KR101660601B1 - 강도와 저온 인성이 우수한 이음매 없는 강관의 제어 압연 방법 - Google Patents

강도와 저온 인성이 우수한 이음매 없는 강관의 제어 압연 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 이음매 없는 강관 제조 프로세스에 적용되는 강도 및 저온 인성이 우수한 이음매 없는 강관의 제어 압연 방법을 제공하며, 이러한 제어 압연 방법은, γ상의 재결정 영역(대략 950℃ 이상)으로 천공 압연을 실행하는 단계; 연신 압연 공정에서 그리고 상기 축소 압연 공정에서, γ상의 미재결정 영역(950℃ 내지 Ar3 변태점)내에서 연신 압연 및 축소 압연을 각각 실행하는 단계; 및 축소 압연의 직후에, 제어 냉각 또는 담금질을 실행하는 단계를 포함한다. 축소 압연 공정에 사이저가 사용되는 경우에는, 축소 압연 공정에 있어서, (α+γ) 2상 온도 영역( Ar3 변태점 내지 Ar1 변태점)으로 압연이 수행된다. 본 제어 압연 방법은, 저온 압연에 기인한 열간 변형 저항의 현저한 상승과 열간 변형능(열간 가공성)의 현저한 열화의 문제들을 해결할 수 있고, 제어 냉각 방법의 사용과 더불어서, 강도와 저온 인성이 우수한 이음매 없는 강관을 제조할 수 있다.

Description

강도와 저온 인성이 우수한 이음매 없는 강관의 제어 압연 방법 {CONTROLLED ROLLING METHOD OF SEAMLESS STEEL TUBE EXCELLENT IN STRENGTH AND LOW-TEMPERATURE TOUGHNESS}
본 발명은 이음매 없는 강관(seamless steel tube)의 제조 프로세스에 적용되는, 강도와 저온 인성(low-temperature toughness)이 우수한 이음매 없는 강관의 제어 압연 방법에 관한 것이다.
이음매 없는 강관의 제조 방법의 예는, 만네스만-플러그 밀 프로세스(Mannesmann-plug mill process), 만네스만-맨드릴 밀 프로세스(Mannesmann-mandrel mill process) 및 만네스만-아셀 밀 프로세스(Mannesmann-assel mill process) 및 만네스만-푸시-벤치 밀 프로세스(Mannesmann-push-bench mill process) 등을 포함한다.
이들의 이음매 없는 강관의 제조 프로세스에서는, 가열로에서 소정의 온도로 가열된 솔리드 빌릿(solid billet)(환강편(round steel bar))이, 경사 압연 프로세스의 천공 압연 밀(piercing-rolling mill)을 통해 천공되어 중공 바(hollow bar) 형상의 중공 피스(hollow piece)로 형성되며, 이러한 중공 피스는 로터리 일롱게이터(rotary elongator) 및 플러그 밀(plug mill), 맨드릴 밀(mandrel mill), 아셀 밀(assel mill) 또는 푸시-벤치 밀(push-bench mill) 등의 연신 압연 밀(elongation rolling mill)을 이용하는 것에 의해, 주로 그 벽 두께를 줄여 중공 셸(hollow shell)로 형성된다. 그 다음에, 결과적인 중공 셸은, 사이저(sizer) 또는 스트레치-리듀서(stretch-reducer) 등의 축소 압연 밀(reducing rolling mill)을 이용하는 것에 의해, 주로 외경을 감소시켜 소정 사이즈의 이음매 없는 강관으로 형성된다.
이하에서는, 상기 제조 프로세스의 일 예로서, 만네스만-맨드릴 밀 프로세스에 대해 설명될 것이지만, 다른 제조 프로세스가 이음매 없는 강관의 제조에 있어서 동일 작용을 발휘한다.
도 1은, 만네스만-맨드릴 밀 프로세스에서 이용되는 장치 구성을 설명하는 도이며, (a)는 회전 노상(爐床)식 가열로를 예시하고, (b)는 로터리 천공 밀(rotary piercing mill)(경사 천공 압연 밀(inclined cross roll piercing mill))을 예시하며, (c)는 맨드릴 밀(연신 압연 밀)을 예시하고, (d)는 재가열로를 예시하고, (e)는 스트레치 리듀서(축소 압연 밀)를 예시한다.
그림 1(b)에 예시된 로터리 천공 밀과 같이, 당초 경사 배럴 타입 롤(inclined barrel type roll)이 공통적으로 사용되었지만, 최근에는 경사 및 경사 방식으로 배치된 콘-타입 롤(cone-type roll)이 구동되는, 소위 경사 교차 천공 밀(inclined cross piercing mill)(콘 천공 밀(cone piercing mill))이 널리 사용되고 있다.
도 1(c)에 예시되어 있는 맨드릴 밀은, 8 스탠드(stand)를 포함하도록 사용되지만, 최근에는 4 또는 5 스탠드를 포함하는 더 적은 수의 스탠드를 갖는 맨드릴 밀이 증가하여 사용되고 있다. 맨드릴 밀에 있어서 주목할 만한 양태로서는, 맨드릴 바 작동 프로세스의 혁신인, 당초, 맨드릴 바가 중공 셸의 내부에 삽입되고, 삽입된 바와 함께 이러한 중공 셸이 공형 롤(grooved caliber roll)에 의해 연속 압연되는 풀 플로트 맨드릴 밀(full float mandrel mill)이 일반적으로 사용되었지만; 최근에는 고능률 및 고품질을 보장하는 맨드릴 밀로서 리테인드 맨드릴 밀(retained mandrel mill)(리스트레인드 맨드릴 밀(restrained mandrel mill))이 보다 널리 사용되고 있다.
이러한 리테인드 맨드릴 밀에서는, 맨드릴 바 리테이너(mandrel bar retainer)(도시되어 있지 않음)에 의해 맨드릴 바가, 압연의 종료까지, 맨드릴의 후측(rear side)(압연 밀(rolling mill)의 입구측)으로부터 지지 및 구속되고, 압연의 종료와 동시에 맨드릴 바가 되돌리려지는 풀 리트랙트 프로세스(full retract process) 및 압연 종료와 동시에 맨드릴 바가 해방되는 세미 플로트 프로세스(semi-float process )가 있다.
중간 직경(medium-diameter)의 이음매 없 강관의 제조에서는, 풀 리트랙트 프로세스가 일반적으로 채용되고 작은 직경(small-diameter)의 이음매 없는 강관의 제조에서는 세미 플로트 프로세스가 일반적으로 채용된다. 전자의 풀 리트랙트 프로세스에서는, 맨드릴 밀의 출측(delivery side)에 익스트랙터(extractor)가 배치되고, 압연중에 맨드릴 밀에 의해 중공 셸이 끌어 당겨진다. 맨드릴 밀의 출측의 셸의 금속의 온도가 충분히 높다라면, 익스트랙터를 대신하여 사이징 밀(sizing mill)(사이저)에 의해 중공 셸이 끌어 당겨질 수 있음으로써, 이러한 중공 셸이 최종 목표 치수까지 축소 압연될 수 있고, 그것은 재가열로를 불필요하게 할 수 있다.
도 1 (e)에 예시된 축소 압연 밀에 있어서, 중간 직경의 이음매 없는 강관의 제조에는 사이저가 사용되고, 작은 직경의 이음매 없는 강관의 제조에는 스트레치 리듀서(stretch reducer)가 사용된다. 사이저로서, 당초에 각 스탠드의 롤 회전수의 비율이 불변인 싱킹 사이저(sinking sizer) 또는 리듀서가 사용되었지만, 최근에는 각 스탠드들이 독립적으로 구동되는 3-롤형의 사이저 또는 스트레치 리듀서가 널리 사용되고 있다.
상기의 3-롤형 스트레치 리듀서는 최대 24 내지 28 스탠드를 포함하고, 이러한 독립적으로 구동되는 스탠드들은 이러한 스탠드들간의 작용에 최대 변형 저항의 85%만큼의 장력을 가질 수 있고, 그것은 외경의 축소만을 가능하게 하지 않고 현저히 넓은 범위에서의 두께 조정도 또한 가능하게 한다.
대조적으로, 3-롤형 사이저는 최대 8 내지 12 스탠드를 포함하고 스트레치 리듀서보다 더 적은 스탠드를 가짐으로써, 이러한 스탠드들간에 큰 장력을 기대할 수 없다. 또한, 3-롤형 사이저는 스트레치 리듀서보다 훨씬 적은 스탠드 당 외경 축소를 달성한다.
그러한 이음매 없는 강관의 제조 프로세스에 있어서, 열간 압연 후에 열간 가공시에 생성된 보유열이 담금질 및 그 다음으로 뜨임을 행하도록 유효하게 활용되는, 이른바 인라인 가공 열처리 프로세스(inline thermo-mechanical treatment process)가 종종 채용되지만(특허 문헌 1 내지 3 참조), 이음매 없는 강관의 제조 프로세스에 대한 제어 압연법의 적용의 개시는 아니다.
다음에 제어 압연법의 기본 원리가 설명될 것이다. 제어 압연 기술은, UOE 대경 용접 강관의 소재의 제조 기술로서 개발되어 왔다. UOE 대경 용접 강관의 소재는, 후판 압연 밀(thick plate rolling mill)의 리버스 압연 프로세스(reverse rolling process)를 통해 의해 제조된다. 그러한 후판 압연 기술은 라인 파이프의 고강도, 저온 인성의 개선, 및 더 적은 합금 성분을 위한 요구를 만족시키도록 크게 발전하였다.
통상, 강의 강화 기구는 고용 강화(solid-solution strengthening), 석출 강화(precipitation strengthening), 석출 경화(precipitation hardening), 세립 강화 및 변태 강화 등을 포함한다. 이 중, 고용 강화는, 더 적은 합금 성분을 위한 요구와 상반되는, 합금 성분의 증가를 수반한다. 석출 강화 및 석출 경화는 높은 인성을 방해하는 취화(embrittlement)를 동반한다. 그러므로, 세립화(grain refinement)는 강도 및 인성의 양쪽을 대처하기 위한 유일한 방법이며, 압연 기술에 있어서의 재질의 진보는 세립화를 달성하기 위한 기술 개발의 노력의 소치라고 말할 수 있다.
제어 압연법은 화학 성분, 가열 온도, 압연 온도 및 압하율(rolling reduction rate) 등 가공 열 이력(heat history)을 적절히 제어하는 것에 의해, 압연 프로세스를 통해서만 세립화를 달성하기 위한 압연 기술이며, 고강도 및 고인성 라인 파이프용 소재의 제조에 널리 채용되어 왔다.
제어 압연법은 야금학적 기구의 3 단계들로 생각될 수 있다. 구체적으로, 제어 압연법은 다음 3 단계들로 분류될 수 있다.
[1 단계] 비교적 고온의 γ상의 재결정 온도역의 압연( 950℃이상)
[2 단계] 저온의 γ상의 미재결정 온도역의 압연(950℃ 이하, Ar3 변태점 이상)
[3 단계] 한층 더 저온의 (γ+α) 2상역에 있어서의 압연(Ar3 변태점 이하, Ar1 변태점 이상)
도 2는, 철-탄소 평형상태도이다.
도 3은, 제어 압연 공정에 있어서의 야금학적 기구의 3 단계들을 설명하는 도면이며, 상술한 3 단계들의 개개의 압연 온도역에서의 마이크로조직의 변화를 나타낸다. 도 3의 소스는, “제112, 113회 니시야마 기념 기술 강좌 ‘강 튜브 및 파이프의 제조 기술의 현재와 미래’, 일본 철강 협회”로부터 인용되었고, 제어 냉각법이 개발되기 이전의 야금학적 개념도 이며, 본 도면은 제어 냉각법이 개발되기 전의 야금학적 개념도이므로, 본 도면은 제어 냉각법이 개발된 후의 현재의 야금학적 개념도를 반영하지 않는다는 것에 유의해야 한다.
가열에 기인하여 조야해진 γ입자(grain)들은 재결정 온도역으로 반복적인 압연-재결정을 통해 세립화된다. γ입자들이 재결정하기 어려운 저온역으로 압연되면, γ입자들이 재결정되지 않고 신장되어, 입자들내에 변형대(deformation zones)나 소둔쌍정(annealing twins)을 형성한다. γ의 α로의 변태시에는, γ 입계와 함께, 변형대 및 소둔쌍정이, α 입자들의 미세화를 초래하는, 변태핵(transformation nuclei)의 형성 사이트(formation site)로서 기여한다.
미재결정역에 있어서의 상기한 압연에 더하여, γ입자들이 Ar3점 이하의 (γ+α) 2상역으로 압연되면, 미변태의 γ입자들은 보다 한층 신장되어, 입자들내에 변형대를 형성한다. 동시에, 변태된 α입자들이 또한 압연을 받음으로써, 입자들내에 아결정입자(subgrains)가 형성되고, 그것은로 한층 더 α 입자들의 미세화를 초래한다.
라인 파이프의 두꺼운 벽두께, 고강도, 저온에서의 고인성에 대한 요구는 슬래브의 저온 가열, 미재결정역에 있어서의 합계 압하율의 증대, (γ+α) 2상역 압연의 강화 등의 제어 압연 기술의 진보 및 발전을 고무시켰다. 저온 가열의 유리한 야금적 효과는, 가열시의 γ 입자들의 미세화를 향상시키고, 그에 따라 압연 후의 α입자들이 또한 미세화되며, 그에 의해 인성이 향상된다.
증강된 2상역 압연은 세립화 효과 덕분에 강도 상승을 실현하지만, 동시에, 강한 압연 집합 조직(rolling texture)을 발달시키고, 샤르피(Charpy) 및 DWTT 파면에 세퍼레이션(separation)을 발생시키며, 파면 천이 온도의 감소를 초래한다. 그러므로, 높은 그레이드(high-grade)의 라인 파이프에서는, 인성 요구치에 따라 인성을 해치지 않는 한 2상역 압연이 활용되어 왔지만, 제어 냉각 기술이 발전됨에 따라 점차적으로 폐지되었다.
제어 압연을 통한 미세화 및 변태 강화에 의한 강도 상승의 목적을 위해 제어 압연된 베이나이트강(침상 페라이트 강(acicular ferrite steel))이 개발되었다. 베이나이트의 양에 있어서의 증가는 강도를 크게 상승시키며, 그것은 X 70 이상의 고강도강에 대해 유리하다. Mn의 양에 있어서의 증가와 함께 베이나이트의 양이 증가하고, 동시에 Ar3점이 저하되어, 그에 의해 α 입자들을 세립화하고, 강도 및 인성을 향상시킨다. Nb 및 TiC로의 미량의 B의 첨가는 베이나이트의 생성에 기여하고, 그에 의해 인성을 열화하지 않고 고강도를 얻는다.
상기한 바와 같이, 제어 압연 기술과 마이크로 얼로잉(micro alloying) 기술의 발전은, 높은 그레이드의 소재의 제조를 가능케 하고, 고강도, 고인성, 두꺼운 벽 두께 및 적은 합금 성분에 대한 한층 더 엄중한 요구는 새로운 기술의 발전을 필요로 하며, 그러한 요구들은 압연 프로세스 후의 가속 냉각 기술, 즉, 제어 냉각 기술을 가져왔다.
일본국 특허 공개 평 6-240357호 공보 일본국 특허 공개 평 11-302785호 공보 일본국 특허 공개 2001-240913호 공보
상기한 바와 같이, 제어 압연 기술은 UOE 대경 용접 강관의 소재인 후판의 압연 공정으로 개발된 가공 열처리 기술이며, 그 성과는 후판 압연 밀이 리버스 압연을 적용한 것에 상당히 의존한다. 따라서, 상기 기술은 그대로 일방향(one way) 압연을 적용한 핫 스트립 밀(hot strip mill)에 적용될 수 없다.
상기한 기술이 이음매 없는 강관의 제조 프로세스에 적용되면, 현장 조업의 발본적인 변경이 필요할 것이다. 이러한 이슈에 관한 문제점들이 하기에 설명될 것이다.
(1) 제어 압연을 통해 강도 및 저온 인성에 있어서의 우수한 이음매 없는 강관을 제조하기 위해서는, 적어도, 연신 압연 공정에 있어서 γ상의 미재결정 영역의 저온 압연이 실시되어야 한다. 축소 압연 공정으로 γ상의 미재결정 영역의 저온 압연이 실시되는 경우에, 본 축소 압연 공정에서는, 외경 압하가 실시되어도, 벽-두께 감소가 행해지지 않기 때문에, 미재결정 γ 입자들은 늘려지고 펴질 수 없다. 축소 압연 공정으로 γ상의 미재결정 온도역의 저온 압연을 행하는 경우에라도, 연신 압연 프로세스는 γ상의 미재결정 온도역의 저온 압연을 함의한다.
이제, Ar3 변태점은, 도 2에 예시한 바와 같이, 셸 재료의 C 함유량에 따라 변하고: 0.10%C의 저탄소 강에 대해 대략 850℃; 0.30%C의 중탄소강에 대해 800℃; 0.50%C의 중탄소강에 대해 770℃이다. γ상의 미재결정 영역은, 최대 100℃ 내지180℃의 온도 범위에 속하고, 그것은 지극히 좁은 온도 범위이다. 그러므로, 연신 압연 공정의 압연 온도를 이러한 좁은 온도 범위로 유지하는 것은 용이하지 않다.
이음매 없는 강관의 압연은 일방향 압연이며, 그 압연 속도는 빠르고, 셸의 재료가 내외면의 양쪽에 대해 냉각되므로, 그 냉각 속도가 압연 속도보다 더 빠르고, 따라서 이음매 없는 강관의 압연 온도를 제어하기가 후판 압연의 경우보다 훨씬 더 어렵다.
(2) γ상의 미재결정 온도역의 저온 압연은 열간 변형 저항의 현저한 상승을 수반한다는 것에 유의한다. 도 4는, (a) 저탄소 킬드 강(low-carbon killed steel)에 있어서의, (b) 0.5%Mo 강에 있어서, (c) 1.0%Cr 강에 있어서의, 압연 온도와 변형 저항간의 개별적인 관계들을 나타낸 도면이다. 이 소스는, 문헌 “‘압연 이론과 그 응용’, 일본 철강 협회”로부터 인용된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 변형 저항은 소재의 화학 조성과 변형 속도(strain rate)에 기초하여 변화하고, 1200℃와 900℃ 사이의 압연 온도의 비교에 있어서, 300℃만큼의 온도 저하가 변형 저항은 3배 증가를 유발한다.
압연 하중, 압연 토크, 및 압연 소요 동력에 있어서의 현저한 상승은 압연 밀에 대해 안전 문제뿐만 아니라, 현장 조업에 대해서도 중대한 문제도 야기한다. 후판 압연 프로세스는, 패스(pass) 횟수를 증가시키는 것에 의해 그러한 문제들을 간단히 용이하게 대처할 수 있도록, 리버스 압연을 적용하지만, 이음매 없는 강관의 제조 프로세스는 이러한 문제들을 용이하게 대처할 수 없다. 특히, 천공 압연 밀, 및 후속하여 연신 압연 밀에 있어서의 과부하를 대처하기는 매우 어렵다.
(3) γ상의 미재결정 온도역의 저온 압연시의 최대의 문제성 이슈는, 강재의 열간 변형능이 현저하게 열화된다는 것이다.
도 5는, 중탄소강의 열간 변형능에 대한 압연 온도의 영향을 예시하는 도면이다. 동 도면에서는, 열간 변형능이 토션(torsion) 테스트에 있어서 파단의 토션의 수만큼 나타내어지면, 이 소스는 “‘압연 이론과 그 응용’, 일본 철강 협회”로부터 인용된다.
도 5에 예시된 바와 같이, 1200℃와 900℃ 사이의 압연 온도의 비교에 있어서, 300℃만큼의 온도 저하는 열간 변형능을 1/3까지 감소시킨다. 열간 변형능이 이러한 정도로 열화되면, 천공 압연 공정에 있어서 현저한 내면 흠결의 발달을 피할 수 없고, 래머네이션(lamination)(벽 두께 내부에 뭍인 흠)도 또한 발생하여, 더 이상 제품으로서의 품질이 아니다.
온도 저하가 천공 압연에 있어서 150℃일 수 있더라도, 내면 흠결 발생시키지 않고 이음매 없는 강관을 제조하는 것이 극히 어렵다. 일단, 천공 압연 공정에 있어서 내면 흠결이 발생되면, 이러한 흠결이 후속 연신 압연 공정, 및 축소 압연 프로세스에 있어서 더욱 더 조장될 것이고, 그래서 이러한 흠결은 더 이상 소실될 수 없다.
본 발명은 상술한 (1) 내지 (3)의 문제점에 관점에서 만들어졌으며, 제어 냉각 프로세스의 사용과 함께, 강도 및 저온 인성이 우수한 이음매 없는 강관을 제조할 수 있도록, 이음매 없는 강관의 제조 프로세스에 있어서의 구체적인 제어 압연법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
시작에서 언급한 바와 같이, 본 발명은 이음매 없는 강관의 제어 압연 기술에 관한 것이며, 제어 냉각 기술은 제어 압연 공정의 종료 후의 관련 기술이다. 하지만, 본 발명은, 제어 냉각 프로세스에서의 새로운 지견을 제공하는 목적을 갖지 않지만, 이음매 없는 강관을 제조하는 것에 있어서 제어 압연 기술의 실현을 의도한다.
상기의 과제를 해결하기 위해서, 본 발명자들은, 이음매 없는 강관의 제조 프로세스에 있어서 제어 압연을 실시할 때에, 저온 압연의 경우에 있어서 천공 압연 밀 및 연신 압연 밀에 있어서의 압연 부하의 현저한 상승과 열간 변형 가능의 현저한 열화에 대처하기 위해, 경사 교차 천공 밀을 이용하여 확경 천공법을 통해 높은 감소율로 박육 천공(thin-wall piercing)을 하는 것이 바람직하며, 천공 압연 공정에 있어서 γ상의 재결정 영역의 더 높은 온도에서 천공을 하는 것에 주목했다.
본 발명은 상기의 주목에 기초하여 이루어진 것이며, 본 발명의 요지는 하기의 이음매 없는 강관의 제어 압연 방법에 있다.
(1) 가열로에서 미리 정해진 온도로 가열된 환강편(round steel bar)(빌릿(billet))을 이용하여, 천공 압연 공정, 연신 압연 공정, 축소 압연 공정(reducing rolling step) - 상기 축소 압연 공정은 필요에 따라 재가열 처리 후에 실행됨 - 이 수행되는 이음매 없는 강관 제조 프로세스에 적용되는 강도 및 저온 인성이 우수한 이음매 없는 강관의 제어 압연 방법으로서, 상기 천공 압연 공정에 있어서, γ상(phase)의 재결정 영역(recrystallization region)(950℃ 이상)으로 천공 압연을 실행하는 단계; 상기 연신 압연 공정 및 상기 축소 압연 공정에 있어서, γ상의 미재결정 영역(non-recrystallization region)(950℃ 내지 Ar3 변태점(transformation point))내에서 연신 압연 및 축소 압연을 각각 실행하는 단계; 및 상기 축소 압연의 직후에, 제어 냉각 또는 담금질을 실행하는 단계를 포함하는, 강도 및 저온 인성이 우수한 이음매 없는 강관의 제어 압연 방법.
(2) 상기한 (1)과 유사하게, 이음매 없는 강관의 제어 압연 방법으로서, 상기 천공 압연 공정에 있어서, γ상의 재결정 영역(950℃ 이상)으로 천공 압연을 실행하는 단계; 상기 연신 압연 공정에 있어서, γ상의 미재결정 영역(950℃ 내지 Ar3 변태점)내에서 연신 압연을 실행하는 단계; 상기 축소 압연 공정에 있어서, (α+γ) 2상 온도 영역(Ar3 변태점 내지 Ar1 변태점)으로 축소 압연을 실행하는 단계; 및 상기 축소 압연 직후에, 제어 냉각 또는 담금질을 실행하는 단계를 포함하는, 이음매 없는 강관의 제어 압연 방법.
(3) (1) 및 (2)에서 언급된 바와 같은 이음매 없는 강관의 제어 압연 방법에 있어서, 상기 천공 압연 공정에서는, 저온 압연에 기인한 열간 변형 저항의 현저한 상승과 열간 변형능(hot deformability)(열간 가공성(hot workability))의 현저한 열화에 대처하기 위해, 콘-타입 메인 롤(cone-type main roll)을 갖는 경사 교차 천공 밀(inclined cross piercing mill)(교차각: 3°내지 30°, 경사각(feed angle): 5°내지 18°)이 바람직하게 채용되고, 높은 교차각 및 높은 경사각을 설정하는 것에 의해 확경 천공(diameter-expansion piercing)(확경비: 1.05 내지 2.50)이 적용된다.
(4) (1) 내지 (3)에서 언급된 바와 같은 이음매 없는 강관의 제어 압연 방법에 있어서, 상기 연신 압연 공정에 있어서, γ상의 미재결정 영역(950℃ 내지 Ar3 변태점)내에서 연신 압연을 실행할 때에, 연신 압연이 적어도 40% 이상의 벽-두께 감소율(wall-thickness reduction rate)로 실행된다.
본 발명에 따른 이음매 없는 강관의 제어 압연 방법은, 저온 압연에 기인한 열간 변형 저항의 현저한 상승 및 열간 변형능(열간 가공성)의 현저한 열화의 문제들을 해소할 수 있고, 그리고 제어 냉각 프로세스의 사용과 함께, 강도와 저온 인성이 우수한 이음매 없는 강관을 제조할 수 있다.
도 1은 만네스만-맨드릴 밀 프로세스에 있어서 이용되는 장치의 구성을 설명하는 도면이며, 각각, (a)는 회전로상식 가열로를 예시하고, (b)는 회전 천공 밀(경사 교차 롤 천공 밀)을 예시하며, (c)는 맨드릴 밀(연신 압연 밀)을 예시하고, (d)는 재가열로를 예시하며, (e)는 스트레치 리듀서(축소 압연 밀)를 예시한다.
도 2는 철-탄소 평형상태도이다.
도 3은 제어 압연 공정에 있어서의 야금학적 기구의 3 단계를 설명하는 도면이다.
도 4는 (a) 저탄소 킬드강에 있어서의; (b) 0. 5%Mo 강에 있어서의; 그리고 (c) 1.0%Cr 강에 있어서, 압연 온도와 변형 저항간의 개개의 관계를 나타낸 도면이다.
도 5는 중탄소강의 열간 변형에 대한 압연 온도의 영향을 예시하는 도면이다.
도 6은 경사 교차 천공 밀을 이용하는 것에 의한 확경 천공법의 천공 원리를 예시하는 도면이다.
도 7은 천공 압연의 압연 토크에 대한 확경비, 롤 교차각 및 경사각의 영향을 나타내는 도면이다.
도 8은 압연 동력에 대한 확경비, 롤 교차각 및 경사각의 영향을 나타내는 도면이다.
도 9는 회전 단조 회수에 대한 확경비, 롤 교차각 및 경사각의 영향을 나타내는 도면이다.
도 10은 원주 방향 전단 변형(shear strain) γrθ에 대한 확경비, 롤 교차각 및 경사각의 영향을 나타내는 도면이다.
[천공 압연 공정 및 연신 압연 공정에 있어서의 압연 온도 제어]
본 발명에 따른 이음매 없는 강관의 제어 압연 방법은, 이음매 없는 강관의 제조 프로세스, 즉, “가열로 → 천공 압연 밀 → 연신 압연 밀(재가열로) → 축소 압연 밀”을 포함하는 이음매 없는 강관의 제조 공정에 적용되는 제어 압연 방법이다.
상기 천공 압연 공정에 있어서, γ상의 재결정 온도역(대략 950℃ 이상)으로 천공 압연이 실시되고, 상기 연신 압연 공정 및 축소 압연 공정에 있어서, γ상의 미재결정 온도역(대략 950℃ 내지 Ar3 변태점)내에서 연신 압연 및 축소 압연이 실시되며, 그 다음으로 상기 축소 압연 직후에 제어 냉각 또는 담금질이 실시된다. 처리하는 것을 특징으로 한다.
유사하게, 본 발명에 따른 이음매 없는 강관의 제어 압연 방법은, 이음매 없는 강관의 제조 프로세스에 적용되는 제어 압연 방법이며, 상기 천공 압연 공정에 있어서, γ상의 재결정 온도역( 950℃ 이상)으로 천공 압연이 실시된 다음, 연신 압연 공정에 있어서, γ상의 미재결정 온도역(950℃ 내지 Ar3 변태점)에서 연신 압연이 실시된 후, 상기 축소 압연 공정에 있어서, (α+γ) 2상 온도역(Ar3 변태점 내지 Ar1 변태점)에서 축소 압연이 실시되며, 이러한 축소 압연 직후에, 제어 냉각 또는 담금질이 실시된다. 이러한 방법은 축소 압연 밀로서 사이저를 사용하는 경우에 한정적으로 적용된다는 것에 유의한다.
본 발명에 따른 이음매 없는 강관의 제어 압연 방법에서는, 연신 압연 공정에 있어서 γ상의 미재결정 온도역에서의 그러한 저온 압연을 달성하기 위한 온도 제어에 대한 다양한 검토가 이루어졌다. 연신 압연 공정에 있어서 γ상의 미재결정 온도역의 저온 압연을 실시하는 경우에, 앞선 천공 압연 공정에 있어서도 어느 정도로 저온 압연을 실시하는 것이 일반적이다. 몇몇의 경우에 있어서는, 추가적인 상류의 가열 공정에 있어서 저온 가열을 고려하는 것이 보통이다.
후술되듯이, 본 발명에 따른 이음매 없는 강관의 제어 압연 방법에서는, 천공 압연 공정에 있어서 확경 천공법을 통해 높은 감소율로 얇은-벽 가공을 실행하는 것이 바람직하다. 빌릿의 천공 압연 동안에는, 온도가 감소할수록 더 많은 가공 열이 발생된다. 그러므로, 가공 열을 발생시키면서 저온 압연을 실행하는 것을 시도하는 것은 비합리적이다.
따라서, 천공 압연 공정에 있어서 저온 압연이 적당히 실시되어야 하고, γ상의 재결정 온도내의 더 높은 온도에서, 바람직하게는 1050℃ 이상의 온도로 천공이 실시되어야 한다는 것이 예견되었다. 형편 좋게, 확경 천공법을 통해 높은 감소율로 얇은-벽 천공을 실행하는 경우에, 천공 압연 공정으로 가공 열이 발생되더라도 천공 후의 중공 피스의 냉각 속도가 더욱 빨라짐으로써, 연신 압연 공정에서는 비교적 용이하게 γ상의 미재결정 온도역이 유지될 수 있다.
확경 천공법을 통한 높은 감소율의 얇은-벽 천공에 있어서, 천공 압연된 중공 셸의 온도 저하는 그 절대 벽 두께가 얇아질수록, 그리고 그 외경이 더 작아질수록 더욱 현저해진다. 따라서, 특히 소경 박육 이음매 없는 강관의 천공 압연 공정에서는, γ상의 재결정 온도역내의 더 높은 온도로 천공을 실행하고, 앞선 가열 공정에서 통상보다 더 높은 온도로 가열을 실시하는 것을 생각할 수 있다.
[확경 천공법을 통한 높은 감소율에서의 얇은-벽 천공]
본 발명에 따른 이음매 없는 강관의 제어 압연 방법에서는, 확경 천공법을 통해 높은 감소율로 얇은-벽 천공을 실사하도록, 경사 교차 천공 밀을 채용하는 기술 사상을 응용하는 것이 바람직하다. 이것은, 저온 압연에 기인한 천공 압연 밀에서 그리고 연신 압연 밀에서 유발되는 압연 부하의 현저한 상승과 열간 변형능의 현저한 열화에 대처할 수 있기 때문이다.
구체적으로는, 확경 천공법을 통해 높은 감소율로 얇은-벽 천공을 실행하는 것에 의해 천공 압연에 있어서의 부하를 발본적으로 감소시키도록 하는 것만이 아니고, 연신 압연 공정에 있어서 발생되는 벽 두께 감소량의 실질적으로 절반이 천공 압연 공정에서 또한 부담하여, 연신 압연에 있어서의 부하를 발본적으로 감소시키도록, 천공 압연 공정에 있어서 콘 타입 메인 롤을 갖는 경사 교차 천공기가 채용된다.
도 6은 경사 교차 천공 밀을 이용하는 것에 의한 확경 천공법의 천공 원리를 예시하는 도면이다. 확관 천공은 플러그의 앞에 있어서의 회전 단조 효과를 억제한다. 동일 도면에서 경사각(feed angle) β 및 롤 교차각(roll cross angle) γ이 각각 정의된다.
도 7은 천공 압연의 압연 토크에 대한 확경비, 롤 교차각 및 경사각의 영향을 나타내는 도면이다. 도 8은 압연 동력에 대한 확경비, 롤 교차각 및 경사각의 영향을 나타내는 도면이다. 이들 도면에 있어서, 각각, γ는 롤 교차각을 나타내고, β는 경사각을 나타낸다. 양쪽의 도면에 있어서, 확경비가 더 커질수록 압연 부하가 현저하게 감소하는 것이 명백하다. 도 6 내지 도 8의 소스는 “‘강관의 제조 방법’, 일본 철강 협회”로부터 인용되었다.
도 7 및 도 8의 결과들로부터, 본 발명에 따른 이음매 없는 강관의 제어 압연 방법에서는, 천공 압연 밀에 있어서의 과부하에 대한 대책으로서 확경 천공법을 활용하는 것이 바람직하다는 것이 명백하다. 롤 교차각이 더 커질수록, 그리고 롤 경사각이 더 커질수록, 압연 부하가 약간 증가한다는 것에 유의한다.
확경 천공법에 있어서, 환강편(빌릿)이 콘 타입 메인 롤에 공급된 후의 플러그 첨단에 이르기까지의 회전 단조 횟수가 현저하게 감소하는 경우에, 그리고 높은 경사각 및 높은 교차각 천공에 의해 경사 압연 천공 특유의 부가 전단 변형의 응력장(stress field)이 해방되는 경우에, 열간 변형능의 현저한 열화에 대해서도 대처할 수 있다.
천공 압연에 있어서의 회전 단조 효과(만네스만 효과)가 내면 흠결을 유발하고, 부가 전단 변형의 응력장이 내면 흠결의 전파를 유발하기 때문에, 확경 천공법을 채용하는 것에 의해 저온 압연에 기인한 열간 변형능의 현저한 열화에 대해서도 대처할 수 있다.
도 9는 회전 단조 회수에 대한 확경비, 롤 교차각 및 경사각의 영향을 나타내는 도면이다. 도 10은 원주 방향 전단 변형 γrθ에 대한 확경비, 롤 교차각 및 경사각의 영향을 나타내는 도면이다. 도 7 및 도 8과 유사하게, 도 9 및 도 10에 있어서, 각각, γ는 롤 교차각을 나타내고, β는 경사각을 나타낸다. 도 9 및 도 10의 소스는, “‘강관의 제조 방법’, 일본 철강 협회”로부터 인용된다.
도 9에 있어서 명백한 바와 같이, 확경비가 더 커질수록 그리고 롤 교차각 및 경사각이 더 커질수록, 회전 단조 횟수가 현저하게 감소한다. 따라서, 내면 흠결을 발생시키는 요인이 최소화된다는 것이 명백하다.
도 10에 있어서 명백한 바와 같이, 롤 교차각 및 경사각이 더 커질수록, 원주 방향 전단 변형 γrθ이 현저하게 감소된다. 따라서, 내면 흠결을 전파하는 요인이 소실한다는 것이 명백하다. 원주 방향 전단 변형 γrθ에 대한 확경비의 영향은 롤 교차각 및 경사각의 영향과 반대이고, 따라서, 확경비가 더 커질수록, 원주 방향 전단 변형 γrθ이 약간 커진다는 것에 유의한다. 즉, 약간의 악화는 임의의 문제를 유발하지 않는 정도로 일어난다.
[실시예들]
이하, 본 발명에 따른 “이음매 없는 강관의 제어 압연법”에 의해 달성되는 강도와 저온 인성에 영향을 미치는 우수한 효과들에 대한 설명들이 하기의 실시예들에 기초하여 제공될 것이다. 실시예들에 있어서 각각의 공정에서의 압연 온도는 각각의 압연 밀의 출측 온도로 표시된다.
[실시예 1]
0.30%C - 1.10%Mn - 0.30%Mo의 화학 조성을 갖는 147.0mmφ중탄소 환강편이 시험 견본으로서 사용되었고, 이러한 견본은 “가열로 → 경사 교차 천공 밀 → 맨드릴 밀 → 재가열로 → 스트레치 리듀서”를 포함하는 소경(small-diameter) 만네스만 맨드릴 밀 프로세스에 의해 76.2mmφ×4.0mmt의 사이즈로 압연되었다. 각 공정의 압연 조건은 이하와 같다.
(1) 가열 공정
강편 사이즈: 147.0mmφ, 가열 온도: 1200℃
(2) 천공 압연 공정
천공 사이즈: 196.0mmφ × 11.8mmt
압연 온도: 1110℃(γ상의 재결정 온도역)
압연 조건: 롤 교차각: 10°, 롤 경사각: 12°,
확경비: 1.333, 천공비: 3.39
(3) 연신 압연 공정
연신 사이즈: 151.0mmφ × 4.25mmt
압연 온도: 900℃(γ상의 미재결정 온도역)
압연 조건: 스탠드 수: 8, 벽 두께 축소: 64.0%,
연신비: 3.47
(4) 재가열 공정
가열 온도: 920℃
(5) 축소 압연 공정
축소 사이즈: 76.2 mmφ × 4.0 mmt
압연 온도: 840℃(γ상의 미재결정 온도역)
압연 조건: 스탠드 수: 16, 외경 축소: 49.5%,
연신비: 2.16
(6) 제어 냉각: 냉수 담금질
(7) 특성 시험 결과: 강도: YS = 770Mpa 저온 인성: vTrs = -88℃
[실시예 2]
0.40%C - 1.20%Mn - 0.35%Mo의 화학 조성을 갖는 225.0mmφ 중탄소 환강편이 시험 견본으로서 사용되었고, 이러한 견본은 “가열로 → 경사 교차 천공 밀 → 맨드릴 밀 → 사이저”를 포함하는 중경(medium-diameter) 만네스만 맨드릴 밀 프로세스에 의해 273.0mmφ × 6.5mmt의 사이즈로 압연되었다. 각 공정의 압연 조건은 이하와 같다.
(1) 가열 공정
강편 사이즈: 225.0mmφ, 가열 온도: 1180℃
(2) 천공 압연 공정
천공 사이즈: 335.0mmφ × 15.5mmt
압연 온도: 1090℃(γ상의 재결정 온도역)
압연 조건: 롤 교차각: 20°, 롤 경사각: 10°,
확경비: 1.488, 천공비: 2.55
(3) 연신 압연 공정
연신 사이즈: 295.0mmφ × 6.5mmt
압연 온도: 920℃(γ상의 미재결정 온도역)
압연 조건: 스탠드 수: 5, 벽 두께 축소: 58.0%,
연신비: 2.64
(4) 축소 압연 공정
축소 사이즈: 273.0 mmφ × 6.5 mmt
압연 온도: 870℃(γ상의 미재결정 온도역)
압연 조건: 스탠드 수: 8, 외경 축소: 7.5%,
연신비: 1.08
(5) 제어 냉각: 냉수 담금질
(6) 특성 시험 결과: 강도: YS = 765Mpa 저온 인성: vTrs = -86℃
[실시예 3]
0.10%C - 0.65%Mn - 0.05%Mo의 화학 조성을 갖는 225.0 mmφ저탄소 환강편이 시험 견본으로서 사용되었고, “가열로 → 경사 교차 천공 밀 → 맨드릴 밀 → 사이저”를 포함하는 중경 만네스만 맨드릴 밀 프로세스에 의해, 273.0 mmφ × 6.5mmt의 사이즈로 압연되었다. 각 공정의 압연 조건은 이하와 같다. 각 공정에 있어서의 압연 사이즈는 실시예 2와 동일하다.
(1) 가열 공정
강편 사이즈: 225.0mmφ, 가열 온도: 1160℃
(2) 천공 압연 공정
천공 사이즈: 335.0mmφ × 15.5mmt
압연 온도: 1070℃(γ상의 재결정 온도역)
압연 조건: 롤 교차각: 20°, 롤 경사각: 10°,
확경비: 1.488, 천공비: 2.55
(3) 연신 압연 공정
연신 사이즈: 295.0 mmφ × 6.5mmt
압연 온도: 900℃(γ상의 미재결정 온도역)
압연 조건: 스탠드 수: 5, 벽 두께 축소: 58.0%,
연신비: 2.64
(4) 축소 압연 공정
축소 치수: 273.0 mmφ × 6.5mmt
압연 온도: 830℃((α+γ) 2상 온도역)
압연 조건: 스탠드 수: 8, 외경 축소: 7.5%,
연신비: 1.08
(5) 제어 냉각: 냉수 담금질
(6) 특성 시험 결과: 강도: YS = 760Mpa, 저온 인성: vTrs = -84℃
이 경우, 축소 압연 공정은 (α+γ) 2상역 압연을 실행하지만, 외경 축소 압연 - 약간의 축소 - 이 행해지더라도, 벽 두께 축소의 압연이 행해지지 않음으로써, 입자들이 연신되지 않았고 세퍼레이션(separation) 등의 부작용이 관찰되지 않았다.
축소 압연 밀로서 스트레치 리듀서가 사용되는 경우에는, (α+γ) 2상역의 축소 압연을 실행하는 것을 가능한 한 피하는 것이 바람직하다. 백-투-백(back-to-back)의 다수 스탠드들의 외경 축소 압연에 의해 변형들이 누적되고, 그것은 샤르피 시험(Charpy test) 등에서 세퍼레이션들을 발생시킬 수 있다. 축소 압연 공정에서 스트레치 리듀서를 사용하는 경우에는 재가열로가 배치되어 있고, 따라서, γ상의 미재결정 온도역의 축소 압연에 있어서 방해가 없다.
유정관(oil well tube)이나 라인 파이프(line pipe)에 요구되는 강도는 YS의 측면에서 보통 740Mpa 이상이며, 요구되는 저온 인성은 vTrs의 측면에서 보통 -80℃이다. 3개의 실시예에 기초하여 제어 압연 프로세스의 효과에 대해 구체적인 설명이 제공되었고, 본 발명에 의해 달성되는 유리한 효과는 명백하다.
[미래에 다뤄질 이슈]
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 제어 압연에 이어 제어 냉각을 실행하는 것을 가정하였는데, 제어 압연법이 본 발명의 특정 주제이지만, 제어 냉각 프로세스가 본 발명의 주제는 아니다. 상기 3개의 실시예에 있어서, “제어 냉각”의 항목에 있어서의 “수냉 담금질”의 설명은 단지 기존의 담금질 시스템을 이용하는 것에 의해 궁극의 제어 냉각의 시뮬레이션(simulation)을 나타낸다.
본 특허 출원의 출원인이 속하는 회사는 이음매 없는 강관을 제조하는 것에 전용인 임의의 제어 냉각 시스템을 갖지 않는다. 온 세상의 동종 업계에서 지금까지 그러한 제어 냉각 시스템을 건설하고 있을 수 있는 일부 다른 회사들에 대해서도 들은바가 없다. 강도 및 저온 인성의 추가적인 개선을 기약하는 구체적인 제어 냉각법을 개발하는 것은 미래의 이슈이다.
[산업상의 이용 가능성]
이음매 없는 강관의 제조 프로세스에 대한 제어 압연 방법의 적용으로부터 초래되는, 저온 압연에 기인한 열간 변형 저항의 현저한 상승 및 열간 변형능(열간 가공 성)의 현저한 열화의 문제를 해소할 수 있고, 제어 냉각 프로세스의 사용과 함께, 강도 및 저온 인성이 우수한 이음매 없는 강관을 제조할 수 있다.
본 발명에 있어서, 열간 압연 공정 후 별개의 담금질-뜨임을 실행하지 않고 오로지 압연을 실행하는 것에 의해서 강도와 인성을 개선하기 위한 제어 압연 방법에 대해 논의되었지만, 이 기술 사상은 열간 압연 공정 후 별개의 담금질-뜨임 공정에 있어서 결정 입자들의 한층 미세화를 달성하도록 구성된 이음매 없는 강관의 제어 압연 방법에 또한 응용할 수 있다는 것을 이해해야한다.

Claims (5)

  1. 가열로에서 미리 정해진 온도로 가열된 환강편(round steel bar)(빌릿(billet))을 이용하여, 천공 압연 공정, 연신 압연 공정 및 축소 압연 공정(reducing rolling step)이 수행되는 이음매 없는 강관 제조 프로세스에 적용되는 강도 및 저온 인성이 우수한 이음매 없는 강관의 제어 압연 방법으로서,
    상기 천공 압연 공정에 있어서, γ상(phase)의 재결정 영역(recrystallization region)(950℃ 이상)으로 천공 압연을 실행하고, 그때에, 콘-타입 메인 롤(cone-type main roll)을 갖는 경사 교차 천공 밀(inclined cross piercing mill)(교차각: 3°내지 30°, 경사각(feed angle): 5°내지 18°)이 채용되어, 확경 천공(diameter-expansion piercing)(확경비: 1.05 내지 2.50)을 행하는 단계;
    상기 연신 압연 공정 및 상기 축소 압연 공정에 있어서, γ상의 미재결정 영역(non-recrystallization region)(950℃ 내지 Ar3 변태점(transformation point))내에서 연신 압연 및 축소 압연을 각각 실행하는 단계; 및
    상기 축소 압연의 직후에, 제어 냉각 또는 담금질을 실행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 강도 및 저온 인성이 우수한 이음매 없는 강관의 제어 압연 방법.
  2. 가열로에서 미리 정해진 온도로 가열된 환강편(빌릿)을 이용하여, 천공 압연 공정, 연신 압연 공정, 및 축소 압연 공정이 사이저(sizer)에 의해 수행되는 이음매 없는 강관 제조 프로세스에 적용되는 강도 및 저온 인성이 우수한 이음매 없는 강관의 제어 압연 방법으로서,
    상기 천공 압연 공정에 있어서, γ상의 재결정 영역(950℃ 이상)으로 천공 압연을 실행하고, 그때에, 콘-타입 메인 롤을 갖는 경사 교차 천공 밀(교차각: 3°내지 30°, 경사각: 5°내지 18°)이 채용되어, 확경 천공(확경비: 1.05 내지 2.50)을 행하는 단계;
    상기 연신 압연 공정에 있어서, γ상의 미재결정 영역(950℃ 내지 Ar3 변태점)내에서 연신 압연을 실행하는 단계;
    상기 축소 압연 공정에 있어서, (α+γ) 2상 온도 영역(Ar3 변태점 내지 Ar1 변태점)에서 축소 압연을 실행하는 단계; 및
    상기 축소 압연 직후에, 제어 냉각 또는 담금질을 실행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 강도 및 저온 인성이 우수한 이음매 없는 강관의 제어 압연 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 연신 압연 공정에 있어서, γ상의 미재결정 영역(950℃ 내지 Ar3 변태점)내에서 연신 압연을 실행할 때에, 연신 압연이 적어도 40% 이상의 벽-두께 감소율(wall-thickness reduction rate)로 실행되는 것을 특징으로 하는, 강도 및 저온 인성이 우수한 이음매 없는 강관의 제어 압연 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 연신 압연 공정에 있어서, γ상의 미재결정 영역(950℃ 내지 Ar3 변태점)내에서 연신 압연을 실행할 때에, 연신 압연이 적어도 40% 이상의 벽-두께 감소율(wall-thickness reduction rate)로 실행되는 것을 특징으로 하는, 강도 및 저온 인성이 우수한 이음매 없는 강관의 제어 압연 방법.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축소 압연 공정은 재가열 처리 후에 실행되는 것을 특징으로 하는, 강도 및 저온 인성이 우수한 이음매 없는 강관의 제어 압연 방법.
KR1020147003904A 2011-08-01 2012-07-17 강도와 저온 인성이 우수한 이음매 없는 강관의 제어 압연 방법 KR101660601B1 (ko)

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