KR101449108B1 - 표면 품질이 건전한 강관용 열연강판 및 그 제조방법 - Google Patents

표면 품질이 건전한 강관용 열연강판 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일측면에 따르면, 스케일 밀착성이 우수하여 표면품질이 건전한 열연강판 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

Description

표면 품질이 건전한 강관용 열연강판 및 그 제조방법{HOT-ROLLED STEEL SHEET FOR STEEL PIPE HAVING EXCELLENT SURFACE INTEGRITY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 표면품질이 건전한 강관용 열연강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
강관용 열연 강판은 배관, 기계구조용, 압력용기, 보일러 및 열교환기 등의 여러 용도에 사용되어 왔다. 상기 용도에 맞는 강판은 목적하는 두께에 해당하는 열연강판을 제조한 뒤 용접 및 조관 과정을 거쳐 강관 형태로 얻게 된다.
강관용 열연 강판은 산세나 냉연을 거치지 않고 그대로 조관하여 사용하는 것이 보통이기 때문에 건전한 표면 품질을 요구한다. 특히 제조 과정에서 표면 스케일의 박리가 발생할 경우 강관의 외관이 나빠져 제품으로서의 가치가 떨어질 뿐 아니라 부식 양상이 변화하게 되고 작업 환경을 크게 해치게 된다.
이와 같은 강관용 열연강판의 표면 건전성, 보다 엄밀하게 표현하면 스케일 부착성을 개선하기 위해 여러 가지 발명들이 제안되어 왔다.
특허문헌 1에서는 마무리압연 종료온도를 860℃ 이하로 하고 Si을 0.05중량% 이상 첨가하며 스케일 두께를 15μm 이하로 제어함으로써 스케일 밀착성이 개선됨을 제시하고 있으나, 실제로는 스케일 두께가 15μm 이하인 경우에도 박리형 스케일이 발생하는 경우가 발생하며, 이처럼 마무리압연 온도가 낮으면 압연 효율이 떨어질 뿐 아니라 압연 중에 스케일이 파쇄될 우려가 있다.
또한 특허문헌 2에서는 마무리압연 종료온도를 850℃ 이하로 하고 각 압연 단계 사이에 고압수를 이용한 급냉을 실시함으로써 스케일 밀착성을 개선할 수 있다고 하였으나, 역시 특허문헌 1처럼 낮은 온도까지 마무리압연을 실시하는 것은 압연 효율과 스케일 내 균열 생성 측면에서 문제가 될 가능성이 있다.
또한, 특허문헌 3에서는 마무리압연 종료 후 750℃까지의 냉각 공정에 있어 냉각과 복열을 반복하는 열 사이클을 적용함으로써 스케일 밀착성이 개선시키는 기술을 제안하고 있으나, 이 경우, 권취 조건에 따라 취약한 스케일이 형성될 경우에는 스케일의 박리가 일어날 수 있다.
더불어, 특허문헌 4에서는 후판재의 압연 종료 이후에 4초 이내에서 냉각을 개시하여 스케일 성장을 억제하는 것과 냉각정지 온도를 두어 스케일 개질을 행하는 기술을 제안하였으나, 수냉시 균열이 쉽게 발생할 우려가 있다.
한국 공개특허 제 2012-0032992호 일본 공개특허 제 1995-048622 호 일본 공개특허 제 2009-203532 호 일본 공개특허 제 1997-239428 호
본 발명의 일측면에 따르면, 스케일 밀착성이 우수하여 표면품질이 건전한 열연강판 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일측면인 표면 품질이 건전한 강관용 열연강판은 중량%로, C: 0.04~0.3%, Si: 0.15% 이하(0%는 제외), Mn: 0.3~1.5%, Al: 0.06% 이하(0%는 제외), P: 0.025% 이하, S: 0.01% 이하, N: 0.01% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 표면에 스케일층이 형성되어 있고, 상기 스케일층은 마그네타이트를 60중량% 이상 포함한다.
본 발명의 다른 일측면인 표면 품질이 건전한 강관용 열연강판의 제조방법은 중량%로, C: 0.04~0.3%, Si: 0.15% 이하(0%는 제외), Mn: 0.3~1.5%, Al: 0.06% 이하(0%는 제외), P: 0.025% 이하, S: 0.01% 이하, N: 0.01% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1000~1300℃로 가열하는 단계, 상기 가열된 강 슬라브를 840~890℃의 마무리압연온도로 열간압연하여 강판을 얻는 단계, 상기 열간압연된 강판을 10~50℃/초의 냉각속도로 냉각하는 단계 및 상기 냉각된 강판은 570~630℃의 권취온도(CT)를 만족하는 동시에 하기 수학식 1을 만족하는 권취하는 단계를 포함한다.
수학식 1: 590< CT(℃)+ 7xt(㎜)< 650 (단, t는 열연강판의 두께임)
덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 강 성분 및 스케일조직을 최적화함으로써, 스케일 밀착성이 우수하고, 표면의 건전성이 향상되어 표면 품질이 우수한 강관용 열연강판을 확보하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명이 제안한 범위를 만족하는 스케일조직을 가질 때의 강판의 표면층을 찍은 사진이다.
도 2는 스케일 내 균열이 발생한 강판의 표면층을 찍은 사진이다.
도 3은 스케일 조직이 박리된 강판의 표면층을 찍은 사진이다.
본 발명자들은 표면 품질이 건전한 강관용 열연강판을 도출해내기 위하여 연구를 행한 결과, 강판의 강 성분 및 스케일조직을 최적화하여 열연강판의 스케일 조직을 마그네타이트, 뷔스타이트 및 헤마타이트로 제어함으로써, 스케일 밀착성이 우수하면서 표면 품질이 우수한 강관용 열연강판을 생산할 수 있음을 확인하고 본 발명에 이르게 되었다.
이하, 본 발명의 일측면인 표면 품질이 건전한 강관용 열연강판에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일측면인 표면 품질이 건전한 강관용 열연강판은 중량%로, C: 0.04~0.3%, Si: 0.15% 이하(0%는 제외), Mn: 0.3~1.5%, Al: 0.06% 이하(0%는 제외), P: 0.025% 이하, S: 0.01% 이하, N: 0.01% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 표면에 스케일층이 형성되어 있고, 상기 스케일층은 마그네타이트를 60중량% 이상 포함한다.
탄소(C): 0.04~0.3중량%
탄소(C)는 강을 강화시키는데 가장 효과적인 원소이나 다량 첨가되는 경우 용접성 및 저온인성을 저하시키는 원소이다. 상기 탄소의 함량이 0.04중량% 미만인 경우에는 본 발명에서 의도하고자 하는 목표 강도를 구현하기 어렵고, 강도를 상승시키기 위하여 Mo, Ni 등과 같은 고가의 합금원소를 다량 첨가하여야 하기 때문에 경제적이지 못하다. 반면에, 상기 탄소의 함량이 0.3중량%를 초과하는 경우에는 성형성, 용접성, 충격특성 및 저온인성이 열화되기 때문에 바람직하지 않다. 따라서, 상기 탄소는 0.04~0.3중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
실리콘(Si): 0.15중량% 이하(0%는 제외)
실리콘은 탈산제로 사용되고, 2차 스케일의 밀착성을 향상시키는 원소이다. 본 발명에서는 이러한 효과를 나타내기 위하여 일정량 포함시키는 것이 바람직하다. 그러나, 상기 실리콘의 함량이 0.15중량%를 초과하는 경우에는 적스케일이 심하게 발생하여 표면 품질이 저하될 수 있다. 따라서, 상기 실리콘은 0.15중량% 이하로 포함되는 것이 바람직하다.
망간(Mn): 0.3~1.5중량%
망간은 강을 고용강화시키는데 효과적인 원소이다. 상기 망간의 함량이 0.3중량% 미만인 경우에는 조대한 FeS가 형성되어 강재가 매우 취약해 진다. 그러나, 상기 망간의 함량이 1.5중량%를 초과하는 경우에는 합금 원가가 증가하게 되며, 용접성이 저하될 수 있다. 따라서, 상기 망간은 0.3~1.5중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
알루미늄(Al): 0.06중량% 이하(0%는 제외)
알루미늄(Al)은 제강시 Si과 함께 탈산제로 첨가되며, 고용강화 효과가 있다. 본 발명에서는 이러한 효과를 나타내기 위하여 일정량 포함시키는 것이 바람직하다. 그러나, 상기 알루미늄의 함량이 0.06중량%를 초과하는 경우에는 연주시 노즐 막힘을 유발할 수 있다. 따라서, 상기 알루미늄의 함량은 0.06중량%이하로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
다만, 그 중 질소, 인 및 황은 일반적으로 많이 언급되는 불순물이기 때문에 이에 대하여 간략히 설명하면 다음과 같다.
질소(N): 0.01중량% 이하
질소는 오스테나이트 결정립내에서 응고과정에서 알루미늄과 작용하여 미세한 질화물을 석출시켜 쌍정발생을 촉진하므로 강판의 성형시 강도와 연성을 향상시키지만, 질소의 함량이 증가할수록 질화물이 과다하게 석출되어 열간 가공성 및 연신율을 저하시키므로 질소의 함량을 0.01중량%이하로 제한하였다.
인(P): 0.025중량% 이하
인은 불가피하게 함유되는 불순물로써, 주로 강판의 중심부에 편석되어 인성을 저하하기 때문에 후물재의 중심부 저온충격인성을 확보하기 위해서는 가능한 한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 이론상 인의 함량은 0%로 제한하는 것이 유리하나, 제조공정상 필연적으로 함유될 수 밖에 없다. 따라서, 상한을 관리하는 것이 중요하며, 본 발명에서는 상기 인 함량의 상한은 0.025중량%로 한정하는 것이 바람직하다.
황(S): 0.01중량% 이하
황은 불가피하게 함유되는 불순물로써, Mn등과 결합하여 비금속개재물을 형성하며 이에 따라 강의 저온충격인성을 크게 손상시키기 때문에 그 함량을 최대한 억제하는 것이 바람직하다. 이론상 황의 함량은 0%로 제한하는 것이 유리하나, 제조공정상 필연적으로 함유될 수 밖에 없다. 따라서, 상한을 관리하는 것이 중요하며, 본 발명에서는 상기 황 함량의 상한은 0.01중량%로 한정하는 것이 바람직하다.
또한, 스케일 밀착성을 향상시키기 위해서 상기 열연강판의 스케일층은 60중량% 이상의 마그네타이트(Magnetite, Fe3O4)를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 마그네타이트의 함량이 100중량% 포함되는 것이 보다 바람직하다. 상기 마그네타이트는 철과 라멜라형 공석 조직으로 이루어지는 것으로써, 이와 같은 조직을 가짐으로써, 스케일 밀착성을 향상시킬 수 있다. 또한, 마그네타이트의 함량이 60중량% 미만인 경우에는 뷔스타이트 및 헤마타이트가 과다 형성되어 스케일 밀착성을 저하시키는 문제가 있다.
잔부 기타 조직을 포함하는 것이 바람직하며, 상기 기타 조직은 뷔스타이트, 헤마타이트, 철 등 여러 가지 조직을 포함한다.
또한, 스케일 밀착성을 보다 향상시키기 위해서는 뷔스타이트 및 헤아타이트의 함량은 각각 20중량%미만으로 제어하는 것이 바람직하다.
상기 뷔스타이트는 열연강판의 빠른 냉각속도로 인하여 공석변태를 일으키기 못할 경우 고온에서 형성된 것으로써, 이때 형성된 뷔스타이트가 그대로 잔존하여 스케일의 박리를 일으키게 된다. 상기 뷔스타이트가 20중량% 이상인 경우에는 스케일 층이 취약하여 스케일 내부 및 스케일과 기지의 계면을 따라 균열이 쉽게 발생하며, 스케일 박리가 조장된다.
또한, 상기 헤마타이트는 고온에서 산화성 분위기에 오래 노출하여 형성된 것으로써, 상기 헤마타이트가 20중량% 이상인 경우에는 스케일 내 조직간의 열팽창성의 차이로 인하여 냉각 중에 스케일 박리가 발생한다.
또한, 스케일층의 두께는 5~15㎛인 것이 바람직하다. 상기 스케일층의 두께가 5㎛ 미만인 경우에는 기계적 힘에 의해 쉽게 박리가 일어나는 문제가 있다. 더불어, 폭방향 엣지부에 과냉이 발생하여 마그네타이트의 분율을 감소시키는 문제가 있다. 반면에, 상기 스케일층의 두께가 15㎛을 초과하는 경우에는 권취 및 이후의 냉각 공정에서 부가되는 기계적, 열적 응력에 의해 스케일 내에 균열이 발생하여 스케일 박리가 조장될 가능성이 있다.
상기 열연강판의 인장강도는 290~590MPa인 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 다른 일측면인 표면 품질이 건전한 강관용 열연강판의 제조방법에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명의 다른 일측면인 표면 품질이 건전한 강관용 열연강판의 제조방법은 중량%로, C: 0.04~0.3%, Si: 0.15% 이하(0%는 제외), Mn: 0.3~1.5%, Al: 0.06% 이하(0%는 제외), P: 0.025% 이하, S: 0.01% 이하, N: 0.01% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1000~1300℃로 가열하는 단계, 상기 가열된 강 슬라브를 840~890℃의 마무리압연온도로 열간압연하여 강판을 얻는 단계, 상기 열간압연된 강판을 10~50℃/초의 냉각속도로 냉각하는 단계 및 상기 냉각된 강판은 570~630℃의 권취온도(CT)를 만족하는 동시에 하기 수학식 1을 만족하는 권취하는 단계를 포함한다.
수학식 1: 590< CT(℃)+ 7xt(㎜)< 650 (단, t는 열연강판의 두께임)
가열 단계
상술한 성분계를 만족하는 슬라브를 1000~1300℃에서 가열하는 것이 바람직하다. 상기 가열 온도가 1000℃ 미만인 경우에는 열간압연 하중이 급격히 증가하는 문제가 발생된다. 반면에, 1300℃을 초과하는 경우에는 표면 스케일 양이 증가하여 재료의 손실이 발생된다. 그러므로, 슬라브의 가열온도는 1000~1300℃로 한정하는 것이 바람직하다.
열간압연 단계
상기와 같이 가열된 슬라브에 열간압연을 실시할 수 있다. 이때, 마무리압연은 840~890℃에서 행하는 것이 바람직하다. 상기 열간 마무리압연 온도가 840℃미만인 경우에는 압연하중이 크기 증가하고, 스케일 내부에 기계적인 균열이 유발될 수 있다. 반면에, 상기 열간마무리압연 압연온도가 890℃를 초과하는 경우에는 스케일의 두께가 두꺼워져 스케일의 파쇄가 조장될 수 있다.
냉각단계
상기와 같이 열간압연된 강판을 냉각하는 것이 바람직하다. 10~50℃/초의 냉각속도로 냉각하는 것이 바람직하다. 10℃/초 미만인 경우에는 스케일의 두께가 두꺼워지고 열연 생산성이 저하되는 문제가 있으며, 50℃/초를 초과하는 경우에는 도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 스케일 내 조직간의 열팽창 차이로 인한 열응력에 의해 스케일이 파괴된다. 보다 바람직하게는 수냉각대(ROT: Run Out Table)을 이용하여 냉각한다.
권취단계
상기와 같이 냉각된 강판은 권취된다. 이때, 권취온도(CT)는 570~630℃을 만족하는 동시에 하기 수학식 1을 만족하는 것이 바람직하다. 상기 권취온도가 570℃와 수학식 1의 590 미만인 경우에는 냉각 후에 뷔스타이트 조직이 20중량% 이상 잔류하여 스케일 박리가 발생하게 된다. 반면에, 630℃와 수학식 1의 650을 초과하는 경우에는 스케일의 두께가 두꺼워지고 마그네타이트의 구상화로 인하여 내부 균열이 발생한다.
수학식 1: 590< CT(℃)+ 7xt(㎜)< 650 (단, t는 열연강판의 두께임)
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
(실시예)
하기 표 1에 기재된 성분계를 만족하는 강슬라브를 1200℃로 가열한 후, 하기 표 2에 기재되어 있는 온도에서 열간마무리압연을 행하였다. 그 후, 하기 표 2에 기재되어 있는 권취온도(CT)까지 하기 표 2에 기재되어 있는 냉각속도로 냉각을 행한 후, 하기 표 2의 조건을 만족하는 온도로 권취를 행하였다.
권취 공정을 완료하여 얻은 최종 열연강판의 스케일 조직과 박리성을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
상기 박리성은 5점 척도로 평가하였다. 스케일 박리성에 대한 5점 척도는 스케일 분리 테스트에서 거의 박리되지 않을 경우 1점, 테이프 면적 대부분에서 검은 스케일이 붙어나올 경우를 5점으로 한다. 5점 척도 중 4점 이상이면 강재의 건전성이 불량한 것으로 평가한다.
구분 C Si Mn Al P S N
발명예1 0.055 0.013 0.393 0.036 0.014 0.0054 0.0041
발명예2 0.102 0.012 0.472 0.023 0.013 0.0066 0.0034
발명예3 0.117 0.114 0.471 0.022 0.012 0.0068 0.0031
발명예4 0.148 0.033 0.672 0.025 0.014 0.0039 0.0036
발명예5 0.200 0.119 0.437 0.035 0.013 0.0031 0.0041
발명예6 0.224 0.022 1.302 0.013 0.016 0.0042 0.0044
비교예1 0.145 0.012 0.686 0.041 0.014 0.0039 0.0042
비교예2 0.201 0.026 0.403 0.036 0.014 0.0030 0.0035
비교예3 0.281 0.042 0.875 0.033 0.015 0.0032 0.0038
구분 두께(㎜) FDT(℃) 냉각속도
(℃/초)		 CT(℃) CT+7t 마그네타이트
(중량%)		 Fe
(중량%)		 헤마타이트
(중량%)		 뷔스타이트
(중량%)		 스케일
두께
(㎛)		 박리성
척도
발명예1 1.8 885 25 621 634 82% 5% 13% 0% 13 2
발명예2 3.3 862 27 605 628 79% 9% 10% 2% 12 1
발명예3 4.4 855 19 591 622 68% 16% 11% 5% 9 2
발명예4 2.6 866 28 605 623 77% 7% 11% 5% 10 1
발명예5 3.0 845 25 575 596 73% 13% 3% 11% 7 3
발명예6 5.0 852 17 586 621 83% 4% 4% 9% 8 2
비교예1 10 895 11 650 720 55% 13% 32% 0% 18 4
비교예2 2.0 881 39 552 566 58% 7% 12% 23% 12 5
비교예3 4.5 872 110 592 624 67% 17% 9% 7% 13 4
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 발명예 1 내지 6은 본 발명이 제안한 성분 범위 및 제조조건을 만족함으로써, 도 1에 나타난 바와 같이, 스케일 밀착성이 우수한 표면 품질이 건전한 열연강판을 확보할 수 있음을 확인할 수 있다.
반면에, 비교예 1 은 본 발명이 제안한 제조조건을 만족시키지 못하여 스케일 박리가 많이 발생된 것을 확인 할 수 있다. 또한, 발명예 2는 본 발명이 제안한 권취온도 및 수학식 1을 만족하지 못함으로써, 스케일 박리가 많이 일어난 것을 확인할 수 있다. 더불어, 비교예 3은 본 발명이 제안한 냉각속도 보다 높은 냉각속도를 가짐으로서, 스케일 밀착성이 저하된 것을 확인할 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 중량%로, C: 0.04~0.3%, Si: 0.15% 이하(0%는 제외), Mn: 0.3~1.5%, Al: 0.06% 이하(0%는 제외), P: 0.025% 이하, S: 0.01% 이하, N: 0.01% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1000~1300℃로 가열하는 단계;
    상기 가열된 슬라브를 840~890℃의 마무리압연온도로 열간압연하여 강판을 얻는 단계;
    상기 열간압연된 강판을 10~40℃/초의 냉각속도로 냉각하는 단계; 및
    상기 냉각된 강판은 570~630℃의 권취온도(CT)를 만족하는 동시에 하기 수학식 1을 만족하는 권취하는 단계를 포함하는 표면 품질이 건전한 강관용 열연강판의 제조방법.
    수학식 1: 590< CT(℃)+ 7xt(㎜)< 650 (단, t는 열연강판 두께임)
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 냉각하는 단계는 수냉각대(ROT: Run Out Table)에서 행하는 표면 품질이 건전한 강관용 열연강판의 제조방법.
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