되나 본 발명에서는 15ppm~35ppm으로 한정한다. 하한치를 15ppm으로 한정시킨 이유는 보론(B)의 역할인 BN석출물로의 질소고정에 효과적이지 못하기 때문이며 또한 상한치를 35ppm으로 한정시킨 이유는 35ppm이상의 양에서는 BN석출물로의 질소(N)의 고정에는 유리하나 보론(B)이 과다하게 사용되면 강도가 필요 이상으로 높아지는 점과 아울러 경제적이지 못하기 때문이다. 본 발명에서 보론(B)의 성분을 이용하고자 하는 것은 강중 질소(N)을 BN의 석출물 형태로 석출시킴으로서 강중에 존재하는 고용질소의 양을 감소시킴으로서 조관전후의 가공경화량을 최소화 하는 것에 있다. 강중에 존재하는 고용질소의 양을 보론(B)을 이용하여 최소화 하는 것은 응력-변형시에 형성되는 응력-변형선도을 크게 달리하는 것으로 항복점 현상을 억제시키는 역할을 하기 때문이다.

·스크랩으로부터 유입되는 강중의 트램프 원소: 총함량 0.25%이하

트램프 원소는 Cu, Ni, Cr, Mo, Sn, Sb, Zn 등으로서 그양이 많으면 가공성등의 제품품질이 저하되기 때문에 그 전체 함량을 0.25%로 한정한다. 특히, 트램프원소중 Cu, Sn, Sb의 경우는 주편의 표면결함을 발생시키는 경향이 강한 원소이기 때문에 그 양을 각각 Cu 0.2% 이하, Sn 0.05%이하, Sb 0.05% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

주로 스크램을 철원으로 하여 상기와 같이 조성되도록 전기로에서 용강을 만든 다음, 이 용강을 박슬라브 주조기에서 박슬라브로 주조한다. 박슬라브로 주조한 다음에 연속하여 최종목표 두께를 갖도록 열간압연을 한다.

열간압연은 마무리압연온도를 860℃이상으로 하는 조건으로 행하는데, 이는 마무리압연온도가 860℃미만의 경우에는 연신된 페라이트 형성 및 AlN의 석출물생성 장소가 억제되어 항복강도 편차가 크게 발생되기 때문이다.

통상 열연판의 두께를 3.0mm이하가 되도록 열간압연하고 있다.

그 다음으로 열간압연한 열연판을 권취하는데, 이때의 권취는 550~700℃에서 행하는 것이 바람직하다. 권취온도가 550℃미만의 경우에는 BN형태의 석출물 형성이 억제되어 항복강도 확보가 곤란하기 때문이며,

권취온도가 700℃초과의 경우에는 AlN, BN등의 석출물이 조대화 하여 항복강도 확보가 어렵기 때문이다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

표1 강종을 용해하여 미니밀 공정에서 알루미늄 킬드강을 연속주조하여 박슬라브로 만든 후 860℃ 이상에서 마무리압연을 종료한 후, 550~700℃ 사이에서 권취한 다음 열연판으로 제조하였다. 각 성분계별로 3.0mm의 열연판으로 제조하였으며, 또한 본 발명법과의 비교를 위하여 공지의 성분계(표1의 1,2,3강종)를 이용하여 열연판으로 제조하여 서로 비교하였다. 이때 각 열연판의 조관전후의 인장강도, 항복강도 및 연신율의 특성은 표2에 나타낸 바와 같다.

표 2의 인장강도, 항복강도 및 연신율 특성 중 본 발명에서 가장 중요시하는 항복강도의 특성을 보면 발명강(표2의 4, 5, 6, 7, 8강종)의 경우 조관전후의 항복강도 차이(DYP=조관후 항복강도-조관전 항복강도)는 7kg/mm2 이내임을 알 수 있다.

그러나 비교강(표2의 1,2,3강종)의 경우 조관전후의 항복강도 차이(DYP=조관후 항복강도-조관전 항복강도)를 보면 모두 7kg/mm2 이상임을 알 수 있다. 특징적인 것은 발명강의 경우 보론(B)이 15~39ppm 까지 첨가되어 있음을 알 수 있으며 비교강의 경우에는 보론(B)이 첨가되어 있지 않음을 알 수 있다. 즉 비교강과 발명강의 주요한 차이는 보론(B)이 강중질소(N)을 BN의 형태로서 석출함으로서 강중에 존재하는 고용질소(N)의 양을 감소시키는 정도에 차이점이 있다.

비교강의 경우 표1, 2에서 강종1, 2, 3을 보면 보론(B)이 첨가되어 있지 않은 상태에서 강중 질소의 양(100ppm)에 따라서 조관전후의 항복강도 상승량은 10kg/mm2이상으로서 상당히 큼을 알 수 있으나 발명강의 경우에는 보론(B)의 첨가에 따라 조관전후의 항복강도 상승량은 7kg/mm2 이하로서 가공경화량이 상당히 낮은 수준임을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 미니밀특성을 이용하여 제조된 열연강판의 조관전후의 가공경화량을 최소하 함으로서 구체적으로는 조관전후의 항복강도 변화량을 7kg/mm2 이내인 제품을 생산할 수 있는 효과가 있다. 따라서 파이프제조업체에서는 조관시에 파이프 직진도를 개선시킴으로서 생산성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 파이프 상태에서 2차가공모드인 굽힘성이 요구되는 제품의 적용 확대에 기여할 수 있는 효과가 있다. 예를들면 전선관용으로 사용되기 위해서는 90도 벤딩등의 가혹한 가공성이 요구 되는데 조관전후의 항복강도 상승량이 7kg/mm2이상이 되면 벤딩부에 균열이 형성될 우려가 있기 때문에 미니밀 제품의 사용에 그동안 제한이 되어왔다. 따라서 미니밀 제품의 안정적인 품질수준을 확보함과 아울러 제품용도확대를 통한 수요확대에 기여하는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 삭제
2. 미니밀 공정에서 열연강판의 제조방법에 있어서,

   중량%로 C:0.05%이하, Mn:0.35~0.45%, Si:0.05%이하, P:0.03% 이하, S:0.015% 이하, 산가용 Al: 0.001~0.10%, N:0.008~0.015% , B: 0.0015~0.0035%, 스크랩으로부터 유입된 트램프원소의 총함량이 0.25% 이하, 트램프 원소중 Cu:0.20%이하, Sn: 0.05%이하, Sb: 0.05%이하, 나머지 Fe 조성되는 용강을 박슬라브로 주조한 다음, 박슬라브를 마무리압연온도 860℃ 이상의 조건으로 열간압연하고, 550~700℃에서 권취하는 것을 포함하여 이루어지는 파이프가공성이 우수한 인장강도 35kg/mm2급 미니밀 열연강판의 제조방법.