KR20000045532A - 고온강도 특성이 우수한 인장강도 58킬로그램에프/제곱밀리미터건축용 강재의 제조방법 - Google Patents
고온강도 특성이 우수한 인장강도 58킬로그램에프/제곱밀리미터건축용 강재의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 고층빌딩 등의 구조물에 사용가능하도록 고온강도 특성이 우수하여 일반강재에 비해 내화피복의 절감이 가능한 건축구조용 강재의 제조방법에 관한 것으로, 중량%로, C: 0.05∼0.15%, Si: 0.55% 이하, Mn: 1.6% 이하, Cr: 0.70% 이하, Mo: 0.2∼0.9%, Nb: 0.01∼0.06%, B: 0.0005∼0.002%, P: 0.03% 이하, S: 0.025% 이하, Sol.Al: 0.01∼0.06%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물이 함유된 강 슬라브를 1150∼1300℃ 의 슬라브 가열온도에서 충분히 가열하고, Ar3온도(800℃) 이상의 오스테나이트 단상역에서 압연 종료후 상온까지 공냉하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 종래의 인장강도 50kgf/㎟급 건축용 내화강에 비해, 상온 항복강도 7kgf/㎟ 이상, 600℃ 항복강도 10kgf/㎟ 이상 높은 고강도, 고인성의 인장강도 58kgf/㎟급 건축구조용 내화강을 제조할 수 있어서, 고층빌딩 등의 구조물 제조 분야에 적절히 응용될 수 있다.
Description
본 발명은 화재시에 강재의 온도가 상승하여도 고온에서의 강도 저하가 적은 인장강도 58kgf/㎟급 건축용 강재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존의 고온강도 특성이 우수한 인장강도 50kgf/㎟급 건축용 내화강(상온항복강도 :33kgf/㎟ 이상, 600℃ 항복강도: 22kgf/㎟ 이상)성분계 대비 B(보론)가 첨가된 강을 열간압연한 후 상온까지 공냉하여 상온항복강도 :47kgf/㎟이상, 600℃ 항복강도:31.3kgf/㎟ 이상인 인장강도 58kgf/㎟급 건축용 강재를 제조하는 방법에 관한 것이다.
철골 건축물은 화재 발생시 열에 의해 강재 강도가 낮아져 건축물로서의 내력이 저하하기 때문에, 빌딩 화재시 붕괴되는 것을 막기 위하여 철골부재의 온도가 일정한 시간내에 특정한 온도 이상으로 상승하지 못하도록 내화피복으로 철골을 보호하는 것이 건축기준법에 규정되어 있다.
일반적으로 내화피복을 두껍게 하면 건축물의 시공비와 시공 공기가 늘어나게 되고 실제 사용 공간이 줄어들게 되므로 공사비 저감, 공기 단축, 실면적 유효 이용의 관점에서 내화피복 공사의 경감에 대한 필요성이 증대되어 왔다.
이러한 필요성에 대응하여 개발된 것이 고온특성이 우수한 인장강도 50kgf/㎟급 내화강이다. 일반 건축용 강재는 350℃에서 항복강도가 상온 규격치의 2/3 이하로 저하하여 구조부재에서 요구되는 내력에 미달하여 법정 내화시간내에 350℃에 도달하지 못하도록 두꺼운 내화피복을 해야 한다.
반면 내화강은 600℃까지 항복강도가 상온규격치의 2/3 이상이 되어 강재온도가 600℃ 까지 증가하여도 붕괴하지 않는 것이 특징이다.
따라서 내화강을 사용할 때에는 내화피복을 얇게 하여도 충분히 기준 내화시간 내에 붕괴하지 않게 되어 내화피복 경감의 큰 잇점이 있게 된다.
이러한 잇점을 갖는 인장강도 50kgf/㎟급 내화강은 표 1의 규격에서 보는 바와 같이, 중량%로, C: 0.15% 이하, Si: 0.55% 이하, Mn: 1.60% 이하, Cr: 0.70% 이하, Mo: 0.3 - 0.9%, P: 0.03% 이하, S: 0.025% 이하의 화학조성을 갖는 강을 통상의 방법으로 압연한 다음 공냉하여 제조하고 있다.
그러나 최근에는 초고층 시대의 도래에 따라 골조의 경량화 및 공간 이용효율 증대의 극대화를 위하여 강도가 더욱 높은 인장강도 58kgf/㎟ 이상의 고온 강도 특성이 우수한 내화강에 대한 필요성이 증대되어 왔다.
기존의 인장강도 50kgf/㎟급 내화강에서 요구되는 상온 및 고온강도의 증가를 이룩할 수 없으므로 인장강도 50kgf/㎟급 내화강 성분계에 열간압연후 직접소입-템퍼링, 또는 열간압연후 소정의 냉각 정지온도로 수냉하는 가속냉각을 적용하여 인장강도 58kgf/㎟급 내화강을 제조하는 방법이 제안된 바 있다(1995년 대한민국 특허출원 제56449호, 1996년 대한민국 특허출원 제58051호, 1998년 대한민국 특허출원 제39060호).
그러나, 기제안된 이들 직접소입-템퍼링 제조법과 가속냉각법으로 제조된 강은 인장강도 50kgf/㎟ 급 성분계의 낮은 탄소 당량을 갖는 관계로 용접성이 우수하여 실용상 큰 잇점을 가지고 있으나, 직접소입-템퍼링 또는 압연후 가속냉각하는 열처리 공정의 적용에 따라 압연후 공냉하는 일반 후판 제조방법 보다 강재 제조가격이 상승하는 문제점이 지적되어 왔다.
또한, 이를 열처리 공정에 의해 제조시는 수냉에 의한 판 변형 문제로 두께 10㎜ 미만의 박물재에 있어서 판의 평탄도 확보가 어려운 문제도 지적되어 왔다.
본 발명자는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구와 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 기존의 고온강도 특성이 우수한 인장강도 50kgf/㎟급 건축용 내화강(상온항복강도:32kgf/㎟
이상, 600℃ 항복강도:22kgf/㎟ 이상) 성분계를 기반으로 하여 용접성을 해치지 않으면서 강의 소입성을 향상시켜 강도 향상에 크게 기여하는 B(보론)을 첨가한 강을 열간압연한 후 상온까지 공냉하는 제조공정의 적용으로, 경제적으로 기존 인장강도 50kgf/㎟급 내화강 수준의 낮은 탄소 당량의 인강강도 58kgf/㎟급 건축용 강재(상온 항복강도 :47kgf/㎟ 이상, 600℃ 항복강도 :31.3kgf/㎟ 이상)를 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도1a 내지 도 1d는 발명재와 비교재의 기지 조직을 보여주는 광학현미경 사진이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 건축용 내화강의 제조방법은, 중량%로, C: 0.05∼0.15%, Si: 0.55% 이하, Mn: 1.6% 이하, Cr:0.70% 이하, Mo: 0.2∼0.9%, Nb: 0.01∼0.06%, B: 0.0005∼0.002%, P: 0.03% 이하, S: 0.025% 이하, Sol.Al: 0.01∼0.06%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물이 함유된 강 슬라브를 1150∼1300℃ 의 슬라브 가열온도에서 충분히 가열하고, Ar3온도(800℃) 이상 의 오스테나이트 단상역에서 압연 종료후 상온까지 공냉하여 제조하는 구성이다.
이하에서는 양호한 실시예와 관련하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
우선, 본 발명에서 강의 성분 조성 범위 및 제반 제조조건을 수치 한정한 이유에 대해 설명한다.
C(탄소) 함량의 중가는 소입성을 향상시켜 강도를 증가시킬 수 있지만 용접성을 해치고, 반대로 C 함량을 감소시키면 소입성이 낮아 강도를 보증할 수 없으므로, C함량의 첨가는 0.05∼0.15중량%로 한다.
Si(규소)는 탈산제로 첨가되는 성분인데, 그 함량이 증가하면 항복강도는 증가시키지만 충격천이온도를 상승시키고 용접성을 해치게 되므로 Si 함량은 0.55 중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
Mn(망간)은 소입성을 증가시켜 강도를 증가시킬 수 있으나 용접성을 해치므로 적절한 강도 확보와 용접성을 고려하여 Mn 함량을 1.6중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
Mo(몰리브덴)은 미세한 탄화물의 형태로 강중에 존재해서 고온 강도를 높이는 효과가 있으며, 소입성을 향상시켜 상온 강도를 향상시키는데 유효하다. 0.2% 미만에서는 필요로 하는 고온강도를 얻기 어려우며, 0.9%를 초과하면 용접성이 열화되므로, 적절한 고온강도 확보와 용접성을 고려하여 Mo 함량은 0.2∼0.9중량%로 제한한다.
Cr(크롬)은 소입성을 향상시키고 미세한 탄화물의 형태로 존재하여 상온 및 고온 강도를 증가시키는데 유효한 원소이나 용접성을 해치므로 그 첨가량은 0.7중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
Nb(니오븀)은 열간압연시 오스테나이트 입도 성장을 억제하고 소입성을 증가시켜 상온 강도 및 인성 향상에 유익하고, 강중에 미세한 탄화물로 존재하여 고온 강도를 향상시키는 원소이다. 함량 0.01% 이하에서는 소입성 향상에 의한 강도 증가 기여도가 적으며, 다량 첨가시에는 용접성을 해치므로, 그 함량은 0.01∼0.06중량% 로 제한하는 것이 바람직하다.
B(보론)은 강의 소입성을 향상시켜 상온 및 고온 강도 증가에 크게 기여하는 베이나이트(Vainite) 조직의 분율을 크게 증가시키는 원소이다. B 함량이 0.0005% 이하일 때는 함량이 너무 낮아 소입성 향상에 의한 강도 증가 효과를 얻을 수 없으며, 함량이 어느 한도를 초과하여 지나치게 많을 경우에는 소입성 향상 효과가 매우 적으며 오히려 연속주조 공정에서 응고시 형성되는 보론탄질화물(Boro-Carbonitride)에 기인한 주편 크랙(crack) 발생의 위험도가 높다. 따라서 B 함량은 0.0005∼0.002중량% 로 제한한다.
P(인) 및 S(황)은 충격인성 및 용접성에 유해한 원소로 함량이 낮으면 낮을수록 좋지만 제강 과정에서 피할 수 없는 불순물이므로 물성에 해로운 영향을 끼치지 않도록 P는 0.03중량% 이하, S는 0.025중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
Sol.Al(산가용성 알루미늄)은 탈산을 위한 필수적인 원소로서 충격 흡수에너지를 개선시키지만, 다량 첨가시에는 오히려 충격인성을 해치게 되므로 그 함량은 0.01∼0.06중량%로 제한하는 것이 바람직하다.
그리고 슬라브 가열온도는 일반적으로 후판압연에서 사용되는 1150∼1300℃의 온도 구역으로 설정하는 것이 바람직한데, 1150℃ 미만의 온도 가열에서는 주조시 생성된 조대한 니오븀탄화물이 용해되지 않아 압연 및 냉각과정에서의 Nb에 의한 오스테나이트 입도 미세화 및 소입성 향상 효과를 기대할 수 없으며, 1300℃ 이상의 가열은 결정립의 이상성장(abnormal grain growth)을 가져오기 때문이다.
압연종료 온도가 Ar3온도(강재가 고온에서 냉각시 오스테나이트로부터 페라이트로 변태되는 개시온도) 보다 낮은 경우, 즉 800℃ 미만인 경우에는, 지나친 미재결정역 압연량에 따른 강의 소입성 저하 및 압연중 석출되는 페라이트 형성에 기인하여 기지조직 중에서 상온 및 고온강도 발현에 바람직한 베이나이트나 아시큘라 페라이트(acicular ferrite)의 분율이 크게 저하하여 원하는 상온 및 고온강도 확보가 어렵다. 따라서 압연종료 온도는 800℃ 이상으로 한정한다.
본 발명의 경우, 기존의 인장강도 50kgf/㎟급 건축용 내화강(상온 항복강도 :33kgf/㎟ 이상, 600℃ 항복강도:22kgf/㎟ 이상) 성분계를 기반으로 하여 Nb 와 B를 첨가함에 의해 소입-템퍼링 또는 가속냉각 공정을 적용하지 않고 열간압연후 공냉만으로도 인장강도 58kgf/㎟급 내화강을 제조할 수 있는 것은, 공냉된 강재의 미세조직이 상온강도 및 고온강도 증가에 크게 유효한 베이나이트로 구성됨에 기인한 것으로 사려된다.
일반적으로 베이나이트 조직은 페라이트-퍼얼라이트 조직에서 보다 기지에 고용된 탄소 함량이 높으며 내부에 미세한 탄화물을 다량 함유한 관계로, 고용강화 및 탄화물에 의한 석출강화 효과가 높아 상온 및 고온강도가 높은 것은 잘 알려져 있는 사실로 본 발명의 강도 증가의 원인으로 생각된다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
실시예
하기 표 1과 같은 화학조성의 기존의 인장강도 50kgf/㎟급 내화강 성분계의 비교강 및 B이 첨가된 발명강 슬라브를 1150∼1300℃에서 충분히 가열하여 하기 표 2와 같은 조건으로 평균압하율 17% 의 연속적인 열간압연으로 두께 13㎜ 강판을 만든후 공냉 또는 가속냉각처리(압연후 소정의 냉각종료온도까지 냉각)하여 시편을 제조하였다.
각 시편에 대해 상온 및 600℃에서의 기계적 성질을 측정하고, 그 측정결과를 표 3에 나타내었다.
또한 본 발명에서 이용하고 있는 B 첨가에 따라 상온 및 고온강도가 증가하는 원인을 분석하기 위하여 광학 현미경에 의해 발명재와 비교재의 기지 조직을 관찰하였는데, 그 결과를 도 1a 내지 도 1d에 나타내었다.
도 1a는 발명재1, 도 1b는 발명재2, 도 1c는 비교재4, 도 1d는 비교제9의 광학 현미경 조직을 나타낸다.
| 강 종 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Nb | V | B(ppm) | N(ppm) | Sol.Al | Ceq | |
| 발명강 | A | 0.096 | 0.30 | 1.00 | 0.010 | 0.003 | 0.35 | 0.34 | 0.024 | - | 16 | 35 | 0.033 | 0.43 |
| B | 0.099 | 0.30 | 1.00 | 0.011 | 0.003 | - | 0.36 | 0.023 | - | 11 | 47 | 0.028 | 0.37 | |
| C | 0.100 | 0.30 | 0.99 | 0.013 | 0.003 | 0.34 | 0.20 | 0.023 | - | 7 | 29 | 0.029 | 0.40 | |
| 비교강 | D | 0.080 | 0.39 | 1.16 | 0.015 | 0.009 | 0.31 | 0.36 | 0.030 | - | - | 48 | 0.030 | 0.44 |
| E | 0.099 | 0.30 | 1.00 | 0.014 | 0.004 | 0.37 | 0.33 | - | 0.060 | - | 40 | 0.031 | 0.44 | |
| F | 0.088 | 0.31 | 0.71 | 0.016 | 0.003 | 0.30 | 0.35 | 0.030 | 0.089 | - | 54 | 0.036 | 0.37 | |
| 종래강 | 0.15이하 | 0.55 이하 | 1.60 이하 | 0.030 이하 | 0.025 이하 | 0.70 이하 | 0.3-0.9 | - | - | - | - | - | - |
** 종래강 규격: 인장강도 50kgf/㎟ 급 내화강의 규격
** Ceq(탄소당량)=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 (%)
| 시편No | 강종 | 열간압연종료 온도(℃) | 냉각속도(℃/sec) | 열간압연후냉각방법 | 냉각종료온도(℃) | |
| 발명재 | 1 | A | 900 | - | 압연후공냉 | 상온 |
| 2 | B | 900 | - | " | 상온 | |
| 3 | C | 900 | - | " | 상온 | |
| 비교재 | 4 | D | 900 | - | " | 상온 |
| 5 | D | 800 | - | " | 상온 | |
| 6 | E | 800 | - | " | 상온 | |
| 7 | D | 890 | 8.0 | 압연후가속냉각 | 590 | |
| 8 | D | 800 | 7.4 | " | 580 | |
| 9 | F | 780 | 9.1 | 590 |
* 압연후 가속냉각: 열간압연후 냉각종료 온도까지 수냉하고, 그이후
상온까지 공냉하는 제조공정
표 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 B 첨가재에 대한 열간압연후 공냉으로 제조한 발명재1 내지 발명재3은 B를 첨가하지 않고 공냉으로 제조된 비교재4 내지 비교재6에 비해 상온에서 항복강도는 7㎏f/㎟ 이상, 인장강도는 11 ㎏f/㎟ 이상 높게 나타나고 있다. 600℃ 항복강도의 경우 10㎏f/㎟ 이상, 인장강도는 8㎏f/㎟ 이상 정도 발명재가 비교재인 종래 50㎏f/㎟급 내화강 보다 높게 나타나고 있다. 이와같은 비약적인 강도 상승에도 불구하고 발명재의 －5℃ 충격인성은 69.7 J 이상으로 내화강이 사용되는 인장강도 58㎏f/㎟급 건축용 강재의 규격(－5℃, 47.1 J 이상)을 크게 상회하고 있다.
B를 첨가하지 않은 기존 성분계 강을 가속냉각으로 제조한 비교재7 내지 비교재9의 경우에는 압연종료온도 800℃ 미만으로 2상역 압연을 했을 때만이 인장강도 58㎏f/㎟급 내화강의 규격을 만족시킬 정도이다. 이는 기존의 50㎏f/㎟ 급 강 성분계로 인장강도 58㎏f/㎟급 강재를 제조하기 위해서는 매우 엄격한 가속냉각을 적용해야 하는등 공정상 제약이 많음을 뜻하는 것으로, 본 발명 제조방법에 비해 비경제적임을 잘 보여주는 것이다.
B이 첨가된 발명재1 및 발명재2, 압연후 공냉으로 제조한 비교재4, 압연후 가속냉각으로 제조한 비교재9의 기지조직을 보여주는 도 1은 발명재와 비교재의 미세조직 특성을 잘 보여주고 있다.
도 1 로부터도 알 수 있는 바와같이, 기존 50㎏f/㎟급 강 성분계로 압연후 공냉 또는 가속냉각으로 제조한 비교재4와 비교재9는 페라이트 + 퍼얼라이트 +베이나이트 조직으로 구성되어 있어 페라이트 조직을 기반으로 하고 있는데 반하여, B이 첨가된 발명재1과 발명재2는 주로 베이나이트로 구성되어 있다. 이로부터 B이 첨가된 발명재는 기지조직이 베이나이트로 구성되므로 상온 및 고온강도가 기존 인장강도 50㎏f/㎟급 내화강에 비해 크게 증가했음을 잘 알 수 있다.
| 시편No. | 강종 | 상온강도 | 600℃강도 | -5℃충격인성(Joules) | ||||
| 항복강도(kgf/㎟) | 인장강도(kgf/㎟) | 연신율(%) | 항복강도(kgf/㎟) | 인장강도(kgf/㎟) | ||||
| 발명재 | 1 | A | 55.0 | 73.9 | 23.8 | 37.6 | 47.1 | 69.7 |
| 2 | B | 53.3 | 66.8 | 25.9 | 36.2 | 43.1 | 80.0 | |
| 3 | C | 50.8 | 67.8 | 27.6 | 33.6 | 38.6 | 118 | |
| 비교재 | 4 | D | 38.1 | 56.1 | 35.8 | 23.3 | 30.6 | 286.4 |
| 5 | D | 41.7 | 54.4 | 33.5 | 23.1 | 30.9 | 301.4 | |
| 6 | E | 37.9 | 50.9 | 39.9 | 22.0 | 32.7 | 297.7 | |
| 7 | D | 43.2 | 65.8 | 31.4 | 28.0 | 38.4 | 193.8 | |
| 8 | D | 41.1 | 64.6 | 31.7 | 28.3 | 35.3 | 196.8 | |
| 9 | F | 48.3 | 65.6 | 28.1 | 33.8 | 38.5 | 215.1 |
위의 실시예를 통해 볼 때, 본 발명의 경우 기존의 인장강도 50㎏f/㎟급 건축용 내화강(상온 항복강도 :33㎏f/㎟ 이상, 600℃ 항복강도:22㎏f/㎟ 이상) 성분계를 기반으로 하여 Nb와 B를 첨가함에 의해 소입-템퍼링 또는 가속냉각 공정을 적용하지 않고 열간압연후 공냉만으로도 인장강도 58㎏f/㎟급 내화강을 제조할 수 있는 것은, 공냉된 강재의 미세조직이 상온강도 및 고온강도 증가에 크게 유효한 베이나이트로 구성됨에 기인한 것임을 쉽게 추론할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 기존의 고온강도 특성이 우수한 인장강도 50㎏f/㎟급 건축용 내화강(상온 항복강도 :33㎏f/㎟ 이상, 600℃항복강도:22kgf/㎟ 이상) 성분계를 기본으로 하여 용접성을 해치지 않으면서 강의 소입성을 향상시켜 강도 향상에 크게 기여하는 B를 첨가한 강을 열간압연한 후 상온까지 공냉하여 제조함으로써 종래의 인장강도 50kgf/㎟급 건축용 내화강에 비해, 상온 항복강도 7kgf/㎟ 이상, 600℃ 항복강도 10kgf/㎟ 이상 높은 고강도, 고인성의 인장강도 58kgf/㎟급 건축구조용 내화강을 제조할 수 있어서, 고층빌딩 등의 구조물 제조 분야에 적절히 응용될 수 있고 일반강재에 비해 내화피복을 절감할 수 있다.
Claims (1)
- 중량%로, C: 0.05∼0.15%, Si: 0.55% 이하, Mn: 1.6% 이하, Cr: 0.70% 이하, Mo: 0.2∼0.9%, Nb: 0.01∼0.06%, B: 0.0005∼0.002%, P: 0.03% 이하, S: 0.025% 이하, Sol.Al: 0.01∼0.06%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물이 함유된 강 슬라브를 1150∼1300℃ 의 슬라브 가열온도에서 충분히 가열하고, Ar3온도(800℃) 이상의 오스테나이트 단상역에서 압연 종료후 상온까지 공냉하는 것을 특징으로 하는 고온강도 특성이 우수한 인장강도 58kgf/㎟급 건축용 강재의 제조방법.
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| KR10-1998-0062091A KR100370580B1 (ko) | 1998-12-30 | 1998-12-30 | 고온강도특성이우수한건축용내화강재의제조방법 |
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