KR20140084925A - 내침식성과 저온충격인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판 및 그의 제조방법 - Google Patents

내침식성과 저온충격인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

중량%로 C: 0.25~0.35%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 1.4~1.8%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, Al: 0.05% 이하, N: 0.01% 이하, Nb: 0.005~0.05%, Ti: 0.005~0.02%, Cr: 0.05~0.5%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 상기 Cr과 Mn의 함량은 [Cr+Mn≤2.0%]의 관계를 만족하고, 미세조직으로 페라이트 및 펄라이트의 복합조직을 포함하는, 내침식성과 저온충격인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판 및 그의 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 강 성분과 미세조직을 최적화하여 파이프 조관이 용이한 강재를 제공할 수 있으며, 낮은 제조원가로 내침식성과 저온충격인성을 향상시킬 수 있다.

Description

내침식성과 저온충격인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판 및 그의 제조방법{STEEL SHEET FOR OIL SANDS SLURRY TRANSPORTATION PIPE HAVING SUPERIOR EROSION-RESISTANCE AND LOW TEMPERATURE TOUGHNESS}
본 발명은 내침식성과 저온충격인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
오일샌드 산업에 사용되고 있는 강재 중, 특히 오일샌드 슬러리 수송에 사용되고 있는 강재는 200~300mm의 모래 입자에 의해 마모가 발생하고 있으며, 오일샌드 속에 포함되어 있는 염분과 50~60℃의 물로 인해 부식이 함께 발생하고 있다. 오일샌드 슬러리는 35중량% 정도의 모래와 500ppm 내외의 염분이 포함되어 있고 3.5~5.5m/sec의 속도로 수송되고 있다. 슬러리의 수송 시, 모래 입자는 파이프의 내측 하단부를 따라 이동되어 소재를 침식시키기 때문에 재료의 사용 수명을 늘리기 위해 년간 2~4회 파이프를 회전하여 사용하고 있다. 슬러리 파이프 내부는 이동하는 모래에 의한 마모뿐만 아니라, 염분으로 인한 부식도 함께 발생하고 있으며, 더욱 문제가 되고 있는 것은 부식의 결과로 생성된 부식생성물이 안정적으로 소재의 부식속도를 저하시키는 것이 아니라 이동하는 모래에 의해 즉시 제거된다는 것이다. 이러한 경우, 파이프 소재의 침식은 부식과 마모가 각각 따로 존재하는 환경보다 훨씬 빨라지는 특성이 있다.
이러한 침식현상을 지연시켜 파이프의 수명을 늘리기 위해 내부에 탄화물 코팅이나 표면 열처리를 적용하는 경우도 있지만, 재처리 공정의 비용이 소재의 교체비용을 초과하기 때문에 재처리 공정에 의한 추가 비용이 발생하지 않고 슬러리에 의한 침식에 저항성이 우수한 소재의 개발이 요구되고 있다.
일반적으로 소재의 내마모성은 경도의 증가에 따라 증가하는 것으로 알려져 있지만, 대표적인 경도 증가 수단으로 이용하고 있는 고경도의 마르텐사이트 조직을 이용하는 방식의 재료의 경도 증가는 파이프 소재의 특성상, 조관이 가능한 강도와 연성을 가져야 하기 때문에 적용이 불가능하다. 뿐만 아니라, 소재의 경도가 마모 입자 경도의 80% 이상에 근접한 경우에 내마모성이 급격하게 증가하기 때문에 마르텐사이트 조직으로는 적용의 한계가 있다.
또한, 염분의 분위기에서 강재의 부식속도를 낮추기 위해 주로 Cr이나 Al과 같은 산화물 녹층 형성원소를 일반적으로 활용하고 있지만, 오일샌드 슬러리 파이프의 특성상 탄소강에서 표면 녹층의 활용은 불가하다.
현재 사용되고 있는 오일샌드 슬러리 파이프용 강재는 API 등급의 라인파이프 강재로서 재료의 내마모성을 증가시키기 위해 상용 조관이 가능한 수준에서 강도를 상승시킨 페라이트계 TMCP강재가 사용되고 있지만, 기존 API 강재의 설계 특성상, 페라이트 조직과 석출물에 의한 경화를 이용하고 있기 때문에 내침식성 향상에는 한계가 있다.
마모가 발생하는 환경에서 소재의 수명을 증가시키기 위해 제안된 종래의 기술은 재료의 후처리 기술이 대부분이며, 현재까지 하기하는 기술들이 제안된 바 있다.
특허문헌 1은 강 파이프 내부에 세라믹 플레이트를 설치하여 내마모성을 확보하는 방법을 제안하고 있으며, 특허문헌 2는 주강 파이프 내면에 텅스텐 카바이드 또는 고크롬 분말을 이용하여 경화 육성용접 층을 형성하여 내마모 파이프를 제조하는 방법을 제안하고 있다. 그러나, 상기 특허문헌 1 및 특허문헌 2에서 제안하는 방법은 기존 파이프의 교체방법 대비 비용이 많이 들고 충격이나 결함에 의한 표면 탈락 시, 국부적인 부식이 발생할 수 있고 장기적인 내마모성을 보증하지 못하는 단점이 있다.
내마모성과 내부식성이 우수한 강재에 대한 발명으로는 특허문헌 3을 들 수 있는데, 저장유관, 선체 내 배관용 등으로 이용되는 내마모부식성이 우수한 강재의 제조방법을 제공하고 있다. 구체적으로 Cr, Cu, Ni, Ca 등을 활용하여 녹층의 치밀도를 개선하여 내마모성 및 내마모부식성을 높이는 방법을 제안하고 있지만, 오일샌드 슬러리 파이프와 같은 가혹한 마모환경에서는 녹층을 활용한 내마모성 확보가 불가능하다는 단점을 가진다.
한국 공개특허공보 제1987-0010217호 한국 공개특허공보 제2000-0046429호 한국 공개특허공보 제2004-0059177호
본 발명의 일 측면은 오일샌드의 후 처리를 위하여 물과 혼합된 오일샌드를 이동시킬 때 파이프 내벽 하부에서 발생하는 침식에 대한 저항성이 높음과 동시에 우수한 저온충격인성을 가지면서 조관이 용이한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판 및 그의 제조방법을 제시하고자 한다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은, 중량%로 C: 0.25~0.35%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 1.4~1.8%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, Al: 0.05% 이하, N: 0.01% 이하, Nb: 0.005~0.05%, Ti: 0.005~0.02%, Cr: 0.05~0.5%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 상기 Cr과 Mn의 함량은 [Cr+Mn≤2.0%]의 관계를 만족하고, 미세조직으로 페라이트 및 펄라이트의 복합조직을 포함하는, 내침식성과 저온충격인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판을 제공한다.
본 발명의 다른 측면은, 중량%로 C: 0.25~0.35%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 1.4~1.8%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, Al: 0.05% 이하, N: 0.01% 이하, Nb: 0.005~0.05%, Ti: 0.005~0.02%, Cr: 0.05~0.5%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 상기 Cr과 Mn의 함량은 [Cr+Mn≤2.0%]의 관계를 만족하는 강 슬라브를 1100~1160℃로 재가열하는 단계; 마무리 압연온도 Ar3~900℃, 마무리압연 패스간 공냉 시간 30초 이하, 마무리 압연 누적압하율 50%이상으로 마무리 압연하는 단계; 냉각속도 0.5~5℃/sec로 냉각 개시온도 Ar3 ~ Ar3 + 200℃로부터 냉각 종료온도 500℃이하가 되도록 냉각하는 단계를 포함하는, 내침식성과 저온충격인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 강 성분과 미세조직을 최적화하여 파이프 조관이 용이한 강재를 제공할 수 있으며, 낮은 제조원가로 내침식성과 저온충격인성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 Cr 함량에 따른 내침식성 변화를 나타내는 도표이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 내침식성과 저온충격인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판 및 그의 제조방법을 상세히 설명한다.
일반적으로 저탄소 페라이트계 강재는 가공이 쉽고 TMCP 공정으로 강도를 제어하기 용이하지만, 페라이트 조직이 가지는 낮은 경도 값으로 인해 슬러리에 의한 침식에 대한 저항성이 저하되는 단점을 가진다. 특히, 오일샌드 슬러리 파이프와 같은 가혹한 침식 환경에서는 년간 20mm 이상의 침식량을 나타내고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 파이프 내벽에 표면처리를 적용하는 것과 소재의 경도를 높이는 것, Cr, Al과 같은 표면 산화물 형성원소를 첨가하는 것이 일반적인 견해였다.
그러나, 본 발명자들은 연구와 실험을 거듭하면서 철강재료의 마모는 미세조직에 상관없이 표면변형과 변형층의 탈락에 의해 발생한다는 것과 오일샌드 슬러리 파이프 환경의 분위기에서는 재료에 발생하는 침식이 부식보다 마모에 의한 것이 주됨을 발견하게 되었고, 재료의 내침식성 향상은 충돌된 마모입자를 튕겨내면서도 파괴되지 않는 수준의 경도와 인성을 가지게 하고 변형 수용능력을 향상시켜 변형층 탈락까지의 변형 수용량을 늘릴 수 있는 미세조직을 구상하게 되었다.
이러한 검토결과에 착안하여 강재의 성분과 주요성분들간의 관계를 적절히 제어하고 미세조직을 제어함으로써 파이프 조관이 가능하면서도 저원가의 내침식성이 우수한 강판을 제안하게 되었다.
즉, 본 발명의 오일샌드 슬러리 파이프용 강판은, 중량%로 C: 0.25~0.35%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 1.4~1.8%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, Al: 0.05% 이하, N: 0.01% 이하, Nb: 0.005~0.05%, Ti: 0.005~0.02%, Cr: 0.05~0.5%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 상기 Cr과 Mn의 함량은 [Cr+Mn≤2.0%]의 관계를 만족한다.
상기 각 성분의 수치 한정 이유를 설명하면 다음과 같다. 이하, 각 성분의 함량 단위는 특별히 언급하지 않은 경우에는 중량%임에 유의할 필요가 있다.
C: 0.25~0.35%
C는 펄라이트를 페라이트의 기지조직에 형성하여 페라이트/펄라이트 복합조직을 만들기 위해 첨가되는 원소로 그 함량을 0.25중량% 미만으로 감소시키면 펄라이트 양이 부족하여 내마모성 확보가 어렵고 0.35중량% 초과하면 펄라이트의 양이 증가하는 반면 페라이트 양이 감소하고 경도 값이 증가함과 동시에 마모에 대한 변형 수용능력이 떨어지게 되어 내마모성이 감소하기 때문에 0.25~0.35중량%로 그 범위를 한정한다. 또한, C 함량이 높은 경우에 충격인성이 감소하고 용접성이 떨어지는 단점이 있지만, 내침식성의 관점에서는 C을 0.28중량% 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다.
Si : 0.1~0.5%
Si는 제강 공정의 탈산제로 작용할 뿐만 아니라 강재의 강도를 높이는 역할을 한다. Si 함량이 0.5중량%를 초과하면 소재의 충격인성이 나빠지고 용접성을 저해하며 압연 시 스케일 박리성을 유발하는 반면 0.1중량% 미만으로 낮추면 제조비용이 증가하기 때문에 그 함량을 0.1~0.5중량%로 제한하는 것이 바람직하다.
Mn : 1.4~1.8%
Mn은 충격인성을 저해하지 않으면서 펄라이트 양을 증가시키는 원소로서 1.4중량% 이상 첨가되는 것이 바람직하다. 하지만, 1.8중량%를 초과하여 첨가되면 중심편석이 발생하여 충격인성이 저하되고 펄라이트가 아닌 베이나이트나 마르텐사이트가 형성됨은 물론 용접성이 저하되는 문제점이 있으므로 그 함량을 0.5~1.8중량%로 제한하는 것이 바람직하다.
P: 0.03% 이하
P는 불순물 원소이며, 그 함량이 0.03중량%를 초과하면 용접성이 현저히 저하될 뿐만 아니라 충격인성이 열화되므로, 그 함량을 0.03중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 특히, 저온 충격인성의 측면에서 0.01중량% 이하가 더욱 바람직하다.
S: 0.03% 이하
S도 불순물 원소이며 그 함량이 0.03중량%를 초과하면 강의 연성, 충격인성 및 용접성을 열화시키는 문제점이 있다. 따라서, 그 함량을 0.03중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 특히, S는 Mn과 결합하여 MnS 개재물을 형성하여 강의 내침식성과 저온 충격인성을 저하시키기 때문에 0.01중량% 이하가 더욱 바람직하다.
Al : 0.05% 이하
통상적으로 Al은 용강 중에 존재하는 산소와 반응하여 산소를 제거하는 탈산제로서의 역할을 수행한다. 따라서, Al은 강재 내에 충분한 탈산력을 갖출 정도로 첨가되는 것이 일반적이다. 그러나, 0.05중량%를 초과하여 첨가되면 산화물계 개재물이 다량 형성되어 소재의 충격인성을 저해하므로 그 함량을 0.05중량% 이하로 제한한다. 다만, 상기 Al은 강 중에 포함되지 않아도 되는 원소이므로 본 발명에서는 Al의 하한은 특별히 정하지 않는다.
N: 0.01% 이하
N은 강 중에서 공업적으로 완전히 제거하는 것이 어렵기 때문에 제조공정에서 허용할 수 있는 범위인 0.01중량%를 상한으로 한다. N은 Al, Ti, Nb, V 등과 질화물을 형성하여 오스테나이트 결정립 성장을 방해하여 인성 향상 및 강도향상에 도움을 주지만, 그 함유량이 0.01중량%를 초과하면 고용상태의 N이 존재하고 이들 고용상태의 N은 인성에 악영향을 미치므로 그 범위를 0.01중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
Nb : 0.005~0.05%
Nb는 슬라브 재가열 시 고용되어 있다가 열간압연 중에 오스테나이트 결정립 성장을 억제하고, 이후 석출되어 강의 강도를 향상시키는 역할을 한다. 하지만, 상기 Nb가 0.05중량%를 초과하여 과도하게 첨가되면 소재의 저온 충격인성이 열화되고 0.005중량% 미만으로 첨가되면 오스테나이트 입자 미세화의 효과가 없기 때문에 본 발명에서는 Nb의 함량을 0.005~0.05중량%로 제한한다.
Ti : 0.005~0.02%
Ti은 슬라브 재가열 시, N과 결합하여 TiN의 형태로 오스테나이트 결정립 성장을 억제시키는 효과적인 원소이다. 하지만, 상기 Ti이 0.02중량%를 초과하여 과도하게 첨가되면 소재의 저온 충격인성이 열화되고 0.005중량% 미만으로 첨가되면 오스테나이트 입자 미세화의 효과가 없기 때문에 본 발명에서는 Ti의 함량을 0.005~0.02중량%로 제한한다.
Cr : 0.05~0.5%
Cr은 슬라브 재가열 시, 오스테나이트에 고용되어 강재의 소입성을 증가시키는 역할을 함과 동시에 펄라이트로의 변태시에 세멘타이트 경도를 높이고 내마모성을 증가시키는 역할을 한다. 하지만, 0.5중량%를 초과하여 첨가되면 오스테나이트의 소입성을 증가시켜 마르텐사이트나 베이나이트 등의 충격인성이 열위한 조직을 형성시키고 용접성이 저하되는 문제점이 있으므로 그 함량을 0.05~0.5중량%로 제한하는 것이 바람직하다. 내마모성과 충격인성 측면에서 0.1~0.3중량%로 제한하는 것이 더욱 바람직하다.
Cr + Mn ≤2.0%
Mn과 Cr은 강재의 소입성을 증가시켜 일정 함량 이상에서는 마르텐사이트나 베이나이트 상 등의 충격인성이 열위한 조직을 형성시키고 강재의 가공성을 열화시키기 때문에 그 함량의 합을 2.0중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
상기와 같은 조성을 가진 강재는 동일한 조성이라도 미세조직에 따라 내침식성과 저온충격인성에 영향을 주기 때문에 이하, 더욱 상세하게 본 발명의 오일샌드 슬러리 파이프용 강판의 미세조직에 대하여 설명한다.
본 발명자들은 베이나이트나 마르텐사이트와 같은 높은 경도의 소재를 사용하지 않으면서 오일샌드 슬러리 파이프에 적합한 소재의 특성에 대하여 검토한 결과 펄라이트 조직이 유용함을 발견하였다. 그러나, 펄라이트 만으로 이루어질 경우에는 취성이 높아지므로, 펄라이트강을 직접 활용하는 것이 아니라 페라이트와 펄라이트의 복합 조직강을 이용하는 것이 내침식성과 조관을 위한 강도, 저온충격인성 측면에서 더욱 우수할 수 있다는 것을 발견하였다.
즉, 펄라이트는 페라이트와 세멘타이트의 복합체로 세멘타이트는 마모입자를 반사시키는 역할을 하며, 연질의 페라이트는 마모입자에 의한 변형을 수용하는 역할을 하기 때문에 C 함량 변화가 주로 영향을 주는 펄라이트 분율의 최적화는 내침식성 향상에 중요한 역할을 한다. 또한, 페라이트는 마모입자에 의한 변형 수용에 의해 내침식성을 향상시키고 강판의 강도를 조관 가능한 수준으로 낮게 유지하는 역할을 한다.
또한, 오일샌드 슬러리 파이프에서 마모가 발생할 경우, 200~300mm 크기의 마모입자가 충돌하기 때문에 마모입자가 페라이트를 직접 변형시키지 않고 반사되기 위해서는 세멘타이트 입자 간격이 그 이하여야 한다는 점과 미세분산 세멘타이트의 경우에 마모입자가 페라이트와 함께 탈락될 수 있다는 점을 착안하여 페라이트와 세멘타이트가 층상으로 배치되는 라멜라 구조의 펄라이트를 제안하게 되었다. 또한, 탄소의 상한을 제한하여 변형 수용능력이 우수한 페라이트의 분율을 일정 수준으로 유지함으로써 내마모성을 더욱 향상시켰다. 또한, 조직의 내마모성이 증가할 경우 내침식성도 같이 향상될 것이기 때문에 세멘타이트 입자의 경도를 높이는 것이 바람직하다는 결론을 얻을 수 있었다. 본 발명에서는 이를 위하여 소량의 Cr을 활용하여 Cr을 포함하지 않은 경우보다 내마모성을 향상시켰다.
이때, 펄라이트의 면적분율이 50% 미만일 경우에는 세멘타이트가 충분히 형성되지 않아 내침식성을 확보하기 힘들며, 펄라이트의 면적분율이 70%를 초과할 경우에는 변형수용 능력 감소로 내침식성이 감소하고 저온충격인성이 열위해질 수 있다. 따라서, 본 발명의 강재의 조직 중 펄라이트의 분율은 50~70%이다. 상기 펄라이트 외의 나머지 조직은 기본적으로 페라이트인 것이 바람직하다.
다만, 제조공정상 일부 경질상인 베이나이트 및/또는 마르텐사이트가 생성되어 조직내에 포함될 수도 있으므로, 이들 조직의 면적분율의 합계를 강재의 물성을 악화시키지 않는 범위인 20%까지는 허용할 수 있다. 만일, 베이나이트/마르텐사이트의 면적분율이 20% 이상일 경우에는 경질조직의 형성으로 인한 내침식성의 감소와 저온충격인성의 감소가 나타날 수도 있다.
따라서, 본 발명의 오일샌드 슬러리 파이프용 강판은 면적분율로 펄라이트: 50~70%, 베이나이트 및 마르텐사이트: 20%미만, 잔부 페라이트 및 기타 불가피한 상으로 이루어지는 미세조직을 가질 수 있다.
또한, 페라이트/펄라이트 복합 미세조직은 저온에서 충격인성이 기존 오일샌드 슬러리 파이프용 강인 페라이트계 TMCP강재 보다 열위하기 때문에 이를 극복하기 위하여 오스테나이트 결정립을 미세화하는 것이 보다 바람직할 수 있다. 충분한 저온인성을 가지기 위해서는 본 발명의 미세조직의 구 오스테나이트 결정립 크기는 20㎛ 이하일 수 있다 . 상기 구 오스테나이트 결정립 크기는 작을수록 바람직하기 때문에 특별히 그 하한을 정하지는 않는다. 다만, 오스테나이트 결정립도를 과도하게 줄이기 위해서는 생산공정에 부하를 가할 수도 있으므로, 한가지 구현예에서는 상기 구 오스테나이트 결정립 크기는 5㎛ 이상으로 정할 수 있다.
이하, 상술한 조성과 미세조직을 가지는 본 발명의 강판을 제조하는 방법을 제안한다.
먼저, 중량%로 C: 0.25~0.35%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 1.4~1.8%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, Al: 0.05% 이하, N: 0.01% 이하, Nb: 0.005~0.05%, Ti: 0.005~0.02%, Cr: 0.05~0.5%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 상기 Cr과 Mn의 함량은 [Cr+Mn≤2.0%]의 관계를 만족하는 강 슬라브를 1100~1160℃로 재가열한다.
재가열은 강 슬라브를 열간압연하기 위해 고온으로 가열하는 공정으로 가열온도가 본 발명에서 제한하는 상한치인 1160℃를 초과하는 경우 오스테나이트 결정립이 조대화되어 강의 충격인성을 저하시며 가열온도가 1100℃ 미만인 경우에는 합금원소로 첨가된 Nb의 재고용율이 떨어져 결정립 미세화의 효과가 감소하기 때문에 본 발명에서는 재가열 온도의 범위를 1100~1160℃로 제한하고, 저온 충격인성 측면에서 보다 바람직하게 1100~1140℃로 제한한다.
이어서, 마무리 압연온도 Ar3~900℃, 마무리압연 패스간 공냉 시간 30초 이하, 마무리 압연 누적압하율 50%이상으로 마무리 압연한다.
마무리압연은 오스테나이트 단상역에서 진행되고 마무리압연 누적압하율이 50%미만일 경우, 결정립 크기가 증가하여 저온충격인성을 저하시키며 조대한 오스테나이트의 소입성이 증가되어 베이나이트/마르텐사이트 상을 형성하기 쉽기 때문에 내침식성을 감소시키기 때문에 본 발명에서는 마무리압연 누적압하율을 50% 이상으로 제한하고 있다. 충격인성 측면에서는 마무리압연 누적압하율을 70% 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 마무리 압연온도는 강재의 충격인성을 향상시키고 내마모성을 향상시키기 위한 범위로서 마무리압연 온도가 Ar3 미만일 경우에는 페라이트-오스테나이트 이상역에서 페라이트가 경화되어 충격인성과 내마모성이 감소되고, 900℃ 이상에서는 오스테나이트 미재결정역의 압연에 의한 압연 효과가 감소하므로 그 범위를 Ar3 ~ 900℃로 제한한다.
마무리압연 패스간 공냉시간은 그 값이 증가함에 따라 오스테나이트 결정립의 회복이 발생하여 최종 미세조직의 결정립 크기가 커지기 때문에 강재의 충격인성이 저하되기 때문에 마무리압연 패스간 공냉시간을 30초 이하로 제한한다.
마무리 압연 후에는, 냉각속도 0.5~5℃/sec로 냉각 개시온도 Ar3 ~ Ar3 + 200℃로부터 냉각 종료온도 500℃이하가 되도록 냉각한다.
냉각은 통상 마무리 압연 후 오스테나이트 단상역(Ar3~Ar3+200℃)에서 개시되고 상변태 종료온도인 500℃ 이하에서 종료된다. 만일 높은 온도에서 냉각이 이루어지기 위해서는 마무리 압연온도가 높아지기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 오스테나이트 단상역이 아닌 오스테나이트+페라이트 2상역에서부터 냉각이 개시된다면 강재의 조직 중에 초석 페라이트가 다량 생성되기 때문에 바람직하지 않다.
또한, 냉각속도가 0.5℃/sec보다 낮을 경우에는 냉각 중에 C 확산을 위한 시간이 길어져 펄라이트 내의 C 농도가 높아지고 펄라이트의 분율이 감소하여 내침식성이 저하되고 냉각속도가 5℃/sec보다 높을 경우에는 마르텐사이트나 베이나이트와 같은 저온 상들이 형성되어 내침식성과 저온충격인성이 감소하기 때문에 본 발명에서는 냉각속도를 0.5~5℃/sec로 제한한다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 예일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하지는 않는다.
[ 실시예 ]
하기 표 1과 같은 조성을 갖는 용강을 마련한 후 연속주조를 이용하여 강 슬라브를 제조하였다.
Figure pat00001
주조된 슬라브는 모두 통상의 조건으로 열간압연 한 후 표 2에 나타낸 조건으로 압연 및 냉각을 수행하여 강판을 제조하였다.
Ar3
(℃)		 가열온도
(℃)		 마무리압연 패스간 공냉시간
(초)		 냉각개시온도
(℃)		 냉각종료온도
(℃)		 냉각속도
(℃/sec)		 마무리압연
누적압하율
(%)
발명강1 699 1158 28 834 455 1.4 75
발명강2 688 1148 22 805 480 3 70
발명강3 694 1145 17 881 479 1.8 65
발명강4 686 1126 25 789 454 2.2 75
발명강5 678 1148 20 778 479 1.8 70
비교강1 803 1154 16 825 355 15.8 70
비교강2 779 1145 19 890 332 14.6 65
비교강3 655 1154 21 825 355 3.1 70
비교강4 729 1159 23 872 465 2.8 75
비교강5 658 1147 26 802 358 2.6 75
비교강6 744 1158 26 777 379 2.8 65
비교강7 681 1156 28 783 449 2.2 65
비교강8 692 1149 14 832 475 1.8 70
비교강9 686 1147 22 783 465 1.2 70
비교강10 695 1154 26 800 444 1.8 70
비교강11 687 1173 18 831 456 1.8 70
비교강12 686 1081 19 778 452 1.6 75
비교강13 687 1128 17 805 444 1.9 40
비교강14 685 1131 22 821 412 5.9 70
비교강15 685 1120 15 841 419 0.3 75
비교강16 676 1122 25 777 455 1.2 75
비교강17 708 1125 26 802 480 1.6 75
비교강18 685 1120 24 821 475 1.8 75
비교강 19 699 1160 37 838 450 2.2 75
Ar3 (℃) = 910 - 310C - 80Mn - 20Cu - 15Cr - 55Ni - 80Mo + 0.35*(thickness-8)
여기서, thickness는 시편의 두께로서 10~30의 값을 가진다.
상기 표 1에서 볼 수 있듯이, 발명강1 내지 발명강5는 모두 본 발명에서 규정하는 성분 범위 및 제조조건을 충족하는 강판을 의미한다.
그러나, 비교강1은 일반적으로 오일샌드 슬러리 파이프용 강으로 적용되고 있는 강재의 통상적인 C와 Mn의 함량을 가지고 있기 때문에 C와 Mn의 함량이 본 발명에서 규정하는 범위 이하이다. 또한, 저탄소 강의 강도 확보를 위해 표 2에서처럼 냉각속도를 높인 점도 본 발명에서 규정하는 범위를 벗어난다.
비교강2는 일반적인 내마모강으로 적용되고 있는 통상적인 C 함량과 냉각조건을 가지고 있기 때문에 C 함량과 냉각조건이 본 발명에서 규정하고 있는 범위를 벗어난다.
비교강3은 C함량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하여 첨가되어 있고, 비교강4는 C 함량이 본 발명에서 제한하고 있는 0.25중량% 미만으로 첨가된 경우이다.
비교강 5와 비교강6은 Mn 함량이 본 발명에서 제한하고 있는 1.4~1.8중량%를 벗어나고 있으며, 비교강7과 비교강8은 본 발명에서 제한하는 Ti의 범위인 0.005~0.02중량%의 범위를 벗어나는 경우이다.
비교강9의 경우는 Nb의 함량이 본 발명에서 제한하고 있는 상한치인 0.05중량%를 초과하여 첨가된 경우이고 비교강10은 Nb의 함량이 본 발명에서 규정하는 하한치인 0.005중량% 미만 첨가된 경우이다.
비교강 11 내지 비교강 15은 발명강 4의 강슬라브와 동일 강재이지만, 표 2에서와 같이 발명강4와 다른 조건으로 제조되었다.
비교강 11과 비교강 12는 상기 표 2에서와 같이 재가열온도가 본 발명에서 규정하고 있는 1100~1160℃의 범위를 벗어나 제조 되었으며, 비교강13은 마무리압연 누적압하율이 본 발명에서 제한하고 있는 하한치인 50% 미만인 경우이다.
비교강 14과 비교강 15는 냉각속도가 본 발명에서 제한하고 있는 0.5~5℃/sec를 벗어나 제조된 경우이다.
비교강 16의 경우에는 Mn + Cr의 함량이 본 발명에서 규정하고 있는 2.0중량%를 초과한 경우이며, 비교강 17은 Cr의 함량이 본 발명에서 규정하고 있는 0.5중량%를 초과한 경우이다.
비교강 18은 Cr의 함량이 본 발명에서 규정하고 있는 0.05중량% 미만으로 첨가된 경우이다.
비교강 19는 발명강 1과 동일한 슬라브로 제조된 강이지만, 표 2에서처럼 마무리압연 패스간 공냉 대기시간이 발명강이 제한하고 있는 30초 이하를 초과하는 경우이다.
표 1의 조성을 가지면서 표 2의 조건으로 제조된 강판에 대하여 미세조직, 내침식성, -40℃에서의 충격인성, 항복강도를 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.
F 분율
(면적%)		 P 분율
(면적%)		 B/M 분율
(면적%)		 내침식성
(%)		 충격인성
(J)		 항복강도
(MPa)
발명강1 36 56 8 183 142 459
발명강2 35 59 6 185 146 483
발명강3 33 60 7 201 131 478
발명강4 30 61 9 204 138 480
발명강5 22 63 15 189 98 496
비교강1 93 5 2 100 264 473
비교강2 3 1 96 119 31 783
비교강3 12 83 5 151 22 585
비교강4 50 43 7 144 143 423
비교강5 11 52 37 138 34 602
비교강6 53 42 5 129 156 430
비교강7 25 58 17 184 36 495
비교강8 31 53 16 178 45 461
비교강9 19 67 14 181 31 499
비교강10 35 58 7 180 45 465
비교강11 28 50 22 158 44 489
비교강12 33 60 7 188 36 477
비교강13 26 47 27 165 23 512
비교강14 12 28 60 141 29 632
비교강15 38 46 16 142 116 425
비교강16 10 59 31 143 22 666
비교강17 18 55 27 145 29 643
비교강18 35 58 7 172 133 465
상기 표 3에서 확인할 수 있듯이, 발명강들은 종래에 오일샌드 슬러리 파이프용 강으로 사용되었던 저탄소강인 비교강1과 비교해 높은 내침식성을 가지고 있으며, 저온 충격인성도 비교강1보다는 낮지만 페라이트/펄라이트 조직을 활용하는 것을 고려하면 높은 값을 나타내고 있다.
비교강2의 경우는 통상 내마모강으로 사용되는 강으로 페라이트와 펄라이트의 복합 조직을 활용한 강이 아니라 마르텐사이트나 베이나이트 등의 저온 조직을 형성하여 경도를 높여 내마모성을 확보하고자 하는 경우로 오일샌드 슬러리 파이프 침식환경에서는 내침식성을 확보할 수 없다는 단점이 있고, 저온 충격인성이 낮고 항복강도가 높기 때문에 오일샌드 슬러리 파이프용 강으로 적용하기 어렵다.
비교강3의 경우는 본 발명에서 제한하는 C함량의 최대치인 0.35중량%를 초과하는 강판으로 발명강1 내지 발명강5에 비해 C 함량이 높지만 펄라이트 분율이 본 발명에서 제한하는 범위를 초과하여 변형 수용능력이 감소하였기 때문에 내침식성은 열위한 결과를 나타내고 있으며 펄라이트 분율 증가로 인해 저온충격인성이 열위한 결과를 나타낸다.
비교강4는 C이 0.25중량% 미만으로 첨가된 경우로서 발명강에 비해 펄라이트 분율이 감소하여 내침식성이 감소한 경우이다.
비교강5와 비교강6은 본 발명에서 제한하고 있는 Mn의 범위인 1.4~1.8중량%를 벗어나는 성분의 강으로서 Mn 함량이 1.9중량%인 비교강5는 마르텐사이트와 베이나이트 분율이 증가하여 항복강도가 증가하고 내마모성이 감소하였으며, 충격인성 또한 열위한 결과를 나타내고 있기 때문에 오일샌드 슬러리 파이프용강으로 적용하기는 어렵다. 비교강6은 Mn 함량이 1.1중량%로 Mn 감소에 의해 펄라이트의 분율이 본 발명에서 제한하고 있는 범위 미만으로 형성된 경우로 내침식성이 열위한 경우이다.
비교강7은 Ti 함량이 0.028중량%로 본 발명에서 규정하고 있는 상한치인 0.02중량%를 초과하는 경우로서 과다한 석출물 형성에 의한 저온충격인성의 감소를 보이고 있다.
비교강 8은 Ti 함량이 0.002중량%로 본 발명에서 규정하고 있는 하한치인 0.05중량% 미만인 경우로서 재가열 시 석출물에 의한 결정립 미세화 효과가 나타나지 않아 결정립이 조대화되고 저온충격인성이 감소한 경우이다.
비교강 9와 비교강 10의 경우는 비교강 7과 비교강 8의 경우와 유사하게 Nb 함량이 본 발명에서 제한하고 있는 범위를 벗어난 경우로 그 효과는 Ti의 경우와 유사하다.
비교강 11은 가열온도가 본 발명에서 제한하는 상한치인 1160℃를 초과하는 경우로서 결정립 조대화에 의한 소입성 증가로 베이나이트/마르텐사이트 분율이 증가하여 강도가 내침식성이 감소하고 저온충격인성이 감소한 경우이다.
비교강 12는 가열온도가 본 발명에서 규정하는 하한치인 1100℃ 미만인 경우로 재가열 시 Nb의 재고용이 충분하지 않아 결정립이 미세화되지 않았기 때문에 저온충격인성이 감소한 경우이다.
비교강 13은 마무리압연 누적압하율이 본 발명에서 규정하는 하한치인 50% 미만인 경우로서 결정립 크기의 증가로 인해 강의 소입성이 증가하고 냉각 시에 펄라이트의 분율이 감소하고 베이나이트/마르텐사이트 분율이 증가하여 내침식성 및 저온충격인성이 열위한 경우이다.
비교강 14와 비교강 15는 냉각속도가 본 발명에서 규정하는 0.5~5℃/sec의 범위를 벗어난 경우이며, 냉각속도가 높은 비교강14는 본 발명에서 규정하는 베이나이트/마르텐사이트 분율 상한치인 20면적%를 초과하는 경우로서 베이나이트/마르텐사이트 상 분율 증가와 함께 강도가 증가하였으며 내침식성, 저온충격인성 또한 감소하였다. 냉각속도가 낮은 비교강15는 펄라이트 분율이 본 발명에서 규정하는 범위 미만으로 형성된 경우로 내침식성이 발명강에 비해 열위한 경우이다.
비교강 16은 Mn + Cr의 함량이 본 발명에서 규정하고 있는 2.0중량%를 초과한 경우로 베이나이트/마르텐사이트의 분율이 본 발명에서 규정하고 있는 상한치인 20면적%를 초과하고 있으며 베이나이트/마르텐사이트 분율의 증가와 함께 강도가 증가하였고 충격인성이 저하되며 내침식성이 감소되는 효과를 보여주고 있다.
비교강 17과 18은 각각 Cr의 함량이 본 발명에서 규정하고 있는 상한치인 0.5중량%를 초과한 경우와 하한치인 0.05중량%보다 낮은 경우이다. 비교강 17은 비교강 16과 마찬가지로 베이나이트/마르텐사이트 분율이 증가하여 강도가 증가하였고 충격인성이 저하되며 내침식성이 감소되는 효과를 보여주고 있다. 비교강 18은 Cr이 첨가되지 않은 경우로서 발명강에 비해 내침식성이 다소 떨어지는 효과가 나타나고 있다.
비교강 19는 발명강 1과 동일한 슬라브로 제조된 강이지만, 표 2에서처럼 마무리압연 패스간 공냉 대기시간이 발명강이 제한하고 있는 30초 이하를 초과하는 경우로 충격인성이 발명강 1에 비해 열위한 결과를 보이고 있다.
하기 표 4는 상기 표 1 내지 3의 발명강 1의 강 슬라브에 대하여 마무리 압연온도와 마무리압연 패스간 공냉 시간을 달리하면서 강판을 제조하여 -40℃에서의 충격인성을 측정한 결과를 나타낸다.
Ar3
(℃)		 마무리압연 시작온도
(℃)		 마무리압연 종료온도
(℃)		 마무리압연 패스간 공냉시간(초) 충격
인성
(J)
발명강1 699 890 860 21 142
발명강1-1 699 920 890 21 77
발명강1-2 699 890 820 38 65
발명강 1-1의 경우 마무리 압연온도가 본 발명에서 제한한 Ar3~900℃를 초과하여 충격인성이 감소하였고, 발명강 1-2는 마무리 압연 패스간 공냉시간이 본발명에서 규정하는 30초를 초과하여 충격인성이 감소하였음을 알 수 있다.

Claims (7)

  1. 중량%로 C: 0.25~0.35%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 1.4~1.8%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, Al: 0.05% 이하, N: 0.01% 이하, Nb: 0.005~0.05%, Ti: 0.005~0.02%, Cr: 0.05~0.5%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며,
    상기 Cr과 Mn의 함량은 [Cr+Mn≤2.0%]의 관계를 만족하고,
    미세조직으로 페라이트 및 펄라이트의 복합 조직을 포함하는, 내침식성과 저온충격인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 미세조직은 면적분율로 펄라이트: 50~70%, 베이나이트 및 마르텐사이트: 20%미만, 잔부 페라이트 및 기타 불가피한 상으로 이루어진 것인, 내침식성과 저온충격인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 미세조직의 구 오스테나이트 결정립 크기는 20㎛ 이하인 것인, 내침식성과 저온충격인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판.
  4. 중량%로 C: 0.25~0.35%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 1.4~1.8%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, Al: 0.05% 이하, N: 0.01% 이하, Nb: 0.005~0.05%, Ti: 0.005~0.02%, Cr: 0.05~0.5%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 상기 Cr과 Mn의 함량은 [Cr+Mn≤2.0%]의 관계를 만족하는 강 슬라브를 1100~1160℃로 재가열하는 단계;
    마무리 압연온도 Ar3~900℃, 마무리압연 패스간 공냉 시간 30초 이하, 마무리 압연 누적압하율 50%이상으로 마무리 압연하는 단계;
    냉각속도 0.5~5℃/sec로 냉각 개시온도 Ar3 ~ Ar3 + 200℃로부터 냉각 종료온도 500℃이하가 되도록 냉각하는 단계를 포함하는, 내침식성과 저온충격인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판의 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 재가열하는 단계를 통하여, 오스테나이트 결정립을 미세화하는 것인, 내침식성과 저온충격인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판의 제조방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 마무리 압연하는 단계를 통하여, 충격인성을 향상시키는 것인, 내침식성과 저온충격인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판의 제조방법.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 재가열하는 단계, 마무리 압연하는 단계 및 냉각하는 단계를 통하여, 면적분율로 펄라이트: 50~70%, 베이나이트 및 마르텐사이트: 20%미만, 잔부 페라이트 및 기타 불가피한 상으로 이루어지는 미세조직을 형성하는 것인, 내침식성과 저온충격인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판의 제조방법.
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