KR20020050449A

KR20020050449A - ＴＭＣＰ형 ＹＰ 350ＭＰａ급 해양구조용강의 제조방법

Info

Publication number: KR20020050449A
Application number: KR1020000079598A
Authority: KR
Inventors: 우국제
Original assignee: 이구택; 주식회사 포스코
Priority date: 2000-12-21
Filing date: 2000-12-21
Publication date: 2002-06-27

Abstract

본 발명은 유전개발용 해양구조물의 프로세스 데크(Process Deck, Platform) 등에 사용되는 TMCP형 YP 350MPa급 해양구조용강의 제조방법에 관한 것으로, 강성분을 제어하고 열간압연 및 이후 냉각조건을 최적화함으로써, 우수한 중심부 저온인성 및 용접성을 제공할 수 있는 YP 350MPa급 TMCP형 해양구조용 강을 제조하는 방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

중량%로, C: 0.07~0.09%, Si:0.20~0.50%, Mn:1.40~1.50%, P:0.012% 이하, S:0.005% 이하, Al:0.020~0.050%, Nb:0.005~0.015%, Cu:0.2~0.3%, Ni:0.2~0.3%, Ti:0.007~0.017%, N: 50ppm이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 용강을 취련한 다음 1.0~1.3Kg/용강-ton의 Ca-Si을 투입하여 구상화처리하고, 진공설비에서 20~25분 환류하여 탈가스처리한 다음, 0.85~0.95M/분의 속도로 연속주조하여 강 슬라브를 제조한 후, 1050~1150℃의 온도로 재가열하고 잔압하율이 45%이 되도록 780~850℃에서 1차 사상압연을 완료한 다음 690~770℃에서 2차 사상압연을 완료하고, 470~570℃의 온도범위까지 5~7℃/sec의 속도로 냉각한 후 공냉하는 것을 포함하여 이루어지는 TMCP형 YP 350MPa급 해양구조용강의 제조방법을, 그 기술적 요지로 한다.

Description

ＴＭＣＰ형 ＹＰ 350ＭＰａ급 해양구조용강의 제조방법{A METHOD FOR MANUFACTURING ＴＭＣＰ TYPE ＹＰ 350ＭＰａ GRADE STEEL FOR OCEAN STRUCTUREING}

본 발명은 유전개발용 해양구조물의 프로세스 데크(Process Deck, Platform) 등에 사용되는 TMCP형 YP 350MPa급 해양구조용강의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용접성 및 중심부 저온인성이 우수한 TMCP형 YP 350MPa급 해양구조용 극후강판의 제조방법에 관한 것이다.

국제원유가 상승에 따른 국내조선사의 석유시추용 해양구조물 수주증가로 인하여, 해양구조용강의 공급요청이 증가하고 있는데, 이러한 석유시추용 해양구조물에서는, 석유시추환경 및 가혹한 기후조건에 견딜 수 있는 안정성 및 용접성이 동시에 요구된다. 따라서, 최근 해양구조용강에 있어서, 기존의 소준열처리(Normalizing)형 강재대비 저Ceq(탄소당량지수), 저Pcm(용접균열 민감성지수)화가 가능한 TMCP형 해양구조용 강재의 개발이 필요하게 되었다.

이에, YP 350MPa급 해양구조용강재가 이미 개발된 바 있다. 상기한 강재는, 중량%로, C:0.13~0.16%, Si:0.3~0.4%, Mn:1.40~1.50%, P:0.025%이하, S:0.005%이하, Cu:0.2~0.3%, Ni:0.1~0.2%, Nb:0.02~0.04%, Al:0.02~0.05%, N:70ppm이하 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 함유한 강 슬라브를 1150~1250℃로 재가열한 후 일반압엽한 다음, 890℃ 전후로 소준열처리(Normalizing)하는 통상의 방법에 따라 제조된다. 그러나, 이와 같은 소준열처리(Normalizing)형 해양구조용강의 경우, 열처리후 강도하락 및 인성향상을 위해 다량의 합급원소가 첨가되기 때문에, 용접시 Ceq, Pcm가 증가하게 되며, 이에 따라, 용접후 균열 등의 결함이 유발된다. 이를 방지하기 위해서는, 용접전 강재의 예열처리가 필수적으로 선행되어야 하는데, 입열량 제한 등 사용상의 제약사항이 발생하는 문제가 있다.

따라서, 용접성을 획기적으로 개선한 TMCP형 강재의 제조기술이 필요하게 되었다.

이에, 본 발명의 발명자는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구 및 실험을 행하고 그 결과에 근거하여 제안된 것으로, 본 발명은 강성분을 제어하고 열간압연 및 이후 냉각조건을 최적화함으로써, 우수한 중심부 저온인성 및 용접성을 제공할 수 있는 YP 350MPa급 TMCP형 해양구조용 강을 제조하는 방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

중량%로, C: 0.07~0.09%, Si:0.20~0.50%, Mn:1.40~1.50%, P:0.012% 이하, S:0.005% 이하, Al:0.020~0.050%, Nb:0.005~0.015%, Cu:0.2~0.3%, Ni:0.2~0.3%, Ti:0.007~0.017%, N: 50ppm이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 용강을 취련한 다음 1.0~1.3Kg/용강-ton의 Ca-Si을 투입하여 구상화처리하고, 진공설비에서 20~25분 환류하여 탈가스처리한 다음, 0.85~0.95M/분의 속도로 연속주조하여 강 슬라브를 제조한 후, 1050~1150℃의 온도로 재가열하고 잔압하율이 45%이 되도록 780~850℃에서 1차 사상압연을 완료한 다음 690~770℃에서 2차 사상압연을 완료하고, 470~570℃의 온도범위까지 5~7℃/sec의 속도로 냉각한 후 공냉하는 것을 포함하여 이루어지는 TMCP형 YP 350MPa급 해양구조용강의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

먼저, 본 발명의 강 성분 및 수치설정 이유에 대하여 설명한다.

탄소[C]는 강의 강도를 확보하기 위해 첨가되는 원소로서, 후판압연중 강의 조직내에서 퍼얼라이트(Pearlite) 분율을 증가시켜 강도를 증가시킨다. 그러나, 과잉 첨가되면 모재의 냉각종료후 또는 용접부의 냉각후 발생하는 침상형 마르텐사이트(Lath Martensite), 상부베이나이트(Upper Bainite), 세멘타이트(Cementite) 등의 경화조직을 형성하여, 모재 및 용접부 인성을 열화시키므로, 압연후 가속냉각(TMCP) 제조방법을 적용하는 본 발명에서는, 그 함량범위를 0.07~0.09%로 설정하는 것이 바람직하다.

규소[Si]은 탄화물을 형성하여 페라이트(Ferrite)상에 고용해서 경도, 탄성한계, 및 인장강도를 높이는 역할을 하는 원소로서, 그 함량이 0.50% 이상인 경우에는 페라이트 분율감소 및 비금속개재물(Nonmetallic Inclusion) 과다 형성으로 인성이 저하되고 소성가공성도 악화되므로 상한은 0.50%로 설정하는 것이 바람직하다. 그러나, 용접후 조직열화에 의한 인장강도감소를 보상하기 위해서는, 0.20% 이상을 함유해야 하므로, Si 함량은 0.20~0.50%로 한다.

망간[Mn]은 강중에 탄화물(Mn₃C)을 형성해 결정립성장을 억제하여 조직을 미세화하는 원소이다. 또한, 오스테나이트역을 확대시키는 원소로서, Ar₃온도를 강화하여 제어압연의 영역을 확대시킴으로써, 압연에 의한 입자미세화를 도와 인성 및 강도의 향상에 기여한다. 그러나, 본 TMCP형 YP 350MPa급 해양구조용강의 경우 1.40%미만 첨가되면, 2상(페라이트+펄라이트) 형성이 부족하여 강도향상에 기여하지 못하게 되며, 1.5%이상 과량첨가시 오히려 강중 S 등과 결합해 MnS 등의 개재물을 형성하여 용접부 충격인성 및 내부품질을 열화시키므로, 1.40~1.50%로 첨가하는 것이 바람직하다.

인[P]은 강중에 Fe₃P를 형성하여 충격저항을 감소시키고, 이로 인한 상온 및 저온취성을 유발하여 충격인성을 해치는 원소이다. 또한, 고온에서도 쉽게 확산되지 않아 압연시 형성된 밴드구조(BAND STRUCTURE)가 길이방향으로 연신되어 내부품질을 열화시키는데, 특히, 북해 등 한냉지에 적합한 저온인성을 확보하기 위해서는, 그 함량을 0.012% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

황(S)은 강중에서 MnS, Fe₃P 등의 개재물에 의한 편석대를 형성해 강재를 취화시키고, 저온인성 및 용접성을 저하시키므로, 그 함량을 0.005%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

알루미늄(Al)은 강탈산제로서, AlN을 석출하여 결정립미세화 효과를 나타낸다. 그러나, 과잉첨가되면 수지상의 탄화물을 형성하여 강을 취약하게 만들고, 연주 슬라브의 표면크랙을 발생시키며 충격인성을 저해하므로, 0.020~0.050%로 첨가하는 것이 바람직하다.

니오븀(Nb)은 0.005% 이상 첨가하면 압연시 입계에 편석된 Nb(C,N)석출물이 결정립 성장을 억제하여 결정립미세화에 의한 강도를 확보하는 역할을 한다. 그러나, 과잉 첨가되면 용접부 충격인성을 저해하므로, 그 함량의 상한은 0.015%로 제한하는 것이 바람직하다.

구리(Cu)는 0.20% 이상 첨가되면, 고용강화효과를 나타내어 강의 강도, 경도 및 내식성을 증가시킨다. 그러나, 과잉첨가되면 열간가공시 Fe보다 산화속도가 낮아 표면에 산재후 내부로 침투하여 적열취성을 일으키므로, 그 함량의 상한은 0.30% 로 제한하는 것이 바람직하다.

니켈(Ni)은 강의 조직을 미세화시키고 오스테나이트(Austenite) 또는 페라이트(Ferrite)와 고용되어 기지를 강화시키며, 특히, 저온에서 인성을 향상시켜 저온취성을 방지하는 유효한 성분이다. 이와 같은 작용효과를 얻기 위해서는, 0.20% 이상 첨가하는 것이 바람직하지만, 과잉 첨가되면 적열취성을 유발하므로, 그 함량의 상한은 0.30%로 제한하는 것이 바람직하다.

티타늄(Ti)은 강의 응고과정에서 미세한 탄화물 및 질화물을 형성해 오스테나이트의 결정립성장을 억제하여, 페라이트의 미세화에 기여하는 원소이다. 그러나, 강중 함량이 높아지면, 질화물(TiN) 석출입자의 조대화 및 질화물에 비하여 조대하게 석출되는 탄화물(TiC)의 석출로 오스테나이트의 결정립성장을 억제하기 어렵고 입계에 석출된 TiC로 인해 지나친 조직의 취화가 발생하게 되므로, 그 함량의 상한은 0.017%로 제한하는 것이 바람직하다. 또한, 소량 첨가시 TiN의 석출이 어렵기 때문에, 최소 0.007%는 첨가하는 것이 바람직하다.

질소(N)는 강중에서 개재물을 발생시켜 강의 내부품질 및 용접시 가공성을 저해하므로 극저관리가 유리하나, 현 공정상 관리비용이 과다하고, 관리의 어려움이 따르므로, 50ppm이하로 관리하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 조성된 용강은 탈린을 위해 탈린로에서 취련한 다음 구상화처리가 실시된다. 즉, 용강중 생석회(CaO)를 투입하여 염기도(CaO/SiO₂)를 적정치로 한 다음 불활성가스(아르곤:Ar)을 취입하여 교반하면 용강중 황은 대부분 분리부상된다. 그러나, 일부 잔류하는 S은 MnS 개재물을 형성하여 열간압연시 압연방향으로 길게 연신되어 저온시 충격인성을 열화시킨다. 이를 방지하기 위해, MnS개재물을 구상화시키는데, 이 때, Ca계 구상화제인 Ca-Si를 1.0~1.3Kg/용강-ton을 투입하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 상기 Ca-Si의 투입량이 1.0Kg/용강-ton 미만인 경우에는 효과가 없고, 1.3Kg/용강-ton이상인 경우에는 오히려 산화물계 개재물의 양이 증가되기 때문이다.

상기 구상화된 용강을 통상의 진공설비에서 20~25분 환류시킨 다음, 연속주조법을 이용해 강 슬라브를 만드는데, 이때 주조속도는 중심편석을 최대로 저감하기 위해 0.85~0.95M/분으로 설정하는 것이 바람직하다. 그 이유는 상기 강 슬라브 주조시 주조속도가 0.85M/분 미만인 경우에는 연속주조시 설비사양상 제어가 불가능하고, 0.95M/분 이상인 경우에는 슬라브중심부 편석증가로 인한 내부품질불량이증가하기 때문이다.

다음, 상기에서 제조된 강 슬라브를 다단적치하여 상온까지 공냉시킨 다음, TMCP법을 통해 해양구조용 강으로 제조하는데, 이하에서는 제조공정에 대하여 상세히 설명한다.

통상, 열처리재의 경우는, 상기 강 슬라브를 압연 한 다음 재결정온도이상인 약 900℃까지 재가열하여 강중에 탄질화물을 석출시켜 냉각후 페라이트(Ferrite)의 입자 미세화를 통하여 강도를 확보하므로, 압연전 재가열온도를 통상 1250℃정도의 고온으로 설정해야 한다. 그러나, 본 발명에서는, 압연후 추가 열처리가 실시되지 않으므로, 상기 재가열온도를 1050~1150℃의 범위로 설정할 수 있다. 그러나, 상기 재가열온도가 1050℃ 미만인 경우에는 슬라브가 재결정화 되기에 불충분하고, 1150℃ 이상인 경우에는 압연중 온도제어를 위한 압연대기시간과다로 생산성이

감소되므로 바람직하지 못하다.

상기 재가열된 슬라브를 추출한 후 조압연한 다음 사상압연하는데, 본 발명에서는 상기 사상압연을 제어하는 데 특징이 있다. 즉, 본 발명에서는 사상압연이 2단계로 이루어지는데, 먼저 1차 사상압연은, 이후 2차 사상압연을 미재결정역내에서 실시하기 위하여, 잔압하율이 40~50%로 되도록 780~850℃에서 종료한다. 상기 1차 사상압연종료온도가 780~850℃의 범위를 벗어날 경우 2차압연후 압연종료목표온도확보가 불가능하기 때문이다.

이후, 2차 사상압연은, 재결정 정지온도보다 40~70℃ 낮은 온도인, 690~770℃에서 마무리하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 상기 2차 사상압연을 종료하는 온도가 690℃ 미만인 경우에는 경화조직과다에 의한 인성저하가 발생하고, 770℃ 이상인 경우에는 항복강도저하가 발생하기 때문이다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 압연조건을 적용하면, 압연후 재결정을 일으키지 않고, 오스테나이트가 냉간가공적으로 변형해서 오스테나이트 결정립내 변형대가 형성되며, 그로 인해 결정립내에 페라이트 핵생성 싸이트를 다량 발생시켜 압연종료후 미세한 조직을 얻게 된다.

상기 제어압연이 종료되면, 압연후 결정립성장을 방지하고 잔류 오스테나이트를 베이나이트로 변태시켜 고강도를 얻기 위해, 470~570℃의 온도범위까지 5~7℃/sec의 속도로 가속냉각시킨다. 여기서, 상기 가속냉각을 적용하는 온도범위를 470~570℃로 설정한 이유는, 상기온도범위이상일 경우에는 요구 인장강도(Trnsile Strength)를 확보하기 어렵기 때문이다. 또한, 상기 냉각속도가 7℃/sec 보다 빠르면 베이나이트 분율이 증가하여 강도상승효과에 기여하나 저온충격인성이 열화되고, 5℃/sec보다 느리면 결정립성장이 촉진되어 강도가 저하되므로 바람직하지 못하다.

이와 같이 하여 제조된 본 발명의 YP 350MPa급 해양구조용강은, 우수한 강도및 중심부 저온인성을 나타낸다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

(실시예)

하기 표 1과 같이 조성되는 용강을 탈린로에서 취련한 후 Ca-Si를 1.3kg/용강-ton 투입하여 MnS개재물 구상화처리를 실시한 다음, 진공설비에서 25분 환류하여 탈가스 처리하고, 0.85M/분의 속도로 연속주조하여 두께가 250mm인 강 슬라브를 만들었다.

이와 같이 제조된 각각의 강 슬라브를 1135℃에서 재가열한 다음, 하기 표 2의 조건을 적용하여 두께가 60mm인 해양구조용 강판으로 제조하였다.

그 후, 상기 강판에 대하여, 기계적강도, 충격인성 및 두께방향인성을 측정하고,그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

한편, 하기 표 1의 종래예에서는, 890℃에서 88분간 통상의 소준열처리(Normalizing)를 적용하였다.

구분	강성분(중량%)
구분	C	Si	Mn	P	S	Sol-Al	Cu	Ni	Nb	Ti	N(ppm)
발명예1	0.076	0.28	1.48	0.004	0.001	0.041	0.25	0.24	0.007	0.013	38
발명예2	0.765	0.22	1.43	0.008	0.002	0.034	0.26	0.25	0.007	0.009	44
발명예3	0.720	0.23	1.42	0.012	0.002	0.034	0.23	0.22	0.008	0.010	38
비교예1	0.101	0.45	1.44	0.019	0.002	0.043	0.13	0.14	0.018	0.012	51
비교예2	0.116	0.26	1.30	0.018	0.005	0.035	0.01	0.03	0.002	0.011	-
종래예	0.137	0.38	1.46	0.019	0.005	0.040	0.24	0.14	0.014	0.003	-

구분	1차 사상압연(℃)	2차사상압연종료온도(℃)	냉각조건
구분	개시온도(℃)	2차사상압연종료온도(℃)	종료온도(℃)	잔압하율(%)	냉각개시온도(℃)	냉각종료온도(℃)	냉각속도(℃/s)
발명예1	900	780	40	720	700	520	5
발명예2	900	780	40	720	700	520	5
발명예3	900	780	40	720	700	520	5
비교예1	930	830	40	750	720	570	5
비교예2	930	830	40	750	720	570	5
종래예	-	-	-	-	-	-	-

구분	기계적강도(MPa)	충격인성(Ve-40℃,J)	두께방향인성(RA,%)
구분	YP(항복강도)(kg/㎟)	충격인성(Ve-40℃,J)	두께방향인성(RA,%)	TS(인장강도)(kg/㎟)	El(연신율)(%)
기준	≥355	450~610	≥22	≥55	≥30
발명예1	390	497	32	394.0	60
발명예2	385	518	35	337.1	48
발명예3	366	471	31	321.4	43
비교예1	403	556	30	124.5	27
비교예2	388	510	24	171.6	25
종래예	365	562	31	125.1	35

상기 표 3에 나타난 바와 같이, 통상의 소준열처리를 적용한 종래예의 경우에는, 강성분 범위 및 열처리방법 상이로 인해 요구수준의 강도는 확보가능하나 개발강 대비 탄소당량 및 충격인성이 열위하였다.

또한, 비교예(1),(2)의 경우에는, 동일 TMCP제조방법으로 생산하였으나 ,강성분 범위상이로 인해 충격인성 열위 및 두께방향인성요구범위를 만족시키지 못하였다.

반면에, 본 발명의 발명예(1)~(3)은, 강 성분 및 제조시 압연 및 냉각조건을 모두 만족하여, 기계적 강도, 충격인성 및 두께방향인성도 우수한 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 모재의 중심부 충격인성이 우수한 TMCP형 해양구조용 강을 제조할 수 있어서, 최근 엄격한 용도특성이 요구되는 해양구조물의 적용분야에 그 활용성이 큰 효과가 있는 것이다.

Claims

중량%로, C: 0.07~0.09%, Si:0.20~0.50%, Mn:1.40~1.50%, P:0.012% 이하, S:0.005% 이하, Al:0.020~0.050%, Nb:0.005~0.015%, Cu:0.2~0.3%, Ni:0.2~0.3%, Ti:0.007~0.017%, N: 50ppm이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 용강을 취련한 다음 1.0~1.3Kg/용강-ton의 Ca-Si을 투입하여 구상화처리하고, 진공설비에서 20~25분 환류하여 탈가스처리한 다음, 0.85~0.95M/분의 속도로 연속주조하여 강 슬라브를 제조한 후, 1050~1150℃의 온도로 재가열하고 잔압하율이 45%이 되도록 780~850℃에서 1차 사상압연을 완료한 다음 690~770℃에서 2차 사상압연을 완료하고, 470~570℃의 온도범위까지 5~7℃/sec의 속도로 냉각한 후 공냉하는 것을 포함하여 이루어지는 TMCP형 YP 350MPa급 해양구조용 강의 제조방법