KR20130013545A

KR20130013545A - 열연강판 및 그 제조 방법과, 이를 이용한 강관 제조 방법

Info

Publication number: KR20130013545A
Application number: KR1020110075256A
Authority: KR
Inventors: 박철봉; 문준오; 김성주
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2013-02-06

Abstract

QT(Quenching & Tempering) 열처리 전에는 API 5CT K55 규격(인장강도 : 655 MPa 이상 및 항복강도 : 379 ~ 552 MPa)을 만족시킴과 동시에 열처리 특성이 우수한 열연강판 및 그 제조 방법과, 이를 이용한 강관 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 열연강판 제조 방법은 탄소(C) : 0.22 ~ 0.27 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) : 1.2 ~ 1.6 중량%, 알루미늄(Al) : 0.01 ~ 0.03 중량%, 티타늄(Ti) : 0.01 ~ 0.03 중량%, 보론(B) : 0.0015 ~ 0.003 중량%, 칼슘(Ca) : 0.001 ~ 0.004 중량% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 재가열하는 단계; 상기 재가열된 판재를 FDT(Finishing Delivery Temperature) : 850 ~ 910℃로 마무리 열간 압연하는 단계; 및 상기 열간 압연된 판재를 CT(Coiling Temperature) : 520 ~ 560℃까지 냉각하여 권취하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

열연강판 및 그 제조 방법과, 이를 이용한 강관 제조 방법{HOT-ROLLED STEEL SHEET, METHOD OF MANUFACTURING THE HOT-ROLLED STEEL SHEET AND METHOD OF MANUFACTURING OIL TUBULAR COUNTRY GOODS USING THE HOT-ROLLED STEEL SHEET}

본 발명은 열연강판 및 강관 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 조관 후 QT(Quenching & Tempering) 열처리를 통하여 우수한 고강도로 업그레이드될 수 있는 열연강판 및 그 제조 방법과, 이를 이용한 강관(Oil Tubular Country Goods) 제조 방법에 관한 것이다.

유정용 강관은 심해 및 오일샌드에서 석유나 가스의 시추를 위하여 사용되는 강관이다. 이러한 유정용 강관은 통상 열연강판을 조관한 후, 사용목적에 따라 QT(Quenching & Tempering) 열처리를 통하여 강도를 업그레이드하고 있다.

특히, 석유나 가스의 시추를 위해 사용되는 유정용 API(American Petroleum Institute : API) 강관의 경우, 그 사용 목적에 따라 열연소재 및 QT 열처리 후에 다양하게 사용되며, 규격으로는 API 5CT J55, API 5CT K55, API 5CT L80, API 5CT N80, API 5CT P110 등으로 구분될 수 있다.

관련 선행기술로는 대한민국 공개특허공보 제2001-0062875호(2001.07.09 공개)가 있다.

본 발명의 목적은 합금 성분 조절 및 공정 조건 제어를 통하여 QT(Quenching & Tempering) 열처리 전, 유정용 강관 소재로 널리 사용되는 API 5CT K55 규격(인장강도 : 655 MPa 이상 및 항복강도 : 379 ~ 552 MPa)의 기계적 물성을 만족시킴과 동시에 우수한 열처리 특성을 갖는 열연강판을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 방법으로 제조된 유정용 강판을 조관한 후, QT 열처리를 통하여 인장강도(TS) : 950 MPa 이상, 항복강도(YS) : 800 ~ 1000 MPa 및 연신율 : 14% 이상으로 업그레이드되는 유정용 강관을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법으로 제조되어, QT 열처리 전 API 5CT K55 규격을 만족하는 열연강판을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 열연강판 제조 방법은 탄소(C) : 0.22 ~ 0.27 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) : 1.2 ~ 1.6 중량%, 알루미늄(Al) : 0.01 ~ 0.03 중량%, 티타늄(Ti) : 0.01 ~ 0.03 중량%, 보론(B) : 0.0015 ~ 0.003 중량%, 칼슘(Ca) : 0.001 ~ 0.004 중량% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 재가열하는 단계; 상기 재가열된 판재를 FDT(Finishing Delivery Temperature) : 850 ~ 910℃로 마무리 열간 압연하는 단계; 및 상기 열간 압연된 판재를 CT(Coiling Temperature) : 520 ~ 560℃까지 냉각하여 권취하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 강관 제조 방법은 탄소(C) : 0.22 ~ 0.27 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) : 1.2 ~ 1.6 중량%, 알루미늄(Al) : 0.01 ~ 0.03 중량%, 티타늄(Ti) : 0.01 ~ 0.03 중량%, 보론(B) : 0.0015 ~ 0.003 중량%, 칼슘(Ca) : 0.001 ~ 0.004 중량% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 재가열하는 단계; 상기 재가열된 판재를 FDT(Finishing Delivery Temperature) : 850 ~ 910℃로 마무리 열간 압연하는 단계; 상기 열간 압연된 판재를 CT(Coiling Temperature) : 520 ~ 560℃까지 냉각하여 권취하는 단계; 상기 권취된 강판을 언코일링하여 조관하는 단계; 및 상기 조관된 강관을 910 ~ 970℃에서 어닐링한 후, 퀀칭하여 460 ~ 520℃에서 1 ~ 30분간 템퍼링 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 열연강판은 탄소(C) : 0.22 ~ 0.27 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) : 1.2 ~ 1.6 중량%, 알루미늄(Al) : 0.01 ~ 0.03 중량%, 티타늄(Ti) : 0.01 ~ 0.03 중량%, 보론(B) : 0.0015 ~ 0.003 중량%, 칼슘(Ca) : 0.001 ~ 0.004 중량% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지고, 페라이트, 펄라이트 및 베이나이트를 포함하는 복합 조직을 가지며, 인장강도(TS) : 655 MPa 이상 및 항복강도(YS) : 379 ~ 552 MPa을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 열연강판 및 그 제조 방법은 0.2 중량% 이상의 탄소(C)를 함유하며, 경화능 원소인 티타늄(Ti), 보론(B) 등의 원소를 첨가함으로써 QT 열처리 전, 유정용 강관 소재로 널리 사용되는 API-5CT K55 규격(인장강도 : 655 MPa 이상, 항복강도 : 379 ~ 552 MPa)의 기계적 물성을 만족시킴과 동시에 우수한 열처리 특성을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 열연강판은 조관 후 QT(Quenching and Tempering) 열처리를 통하여, 인장강도(TS) : 950 MPa 이상, 항복강도(YS) : 800 ~ 1000 MPa 및 연신율 : 14% 이상을 갖는 강종으로 업그레이드될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열연강판 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 강관 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 비교예 1에 따라 제조되는 시편의 미세 조직을 나타낸 사진이다.
도 4는 실시예 1에 따라 제조되는 시편의 미세 조직을 나타낸 사진이다.
도 5는 실시예 2에 따라 제조되는 시편의 미세 조직을 나타낸 사진이다.

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 열연강판 및 그 제조 방법과, 이를 이용한 강관 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

열연강판

본 발명에 따른 열연강판은 조관 후 QT(Quenching and Tempering) 열처리를 통하여 다양한 강종으로 강도 업그레이드가 가능하도록, 미국석유협회(American Petroleum Institute : API)에서 규정한 API 5CT K55의 기계적 물성인 인장강도(TS) 655 MPa 이상 및 항복강도 379 ~ 552 MPa을 확보하는 것을 목표로 한다.

이를 위하여, 본 발명에 따른 열연강판은 탄소(C) : 0.22 ~ 0.27 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) : 1.2 ~ 1.6 중량%, 알루미늄(Al) : 0.01 ~ 0.03 중량%, 티타늄(Ti) : 0.01 ~ 0.03 중량%, 보론(B) : 0.0015 ~ 0.003 중량%, 칼슘(Ca) : 0.001 ~ 0.004 중량% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어진다.

이때, 상기 강판은 인(P) : 0.018 중량% 이하, 황(S) : 0.003 중량% 이하 및 질소(N) : 0.006 중량% 이하를 포함할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 열연강판에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다.

탄소(C)

탄소(C)는 강도를 확보하기 위하여 첨가되며, QT(Quenching and Tempering) 열처리 후의 강도 확보를 위해서는 중탄 이하로 첨가되는 것이 바람직하다.

상기 탄소는 본 발명에 따른 열연강판 전체 중량의 0.22 ~ 0.27 중량%로 첨가되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.25 중량%를 제시할 수 있다. 만일, 탄소의 함량이 0.22 중량% 미만일 경우에는 충분한 강도를 확보하기 어렵다. 반대로, 탄소의 함량이 0.27 중량%를 초과할 경우에는 인성 저하 및 전기저항용접(ERW)시 용접성의 저하를 가져오는 문제점이 있다.

실리콘(Si)

실리콘(Si)의 경우, 0.35 중량%를 초과하여 다량 첨가시 강의 용접성을 떨어뜨리고 재가열 및 열간압연 시에 적 스케일(red scale)을 생성시킴으로써 표면품질에 문제를 줄 수 있으며, 용접후 도금성을 저해할 수 있다.

반면, 망간(Mn)이 1.2 중량% 이상 첨가되는 본 발명에 따른 강판의 특성상 Mn-oxide 및 Si-oxide의 특성을 제어하기 위해서 Al-Si 복합탈산이 요구되는 바 0.15 중량% 이상의 실리콘 첨가가 요구된다. 이는 강관 제조를 위한 전기저항용접(ERW)시 Mn/Si비가 6~9사이로 일정 범위 내에 들어야 용접부 균열 발생이 현저히 감소하기 때문이다.

따라서, 상기 실리콘은 본 발명에 따른 강판 전체 중량의 0.15 ~ 0.35 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다.

망간(Mn)

망간(Mn)은 고용강화 원소로써 강의 경화능을 향상시켜 강도를 확보하는 데 효과적인 원소이다.

상기 망간은 강도 향상 효과 및 중심 편석 유발 등을 고려할 때 본 발명에 따른 강판 전체 중량의 1.2 ~ 1.6 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 만일, 망간의 함량이 1.2 중량% 미만일 경우에는 고용강화 효과가 불충분하다. 반대로, 망간의 함량이 1.6 중량%를 초과할 경우에는 용접성이 크게 저하되며, 아울러 MnS 개재물 생성 및 중심 편석(center segregation) 발생에 의하여 강의 연성을 크게 저하시키는 문제점이 있다.

한편, 본 발명에 따른 유정용 강판은 하기의 수학식 1의 함량 범위 내로 망간(Mn) 및 실리콘(Si)을 첨가하는 것이 더 바람직하다.

수학식 1 : 6 ≤ [Mn]/[Si] ≤ 9

(여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)

이는 강관 제조를 위한 전기저항용접(ERW)시 Mn/Si비가 6~9사이로 일정 범위 내에 들어야 용접부 균열 발생이 현저히 감소하기 때문이다. 만일, Mn/Si 비율이 6 미만일 경우 혹은 9를 초과할 경우, 고온에서 안정한 MnO, SiO₂ 산화물을 생성시킴으로써 전기저항용접시 훅 크랙(Hook crack)을 유발하여 용접부 품질을 크게 저하시키는 문제점이 있다.

알루미늄(Al)

알루미늄(Al)은 질소(N)와 반응하여 미세한 AlN 석출물을 형성하여 결정립미세화와 더불어 석출강화에 의해 강도 향상에 기여하는 원소이다.

상기 알루미늄은 본 발명에 따른 강판 전체 중량 중 0.01 ~ 0.03 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 만일, 알루미늄의 함량이 0.01 중량% 미만일 경우에는 AlN 석출물의 양이 줄어들어 충분한 강도를 확보하는 데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 알루미늄의 함량이 0.03 중량%를 초과할 경우에는 연주 공정에 어려움이 발생하여 생산성을 저하시키며, 항복 강도를 과도하게 상승시키는 문제가 있다.

티타늄(Ti)

티타늄(Ti)은 강력한 탄질화물 형성 원소로서, 고용탄소와 고용질소를 석출시켜 비시효성과 가공성을 향상시키는 역할을 한다. 특히, 티타늄(Ti)은 보론(B)이 질화 석출물로 석출되는 것을 방해하여 강 중에 보론이 고용 상태로 존재하게 함으로써, 보론이 강의 경화능을 향상시키는 역할을 한다.

상기 티타늄은 본 발명에 따른 강판 전체 중량의 0.01 ~ 0.03 중량%로 첨가하는 것이 바람직하다. 만일, 티타늄의 함량이 0.01 중량% 미만일 경우에는 석출을 하지 않고 남은 고용탄소와 고용질소로 인해 시효경화가 발생하는 문제가 있다. 반대로, 티타늄의 함량이 0.03 중량%를 초과할 경우에는 연주성을 저하시키며, 더 이상의 첨가 효과 없이 제조 비용을 상승시키는 문제가 있다.

보론(B)

보론(B)은 강력한 소입성 원소로서, 인의 편석을 막아 강도를 향상시키는 역할을 한다. 만일, 인의 편석이 발생할 경우에는 2차가공취성이 발생할 수 있으므로, 보론을 첨가하여 인의 편석을 막아 가공취성에 대한 저항성을 증가시킨다.

상기 보론은 본 발명에 따른 강판 전체 중량의 0.0015 ~ 0.003 중량%로 첨가하는 것이 바람직하다. 만일, 보론의 함량이 0.0015 중량% 미만일 경우에는 그 첨가량이 미미한 관계로 상기의 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반대로, 보론의 함량이 0.003 중량%를 초과하여 과다 첨가될 경우에는 보론 산화물의 형성으로 강판의 표면 품질을 저해하는 문제를 유발할 수 있다.

칼슘(Ca)

칼슘(Ca)은 CaS를 형성시켜 강중의 황의 함량을 낮추고, 아울러 MnS 편석을 감소시켜 강의 청정도 및 황의 입계편석을 감소시켜 재가열 균열에 대한 저항성을 증가시키는 역할을 한다.

상기 칼슘은 본 발명에 따른 강판 전체 중량의 0.001 ~ 0.004 중량%로 첨가하는 것이 바람직하다. 만일, 칼슘의 함량이 0.001 중량% 미만일 경우에는 상기의 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반대로, 칼슘의 함량이 0.004 중량%를 초과할 경우에는 CaO와 같은 개재물을 형성시키는 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 된다. 따라서, 본 발명에서는 인(P)의 함량을 강판 전체 중량의 0.018 중량% 이하로 제한하였다.

황(S)

황(S)은 강의 인성 및 용접성을 저해하고, 망간과 결합하여 MnS 비금속 개재물을 형성함으로써 강의 가공 중 크랙을 발생시키는 원소이다.

따라서, 본 발명에서는 황(S)의 함량을 강판 전체 중량의 0.003 중량% 이하로 제한하였다.

질소(N)

질소(N)는 불가피한 불순물로서, 다량 첨가시 고용 질소가 증가하여 강의 연신율 및 성형성을 떨어뜨리는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명에서는 질소의 함량을 강판 전체 중량의 0.006 중량% 이하로 제한하였다.

열연강판 제조 방법

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열연강판 제조 방법을 나타낸 순서도이다.

도 1을 참조하면, 도시된 열연강판 제조 방법은 슬라브 재가열 단계(S110), 열간 압연 단계(S120) 및 냉각/권취 단계(S130)를 포함한다. 이때, 슬라브 재가열 단계(S110)는 반드시 수행되어야 하는 것은 아니나, 석출물의 재고용 등의 효과를 도출하기 위하여 슬라브 재가열 단계(S110)를 실시하는 것이 더 바람직하다.

본 발명에 따른 열연강판 제조 방법에서 열연공정의 대상이 되는 반제품 상태의 슬라브 판재는 탄소(C) : 0.22 ~ 0.27 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) : 1.2 ~ 1.6 중량%, 알루미늄(Al) : 0.01 ~ 0.03 중량%, 티타늄(Ti) : 0.01 ~ 0.03 중량%, 보론(B) : 0.0015 ~ 0.003 중량%, 칼슘(Ca) : 0.001 ~ 0.004 중량% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어진다.

이때, 상기 슬라브 판재에는 인(P) : 0.018 중량% 이하, 황(S) : 0.003 중량% 이하 및 질소(N) : 0.006 중량% 이하가 포함될 수 있다.

한편, 상기 슬라브 판재는 전술한 바와 같이, 하기 수학식 1을 만족하는 범위에서 실리콘(Si) 및 망간(Mn)을 포함하는 것이 더 바람직하다.

수학식 1 : 6 ≤ [Mn]/[Si] ≤ 9

(여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)

상기 조성을 갖는 슬라브 판재는 제강공정을 통해 원하는 조성의 용강을 얻은 다음에 연속주조공정을 통해 얻어질 수 있다.

슬라브 재가열

슬라브 재가열 단계(S105)에서는 상기의 조성을 갖는 슬라브 판재를 SRT(Slab Reheating Temperature) : 1150 ~ 1250℃로 재가열한다. 이러한 슬라브 판재의 재가열을 통하여, 주조 시 편석된 성분의 재고용 및 석출물의 재고용이 발생할 수 있다.

만일, 슬라브 재가열 온도(SRT)가 1150℃ 미만일 경우에는 주조 시 편석된 성분이 충분히 재고용되지 못하는 문제점이 있다. 반대로, 슬라브 재가열 온도(SRT)가 1250℃를 초과할 경우에는 오스테나이트 결정입도가 증가하여 최종 미세 조직의 페라이트가 조대화되어 강도 확보가 어려울 수 있으며, 과도한 가열 공정으로 인하여 강판의 제조비용만 상승할 수 있다.

열간압연

열간 압연 단계(S120)에서는 재가열된 판재를 열간 압연한다. 본 발명에서의 열간 압연 단계(S120)는 1차 압연 및 2차 압연으로 실시될 수 있다.

1차 압연 과정에서는 재가열된 판재를 1차적으로 조압연한다. 이때, 1차 압연의 조압연 온도(Roughing Delivery Temperature : RDT)는 950 ~ 1050℃를 제시할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다만, 조압연 온도(RDT)가 1050℃를 초과할 경우에는 충분한 압하율을 확보하는 데 어려움이 따를 수 있다.

2차 압연 과정에서는 1차 압연된 판재를 오스테나이트 미재결정 영역에서 2차적으로 압연한다. 이때, 2차 압연은 복수의 압연 패스를 이용할 수 있다.

2차 압연의 마무리 압연온도(Finishing Delivery Temperature : FDT)는 850 ~ 910℃로 실시하는 것이 바람직하다. 만일, 2차 압연의 마무리 압연온도(FDT)가 850℃ 미만일 경우에는 이상역 압연이 발생하여 균일하지 못한 조직이 형성됨으로써 저온 충격인성을 크게 저하시킬 수 있다. 반대로, 2차 압연의 마무리 압연온도(FDT)가 910℃를 초과할 경우에는 연성 및 인성은 우수하나, 강도가 급격히 저하되는 문제가 있다.

이때, 2차 압연은 미재결정 영역에서의 누적압하율이 40 ~ 60%가 되도록 실시될 수 있다. 만일, 2차 압연의 누적압하율이 40% 미만일 경우에는 균일하면서도 미세한 조직을 확보하는 것이 어려워 강도 및 충격인성의 편차가 심하게 발생할 수 있다. 반대로, 2차 압연의 누적압하율이 60%를 초과할 경우에는 압연 공정 시간이 길어져 생선성이 저하되는 문제가 있다.

냉각/권취

냉각/권취 단계(S130)에서는 열간 압연된 판재를 CT(Coiling Temperature) : 520℃ ~ 560℃까지 냉각하여 권취한다.

본 발명에서 냉각 과정은 압연된 판재를 수냉 등의 강제 냉각 방식으로 520 ~ 560℃까지 냉각함으로써, 강판의 결정립 성장을 억제하여 미세한 페라이트 결정립을 가지는 기지 조직을 형성시킴과 더불어 펄라이트 및 베이나이트 조직을 형성시켜 고강도 및 고인성을 확보하기 위한 목적으로 실시된다. 이때, 냉각 속도는 대략 1~100℃/sec 정도가 될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

만일, 권취 온도(CT)가 520℃ 미만일 경우에는 강의 제조비용이 증가하며, 충분한 강도를 확보할 수 있으나, 고인성 확보가 어려운 문제점이 있다. 반대로, 권취 온도(CT)가 560℃를 초과할 경우에는 충분한 강도를 확보하는 데 어려움이 따를 수 있다.

상기의 과정을 통하여 제조되는 본 발명에 따른 열연강판은 페라이트(Ferrite), 펄라이트(Pearlite) 및 베이나이트(Bainite)를 포함하는 복합 조직을 갖는다.

또한, 상기 방법으로 제조되는 열연강판은 유정용 강관 소재로 널리 사용되는 API-5CT K55 규격(인장강도 : 655 MPa 이상, 항복강도 : 379 ~ 552 MPa)의 기계적 물성을 가질 수 있다.

아울러, 본 발명에 따른 열연강판은 조관 후, QT(Quenching and Tempering) 열처리를 통하여 다양한 유정용 강종으로 업그레이드될 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 강관 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 강관 제조 방법은 슬라브 재가열 단계(S210), 열간 압연 단계(S220), 냉각/권취 단계(S230), 조관 단계(S240) 및 QT 열처리 단계(S250)를 포함한다.

이때, 재가열 단계(S210), 열간 압연 단계(S220) 및 냉각/권취 단계(S230)는 도 1에서 설명한 열연강판 제조 방법과 동일한 방식으로 실시되는 바, 중복 설명은 생략하고 조관 단계(S240)부터 설명하도록 한다.

조관

조관 단계(S240)에서는 슬라브 재가열 단계(S210), 열간 압연 단계(S220) 및 냉각/권취 단계(S230)를 수행하는 것에 의하여, 권취기에 권취되는 강판을 언코일링하여 원하는 형상으로 조관을 실시한다. 이러한 조관을 실시하는 것에 의하여, 열연강판은 라인파이프 형태의 강관으로 제조될 수 있다.

QT 열처리

QT 열처리 단계(S250)에서는 원하는 형상으로 조관된 강관을 910 ~ 970℃에서 어닐링하여 오스테나이트를 형성한 후, 퀀칭(Qenching)하여 마르텐사이트로 변태시킨다.

이후, 460 ~ 520℃에서 1 ~ 30분간 템퍼링(Tempering)하여, 인성을 향상시킨다. 상기 QT 열처리 과정을 통하여 본 발명에 따른 열연강판은 대략 950 MPa 이상의 기가급 강도로 업그레이드될 수 있다.

만일, 어닐링 온도가 910℃ 미만일 경우에는 오스테나이트 형성이 불충분하여 마르텐사이트로 충분히 변태되지 못함으로써, 대략 950 MPa 이상의 고강도를 확보하는 데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 어닐링 온도가 970℃를 초과할 경우에는 오스테나이트의 조대화로 원하는 강도를 확보할 수 없게 된다.

여기서, 퀀칭은 20 ~ 40℃/sec의 평균 냉각속도로 실시하는 것이 바람직하다. 만일, 퀀칭 온도가 20℃/sec를 초과할 경우에는 강도 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 퀀칭 온도가 40℃/sec를 초과할 경우에는 조직이 경해져서 인성이 급격히 저하되는 문제가 있다.

한편, 템퍼링 온도가 460℃ 미만일 경우에는 템퍼링 시간이 30분을 초과하는 장시간 동안 수행되어야 하므로, 공정 효율이 저하되는 문제가 있다. 반대로, 템퍼링 온도가 520℃를 초과할 경우에는 과도한 템퍼링 공정이 수행되어 열처리된 강판의 기계적 특성이 저하될 우려가 있다.

아울러, 상기 템퍼링 온도 조건이 460 ~ 520℃로 적절하더라도, 템퍼링 유지 시간이 1분 미만으로 수행될 경우에는 충분한 템퍼링이 이루어지지 않을 우려가 있다. 따라서, 템퍼링은 460 ~ 520℃에서 1 ~ 30분간 실시하는 것이 바람직하다.

상기의 과정으로 제조되는 강관은 조관 후 QT(Quenching and Tempering) 열처리를 통하여, 인장강도(TS) : 950 MPa 이상, 항복강도(YS) : 800 ~ 1000 MPa 및 연신율 : 14% 이상을 갖는 강종으로 업그레이드될 수 있다.

지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명에서는 니오븀(Nb) 등의 석출 강화 원소를 첨가하지 않음으로써 항복강도(YS)를 낮추는 대신 520 ~ 560℃에서 저온 권취하여 베이나이트 상을 적절히 확보하였다. 또한, 우수한 열처리 특성을 확보하기 위하여 티타늄(Ti), 보론(B) 등을 첨가하여 최종적으로 QT 열처리 전에는 0.75 이하의 저항복비를 갖고, QT 열처리 후에는 항복강도(YS) : 800 ~ 1000 MPa로 업그레이드가 가능한 API 5CT K55 규격(인장강도 : 655 MPa 이상 및 항복강도 : 379 ~ 552 MPa)을 만족할 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. 시편의 제조

표 1에 기재된 조성 및 표 2에 기재된 공정 조건으로 실시예 1~3 및 비교예 1~3에 따른 시편을 제조하였다. 이때, 실시예 1~3 및 비교예 1~3에 따라 제조된 시편의 경우, 각각의 조성을 갖는 잉곳을 제조하고, 이를 압연모사시험기를 이용하여 가열, 열간압연, 냉각(수냉) 등의 열연공정을 모사하고 권취로에 장입하였다. 이후, 권취로에 장입된 실시예 1~3 및 비교예 1~3에 따라 제조된 시편을 언코일링하여 조관한 후, 950℃에서 어닐링한 후 퀀칭(Quenching)하고, 500℃에서 10분간 템퍼링을 실시하였다.

[표 1] (단위 : 중량%)

[표 2]

2. 기계적 물성 평가

표 3은 실시예 1~3 및 비교예 1~3에 따라 제조된 시편의 기계적 물성에 대한 평가 결과를 나타낸 것이다.

[표 3]

표 1 내지 표 3을 참조하면, 실시예 1~3에 따라 제조된 시편의 경우, 목표로 하는 열연물성인 인장강도(TS) : 655 MPa 이상, 항복강도(YS) : 379 ~ 552 MPa 및 항복비(YS/TS) : 0.75 이하를 모두 만족하는 것을 알 수 있다.

또한, 실시예 1~3에 따라 제조된 시편의 경우, 목표로 하는 QT(Quenching and Tempering) 열처리 후의 물성인 인장강도(TS) : 950 MPa 이상, 항복강도(YS) : 800 ~ 10000 MPa 및 연신율(EL) : 14% 이상을 모두 만족하는 것을 알 수 있다.

반면, 실시예 1에 따라 제조된 시편과 비교하여 대부분의 합금 성분은 유사한 함량으로 첨가되나, 티타늄(Ti) 및 보론(B)이 첨가되지 않고 니오븀(Nb)이 더 첨가되며, 권취 온도가 본 발명에서 제시하는 온도 범위를 벗어나는 비교예 1에 따라 제조된 시편의 경우, 항복강도(YS)는 목표로 하는 열연물성인 379 ~ 552 MPa을 만족하였으나, 인장강도(TS) 및 항복비(YS/TS)가 목표값에 미달하는 620 MPa 및 0.79를 갖는 것을 알 수 있다.

또한, 비교예 1에 따라 제조된 시편의 경우, 연신율(EL)은 목표값을 만족하였으나, 목표로 하는 QT(Quenching and Tempering) 열처리 후의 물성인 인장강도(TS) : 950 MPa 이상 및 항복강도(YS) : 800 ~ 10000 MPa에 미달하는 인장강도(TS) : 763 MPa 및 항복강도(YS) : 649 MPa을 갖는 것을 알 수 있다.

한편, 실시예 1에 따라 제조된 시편과 비교하여 대부분의 합금 성분은 유사한 함량으로 첨가되나, 보론(B)이 첨가되지 않고 니오븀(Nb)이 더 첨가되며, 권취 온도가 본 발명에서 제시하는 온도 범위를 벗어나는 비교예 2에 따라 제조된 시편의 경우, 항복강도(YS) 및 항복비(YS/TS)는 목표로 하는 열연물성인 379 ~ 552 MPa 및 0.75 이하를 만족하였으나, 인장강도(TS)가 목표값에 미달하는 631 MPa을 갖는 것을 알 수 있다.

또한, 비교예 2에 따라 제조된 시편은 연신율(EL) 및 항복강도(YS)는 목표값을 만족하였으나, 목표로 하는 QT(Quenching and Tempering) 열처리 후의 물성인 인장강도(TS) : 950 MPa 이상에 미달하는 인장강도(TS) : 894 MPa를 갖는 것을 알 수 있다.

한편, 실시예 1에 따라 제조된 시편과 비교하여 대부분의 합금 성분은 유사한 함량으로 첨가되나, 티타늄(Ti)이 첨가되지 않고 니오븀(Nb)이 더 첨가되며, 권취 온도가 본 발명에서 제시하는 온도 범위를 벗어나는 비교예 3에 따라 제조된 시편의 경우, 인장강도(TS)는 목표로 하는 열연물성인 655 MPa 이상을 만족하였으나, 항복강도(YS) 및 항복비(YS/TS)가 목표값에 미달하는 564 MPa 및 0.76을 갖는 것을 알 수 있다.

또한, 비교예 3에 따라 제조된 시편의 경우, 목표로 하는 QT(Quenching and Tempering) 열처리 후의 물성인 인장강도(TS) : 950 MPa 이상 및 연신율(EL) : 14% 이상을 만족하였으나, 항복강도(TS)가 목표값을 벗어나는 1083 MPa을 갖는 것을 알 수 있다.

도 3은 비교예 1에 따라 제조된 시편의 미세조직을 나타낸 사진이고, 도 4 및 도 5는 실시예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 시편의 미세조직을 나타낸 각각의 사진이다.

도 3을 참조하면, 비교예 1에 따라 제조된 시편의 경우, 페라이트 및 펄라이트를 포함하는 복합조직을 갖는 것을 알 수 있다. 이는 니오븀(Nb) 등의 석출물 형성 원소의 첨가에 따른 강도 확보 및 600℃ 이상의 권취 온도를 수행한 것에 기인한 것으로 판단된다.

반면, 도 4를 참조하면, 실시예 1 및 2에 따라 제조된 시편의 경우, 우수한 열처리 특성을 확보하기 위하여 티타늄(Ti), 보론(B) 등을 첨가하고, 니오븀(Nb) 등의 석출 강화 원소를 첨가하지 않음으로써 항복강도(YS)를 낮추는 대신 520 ~ 560℃에서 저온 권취하여 베이나이트 상이 적절히 확보된 것을 볼 수 있다. 이를 통해, 실시예 1 및 2에 따라 제조되는 시편의 미세조직은 페라이트, 펄라이트 및 베이나이트를 포함하는 복합 조직을 갖는 것을 알 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.

S110, S210 : 슬라브 재가열 단계
S120, S220 : 열간 압연 단계
S130, S230 : 냉각/권취 단계
S240 : 조관 단계
S250 : QT 열처리 단계

Claims

탄소(C) : 0.22 ~ 0.27 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) : 1.2 ~ 1.6 중량%, 알루미늄(Al) : 0.01 ~ 0.03 중량%, 티타늄(Ti) : 0.01 ~ 0.03 중량%, 보론(B) : 0.0015 ~ 0.003 중량%, 칼슘(Ca) : 0.001 ~ 0.004 중량% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 재가열하는 단계;
상기 재가열된 판재를 FDT(Finishing Delivery Temperature) : 850 ~ 910℃로 마무리 열간 압연하는 단계; 및
상기 열간 압연된 판재를 CT(Coiling Temperature) : 520 ~ 560℃까지 냉각하여 권취하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열연강판 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 슬라브 재가열 단계는
SRT(Slab Reheating Temperature) : 1150 ~ 1250℃로 실시하는 것을 특징으로 하는 열연강판 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 슬라브 판재는
하기 수학식 1을 만족하는 범위에서 실리콘(Si) 및 망간(Mn)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열연강판 제조 방법.
수학식 1 : 6 ≤ [Mn]/[Si] ≤ 9
(여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)
제1항에 있어서,
상기 슬라브 판재에는
인(P) : 0.018 중량% 이하, 황(S) : 0.003 중량% 이하 및 질소(N) : 0.006 중량% 이하가 포함되는 것을 특징으로 하는 열연강판 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 열간 압연 단계는
상기 재가열된 판재를 RDT(Roughing Delivery Temperature) : 950 ~ 1050℃에서 1차적으로 조압연하는 단계와,
상기 조압연된 판재를 오스테나이트 미재결정 영역에서 2차적으로 압연하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열연강판 제조 방법.
탄소(C) : 0.22 ~ 0.27 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) : 1.2 ~ 1.6 중량%, 알루미늄(Al) : 0.01 ~ 0.03 중량%, 티타늄(Ti) : 0.01 ~ 0.03 중량%, 보론(B) : 0.0015 ~ 0.003 중량%, 칼슘(Ca) : 0.001 ~ 0.004 중량% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 재가열하는 단계;
상기 재가열된 판재를 FDT(Finishing Delivery Temperature) : 850 ~ 910℃로 마무리 열간 압연하는 단계;
상기 열간 압연된 판재를 CT(Coiling Temperature) : 520 ~ 560℃까지 냉각하여 권취하는 단계;
상기 권취된 강판을 언코일링하여 조관하는 단계; 및
상기 조관된 강관을 910 ~ 970℃에서 어닐링하고 퀀칭한 후, 460 ~ 520℃에서 1 ~ 30분간 템퍼링 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 강관 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 슬라브 판재에는
인(P) : 0.018 중량% 이하, 황(S) : 0.003 중량% 이하 및 질소(N) : 0.006 중량% 이하가 포함되는 것을 특징으로 하는 강관 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 퀀칭은
20 ~ 40℃/sec의 평균 냉각속도로 실시하는 것을 특징으로 하는 강관 제조 방법.
탄소(C) : 0.22 ~ 0.27 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) : 1.2 ~ 1.6 중량%, 알루미늄(Al) : 0.01 ~ 0.03 중량%, 티타늄(Ti) : 0.01 ~ 0.03 중량%, 보론(B) : 0.0015 ~ 0.003 중량%, 칼슘(Ca) : 0.001 ~ 0.004 중량% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지고,
페라이트, 펄라이트 및 베이나이트를 포함하는 복합 조직을 가지며, 인장강도(TS) : 655 MPa 이상 및 항복강도(YS) : 379 ~ 552 MPa을 갖는 것을 특징으로 하는 열연강판.
제9항에 있어서,
상기 강판은
하기 수학식 1을 만족하는 범위에서 실리콘(Si) 및 망간(Mn)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열연강판.
수학식 1 : 6 ≤ [Mn]/[Si] ≤ 9
(여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)
제9항에 있어서,
상기 강판은
인(P) : 0.018 중량% 이하, 황(S) : 0.003 중량% 이하 및 질소(N) : 0.006 중량% 이하를 포함하는 것을 특징으로 하는 열연강판.
제9항에 있어서,
상기 강판은
항복비(YS/TS) : 0.75 이하를 갖는 것을 특징으로 하는 열연강판.
제9항에 있어서,
상기 강판은
QT(Quenching & Tempering) 열처리 후,
인장강도(TS) : 950 MPa 이상 및 항복강도(YS) : 800 ~ 1000 MPa를 갖는 것을 특징으로 하는 열연강판.