KR101185227B1

KR101185227B1 - 열처리 특성이 우수한 유정용 ａｐｉ 강판 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101185227B1
Application number: KR1020100105539A
Authority: KR
Inventors: 문준오; 박철봉; 김성주
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2012-09-26
Also published as: KR20120044120A

Abstract

열처리 특성이 우수하여 템퍼링 조건에 따라서 다양한 유정용 강종으로의 강도 업그레이드가 가능한 유정용 API(American Petroleum Institute) 강판 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 유정용 API 강판은 중량%로, 탄소(C) : 0.22~0.27%, 실리콘(Si) : 0.1~0.3%, 망간(Mn) : 1.2~1.5%, 알루미늄(Al) : 0.02~0.04%, 니오븀(Nb) : 0.01~0.03%, 티타늄(Ti) : 0.01~0.03%, 니켈(Ni) : 0.05~0.2%, 구리(Cu) : 0.01~0.2%, 칼슘(Ca) : 0.001~0.004%, 보론(B) : 0.001~0.0025% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 FDT(Finishing Delivery Temperature) : 800℃ ~ 900℃로 마무리 압연하는 열간압연 단계; 및 상기 열간압연된 판재를 CT(Coiling Temperature) : 650℃ ~ 550℃까지 냉각하여 권취하는 냉각/권취 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

열처리 특성이 우수한 유정용 ＡＰＩ 강판 및 그 제조 방법{API STEEL SHEET WITH EXCELLENT HEAT TREATMENT PROPERTIES FOR OIL TUBULAR COUNTRY GOODS AND METHOD OF MANUFACTURING THE API STEEL SHEET}

본 발명은 석유나 가스의 시추를 위하여 사용되는 유정용 강관(Oil Tubular Country Goods) API(American Petroleum Institute) 강판 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 조관 후 열처리 특성이 우수한 유정용 API 강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

유정용 강관은 석유나 가스의 시추를 위하여 사용되는 강관이다. 이러한 유정용 강관은 통상 열연강판을 조관한 후, 사용목적에 따라 QT(Quenching & Tempering) 열처리를 통하여 강도를 업그레이드하고 있다.

일반적으로 통상, 슬라브 재가열(slab reheating) 과정, 열간압연(hot-rolling) 과정 및 냉각/권취(cooling/coiling) 과정을 통하여 제조된다.

슬라브 재가열 과정에서는 반제품 상태인 슬라브(slab) 판재를 재가열한다.

열간압연 과정에서는 압연롤을 이용하여 고온에서 슬라브 판재를 최종 두께로 압연한다.

냉각/권취 과정에서는 압연이 마무리된 판재를 특정한 권취 온도(Coiling Temperature : CT)까지 냉각(cooling)하여 권취한다.

본 발명의 목적은 합금 성분 조절 및 열연공정 조건 제어를 통하여 유정용 강관 소재로 널리 사용되는 API-5CT J55 규격(인장강도 517MPa 이상, 항복강도 379MPa 이상) 이상의 기계적 특성을 갖는 열처리 특성이 우수한 유정용 API 강판 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 인장강도(TS) 590 MPa 이상 및 항복강도(YS) 420 MPa 이상의 고강도와 함께 30% 이상의 연신율(EL)을 가지며, 동시에 열처리 특성이 우수한 유정용 API 강판을 제공하는 것이다.

상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 열처리 특성이 우수한 유정용 API 강판 제조 방법은 중량%로, 탄소(C) : 0.22~0.27%, 실리콘(Si) : 0.1~0.3%, 망간(Mn) : 1.2~1.5%, 알루미늄(Al) : 0.02 ~ 0.04%, 니오븀(Nb) : 0.01~0.03%, 티타늄(Ti) : 0.01~0.03%, 니켈(Ni) : 0.05~0.2%, 구리(Cu) : 0.01~0.2%, 칼슘(Ca) : 0.001~0.004%, 보론(B) : 0.001~0.0025% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 FDT(Finishing Delivery Temperature) : 800℃ ~ 900℃로 마무리 압연하는 열간압연 단계; 및 상기 열간압연된 판재를 CT(Coiling Temperature) : 650℃ ~ 550℃까지 냉각하여 권취하는 냉각/권취 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 열간압연 단계 이전에, 슬라브 판재를 SRT(Slab Reheating Temperature) : 1150 ~ 1200℃로 재가열하는 슬라브 재가열 단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 열처리 특성이 우수한 유정용 API 강판은 중량%로, 탄소(C) : 0.22~0.27%, 실리콘(Si) : 0.1~0.3%, 망간(Mn) : 1.2~1.5%, 알루미늄(Al) : 0.02~0.04%, 니오븀(Nb) : 0.01~0.03%, 티타늄(Ti) : 0.01~0.03%, 니켈(Ni) : 0.05~0.2%, 구리(Cu) : 0.01~0.2%, 칼슘(Ca) : 0.001~0.004%, 보론(B) : 0.001~0.0025% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지며, 페라이트 및 펄라이트를 포함하는 복합 조직을 갖는 것을 특징으로 한다. 상기 강판은 인(P) : 0.018% 이하 및 황(S) : 0.005% 이하를 포함할 수 있다.

이때, 상기 강판은 하기 수학식 1을 만족하는 범위에서 실리콘(Si) 및 망간(Mn)을 포함하는 것이 바람직하며, 또한, 상기 강판은 하기 수학식 2를 만족하는 범위에서 황(S) 및 칼슘(Ca)을 포함하는 것이 바람직하다.

수학식 1 : 6 ≤ [Mn]/[Si] ≤ 9

수학식 2 : 2.0 ≤ [Ca]/[S] ≤ 2.5

(여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)

본 발명에 따른 열처리 특성이 우수한 유정용 API 강판은 탄소(C) 함량을 0.22~0.27중량%로 높이고, 티타늄(Ti), 보론(B), 니켈(Ni), 구리(Cu) 등의 경화능 원소를 첨가함으로써 우수한 열처리 특성을 가질 수 있는 장점이 있다.

따라서, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 유정용 API 강판은 열처리 후에 인장강도 1100MPa 이상, 항복강도 890MPa 이상을 확보할 수 있어, 다양한 기계적 특성을 갖는 유정용 강관으로 업그레이드할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열처리 특성이 우수한 유정용 API 강판 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 방법으로 제조된 열연 시편의 미세조직 사진이다.
도 3은 도 2에 도시된 열연 시편의 QT 열처리를 실시한 이후의 미세조직 사진이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열처리 특성이 우수한 유정용 API 강판 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

유정용 API 강판

본 발명에 따른 열처리 특성이 우수한 유정용 API 강판은 조관 후 QT(Quenching and Tempering) 열처리를 통하여 다양한 강종으로 강도 업그레이드가 가능하도록, 미국석유협회(American Petroleum Institute : API)에서 규정한 API-5CT J55의 기계적 물성인 인장강도(TS) 517MPa 이상 및 항복강도 379MPa 이상을 확보하는 것을 목표로 한다.

이를 위하여, 본 발명에 따른 유정용 API 강판은 중량%로, 탄소(C) : 0.22~0.27%, 실리콘(Si) : 0.1~0.3%, 망간(Mn) : 1.2~1.5%, 알루미늄(Al) : 0.02~0.04%, 니오븀(Nb) : 0.01~0.03%, 티타늄(Ti) : 0.01~0.03%, 니켈(Ni) : 0.05~0.2%, 구리(Cu) : 0.01~0.2%, 칼슘(Ca) : 0.001~0.004%, 보론(B) : 0.001~0.0025%을 포함하고, 페라이트 및 펄라이트를 포함하는 복합 조직을 갖는다. 또한, 본 발명에 따른 유정용 API 강판은 인(P) : 0.018% 이하 및 황(S) : 0.005% 이하를 포함할 수 있다. 상기 합금 성분들 외 나머지는 철(Fe)과 제강 과정 등에서 불가피하게 포함되는 불순물로 이루어진다.

이하, 본 발명에 따른 유정용 API 강판에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다.

탄소(C)

탄소(C)는 강도를 확보하기 위하여 첨가되며, 열처리 후의 강도를 확보하고자 하는 본 발명의 특성을 고려할 때, 중탄 이하로 첨가되는 것이 좋다.

상기 탄소는 본 발명에 따른 API 강판 전체 중량의 0.22 ~ 0.27 중량%로 첨가되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.23 중량%를 제시할 수 있다. 탄소의 함량이 0.22 중량% 미만일 경우 충분한 강도를 확보하기 어려우며, 탄소의 함량이 0.27 중량%를 초과할 경우 인성 저하 및 전기저항용접시 용접성의 저하를 가져오는 문제점이 있다.

실리콘(Si)

실리콘(Si)의 경우, 0.3 중량%를 초과하여 다량 첨가시 강의 용접성을 떨어뜨리고 열연공정시 재가열공정 및 열간압연 시에 적 스케일(red scale)을 생성시킴으로써 표면품질에 문제를 줄 수 있으며, 용접후 도금성을 저해할 수 있다.

반면 망간(Mn)이 1중량% 이상 첨가되는 본 발명에 따른 API 강판의 특성상 Mn-oxide 및 Si-oxide의 특성을 제어하기 위해서 Al-Si 복합탈산이 요구되는 바 0.1 중량% 이상의 실리콘 첨가가 요구된다. 이는 강관 제조를 위한 전기저항용접(ERW)시 Mn/Si비가 6~9사이로 일정 범위 내에 들어야 용접부 균열 발생이 현저히 감소하기 때문이다.

따라서 상기 실리콘의 함량은 본 발명에 따른 API 강판 전체 중량의 0.1 ~ 0.3 중량%인 것이 바람직하다.

망간(Mn)

망간(Mn)은 고용강화 원소로써 매우 효과적이며, 강의 경화능을 향상시켜서 강도 확보에 효과적인 원소이다. 또한 망간은 오스테나이트 안정화 원소로서, 페라이트, 펄라이트 변태를 지연시킴으로써 페라이트 결정립 미세화에 기여한다.

상기 망간은 강도 향상 효과 및 중심 편석 유발 등을 고려할 때 본 발명에 따른 API 강판 전체 중량의 1.2 ~ 1.5 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 망간의 첨가량이 1.2 중량% 미만일 경우 고용강화 효과가 미미하고, 반대로 망간의 첨가량이 1.5 중량%를 초과하면 용접성이 크게 저하되며, 아울러 MnS 개재물 생성 및 중심 편석(center segregation) 발생에 의하여 강의 연성을 크게 저하시키는 문제점이 있다.

인(P)

인(P)은 시멘타이트 형성을 억제하고, 강도를 증가시키기 위해 첨가된다.

그러나, 인은 용접성을 악화시키고, 슬라브 중심 편석(slab center segregation)에 의해 최종 재질 편차를 발생시키는 원인이 되므로, 상기 인(P)은 본 발명에 따른 API 강판 전체 중량의 0.018 중량% 이하의 범위 내에서 제한적으로 첨가되는 것이 바람직하다.

황(S)

황(S)은 강의 인성 및 용접성을 저해하고, 망간과 결합하여 MnS 비금속 개재물을 형성함으로써 강의 가공 중 크랙을 발생시키는 원소이다.

따라서, 황(S)의 함량은 본 발명에 따른 API 강판 전체 중량의 0.005 중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

알루미늄(Al)

알루미늄(Al)은 제강시의 탈산을 위해 첨가한다.

상기 알루미늄은 본 발명에 따른 API 강판 전체 중량의 0.02 ~ 0.04 중량%로 첨가되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.03 중량%를 제시할 수 있다. 알루미늄의 함량이 0.02 중량% 미만일 경우,충분한 탈산 효과를 얻을 수 없다. 반대로, 알루미늄의 함량이 0.04 중량%를 초과하면, 용접성을 저해하는 문제점이 있다.

니오븀(Nb)

니오븀(Nb)은 석출물 형성원소로서 강의 강도에 가장 큰 영향을 주는 원소 중 하나이며, 강 중에 탄질화물을 석출하거나 Fe 내 고용강화를 통하여 강의 강도를 향상시키는 원소이다. 특히, 니오븀계 석출물들은 슬라브 재가열시 1150℃ 이상의 가열로에서 고용된 후 열간압연 중 미세하게 석출하여 강의 강도를 효과적으로 증가시킨다.

상기 니오븀은 본 발명에 따른 API 강판 전체 중량의 0.01 ~ 0.03 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.015 중량%를 제시할 수 있다. 니오븀의 함량이 0.01 중량% 이상일 때 충분한 니오븀 첨가 효과를 가진다. 반면, 니오븀의 함량이 0.03 중량%를 초과할 경우 과다한 석출로 인하여 연주성, 압연성 및 연신율을 저하시킬 수 있다.

티타늄(Ti)

본 발명에서 티타늄(Ti)은 TiN 석출물 형성원소로서, 슬라브 재가열시 TiN을 형성하여 오스테나이트 결정립 성장을 억제하여 강도를 증대시키는 역할을 한다. 특히, TiN 석출물은 높은 용해온도로 인하여 고온에서 쉽게 용해되지 않으며, 이로 인해 용접 열영향부(HAZ)에서 결정립을 미세화시키는 역할을 한다.

또한, 본 발명과 같이, 보론(B) 첨가강의 경우, TiN 석출을 통하여 고용 질소를 현저히 줄임으로써 BN의 석출을 방지하고, 이를 통하여 보론 첨가에 의한 경화능을 효과적으로 향상시킨다.

상기 티타늄은 본 발명에 따른 API 강판 전체 중량의 0.01 ~ 0.03 중량%로 첨가되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.02 중량%를 제시할 수 있다. 티타늄의 함량이 0.01 중량% 미만이면 상기의 티타늄 첨가 효과가 미미하고, 티타늄의 함량이 0.03 중량%를 초과하면 TiN석출물이 조대해져 결정립 성장을 억제하는 효과가 저하되고, 제조되는 API 강판의 표면 결함을 유발시킬 수 있다.

니켈(Ni)

니켈(Ni)은 결정립을 미세화하고 오스테나이트 및 페라이트에 고용되어 기지를 강화시킨다. 특히 니켈은 저온 충격인성을 향상시키는데 효과적인 원소이다.

상기 니켈은 본 발명에 따른 API 강판 전체 중량의 0.05 ~ 0.2 중량%로 첨가되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.1 중량%를 제시할 수 있다. 니켈(Ni)이 0.05 중량% 미만으로 첨가되면 니켈 첨가에 따른 강도 향상 및 저온 충격인성 향상 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반대로, 니켈(Ni)의 함량이 0.2 중량%를 초과하면 적열취성을 유발하고, 제조 비용을 상승시키는 문제점이 있다.

구리(Cu)

구리(Cu)는 니켈(Ni)과 함께 강의 경화능 및 내식성을 향상시키는 원소로 첨가된다.

상기 구리는 본 발명에 따른 API 강판 전체 중량의 0.01 ~ 0.2 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 구리의 함량이 0.01 중량% 미만일 경우 그 첨가 효과를 충분히 발휘할 수 없다. 반대로, 구리의 함량이 0.2 중량%를 초과할 경우 강의 표면 특성을 저하시키는 문제점이 있다.

칼슘(Ca)

칼슘은 CaS를 형성시켜 강중의 황의 함량을 낮추고, 아울러 MnS 편석을 감소시켜 강의 청정도 및 황의 입계편석을 감소시켜 재가열 균열에 대한 저항성을 증가시키는 역할을 한다.

상기 칼슘은 본 발명에 따른 API 강판 전체 중량의 0.001 ~ 0.004 중량%로 첨가되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.0025 중량%를 제시할 수 있다. 칼슘의 함량이 0.001 중량% 미만일 경우, 수학식 2, 즉 2 ≤ [Ca]/[S] ≤ 2.5 를 만족시키기 위하여 황의 함량이 극소가 되도록 제어하여야 하는 문제점이 있다. 반대로 칼슘의 함량이 0.004 중량%를 초과할 경우 CaO와 같은 개재물을 형성시키는 문제점이 있다.

보론(B)

보론(B)은 오스테나이트 결정립에 편석되어 결정립계 에너지를 낮춤으로써 오스테나이트를 안정화시키고 이를 통해 강의 경화능을 향상시키는 원소이다.

상기 보론은 본 발명에 따른 API 강판 전체 중량의 0.001 ~ 0.0025 중량%로 첨가되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.002 중량%를 제시할 수 있다. 보론의 함량의 0.001 중량% 미만일 경우, 경화능 향상 효과가 불충분하다. 반면, 보론의 함량이 0.0025 중량%를 초과하여 다량 첨가 시에는 강의 취성을 급격히 증가시키는 문제점이 있다.

한편, 본 발명에 따른 유정용 API 강판은 하기 수학식 1 ~ 2를 만족하는 범위에서 실리콘(Si), 망간(Mn), 황(S) 및 칼슘(Ca)을 포함하는 것이 바람직하다.

수학식 1 : 6 ≤ [Mn]/[Si] ≤ 9

수학식 2 : 2.0 ≤ [Ca]/[S] ≤ 2.5

(여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)

수학식 1에서 실리콘(Si)의 함량 대비, 망간(Mn)의 함량 비율이 6 ~ 9일 때 가장 우수한 용접성을 나타내며, 실리콘(Si)의 함량 대비, 망간(Mn)의 함량 비율이 6 미만일 경우 혹은 9를 초과할 경우 고온에서 안정한 MnO, SiO₂ 산화물을 생성시킴으로써 전기저항용접시 훅 크랙(Hook crack)을 유발하여 용접부 품질을 크게 저하시키는 문제점이 있다.

또한, 수학식 2에서 황(S)의 함량 대비, 칼슘(Ca)의 함량 비율이 2.0 미만일 경우 CaS 형성이 불충분하여 중심편석을 유발하는 문제점이 있으며, 황의 함량 대비 칼슘의 함량비가 2.5를 초과할 경우 칼슘의 과다 첨가로 인하여 CaO와 같은 개재물이 형성되거나 황의 함량을 극소로 제어해야 하므로 강의 제조비용이 증가하는 문제점이 있다.

유정용 API 강판 제조 방법

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열처리 특성이 우수한 유정용 API 강판 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.

도 1을 참조하면, 도시된 본 발명에 따른 유정용 API 강판 제조 방법은 열간압연 단계(S110) 및 냉각/권취 단계(S120)를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 유정용 API 강판 제조 방법은 열간압연 단계(S110) 이전에 슬라브 재가열 단계(S105)를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 유정용 API 강판 제조 방법에서 열연공정의 대상이 되는 반제품 상태의 슬라브 판재는 중량%로, 탄소(C) : 0.22~0.27%, 실리콘(Si) : 0.1~0.3%, 망간(Mn) : 1.2~1.5%, 알루미늄(Al) : 0.02 ~ 0.04%, 니오븀(Nb) : 0.01~0.03%, 티타늄(Ti) : 0.01~0.03%, 니켈(Ni) : 0.05~0.2%, 구리(Cu) : 0.01~0.2%, 칼슘(Ca) : 0.001~0.004%, 보론(B) : 0.001~0.0025% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어진다.

이때, 상기 슬라브 판재는 인(P) : 0.018% 이하 및 황(S) : 0.005% 이하를 포함할 수 있다.

한편, 상기 슬라브 판재는 전술한 바와 같이, 하기 수학식 1 ~ 2를 만족하는 범위에서 실리콘(Si), 망간(Mn), 황(S) 및 칼슘(Ca)을 포함하는 것이 바람직하다.

수학식 1 : 6 ≤ [Mn]/[Si] ≤ 9

수학식 2 : 2.0 ≤ [Ca]/[S] ≤ 2.5

(여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)

상기 조성을 갖는 슬라브 판재는 제강공정을 통해 원하는 조성의 용강을 얻은 다음에 연속주조공정을 통해 얻어질 수 있다.

슬라브 재가열

본 발명에 따른 유정용 API 강판 제조 방법에서 슬라브 재가열 단계(S105)가 포함될 경우, 슬라브 재가열 단계(S105)에서는 상기 조성을 갖는 슬라브 판재를 SRT(Slab Reheating Temperature) : 1150 ~ 1200℃로 재가열한다.

슬라브 판재의 재가열을 통하여, 주조 시 편석된 성분의 재고용 및 석출물의 재고용이 발생할 수 있다.

슬라브 판재의 재가열 온도(SRT)는 1150 ~ 1200℃인 것이 바람직하다. 슬라브 재가열 온도(SRT)가 1150℃ 미만이면 주조 시 편석된 성분이 충분히 재고용되지 못하고, 니오븀(Nb) 등의 석출물 용해가 충분치 이루어지지 않는 문제점이 있다. 반대로 슬라브 재가열 온도(SRT)가 1200℃를 초과하면 오스테나이트 결정입도가 증가하여 최종 미세 조직의 페라이트가 조대화되어 강도 확보가 어려울 수 있으며, 과도한 가열 공정으로 인하여 강판의 제조 비용만 상승할 수 있다.

열간압연

열간압연 단계(S110)에서는 슬라브 판재를 FDT(Finishing Delivery Temperature) : 800 ~ 900℃로 마무리 압연한다. 슬라브 재가열 단계(S105)를 포함하는 경우, 압연 대상은 재가열된 슬라브 판재가 된다.

열간압연 단계(S110)에서 마무리 압연 온도(FDT)는 800 ~ 900℃인 것이 바람직하다. 마무리 압연 온도(FDT)가 900℃를 초과할 경우 오스테나이트 결정립이 조대화되어 변태후 페라이트 결정립 미세화가 충분히 이루어지지 않으며, 이에 따라 강도 확보가 어려워질 수 있다. 또한, 마무리 온도가 800℃ 미만으로 너무 낮으면, 이상역 압연에 의한 혼립 조직이 발생하는 등의 문제가 발생할 수 있다.

냉각/권취

냉각/권취 단계(S120)에서는 열간압연된 판재를 CT(Coiling Temperature) : 650℃ ~ 550℃까지 냉각하여 권취한다.

본 발명에서 냉각 과정은 압연된 판재를 수냉 등의 방식을 통하여 펄라이트 온도 영역에 해당하는 650℃ ~ 550℃까지 냉각함으로써, 강판의 결정립 성장을 억제하여 미세한 페라이트 결정립을 가지는 기지 조직을 형성시키고, 또한 펄라이트 조직을 형성시켜 고강도 및 고인성을 확보하기 위하여 실시된다. 냉각 속도는 대략 1~100℃/sec 정도가 될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에서 권취 온도(CT)가 650℃를 초과할 경우, 강도가 불충분하며, 반대로, 권취 온도(CT)가 550℃ 미만일 경우 강의 제조비용이 증가하며, 충분한 강도를 확보할 수 있으나, 고인성 확보가 어려운 문제점이 있다.

상기 과정을 통하여 제조되는 유정용 API 강판은 페라이트와 펄라이트 복합조직을 가질 수 있으며, 10~20㎛의 평균 결정립의 사이즈를 가질 수 있다.

또한, 제조되는 유정용 API 강판은 인장강도(TS) : 590 MPa 이상 및 항복강도(YS) : 420 MPa 이상의 고강도를 가질 수 있으며, 아울러 30% 이상의 고연신율을 확보할 수 있다.

이러한 본 발명에 따른 유정용 API 강판은 QT(Quenching and Tempering) 열처리를 통하여 다양한 유정용 강종의 특성을 확보할 수 있다.

실시예

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

1. 열연 시편의 제조

표 1에 기재된 조성 및 표 2에 기재된 공정 조건으로 실시예 1 및 비교예 1에 열연시편을 제조하였다.

실시예 1 및 비교예 1에 따른 열연시편의 경우, 각각의 조성을 갖는 잉곳을 제조하고, 이를 압연모사시험기를 이용하여 가열, 열간압연, 냉각(수냉) 등의 열연공정을 모사하고 및 권취로에 장입하였다.

[표 1] (단위 : 중량%)

[표 2]

2. 기계적 특성 평가

실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 열연 시편의 재질을 평가하기 위하여 인장 시험을 실시하였다.

표 2를 참조하면, 실시예 1에 따라 제조된 열연 시편의 경우 인장강도(TS)가 590 MPa 이상이었으며, 항복강도(YS)가 420 MPa 이었으며, 또한 연신율이 33% 이상이었다.

반면, 비교예 1에 따라 제조된 열연 시편의 경우 인장강도(TS) 및 항복강도가 실시예 1에 비하여 다소 낮았으며, 특히 연신율(EL)의 경우 실시예 1에 비하여 현저히 낮았다.

도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 방법으로 제조된 열연 시편의 미세조직 사진이다.

도 2를 참조하면, 실시예 1에 따른 방법으로 제조된 열연 시편의 미세 조직은 평균 결정립 사이즈가 10 ~ 20㎛인 미세 페라이트와 펄라이트 복합 조직으로 이루어져 있는 것을 볼 수 있다.

도 3은 도 2에 도시된 열연 시편의 QT 열처리를 실시한 이후의 미세조직 사진이다.

QT(Quenching and Tempering) 열처리를 위하여, 실시예 1에 따라 제조된 열연 시편을 1000℃로 가열한 후 수냉을 통하여 퀀칭(quenching)을 실시한 후, 550℃에서 템퍼링을 실시하였다.

QT 열처리 후, 시편은 인장강도(TS) 1100MPa, 항복강도(YS) 890MPa, 연신율(EL) 16%를 나타내었다. 이는 가장 높은 강도를 요구하는 API 5CT P110 규격(인장강도 862MPa 이상, 항복강도 750MPa 이상)을 만족하는 기계적 물성에 해당한다.

따라서, 본 발명에 따른 유정용 API 강판은 QT 열처리에 조건에 따라서, 유정용 강관으로 사용되는 API 5CT L80, API 5CT N80, API 5CT P110 등의 다양한 강종으로의 업그레이드가 가능하다.

한편, 도 3을 참조하면, 열처리 후 열연 시편은 마르텐사이트 조직으로 이루어져 있는 것을 볼 수 있다. 이는 본 발명에 따른 유정용 API 강판의 조성에 티타늄(Ti), 보론(B), 구리(Cu), 니켈(Ni) 등 경화능 원소를 첨가한 효과에 해당한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 제조 방법으로 제조된 유정용 API 강판은 열처리 전에 API-5CT J55 특성을 만족하며, 우수한 열처리 특성에 의하여 API-5CT N80, API-5CT L80, API-5CT P110 등에서 요구하는 강도를 확보할 수 있는 장점이 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

S105 : 슬라브 재가열 단계
S110 : 열간압연 단계
S120 : 냉각/권취 단계

Claims

중량%로, 탄소(C) : 0.22~0.27%, 실리콘(Si) : 0.1~0.3%, 망간(Mn) : 1.2~1.5%, 알루미늄(Al) : 0.02~0.04%, 니오븀(Nb) : 0.01~0.03%, 티타늄(Ti) : 0.01~0.03%, 니켈(Ni) : 0.05~0.2%, 구리(Cu) : 0.01~0.2%, 칼슘(Ca) : 0.001~0.004%, 보론(B) : 0.001~0.0025% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 FDT(Finishing Delivery Temperature) : 800℃ ~ 900℃로 마무리 압연하는 열간압연 단계; 및
상기 열간압연된 판재를 CT(Coiling Temperature) : 650℃ ~ 550℃까지 냉각하여 권취하는 냉각/권취 단계;를 포함하고,
제조되는 강판이 인장강도(TS) : 590 MPa 이상, 항복강도(YS) : 420 MPa 이상 및 연신율(EL) : 33% 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 유정용 API(American Petroleum Institute) 강판 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 열간압연 단계 이전에, 슬라브 판재를 SRT(Slab Reheating Temperature) : 1150 ~ 1200℃로 재가열하는 슬라브 재가열 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유정용 API 강판 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 슬라브 판재는
하기 수학식 1을 만족하는 범위에서 실리콘(Si) 및 망간(Mn)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유정용 API 강판 제조 방법.
수학식 1 : 6 ≤ [Mn]/[Si] ≤ 9
(여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 슬라브 판재는
인(P) : 0% 초과 내지 0.018% 이하 및 황(S) : 0% 초과 내지 0.005% 이하를 포함하는 것을 특징으로 하는 유정용 API 강판 제조 방법.
제4항에 있어서,
상기 슬라브 판재는
하기 수학식 2를 만족하는 범위에서 황(S) 및 칼슘(Ca)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유정용 API 강판 제조 방법.
수학식 2 : 2.0 ≤ [Ca]/[S] ≤ 2.5
(여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)
중량%로, 탄소(C) : 0.22~0.27%, 실리콘(Si) : 0.1~0.3%, 망간(Mn) : 1.2~1.5%, 알루미늄(Al) : 0.02~0.04%, 니오븀(Nb) : 0.01~0.03%, 티타늄(Ti) : 0.01~0.03%, 니켈(Ni) : 0.05~0.2%, 구리(Cu) : 0.01~0.2%, 칼슘(Ca) : 0.001~0.004%, 보론(B) : 0.001~0.0025% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지며,
페라이트 및 펄라이트를 포함하는 복합 조직을 갖으며,
인장강도(TS) : 590 MPa 이상, 항복강도(YS) : 420 MPa 이상 및 연신율(EL) : 33% 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 유정용 API 강판.
제6항에 있어서,
상기 강판은
하기 수학식 1을 만족하는 범위에서 실리콘(Si) 및 망간(Mn)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유정용 API 강판.
수학식 1 : 6 ≤ [Mn]/[Si] ≤ 9
(여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)
제6항에 있어서,
상기 강판은
인(P) : 0% 초과 내지 0.018% 이하 및 황(S) : 0% 초과 내지 0.005% 이하를 포함하는 것을 특징으로 하는 유정용 API 강판.
제8항에 있어서,
상기 강판은
하기 수학식 2를 만족하는 범위에서 황(S) 및 칼슘(Ca)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유정용 API 강판.
수학식 2 : 2.0 ≤ [Ca]/[S] ≤ 2.5
(여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)
제6항에 있어서,
상기 페라이트는
평균 결정립 사이즈가 10~20㎛인 것을 특징으로 하는 유정용 API 강판.
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