KR20120132792A - 고강도 강재 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20120132792A
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박영국
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현대제철 주식회사
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Abstract

본 발명은 탄소 0.06 중량% 내지 0.08 중량%, 실리콘 0.15 중량% 내지 0.25 중량%, 망간 1.20 중량% 내지 1.30 중량%, 인 0.015 중량% 이하, 황 0.015 중량% 이하, 니켈 0.30 중량% 내지 0.40 중량%, 크롬 0.10 중량% 이하, 구리 0.15 중량% 이하, 바나듐 0.015 중량% 내지 0.025 중량%, 티타늄 0 중량%, 알루미늄 0.04 중량% 내지 0.05 중량%, 니오븀 0.04 중량% 내지 0.05 중량%, 질소 0.008 중량% 내지 0.012 중량% 및 잔부의 철을 포함하는 고강도 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 강재의 화학성분을 조절하고 압연 조건 등의 제어를 통해 450MPa 이상의 항복 강도, 500MPa 이상의 인장강도, 25% 이상의 연신율 및 -40℃에서 200J 이상의 충격치를 갖는 고강도 강재를 구현할 수 있다.

Description

고강도 강재 및 그 제조방법{High strength steel and method for manufacturing the same}
본 발명은 고강도 강재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저온 충격 특성이 우수한 고강도 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
극지방 등의 저온에서 사용하기 위한 구조용 강재의 경우 안정성 확보 측면에서 고강도 및 저온에서의 우수한 충격치가 요구된다. 또한, 액화천연가스(LNG: Liqufied Natural Gas) 등의 가스 수송용 선박, 극지방을 오가는 콘테이너선 등의 선박용 강재의 경우에도 저온충격치를 보증할 필요가 있다.
저온 충격치가 우수한 고강도 강재를 구현하기 위해서는 강재를 구성하는 화학성분과 압연 조건 등의 제조 공정에 대한 면밀한 제어가 필요하다.
상기한 기술구성은 본 발명의 이해를 돕기 위한 배경기술로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 종래기술을 의미하는 것은 아니다.
본 발명은 저온 충격 특성이 우수한 고강도 강재 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면은 고강도 강재에 관한 것이다. 상기 고강도 강재는 탄소 0.06 중량% 내지 0.08 중량%, 실리콘 0.15 중량% 내지 0.25 중량%, 망간 1.20 중량% 내지 1.30 중량%, 인 0.015 중량% 이하, 황 0.015 중량% 이하, 니켈 0.30 중량% 내지 0.40 중량%, 크롬 0.10 중량% 이하, 구리 0.15 중량% 이하, 바나듐 0.015 중량% 내지 0.025 중량%, 티타늄 0 중량%, 알루미늄 0.04 중량% 내지 0.05 중량%, 니오븀 0.04 중량% 내지 0.05 중량%, 질소 0.008 중량% 내지 0.012 중량% 및 잔부의 철을 포함한다.
구체적으로, 상기 강재는 탄소 0.07 중량%, 실리콘 0.2 중량%, 망간 1.25 중량%, 인 0.01 중량%, 구리 0.1 중량%, 크롬 0.05 중량%, 바나듐 0.02 중량%, 질소 0.011 중량%를 포함할 수 있다.
상기 강재는 450MPa 이상의 항복강도, 500MPa 이상의 인장강도, 25% 이상의 연신율 및 -40℃에서 200J 이상의 충격치를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 고강도 강재 제조방법에 관한 것이다. 상기 고강도 강재 제조방법은 탄소 0.06 중량% 내지 0.08 중량%, 실리콘 0.15 중량% 내지 0.25 중량%, 망간 1.20 중량% 내지 1.30 중량%, 인 0.015 중량% 이하, 황 0.015 중량% 이하, 니켈 0.30 중량% 내지 0.40 중량%, 크롬 0.10 중량% 이하, 구리 0.15 중량% 이하, 바나듐 0.015 중량% 내지 0.025 중량%, 티타늄 0 중량%, 알루미늄 0.04 중량% 내지 0.05 중량%, 니오븀 0.04 중량% 내지 0.05 중량%, 질소 0.008 중량% 내지 0.012 중량% 및 잔부의 철을 포함하는 소재를, 1,150℃ 내지 1,250℃에서 재가열하는 단계; 상기 소재를 가열로에서 추출 후 60% 내지 80%의 총 압하량으로 압연하는 단계; 및 상기 소재를 수냉하는 단계를 포함한다.
상기 소재를 1,150℃ 내지 1,250℃에서 재가열하는 단계에서, 가열시간은 1시간 내지 3시간일 수 있다.
상기 소재를 가열로에서 추출 후 60% 내지 80%의 총 압하량으로 압연하는 단계에서, 상기 압연을 시작하는 온도는 1,080℃ 내지 1,120℃일 수 있다.
상기 소재를 가열로에서 추출 후 60% 내지 80%의 총 압하량으로 압연하는 단계는, 총 압하량의 50% 내지 70%를 1차 압연하는 단계와 상기 소재의 재결정 온도 이하에서 총 압하량의 30% 내지 50%를 2차 압연하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 소재를 수냉하는 단계에서, 상기 수냉은 8℃/초 내지 12℃/초의 냉각속도로 수행될 수 있다.
상기 소재를 수냉하는 단계에서, 상기 수냉 종료 온도는 630℃ 내지 670℃일 수 있다.
상기 1차 압연의 전부 또는 일부는 조압연기에서 수행되고, 상기 2차 압연은 사상압연기에서 수행될 수 있다.
본 발명에 따르면 강재의 화학성분을 조절하고 압연 조건 등의 제어를 통해 450MPa 이상의 항복 강도, 500MPa 이상의 인장강도, 25% 이상의 연신율 및 -40℃에서 200J 이상의 충격치를 갖는 고강도 강재를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고강도 강재 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열연장치의 사시도이다.
이하 본 발명에 따른 고강도 강재 및 그 제조방법의 일 실시예를 설명한다. 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명은 탄소 0.06 중량% 내지 0.08 중량%, 실리콘 0.15 중량% 내지 0.25 중량%, 망간 1.20 중량% 내지 1.30 중량%, 인 0.015 중량% 이하, 황 0.015 중량% 이하, 니켈 0.30 중량% 내지 0.40 중량%, 크롬 0.10 중량% 이하, 구리 0.15 중량% 이하, 바나듐 0.015 중량% 내지 0.025 중량%, 티타늄 0 중량%, 알루미늄 0.04 중량% 내지 0.05 중량%, 니오븀 0.04 중량% 내지 0.05 중량%, 질소 0.008 중량% 내지 0.012 중량% 및 잔부의 철을 포함하는 고강도 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 강재의 성분계를 조절하고 압연 조건의 제어를 통해, 450MPa 이상의 항복강도(YS: Yield Strength), 500MPa 이상의 인장강도(TS: Tensile Strength), 25% 이상의 연신율(EL: Elongation ratio) 및 -40℃에서 200J 이상의 충격치를 가지는 고강도 강재를 구현할 수 있다.
이하, 본 발명의 고강도 강재를 구성하는 화학성분의 한정 범위 및 그 한정 이유에 대해서 설명한다.
(1) 탄소(C) : 0.06 중량% 내지 0.08 중량%
탄소는 전체 조성물에 대해 0.06 중량% 내지 0.08 중량% 포함된다. 탄소는 강재의 강도와 인성을 확보하기 위해 첨가될 수 있다. 탄소 함량이 증가하면 A1, A3 변태온도가 낮아져 소입성이 증가하여 담금질(Quenching) 경도를 향상시키지만 담금질 시 변형유발 가능성을 크게 한다. 탄소는 철, 크롬, 몰리브덴, 바나듐 등의 원소와 화합하여 탄화물을 형성함으로써 강도 및 경도를 향상시킨다. 탄소의 함량이 0.06 중량% 미만일 경우에는 강도 및 경도 향상 효과가 미미하고, 탄소의 함량이 0.08 중량%를 초과하면 인성이 나빠지고 담금질시 변형유발 가능성이 커지므로 상기 함량 범위가 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.07 중량%의 탄소를 포함할 수 있다.
(2) 실리콘(Si) : 0.15 중량% 내지 0.25중량%
실리콘은 페라이트 안정화 원소이면서 탄소의 활동도를 향상시켜주는 원소이다. 열처리 시 펄라이트 조직의 시멘타이트 내의 탄소 이동을 도와 그 조직 내의 탄소 함량을 적어지게 하여 인성과 연성을 향상시켜 준다. 또한, 실리콘은 제강 공정 중에 강 중의 산소를 제거하는 탈산제로 첨가될 수 있다. 또한, 실리콘은 고용강화 효과에 의해 강도를 상승시킬 수 있다. 함량이 높을수록 강도는 증가하지만, 0.15 중량%보다 적게 첨가될 경우 탈산 효과의 저하가 발생할 수 있고, 0.25 중량%를 초과하는 경우에는 인성을 열화시킬 수 있으므로 상기 함량 범위로 포함되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.20 중량% 포함될 수 있다.
(3) 망간(Mn) : 1.20 중량% 내지 1.30 중량%
망간은 고용 강화에 의해 강도를 향상시키는 원소로 첨가될 수 있다. 또한, 오스테나이트 안정화 원소로 A3 온도를 낮추어 압연 영역을 확대할 수 있고, 압연에 의한 결정립을 미세화시켜 강도 및 인성을 향상시킬 수 있다. 망간은 1.20 중량% 미만으로 첨가될 때 강도 향상에 기여하는 효과가 저하될 수 있고, 1.30 중량%를 초과하여 첨가될 경우 담금질 균열이나 강재 사용 시 용접부의 인성이 취약해 질 수 있다. 따라서, 망간은 1.20 중량% 내지 1.30 중량% 첨가되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 1.25 중량% 포함될 수 있다.
(4) 인(P) : 0.015 중량% 이하
인은 탁월한 고용강화 효과 및 내식성에 유리한 성분이다. 0.015 중량%를 초과하여 첨가될 경우 철과 결합하여 인화철(Fe3P)을 형성할 수 있는데, 이 화합물은 입계에 편석되어 풀림 처리를 해도 균질화되지 않고 충격저항을 감소시키며, 템퍼링 취성을 촉진한다. 따라서, 0.015 중량% 이하로 포함되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.010 중량% 이하로 포함될 수 있다.
인은 포함되지 않을 수도 있으나, 제강 공정의 한계 상 불가피하게 포함될 수도 있다.
(5) 황(S) : 0.015 중량% 이하
황은 일반적으로 망간, 아연, 티타늄, 몰리브덴과 결합하여 강의 피삭성을 개선시킨다. 0.015 중량%를 초과할 경우, 황화망간(MnS)과 같은 유화물계 개재물의 형성을 야기하여 열간 내지 냉간압연시 균열을 일으킬 수 있고, 샤르피 충격 흡수 에너지를 저하시켜 충격치를 저하시키는 원소로 작용할 수 있다. 따라서, 0.015 중량% 이하로 포함되는 것이 바람직하다.
황은 포함되지 않을 수도 있으나, 제강 공정의 한계 상 불가피하게 포함될 수도 있다.
(6) 니켈(Ni) : 0.30 중량% 내지 0.40 중량%
니켈은 결정립을 미세화하고 오스테나이트 및 페라이트에 고용되어 기지를 강화시킬 수 있다. 이에 따라 강재의 강도와 인성을 향상시킬 수 있다. 니켈은 0.30중량% 이상 첨가될 때 인성을 향상시키는 데 효과적이나, 고가 원소이고 과다 첨가 시 취성을 유발할 수 있으므로, 0.40중량% 이하로 포함되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 약 0.35 중량% 포함될 수 있다.
(7) 크롬(Cr) : 0.10 중량% 이하
크롬은 일반적으로 강의 내식성, 내산화성, 내유화성을 향상시킨다. 그러나 과다하게 첨가시 σ상이라고 하는 비자성의 취약한 상이 나타날 수 있으므로 0.10 중량% 이하로 포함되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.05 중량% 이하로 포함될 수 있다.
크롬은 포함되지 않을 수도 있으나, 제강 공정의 한계 상 불가피하게 포함될 수도 있다.
(8) 구리(Cu) : 0.15 중량% 이하
구리는 강재 내에 잔류할 수 있는 순환성 원소(Tramp element)로서 제강 공정에서 완전히 제거할 수 없는 불순물이다. 구리는 오스테나이트 안정화 원소로서 변태온도를 낮추어 소입성을 증가시킨다. 또한, 페라이트에 고용되어 강도 및 경도를 증가시키지만 연신율을 저하시키는 작용을 할 수도 있다. 다량 포함 시, 강의 연신율 및 표면 품질을 저하시킬 수 있으므로 0.15 중량% 이하로 포함되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.10 중량% 이하로 포함될 수 있다.
구리는 포함되지 않을 수도 있으나, 제강 공정의 한계 상 불가피하게 포함될 수도 있다.
(9) 바나듐(V) : 0.015 중량% 내지 0.025 중량%
바나듐은 냉각 중 탄소와 결합하여 바나듐카바이드(VC)를 형성하여 석출 강화 및 결정립 성장 억제에 기여할 수 있다. 바나듐은 뜨임저항성을 증가시켜 강도, 인성 등의 기계적 성질을 전반적으로 향상시킨다. 소량 첨가시 기계적 성질 향상 효과가 미미하고, 과량 첨가시 경화능을 감퇴시키므로 0.015 중량% 내지 0.025 중량% 포함되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.020 중량% 포함될 수 있다.
(10) 알루미늄(Al) : 0.04 중량% 내지 0.05 중량%
알루미늄은 탈산제 성분으로 첨가될 수 있으며 질화물인 알루미늄나이트라이드(AlN)를 석출시켜 강의 결정립 미세화에 효과적이다. 또한, 고온산화 방지 및 내유화성에 효과적이며, 강 중의 용존 산소량을 낮춰 용존 산소량이 낮은 상태로 유지하는 기능을 수행할 수 있다. 0.05 중량%를 초과하여 첨가될 경우, 연주 불량, 산화알루미늄의 과다 생성으로 충격 인성 저하와 같은 문제가 발생할 수 있고, 0.04 중량% 미만으로 첨가될 경우, 탈산 기능이 저하될 수 있으므로, 0.04 중량% 내지 0.05 중량% 범위에서 첨가되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.045 중량% 포함될 수 있다.
(11) 니오븀(Nb) : 0.04 중량% 내지 0.05 중량%
니오븀은 니오븀카바이드(NbC) 또는 니오븀카보나이트라이드(NbCN) 형태로 석출되어 모재의 강도를 향상시키는 원소로 첨가될 수 있다. 압연 시 결정립 성장을 억제하여 결정립을 미세화시키므로 인성 향상 및 압연 냉각 후의 석출 강화 효과를 유도할 수 있다. 0.04 중량% 미만으로 첨가될 때 효과가 미미하고, 0.05 중량%를 초과하여 첨가될 경우 취성 크랙을 유도할 수 있어, 0.04 중량% 내지 0.05 중량% 첨가되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.045 중량% 포함될 수 있다.
(12) 질소(N) : 0.008 중량% 내지 0.012 중량%
질소는 탄소와 동일하게 침입형 원소이고 강 중에서의 확산속도가 빠르다. 질소는 강의 인장강도, 항복강도를 증가시키며, 다른 합금원소와 결합하여 질화물을 형성하여 오스테나이트 결정립 미세화에 기여한다. 그러나 과량의 질소는 고온 인성을 해치므로 0.012 중량% 이하로 포함되는 것이 바람직하며, 질소 함량의 제어는 제강 부하를 증가시키기 때문에 하한을 0.008 중량%로 제한하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.010 중량% 내지 0.011 중량% 포함될 수 있다.
본 발명의 고강도 강재는 전술한 성분들을 포함하고, 나머지의 잔부량으로 철(Fe)을 포함한다. 또한, 불가피하게 포함되는 원소들이 혼입될 수도 있으나, 이러한 원소들은 원료, 자재, 제조설비 등에서 불가피하게 혼입되는 원소들이다.
한편, 본 발명에 따른 고강도 강재는 티타늄(Ti)을 포함하지 않는다. 즉, 0 중량% 포함한다. 티타늄은 산소, 질소, 탄소, 황 등과 강한 친화력을 나타내므로 탈산제, 탈질제, 탈유제로서 흔히 사용된다. 또한, 티타늄은 니오븀과 마찬가지로 페라이트 안정화 원소이며 결정립을 미세화시키는 원소이다. 본 발명은 티타늄을 포함시키지 않아 강재의 비용을 절감하면서도 고강도를 구현할 수 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 고강도 강재 및 그 제조방법의 일 실시예를 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고강도 강재 제조방법을 설명하기 위한 도면이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열연장치의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 먼저 소재를 (재)가열한다. 본 발명에서 잉곳(Ingot), 슬라브(Slab), 바(Bar), 스트립(Strip) 등의 재료를 가리키는 용어로 소재를 사용하도록 한다. 상기 소재의 형태는 일정하지 않고 열간압연을 진행하는 동안에 그 두께, 길이 등이 변경될 수 있다.
가열로에서의 소재의 온도, 즉 재가열 온도(T1)는 1,150℃ 내지 1,250℃가 바람직하다. 재가열 온도가 1,150℃ 보다 낮을 경우 압연 부하가 커질 수 있고, 1,250℃ 보다 높을 경우 오스테나이트 결정립이 조대화되어 강도 확보가 어려울 수 있다. 가열로에서의 가열시간은 1시간 내지 3시간, 바람직하게는 2시간 정도일 수 있다. 상기 온도범위에서 압연 부하를 줄일 수 있고, 결정립의 조대화를 방지하여 강도 확보에 유리하다. 가열에 의해 주조시 편석된 성분을 재고용한 후, 가열로에서 추출한다.
가열로에서 소재를 추출한 후 60% 내지 80%의 총 압하량으로 압연하며, 1차 압연과 2차 압연으로 나누어 진행하는 것이 바람직하다.
먼저, 1차 압연이 시작되는 1차 압연 시작온도(T2)는 1,080℃ 내지 1,120℃로 설정한다. 1차 압연은 재결정 온도 이상의 온도 범위에서 이루어지므로, 결정립 크기가 작게 구현된다. 즉, 1차 압연에 의해 결정립이 깨지고 재결정되고 성장하는 과정들이 반복되어 결정립 크기가 작아지게 된다. 즉, 최종 제품의 기계적 특성 향상을 위해서는 조직의 결정립 크기를 줄여줘야 하며 이를 위해서 페라이트 변태 이전의 고온에서 오스테나이트의 크기를 줄여줘야 한다. 즉, 결정립 크기를 줄여주기 위해 1차 압연을 한다.
총 압하량의 80% 미만으로 1차 압연 시에는 결정립 크기 미세화 효과가 미미하며, 총 압하량의 90%를 초과하여 1차 압연 시에는 재결정 효과가 우세하여 다시 재결정 과정을 거쳐 결정의 재성장이 일어나 결정립 조대화가 발생할 수 있다. 따라서, 1차 압연 시에는 총 압하량의 80% 내지 90%를 압연하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 1차 압연 시에 총 압하량의 85%를 압연할 수 있다.
1차 압연의 종료 온도(T3)는 850℃ 이상이면 족하며 그 온도에 제한이 있는 것은 아니다. 1차 압연 종료 온도가 850℃를 초과하는 경우에는 소재를 대기시켜 850℃ 이하에서 2차 압연을 수행한다. 즉, 2차 압연 시작 온도(T4)는 소재의 재결정 온도, 구체적으로 약 850℃ 이하가 된다. 2차 압연 시작 온도(T4)는 850℃ 이하이면 제한이 없으나 실질적으로는 700℃ 이상, 바람직하게는 800℃ 이상이 된다.
소재의 온도가 재결정 온도 이하에서 2차 압연을 수행함으로 소재 내부의 결정립은 재결정되지 않고 연신되며, 결함(Defect)들이 생성되고, 이러한 결함 자리에서 핵생성(Nucleation)이 발생되어, 결국 결정립의 크기는 더 작게 조밀해지게 된다. 2차 압연시 총 압하량의 나머지, 즉 총 압하량의 10% 내지 20%를 압연하게 된다.
1차 압연과 2차 압연은 동일한 압연기에서 수행될 수도 있고, 서로 다른 압연기에서 수행될 수도 있다. 동일한 압연기에서 수행될 경우, 1차 압연 후 2차 압연 시작 온도가 될 때까지 대기시킨 후 2차 압연을 수행할 수 있다.
압연기(압연롤)의 입측으로부터 출측으로 또는 출측으로부터 입측으로의 소재의 이동을 패스(Pass)라고 하는 데, 상기 패스 수는 총 9 패스 내지 13 패스인 것이 바람직하다. 1차 압연을 3 패스 내지 5 패스 실시하고 소재의 온도가 재결정 온도 이하로 냉각될 때까지 대기시킨 후 2차 압연을 나머지 패스 수만큼 수행할 수 있다.
2차 압연 종료 후 소재를 수냉 종료 온도(T5)까지 수냉한다. 냉각에 의해 페라이트 조직을 갖는 강 내부에 펄라이트, 베이나이트 등의 과냉 조직이 일부 생성되며, 생성된 과냉 조직은 일반적인 페라이트-펄라이트 조직에 비해 강도가 높기 때문에 강도의 향상을 꾀할 수 있다. 상기 온도는 소재의 표면온도를 기준으로 한 것이다.
수냉 종료 온도는 600℃ 내지 700℃, 바람직하게는 630℃ 내지 670℃, 보다 바람직하게는 약 650℃로 설정한다. 수냉 종료 온도가 상기 하한 미만일 경우 베이나이트와 마르텐사이트 조직이 형성되어 강도는 상승하지만 연신율과 저온 충격치가 급격히 감소될 수 있고, 수냉 종료 온도가 상기 상한보다 높을 경우 상변태 온도 이상의 온도에서 냉각이 종료되는 것이므로, 페라이트-펄라이트 조직을 갖게 되어 강도가 저하된다.
생산성과 소재의 특성을 고려할 때, 수냉은 5℃/초 내지 20℃/초, 바람직하게는 8℃/초 내지 12℃/초의 냉각속도로 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 압연 공정을 포함하면 족하며, 기타 압연 시의 스케일러 적용 횟수 등의 공정 조건에 제한받지 않는다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압연장치는 가열로(102), 사이징 프레스(104), 조압연기(106), 에지히터(108), 디스케일러(110), 사상압연기(112), 런아웃테이블(114), 냉각부(116) 또는 권취기(118) 등을 포함할 수 있다.
통상, 가열로(102)에 장입되기 전의 소재(S)는 연주공장 또는 분괴공장 등에서 이송된 슬라브일 수 있으며, 조압연 후에는 바, 사상압연 후에는 스트립으로 불린다.
가열로(102)는 소재(S)를 열간압연하기 위해 재가열하는 로(Reheating furnace)로서, 가열로(102)에 사용되는 연료로는 중유, 천연가스, 코크스 오브 가스(COG: Coke Oven Gas) 등이 사용될 수 있다. 가열로(102)에서의 가열온도(최고 승온온도)는 1,150℃ 내지 1,250℃가 바람직하다. 가열로(102)는 소재(S)의 진행방향을 따라 예열대, 가열대 및 균열대를 포함할 수 있으며, 예열대 이전에 장입대를 더 포함할 수 있다. 예열대에서는 낮은 온도로 소재(S)를 가열하고, 가열대에서는 가열온도를 높여 소재(S)를 목표온도에 도달시키며, 균열대에서는 소재(S)의 모든 부분에서 온도가 균일하게 분포되도록 할 수 있다. 장입대 또는 예열대는 급속한 온도 상승에 의해 소재(S)에 파열, 균열, 크랙이 발생하는 것을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
사이징 프레스(104, Slab Sizing Press)는 소재(S) 길이 방향의 폭 편차를 줄이고 최종 수요자의 요구에 맞춰 일정 폭으로 압연하는 폭압연기일 수 있다.
조압연기(106, Roughing Mill)는 사상압연에서 요구되는 적정 두께와 폭으로 압연할 수 있다. 조압연기(106)에서 압연을 시작하는 온도는 전술한 것과 같이, 1,080℃ 내지 1,120℃가 바람직하다. 조압연기(106)에서의 패스를 복수 회 수행할 수 있으며, 각 패스 후 복열현상을 이용해 소재(S)의 온도구배를 저감시키기 위한 대기시간을 설정할 수도 있으나 대기시간 없이 바로 압연하는 것이 바람직하다. 조압연기(106)에서 1차 압연을 수행하게 되며 총 압하량의 80% 내지 90%를 압연하는 것이 바람직하다. 조압연기(106)에서 1차 압연의 전부를 수행할 수도 있고, 1차 압연의 일부만을 수행할 수도 있다.
에지히터(108)는 소재(S)의 에지부의 온도 강하를 막는 용도로 설치될 수 있으며, 디스케일러(110)는 고압수로 소재(S) 표면의 스케일을 제거할 수 있다.
사상압연기(112)는 강판을 고객 또는 냉간압연 공정에서 요구하는 두께, 폭 등의 최종 형상으로 제조하는 기기이다. 사상압연기(112)에서는 총 압하량의 10% 내지 20%를 압연하는 것이 바람직하다. 즉, 2차 압연을 사상압연기(112)에서 수행하는 것이 바람직하나, 1차 압연의 일부를 사상압연기(112)에서 수행할 수도 있다. 사상압연기(112) 진입 전에 소재(S)의 온도를 재결정 온도(약 850℃) 이하로 하강시키는 것이 바람직하다. 사상압연기(112)에서도 복수의 패스를 수행할 수 있다.
사상압연기(112)를 통과한 소재(S)는 런아웃테이블(114)을 통과하는 동안 냉각부(116)에서 나온 라미나 플로우(Laminar flow) 냉각수에 의해 목표 온도로 수냉각될 수 있고, 이후 권취기(118)에 의해 권취될 수 있다. 수냉 종료 온도는 전술한 것과 같이 600℃ 내지 700℃, 바람직하게는 630℃ 내지 670℃, 보다 바람직하게는 약 650℃로 설정하는 것이 유효하다.
전술한 압연장치는 일 실시예에 불과하고 상기 압연장치를 구성하는 기기 중 일부는 생략될 수도 있고, 다른 추가적인 기기가 더 포함될 수도 있다. 예를 들어, 조압연기 전, 후 또는 그 내부에 디스케일러가 추가될 수도 있다. 또 다른 예를 들어, 열간상태의 소재 표면에 생성된 스케일을 제거하기 위하여 가열로 내에 디스케일러가 존재할 수도 있다. 또 다른 예를 들어, 사이징 프레스에 의해 발생하는 폭 편차를 균일화하기 위한 에저(Edger Mill)를 더 포함할 수도 있다. 또한, 전술한 기기의 명칭의 편의상 붙여진 것이며 다른 명칭을 사용할 수도 있다.
< 실시예 및 비교예 >
전술한 화학성분을 갖는 실시예의 소재와 이와 비교되는 화학성분을 갖는 비교예의 소재를 제조하여 항복강도, 인장강도, 연신율 및 -40℃에서의 충격치를 평가하였고 그 화학성분을 아래 표 1에, 특성 평가결과를 아래 표 2에 나타내었다.
구체적으로, 실시예 1 내지 실시예 3, 비교예 1 내지 비교예 2의 조성을 갖는 소재를 1,200℃에서 2시간 재가열하였다. 재가열 후 소재를 압연 스탠드로 이송한 후 압연기에서 총 압하량의 85%를 1차 압연하였고, 소재의 온도가 850℃로 내려간 이후 총 압하량의 나머지 15%를 2차 압연하였다. 총 압하량은 70%로 하였다.
1차 압연과 2차 압연은 동일한 압연기에서 수행되었다. 1차 압연은 9패스로 진행하였고, 2차 압연은 2패스로 진행하였으며 2차 압연 시작 전에 약 2분간 대기시켜 2차 압연 시작 온도를 850℃로 설정하였다.
압연 종료 후 냉각 존에서 수냉하였으며, 650℃가 될 때까지 10℃/초의 냉각속도로 수냉을 실시하였다.
C Si Mn P S Cu Ni Cr Nb V Al N
실시예 1 0.07 0.20 1.25 0.01 0.01 0.10 0.35 0.05 0.045 0.02 0.045 0.011
실시예 2 0.06 0.20 1.25 0.01 0.01 0.10 0.30 0.05 0.045 0.02 0.045 0.011
실시예 3 0.08 0.20 1.25 0.01 0.01 0.10 0.35 0.05 0.040 0.02 0.040 0.011
비교예 1 0.05 0.20 1.25 0.01 0.01 0.10 0.25 0.05 0.025 0.02 0.035 0.011
비교예 2 0.10 0.20 1.25 0.01 0.01 0.10 0.45 0.05 0.045 0.05 0.045 0.011
항복강도
(MPa)		 인장강도
(MPa)		 연신율
(%)		 충격치
(-40℃, J)
실시예 1 460 530 25.0 210
실시예 2 452 514 25.3 208
실시예 3 463 523 25.0 201
비교예 1 430 498 27.1 224
비교예 2 473 542 21.2 183
상기 표 2에 나타낸 것과 같이, 탄소 0.06 중량% 내지 0.08 중량%, 실리콘 0.15 중량% 내지 0.25 중량%, 망간 1.20 중량% 내지 1.30 중량%, 인 0.015 중량% 이하, 황 0.015 중량% 이하, 니켈 0.30 중량% 내지 0.40 중량%, 크롬 0.10 중량% 이하, 구리 0.15 중량% 이하, 바나듐 0.015 중량% 내지 0.025 중량%, 티타늄 0 중량%, 알루미늄 0.04 중량% 내지 0.05 중량%, 니오븀 0.04 중량% 내지 0.05 중량%, 질소 0.008 중량% 내지 0.012 중량% 및 잔부의 철을 포함하는 실시예 1 내지 실시예 3의 경우, 450MPa 이상의 항복강도, 500MPa 이상의 인장강도, 25% 이상의 연신율, -40℃에서 200J 이상의 충격치를 보이고 있다.
그러나, 탄소 함량이 0.05 중량%, 니켈 함량이 0.25 중량%, 니오븀 함량이 0.025 중량%, 알루미늄 함량이 0.035 중량%인 비교예 1의 경우 연신율과 저온 충격치는 우수하나 항복강도와 인장강도가 낮음을 알 수 있다. 또한, 탄소 함량이 0.10 중량%, 니켈 함량이 0.45 중량%, 바나듐 함량이 0.05 중량%인 인 비교예 2의 경우 항복강도와 연신강도는 우수하나 연신율과 -40℃에서의 충격치가 낮음을 알 수 있다.
이상에서 살펴 본 것과 같이, 본 발명은 소재(강재)의 화학성분을 조절하고, 총 압하량 조절, 온도 구간에 따른 1, 2차 압연 실시 및 수냉 조건 등의 압연 조건을 조절함으로써 고용 강화와 석출 강화 효과에 의한 강도 개선 효과를 유도하고, 동시에 소재의 재결정 온도(약 850℃) 이하의 온도 범위에서 2차 압연을 실시하여 페라이트 결정립 크기 감소를 구현하여 -40℃에서의 저온 충격치가 매우 우수한 강재를 구현할 수 있다.
즉, 탄소 함량을 0.07 중량%로 낮게 가져가 저온 충격치 향상을 꾀하고, 알루미늄, 니켈의 첨가 및 함량 조절을 통해 결정립 사이즈의 감소를 꾀하며, 니오븀과 바나듐의 첨가 및 그 함량 조절을 통해 압연 온도가 낮은 영역에서 결정 크기를 감소시키고 강도를 향상시킬 수 있다.
특히, -40℃에서의 저온 충격치가 매우 우수하기 때문에 극지용 강재, 액화천연가스 등의 가스 수송선 등의 선박용 강재 등에 매우 적합한 강재를 구현할 수 있다.
이상에서, 본 발명의 일 실시예를 참고로 하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 또한, 전술한 압연장치는 일 실시예에 불과하며 다른 압연장치에서도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
102 : 가열로 104 : 사이징 프레스
106 : 조압연기 108 : 에지히터
110 : 디스케일러 112 : 사상압연기
114 : 런아웃테이블 116: 냉각부
118 : 권취기

Claims (10)

  1. 탄소 0.06 중량% 내지 0.08 중량%, 실리콘 0.15 중량% 내지 0.25 중량%, 망간 1.20 중량% 내지 1.30 중량%, 인 0.015 중량% 이하, 황 0.015 중량% 이하, 니켈 0.30 중량% 내지 0.40 중량%, 크롬 0.10 중량% 이하, 구리 0.15 중량% 이하, 바나듐 0.015 중량% 내지 0.025 중량%, 티타늄 0 중량%, 알루미늄 0.04 중량% 내지 0.05 중량%, 니오븀 0.04 중량% 내지 0.05 중량%, 질소 0.008 중량% 내지 0.012 중량% 및 잔부의 철을 포함하는 고강도 강재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 강재는 탄소 0.07 중량%, 실리콘 0.2 중량%, 망간 1.25 중량%, 인 0.01 중량%, 구리 0.1 중량%, 크롬 0.05 중량%, 바나듐 0.02 중량%, 질소 0.011 중량%를 포함하는 고강도 강재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 강재는 450MPa 이상의 항복강도, 500MPa 이상의 인장강도, 25% 이상의 연신율 및 -40℃에서 200J 이상의 충격치를 갖는 고강도 강재.
  4. 탄소 0.06 중량% 내지 0.08 중량%, 실리콘 0.15 중량% 내지 0.25 중량%, 망간 1.20 중량% 내지 1.30 중량%, 인 0.015 중량% 이하, 황 0.015 중량% 이하, 니켈 0.30 중량% 내지 0.40 중량%, 크롬 0.10 중량% 이하, 구리 0.15 중량% 이하, 바나듐 0.015 중량% 내지 0.025 중량%, 티타늄 0 중량%, 알루미늄 0.04 중량% 내지 0.05 중량%, 니오븀 0.04 중량% 내지 0.05 중량%, 질소 0.008 중량% 내지 0.012 중량% 및 잔부의 철을 포함하는 소재를,
    1,150℃ 내지 1,250℃에서 재가열하는 단계;
    상기 소재를 가열로에서 추출 후 60% 내지 80%의 총 압하량으로 압연하는 단계; 및
    상기 소재를 수냉하는 단계;
    를 포함하는 고강도 강재 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 소재를 1,150℃ 내지 1,250℃에서 재가열하는 단계에서, 가열시간은 1시간 내지 3시간인 고강도 강재 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 소재를 가열로에서 추출 후 60% 내지 80%의 총 압하량으로 압연하는 단계에서, 상기 압연을 시작하는 온도는 1,080℃ 내지 1,120℃인 고강도 강재 제조방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 소재를 가열로에서 추출 후 60% 내지 80%의 총 압하량으로 압연하는 단계는, 총 압하량의 50% 내지 70%를 1차 압연하는 단계와 상기 소재의 재결정 온도 이하에서 총 압하량의 30% 내지 50%를 2차 압연하는 단계를 포함하는 고강도 강재 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 소재를 수냉하는 단계에서, 상기 수냉은 8℃/초 내지 12℃/초의 냉각속도로 수행되는 고강도 강재 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 소재를 수냉하는 단계에서, 상기 수냉 종료 온도는 630℃ 내지 670℃인 고강도 강재 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 1차 압연의 전부 또는 일부는 조압연기에서 수행되고, 상기 2차 압연은 사상압연기에서 수행되는 고강도 강재 제조방법.
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