KR102413840B1

KR102413840B1 - 저항복비 및 고변형능 라인파이프용 강재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR102413840B1
Application number: KR1020200119299A
Authority: KR
Inventors: 강동훈
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2020-09-16
Filing date: 2020-09-16
Publication date: 2022-06-28
Also published as: KR102413840B9; KR20220036740A

Abstract

본 발명은, 저항복비 및 고변형능 라인파이프용 강재 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 라인파이프용 강재는, 중량%로, 탄소(C): 0.04% ~ 0.08%, 실리콘(Si): 0.15% ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.30% ~ 1.70%, 가용성 알루미늄(S_Al): 0.02% ~ 0.06%, 구리(Cu): 0.05% ~ 0.30%, 크롬(Cr): 0.10%~ 0.40%, 니켈(Ni): 0.05% ~ 0.30%, 니오븀(Nb): 0.02% ~ 0.05%, 티타늄(Ti): 0.005% ~ 0.03%, 칼슘(Ca): 0.0010% ~ 0.0030%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.005%, 및 잔부는 철 (Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하고, 인장강도(TS): 520 MPa ~ 760 MPa, 항복강도(YS): 415 MPa ~ 565 MPa, 연신율(EL): 24% ~ 55%, 항복비(YR): 0.70 ~ 0.85 및 0℃ ~ -40℃의 온도에서 드롭웨이트 시험값(DWTT): 90% ~ 100%를 만족할 수 있다.

Description

저항복비 및 고변형능 라인파이프용 강재 및 그 제조방법{Steel for line pipe having low yield ratio and excellent deformabilty and method of manufacturing the same}

본 발명의 기술적 사상은 강재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저항복비 및 고변형능 라인파이프용 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 자원고갈의 문제점이 대두됨에 따라 심해저 혹은 극지방에서의 석유 시추 및 수송 작업이 증가하고 있다. 이와 같이, 송유관 라인이 일반 지역에서 영구동토층, 지진대와 같은 특수지역으로 이동함에 따른 에너지 자원 수송 안정성의 요구가 증가되고 있다. 이에 따라, 변형 저항성 확보를 위한 파이프소재 설계 디자인을 변경할 필요가 있으며, 예를 들어 원주 방향의 응력 기반으로부터 파이프 길이방향의 변형률 기반으로 변경되고 있다.

이러한 요구에 맞추어, 규격대비 낮은 항복비, 높고 균일한 연신율, 길이방향의 인장특성, 및 저온파괴 안정성을 요구하지만, 기존의 TMCP 압연으로 제조된 강재로는 상기 조건을 만족하기 어렵다. 따라서, 극한 환경에 적용가능한 라인파이프용 강재를 개발하기 위하여, 50kg급 고변형능 강재에 대한 연구가 필요하다.

한국특허등록번호 제10-2122643호

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 저항복비 및 고변형능 라인파이프용 강재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 관점에 의하면, 저항복비 및 고변형능 라인파이프용 강재 및 그 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 라인파이프용 강재는, 중량%로, 탄소(C): 0.04% ~ 0.08%, 실리콘(Si): 0.15% ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.30% ~ 1.70%, 가용성 알루미늄(S_Al): 0.02% ~ 0.06%, 구리(Cu): 0.05% ~ 0.30%, 크롬(Cr): 0.10%~ 0.40%, 니켈(Ni): 0.05% ~ 0.30%, 니오븀(Nb): 0.02% ~ 0.05%, 티타늄(Ti): 0.005% ~ 0.03%, 칼슘(Ca): 0.0010% ~ 0.0030%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.005%, 및 잔부는 철 (Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하고, 인장강도(TS): 520 MPa ~ 760 MPa, 항복강도(YS): 415 MPa ~ 565 MPa, 연신율(EL): 24% ~ 55%, 항복비(YR): 0.70 ~ 0.85 및 0℃ ~ -40℃의 온도에서 드롭웨이트 시험값(DWTT): 90% ~ 100%를 만족할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 라인파이프용 강재는, 다각형 페라이트 및 마르텐사이트의 혼합조직을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 다각형 페라이트의 분율은 60% ~ 85% 일 수 있고, 상기 마르텐사이트의 분율은 15% ~ 40%일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 라인파이프용 강재는, 0.28 ~ 0.49의 탄소 당량(C_eq)을 가질 수 있다. (여기에서, C_eq = [C] + [Mn]/6 + ([Ni] + [Cu])/15 + ([Cr] + [Mo] + [V])/5 임)

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 라인파이프용 강재는, 0.11 ~ 0.22의 용접균열 감수성지수(P_cm)를 가질 수 있다. (여기에서, P_cm = [C] + [Si]/30 + ([Mn] + [Cu] + [Cr])/20 + [Ni]/60 + [Mo]/15 + [V]/10 + 5[B] 임)

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 구리, 니켈, 및 크롬의 함량의 합은 0 중량% ~ 0.5 중량%일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 라인파이프용 강재의 제조방법은, 중량%로, 탄소(C): 0.04% ~ 0.08%, 실리콘(Si): 0.15% ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.30% ~ 1.70%, 가용성 알루미늄(S_Al): 0.02% ~ 0.06%, 구리(Cu): 0.05% ~ 0.30%, 크롬(Cr): 0.10%~ 0.40%, 니켈(Ni): 0.05% ~ 0.30%, 니오븀(Nb): 0.02% ~ 0.05%, 티타늄(Ti): 0.005% ~ 0.03%, 칼슘(Ca): 0.0010% ~ 0.0030%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.005%, 및 잔부는 철 (Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 1,100℃ ~ 1,200℃의 온도에서 재가열하는 단계; 상기 가열된 강재를 700℃ ~ 800℃의 온도에서 종료되도록 열간압연하는 단계; 및 상기 열간압연된 강재를 냉각하는 단계;를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 냉각하는 단계는 25℃/초 ~ 50℃/초 의 냉각속도로 수행될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 냉각하는 단계는 350℃ ~ 480℃의 냉각종료온도로 냉각될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 냉각하는 단계를 수행한 후, 상기 라인파이프용 강재는, 인장강도(TS): 520 MPa ~ 760 MPa, 항복강도(YS): 415 MPa ~ 565 MPa, 연신율(EL): 24% ~ 55%, 항복비(YR): 0.70 ~ 0.85 및 0℃ ~ -40℃의 온도에서 드롭웨이트 시험값(DWTT): 90% ~ 100%를 만족할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 냉각하는 단계를 수행한 후, 상기 라인파이프용 강재는, 다각형 페라이트 및 마르텐사이트의 혼합조직을 가지고, 상기 다각형 페라이트의 분율은 60% ~ 85% 일 수 있고, 상기 마르텐사이트의 분율은 15% ~ 40%일 수 있다.

본 발명의 기술적 사상에 의할 경우, 상기 라인파이프용 강재는 바나듐과 몰리브덴을 배제한 성분 제어 및 가속 냉각을 적용함으로써, 다각형 페라이트와 마르텐사이트를 포함하도록 미세조직을 제어하고, 이에 따라 낮은 항복비와 높은 저온 인성을 가질 수 있다.

상기 라인파이프용 강재는 저항복비, 높은 균일연신율, 높은 가공경화지수(즉, 낮은 가공경화율) 특성으로 인한 파이프 성형 시 치수 안정성을 확보할 수 있고, 성형가공성을 향상할 수 있다. 상기 라인파이프용 강재는 바나듐과 몰리브덴 등과 같은 고원가 합금원소의 저감에 따라 수익성 개선할 수 있고, 탄소 당량과 용접균열 감수성지수를 감소시켜 용접성을 개선할 수 있다. 또한, 상기 라인파이프용 강재는 다각형 페라이트의 연질상과 마르텐사이트의 경질상의 적절한 밸런스를 갖는 이상(dual phase) 구성을 통하여 극저온 파괴인성을 향상시킬 수 있다.

상기 라인파이프용 강재는 변형률 기반 파이프소재 개발을 통하여 지진대 또는영구동토층 등과 같은 특수지역에서의 수송 안정성을 확보할 수 있다.

상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 라인파이프용 강재의 제조방법을 개략적으로 나타낸 공정 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 라인파이프용 강재의 제조방법을 이용하여 제조한 실시예와 비교예의 미세조직을 나타내는 현미경 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 라인파이프용 강재의 제조방법을 이용하여 제조한 실시예와 비교예의 DWTT 시험을 실시한 후의 강재의 파면을 나타낸 사진이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.

본 발명의 기술적 사상에 따른 라인파이프용 강재는, 규격대비 낮은 항복비, 균일하고 높은 연신율, 길이방향의 인장특성, 및 저온파괴 안정성을 제공하기 위하여, 연한 조직과 경한 조직을 함께 가지는 이상강(Dual phase steel)으로 제조될 수 있다.

구체적으로, 상기 라인파이프용 강재에서, 재질편차를 최소화하고 적절한 경질 조직구성을 위하여 탄소(C)와 망간(Mn) 함량을 제어한다. 또한, 페라이트의 입도 미세화를 통하여 강도를 확보하기 위하여, 니오븀(Nb) 함량을 제어하고, 바나듐(V)을 첨가하지 않고 배제하여 석출강화 효과를 최소화시켜, 낮은 항복비를 가지게 한다. 또한, 고용강화 효과를 통하여 안정적인 강도를 확보하도록, 구리+니켈+크롬의 총합을 0.50 중량% 이하로 제어한다. 또한, 몰리브덴(Mo)을 첨가하지 않아 변형 시효 후 항복강도의 증가를 최소화한다.

본 발명의 기술적 사상에 따른 라인파이프용 강재의 제조 공정 상의 특징으로는, Ar3 온도의 직상의 단상역 영역에서 압연하거나 또는 오스테나이트와 페라이트의 이상역 영역에서 압연하여, 페라이트의 입도를 미세화하고, 350℃ ~ 480℃의 저온냉각으로 경질상을 생성시키고, 25℃/초 ~ 50℃/초로 가속 냉각을 수행한다.

참고로, 본 발명에서 수행된 드롭웨이트 시험(Drop Weight Tear Test, DWTT)은 송유관의 파괴 전파 천이 온도(fracture propagation transition temperature, FPTT) 를 평가하는 방법 중 하나로서, 샤르피 충격시험과는 달리 실제 송유관과 같은 두께의 시편을 사용함으로써 시편 두께 변화에 따른 천이 온도 변화를 잘 설명하며, 샤르피 충격시험의 결과와는 달리 파괴 경로가 길어 송유관의 파괴 전파 양상을 나타내는데 적합하다.

이하, 본 발명의 일 측면인 저항복비 및 고변형능 라인파이프용 강재에 대하여 설명한다.

저항복비 및 고변형능 라인파이프용 강재

본 발명의 일 측면인 저항복비 및 고변형능 라인파이프용 강재는, 중량%로, 탄소(C): 0.04% ~ 0.08%, 실리콘(Si): 0.15% ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.30% ~ 1.70%, 가용성 알루미늄(S_Al): 0.02% ~ 0.06%, 구리(Cu): 0.05% ~ 0.30%, 크롬(Cr): 0.10%~ 0.40%, 니켈(Ni): 0.05% ~ 0.30%, 니오븀(Nb): 0.02% ~ 0.05%, 티타늄(Ti): 0.005% ~ 0.03%, 칼슘(Ca): 0.0010% ~ 0.0030%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.005%를 포함한다. 잔부는 철(Fe)과 제강 공정 등에서 불가피하게 함유되는 불순물로 이루어진다.

이하, 본 발명에 따른 저항복비 및 고변형능 라인파이프용 강재에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다. 이때, 성분 원소의 함유량은 모두 중량%를 의미한다.

탄소(C): 0.04% ~ 0.08%

탄소는 강의 강도를 확보하기 위해 첨가된다. 탄소의 함량이 0.04% 미만인 경우에는, 강도 확보가 어렵다. 탄소의 함량이 0.08%를 초과하는 경우에는, 저온 충격인성 및 용접성 등이 저하될 수 있다. 따라서, 탄소는 강재 전체 중량의 0.04% ~ 0.08%로 첨가되는 것이 바람직하다.

실리콘(Si): 0.15% ~ 0.40%

실리콘은 강의 강도를 높이는데 기여한다. 또한, 페라이트 안정화 원소로서, 페라이트 형성을 유도함으로써 강의 인성 및 연성을 개선하는데 효과적이다. 실리콘의 함량이 0.15% 미만인 경우에는, 첨가 효과가 불충분하다. 실리콘의 함량이 0.40%를 초과하는 경우에는, 열연 공정 중 가열로에서 적스케일(redscale)을 생성하여 강의 표면품질이 저하되며, 용접성이 열화될 수 있다. 따라서, 실리콘은 강재 전체 중량의 0.15% ~ 0.40%로 첨가되는 것이 바람직하다.

망간(Mn): 1.30% ~ 1.70%

망간은 고용강화 및 강의 경화능 향상에 기여하는 원소이다. 망간의 함량이 1.30% 미만인 경우에는, 첨가 효과가 불충분하다. 망간의 함량이 1.70%를 초과하는 경우에는, 첨가량 증가에 따른 상승 효과가 미미하고, MnS 개재물 및 산화물을 형성하여 라인파이프 조관시 강의 용접성을 저해할 수 있다. 따라서, 망간은 강재 전체 중량의 1.30% ~ 1.70%로 첨가되는 것이 바람직하다.

가용성 알루미늄(S_Al): 0.02% ~ 0.06%

가용성 알루미늄은 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제 역할을 한다. 알루미늄의 함량이 0.02% 미만일 경우에는, 첨가 효과가 불충분하다. 알루미늄의 함량이 0.06%를 초과하는 경우에는, 비금속 개재물인 Al₂O₃를 형성하여 저온 충격인성을 저하될 수 있다. 따라서, 알루미늄은 강재 전체 중량의 0.02% ~ 0.06%로 첨가되는 것이 바람직하다.

구리(Cu): 0.05% ~ 0.30%

구리는 강도 상승 및 인성 개선에 유효한 원소이다. 구리의 함량이 0.05% 미만일 경우에는, 구리의 첨가 효과가 불충분하다. 구리의 함량이 0.30%를 초과하는 경우에는, 표면결함을 유발할 수 있다. 따라서, 구리는 강재 전체 중량의 0.05% ~ 0.30%로 첨가되는 것이 바람직하다.

크롬(Cr): 0.10%~ 0.40%

크롬은 망간과 마찬가지로 평형온도를 저하시키므로, 강도를 확보하기 위해 첨가된다. 크롬은 다량 첨가시 탄소와 결합하여 조대한 탄화물을 형성할 수 있으며, 이는 강도를 미약하게 상승시키지만, 인성에는 취약하므로 다량 첨가는 지양하여야 한다. 크롬의 함량이 0.10% 미만일 경우에는, 크롬의 첨가 효과가 불충분하다. 크롬의 함량이 0.40%를 초과하는 경우에는, 용접성 및 열영향부(HAZ)의 인성이 저하될 수 있다. 따라서, 크롬은 강재 전체 중량의 0.10%~ 0.40%로 첨가되는 것이 바람직하다.

니켈(Ni): 0.05% ~ 0.30%

니켈은 결정립을 미세화하고 오스테나이트 및 페라이트에 고용되어 기지를 강화시킨다. 특히, 니켈은 저온 충격인성을 향상시키는데 효과적인 원소이다. 니켈의 함량이 0.05% 미만일 경우에는, 니켈 첨가 효과가 불충분하다. 니켈의 함량이 0.30%를 초과하는 경우에는, 용접성을 저해하며 적열취성을 유발할 수 있다. 따라서, 니켈은 강재 전체 중량의 0.05% ~ 0.30%로 첨가되는 것이 바람직하다.

니오븀(Nb): 0.02% ~ 0.05%

니오븀은 강 중에 탄질화물(NbC)을 석출하여, 결정립계를 피닝시키는(pinning) 역할을 하며, 고온에서 발생하는 결정립계 미끄러짐(grain boundary sliding, GBS) 및 전위 이동을 방해하여, 강도를 향상시킬 수 있다. 니오븀의 함량이 0.02% 미만일 경우에는, 첨가 효과가 불충분하다. 니오븀의 함량이 0.05%를 초과하는 경우에는, 첨가량 증가에 따른 상승 효과가 미미하며, 과다한 석출로 인해 연주성, 압연성 및 연신율이 저하될 수 있다. 따라서, 니오븀은 강재 전체 중량의 0.02% ~ 0.05%로 첨가되는 것이 바람직하다.

티타늄(Ti): 0.005% ~ 0.03%

티타늄은 고온 안정성이 우수한 Ti(C,N) 석출물을 생성시킴으로써 용접 시 오스테나이트 결정립 성장을 방해하여 용접부 조직을 미세화시켜 열연 제품의 인성 및 강도를 향상시킨다. 티타늄의 함량이 0.005% 미만일 경우에는, 첨가 효과가 불충분하다. 티타늄의 함량이 0.03%를 초과하는 경우에는, 조대한 석출물을 생성시켜 강의 인성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 티타늄은 강재 전체 중량의 0.005% ~ 0.03%로 첨가되는 것이 바람직하다.

칼슘(Ca): 0.0010% ~ 0.0030%

칼슘은 황과의 결합력이 높아 CaS 개재물을 형성함으로써 용접성에 저해를 주는 MnS의 생성을 억제하기 위해 첨가한다. 칼슘의 함량이 0.0010% 미만일 경우에는, MnS 제어 효과가 저하된다. 칼슘의 함량이 0.0030%를 초과하는 경우에는, 연주성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 칼슘은 강재 전체 중량의 0.0010% ~ 0.0030%로 첨가하는 것이 바람직하다.

인(P): 0% 초과 ~ 0.02%

인은 강재 전체 중량의 0% 초과 ~ 0.02%로 제한한다. 인은 충격인성을 저하시키는 대표적인 원소로서 그 함량이 낮으면 낮을수록 좋다. 인을 0.020%를 초과하여 포함하는 경우에는, 용접성 및 인성이 저하될 수 있다.

황(S): 0% 초과 ~ 0.005%

황은 강재 전체 중량의 0% 초과 ~ 0.005%로 제한한다. 황은 인과 함께 강의 제조 시 불가피하게 함유되는 원소로서, 강의 인성 및 용접성을 저해할 수 있다. 상기 황을 0.005%를 초과하여 포함하는 경우에는, 유화물계 개재물(MnS)을 형성하여 응력부식균열에 대한 저항성을 악화시켜 강의 가공 중 크랙을 발생시킬 수 있고, 그 결과 강의 내부식성을 저하시킬 수 있다.

본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않은 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 본 명세서에서 특별히 언급하지는 않는다.

상기 구리, 니켈, 및 크롬의 함량의 합은 0.5% 이하로 제어할 수 있다. 즉, 상기 구리, 니켈, 및 크롬의 함량의 합은 0% ~ 0.5% 일 수 있다.

상기 강재의 탄소 당량(C_eq)과 용접균열 감수성지수(P_cm)는 각각 식 1 및 식 2와 같다.

[식 1]

C_eq = [C] + [Mn]/6 + ([Ni] + [Cu])/15 + ([Cr] + [Mo] + [V])/5

[식 2]

P_cm = [C] + [Si]/30 + ([Mn] + [Cu] + [Cr])/20 + [Ni]/60 + [Mo]/15 + [V]/10 + 5[B]

상기 식 1 및 식 2에서, [C], [Mn], [Ni], [Cu], [Cr], [Mo], [V], [Si] 및 [B]는, 상기 강재에 포함되는 탄소(C), 망간(Mn), 니켈(Ni), 구리(Cu), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 실리콘(Si) 및 보론(B)의 함량이며, 각각의 단위는 중량%이다.

상기 강재는 상기 식 1에 따른 탄소 당량(C_eq)이, 예를 들어 0.28 ~ 0.49일 수 있고, 예를 들어 0.30 ~ 0.40일 수 있다. 상기 식 1에 따른 탄소 당량(C_eq)이 0.49를 초과하는 경우, 본 발명의 용접성이 저하될 수 있다.

상기 강재는 상기 식 2에 따른 용접균열 감수성지수(P_cm)가, 예를 들어 0.11 ~ 0.22일 수 있고, 예를 들어 0.12 ~ 0.20일 수 있다. 상기 식 2에 따른 용접균열감수성지수(P_cm)가 0.22를 초과하는 경우 용접성이 저하될 수 있다.

전술한 합금 조성의 구체적인 성분 및 이들의 함량 범위를 제어하고, 후술하는 강재의 제조 방법을 통해 제조된 라인파이프용 강재는, 인장강도(TS): 520 MPa ~ 760 MPa, 항복강도(YS): 415 MPa ~ 565 MPa, 항복비(YR): 0.70 ~ 0.85, 연신율(EL): 24% ~ 55%, 균일 연신율(U_EL) 10% ~ 20%, 및 0℃ ~ -40℃의 온도에서 드롭웨이트 시험값(DWTT): 90% ~ 100% 를 만족할 수 있다.

상기 라인파이프용 강재는 다각형 페라이트 (polygonal ferrite, PF) 및 마르텐사이트의 혼합조직을 가질 수 있다. 상기 다각형 페라이트의 분율은 60% ~ 85% 일 수 있고, 상기 마르텐사이트의 분율은 15% ~ 40% 일 수 있다. 상기 분율은 상기 강재의 미세조직 사진을 이미지 분석기를 통하여 도출한 면적비율을 의미한다. 상기 라인파이프용 강재는 연질상으로서 다각형 페라이트를 포함하고, 경질상으로서 마르텐사이트를 포함하는 이상강(dual-phase steel)일 수 있다.

본 발명의 다른 측면은 저항복비 및 고변형능 라인파이프용 강재의 제조방법이 제공된다. 이에 따르면 전술한 합금 조성으로 이루어지는 강재를 1,100℃ ~ 1,200℃의 온도에서 재가열하는 단계; 상기 가열된 강재를 700℃ ~ 800℃의 온도에서 종료되도록 열간압연하는 단계; 및 상기 열간압연된 강재를 냉각하는 단계;를 포함한다.

상기 강재를 냉각하는 단계는, 25℃/초 ~ 50℃/초 의 냉각속도로 수행될 수 있다. 상기 냉각하는 단계는, 350℃ ~ 480℃의 냉각종료온도로 냉각될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 저항복비 및 고변형능 라인파이프용 강재의 제조방법에 관하여 설명한다.

강재의 제조 방법

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 라인파이프용 강재의 제조방법을 개략적으로 나타낸 공정 순서도이다.

본 발명에 따른 강재의 제조방법에서 열연공정의 대상이 되는 반제품은 예시적으로 슬라브(slab)일 수 있다. 반제품 상태의 슬라브는 제강공정을 통해 소정의 조성의 용강을 얻은 다음에 연속주조공정을 통해 확보할 수 있다.

상기 강재는, 중량%로, 탄소(C): 0.04% ~ 0.08%, 실리콘(Si): 0.15% ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.30% ~ 1.70%, 가용성 알루미늄(S_Al): 0.02% ~ 0.06%, 구리(Cu): 0.05% ~ 0.30%, 크롬(Cr): 0.10%~ 0.40%, 니켈(Ni): 0.05% ~ 0.30%, 니오븀(Nb): 0.02% ~ 0.05%, 티타늄(Ti): 0.005% ~ 0.03%, 칼슘(Ca): 0.0010% ~ 0.0030%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.005%, 및 잔부는 철 (Fe) 및 불가피한 불순물을 포함한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 라인파이프용 강재의 제조방법은 재가열단계(S110), 열간압연 단계(S120), 및 냉각 단계(S130)를 포함한다.

재가열 단계(S110)

재가열 단계(S110)에서는 상기의 조성을 갖는 강재를, 예를 들어 슬라브 판재를, 1,100℃ ~ 1,200℃의 재가열 온도(Slab Reheating Temperature, SRT)에서 재가열한다. 이러한 재가열을 통해, 주조 시 편석된 성분의 재고용 및 석출물의 재고용이 발생할 수 있다.

재가열 온도가 1,100℃ 미만인 경우에는, 불순물 및 석출물 형성 원소들의 고용이 충분하지 않으며, 주조시 편석된 성분들이 충분히 고르게 분포되지 않는 문제점이 있다. 상기 재가열 온도가 1,200℃를 초과하는 경우에는, 매우 조대한 오스테나이트 결정립이 형성되어 강도 확보가 어렵게 된다. 또한 재가열 온도가 올라갈수록 가열 비용 및 열간압연 온도를 맞추기 위한 추기 시간 소요 등으로 제조 비용 상승 및 생산성 저하를 야기하는 문제점이 있다.

열간압연 단계(S120)

상기 가열된 강재는 먼저 그 형상의 조정을 위해 가열 후에 열간압연을 실시한다. 상기 열간압연은 폭압연, 조압연, 및 사상압연으로 연속적으로 수행될 수 있다. 상기 열간압연 단계에 의하여, 상기 강재는 강판을 형성할 수 있다.

상기 열간압연은, 즉 상기 사상압연은 700℃ ~ 800℃의 압연 종료온도(finish rolling temperature, FRT)에서 종료될 수 있다. 상기 압연 종료온도가 700℃ 미만인 경우에는, 펄라이트 조직이 형성됨으로써 인성 및 강도가 저하될 수 있다. 상기 압연 종료 온도가 800℃를 초과하는 경우에는, 오스테나이트 단상에서 냉각이 시작되어 연질상인 페라이트의 분율이 감소되고 혼합조직이 발생하여 저항복비 및 저온파괴저항인성 확보가 어려워 질 수 있다. 상황에 따라 800℃ 직상에서 압연 종료가 될 경우 연질상인 페라이트 생성량을 증가시키기 위하여 압연종료 후 일정시간 상온에서 대기하였다가 가속냉각을 적용시킬 수 있다.

열간압연이 종료된 상기 열간압연 강재의 두께는, 예를 들어 30 mm 미만일 수 있다.

냉각 단계(S130)

상기 열간압연된 강재를 25℃/초 ~ 50℃/초 의 냉각속도로 350℃ ~ 480℃의 냉각종료온도로 냉각한다. 상기 냉각은 공냉 방식 또는 수냉 방식으로 수행될 수 있다. 상기 냉각속도범위로 냉각시, 경도가 상승하여 저온 인성이 저하되는 현상을 방지하면서, 저온 미세조직을 충분히 확보할 수 있다. 냉각 중에 상변태를 집중적으로 발생시켜야 하므로, 열간압연 후 냉각은 가능한 빠를수록 좋으며, 냉각중 침상형 페라이트 형성의 억제를 위해 25℃/초 ~ 50℃/초 의 냉각속도가 적절할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하나, 이는 본 발명의 바람직한 실시예일뿐 본 발명의 범위가 이러한 실시예의 기재범위에 의하여 제한되는 것은 아니다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

실시예

표 1 및 표 2는 비교예들과 실시예들의 라인파이프용 강재의 조성을 나타낸다. 표 1 및 표 2에서 잔부는 철(Fe)과 제강 공정 등에서 불가피하게 함유되는 불순물로 이루어진다. 각각의 성분의 함량 단위는 중량%이다.

구분	C	Si	Mn	S_Al	Cu	Cr	Ni	Nb	Ti
비교예1	0.061	0.25	1.40	0.031	0.16	0.15	0.19	0.045	0.014
비교예2	0.063	0.23	1.39	0.028	0.15	0.16	0.20	0.043	0.015
실시예1	0.060	0.24	1.45	0.030	0.10	0.15	0.15	0.030	0.014
실시예2	0.062	0.26	1.47	0.032	0.11	0.16	0.13	0.028	0.013

구분	Mo	V	Ca	P	S	Fe	C_eq	P_cm
비교예1	0.11	0.023	0.017	0.014	0.0015	잔부	0.37	0.17
비교예2	0.10	0.022	0.017	0.013	0.0017	잔부	0.37	0.17
실시예1	0	0	0.017	0.010	0.0014	잔부	0.35	0.16
실시예2	0	0	0.017	0.012	0.0015	잔부	0.35	0.16

표 1 및 표 2를 참조하면, 비교예1 및 비교예2는 강재가 몰리브덴과 바나듐을 함유하고 있는 반면, 실시예1 및 실시예2는 강재가 몰리브덴과 바나듐을 포함하지 않는 상이점이 있다.

표 3은 비교예와 실시예의 라인파이프용 강재를 형성하는 공정 조건 값들을 나타낸다. 상기 압연은 TMCP(Thermo Mechanical Control Process)를 이용하여 수행하였다.

구분	재가열온도 (℃)	압연종료 온도 (℃)	냉각속도 (℃/초)	냉각종료온도 (℃)
비교예1	1150	850	38	502
비교예2	1147	747	34	519
실시예1	1120	762	41	420
실시예2	1118	747	37	432

표 3을 참조하면, 비교예1은 압연 종료온도가 850℃로서 본 발명의 범위의 상한인 800℃에 비하여 높다. 또한, 비교예1과 비교예2는 냉각종료온도가 각각 502℃ 및 519℃로서, 본 발명의 상한인 480℃에 비하여 높은 상이점이 있다.

표 4는 상기 제조된 라인파이프용 강재에 대하여, 횡방향(Transverse)과 장방향(Longitudinal)에 대하여, 항복강도(YS), 인장강도(TS), 항복비(YR), 연신율(EL), 및 균일 연신율(U_EL)을 각각 측정한 결과이다.

구분	횡방향				장방향
구분	항복 강도 (MPa)	인장 강도 (MPa)	항복비 (%)	연신율 (%)	항복 강도 (MPa)	인장 강도 (MPa)	항복비 (%)	연신율 (%)	균일 연신율 (%)
비교예1	498	582	85	36	479	576	83	37	9.2
비교예2	503	565	89	44	473	543	87	43	12.3
실시예1	459	602	76	39	436	573	76	38	12.1
실시예2	465	610	76	40	443	576	77	40	12.3

표 4를 참조하면, 비교예와 실시예 모두 본 발명에서 제안한 415 MPa ~ 565 MPa의 항복강도와 520 MPa ~ 760 MPa의 인장강도에 포함된다. 항복강도의 경우에는 횡방향과 장방향에서 비교예에 비하여 실시예가 낮은 수치를 나타냈다. 인장강도의 경우에는 횡방향에서는 비교예에 비하여 실시예가 높은 수치를 나타냈고, 장방향에서는 유사한 수치를 나타냈다. 항복비는 비교예는 횡방향과 장방향 모두 85% 이상의 수치를 나타낸 반면, 실시예는 횡방향과 장방향 모두 85% 이하의 수치를 나타냈다. 연신율은 비교예에 비하여 실시예가 다소 높은 수치를 나타냈다.

참고로, 일반적으로 상기 라인파이프용 강재를 부식 방지를 위하여 에폭시 코팅을 진행하고, 250℃에서 5분간 열처리를 수행하므로, 이에 따라 코팅 후 변형시효 현상이 발생할 수 있고, 연속 항복이 불연속 항복 거동으로 변화하여 항복비가 상승할 수 있다. 이러한 경우에 대한 실험 결과가 표 5에 나타나있다.

표 5는 상기 라인파이프용 강재를 1%의 변형을 인가하고 250℃에서 5분간 열처리 한 후, 횡방향과 장방향에 대하여, 항복강도(YS), 인장강도(TS), 항복비(YR), 연신율(EL), 및 균일 연신율(U_EL)을 각각 측정한 결과이다.

구분	횡방향				장방향
구분	항복 강도 (MPa)	인장 강도 (MPa)	항복비 (%)	연신율 (%)	항복 강도 (MPa)	인장 강도 (MPa)	항복비 (%)	연신율 (%)	균일 연신율 (%)
비교예1	509	590	86	35	491	582	84	37	8.9
비교예2	522	581	90	39	493	563	88	40	11.7
실시예1	486	610	80	37	462	580	80	37	12.0
실시예2	490	618	79	39	471	581	81	39	11.8

표 5를 참조하면, 비교예와 실시예 모두 본 발명에서 제안한 415 MPa ~ 565 MPa 의 항복강도와 520 MPa ~ 760 MPa의 인장강도에 포함된다. 항복강도의 경우에는 횡방향과 장방향에서 비교예에 비하여 실시예가 낮은 수치를 나타냈다. 인장강도의 경우에는 횡방향에서는 비교예에 비하여 실시예가 높은 수치를 나타냈고, 장방향에서는 유사한 수치를 나타냈다. 항복비는 비교예는 횡방향과 장방향 모두 85% 이상의 수치를 나타낸 반면, 실시예는 횡방향과 장방향 모두 85% 이하의 수치를 나타냈다. 연신율은 비교예에 비하여 실시예가 다소 높은 수치를 나타냈다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 라인파이프용 강재의 제조방법을 이용하여 제조한 실시예와 비교예의 미세조직을 나타내는 현미경 사진이다.

표 6은 상기 현미경 사진으로부터 도출한 라인파이프용 강재의 미세조직들의 부피 분율을 나타낸다. 표 6에서, 평균 결정립크기는 ASTM E112에 의하여 산출하였다.

(단위: 부피%)	비교예1	비교예2	실시예1, 2
침상형 페라이트 (AF)	60	0	0
다각형 페라이트 (PF)	16	70	71
베이나이트 페라이트 (BF)	31	28	0
마르텐사이트 (M/A)	3	2	29
평균결정립크기 (μm)	12.7	12.0	11.8

도 2 및 표 6을 참조하면, 비교예1과 비교예2에 비하여, 실시예1과 실시예2는 침상형 페라이트와 베이나이트 페라이트의 형성이 억제되고, 다각형 페라이트 및 마르텐사이트 형성이 촉진된 것으로 분석된다. 따라서, 실시예1과 실시예2는 71 부피%의 다각형 페라이트와 29 부피%의 마르텐사이트로 구성된 미세조직을 가졌다. 이러한 미세조직을 가지는 실시예는 낮은 항복비와 높은 저온 인성을 제공할 수 있다.

평균 결정립 크기는 비교예1이 가장 크고, 비교예2가 중간이고, 실시예 1 및 실시예2가 가장 작았다. 그러나, 비교예2와 실시예의 평균 결정립 크기의 차이는 크지 않게 나타났다.

표 7은 상기 제조된 라인파이프용 강재에 대하여, 다양한 온도에서 드롭웨이트 시험값(DWTT)을 각각 2회씩 측정한 결과이다.

	DWTT 시험 온도 (S.A. %)
	0℃	-10℃	-20℃	-30℃	-40℃
비교예1	100/100	95/90	85/95	30/35	20/30
비교예2	100/100	95/85	90/85	90/95	75/85
실시예1	100/100	100/95	95/95	90/95	90/95
실시예2	100/100	100/100	100/100	95/95	100/90

표 7을 참조하면, 비교예1은 -30℃와 -40℃에서 매우 낮은 DWTT 값을 나타내며, 비교예2는 -40℃에서 낮은 DWTT 값을 나타낸다. 반면, 실시에들은 -40℃까지도 90% 이상의 높은 DWTT 값을 나타낸다. 따라서, 비교예에 비하여 실시뎨들의 저온 인성이 개선됨을 알 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 라인파이프용 강재의 제조방법을 이용하여 제조한 실시예와 비교예의 DWTT 시험을 실시한 후의 강재의 파면을 나타낸 사진이다.

도 3을 참조하면, -30℃ 에서 수행된 DWTT 시험한 후의 파면을 나타낸다. 비교예들에 비하여 실시에는 파면이 매끄럽게 형성되었고, 따라서 연성파면율 특성이 월등히 우수한 것으로 분석된다. 따라서, 실시예는 우수한 저온특성을 제공할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims

중량%로, 탄소(C): 0.04% ~ 0.08%, 실리콘(Si): 0.15% ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.30% ~ 1.70%, 가용성 알루미늄(S_Al): 0.02% ~ 0.06%, 구리(Cu): 0.05% ~ 0.30%, 크롬(Cr): 0.10%~ 0.40%, 니켈(Ni): 0.05% ~ 0.30%, 니오븀(Nb): 0.02% ~ 0.05%, 티타늄(Ti): 0.005% ~ 0.03%, 칼슘(Ca): 0.0010% ~ 0.0030%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.005%, 및 잔부는 철 (Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하고,
인장강도(TS): 520 MPa ~ 760 MPa, 항복강도(YS): 415 MPa ~ 565 MPa, 연신율(EL): 24% ~ 55%, 항복비(YR): 0.70 ~ 0.85 및 0℃ ~ -40℃의 온도에서 드롭웨이트 시험값(DWTT): 90% ~ 100%를 만족하고,
다각형 페라이트 및 마르텐사이트의 혼합조직을 가지고,
상기 다각형 페라이트의 분율은 60% ~ 85% 이고, 상기 마르텐사이트의 분율은 15% ~ 40%인,
라인파이프용 강재.
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 라인파이프용 강재는, 0.28 ~ 0.49의 탄소 당량(C_eq)을 가지는,
(여기에서, C_eq = [C] + [Mn]/6 + ([Ni] + [Cu])/15 + ([Cr] + [Mo] + [V])/5 임)
라인파이프용 강재.
제 1 항에 있어서,
상기 라인파이프용 강재는, 0.11 ~ 0.22의 용접균열 감수성지수(P_cm)를 가지는,
(여기에서, P_cm = [C] + [Si]/30 + ([Mn] + [Cu] + [Cr])/20 + [Ni]/60 + [Mo]/15 + [V]/10 + 5[B] 임)
라인파이프용 강재.
제 1 항에 있어서,
상기 구리, 니켈, 및 크롬의 함량의 합은 0 중량% ~ 0.5 중량%인,
라인파이프용 강재.
중량%로, 탄소(C): 0.04% ~ 0.08%, 실리콘(Si): 0.15% ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.30% ~ 1.70%, 가용성 알루미늄(S_Al): 0.02% ~ 0.06%, 구리(Cu): 0.05% ~ 0.30%, 크롬(Cr): 0.10%~ 0.40%, 니켈(Ni): 0.05% ~ 0.30%, 니오븀(Nb): 0.02% ~ 0.05%, 티타늄(Ti): 0.005% ~ 0.03%, 칼슘(Ca): 0.0010% ~ 0.0030%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.005%, 및 잔부는 철 (Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 1,100℃ ~ 1,200℃의 온도에서 재가열하는 단계;
상기 가열된 강재를 700℃ ~ 800℃의 온도에서 종료되도록 열간압연하는 단계; 및
상기 열간압연된 강재를 냉각하는 단계;를 포함하는, 라인파이프용 강재의 제조 방법으로서,
상기 라인파이프용 강재의 제조 방법으로 제조된 라인파이프용 강재는, 인장강도(TS): 520 MPa ~ 760 MPa, 항복강도(YS): 415 MPa ~ 565 MPa, 연신율(EL): 24% ~ 55%, 항복비(YR): 0.70 ~ 0.85 및 0℃ ~ -40℃의 온도에서 드롭웨이트 시험값(DWTT): 90% ~ 100%를 만족하고, 다각형 페라이트 및 마르텐사이트의 혼합조직을 가지고, 상기 다각형 페라이트의 분율은 60% ~ 85% 이고, 상기 마르텐사이트의 분율은 15% ~ 40%인,
라인파이프용 강재의 제조 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 냉각하는 단계는, 25℃/초 ~ 50℃/초 의 냉각속도로 수행하는,
라인파이프용 강재의 제조 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 냉각하는 단계는, 350℃ ~ 480℃의 냉각종료온도로 냉각되는,
라인파이프용 강재의 제조 방법.
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