KR20130098495A

KR20130098495A - 내화강재 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20130098495A
Application number: KR1020120020061A
Authority: KR
Inventors: 임종호; 황성두; 이희웅
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2013-09-05
Also published as: KR101368498B1

Abstract

본 발명은 크롬(Cr), 및 몰리브덴(Mo)을 첨가하여, 고온에서도 강도가 우수한 내화강재 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 내화강재 제조 방법은 탄소(C) : 0.1 ~ 0.13 중량%, 망간(Mn) : 0.5 ~ 1.5 중량%, 크롬(Cr) : 0.7 중량% 이하, 몰리브덴(Mo) : 0.3 ~ 0.6 중량%, 니오븀(Nb) : 0.01 ~ 0.1 중량%, 보론(B) : 0.0005 중량% 이하, 인(P) :　0.02 중량% 이하, 황(S) : 0.005 중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 강 슬라브를 재가열하는 단계; 상기 재가열된 강재를 마무리 압연 온도(Finishing Delivery Temperature) : 850~950℃의 조건으로 열간 압연하는 단계; 및 상기 압연된 강재를 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

내화강재 및 그 제조 방법 {FIRE-RESISTANT STEEL AND METHOD OF MANUFACTURING THE FIRE-RESISTANT STEEL}

본 발명은 내화강재의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 크롬(Cr), 및 몰리브덴(Mo)을 첨가하여, 고온에서도 강도가 우수한 내화강재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근 철골조 건축물은 충분한 강도를 확보할 수 있도록 강재를 내화 피복처리하여 보호하도록 설계되어 있다. 그러나, 내화 피복재 사용에 따라 발생되는 환경 문제 등이 발생될 수 있다. 이러한 문제점을 해결하고자, 최근에는 우수한 고온 강도를 갖는 내화강재를 사용하고 있다.

본 발명과 관련된 배경기술로는 대한민국 특허공개공보 제10-2000-0045532호(2000.07.15.공개)가 있으며, 상기 문헌에는 고온강도 특성이 우수한 인장강도 58킬로그램에프/제곱밀리미터건축용 강재의 제조방법이 개시되어 있다.

본 발명의 목적은 크롬(Cr), 및 몰리브덴(Mo)을 첨가하여, 고온에서도 강도가 우수한 내화강재 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 내화강재 제조방법은 탄소(C) : 0.1 ~ 0.13 중량%, 망간(Mn) : 0.5 ~ 1.5 중량%, 크롬(Cr) : 0.7 중량% 이하, 몰리브덴(Mo) : 0.3 ~ 0.6 중량%, 니오븀(Nb) : 0.01 ~ 0.1 중량%, 보론(B) : 0.0005 중량% 이하, 인(P) :　0.02 중량% 이하, 황(S) : 0.005 중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 강재를 재가열하는 단계; 상기 재가열된 강재를 마무리 압연 온도(Finishing Delivery Temperature) : 850℃ 이상의 조건으로 열간 압연하는 단계; 및 상기 압연된 강재를 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 내화강재는 탄소(C) : 0.1 ~ 0.13 중량%, 망간(Mn) : 0.5 ~ 1.5 중량%, 크롬(Cr) : 0.7 중량% 이하, 몰리브덴(Mo) : 0.3 ~ 0.6 중량%, 니오븀(Nb) : 0.01 ~ 0.1 중량%, 보론(B) : 0.0005 중량% 이하, 인(P) :　0.02 중량% 이하, 황(S) : 0.005 중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 내화강재는 내화피복 절감이 가능한 건축구조용 내화강재를 제조할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 내화강재는 베이나이트 조직의 생성분율을 안정화 할 수 있다.

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

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 내화강재 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

내화강재

본 발명에 따른 내화강재는 탄소(C) : 0.1 ~ 0.13 중량%, 망간(Mn) : 0.5 ~ 1.5 중량%, 크롬(Cr) : 0.7 중량% 이하, 몰리브덴(Mo) : 0.3 ~ 0.6 중량%, 니오븀(Nb) : 0.01 ~ 0.1 중량%, 보론(B) : 0.0005 중량% 이하, 인(P) :　0.02 중량% 이하, 황(S) : 0.005 중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 내화강재는 실리콘(Si) : 0.35 중량% 이하, 티타늄(Ti) : 0.01 중량% 이하 및 알루미늄(Al) : 0.6 중량% 이하 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.

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

탄소(C)

탄소(C)는 강도를 확보하기 위하여 첨가되며, 용접성에 가장 큰 영향을 미치는 원소이다.

상기 탄소(C)는 강재 전체 중량의 0.1 ~ 0.13 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 탄소(C)의 함량이 0.1 중량% 미만일 경우에는 충분한 강도를 확보하는 데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 탄소(C)의 함량이 0.13 중량%를 초과할 경우에는 인성 저하를 야기할 수 있으며, 전기저항용접(ERW)시 용접성의 저하를 가져오는 문제점이 있다.

망간( Mn )

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

상기 망간(Mn)은 강재 전체 중량의 0.5 ~ 1.5 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 망간(Mn)의 함량이 0.5 중량% 미만으로 첨가될 경우에는 고용강화 효과가 미미할 수 있다. 반대로, 망간(Mn)의 함량이 1.5 중량%를 초과하여 과다 첨가될 경우에는 용접성이 크게 저하될 뿐만 아니라, MnS 개재물 생성 및 중심 편석(center segregation) 발생에 의하여 강재의 연성을 크게 저하시키는 문제점이 있다. 또한, 망간(Mn)의 함량이 1.5 중량%를 초과하여 과다 첨가될 경우에는 저온변태조직인 베이나이트의 과다 생성을 초래하여 충격치를 저하시키는 문제점이 있다.

크롬( Cr )

크롬(Cr)은 페라이트를 안정화하여 연신율을 향상시키며, 강도 향상에 기여하는 원소이다.

상기 크롬(Cr)은 강재 전체 중량의 0.7 중량% 이하의 함량비로 첨가하는 것이 바람직하다. 크롬(Cr)의 함량이 0.7 중량%를 초과할 경우에는 강도와 연성의 균형이 깨질 수 있다.

몰리브덴( Mo )

몰리브덴(Mo)은 강도 및 인성의 향상에 기여하며, 또한 상온이나 고온에서 안정된 강도를 확보하는데 기여한다.

상기 몰리브덴(Mo)은 강재 전체 중량의 0.3 ~ 0.6 중량%로 첨가하는 것이 바람직하다. 몰리브덴(Mo)의 함량이 0.3 중량% 미만일 경우에는 몰리브덴 첨가에 따른 강도 및 인성의 향상 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반대로, 몰리브덴(Mo)의 함량이 0.6 중량%를 초과하여 과다 첨가될 경우에는 용접성을 저하시킴과 동시에 탄화물의 석출에 의하여 항복비를 상승시키며, 베이나이트를 과다 생성시켜 충격 인성을 저해하는 문제점이 있다.

니오븀( Nb )

니오븀(Nb)은 고온에서 탄소(C) 및 질소(N)와 결합하여 탄화물 또는 질화물을 형성한다. 열간압연시 오스테나이트 입도성장을 억제하고, 상온강도 및 인성 향상에 유용하고, 강중에 미세한 탄화물로 존재하여 고온강도를 향상시킨다.

상기 니오븀(Nb)은 강재 전체 중량의 0.01 ~ 0.1 중량%의 함량비로 첨가하는 것이 바람직하다. 니오븀(Nb)의 함량이 0.01 중량% 미만으로 첨가될 경우에는 니오븀 첨가 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 니오븀(Nb)의 함량이 0.1 중량%를 초과하는 경우, 니오븀(Nb) 함량 증가에 따른 강도와 저온인성은 더 이상 향상되지 않고, 용접성이 저하될 수 있다.

보론(B)

보론(B)은 강의 소입성 향상에 유용하며 고온 강도에 크게 기여하는 베이나이트 조직의 분율을 크게 증가시키는 원소로서, 인의 편석을 막아 강도를 향상시키는 역할을 한다. 만일, 인(P)의 편석이 발생할 경우에는 2차 가공취성이 발생할 수 있으므로, 보론을 첨가하여 인의 편석을 막아 가공취성에 대한 저항성을 증가시킨다.

상기 보론(B)은 강재 전체 중량의 0.0005 중량% 이하의 함량비로 첨가하는 것이 바람직하다. 보론(B)의 함량이 0.0005 중량%를 초과하여 과다 첨가될 경우에는 보론 산화물의 형성으로 강재의 표면 품질을 저해하며, 고온강도 확보가 어려워지는 문제점이 있다. 즉, 보론(B)의 함량이 0.0005 중량%를 초과하면 연속주조 공정에서 응고시 형성되는 보론계 탄질화물(Boron-Carbonitride)에 기인한 주편의 크랙을 유발 또는 베이나이트의 과다 생성을 유발하여 충격인성을 해칠 수 있다.

인(P)

인(P)은 강도 향상에 기여하는 원소이다.

상기 인(P)은 용접성을 악화시키고, 슬라브 중심 편석(slab center segregation)에 의해 최종 재질 편차를 발생시키는 원인이 될 수 있다.

이에, 본 발명에서는 인(P)의 함량을 강재 전체 중량의 0.02 중량% 이하로 제한하였다.

황(S)

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

이에, 상기 황(S)의 함량을 강재 전체 중량의 0.005 중량% 이하의 함량비로 제한하였다.

실리콘( Si )

본 발명에서 실리콘(Si)은 제강공정에서 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가된다. 또한, 실리콘(Si)은 고용강화 효과도 가진다.

실리콘(Si)이 포함될 경우, 그 함량은 강재 전체 중량의 0.35 중량% 이하가 바람직하다.

실리콘(Si)의 함량이 강재 전체 중량의 0.35 중량%를 초과하여 다량 첨가시 강의 용접성을 저하시키며, 재가열 및 열간압연 시에 적 스케일(red scale)을 생성시킴으로써 표면품질에 문제를 줄 수 있다. 또한, 용접후 도금성을 저해할 수 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 티타늄(Ti)이 첨가될 경우, 그 함량은 강재 전체 중량의 0.01 중량% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다. 티타늄(Ti)의 함량이 0.01 중량%를 초과할 경우에는 오스테나이트 고온역에서 석출하여 재가열된 오스테나이트의 결정립 성장을 억제하므로 오스테나이트의 결정립 미세화를 도모하나 NbC 이외에 TiC를 추가로 석출시켜 충격인성이 저하되는 문제점이 있다.

알루미늄( Al )

알루미늄(Al)은 제강시의 탈산을 위해 첨가될 수 있다. 알루미늄(Al)이 첨가될 경우, 그 함량은 강재 전체 중량의 0.06 중량% 이하인 것이 바람직 하다. 상기 알루미늄(Al)의 함량이 0.06 중량%를 초과하여 다량 첨가될 경우에는 충격인성이 저하되는 문제가 있다.

강재 제조 방법

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

도 1을 참조하면, 도시된 강재 제조 방법은 슬라브 재가열 단계(S110), 압연 단계(S120) 및 냉각 단계(S130)를 포함한다.

슬라브 재가열

슬라브 재가열 단계(S110)에서는 전술한 조성을 갖는 슬라브 강재를 SRT(Slab Reheating Temperature) 재가열한다. 상기 조성을 갖는 슬라브 강재는 제강공정을 통해 원하는 조성의 용강을 얻은 다음에 연속주조공정을 통해 얻어질 수 있다. 이러한 슬라브 강재의 재가열을 통하여, 주조 시 편석된 성분을 재고용한다.

슬라브 재가열 온도는 1150 ~ 1250℃인 것이 바람직하다. 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 강도 확보가 어려울 수 있으며, 과도한 가열 공정으로 인하여 강재의 제조 비용만 상승할 수 있다.

열간압연

열간압연 단계(S120)에서는 슬라브 강재를 열간압연한다.

열간압연 단계(S120)에서 마무리 압연 온도(FDT)는 850~950℃인 것이 바람직하다. 상기 온도 범위에서 열간압연이 마무리될 경우, 열간압연 후 냉각 전 강재의 조직이 오스테나이트 상이 될 수 있다. 마무리 온도가 850℃ 미만으로 실시될 경우에는 미재결정역 압연량에 따른 압연 중 석출되는 페라이트 형성에 기인하여 기지조직 중에서 상온 및 고온강도 발현에 유용한 베이나이트나 엑시큘러 페라이트(Acicular ferrite)의 분율이 크게 저하하는 등의 문제가 발생할 수 있다. 반대로, 마무리 온도가 950℃를 초과할 경우에는 강도 및 인성 확보가 어렵다.

냉각

냉각 단계(S130)에서는 열간압연 된 강재를 냉각한다.

냉각은 대략 20℃/sec 이하의 온도에서 실시될 수 있으며, 보다 바람직하게는 공냉 방식이 적용될 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 1~2 및 비교예 1~2에 따른 시편을 제조하였다.

[표 1] (단위 : 중량%)

[표 2]

2. 물성 평가

실시예 1 ~ 2 및 비교예 1에 따라 제조된 내화강의 물성 평가 결과를 표 3에 나타내었다.

[표 3]

표 3을 참조하면, 실시예 1 ~ 2의 경우, 25℃에서 530MPa 정도의 인장강도, 350MPa 정도의 항복강도 및 65% 정도의 항복비를 나타내어 SN 규격강도를 만족하였다.

또한, 실시예 1 ~ 2의 경우, 650℃ 및 700℃ 모두에서 목표로 하는 항복강도비(YS_650℃ / YS_25℃ ≥ 0.5, YS_700℃ / YS_25℃ ≥ 0.4)를 충분히 만족하였다.

또한, 실시예 1 ~ 2의 경우, 샤르피 충격 시험 결과, 0℃ 평균 충격흡수에너지(vE0)가 대략 290J 정도로 인성이 매우 우수하였다.

반면, 비교예 1의 경우, 상대적으로 Mn의 함량이 높았다. 그 결과, 상온 강도는 우수하였으나, 650℃ 및 700℃에서의 항복강도비가 목표치에 도달하기는 하였으나, 실시예 1 ~ 2에 비하여는 불충분하였다.

특히, 비교예 1의 경우, 실시예 1 ~ 2에 비하여 인성이 낮았다.

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 : 슬라브 재가열 단계
S120 : 열간 압연 단계
S130 : 냉각 단계

Claims

(a) 탄소(C) : 0.1 ~ 0.13 중량%, 망간(Mn) : 0.5 ~ 1.5 중량%, 크롬(Cr) : 0.7 중량% 이하, 몰리브덴(Mo) : 0.3 ~ 0.6 중량%, 니오븀(Nb) : 0.01 ~ 0.1 중량%, 보론(B) : 0.0005 중량% 이하, 인(P) :　0.02 중량% 이하, 황(S) : 0.005 중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 강 슬라브를 재가열하는 단계;
(b) 상기 재가열된 강재를 마무리 압연 온도(Finishing Delivery Temperature) : 850~950℃의 조건으로 열간 압연하는 단계; 및
(c) 상기 압연된 강재를 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 내화강재 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 강 슬라브는
실리콘(Si) : 0.35 중량% 이하, 티타늄(Ti) : 0.01 중량% 이하 및 알루미늄(Al) : 0.6 중량% 이하 중 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내화강재 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계에서,
슬라브 재가열 온도(Slab Reheating Temperature)는 1150 ~ 1250℃인 것을 특징으로 하는 내화강재 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 냉각 단계는
공냉 방식으로 실시되는 것을 특징으로 하는 내화강재 제조 방법.
탄소(C) : 0.1 ~ 0.13 중량%, 망간(Mn) : 0.5 ~ 1.5 중량%, 크롬(Cr) : 0.7 중량% 이하, 몰리브덴(Mo) : 0.3 ~ 0.6 중량%, 니오븀(Nb) : 0.01 ~ 0.1 중량%, 보론(B) : 0.0005 중량% 이하, 인(P) :　0.02 중량% 이하, 황(S) : 0.005 중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내화강재.
제5항에 있어서,
상기 내화강재는
실리콘(Si) : 0.35 중량% 이하, 티타늄(Ti) : 0.01 중량% 이하 및 알루미늄(Al) : 0.6 중량% 이하 중 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내화강재.