KR20030054700A - 재질이방성이 적은 라인파이프용 열연강판의 제조방법 - Google Patents

재질이방성이 적은 라인파이프용 열연강판의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 건축, 라인파이프 및 해양구조물 등의 용도로 사용되는 강판용 고장력 열연강판의 제조방법에 관한 것으로, 그 목적은 Mo, Cr, V와 Ti를 적절히 사용하고 압연 제조공정 조건을 최적화하여 석출 및 조직 미세화에 의한 강도 증가와 더불어 재질이방성을 개선시킬 수 있는 열연강판의 제조방법을 제공함에 있다.
이와 같은 목적을 갖는 본 발명은, 중량%로, C; 0.03-0.10%, Si; 0.01-0.50%, Mn; 1.2-2.0%, P; 0.03%이하, S; 0.010%이하, Ti; 0.01-0.10%, N; 0.01%이하, Mo; 0.1-0.3%, Cr; 0.01-0.04% 및 Ni; 0.1-0.5%, Nb; 0.02-0.07%, V; 0.10%이하 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순원소들로 구성된 강슬라브를 1260-1350℃의 온도에서 재가열하고, 780-820℃의 마무리 압연온도로 열간압연한 다음, 수냉각하여 540-600℃의 온도에서 권치하여 이루어지는 재질이방성이 작은 라인파이프용 열연강판의 제조방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.
이러한 본 발명은 강의 화학성분을 조절하고 슬라브 가열온도, 열간압연 및 권취조건을 제어함으로써, 페라이트 및 침상형(acicular) 페라이트 조직을 형성시킬 수 있으며 재질이방성이 감소된 라인파이프용 열연강판을 제조할 수 있다.

Description

재질이방성이 적은 라인파이프용 열연강판의 제조방법{THE METHOD OF MANUFACTURING HOT ROLLED STEELS WITH LESS ANISOTROPIC PROPERTIES FOR LINEPIPES}
본 발명은 건축, 파이프라인 및 해양구조물 등의 용도로 사용되는 항복강도 540~570MPa의 라인파이프 강의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Mo, Cr, V과 Ti을 복합첨가하고 열연공정을 적절히 제어함으로써 석출물 형성에 의한 미세조직의 관리와 석출물 자체의 분포 및 크기의 관리에 의해 재질이방성을 줄일 수 있는 열연강판의 제조방법에 관한 것이다.
북극해 또는 시베리아 등의 지역에서 사용되는 원유 또는 원유 또는 가스 수송용 강관이나 해양구조물에 사용되는 철강 소재는 그 환경의 가혹화로 말미암아 우수한 성질이 요구되고 있으며, 특히 저온에서의 파괴방지를 위하여 저온인성이 각별히 요구되어지고 있다. 이러한 철강소재는 경제적인 사용을 위하여 열연강판을 나선형 강관(spiral pipe)으로 제조하여 사용하고 있다.
우수한 저온 인성을 지닌 고강도 열연강판을 제조하기 위해서 전 세계에 걸쳐 많은 시도가 이루어 지고 있으며, 이러한 연구의 대부분은 열간압연을 대부분 낮은 온도에서 실시하여 저온인성 등을 향상시키고자 하는 것으로 일본특허 제52107225호, 제5214486호 및 한국 특허 특2000-0039479가 있다.
상기 제52107225호에 제안된 기술의 요지는 C;0.03-0.8%, Si;0.6%, Mn;0.7-2.0%, P;0.010%, S;0.008%, Nb;0.01-0.10%, V;0.01-0.15%, Mo;0.50%, Ni;1.0%, Cr;1.0% 및 Cu;1.0%를 함유한 강의 마무리 열간압연온도를 850-600℃의 저온으로 낮추어 저온인성을 확보하는 것이다. 그러나, 이 열연강판은 인장강도가 60kgf/mm2에 불과하여 합금원소 첨가의 최대효과와 압연공정의 적절화가 다소 미흡하다.
상기 제5214486호에서는 열간압연을 하고 Ar3 온도 이상에서 15℃/sec 이상의 속도로 냉각하여 250℃ 정도에서 권취를 하는 방법이다. 이 방법은 합금성분계가 비교적 단순하나 권취온도가 매우 낮기 때문에 매우 큰 용량의 수냉각 설비를 보유하고 있어야 하는 단점이 있다.
위에서 언급한 선행기술들은 저온인성과 동시에 고강도를 얻을 수 있으나, 재질이방성 특히, 항복강도의 재질이방성의 차이가 크다는 문제가 제기되고 있다. 재질이방성은 압연직각방향의 강도와 압연방향에 45도 방향의 강도와의 차이를 의미한다. 최근에 들어와 강관 중에서 가장 널리 이용되고 있는 나선형 강관에 있어서는 소재의 재질을 압연방향에 45도인 방향의 것을 요구하고 있기 때문에 재질 이방성이 큰 경우, 즉 압연직각방향의 항복강도가 45도 방향보다 크게 되면 강관을 조관시 조관력이 크게 되어 조관불량률이 증가하고 강관의 진원성 역시 저하하게된다.
상기 특2000-0039479에서는 C;0.03-0.10%, Si;0.01-0.50%, Mn;1.2-2.0%, P;0.03%이하, S;;0.010%이하, Ti;0.01-0.10%, N;0.01%이하, B;0.003%이하, Nb;0.02-0.07%, V;0.10%이하로 조성된 강슬라브를 1100~1170℃에서 재가열하고 800-900℃의 마무리압연온도로 열간압연한 다음 수냉각하여 550-680℃의 온도에서 권취하여 재질이방성이 적은 강관용 고장력 열연강판을 제조하였다. 상기 발명강은 1250℃에서 재가열한 비교재에 비하여 재가열온도를 1150℃로하여 재질이방성이 적은 강재를 얻었으나, 상기의 조성 및 조건에서는 항복강도 490MPa, 인장강도 588MPa으로 본 발명에 비하여 항복강도 및 인장강도가 작아 동일한 조건에 사용되기 위해서는 두께가 두꺼운 강재를 사용해야 하는 단점이 있다.
최근 소재 제조사에서는 합금첨가량을 증가시킴으로써 45도 방향의 항복강도 특성을 맞추어 재질이방성의 문제를 해결하려는 방안을 모색하고 있으나, 제조 비용이 높은 단점이 있어 실익이 없다. 따라서 본 발명자는 소량의 합금원소 첨가와 열간압연 제어만으로도 재질이방성이 작은 강관용 고장력 열연강판을 제조하는 방안을 모색하던 중 강도를 증가시키기 위해 석출물을 석출시키는 경우 석출물 형성에 의한 미세조직의 변화와 석출물 자체의 분포 및 크기 등을 적절히 관리하면 재질이방성이 크게 변화될 수 있다는 것을 실험을 통해 확인하고, 그 실험결과에 기초하여 본 발명을 제안하게 되었다.
이에 본 발명의 목적은 Mo, Cr, V 및 Ti을 복합첨가하고 열연공정을 적절히제어함으로써 석출물 형성에 의한 미세조직의 관리와 석출물 자체의 분포 및 크기의 관리에 의해 재질이방성을 줄일 수 있는 열연강판의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일견지에 의하면,
중량%로, C; 0.03-0.10%, Si; 0.01-0.50%, Mn; 1.2-2.0%, P; 0.03%이하, S; 0.010%이하, Ti; 0.01-0.10%, N; 0.01%이하, Mo; 0.1-0.3%, Cr; 0.01-0.04% 및 Ni; 0.1-0.5%, Nb; 0.02-0.07%, V; 0.10%이하 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순원소들로 구성된 강슬라브를 1260-1350℃의 온도에서 재가열하고, 780-820℃의 마무리 압연온도로 열간압연한 다음, 수냉각하여 540-600℃의 온도에서 권치하여 이루어지는 재질이방성이 작은 라인파이프용 열연강판의 제조방법이 제공된다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
C는 강을 강화시키는데 가장 경제적이며 효과적인 원소이나 다량 첨가에 따라 용접성, 성형성 및 인성이 저하되는 원소로, 본 발명에서는 이를 고려하여 0.03-0.10%로 한정한다. 첨가량이 0.03%미만이 되면 동일한 강도를 발휘시키기 위하여 다른 합금원소를 상대적으로 다량 첨가하여야 하기 때문에 경제적이지 못하며 0.10% 이상을 첨가하면 용접성, 성형성 및 인성이 저하하기 때문에 바람직하지 않다.
Si는 용강을 탈산시키기 위해서도 필요하고 고용강화원소로도 효과를 나타내므로 0.01-0.50% 범위의 첨가가 필요하다. 첨가량 0.01% 이하에서는 용강의 탈산역할을 충분히 하지 않기 때문에 청정한 강을 얻기 어려우며, 0.5%이상 첨가하면 열간압연시 Si에 의한 붉은형 스케일이 형성되어 강판표면 형상이 매우 나쁘게 되며 연성도 저하되기 때문에 바람직하지 않다.
Mn은 강을 고용강화시키는데 효과적인 원소로서 1.2%이상 첨가되어야 소입성 증가효과와 더불어 고강도를 발휘할 수 있다. 그러나, 2.0%이상 첨가시키면 제강공정에서 슬라브를 주조시 두께 중심부에서 편석부가 크게 발달되고 최종제품의 용접성을 해치기 때문에 바람직하지 않다.
P는 강 중에 존재하는 불순물 원소로서 Mn 등과 결합하여 비금속개재물을 형성하며 이에 따라 강의 인성 및 강도를 크게 손상시키기 때문에 가능한 한 감소시키는 것이 바람직하므로 그 상한을 0.03%로 한다.
S도 역시 강 중에 존재하는 불순물 원소로서 Mn 등과 결합하여 비금속개재물을 형성하며 이에 따라 강의 인성 및 강도를 크게 손상시키기 때문에 가능한 한 감소시키는 것이 바람직하므로 그 상한을 0.01%로 정한다.
Ti은 결정립을 미세화시키는데 아주 유용한 원소로써 강 중에 TiN으로 존재하여 열간압연을 위한 가열 과정에서 결정립의 성장을 억제하는 효과가 있으며 또한 질소와 반응하고 남은 Ti이 강 중에 고용되어 탄소와 결합하여 TiC의 석출물이 형성되고 TiC의 형성은 매우 미세하여 강의 강도를 대폭적으로 향상시킨다. 따라서, TiN 석출에 의한 오스테나이트 결정립 성장 억제 효과 및 TiC 형성에 의한 강도 증가를 얻기 위해서는 적어도 0.01%이상의 Ti이 첨가되어야 하며 0.03%이상이 첨가되면 강판을 용접하여 강관으로 제조시 용융점까지 급열됨에 의해서 TiN이 재고용됨에 따라 용접 열영향부의 인성이 열화되기 때문에 Ti 첨가의 상한은 0.03%로 한다.
N의 성분 한정 사유는 상기의 Ti 첨가에 기인한 것이다. 일반적으로 N은 강 중에 고용되었다가 석출되어 강의 강도를 증가시키는 역할을 하며 이러한 능력은 탄소보다도 훨씬 크다. 그러나, 한편으로 강 중에 질소가 존재하면 할 수록 인성은 크게 저하하는 것으로 알려져 있어 가능한 한 질소 함유량을 감소시키려는 것이 일반적인 추세이다. 그러나, 본 발명에서는 적정량의 질소를 존재케하여 Ti과 반응시켜 TiN를 형성, 재가열 과정에서의 결정립 성장을 억제시키는 역할을 부여하였다. 그러나, Ti의 일부는 N와 반응하지 않고 남아 이후의 공정에서 탄소와 반응하여 하기 때문에 그 상한을 0.01%이하로 한다.
Mo와 Cr은 소재의 강도를 상승시키는데 매우 유효하며, 저온변태 조직인 침상형(acicular) 페라이트 생성을 조장함에 의해 항복비를 낮추는 역할을 한다. 또한 시멘타이트와 탄화물이 집적되어 있어 열화한 충격특성을 보이는 펄라이트 조직의 생성을 억제하여 양호한 충격인성도 확보할 수 있다. 이를 위해 Mo은 0.1%이상을 첨가하여야 하나 고가의 원소이므로 0.3%이하로 제한하는 것이 바람직하다.
Cr은 Mo와 복합첨가하면 상호 보완작용에 의해 저항복비와 우수한 저온인성을 동시에 얻는 것이 가능하므로 0.01-0.04%를 첨가한다.
Ni은 오스테나이트 안정화 원소로서 펄라이트 형성을 억제하며, 저온변태 조직인 침상형(acicular) 페라이트 형성을 용이하게 하는 원소로 0.1%이상 첨가하며 고가의 원소이므로 0.5%이하로 제한하는 것이 바람직하다.
Nb은 결정립을 미세화시키는데 아주 유용한 원소이며 동시에 강의 강도도 크게 향상시키는 역학을 하기 때문에 적어도 0.02% 이상을 첨가하여야 하나, 0.07%를 첨가하는 경우에는 과도한 Nb 탄질화물의 석출에 기인되어 오스테나이트 미재결정온도를 지나치게 높이기 때문에 재질이방성이 증가하게 되므로 0.02-0.07%로 제한한다.
V은 Nb과 같이 탄질화물로 석출하여 강의 강도를 높이는데 유효한 원소로서 첨가하는데, 그 첨가량이 너무 많은 경우 석출량이 포화되어 강도 증가는 크지 않고 제조비용만 높아지므로 0.10%로 제한한다.
다음으로 본 발명의 제조방법에 대해서 설명한다.
상기와 같은 사유로 한정된 성분계의 강을 열간압연함에 있어서 상기 강슬라브의 재가열온도를 1260-1350℃로, 즉, 슬라브 가열대 온도를 1260-1350℃로 하고, 열간압연 마무리 온도(FDT;finish delivery temperature)를 780-820℃ 범위로 하며 수냉각하여 귄취온도를 540-600℃온도범위로 권취한다. 바람직하게, 이때 균열대 온도는 1170-1190℃로 한다.
재질의 이방성은 열간압연 중에 생성된 집합조직 및 석출물에 의해 결정되며 생성된 집합조직이 약할 수록, 무질서하게 석출된 석출물의 양이 많을수록 이방성은 감소하게 된다. 슬라브를 재가열하는 온도는 본 발명에서 매우 중요하다. 만약, 재가열온도를 1255℃와 같이 석출물이 충분히 재고용되는 온도 이하로 설정하면 열간압연 이후의 공정에서 NbC 등의 석출물이 감소하게된다. 또한 가열온도가 낮을 수록 오스테나이트 결정립이 작게 되어 열간압연시 보다 강한 변형집합조직이 형성되어 최종 변태집합조직이 강하게 발달하게 된다. 그 결과 재질이방성은 증가하게 된다. 따라서, 재가열 온도를 1260℃이상으로, 균열대 온도를 1170℃이상으로 유지하므로써 석출물의 재고용을 조장하고 적당한 크기의 오스테나이트 결정립도를 유지하므로써 소재의 강도수준도 향상시키면서 집합조직의 형성을 완하시키기 때문에 소재의 재질이방성이 감소하는 것이다. 이때, 재가열대 온도가 너무 높으면 오스테나이트 결정립의 이상입성장에 의하여 강도가 저하되므로 재가열대 온도 상한은 1350℃로 하는 것이 좋다.
본 발명에서는 Mo, Cr, V 및 Ti이 복합첨가 되어 있으며, 이와 같은 석출원소의 석출강화에 의한 강도 증대 효과 및 재질이방성을 감소시키기 위해서 열간압연 마무리온도를 780-820℃의 범위로 정하였다. 열간압연 마무리 온도가 780℃보다 낮으면, 열간압연 도중에 오스테나이트에 강한 변형집합조직이 형성되어 상변태에 의해 생성된 페라이트 및 침상형(acicular) 페라이트에도 강한 변태집합조직이 형성되게 된다. 한편, 열간압연 마무리 온도를 820℃보다 높게 설정하면 마무리 압연개시온도가 높게 되어 변태에 의해 생성되는 페라이트의 결정립이 미세하지 않게 되며, 그 결과 원하는 강도 수준을 나타내지 못하기 때문에 경제적이지 못하다.
열간압연을 마무리한 후, 런-아웃 테이블 상에서 수냉각을 실시함으로써 오스테나이트 결정립 성장을 억제하고 동시에 페라이트 조대화를 방지하므로써 인성저하를 억제한다. 권취온도는 540-600℃ 온도범위가 적당한데, 600℃보다 높으면 미세조직이 조대한 페라이트와 펄라이트로 형성되고 석출물도 조대해져 소재의 강도가 크게 저하되며 540℃보다 낮으면 베이나이트 변태가 일어나 강도는 증가하나 소재의 인성이 크게 저하하고 재질이방성도 증가하기 때문이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
실시예
하기 표 1과 같은 화학성분을 갖는 발명강을 용해하여 슬라브로 제조한 후, 열간압연하여 판재로 제조하였다.
이때, 하기 표 2와 같은 조건으로 발명강을 압연(비교압연 또는 발명압연)하여 제조하고 인장시험을 하였다. 강종 A, B는 발명강을 이용하여 비교압연한 것이고, 강종 C, D는 발명강을 이용하여 발명압연한 것이다.
강종 C Si Mn P S Nb V Ni Cr Mo Ti N 비고
A 0.059 0.19 1.59 0.008 0.001 0.056 0.056 0.24 0.02 0.25 0.018 0.0054 발명강
B 0.061 0.22 1.55 0.011 0.001 0.053 0.053 0.25 0.03 0.24 0.020 0.0072 발명강
C 0.063 0.21 1.57 0.011 0.001 0.052 0.056 0.23 0.02 0.25 0.017 0.0046 발명강
D 0.061 0.20 1.57 0.010 0.001 0.056 0.052 0.25 0.01 0.23 0.017 0.0056 발명강
강종 가열로 온도(℃) 마무리 압연온도(℃) 권취온도(℃) 비고
가열대 균열대
A 1256 1151 792 560 발명강-비교압연
B 1255 1155 788 565 발명강-비교압연
C 1261 1175 783 554 발명강-발명압연
D 1266 1173 787 555 발명강-발명압연
하기 표 3은 발명강의 비교압연재와 발명강의 발명압연재의 30도 및 90도 방향 항복강도, 인장강도 및 그 편차를 나타낸 것이다.
강종 30o방향항복강도(MPa) 90o방향항복강도(MPa) 30o방향인장강도(MPa) 90o방향항복강도(MPa) 항복강도차이(MPa) 인장강도차이(MPa) 비고
A 503 605 670 703 102 33 발명강-비교압연
B 498 584 689 734 86 45 발명강-비교압연
C 550 602 693 750 52 57 발명강-발명압연
D 562 607 744 725 45 19 발명강-발명압연
본 발명 조성강을 사용하여 제조조건을 변경한 경우를 살펴보면 다음과 같다. 본 발명강을 이용하여 비교압연한 강종 A, B의 경우 경우에는 재질이방성을 나타내는 30도 방향과 90도 방향의 항복강도의 차이가 85MPa 이상으로 매우 크며 30도 방향의 항복강도도 503MPa 이하임을 알 수 있다. 반면, 본 발명강을 이용하여 발명압연 조건으로 제조한 강종 C, D의 경우에는 30도 방향과 90도 방향의 항복강도의 차이가 불과 52MPa 이내로 비교재에 비하여 매우 우수하게 나타나고 있으며, 30도 방향의 항복강도도 550MPa 이상임을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명조건으로 압연하는 경우, 30도 방향 항복강도 550MPa이상, 재질이방성 52MPa 이하의 적은 재질이방성을 지닌 우수한 라인파이프용 열연강판을 제조할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 강의 화학성분을 조절하고 슬라브 가열온도, 열간압연 및 권취조건을 제어함으로써, 페라이트 및 침상형(acicular) 페라이트 조직을 형성시킬 수 있고, 압연조건을 조절하므로써 미세한 석출물의 형성과 동시에 재질이방성이 감소하는 특성을 나타낸다. 또한 제조조건에 있어 비교적 정확한 열간압연 조건을 사용함으로써 압연 생산성을 향상시킬 수 있으며 상기 강을 사용함에 있어서도, 재질이방성이 적으므로 부품 제조시의 실수율 및 생산성을 향상시킬 수 있어, 본 발명에 의해 제조원가의 저하를 도모할 수 있는 등, 그 효과가 매우 크다고 하겠다.

Claims (1)

  1. 중량%로, C; 0.03-0.10%, Si; 0.01-0.50%, Mn; 1.2-2.0%, P; 0.03%이하, S; 0.010%이하, Ti; 0.01-0.10%, N; 0.01%이하, Mo; 0.1-0.3%, Cr; 0.01-0.04% 및 Ni; 0.1-0.5%, Nb; 0.02-0.07%, V; 0.10%이하 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순원소들로 구성된 강슬라브를 1260-1350℃의 온도에서 재가열하고, 780-820℃의 마무리 압연온도로 열간압연한 다음, 수냉각하여 540-600℃의 온도에서 권치하여 이루어지는 재질이방성이 작은 라인파이프용 열연강판의 제조방법.
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