KR20120044121A - 저항복비를 갖는 고강도 ａｐｉ 열연강판 및 그 제조 방법 - Google Patents

저항복비를 갖는 고강도 ａｐｉ 열연강판 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

송유관용 소재로 활용할 수 있는 고강도 API(American Petroleum Institute) 열연강판 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 저항복비를 갖는 고강도 API 열연강판은 중량%로, 탄소(C) : 0.05~0.09%, 실리콘(Si) : 0.1~0.3%, 망간(Mn) : 1.3~1.6%, 인(P) : 0.018% 이하, 황(S) : 0.003% 이하, 크롬(Cr) : 0.1~0.2%, 니켈(Ni) : 0.1~0.2%, 몰리브덴(Mo) : 0.1~0.3%, 티타늄(Ti) : 0.01~0.05%, 니오븀(Nb) : 0.05~0.1%, 바나듐(V) : 0.01~0.05% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 RDT(Roughing Delivery Temperature) : 950℃ ~ 850℃로 조압연한 후, FDT(Finishing Delivery Temperature) : 800℃ ~ Ar3 온도로 마무리 압연하는 열간압연 단계; 및 상기 열간압연된 판재를 CT(Coiling Temperature) : 600℃ ~ 550℃까지 냉각하여 권취하는 냉각/권취 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

저항복비를 갖는 고강도 ＡＰＩ 열연강판 및 그 제조 방법{HIGH STRENGTH API HOT-ROLLED STEEL SHEET WITH LOW YIELD RATIO AND METHOD FOR MANUFACTURING THE API HOT-ROLLED STEEL SHEET}
본 발명은 원유 수송을 위한 송유관용 소재 등에 사용되는 고강도 라인파이프 강판 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 API-5L X80 규격(인장강도 635MPa 이상, 항복강도 555MPa 이상 및 항복비 0.93 이하) 이상의 물성을 가져, 심해저나 극지방에서의 원유나 가스의 수송관으로 활용할 수 있는 고강도 API 열연강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 전 세계적인 자원고갈의 문제점이 대두됨에 따라 심해저 혹은 극지방에서의 원유 또는 가스의 채굴 및 수송 작업이 증가하고 있다.
이에 따라, 대규모 파이프 라인 건설이 증가하고 있으며, 종래에 비하여 고강도를 갖는 소재에 대한 요구가 증가하고 있다. 또한, 강관 구조물의 안정성을 위하여 0.8 이하의 저항복비를 가질 것을 요구하고 있다.
이러한 파이프 라인 등에 사용되는 소재는 주로 열연강판이다.
열연강판은 통상, 슬라브 재가열(slab reheating) 과정, 열간압연(hot-rolling) 과정 및 냉각/권취(cooling/coiling) 과정을 통하여 제조된다.
슬라브 재가열 과정에서는 반제품 상태인 슬라브(slab) 판재를 재가열한다.
열간압연 과정에서는 압연롤을 이용하여 고온에서 슬라브 판재를 최종 두께로 압연한다.
냉각/권취 과정에서는 압연이 마무리된 판재를 특정한 권취 온도(Coiling Temperature : CT)까지 냉각(cooling)하여 권취한다.
본 발명의 목적은 석출물 형성원소, 경화능 향상원소 등의 합금 성분 조절 및 열연공정 조건 제어를 통하여 API-5L X80 규격(인장강도 635MPa 이상, 항복강도 555MPa 이상 및 항복비 0.93 이하) 이상의 물성을 갖는 저항복비를 갖는 고강도 API 열연강판 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 API-5L X80 규격 이상의 물성을 가져, 심해저나 극지방에서의 원유나 가스의 수송관으로 활용할 수 있는 저항복비를 갖는 고강도 API 열연강판을 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 저항복비를 갖는 고강도 API 열연강판 제조 방법은 중량%로, 탄소(C) : 0.05~0.09%, 실리콘(Si) : 0.1~0.3%, 망간(Mn) : 1.3~1.6%, 인(P) : 0.018% 이하, 황(S) : 0.003% 이하, 크롬(Cr) : 0.1~0.2%, 니켈(Ni) : 0.1~0.2%, 몰리브덴(Mo) : 0.1~0.3%, 티타늄(Ti) : 0.01~0.05%, 니오븀(Nb) : 0.05~0.1%, 바나듐(V) : 0.01~0.05% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 RDT(Roughing Delivery Temperature) : 950℃ ~ 850℃로 조압연한 후, FDT(Finishing Delivery Temperature) : 800℃ ~ Ar3 온도로 마무리 압연하는 열간압연 단계; 및 상기 열간압연된 판재를 CT(Coiling Temperature) : 600℃ ~ 550℃까지 냉각하여 권취하는 냉각/권취 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 열간압연 단계 이전에, 슬라브 판재를 SRT(Slab Reheating Temperature) : 1200 ~ 1250℃로 재가열하는 슬라브 재가열 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 저항복비를 갖는 고강도 API 열연강판은 중량%로, 탄소(C) : 0.05~0.09%, 실리콘(Si) : 0.1~0.3%, 망간(Mn) : 1.3~1.6%, 인(P) : 0.018% 이하, 황(S) : 0.003% 이하, 크롬(Cr) : 0.1~0.2%, 니켈(Ni) : 0.1~0.2%, 몰리브덴(Mo) : 0.1~0.3%, 티타늄(Ti) : 0.01~0.05%, 니오븀(Nb) : 0.05~0.1%, 바나듐(V) : 0.01~0.05% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지며, 하기 수학식 1 ~ 2를 만족하는 범위에서 실리콘(Si), 망간(Mn), 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo)을 포함하며, 페라이트, 에시큘라 페라이트 및 베이나이트를 포함하는 복합 조직을 갖는 것을 특징으로 한다.
수학식 1: [Mn]+[Cr]+[Mo] ≤ 1.95
수학식 2 : 6 ≤ [Mn]/[Si] ≤ 9
(여기서, [ ]는 각 원소의 중량%를 의미한다)
이때, 상기 열연강판은 하기 수학식 3을 만족하는 범위에서 니오븀(Nb) 및 바나듐(V)을 포함할 수 있다.
수학식 3 : [Nb]+[V] ≤ 0.12
또한, 상기 열연강판은 하기 수학식 4를 만족하는 범위에서 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 및 바나듐(V)을 포함할 수 있다.
수학식 4 : [Ti]+[Nb]+[V] ≤ 0.15
본 발명에 따른 저항복비를 갖는 고강도 API 열연강판 제조 방법은 니오븀, 바나듐, 티타늄과 같은 석출물 형성 원소나 망간, 크롬, 몰리브덴과 같은 경화능 향상 원소 등 합금 성분의 조절 및 조압연 과정과 함께 Ar3 직상에서의 저온압연을 통하여 785MPa 이상의 인장강도, 600MPa 이상의 항복강도 및 0.80 이하의 저항복비를 갖는 API 열연강판을 제조할 수 있었다.
따라서, 본 발명에 따라 제조된 저항복비를 갖는 고강도 API 열연강판은 API-5L X80 규격을 충분히 만족할 수 있으므로, 심해저나 극지방에서의 원유 수송관 등 폭넓은 활용도를 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 저항복비를 갖는 고강도 API 열연강판 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 방법으로 제조된 열연 시편의 미세조직을 나타낸 단면사진이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저항복비를 갖는 고강도 API 열연강판 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
고강도 API 열연강판
본 발명에 따른 저항복비를 갖는 고강도 API 열연강판은 심해저나 극지방에서 원유, 가스 등의 수송관 등으로 활용될 수 있도록, 미국석유협회(American Petroleum Institute : API)에서 규정한 API-5L X80의 기계적 물성인 인장강도(TS) 635MPa 이상, 항복강도 555MPa 이상 및 항복비 0.8 이하를 만족시키는 것을 목표로 한다.
이를 위하여, 본 발명에 따른 저항복비를 갖는 고강도 API 열연강판은 중량%로, 탄소(C) : 0.05~0.09%, 실리콘(Si) : 0.1~0.3%, 망간(Mn) : 1.3~1.6%, 인(P) : 0.018% 이하, 황(S) : 0.003% 이하, 크롬(Cr) : 0.1~0.2%, 니켈(Ni) : 0.1~0.2%, 몰리브덴(Mo) : 0.1~0.3%, 티타늄(Ti) : 0.01~0.05%, 니오븀(Nb) : 0.05~0.1% 및 바나듐(V) : 0.01~0.05%를 포함하며, 페라이트, 에시큘라 페라이트 및 베이나이트를 포함하는 복합 조직을 갖는다. 상기의 합금 성분들 외에 나머지는 철(Fe)과 제강 과정 등에서 불가피하게 포함되는 불순물로 이루어진다.
이하, 본 발명에 따른 저항복비를 갖는 고강도 API 열연강판에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다.
탄소(C)
탄소(C)는 강도를 확보하기 위하여 첨가된다.
상기 탄소는 본 발명에 따른 열연강판 전체 중량의 0.05 ~ 0.09 중량%로 첨가되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.07 중량%를 제시할 수 있다. 탄소의 함량이 0.05 중량% 미만일 경우 강도 보충을 위하여 첨가되는 다른 합금원소에도 불구하고 785MPa 이상의 인장강도를 확보하기 어려우며, 탄소의 함량이 0.09 중량%를 초과할 경우 인성이 상대적으로 크게 저하되는 문제점이 있다.
실리콘(Si)
실리콘은 강도 확보에 기여하며, 특히, 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제 역할을 한다.
상기 실리콘은 고유의 탈산 효과 및 표면 품질 등을 고려할 때 본 발명에 따른 열연강판 전체 중량의 0.1 ~ 0.3 중량%로 첨가되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.2 중량%를 제시할 수 있다. 실리콘의 함량이 0.1 중량% 미만일 경우 실리콘 첨가에 따른 탈산 효과가 불충분하다. 반대로, 실리콘의 함량이 0.3 중량%를 초과할 경우 강의 용접후 도금성을 저해할 수 있으며, 열간압연 시에 적 스케일(red scales)을 생성시킴으로써 표면 품질을 저하시키는 문제점이 있다.
망간(Mn)
망간(Mn)은 고용강화 원소로써 매우 효과적이며, 강의 경화능을 향상시켜서 강도 확보에 효과적인 원소이다. 또한 망간은 오스테나이트 안정화 원소로서, 페라이트, 펄라이트 변태를 지연시킴으로써 페라이트 결정립 미세화에 기여한다.
상기 망간은 강도 향상 효과 및 중심 편석 유발 등을 고려할 때 본 발명에 따른 API 열연강판 전체 중량의 1.3 ~ 1.6 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1.5 중량%를 제시할 수 있다.
통상 API-5L X80 강종에서는 망간의 함량이 1.8중량% 정도로 다소 높으나 이 경우 0.8 이하의 저항복비를 달성하기 어려우며, 이에 따라 본원 발명에서는 망간의 함량을 1.5 중량% 정도로 낮추었다. 대신 후술하는 크롬을 0.1 ~ 0.2 중량% 첨가하여 강도를 확보하였다.
본 발명에 따른 열연강판에서 망간의 첨가량이 1.3 중량% 미만일 경우 고용강화 효과가 미미하다. 반대로 망간의 첨가량이 1.6 중량%를 초과하면 항복비 상승과 함께 용접성을 크게 저하시킨다. 아울러, 망간의 첨가량이 1.6 중량%를 초과하면 MnS 개재물 생성 및 중심 편석(center segregation) 발생에 의하여 강의 연성을 크게 저하시키는 문제점이 있다.
인(P)
인(P)은 시멘타이트 형성을 억제하고, 강도를 증가시키기 위해 첨가된다.
그러나, 인은 용접성을 악화시키고, 슬라브 중심 편석(slab center segregation)에 의해 최종 재질 편차를 발생시키는 원인이 되므로, 상기 인(P)은 본 발명에 따른 열연강판 전체 중량의 0.018 중량% 이하의 범위 내에서 제한적으로 첨가되는 것이 바람직하다.
황(S)
황(S)은 강의 인성 및 용접성을 저해하고, 망간과 결합하여 MnS 비금속 개재물을 형성함으로써 강의 가공 중 크랙을 발생시키는 원소이다.
따라서, 황(S)의 함량은 본 발명에 따른 열연강판 전체 중량의 0.003 중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
크롬(Cr)
크롬(Cr)은 경화능 향상 원소로 첨가되어, 강의 강도를 향상시키는 역할을 한다.
상기 크롬은 본 발명에 따른 열연강판 전체 중량의 0.1 ~ 0.2 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 크롬의 함량이 0.1 중량% 미만일 경우 크롬 첨가에 따른 경화능 향상 효과가 불충분하다. 반대로, 크롬의 함량이 0.2 중량%를 초과할 경우 인성이 급격히 저하될 수 있는 문제가 있다.
니켈(Ni)
니켈(Ni)은 결정립을 미세화하고 오스테나이트 및 페라이트에 고용되어 기지를 강화시킨다. 특히 니켈은 저온 충격인성을 향상시키는데 효과적인 원소이다.
상기 니켈은 본 발명에 따른 열연강판 전체 중량의 0.1 ~ 0.2 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 니켈이 0.1 중량% 미만으로 첨가되면 니켈 첨가에 따른 강도 향상 및 저온 충격인성 향상 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반대로, 니켈(Ni)의 함량이 0.2 중량%를 초과하면 적열취성을 유발하는 문제점이 있다.
몰리브덴(Mo)
몰리브덴(Mo)은 경화능 증가를 통해 강도 확보에 기여한다.
상기 몰리브덴은 본 발명에 따른 열연강판 전체 중량의 0.1 ~ 0.3 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 몰리브덴의 함량이 0.1 중량% 미만일 경우 그 첨가 효과를 충분히 발휘할 수 없다. 반대로, 몰리브덴의 함량이 0.3 중량%를 초과할 경우 제조되는 강판의 인성이 저하될 수 있으며, 또한 강판 제조 원가를 크게 상승시키는 문제점이 있다.
티타늄(Ti)
본 발명에서 티타늄(Ti)은 니오븀(Nb), 바나듐(V)과 함께 석출물 형성원소로서, 슬라브 재가열시 TiN을 형성하여 오스테나이트 결정립 성장을 억제하여 강도를 증대시키는 역할을 한다. 특히, TiN 석출물은 높은 용해온도로 인하여 고온에서 쉽게 용해되지 않으며, 이로 인해 용접 열영향부(HAZ)에서 결정립을 미세화시키는 역할을 한다.
상기 티타늄은 본 발명에 따른 열연강판 전체 중량의 0.01 ~ 0.05 중량%로 첨가되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.02 중량%를 제시할 수 있다. 티타늄의 함량이 0.01 중량% 미만이면 상기의 티타늄 첨가 효과가 미미하고, 티타늄의 함량이 0.05 중량%를 초과하면 TiN석출물이 조대해져 결정립 성장을 억제하는 효과가 저하되고, 제조되는 API 열연강판의 표면 결함을 유발시킬 수 있다.
니오븀(Nb)
니오븀(Nb)은 석출물 형성원소로서 강의 강도에 가장 큰 영향을 주는 원소 중 하나이며, 강 중에 탄질화물을 석출하거나 Fe 내 고용강화를 통하여 강의 강도를 향상시키는 원소이다. 특히, 니오븀계 석출물들은 슬라브 재가열시 1200℃ 이상의 가열로에서 고용된 후 열간압연 중 미세하게 석출하여 강의 강도를 효과적으로 증가시킨다.
상기 니오븀은 본 발명에 따른 열연강판 전체 중량의 0.05 ~ 0.1 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 니오븀의 함량이 0.05 중량% 미만일 경우에는 니오븀 첨가에 따른 강도 향상 효과가 불충분하다. 반면, 니오븀의 함량이 0.1 중량%를 초과할 경우 과다한 석출로 인하여 연주성, 압연성 및 연신율을 저하시킬 수 있다.
바나듐(V)
바나듐(V)은 고용강화 및 저온에서 니오븀(Nb)과 함께 복합 석출물 형성을 통해 강도 향상에 기여한다.
상기 바나듐은 본 발명에 따른 열연강판 전체 중량의 0.01 ~ 0.05 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 바나듐은 0.01 중량% 이상 첨가될 때, 그 효과를 충분히 발휘한다. 반면, 바나듐을 0.05 중량%를 초과하여 첨가할 경우 제조 비용 상승과 함께 용접성을 저하시키고, 저온에서의 과다한 석출에 의하여 권취시 문제를 발생할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 저항복비를 갖는 고강도 API 열연강판은 하기 수학식 1 ~ 2를 만족하는 범위에서 실리콘(Si), 망간(Mn), 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo)을 포함하는 것이 바람직하다.
수학식 1: [Mn]+[Cr]+[Mo] ≤ 1.95
수학식 2 : 6 ≤ [Mn]/[Si] ≤ 9 (여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)
수학식 1에서, 망간(Mn), 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo)의 합산 함량이 본 발명에 따른 열연강판 전체 중량의 1.95중량%를 초과하는 경우, 항복강도 및 항복비가 과도하게 상승하여 인성과 용접성에 악영향을 끼치며, 원가가 상승하는 문제점이 있다.
또한, 수학식 2에서 실리콘(Si)의 함량 대비, 망간(Mn)의 함량 비율이 6 ~ 9일 때 가장 우수한 용접성을 나타내며, 실리콘(Si)의 함량 대비, 망간(Mn)의 함량 비율이 6 미만일 경우 혹은 9를 초과할 경우 고온에서 안정한 MnO, SiO2 산화물을 생성시킴으로써 전기저항용접(ERW)시 훅 크랙(Hook crack)을 유발하여 용접부 품질을 크게 저하시키는 문제점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 저항복비를 갖는 고강도 API 열연강판은 하기 수학식 3을 만족하는 범위에서 니오븀(Nb) 및 바나듐(V)을 포함하는 것이 바람직하다.
수학식 3 : [Nb]+[V] ≤ 0.12
니오븀(Nb)과 바나듐(V)은 석출물 형성 원소로 강의 강도를 증가시키는데 효과적인 원소들이다. 수학식 3에서 니오븀(Nb)과 바나듐(V)의 합산 함량이 0.12를 초과하는 경우, 제조 비용의 상승 및 항복비 상승 등이 문제될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 저항복비를 갖는 고강도 API 열연강판은 하기 수학식 4를 만족하는 범위에서, 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 및 바나듐(V)을 포함하는 것이 바람직하다.
수학식 4 : [Ti]+[Nb]+[V] ≤ 0.15
수학식 4에서, 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 및 바나듐(V)의 합산 함량이 0.15를 초과하는 경우, API 규격에 어긋날 뿐만 아니라 항복비 상승 등이 문제될 수 있다.
고강도 API 열연강판 제조 방법
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고강도 API 열연강판 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 도시된 본 발명에 따른 저항복비를 갖는 고강도 API 열연강판 제조 방법은 열간압연 단계(S110) 및 냉각/권취 단계(S120)를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 저항복비를 갖는 고강도 API 열연강판 제조 방법은 열간압연 단계(S110) 이전에 슬라브 재가열 단계(S105)를 더 포함할 수 있다.
열간압연
열간압연 단계(S110)에서는 중량%로, 탄소(C) : 0.05~0.09%, 실리콘(Si) : 0.1~0.3%, 망간(Mn) : 1.3~1.6%, 인(P) : 0.018% 이하, 황(S) : 0.003% 이하, 크롬(Cr) : 0.1~0.2%, 니켈(Ni) : 0.1~0.2%, 몰리브덴(Mo) : 0.1~0.3%, 티타늄(Ti) : 0.01~0.05%, 니오븀(Nb) : 0.05~0.1%, 바나듐(V) : 0.01~0.05% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 RDT(Roughing Delivery Temperature) : 950℃ ~ 850℃로 조압연한 후, FDT(Finishing Delivery Temperature) : 800℃ ~ Ar3 온도로 마무리 압연한다.
슬라브 판재는 제강공정을 통해 원하는 조성의 용강을 얻은 다음에 연속주조공정을 통해 얻어질 수 있다.
이때, 슬라브 판재는 하기 수학식 1 ~ 2를 만족하는 범위에서 실리콘(Si), 망간(Mn), 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo)을 포함할 수 있다.
수학식 1: [Mn]+[Cr]+[Mo] ≤ 1.95, 수학식 2 : 6 ≤ [Mn]/[Si] ≤ 9 (여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)
또한, 슬라브 판재는 하기 수학식 3을 만족하는 범위에서 니오븀(Nb) 및 바나듐(V)을 포함할 수 있다.
수학식 3 : [Nb]+[V] ≤ 0.12
또한, 슬라브 판재는 하기 수학식 4를 만족하는 범위에서, 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 및 바나듐(V)을 포함할 수 있다.
수학식 4 : [Ti]+[Nb]+[V] ≤ 0.15
한편, 상기 열간압연 단계 이전에, 슬라브 판재를 SRT(Slab Reheating Temperature) : 1200 ~ 1250℃로 재가열하는 슬라브 재가열 단계(S105)를 더 포함할 수 있다.
슬라브 판재의 재가열을 통하여, 주조 시 편석된 성분의 재고용 및 석출물의 재고용이 발생할 수 있다.
슬라브 판재의 재가열 온도(SRT)는 1200 ~ 1250 ℃인 것이 바람직하다. 슬라브 재가열 온도(SRT)가 1200℃ 미만이면 주조 시 편석된 성분이 충분히 재고용되지 못하고, 니오븀(Nb) 등의 석출물 용해가 충분치 이루어지지 않는 문제점이 있다. 반대로 슬라브 재가열 온도(SRT)가 1250℃를 초과하면 오스테나이트 결정입도가 증가하여 최종 미세 조직의 페라이트가 조대화되어 강도 확보가 어려울 수 있으며, 과도한 가열 공정으로 인하여 강판의 제조 비용만 상승할 수 있다.
본 발명에서 열간압연 단계(S110)는 다시 조압연 과정 및 마무리압연 과정으로 구분된다.
조압연 과정은 미재결정영역에서의 압하율을 충분히 확보하고, 결정립을 미세화를 통한 저온 충격 인성을 향상시키기 위하여 실시된다.
이때, 조압연 온도(RDT)는 950℃ 이하인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 950 ~ 850℃를 제시할 수 있다. 조압연 온도(RDT)가 950℃를 초과할 경우, 충분한 압하율 확보가 어려운 문제점 등이 있다.
마무리 압연 과정에서 마무리 압연 온도(FDT)는 대략 750℃ 정도인 Ar3 온도 직상에 해당하는 800℃ 이하인 것이 바람직하다. 마무리 압연 온도(FDT)가 800℃를 초과할 경우 페라이트 결정립 미세화가 충분히 이루어지지 않으며, 이에 따라 강도 확보가 어려워질 수 있다.
냉각/권취
냉각/권취 단계(S120)에서는 열간압연된 판재를 CT(Coiling Temperature) : 600℃ ~ 550℃까지 냉각하여 권취한다.
본 발명에서 냉각 과정은 압연된 판재를 수냉 등의 방식을 통하여 600℃ ~ 550℃까지 냉각함으로써, 강판의 결정립 성장을 억제하여 미세한 페라이트 결정립을 가지는 기지 조직을 형성시키고, 또한 에시큘라 페라이트와 미세한 베이나이트 조직을 형성시켜 고강도 및 고인성을 확보하기 위하여 실시된다. 냉각 속도는 대략 1~100℃/sec 정도가 될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 권취 온도(CT)는 600℃ 이하, 보다 바람직하게는 600 ~ 550℃인 것이 바람직하다. 권취 온도(CT)가 600℃를 초과할 경우, 강도가 불충분하며, 반대로, 권취 온도(CT)가 550℃ 미만일 경우 충분한 강도를 확보할 수 있으나, 고인성 확보가 어려운 문제점이 있다 .
상기 과정을 통하여 제조되는 고강도 API 열연강판은 페라이트, 에시큘라(acicular) 페라이트와 베이나이트 복합조직을 가질 수 있다. 또한 약간의 펄라이트 가 포함될 수 있다. 페라이트의 경우, 10㎛ 이하의 평균 결정립의 사이즈를 가질 수 있다.
또한, 제조되는 고강도 API 열연강판은 인장강도(TS) : 785 MPa 이상 및 항복강도(YS) : 600 MPa 이상의 고강도를 가질 수 있으며, 아울러 항복비(YS/TS) : 0.8 이하를 가질 수 있어, API-5L X80 규격(인장강도 635MPa 이상, 항복강도 555MPa 이상 및 항복비 0.93 이하)을 충족시킬 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 API 열연강판의 고강도 특성은 본 발명에 포함되는 니오븀(Nb), 바나듐(V), 티타늄(Ti) 등의 석출물 형성원소 및 망간(Mn), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 등의 경화능 향상원소의 함량비를 조절하고, 열간압연 공정을 제어함으로써, 제조되는 열연강판의 최종 미세조직이 도 2에 도시된 바와 같이 페라이트(ferrite), 에시큘라 페라이트(acicular ferrite) 및 베이나이트(bainite) 복합 조직이며, 페라이트의 평균 결정립 사이즈가 10㎛ 이하로 미세한 것으로부터 얻어질 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 열연 시편의 제조
표 1에 기재된 조성 및 표 2에 기재된 공정 조건으로 실시예 1 및 비교예 1에 열연시편을 제조하였다.
실시예 1 및 비교예 1에 따른 열연시편의 경우, 각각의 조성을 갖는 잉곳을 제조하고, 이를 압연모사시험기를 이용하여 가열, 조압연(비교예 1에서는 미실시), 마무리 압연, 냉각(수냉) 등의 열연공정을 모사하고 및 권취로에 장입하였다.
[표 1] (단위 : 중량%)
Figure pat00001
[표 2]
Figure pat00002

2. 기계적 특성 평가
실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 열연 시편의 재질을 평가하기 위하여 인장 시험을 실시하였다.
표 2를 참조하면, 실시예 1에 따라 제조된 열연 시편의 경우 인장강도(TS)가 802 MPa 이상이었으며, 항복강도(YS)가 640.5 MPa이었다.
반면, 비교예 1에 따라 제조된 열연 시편의 경우 인장강도(TS)가 713.2 MPa, 항복강도(YS)가 670.7로서 실시예 1에 비하여 다소 낮았으며, 특히 비교예 1의 경우, 항복비(YS/TS)가 0.94로서, 실시예 1에 비하여 현저히 높았다.
이러한, 본 발명에 해당하는 실시예 1에 따라 제조된 열연 시편의 우수한 강도 및 저항복비는 합금 성분의 제어 및 Ar3 직상에서의 저온압연 및 저온 영역에서의 권취를 통하여, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이 미세 조직이 미세 페라이트, 에시큘라 페라이트 및 베이나이트 복합 조직을 형성하였기 때문이라 볼 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 방법으로 제조된 열연 시편의 미세조직을 나타낸 단면사진이다.
도 2를 참조하면, 실시예 1에 따른 방법으로 제조된 열연 시편의 미세 조직은 미세 페라이트와, 에시큘라 페라이트 및 베이나이트 복합 조직으로 이루어져 있으며, 약간의 펄라이트가 형성되어 있는 것을 볼 수 있다. 이때, 페라이트의 평균 결정립 사이즈는 10㎛ 이하로서 미세하였다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 제조 방법으로 제조된 고강도 API 열연강판은 785 MPa 이상의 인장강도(TS), 600 MPa 이상의 항복강도(YS) 및 0.8 이하의 저항복비를 가짐으로써 API-5L X80 규격을 만족할 수 있으며, 제조된 API 열연강판은 심해저나 극지방에서의 원유 등의 수송관으로 활용할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 제조 방법으로 제조된 고강도 API 열연강판은 낮은 망간 함량과 함께 적정량의 크롬을 첨가함으로써 0.8 이하의 저항복비를 확보할 수 있다. 따라서, 인장강도 향상에 효과를 부여할 수 있어, 강관 구조물의 안정성을 높일 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
S105 : 슬라브 재가열 단계
S110 : 열간압연 단계
S120 : 냉각/권취 단계

Claims (12)

  1. 중량%로, 탄소(C) : 0.05~0.09%, 실리콘(Si) : 0.1~0.3%, 망간(Mn) : 1.3~1.6%, 인(P) : 0.018% 이하, 황(S) : 0.003% 이하, 크롬(Cr) : 0.1~0.2%, 니켈(Ni) : 0.1~0.2%, 몰리브덴(Mo) : 0.1~0.3%, 티타늄(Ti) : 0.01~0.05%, 니오븀(Nb) : 0.05~0.1%, 바나듐(V) : 0.01~0.05% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 RDT(Roughing Delivery Temperature) : 950℃ ~ 850℃로 조압연한 후, FDT(Finishing Delivery Temperature) : 800℃ ~ Ar3 온도로 마무리 압연하는 열간압연 단계; 및
    상기 열간압연된 판재를 CT(Coiling Temperature) : 600℃ ~ 550℃까지 냉각하여 권취하는 냉각/권취 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 API(American Petroleum Institute) 열연강판 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열간압연 단계 이전에, 슬라브 판재를 SRT(Slab Reheating Temperature) : 1200 ~ 1250℃로 재가열하는 슬라브 재가열 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 API 열연강판 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 슬라브 판재는
    하기 수학식 1 ~ 2를 만족하는 범위에서 실리콘(Si), 망간(Mn), 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 API 열연강판 제조 방법.
    수학식 1: [Mn]+[Cr]+[Mo] ≤ 1.95
    수학식 2 : 6 ≤ [Mn]/[Si] ≤ 9 (여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)
  4. 제3항에 있어서,
    상기 슬라브 판재는
    하기 수학식 3을 만족하는 범위에서 니오븀(Nb) 및 바나듐(V)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 API 열연강판 제조 방법.
    수학식 3 : [Nb]+[V] ≤ 0.12 (여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)
  5. 제4항에 있어서,
    상기 슬라브 판재는
    하기 수학식 4를 만족하는 범위에서, 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 및 바나듐(V)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 API 열연강판 제조 방법.
    수학식 4 : [Ti]+[Nb]+[V] ≤ 0.15 (여기서 [ ]는 각 원소의 중량%)
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제조되는 열연강판의 최종 미세조직은
    페라이트, 에시큘라 페라이트 및 베이나이트를 포함하는 복합 조직인 것을 특징으로 하는 고강도 API 열연강판 제조 방법.
  7. 중량%로, 탄소(C) : 0.05~0.09%, 실리콘(Si) : 0.1~0.3%, 망간(Mn) : 1.3~1.6%, 인(P) : 0.018% 이하, 황(S) : 0.003% 이하, 크롬(Cr) : 0.1~0.2%, 니켈(Ni) : 0.1~0.2%, 몰리브덴(Mo) : 0.1~0.3%, 티타늄(Ti) : 0.01~0.05%, 니오븀(Nb) : 0.05~0.1%, 바나듐(V) : 0.01~0.05% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지며,
    하기 수학식 1 ~ 2를 만족하는 범위에서 실리콘(Si), 망간(Mn), 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo)을 포함하며,
    페라이트, 에시큘라 페라이트 및 베이나이트를 포함하는 복합 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 고강도 API 열연강판.
    수학식 1: [Mn]+[Cr]+[Mo] ≤ 1.95
    수학식 2 : 6 ≤ [Mn]/[Si] ≤ 9 (여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)
  8. 제7항에 있어서,
    상기 열연강판은
    하기 수학식 3을 만족하는 범위에서 니오븀(Nb) 및 바나듐(V)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 API 열연강판.
    수학식 3 : [Nb]+[V] ≤ 0.12 (여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)
  9. 제8항에 있어서,
    상기 열연강판은
    하기 수학식 4를 만족하는 범위에서, 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 및 바나듐(V)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 API 열연강판.
    수학식 4 : [Ti]+[Nb]+[V] ≤ 0.15 (여기서 [ ]는 각 원소의 중량%)
  10. 제7항에 있어서,
    상기 페라이트는
    평균 결정립 사이즈가 10㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 고강도 API 열연강판 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 열연강판은
    인장강도(TS) : 785 MPa 이상 및 항복강도(YS) : 600 MPa 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 고강도 API 열연강판.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 열연강판은
    항복비(YS/TS) : 0.80 이하를 갖는 것을 특징으로 하는 고강도 API 열연강판.
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