KR20080057846A - 열처리 생략이 가능한 열연강판 및 강관과 그 제조방법 - Google Patents

열처리 생략이 가능한 열연강판 및 강관과 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

열처리를 생략할 수 있는 열연강판과 그 제조방법 및 상기 강판을 이용한 고강도 강관과 그 제조방법이 제공된다.
본 발명은 중량%로, C: 0.05~0.12%, Si: 0.20~0.40%, Mn: 1.0~1.8%, P: 0.02%이하, S: 0.01%이하, Ti: 0.01~0.05%, Nb: 0.030~0.090%, Ca: 0.001~0.006%, Al:0.01~0.06%, N: 0.008%이하, O: 0.006%이하, V: 0.005%이하, Cr: 0.03%이하를 포함하고, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되며, 강판의 조직이 면적비로 3~10%는 베이나이트, 5~15%는 펄라이트이고, 나머지는 페라이트로 이루어지는 열연강판 및 그 제조방법이 제공된다.
또한 상기 조성으로된 슬라브로 제조된 강관으로, 항복강도 550MPa이상, 인장강도 689MPa이상 및 -60℃충격인성이 300J이상인 열처리 생략형 강관 및 그 제조방법이 제공된다.
API, 유정관, 열처리생략, 열연강판, 샌드오일

Description

열처리 생략이 가능한 열연강판 및 강관과 그 제조방법{Hot-rolled steel sheet and pipe without normalizing and method of manufacturing the same}
도 1은 샌드오일(Sand Oil) 채굴용 CSS(Cyclic Stem Stimulation) 유정관 공정의 모식도이다.
도 2는 샌드오일 채굴용 SAGD(Steam Assisted Gravity Drainage)공정의 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 강의 미세조직을 나타내는 사진이다.
본 발명은 열처리 생략이 가능한 강판 및 이를 사용하여 제조된 강관에 관한 것으로, 보다 상세하게는 세립강 압하기술에 의한 조직의 미세화와 Nb, Ti계 석출물의 생성에 의해 강도를 유지하여 열처리 생략이 가능하고 그에 의해 원가절감의 효과를 얻을 수 있는 열연강판 및 강관을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 열연강판 및 강관은 주로 유정관용에 사용되는 것으로 이러한 강관은 고강도, 내외압 압괴강도, 인성, 내지연 파괴성, 내황화수소 균열성 등이 요구된다. 이 때문에 열연강판을 조관한 후 열처리를 행하고 고강도화하는 방법이 일반적이다. 일반적으로 사용되는 유정관은 이음매 없는 강관 (Seamless 강관)이 주로 사용되며 그 제조방법은 고온에 가열되는 빌릿(billet)을 천공 압연기로 천공한 뒤, 플러그밀 (Plug mill), 맨드릴밀 (mandrel mill) 등의 압연기를 이용하여 압연한 뒤, 레듀사 (Reducer) 또는 사이저 (Sizer)를 이용하여 축경 또는 두께를 가공한 뒤, 담금질하고 템퍼링 열처리를 행한다. 담금질 및 템퍼링 열처리를 행하기 위하여 가열로, 균열로의 설치가 필요해지고, 고비용이 되지 않을 수 없다. 또한 Normalizing 처리 유정관의 경우 Mo 첨가하여 강도를 확보하는 성분계를 사용하기도 하지만, 고가원가인 Mo첨가로 인해 생산원가가 높게 되는 단점이 있다.
국제유가가　배럴당　30달러를　밑돌던　수년　전만　해도　배럴당　20~25달러에　달하는　생산비용　때문에　경제성이　낮아　큰　관심을　끌지　못했지만　최근　유가가　배럴당　70달러를　넘나드는　고유가시대가　도래하면서　대체　원유로　각광을　받고　있다.　 앞으로　상당　기간　고유가가　지속될　것이라는　전망이　나오고　있고　유가가　40달러대로　떨어져도　경제성이　유지될　수　있어　각국의　메이저　석유업체들도　앞다퉈　오일샌드　광구　확보에　나서고　있다.　
생산방법은　석탄을　캐듯이　노천광산에서　오일샌드를　채굴해　파쇄기로　 분쇄한　뒤　오일　추출기를　통해　중질원유를　생산하는　노천채굴　방식과　생산정(井)에　주입된　뜨거운　증기로　석유성분을　녹인　뒤　뽑아내는　시추공　방식이　있다.　 노천채굴　방식은　주로　캐나다　앨버타주의　북동부　일부 지역에서만　사용하고　있고　캐나다　앨버타주　대부분의　지역에서는　시추공　방식을　이용하고　있다.　 석유공사가　광구　인수를　추진하고　있는　캐나다(매장량　1천752억배럴)는　베네수엘라(매장량　2천700억배럴)에　이어　세계　2위의　오일샌드　보유국이고　대부분의　지역이　아직　미개발　상태로　남아있다.　 특히　캐나다는　오일샌드를　제외하면　세계　22위의　산유국에　그치지만　오일샌드를　포함하면　세계　3위의　원유　매장국이다.　
이러한 오일샌드를 채굴하는 방법중 기존에는 켄칭후(quenching) 템퍼링 열처리를 행하는 API L80 강종이 주로 사용되는 CSS (Cyclic Steam Stimulation) 공정(도 1)이 일반적이었으나, 하나의 유정에서 고온으로 가열된 스팀을 투입한 후 일정시간 유지한 후 중질유를 채굴하는 공정이었으나 스팀과 오일의 생산이 단속적으로 생산되어 생산원가가 증가되는 단점이 있었다. 그러나 최근 SAGD (Steam Assisted Gravity Drainage) 공정(도 2)이 개발되게 되었으며, 이때에는 스팀과 오일의 생산이 분리되어 연속적, 동시적으로 생산이 가능하여 경제성이 증가되며, 이때 사용되는 강판 및 강관도 생산원가가 높은 열처리형 L80 대신 열처리 생략형 고강도 유정관 강관의 필요성 부각되었다. 그러나 아직 그 대안은 없는 실정이다.
본 발명은 열처리 생략이 가능한 강판을 제공하고 이를 사용하여 열처리 없이 고강도 강관을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열연강판은 중량%로, C: 0.05~0.12%, Si: 0.20~0.40%, Mn: 1.0~1.8%, P: 0.02%이하, S: 0.01%이하, Ti: 0.01~0.05%, Nb: 0.030~0.090%, Ca: 0.001~0.006%, Al:0.01~0.06%, N: 0.008%이하, O: 0.006%이하, V: 0.005%이하, Cr: 0.03%이하를 포함하고, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되며, 강판의 조직이 면적비로 3~10%는 베이나이트, 5~15%는 펄라이트이고, 나머지는 페라이트로 이루어진다.
또한 상기 강판의 제조방법은 상기 조성의 슬라브를 재가열하는 단계; 상기 슬라브를 압연한 후 800~900℃의 마무리압연온도범위에서 마무리압연하는 단계; 상기 압연한 강재를 10~20℃/sec의 속도로 500~550℃까지 냉각한 다음 권취하는 단계를 포함하여 이루어진다.
상기 강판을 사용하여 제조된 고강도 강관은 상기 슬라브로 제조된 강관으로, 항복강도 550MPa이상, 인장강도 689MPa이상 및 -60℃충격인성이 300J이상인 열처리 생략형 강관이며, 상기 강관의 제조방법은 상기 조성의 슬라브로 제조된 강판을 강관으로 제조하는데 있어서, 상기 제조방법은 열처리의 생략 가능한 것 을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 강성분의 조성범위를 설명한다.
C: 0.05~0.12%
상기 C는 강도, 인성 및 파이프라인 시공시의 원주 용접부 인성에 영향을 미치는 원소이다. 상기 C는 탄화물 형성 원소인 Nb, V, Ti과 페라이트 상 중에 NbC, VC, TiC 등의 석출물 또는 복합 석출물을 형성함으로써 강도를 증가시킨다. 또한, 열간 마무리 압연후의 냉각제어에 의하여 페라이트 변태 핵의 발생 빈도를 높이고 미세한 페라이트 입자를 형성하여 인성을 향상시킨다.
그 함량이 0.05% 미만인 경우 탄화물 형성이 부족하여 본 발명에서 목표로 하는 강도를 확보할 수 없으며, 0.12%를 초과하는 경우 인성의 저하 및 전기저항 용접시 용접성의 저하를 초래하므로, 상기 C의 함량은 0.05~0.12%로 제한하는 것이 바람직하다.
Si: 0.2~0.4%
상기 Si은 페라이트 상중의 C 활동도를 증가시키고, 페라이트 안정화를 촉진하는 작용을 하며, 고용강화에 의한 강도확보에 기여한다. 또한, 상기 Si은 ERW 용접시 Mn2SiO4 등의 저융점 산화물을 형성시키고 용접시에 산화물이 쉽게 배출되도록 한다. 그 함량이 0.2% 미만인 경우 제강상의 비용 문제가 발생하는 반면, 0.4%를 초과하는 경우 Mn2SiO4 이외에 고융점의 SiO2 산화물의 형성량이 많아지고 전기저항 용접시 용접부의 인성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 상기 Si의 함량은 0.2~0.4%인 것이 바람직하다.
Mn: 1.0~1.8%
상기 Mn은 오스테나이트/페라이트 변태 개시 온도에 큰 영향을 주고 변태 개시 온도를 저하시키는 원소로서, 파이프 모재부 및 용접부의 인성에 영향을 미치며, 고용강화 원소로써 강도 증가에 기여한다. 그 함량이 1.0% 미만에서는 상기의 효과를 기대하기 어려운 반면 1.8%를 초과하는 경우 편석대가 발생할 가능성이 높다. 따라서 상기 Mn의 함량은 1.0~1.8%인것이 바람직하다.
P: 0.02% 이하
상기 P은 고용강화 원소로서, 오스테나이트/페라이트 변태 개시 온도를 대폭적으로 상승시키는 작용을 하고, 조대한 페라이트 입자를 형성하는데 유용하게 작용한다. 그 함량이 0.02%를 초과하는 경우 상기의 효과를 확보하기 어려우므로, 상기 P의 함량은 0.02%로 제한하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.015% 이하이다.
S: 0.01% 이하
상기 S은 조대한 개재물을 형성하기 쉬운 원소이고, 인성 저하나 크랙 진전을 조장하므로 가능한 한 낮게 제한하는 것이 바람직하므로, 상기 S의 함량은 0.01% 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.005% 이하이다.
Nb : 0.030~0.090%
상기 Nb은 미세한 페라이트 입자(저온변태 페라이트, 베이나이틱페라이트)를 제어 압연에 의해 발생시키는데 유효한 원소로서, 열간 압연 과정으로의 오스테나이트 재결정을 지연시키는 작용을 한다. 또한, 상기 Nb은 탄화물을 형성하여 강도 증가에 기여한다. 그 함량이 0.03% 미만에서는 이러한 효과를 확보할 수 없는 반면, 0.090%를 초과하면 담금질성이 현저하게 상승하고 용접부 인성이 저하될 수 있다. 따라서 상기 Nb의 함량은 0.030~0.090%인 것이 바람직하다.
Ti: 0.01~0.05%
상기 Ti은 질화물 형성 원소로서, 슬라브 응고 과정에서 N 고정에 유효하게 작용한다. 또한 상기 Ti은 탄화물 형성을 수반하고 강도 증가에 기여한다. 그 함량이 0.01% 미만인 경우 이러한 효과를 기대할 수 없는 반면, 0.05%를 초과하면 오스테나이트/페라이트 변태 개시 온도를 현저히 상승시키고 조대한 페라이트 입자를 형성할 가능성이 높다. 따라서 상기 Ti의 함량은 0.01~0.05%인 것이 바람직하다.
Ca: 0.001~0.006%
상기 Ca은 유화물의 형태 제어를 위해 첨가한다. 그 함량이 0.006%를 초과하는 경우 소강중의 S량에 대하여 과잉하게 첨가되어 CaO 클러스터(cluster)의 CaS가 발생하는 반면, 0.001% 미만인 경우에는 MnS가 발생하고 인성의 저하를 초래할 수 있다. 또한 S량이 많다면 CaS 클러스터가 발생을 방지하기 위해 동시에 S량도 제어하는 것이 바람직하다. 즉 철중의 S량 및 O량에 따라 Ca량을 제어하는 것이 바람직하다. 따라서 상기 Ca의 함량은 0.0001~0.006%인 것이 바람직하다.
Al: 0.01~0.06%
상기 Al은 제강시의 탈산을 위해 첨가한다. 그 함량이 0.01% 미만인 경우 이러한 작용이 부족한 반면, 0.06%를 초과하는 경우 전기저항 용접시 용접부에 알루미나 또는 알루미나 산화물을 포함하는 복합 산화물의 형성이 조장되고 용접부 인성을 손상시킬 수 있다. 따라서 상기 Al의 함량은 0.01~0.06%인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.015~0.05%이다.
N: 0.008% 이하
상기 N는 고용 상태에서는 시효 열화를 일으키는 원인이므로, Ti, Al등의 질화물로서 고정된다. 그 함량이 0.008%를 초과하는 경우 Ti, Al등의 첨가량 증가가 불가피하므로 상기 N의 함량은 0.008%이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.005%이하이다.
O: 0.006% 이하
상기 O는 산화물계 개재물로서, 그 함량이 0.006%를 초과하면 저온인성이나 CTOD 특성의 저하를 초래할 수 있다. 따라서 상기 O의 함량은 0.006%이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.005%이하이다.
V: 0.005% 이하
V는 일반적으로 석출물 원소중 가장 낮은 온도에서 석출하여 강도를 증대시키는 원소로써 일반적으로 열연강대에서는 압연중에 석출되는 것 보다는 권취 후 코일을 냉각시키는 과정에서 일정시간 권취온도에서 유지되는 것으로 석출물 V(CN) 및 NbV(CN)을 형성하게 되어 강화기구로서 사용되나, 고가의 부원료중 하나이므로 첨가를 0.005%이하로 함이 바람직하다.
Cr: 0.03% 이하
상기 Cr은 Mn과 마찬가지로 오스테나이트/페라이트 변태 개시 온도를 내리는 효과를 가진다. 또한 상기 Cr은 Mn보다 편석되기 어려운 반면, Mn보다 산소와의 친화력이 강하므로 0.03%를 초과하게 되면 용접부에 산화물을 남길 수 있다. 따라서 상기 Cr의 함량은 0.03%이하로 제한하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기한 성분 이외에 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된다.
이하, 상기 열연강판의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 상기와 같이 조성되는 강 슬라브를 재가열한 후, 조압연한 다음 800~900 ℃의 마무리 압연온도범위에서 마무리압연을 종료한다. 보다 바람직하게는 800~850℃에서 마무리 압연을 행할 수 있으며, 이는 저온압하기술(세립강 압하기술)로써 페라이트의 핵생성 사이트를 다량으로 형성시켜 조직의 미세화를 꾀하고 그 결과 열처리 없이도 강도를 상승시킬 수 있는 효과가 있다. 마무리 압연온도가 800℃미만이면 설비자체의 부하에 의해 생산성이 저하되며, 900℃초과하면 입자 조대화에 의해 인성저하의 문제가 발생하므로 마무리 압연온도는 800~900 ℃임이 바람직하다.
열간압연한 후 10~20℃/s의 속도로 냉각하고, 500~550℃까지 냉각한다. 냉각속도가 10℃/s 미만이면 생산성이 저하되는 문제가 발생하며, 20℃/s 를 초과하는 경우에는 마르텐사이트등의 경화상이 발생하는 문제가 있다. 냉각 온도의 경우 500℃미만이면 취약상 형성으로 인성이 저하되어 조관특성을 저해하며, 550℃를 초과하는 경우 강도가 높은 베이나이트를 획득할 수 없는 문제가 있는바, 500~550℃까지 냉각하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 고강도 유정관에 대하여 상세하게 설명한다.
상기 강관은 상기 성분에 따라 조성되는 강판으로 제조된 강관으로 열처리 없이 항복강도 550MPa이상, 인장강도 689MPa이상 및 -60℃충격인성이 300J이상인 것을 특징으로 한다. 또한 상기 강관의 제조방법은 열처리의 생략이 가능한 것을 특징으로 한다. 상기 강관의 제조는 강판단계에서 저온압하에 의한 조직의 미세화 및 Nb, Ti계 석출물의 다량 생성에 의한 강도의 향상을 통하여 열처리 없이도 목적하는 강도와 인성을 얻을 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명을 한정하지는 않으나, 본 발명의 강관은 두께 12mm이하인 것이 보다 바람직하다. 일반적으로 두께가 높을수록 열처리후 공냉시 냉각속도가 느림으로 인해 페라이트의 양이 많아져 강도를 확보할수 있는 퍼얼라이트 및 베이나이트의 확보가 어려워지므로, 본 발명의 경우는 제조공정과 생산원가 측면에서는 12mm이하인 것이 보다 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
(실시예)
하기 표 1과 같이 조성되는 강 슬라브를 마무리 압연온도는 800~900℃이며, 500~550℃까지 냉각하였다. 얻어진 강판 및 강관은 인장시험기를 이용하여 항복강도(0.5언더로드), 인장강도 및 연신율을 측정하였으며, 일반적으로 통용되는 ASTM A370에 준하여 시험하였다.
표 2는 본 발명강과 비교강의 조직 및 기계적 성질을 나타낸 것이다.
강종 성분함량(중량%)
C Si Mn P S Al Nb V Ti Cr Mo N Ca
발명강A 0.07 0.25 1.60 0.010 0.001 0.025 0.070 0.003 0.030 0.01 0.01 0.0040 0.0015
발명강B 0.06 0.27 1.55 0.010 0.0008 0.027 0.080 0.001 0.040 0.02 0.03 0.0045 0.0017
비교강B 0.35 0.30 1.9 0.013 0.001 0.030 0.001 0.17 0.010 0.50 0.02 0.0040 0.0020
비교강C 0.30 0.30 1.5 0.012 0.002 0.028 0.030 0.10 0.010 0.30 0.01 0.0040 0.0020
비교강D 0.25 0.25 1.5 0.010 0.001 0.03 0.002 0.001 0.001 0.30 0.02 0.0040 0.0020
비교강E 0.18 0.25 1.5 0.010 0.001 0.03 0.040 0.004 0.002 0.01 0.02 0.0040 0.0020
구분 강종 CT온도 (℃) 결정립분율(%) 기계적성질
페라 이트 퍼얼라 이트 베이나 이트 항복강도 0.5(MPa) 인장강도 (MPa) 연신율 (%) 충격값 (@-60℃,J)
발명재1 발명강A 520 90 6 4 603 708 27 310
비교재1 600 90 10 0 523 656 32 320
발명재2 발명강B 500 90 5 5 621 758 28 340
비교재2 600 88 12 0 519 689 33 310
비교재3 비교강B - 45 55 0 655 792 20 155
비교재4 비교강C - 50 50 0 598 720 23 167
비교재5 비교강D - 75 25 0 472 752 19 215
비교재6 비교강E - 80 20 0 425 632 24 258
상기 표 2에서 나타난 바와 같이 본 발명의 성분범위를 만족하는 발명강(A,B)을 이용하여 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 발명재 1,2의 경우, 압연 후 항복강도, 인장강도 확보를 위한 3%이상의 베이나이트를 확보하여 항복강도 550MPa 이상, 인장강도 690MPa 이상 및 -60℃ 충격인성이 300J이상의 강을 확보할 수 있었다.
그러나, 본 발명의 성분범위를 만족하는 발명강A, B를 이용하여 본 발명의 제조방법에 따라 제조되지 않은 비교재1, 2의 경우, 높은 권취온도로 인해 고강도의 항복강도 및 인장강도를 확보할 수 없었다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 열처리 생략이 가능한 열연강판 및 이를 이용한 고강도 강관을 제공할 수 있는 유용한 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 중량%로, C: 0.05~0.12%, Si: 0.20~0.40%, Mn: 1.0~1.8%, P: 0.02%이하, S: 0.01%이하, Ti: 0.01~0.05%, Nb: 0.030~0.090%, Ca: 0.001~0.006%, Al:0.01~0.06%, N: 0.008%이하, O: 0.006%이하, V: 0.005%이하, Cr: 0.03%이하를 포함하고, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되며, 강판의 조직이 면적비로 3~10%는 베이나이트, 5~15%는 펄라이트이고, 나머지는 페라이트로 이루어지는 열처리 생략형 열연강판.
  2. 중량%로, C: 0.05~0.12%, Si: 0.20~0.40%, Mn: 1.0~1.8%, P: 0.02%이하, S: 0.01%이하, Ti: 0.01~0.05%, Nb: 0.030~0.090%, Ca: 0.001~0.006%, Al:0.01~0.06%, N: 0.008%이하, O: 0.006%이하, V: 0.005%이하, Cr: 0.03%이하를 포함하고, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 슬라브를 재가열하는 단계;
    상기 슬라브를 압연한 후 800~900℃의 마무리압연온도범위에서 마무리압연하는 단계;
    상기 압연한 강재를 10~20℃/sec의 속도로 500~550℃까지 냉각한 다음 권취하는 단계를 포함하여 이루어지는 열처리 생략형 열연강판의 제조방법.
  3. 중량%로, C: 0.05~0.12%, Si: 0.20~0.40%, Mn: 1.0~1.8%, P: 0.02%이하, S: 0.01%이하, Ti: 0.01~0.05%, Nb: 0.030~0.090%, Ca: 0.001~0.006%, Al:0.01~0.06%, N: 0.008%이하, O: 0.006%이하, V: 0.005%이하, Cr: 0.03%이하를 포함하고, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 슬라브로 제조된 강관으로,
    항복강도 550MPa이상, 인장강도 689MPa이상 및 -60℃충격인성이 300J이상인 열처리 생략형 강관.
  4. 중량%로, C: 0.05~0.12%, Si: 0.20~0.40%, Mn: 1.0~1.8%, P: 0.02%이하, S: 0.01%이하, Ti: 0.01~0.05%, Nb: 0.030~0.090%, Ca: 0.001~0.006%, Al:0.01~0.06%, N: 0.008%이하, O: 0.006%이하, V: 0.005%이하, Cr: 0.03%이하를 포함하고, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 슬라브로 제조된 강관의 제조방법에 있어서, 상기 제조방법은 열처리의 생략 가능한 것을 특징으로 하는 열처리 생략형 강관의 제조방법.
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