KR101411861B1 - 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법 - Google Patents

수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전로의 용강을 래들로 출강 중에 페로 니오븀과 탈산제를 래들에 1차로 투입하고, 그리고 합금철을 2차로 투입하는 공정을 포함하고, 상기 페로 니오븀 중 니오븀은 70-74중량%로 포함되고, 상기 전로의 용강의 출강 온도는 1670-1700도인 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING STEEL PIPE WITH RESISTANT HYDROGEN INDUCED CRACK}
본 발명은 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소 유기 균열 발생율을 현저하게 낮출 수 있고, 특히 니오븀(Nb) 정출에 의한 수소 유기 균열 발생율을 현저하게 낮출 수 있는 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법에 관한 것이다.
라인 파이프용 강관은 주로 원유 및/또는 천연가스를 수송하기 위해 사용된다. 특히, 수송되는 원유가 수분 및 황화수소를 함유하고 있을 경우, 반드시 수소 유기 균열(HIC, hydrogen induced crack)이 보증된 강관을 사용하도록 규정되어 있다.
강관에서 발생되는 수소 유기 균열은 망간황화물(MnS) 개재물, 티타늄(Ti) 및 니오븀(Nb)의 탄질화물, 니오븀(Nb) 정출, 산화물계 개재물(CaO-Al2O3), 중심 편석에 기인하는 것으로 알려져 있다.
기존의 니오븀 첨가 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조에서는 니오븀 농도가 62%인 페로 니오븀 합금철과 이종의 합금철을 혼합하여 전로 출강 중 래들(laddle)에 일괄 투입하고, 전로 출강 온도를 1670도 이하의 조건에서 수행하여 왔다.
관련 선행기술로는 한국공개특허 제2002-0042157호(공개일:2002.06.05, 발명의 명칭: 연속주조 슬라브의 중심편석 저감법)가 있다.
본 발명의 목적은 니오븀 정출을 줄여 수소 유기 균열 저항성을 높인 강관의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 강관 내 순수 니오븀 잔류를 방지 할 수 있는 강관의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 수소 유기 균열 저항성이 높아 원유 및/또는 천연가스 수송 용도로 사용될 수 있는 강관의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법은 전로의 용강을 래들로 출강 중에 페로 니오븀과 탈산제를 래들에 1차로 투입하고, 그리고 다른 합금철을 2차로 투입하는 공정을 포함하고, 상기 페로 니오븀 중 니오븀은 70-74중량%로 포함되고, 상기 전로의 용강의 출강 온도는 1670℃ 이상이 됨을 특징으로 한다.
상기 합금철은 상기 전로의 용강을 래들로 출강 중 또는 출강 완료 후 래들에 투입됨을 특징으로 한다.
상기 페로 니오븀은 상기 용강 150톤당 90-150kg으로 투입됨을 특징으로 한다.
상기 탈산제는 상기 용강 150톤당 290-310kg으로 투입됨을 특징으로 한다.
상기 용강은 탄소(C) 0.06-0.11중량%, 실리콘(Si) 0.20-0.30중량%, 망간(Mn) 1.00-1.50중량%, 인(P) 0.020중량% 이하, 황(S) 0.003중량%이하, 구리(Cu) 0.10-0.30중량%, 니켈(Ni) 0.10-0.25중량%, 니오븀(Nb) 0.030-0.060중량%, 바나듐(V) 0.045-0.080중량%, 티타늄(Ti) 0.005-0.020중량%, 용해 알루미늄(sol Al) 0.020-0.040중량%, 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함될 수 있다.
본 발명에 의하면, 니오븀 정출을 줄여 수소 유기 균열 저항성이 높고, 강관 내 니오븀 잔류를 방지 할 수 있으며, 수소 유기 균열 저항성이 높아 원유 및/또는 천연가스 수송 용도로 사용될 수 있는 강관의 제조 방법을 제공하는 발명의 효과를 갖는다.
본 발명의 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법의 일 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법은 수소 유기 균열(HIC, hydrogen induced crack) 발생율을 낮추고, 특히 니오븀 정출에 의한 수소 유기 균열 발생율을 낮출 수 있는 강관을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법은 전로의 용강을 래들(laddle)로 출강 중에 페로 니오븀과 탈산제를 래들에 1차로 투입하고, 그리고 합금철을 2차로 투입하는 공정을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법에서, 페로 니오븀과 탈산제는 전로의 용강을 래들로 출강 중에 1차로 동시에 투입되고, 이후에 합금철이 2차로 투입될 수 있다. 종래 용강 출강 중에 페로 니오븀과 탈산제, 및 합금철을 동시에 투입하였다. 그러나, 이러한 동시 투입으로 인하여 용강의 국소 부위가 냉각되면서 추후 용강의 주조시 슬라브의 품질이 저하될 수 있다.
반면에, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법은 페로 니오븀과 탈산제를 먼저 투입하고, 이후에 합금철이 투입된다. 그 결과, 탈산제와 페로 니오븀의 첨가로 인한 효과 구현과 함께, 용강의 일부 냉각도 막을 수 있다.
합금철이 먼저 투입되고, 이후에 페로 니오븀과 탈산제가 동시에 투입될 경우, 합금철의 실수율 하락으로 용강제조 원가가 상승하고 용강 중 개재물량 증가로 HIC 발생율이 증가되는 문제점이 있을 수 있다.
페로 니오븀과 합금철이 동시에 먼저 투입되고, 이후에 탈산제가 투입될 경우, 상기 문제와 함께 니오븀 산화물이 생성되어 이로 인한 HIC 발생율이 증가되는 문제점이 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법에서, 페로 니오븀은 니오븀과 철의 합금으로서, 페로 니오븀 중 니오븀(Nb)의 함량은 70-74중량%가 될 수 있다.
니오븀의 함량이 70중량% 미만인 경우, 니오븀 함량이 미약하여 페로 니오븀 투입량 증가로 인하여, 용강의 국부적 온도 하락이 발생되고, 일부 페로 니오븀의 미용해 현상이 발생되는 문제점이 있을 수 있다.
니오븀 함량이 74중량% 초과인 경우, 니오븀 비중이 8.3g/cm3이고, 용강의 비중이 7.8g/cm3인데, 페로 니오븀에 과량의 니오븀이 포함되게 되어, 페로 니오븀과 용강의 비중 차이에 의하여 니오븀이 래들 바닥에 침전될 수 있다. 또한, 용강의 온도는 1670℃이고 니오븀의 용융 온도는 2300℃로서 과량의 니오븀이 포함되게 되어 니오븀이 용강에 용해되지 않은 채 슬라브에 유입될 수 있고, 이는 강관에까지 잔류하게 되는 문제점이 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법에서, 용강을 래들로 출강 중에 출강 온도는 1670℃ 이상, 바람직하게는 1670-1700℃가 될 수 있다.
종래 용강을 1670℃ 미만의 온도에서 래들로 출강하였다. 그러나, 상술한 바와 같이 용강의 온도는 1670℃이고 니오븀의 용융 온도는 2300℃로서, 니오븀이 용강에 용해되지 않고 잔류할 수 있는 문제점이 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법에서, 용강은 중량%로 탄소(C):0.06-0.11중량%, 실리콘(Si):0.20-0.30중량%, 망간(Mn):1.00-1.50중량%, 인(P):0.020중량% 이하, 황(S):0.003중량%이하, 구리(Cu):0.10-0.30중량%, 니켈(Ni):0.10-0.25중량%, 니오븀(Nb):0.030-0.060중량%, 바나듐(V):0.045-0.080중량%, 티타늄(Ti):0.005-0.020중량%, 용해 알루미늄(Al):0.020-0.040중량%, 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법에서, 탄소는 용강 중 0.06-0.11중량%로 포함될 수 있다. 탄소는 라인 파이프용 강관 중에 함유되어 강도를 향상시키는데 크게 기여하는 원소이다. 상기 범위 내에서, 고강도를 확보하면서 크랙 발생을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법에서, 실리콘은 용강 중 0.20-0.30중량%로 포함될 수 있다. 실리콘은 강관의 강도 향상과 함께 탈산 역할을 한다. 상기 범위 내에서, 탈산 효과가 좋을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법에서, 망간은 용강 중 1.00-1.50중량%로 포함될 수 있다. 망간은 강도와 인성을 동시에 높일 수 있다. 상기 범위 내에서, 첨가량의 증가에 따라 강도가 높아지고 과량 투입으로 인한 인성 약화를 막을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법에서, 인은 용강 중 0.020중량% 이하, 바람직하게는 0.001-0.010중량%로 포함될 수 있다. 인은 강관의 충격 인성을 크게 저해시키는 불순물로서 연주시 중심 편석에 집적하여 내부 품질을 열화시킬 수 있다. 따라서, 상기 함량 범위 내로 포함되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법에서, 황은 용강 중 0.003중량% 이하, 바람직하게는 0.001-0.003중량%로 포함될 수 있다.황은 인과 함께 유해한 원소로서 연주시 표면 크랙, 내부 크랙 및 중심 편석의 유발로 인하여 충격 인성을 감소시킬 수 있다. 따라서, 상기 함량 범위 내로 포함되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법에서, 구리는 용강 중 0.10-0.30중량%로 포함될 수 있다. 구리는 강관의 산화 피막 형성 원소로서 부식성 환경 하에서 수소의 침투를 억제하는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법에서, 니켈은 용강 중 0.10-0.25중량%로 포함될 수 있다. 니켈은 강관의 산화 피막을 형성하기 위해 첨가된다. 상기 범위 내에서, 산화 피막 형성 효과가 좋을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법에서, 니오븀은 용강 중 0.040-0.060중량%로 포함될 수 있다. 니오븀은 탄소 또는 질소와 니오븀의 석출물을 생성하여 인장 강도를 증가시킨다. 상기 범위 내에서, 강도 향상 효과가 좋을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법에서, 바나듐은 용강 중 0.045-0.080중량%로 포함될 수 있다. 바나듐은 탄소와 질소의 석출 원소로서 인장 강도를 증가시킬 수 있다. 상기 범위 내에서, 인장 강도가 좋아지고 충격 인성의 저해를 막을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법에서, 티타늄은 0.005-0.020중량%로 포함될 수 있다. 티타늄은 슬라브 재가열 및 용접부 등 고온에서 티타늄 질화물 석출물이 입계에 미세 분산되어 강도와 인성을 개선한다. 상기 범위 내에서, 강도와 인성 개선 효과가 좋을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법에서, 페로 니오븀은 용강 150톤당 90-140kg으로 투입될 수 있다. 상기 범위 내에서, 상술한 니오븀 농도로 포함될 경우 수소 유기 균열 저항성을 높일 수 있고, 추후 슬라브와 강관에 니오븀이 잔류하는 양을 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법에서, 탈산제는 용강 150톤당 290-310kg으로 투입될 수 있다. 상기 범위 내에서, 용강에 투입시 탈산 효과를 나타낼 수 있고, 불필요하게 탈산제가 사용되는 것을 막을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법에서, 합금철은 페로 니오븀과 탈산제가 1차로 투입된 후라면 투입 시기에 제한이 없다. 예를 들면, 합금철은 전로의 용강을 래들로 출강 중 또는 출강 완료 후 래들에 투입될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법에서, 합금철은 티타늄, 니켈, 인, 황, 구리, 니켈, 니오븀, 바나듐 중 하나 이상과 잔부량의 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법에서, 합금철 투입이 완료된 후 통상의 방법으로 슬라브를 얻는다. 얻은 슬라브를 후판 공정에서 통상의 가열 수준인 1050-1170℃로 가열하고, 800-850℃에서 사상 압연을 종료한 후, 냉각수를 사용하여 550℃까지 냉각하여 강재를 제조한다.
이하, 본 발명을 하기 실시예와 비교예를 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
용강의 화학조성은 중량%로 탄소:0.063중량%, 실리콘:0.29중량%, 망간:1.4중량%, 인:0.0076중량%, 황:0.001중량%, 구리:0.23중량%, 니켈:0.17중량%, 니오븀:0.035중량%, 바나듐:0.05중량%, 티타늄:0.01중량%, 용해 알루미늄:0.03중량%로 제조하기 위하여, 전로 종점온도 1670℃ 용강을 래들로 출강하는 중에 니오븀 함량이 70중량%이고 잔량의 철을 포함하는 페로 니오븀과 탈산제인 알루미늄 화합물을 투입하였다(페로 니오븀은 용강 150톤 대비 92kg, 탈산제는 용강 150톤 대비 308kg).
그런 다음, 래들에 페로 실리콘 850kg, 망간 2000kg, 티타늄 20kg, 니켈 250kg, 구리 6kg 및 바나듐 80kg을 투입한 후, 용강을 2차 정련에서 처리하고 연주 주조 과정을 거쳐 슬라브를 제조하였다.
이후 연주 주조 과정에서 얻은 슬라브를 후판 공정에서 통상의 가열 수준인1050-1170℃로 가열하고, 800-850℃에서 사상 압연을 종료한 후, 냉각수를 사용하여 550℃까지 냉각하여 후판을 제조하였다.
실시예 2와 비교예 1-4
상기 실시예 1에서 하기 표 1과 같이 조건을 변경한 것을 제외하고는 동일한 방법을 실시하여, 강판을 제조하였다.
페로니오븀 투입 시기 탈산제 투입 시기 합금철 투입 시기 페로니오븀 중 니오븀 농도
(중량%)
출강 온도
(℃)
실시예 1 용강을 래들로 출강 중에 투입 용강을 래들로 출강 중에 투입/ 페로니오븀과 동시 투입. 페로니오븀과 탈산제 투입 후 래들에 투입 70 1670
실시예 2 용강을 래들로 출강 중에 투입 용강을 래들로 출강 중에 투입/ 페로니오븀과 동시 투입. 페로니오븀과 탈산제 투입 후 출강 중에 투입 74 1670
비교예 1 용강을 래들로 출강 중에 투입 용강을 래들로 출강 중에 투입 / 페로니오븀과 동시 투입. 페로니오븀과 탈산제 투입 후 출강 중에 투입 / 페로니오븀과 탈산제와 동시 투입 65 1650
비교예 2 용강을 래들로 출강 중에 투입 용강을 래들로 출강 중에 투입/ 페로니오븀과 동시 투입. 페로니오븀과 탈산제 투입 후 출강 중에 투입 / 페로니오븀과 탈산제와 동시 투입 70 1670
비교예 3 용강을 래들로 출강 중에 투입 용강을 래들로 출강 중에 투입. 페로니오븀과 동시 투입. 페로니오븀과 탈산제 투입 후 래들에 투입 62 1670
비교예 4 용강을 래들로 출강 중에 투입 용강을 래들로 출강 중에 투입. 페로니오븀과 동시 투입. 페로니오븀과 탈산제 투입 후 래들에 투입 70 1650
상기 실시예와 비교예에서 제조한 강판에 대해 HIC 발생율을 평가하였다. 또한, HIC 발생 중 요인에 따른 점유율을 평가하고 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
HIC 발생율(%) HIC 요인별 점유율(%)
망간황화물 개재물 티타늄/니오븀 탈질화물 니오븀 정출 산화물계 개재물 중심편석
실시예 1 5 3-9 26-30 0 15-19 42-46
실시예 2 3
비교예 1 15 8-12 26-30 8-12 13-17 38-42
비교예 2 13
비교예 3 12 7-11 21-25 14-18 14-18 35-39
비교예 4 20 6-10 20-24 20-24 11-15 33-37
상기 표 2에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법은 수소 유기 균열성을 현저하게 낮출 수 있고, 특히 니오븀 정출에 의한 수소 유기 균열성을 현저하게 낮출 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법은원유 및/또는 천연가스 수송 용도로 사용될 수 있는 강관을 제공하는 발명의 효과를 갖는다.
반면에, 종래 강관 제조 방법으로 제조된 비교예 1의 강판은 수소 유기 균열성이 높고 니오븀 정출에 의한 수소 유기 균열성도 높음을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 강관 제조 방법 중 페로 니오븀과 탈산제의 투입 시기, 출강 온도, 페로 니오븀 중 니오븀의 함량 중 어느 하나를 충족하지 못하는 비교예 2-4의 강판 역시, 수소 유기 균열성이 높고 니오븀 정출에 의한 수소 유기 균열성도 높아, 본 발명의 효과를 구현할 수 없다.
본 발명은 도면 및 첨부된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법에 있어서,
    전로의 용강을 래들(laddle)로 출강 중에 페로 니오븀과 탈산제를 래들에 1차로 투입하고, 그리고 합금철을 2차로 투입하는 공정을 포함하고,
    상기 페로 니오븀 중 니오븀(Nb)은 70-74중량%로 포함되고,
    상기 전로의 용강의 출강 온도는 1670-1700℃로 하여,
    상기 전로의 용강을 정련하는 것을 특징으로 하는,
    수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 합금철은 상기 전로의 용강을 래들로 출강 중 또는 출강 완료 후 래들에 투입되는 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 페로 니오븀은 상기 용강 150톤당 90-140kg으로 투입되는 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 탈산제는 상기 용강 150톤당 290-310kg으로 투입되는 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 용강은 탄소(C):0.06-0.11중량%, 실리콘(Si):0.20-0.30중량%, 망간(Mn):1.00-1.50중량%, 인(P):0.001-0.010중량%, 황(S):0.001-0.003중량%, 구리(Cu):0.10-0.30중량%, 니켈(Ni):0.10-0.25중량%, 니오븀(Nb):0.030-0.060중량%, 바나듐(V):0.060-0.080중량%, 티타늄(Ti):0.005-0.020중량%, 용해 알루미늄(sol.Al):0.020-0.040중량%, 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 수소 유기 균열 저항성이 우수한 강관의 제조 방법.
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