KR20020049925A - 파이프 가공성이 우수한 미니밀 열연강판 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유체수송용 및 전선배관용 등의 강관용 소재로 이용되는 미니밀 열연강판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 강성분중 보론(Boron)을 첨가함으로써, 전기로-박슬라브연주-압연으로 구성되는 미니밀 공정에 의해 소재상태에서 인장강도가 28kg/㎟이상이고 연신율이 32% 이상인 재질특성을 만족함과 동시에 조관후 항복강도의 상승량이 7kg/㎟이내인 미니밀 열연강판, 및 그 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
전기로-박슬라브-압연으로 구성되는 미니밀 공정으로 제조되는 열연강판에 있어서,
중량%로, 탄소(C): 0.05%이하, 망간(Mn): 0.20~0.50%, 실리콘(Si): 0.05%이하, 인(P): 0.03% 이하, 황(S): 0.015% 이하, 산가용 알루미늄(Al): 0.001~0.10%, 질소(N): 0.008~0.015%, 보론(B): 0.0015~0.0040%를 함유하고, Cu, Ni, Cr , Mo, Sn, Sb 및 Zn으로 이루어지는 트램프 원소의 총함량이 0.25% 이하이며, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되고, 인장강도가 28kg/㎟ 이상이고 연신율이 32% 이상이면서 조관전후 항복강도의 상승량이 7kg/㎟ 이내인 것을 특징으로 하는 파이프 가공성이 우수한 미니밀 열연강판, 및 그 제조방법을 기술적 요지로 한다.
Description
본 발명은 유체수송용 및 전선배관용 등의 강관용 소재로 이용되는 미니밀 열연강판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기로-박슬라브연주-압연으로 구성되는 미니밀 공정에 의해 제조된 파이프제조시 벤딩성이 우수한 강관용 미니밀 열연강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
강관용 미니밀 열연강판은, 파이프 조관후 벤딩, 스트레칭, 확관 등의 가공용으로 사용되는데, 상기 열연강판의 제조시 재질을 결정하는 주요 제조인자는, 강의 성분, 열간압연후 압연출측의 온도 및 권취온도로 알려져 있다.
일반적인 미니밀 강관용 저탄소 열연강판은, 탄소함량 0.05중량% 이하, 망간(Mn)함량 0.20~0.50%, 실리콘(Si) 0.03% 이하, 인(P) 0.03% 이하, 황(S) 0.015%이하, 산가용 알루미늄(soluble Al) 0.01~0.15%, 질소(N) 0.015% 이하를 기본으로 하고 스크랩중 구리(Cu), 니켈(Ni),크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 주석(Sn), 안티몬(Sb), 아연(Zn)등의 트램프원소의 총량이 0.25% 이하의 성분으로 제조되고 있는데, 이들 화학성분 중 특히 파이프가공성을 부여하기 위한 특성으로서 조관전후의 항복강도 변화량이 7kg/㎟이내인 소재를 제조하기 위해서는, 산가용 알루미늄(soluble Al)의 양을 0.10~0.15중량%로 함과 동시에 강중 질소의 양을 0.008~0.015% 범위로 제한해야 있다. 즉, 알루미늄과 질소의 양을 제한하고 있는 중요한 원인은, 알루미늄이 강중 질소를 AlN의 형태로서 고정함으로써, 강중 고용질소의 양을 감소시키기 때문이다. 그러나, 상기한 바와 같이, 산가용 알루미늄(Al)의 함량이 0.10% 이상인 경우에는, 강중 개재물량이 증가하여 벤딩시 균열형성의 장소로 작용할 가능성이 높고, 또한 용접시 용접부에서의 개재물성 용접결함을 유발할 수 있는 문제가 있다.
따라서, 알루미늄의 이외의 합금원소를 이용하여 강중의 고용질소를 감소시키는 방안이 필요하게 되었다. 즉, 강중 고용질소(N)의 함량은, 파이프 조관전후의 항복강도 거동에 큰 영향을 미치는데, 특히 강중 고용질소(N)가 파이프 조관시에 부여되는 변형량(t/D,%)에 의해 재료내부에 가공경화를 유발시키기 때문이다. 또한, 파이프 조관후 항복강도의 상승량이 7kg/㎟ 을 넘으면, 가공경화량으로 인해 벤딩시 벤딩굴곡부에 균열의 발생 가능성이 크기 때문에, 상기한 파이프 조관전후 항복강도의 상승량을 제한할 필요가 있다.
이에, 본 발명의 발명자는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구 및실험을 행하고 그 결과에 근거하여 제안된 것으로, 본 발명은 강성분중 보론(Boron)을 첨가함으로써, 전기로-박슬라브연주-압연으로 구성되는 미니밀 공정에 의해 소재상태에서 인장강도가 28kg/㎟이상이고 연신율이 32% 이상인 재질특성을 만족함과 동시에 조관후 항복강도의 상승량이 7kg/㎟이내인 미니밀 열연강판을 제공하는 것을 그 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 상기한 미니밀 열연강판을 제조하는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
전기로-박슬라브-압연으로 구성되는 미니밀 공정으로 제조되는 열연강판에 있어서,
중량%로, 탄소(C): 0.05%이하, 망간(Mn): 0.20~0.50%, 실리콘(Si): 0.05%이하, 인(P): 0.03% 이하, 황(S): 0.015% 이하, 산가용 알루미늄(Al): 0.001~0.10%, 질소(N): 0.008~0.015%, 보론(B): 0.0015~0.0040%를 함유하고, Cu, Ni, Cr , Mo, Sn, Sb 및 Zn으로 이루어지는 트램프 원소의 총함량이 0.25% 이하이며, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되고, 인장강도가 28kg/㎟ 이상이고 연신율이 32% 이상이면서 조관전후 항복강도의 상승량이 7kg/㎟ 이내인 것을 특징으로 하는 파이프 가공성이 우수한 미니밀 열연강판에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 전기로-박슬라브-압연으로 구성되는 미니밀 공정으로 열연강판을 제조하는 방법에 있어서,
중량%로, 탄소(C): 0.05%이하, 망간(Mn): 0.20~0.50%, 실리콘(Si): 0.05%이하, 인(P): 0.03% 이하, 황(S): 0.015% 이하, 산가용 알루미늄(Al): 0.001~0.10%, 질소(N): 0.008~0.015%, 보론(B): 0.0015~0.0040%를 함유하고, Cu, Ni, Cr, Mo, Sn, Sb 및 Zn으로 이루어지는 트램프 원소의 총함량이 0.25% 이하이며, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 알루미늄 킬드강을 박슬래브로 연주한 다음 860℃ 이상에서 마무리압연하여 두께가 3.0mm 이하인 열연강판으로 만든 후 550~700℃의 온도범위에서 권취하는 것을 특징으로 하는 파이프 가공성이 우수한 미니밀 열연강판의 제조방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 설명한다.
저탄소강의 인장곡선에서는 탄성변형이 증가하다가 갑자기 떨어져 대략 일정한 응력에서 움직이다가 다시 증가하는데, 갑자기 떨어질 때의 응력을 상부항복점이라하고 일정할 때의 응력을 하부항복점이라 한다. 일정한 응력에서의 연신율을 항복점 연신율이라 한다. 항복점 연신율에서 일어나는 변형은 균일하다. 상부항복점에서는 변형된 금속의 불연속 띠가 응력집중부에서 나타나며 이띠의 형성과 동시에 응력이 하부항복점으로 떨어진다. 이 띠는 시편의 길이에 따라 전파하며 항복점연신이 일어난다. 여러 개의 띠가 여러 개의 응력집중점에서 형성되며 인장축과 약 45도를 이루는 것이 보통이다. 이러한 항복점 현상은 저탄소강 뿐만 아니라 기타의비철금속에서도 관찰되는 것으로서 저탄소강을 예를 들면 탄소와 질소를 완전히 제거하면 항복점이 나타나지 않는다. 그러나 시효현상에 의해 곧바로 이러한 항복점 현상이 다시 나타나기 때문에 탄소와 질소를 강중에서 어떠한 형태로 묶을 필요가 있다. 항복점 현상을 방지하는 것은 시효에 의한 가공경화량을 최소화 하는 것으로 파이프의 가공성을 향상시키기 위해서는 필수적인 항목이다.
항복점현상을 설명하는 것으로서 재료가 시험에 의해 부과되는 변형속도와 전위이동과의 사이에는 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다.
또한, 전위밀도는 변형에 따라 증가하기 때문에 다음과 같이 표현된다.
여기서 τn은 단위속도에 대응하는 분해 전단응력이다. 원래 전위밀도가 작은 재료에서는 bψυ' 부과된 변형속도에 부응할 수 있는 유일한 방법은 υ'가 커지는 것이다. 그러나 2식에 의하면 이것은 높은 응력에서만 이루어질 수 있다. 그러나 일단 약간의 전위가 이동하기 시작하면 이것들이 증식되기 시작하고 전위밀도ψ가 급속히 증가한다. 이 때문에 약간의 가공경화가 일어나지만 υ'의 감소로 전위를 이동시키는 데 필요한 응력의 감소에 비하면 가공경화정도는 훨씬 작다 그러므로 항복이 시작하기만 하면 시편을 변형시키는데 필요한 응력이 감소하여 항복강하가 일어난다. 철의 경우에는 전위밀도가 적어도 106㎠ 이상이기 때문에 미세한 탄화물이나 질화물이 전위선을 따라 석출함으로서 이러한 항복점 현상을 억제시키기 위해서는 강중에 존재하는 탄소 및 질소등의 침입형원소의 농도를 감소시켜야 한다.
즉, 항복점현상의 존재는 파이프 조관후 가공시 나타나는 재료의 가공경화와 밀접한 관계가 있기 때문에 초기 재료의 항복점 현상을 없앤다는 관점은 재료의 가공시 가공경화량을 최소화 할 수 있다는 것과 일치되는 것이다. 일반적으로 질소가 탄소보다 철의 변형시효에 더 중요한 역할을 하는데 그 이유는 질소의 용해도와 확산계수가 탄소의 경우보다 더 크고 서냉하는 동안 석출이 덜 일어나기 때문이다.
심가공용강에서 변형시효를 제거하는 것은 중요한데 그 이유는 항복점현상이 시효에 의해 다시 일어나면 국한된 불균일 변형이 일어나 균열형성의 요소로 작용하기 때문이다. 이러한 변형시효 및 항복점 현상을 제거하기 위해서는 강중에 고용되어 있는 탄소나 질소를 안정한 탄화물이나 질화물로 만들어 그 고용된 양을 줄이는 것이 바람직하다. 이러한 목적으로 주로 사용되는 것이 알루미늄, 바나듐, 티타늄, 보론(B)등의 합금원소를 첨가하는 방법을 사용한다.
이에, 본 발명에서는 전기로-박슬라브연주-압연으로 구성되는 미니밀 공정에서 인장강도 28kg/㎟ 이상 및 연신율 32% 이상의 재질특성을 만족함과 동시에 조관후 항복강도의 상승량이 7kg/㎟이내인 재질특성을 만족시키기 위하여, 산가용 알루미늄 대신 보론(Boron)의 성분을 이용한 것이다.
이하, 본 발명의 강성분 및 제조공정에 대하여 설명한다.
탄소(C)는 강도확보를 위해 첨가되는 원소로서, 과잉 첨가되면 강도확보에는 문제가 없으나 연신율 확보에 어려움이 있고 또한 변형시효에 의한 항복점현상을 일으키기 때문에, 그 함량의 상한치를 0.05%로 한정하는 것이 바람직하다.
망간(Mn)은 MnS 개재물에 의해 발생되는 결함인 에지크랙(Edge crack)의 발생을 방지하는 역할을 하는 원소로서, 상기한 작용효과를 얻기 위해서는 0.2% 이상 첨가되어야 한다. 한편, 상기 망간의 함량은, 황과의 함량비(Mn/S비)를 고려하여 그 함량을 설정하는 것이 바람직한데, 과잉 첨가되면 강도상승량이 규제치를 넘고 합금첨가 비용이 상승하는 비경제적인 결과를 초래하게 되므로, 0.5%이하로 첨가하는 것이 바람직하다.
실리콘(Si)은 스케일 결함을 조장하고 강관을 도금하여 백관으로 제조하는 경우 도금밀착성을 떨어뜨리는 원소이지만, 미니밀 공정의 경우는 상대적으로 실리콘의 제거에 난점이 있고, 또한 강관의 도금시 0.05% Si함량까지는 도금성을 크게 저해하지 않기 때문에, 그 함량을 0.05%이하로 제한하는 것이 바람직하다.
인(P)은 편석경향이 강한 원소로서, 고로밀의 경우 그 양을 0.02% 이하로 제한하고 있으나, 미니밀 공정은 주조속도가 빠르기 때문에 고로밀 대비 주편에서의 편석경향이 훨씬 적은 것으로 알려져 있으며, 또한 강중 P의 제거는 비용상승을 초래하므로, 그 함량을 0.03% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
황(S)은 에지크랙 결함을 발생시키는 경향을 지닌 원소로서, Mn/S비가 30이하인 경우는 에지크랙 문제 뿐만 아니라 용접시 고온균열을 발생시킬 소지가 큰 원소로서 기존밀에서는 통상 0.02%이하로 규정되어 있으나, 미니밀 공정에서는 공정특성상 더욱 엄격히 관리해야 하며, 또한 Mn투입량 절감 측면에서도 S가 적을수록 유리하므로, 그 함량을 0.015% 이하로 규정하는 것이 바람직하다.
산가용 알루미늄(Al)은, 강중 존재하는 질소(N)을 AlN형태로서 석출시켜 고용질소(N)의 양을 감소시키는 역할을 하는 원소로서, 조관전후의 항복강도 상승량을 7kg/㎟이내로 제어하기 위해 종래에는 그 함량을 0.1% 이상으로 하였으나, 이와 같이 하면 개재물량이 증가하고 용접시 문제가 되기 때문에, 본 발명에서는 그 함량의 상한을 0.10%로 규정하였다. 그러나, 그 함량이 0.01% 미만이면 강중 용존산소가 증대하는 문제가 발생하기 때문에, 상기 Al은 0.01~0.1%로 첨가하는 것이 바람직하다.
질소(N)는 파이프 조관전후의 항복강도 거동에 큰 영향을 미치는 원소로서, 특히 파이프 조관시에 부여되는 변형량(t/D,%)에 의해 재료내부에 가공경화를 유발시키기 때문에, 그 함량을 0.015% 이하로 관리하는 것이 바람직하다. 그러나, 미니밀 공정특성상 강중질소의 양을 80ppm이하로 보증하기에는 경제적인 문제점이 대두되기 때문에, 본 발명에서는 강중 질소의 함량을 0.008~0.015%로 제한하는 것이 바람직하다.
보론(B)은 본 발명의 특징적인 원소로서, 입계에 편석하여 입계강도를 상승시키는 역할을 한다. 통상적으로는 강중 20ppm 이하로 관리되지만, 본 발명에서는 15~40ppm으로 첨가하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 상기 보론의 함량이 15ppm 미만이면 보론이 BN석출물로 석출함으로써 질소를 고정시키는 역할을 충분히 해내지 못하기 때문이며, 또한 40ppm이상 첨가되면 BN 석출물로 되어 질소(N)를 고정하는 것에는 유리하나 보론(B)이 과다하게 사용되면 경제적이지 못하기 때문에 바람직하지 않다.
특히, 본 발명에서는, 상기한 보론(B)을 이용해 강중 질소(N)을 BN의 석출물 형태로 석출시킴으로써, 강중에 존재하는 고용질소의 양을 감소시키고, 이에 따라 조관전후의 가공경화량을 최소화 한 것이다. 이와 같이 하면, 응력-변형시 형성되는 응력-변형선도을 크게 달리함으로써, 항복점 현상을 억제시킬 수 있게 된다.
한편, 스크랩으로부터 유입되는 강중 트렘프원소는, Cu, Ni, Cr, Mo, Sn, Sb및 Zn로 이루어지는데, 그 함량이 많으면 가공성 등의 제품품질이 저하되므로, 상기 트램프원소 전체의 함량을 0.25%로 한정하는 것이 바람직하다. 특히, 상기 트램프원소중 Cu, Sn, Sb의 경우에는 주편의 표면결함을 발생시키는 경향이 강한 원소이기 때문에, 그 함량을 각각 Cu 0.2% 이하, Sn 0.05%이하, Sb 0.05% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 조성되는 강을 본 발명의 미니밀 공정에 따라 열연강판으로 제조하는데, 이때는 통상의 방법을 이용할 수 있다. 즉, 먼저 상기 알루미늄 킬드강을 연속주조하여 박슬라브로 만든 다음, 860℃ 이상의 온도에서 마무리압연하고 550~700℃ 범위에서 열연권취하는 것이 바람직하다.
이와 같이 하여 제조된 열연강판은, 두께가 3mm 이하인 미니밀 열연강판으로서, 인장강도가 28kg/㎟이면서 연신율이 32% 이상이고, 또한 조관전후 항복강도의 상승량이 7kg/m㎟ 이내로 되어, 우수한 파이프 가공성을 나타내는 것이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.
(실시예)
하기 표1과 같이 조성되는 강을 미니밀 공정을 이용해 열연강판으로 제조하였다. 즉, 알루미늄 킬드강을 연속주조하여 박슬라브로 만든 후 860도 이상에서 마무리압연을 종료한 후, 550~700℃ 사이에서 권취한 다음 열연판으로 제조하였다. 이 때, 제조된 열연판의 두께는 모두 3mm였다.
그 후, 각각의 열연판에 대한 인장강도, 항복강도 및 연신율을 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
한편, 조관전후의 항복강도의 상승량을 알아보기 위하여, 상기에서 제조된 열연강판을 조과한 다음, 항복강도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
| 구분 | 강성분(중량%) | ||||||||
| C | Mn | Si | P | S | Sol.Al | N | B | Tramp. | |
| 비교예1 | 0.043 | 0.30 | 0.042 | 0.016 | 0.005 | 0.08 | 0.009 | － | 0.19 |
| 비교예2 | 0.045 | 0.31 | 0.041 | 0.015 | 0.005 | 0.09 | 0.011 | － | 0.19 |
| 비교예3 | 0.044 | 0.32 | 0.049 | 0.014 | 0.006 | 0.10 | 0.010 | － | 0.20 |
| 발명예1 | 0.046 | 0.28 | 0.032 | 0.017 | 0.005 | 0.09 | 0.011 | 0.0015 | 0.18 |
| 발명예2 | 0.043 | 0.30 | 0.030 | 0.015 | 0.004 | 0.09 | 0.011 | 0.0023 | 0.19 |
| 발명예3 | 0.045 | 0.32 | 0.030 | 0.016 | 0.006 | 0.08 | 0.009 | 0.0030 | 0.17 |
| 발명예4 | 0.040 | 0.30 | 0.028 | 0.015 | 0.004 | 0.08 | 0.011 | 0.0035 | 0.20 |
| 발명예5 | 0.041 | 0.29 | 0.032 | 0.014 | 0.005 | 0.09 | 0.010 | 0.0039 | 0.19 |
| 구분 | 인장성질(조관전) | 인장성질(조관후) | ΔYP | ||||
| 인장강도(kg/㎟) | 항복강도(kg/㎟) | 연신율(%) | 인장강도(kg/㎟) | 항복강도(kg/㎟) | 연신율(%) | ||
| 비교예1 | 39.0 | 30.5 | 39.0 | 46.0 | 43.5 | 31.8 | 13.0 |
| 비교예2 | 40.3 | 31.7 | 38.0 | 45.5 | 44.0 | 32.2 | 12.3 |
| 비교예3 | 41.0 | 31.1 | 39.0 | 46.0 | 41.0 | 33.5 | 9.90 |
| 발명예1 | 38.0 | 28.3 | 40.0 | 44.0 | 35.3 | 33.0 | 7.00 |
| 발명예2 | 37.5 | 28.8 | 40.3 | 43.5 | 34.5 | 35.4 | 6.60 |
| 발명예3 | 37.2 | 28.5 | 41.0 | 43.2 | 34.2 | 35.0 | 5.70 |
| 발명예4 | 36.0 | 28.0 | 40.7 | 44.4 | 37.0 | 34.4 | 6.40 |
| 발명예5 | 35.2 | 27.8 | 42.1 | 44.0 | 37.5 | 33.7 | 5.90 |
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 강 성분중 보론(B)이 첨가된 본 발명예(1)~(5)의 경우에는, 조관전후의 항복강도 차이(ΔYP=조관후 항복강도-조관전 항복강도)가 모두 7kg/㎟ 이내임을 알 수 있다. 즉, 본 발명예(1)~(5)의 경우에는, 강 성분계에 보론(B)이 첨가되어, 강중질소(N)을 BN의 형태로 석출시킴으로써, 강중에 존재하는 고용질소(N)의 양을 감소시킨 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의하면, 미니밀특성을 이용하여 제조된 열연강판에서 조관전후의 가공경화량이 최소하되기 때문에, 파이프제조업체에서는 조관시 파이프 직진도를 개선시켜 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있는 것이다.
또한, 예를 들어, 90도 벤딩 등의 가혹한 가공성이 요구되는 전선관용과 같이, 파이프 상태에서 2차가공모드인 굽힘성이 요구되는 제품으로도 적용할 수 있는 효과가 있는 것이다.
Claims (3)
- 전기로-박슬라브-압연으로 구성되는 미니밀 공정으로 제조되는 열연강판에 있어서,중량%로, 탄소(C): 0.05%이하, 망간(Mn): 0.20~0.50%, 실리콘(Si): 0.05%이하, 인(P): 0.03% 이하, 황(S): 0.015% 이하, 산가용 알루미늄(Al): 0.001~0.10%, 질소(N):0.008~0.015%, 보론(B): 0.0015~0.0040%를 함유하고, Cu, Ni, Cr , Mo, Sn, Sb 및 Zn으로 이루어지는 트램프 원소의 총함량이 0.25% 이하이며, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되고, 인장강도가 28kg/㎟ 이상이고 연신율이 32% 이상이면서 조관전후 항복강도의 상승량이 7kg/㎟ 이내인 것을 특징으로 하는 파이프 가공성이 우수한 미니밀 열연강판
- 제 1항에 있어서, 상기 트램프원소 중 구리(Cu)의 함량은 0.20중량%이하이고 주석(Sn)과 안티몬(Sb)의 함량은 각각 0.05중량% 이하인 것을 특징으로 하는 파이프 가공성이 우수한 미니밀 열연강판
- 전기로-박슬라브-압연으로 구성되는 미니밀 공정으로 열연강판을 제조하는 방법에 있어서,중량%로, 탄소(C): 0.05%이하, 망간(Mn): 0.20~0.50%, 실리콘(Si): 0.05%이하, 인(P): 0.03% 이하, 황(S): 0.015% 이하, 산가용 알루미늄(Al): 0.001~0.10%,질소(N): 0.008~0.015%, 보론(B): 0.0015~0.0040%를 함유하고, Cu, Ni, Cr, Mo, Sn, Sb 및 Zn으로 이루어지는 트램프 원소의 총함량이 0.25% 이하이며, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 알루미늄 킬드강을 박슬래브로 연주한 다음 860℃ 이상에서 마무리압연하여 두께가 3.0mm 이하인 열연강판으로 만든 후 550~700℃의 온도범위에서 권취하는 것을 특징으로 하는 파이프 가공성이 우수한 미니밀 열연강판의 제조방법
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