KR100920626B1

KR100920626B1 - 압연 후 냉각되는 강재의 기계적 물성 예측방법

Info

Publication number: KR100920626B1
Application number: KR1020020083136A
Authority: KR
Inventors: 주세돈
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2002-12-24
Filing date: 2002-12-24
Publication date: 2009-10-08
Also published as: KR20040056615A

Abstract

본 발명은 압연 후 냉각되는 강재의 기계적 물성을 예측하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 방법에 의하면, 압연 후 냉각되는 강재의 공냉 중 변태량(X1)을 구하는 단계; 압연 후 냉각되는 강재의 수냉 중 변태량(X2)을 구하는 단계; 공냉 및 수냉 중에 변태된 페라이트의 입경을 각각 구하는 단계; 이 페라이트 입경으로부터 평균입경을 구하는 단계; 및 평균변태온도로부터 구한 경도와 상기 평균입경으로부터 강재의 인장강도와 항복강도를 구하는 단계를 포함하는 압연 후 냉각되는 강재의 기계적 물성 예측방법이 제공된다.

본 발명은 강재를 압연한 후 냉각 중에 냉각속도가 변할 경우에도 변태 거동을 정확히 측정하여 시간에 따른 강재의 기계적 물성을 예측하는 방법을 제공함으로써 최종 미세조직의 물성을 제어할 수 있도록 하는 효과가 있다.

공냉, 수냉, 변태량, 기계적 물성, 인장강도, 항복강도

Description

압연 후 냉각되는 강재의 기계적 물성 예측방법{Method for Predicting Mechanical Properties of Hot-rolled and Cooled Steel}

도 1은 본 발명에 의한 강재의 기계적 물성을 예측하는 방법을 나타내는 플로우차트

도 2는 종래 기술에 의한 강재의 기계적 물성을 예측하는 방법을 나타내는 플로우차트

도 3은 본 발명과 종래 기술에 의한 강재 냉각속도의 차이를 나타내는 그래프

도 4는 본 발명에 의한 강재 인장강도의 예측 결과를 나타내는 그래프

도 5는 종래 기술에 의한 강재 인장강도의 예측 결과를 나타내는 그래프

도 6은 본 발명에 의한 강재 항복강도의 예측 결과를 나타내는 그래프

도 7은 종래 기술에 의한 강재 항복강도의 예측 결과를 나타내는 그래프

본 발명은 압연 후 냉각되는 강재의 기계적 물성을 예측하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압연된 강재의 냉각속도가 변할 경우에도 변태 개시·종 료 온도, 상분율 등을 측정함으로써 강재의 기계적 물성을 보다 정확히 예측할 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다.

열간 압연된 후판재의 인장강도, 항복강도, 연신율, 저온 인성 등은 강재의 미세조직 특히, 페라이트의 입도와 상분율에 크게 좌우된다. 그런데, 페라이트의 입도는 가열로에서 재가열할 때의 오스테나이트의 입성장, 매 압연 패스 후의 회복, 재결정, 입성장, 그리고 냉각과정에서 일어나는 변태 등이 연속적으로 작용하여 최종 결정된다. 그러므로, 최종 미세조직을 예측하기 위해서는 가열, 압연, 냉각의 각 공정 중에 강판의 내부에서 일어나는 미세조직 변화를 추적 예측할 필요가 있으며, 특히 냉각 중에 일어나는 변태 거동을 정확하게 예측할 필요가 있다.

이러한 이유로 종래 변태 거동을 예측하는 기술들이 공지되어 있는데, 예를 들면 일본국 특개 소61-199510호, 소58-199613호 및 소58-125312호 등이 그것이다. 그런데, 이들 기술은 냉각 중의 변태 거동을 기술할 때 항온변태실험(온도를 일정하게 유지시키고, 유지시간을 변화시키면서 미세조직을 관찰한 결과)에 이용되는 변태 방정식을 적용한 것이므로 강판의 온도가 연속적으로 감소하는 냉각 중의 변태에서는 예측정도가 떨어지는 단점이 있다. 즉, 이들은 냉각 중인 강재의 온도가 일정하다고 가정하여 일정 온도에서의 변태량을 예측하고 이를 시간에 따라 누적시킨 양을 최종 변태 분율로 가정하여 적용한 기술로서 이러한 공지기술로는 일본국 특허공개 제1997-292391호 등이 있다. 그러나, 이러한 기술은 실험식을 적용할 때에 합산 법칙 등의 별도의 가정을 도입해야 하므로 예측 능력이 떨어지게 마련이고, 특히 압연 패스간 유지시간이 짧은 선재나 열연 스트립 공정에서는 패스간 온도강하가 작으므로 큰 오차 없이 적용할 수 있지만 압연 패스시간이 긴 후판 공정에서는 적용할 수 없다.

상기 문제점을 해소하고자 제안된 기술로는 후판 압연 후 연속적으로 공냉 혹은 수냉되는 강판의 변태개시온도와 변태 후 미세조직을 정확하게 예측하는 방법에 관한 것으로서 대한민국 특허 제1996-70106호 등이 있다. 그러나, 이 기술은 냉각 중에 일정한 냉각속도로 온도 강하가 일어난다는 전제 하에 변태 거동을 예측하는 기술로서 냉각 중 냉각속도가 변하는 경우, 예를 들면 후강판 생산시에 압연종료 후에 일정시간 공냉을 거치다가 냉각설비에 의한 수냉이 진행되는 경우에도 공냉과 수냉의 시간 분율에 따른 평균 냉각속도를 적용해야 하므로 변태 거동 예측 정도를 떨어뜨릴 가능성이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해소하고자 제안된 것으로, 후판 압연 후 공냉과 수냉이 연속적으로 일어날 때에도 강재의 변태 후 미세조직과 재질 등 기계적 물성을 정확하게 예측하는 방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 압연 후 냉각되는 강재의 공냉 중 변태량(X1)을 하기 식(3)에 의하여 구하는 단계;

[관계식 3]

ln(-ln(1-X1))=A*CR1*Time_1+B

[상기 식에서, X1: 공냉 중 변태량, A: 성분 및 냉각속도에 의해 결정되는 상수, CR1: 공냉 중 냉각속도(℃/sec), Time_1: 수냉개시점(sec), B: 5% 변태가 진행되었을 때 변태가 시작되었다고 전제하여 구해진 상수로서 -2.97의 값을 가짐]

압연 후 냉각되는 강재의 수냉 중 변태량(X2)을 하기 식(4)에 의하여 구하는 단계;

[관계식 4]

ln(-ln(1-(X2-X1))=A*CR2*( Time_2-Time_1)+B

[상기 식에서, X2: 수냉 중 변태량, CR2: 수냉 중 냉각속도(℃/sec), Time_2-Time_1: 수냉시간(sec)]

공냉 및 수냉 중에 변태된 페라이트의 입경을 각각 하기 식(5-1)과 식(5-2)에 의하여 구하는 단계;

[관계식 5-1]

D1(공냉 중 변태된 페라이트 입경, ㎛)=10^a*Sv^b*CR1^c*exp(-d/T)

[관계식 5-2]

D2(수냉 중 변태된 페라이트 입경, ㎛)=10^a*Sv^b*CR2^c*exp(-d/T)

[상기 식에서, a, b, c, d: 상수, Sv: 변태전 평균입계 면적(㎣), T: 절대온도(K)]

상기 페라이트 입경으로부터 평균입경을 하기 식(6)에 의하여 구하는 단계; 및

[관계식 6]

D(페라이트 평균입경, ㎛)=(Va/(Va+Vw)/D1²+ Vw/(Va+Vw)/D2²)^0.5

[상기 식에서, Va: 공냉중 변태된 페라이트 분율, Vw: 수냉중 변태된 페라이트 분율]

평균 변태온도로부터 구한 경도와 상기 평균입경으로부터 강재의 인장강도와 항복강도를 각각 하기 식(7-1)과 식(7-2)에 의하여 구하는 단계를 포함하는 압연 후 냉각되는 강재의 기계적 물성 예측방법에 관한 것이다.

[관계식 7-1]

TS(인장강도, kgf/mm²)=0.3414*(Hf_a*Va+Hf_w*Vw+Hp*Vp+Hb*Vb)+55.4*

(Va+Vw)/D^0.5

[관계식 7-2]

YS(항복강도, kgf/mm²)=0.19076*(Hf_a*Va+Hf_w*Vw)+103.6/D^0.5

[상기 식에서, Hf_a, Hf_w, Hp, Hb: 차례대로 각각 공냉 페라이트, 수냉 페라이트, 퍼얼라이트, 베이나이트의 경도, Va,Vw,Vp,Vb: 차례대로 각각 공냉 페라이트, 수냉 페라이트, 퍼얼라이트, 베이나이트의 조직분율]

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

압연된 강재가 냉각시의 변태과정을 거치면서 가지게 되는 최종 미세조직은 성분 및 냉각조건에 따른 변태 거동에 따라 변하게 된다. 그러므로, 미세조직을 예 측하기 위해서는 냉각시의 변태 거동을 정확히 해석하는 기술이 필요한데, 종래의 기술에서는 도 2에 나타난 것과 같이 다음의 절차를 따른다.

첫째, 성분과 냉각속도의 함수로서 변태 속도 상수(A), 상분율(Vf) 및 변태개시온도(Ar3)를 구한다. 상기 상수(A)를 구하는 방법에 대해서는 우리 나라 특허출원번호 제96-70106호에 자세히 서술되어 있고, 상분율(Vf) 및 변태개시온도(Ar3)는 냉각속도 및 오스테나이트의 상태에 따라 결정되는 값으로 다양한 강종, 압하 상태 변화 및 냉각속도 하에서 변형 후 연속 냉각 실험한 결과를 조성, 오스테나이트의 상태 변수 및 냉각속도의 함수로 회귀 분석하여 구한다.

둘째, 상기 3가지 값을 정하면 임의의 조성, 임의의 냉각속도, 임의의 오스테나이트 상태에서의 냉각시 변태 곡선을 구할 수 있는데, 이에 따라 페라이트, 퍼얼라이트, 베이나이트 등의 각 상의 부피 분율과 평균변태온도를 구한다. 그러나, 이러한 기술은 도 3에서와 같이 공냉구간과 수냉구간을 구분하지 않고 전체 냉각시간 동안의 온도 강하량을 냉각시간으로 나눈 값, 즉 평균냉각속도로 변태가 전 구간동안 동일한 냉각속도로 진행된다는 전제 하에서만 적용 가능하다.

반면, 본 발명은 상기 도 3에서와 같이 냉각구간을 공냉구간과 수냉구간으로 구분하여 각각의 구간에서 서로 상이한 냉각속도로서 변태가 진행되는 경우에 공냉 후 수냉 전의 변태된 분율을 먼저 계산하고 나머지 미 변태된 부분이 수냉속도로 냉각될 때 변태된 분율을 나중에 계산하여 강재의 최종 미세조직을 예측하는 기술에 관한 것이다.

종래 기술에서 일정한 냉각속도로 연속 냉각시의 변태 방정식은 하기 식(1) 을 따른다.

[관계식 1]

ln(-ln(1-X)=A*CR*t+B

[상기 식에서, X: 변태량, A: 상수, CR: 냉각속도(℃/sec), t: 냉각시간 (sec), B: 상수로서 -2.97의 값을 가짐]

그런데, 도 3에서 1단계 공냉 중의 냉각속도(CR1)는 하기 식(2-1)로 표현할 수 있고, 2단계 수냉 중의 냉각속도(CR2)는 하기 식(2-2)로 표현할 수 있다.

[관계식 2-1]

CR1=(Temp1-Temp2)/(Time_1)

[관계식 2-2]

CR2=(Temp2-Temp3)/(Time_2-Time_1)

[상기 식에서, Temp1: 공냉개시시 온도(℃), Temp2: 수냉개시시 온도(℃), Temp3: 수냉종료시 온도(℃), Time_1: 수냉개시점(공냉종료점)(sec), Time_2: 수냉종료점(sec)]

이하, 본 발명에 의한 최종 미세조직을 단계별로 예측하는 방법은 다음과 같다.

첫째, 상기 식(1)에 공냉 중 냉각속도(CR1)를 대입하여 하기 식(3)으로부터 공냉 중 변태량(X1)을 구한다.

[관계식 3]

ln(-ln(1-X1))=A*CR1*Time_1+B

[상기 식에서, X1: 공냉 중 변태량, CR1: 공냉 중 냉각속도(℃/sec)]

둘째, 하기 식(4)로부터 수냉 중 변태량(X2)을 구한다.

[관계식 4]

ln(-ln(1-(X2-X1))=A*CR2*( Time_2-Time_1)+B

셋째, 하기 식(5-1)과 식(5-2)로부터 공냉 및 수냉 중에 변태된 페라이트의 입경(㎛)을 각각 구한다.

[관계식 5-1]

D1{페라이트 입경(공냉시)}=10^a*Sv^b*CR1^c*exp(-d/T)

[관계식 5-2]

D2{페라이트 입경(수냉시)}=10^a*Sv^b*CR2^c*exp(-d/T)

[상기 식에서, a, b, c, d: 상수, Sv: 변태전 평균입계면적(㎣), T: 절대온도(K)]

넷째, 하기 식(6)으로부터 변태된 페라이트의 평균입경을 구한다.

[관계식 6]

D(평균입경)=(Va/(Va+Vw)/D1²+ Vw/(Va+Vw)/D2²)^0.5

[상기 식에서, Va: 공냉 중 변태된 페라이트 분율, Vw: 수냉 중 변태된 페라이트 분율]

다섯째, 각 상의 경도는 평균변태온도로 구하고 혼합법칙을 이용하여 강재의 인장강도와 항복강도를 각각 하기 식(7-1)과 식(7-2)로부터 구한다.

[관계식 7-1]

TS(인장강도)=0.3414*(Hf_a*Va+Hf_w*Vw+Hp*Vp+Hb*Vb)+55.4*(Va+Vw)/D^0.5

YS(항복강도)=0.19076*(Hf_a*Va+Hf_w*Vw)+103.6/D^0.5

이하, 실시예를 통하여 본 발명에 의한 강재의 인장강도 및 항복강도 예측정도를 보다 구체적으로 설명한다.

(실시예)

본 발명에서 제시된 인장강도 및 항복강도 예측식의 정확도를 종래 기술과 비교하기 위하여 가속냉각을 적용한 후강판의 강도를 예측한 결과를 도 4 내지 도 7에 나타내었다.

도 4는 본 발명에 의하여 예측된 인장강도(Y축)을 실측치(X축)에 대하여 도시한 것이며, 도 5는 동일한 생산판에 대하여 종래의 기술에 의하여 예측된 인장강도(Y축)을 실측치(X축)에 대하여 도시한 것이다. 도 6은 본 발명에 의하여 예측된 항복강도(Y축)을 실측치(X축)에 대하여 도시한 것이며, 도 7은 동일한 생산판에 대하여 종래의 기술에 의하여 예측된 항복강도(Y축)을 실측치(X축)에 대하여 도시 한 것이다. 상기 도면에서 알 수 있듯이, 종래의 기술에 비하여 본 발명에 의한 강도 예측값이 실측값에 더욱 일치함을 알 수 있다. 이를 예측잔차의 평균값과 표준편차로 표시하면 하기 표 1과 같다.

표1. 본 발명과 종래 기술에 의한 강도 예측잔차 비교 (단위:kgf/mm²)

	인장강도 예측잔차		항복강도 예측잔차
	평균값	표준편차	평균값	표준편차
본 발명	0.11	2.36	0.08	2.35
종래 기술	-2.33	2.71	-2.36	3.09

예측식의 우수성을 비교하기 위해서는 예측값과 실측값의 차이, 즉 예측잔차의 분포를 비교해 보면 알 수 있다. 상기 표 1에서 볼 수 있듯이 본 발명에 의한 예측잔차의 평균값과 표준편차가 종래의 기술에 의하여 구해진 예측잔차의 평균값과 표준편차보다 훨씬 작음을 알 수 있는데, 이는 본 발명에 의하여 항복강도 기준 (3.09-2.35)/3.09=24% 정도의 예측정도가 상승하였음을 의미한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 압연 후 냉각되는 강재의 냉각구간을 공냉구간과 수냉구간으로 구분하여 변태 거동을 측정함으로써 그 최종 미세조직을 보다 정확히 예측할 수 있도록 하며, 그리하여 강재의 최종 기계적 물성을 제어하는데 효과가 있다.

Claims

압연 후 냉각되는 강재의 공냉 중 변태량(X1)을 하기 식(3)에 의하여 구하는 단계;

[관계식 3]

ln(-ln(1-X1))=A*CR1*Time_1+B

[X1: 공냉 중 변태량, A: 성분 및 냉각속도에 의해 결정되는 상수, CR1: 공냉 중 냉각속도(℃/sec), Time_1: 수냉개시점(sec), B: 5% 변태가 진행되었을 때 변태가 시작되었다고 전제하여 구해진 상수로서 -2.97의 값을 가짐]

압연 후 냉각되는 강재의 수냉 중 변태량(X2)을 하기 식(4)에 의하여 구하는 단계;

[관계식 4]

ln(-ln(1-(X2-X1))=A*CR2*( Time_2-Time_1)+B

[X2: 수냉 중 변태량, CR2: 수냉 중 냉각속도(℃/sec), Time_2-Time_1: 수냉시간(sec)]

공냉 및 수냉 중에 변태된 페라이트의 입경을 각각 하기 식(5-1)과 식(5-2)에 의하여 구하는 단계;

[관계식 5-1]

D1(공냉 중 변태된 페라이트 입경, ㎛)=10^a*Sv^b*CR1^c*exp(-d/T)

[관계식 5-2]

D2(수냉 중 변태된 페라이트 입경, ㎛)=10^a*Sv^b*CR2^c*exp(-d/T)

[a, b, c, d: 상수, Sv: 변태전 평균입계면적(㎣), T: 절대온도(K)]

상기 페라이트 입경으로부터 평균입경을 하기 식(6)에 의하여 구하는 단계; 및

[관계식 6]

D(페라이트 평균입경, ㎛)=(Va/(Va+Vw)/D1²+ Vw/(Va+Vw)/D2²)^0.5

[Va: 공냉 중 변태된 페라이트 분율, Vw: 수냉 중 변태된 페라이트 분율]

평균 변태온도로부터 구한 경도와 상기 평균입경으로부터 강재의 인장강도와 항복강도를 각각 하기 식(7-1)과 식(7-2)에 의하여 구하는 단계를 포함하는 압연 후 냉각되는 강재의 기계적 물성 예측방법

[관계식 7-1]

TS(인장강도, kgf/mm²)=0.3414*(Hf_a*Va+Hf_w*Vw+Hp*Vp+Hb*Vb)+55.4*

(Va+Vw)/D^0.5

[관계식 7-2]

YS(항복강도, kgf/mm²)=0.19076*(Hf_a*Va+Hf_w*Vw)+103.6/D^0.5

[Hf_a, Hf_w, Hp, Hb: 차례대로 각각 공냉 페라이트, 수냉 페라이트, 퍼얼라이트, 베이나이트의 경도, Va,Vw,Vp,Vb: 차례대로 각각 공냉 페라이트, 수냉 페라이트, 퍼얼라이트, 베이나이트의 조직분율]