KR20140118308A

KR20140118308A - 열연강판 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20140118308A
Application number: KR1020130033943A
Authority: KR
Inventors: 정준호; 박영국; 김성주
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2013-03-28
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2014-10-08

Abstract

합금 성분 조절 및 열간압연 조건 제어를 통하여, 균열 손상에 대한 방지 효과가 우수한 열연강판 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 열연강판 제조 방법은 중량%로, 탄소(C) : 0.16 ~ 0.20%, 실리콘(Si) : 0.23 ~ 0.27%, 망간(Mn) : 0.5 ~ 0.9%, 인(P) : 0.02% 이하, 황(S) : 0.005% 이하, 크롬(Cr) : 0.1% 이하, 질소(N) : 0.008% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 마무리압연온도(FDT) 760 ~ 800℃ 조건으로 열간압연하는 단계; 및 상기 열간압연된 판재를 권취온도(CT) 550 ~ 650℃로 냉각하여 권취하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

열연강판 및 그 제조 방법{HOT-ROLLED STEEL SHEET AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 열연강판 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 합금 성분 조절 및 공정 조건 제어를 통하여 균열 손상에 대한 방지 효과가 우수한 열연강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

원자력발전소의 원자로 배관은 복잡한 구조와 고온, 고압, 부식, 피로 등의 가혹한 환경에서 사용됨에 따라 원전 피더 배관에서는 감육 및 결함이 발생하고, 곡관부의 균열로 인한 누설사고가 발생하는 등 안전성 확보를 위한 금속조직학적 원인 규명이 시급히 요구되고 있다.

이러한 원자로 배관의 균열에 영향을 미치는 주요인자들은 미세조직 및 기계적 특성, 산화성 분위기에서의 응력부식균열 등을 들 수 있다. 기계적 특성 원인은 주로 잔류응력이 주요한 인자로 고려될 수 있다.

관련 선행문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2001-0062875호(2001.07.09 공개)에 개시된 내수소유기균열성이 우수한 유정용 강의 제조 방법이 있다.

본 발명의 목적은 합금 성분 조절 및 공정 조건 제어를 통하여, 균열 손상에 대한 방지 효과가 우수한 열연강판 및 그에 적합한 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 열연강판 제조 방법은 중량%로, 탄소(C) : 0.16 ~ 0.20%, 실리콘(Si) : 0.23 ~ 0.27%, 망간(Mn) : 0.5 ~ 0.9%, 인(P) : 0.02% 이하, 황(S) : 0.005% 이하, 크롬(Cr) : 0.1% 이하, 질소(N) : 0.008% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 마무리압연온도(Finishing Delivery Temperature; FDT) 760 ~ 800℃ 조건으로 열간압연하는 단계; 및 상기 열간압연된 판재를 권취온도(Coiling Temperature; CT) 550 ~ 650℃로 냉각하여 권취하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 열간압연 단계는 오스테나이트 미재결정 온도 조건하에서 복수개의 압연 패스를 갖는 압연 스탠드에서 열간 마무리 압연이 실시되는 것을 특징으로 한다.

상기 열간압연하는 단계 이전에, 상기 슬라브 판재를 슬라브 재가열 온도(SRT) 1150 ~ 1250℃ 조건으로 재가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 열연강판은 중량%로, 탄소(C) : 0.16 ~ 0.20%, 실리콘(Si) : 0.23 ~ 0.27%, 망간(Mn) : 0.5 ~ 0.9%, 인(P) : 0.02% 이하, 황(S) : 0.005% 이하, 크롬(Cr) : 0.1% 이하, 질소(N) : 0.008% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지고, 인장강도 550MPa 이상 을 갖는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 열연강판은 최종 미세조직이, 주상인 페라이트(Ferrite) 및 제2상인 펄라이트(Pearlite)를 포함하는 복합조직으로 이루어지며, 이때 페라이트는 평균입경크기 2~5㎛를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 합금 성분 조절 및 저온의 열간압연 조건 제어를 통하여, 열연코일 제조 시 페라이트를 주상으로 하는 가공열처리 조직을 구현함으로써, 인장강도 550MPa급의 기계적 특성이 우수한 열연강판을 제조할 수 있다. 이에 따라, 잔류응력 저항성 향상을 통하여 균열 손상 방지 효과가 우수한 열연강판을 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 열연강판을 이용하여 제조되는 원전용 강관은 균열 손상 방지 효과가 우수하므로, 가혹한 환경에서 사용되는 원자로 배관으로 활용하기에 적합하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열연강판 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 2는 실시예 1에 따른 열연강판의 조직을 나타낸 것이다.
도 3은 비교예 1에 따른 열연강판의 조직을 나타낸 것이다.

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.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 균열 손상에 대한 방지 효과가 우수한 열연강판 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

열연강판

본 발명에 따른 열연강판은 합금 성분 조절 및 공정 조건 제어를 통하여, 균열 손상의 방지 효과가 우수한 물성을 확보하는 것을 목표로 한다.

이를 위하여, 본 발명에 따른 열연강판은 중량%로, 탄소(C) : 0.16 ~ 0.20%, 실리콘(Si) : 0.23 ~ 0.27%, 망간(Mn) : 0.5 ~ 0.9%, 인(P) : 0.02% 이하, 황(S) : 0.005% 이하, 크롬(Cr) : 0.1% 이하 및 질소(N) : 0.008% 이하를 포함한다.

상기 합금 성분들 외 나머지는 철(Fe)과 강의 제조 과정에서 불가피하게 포함되는 불순물로 이루어진다.

이하, 본 발명에 따른 열연강판에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명한다.

탄소(C)

탄소(C)는 강의 강도 확보 및 미세조직 제어를 위해 첨가된다.

본 발명에서 탄소(C)는 강 전체 중량의 0.16 ~ 0.20 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다.

탄소(C)의 함량이 0.16 중량% 미만일 경우 충분한 강도를 확보하기 어렵다. 반대로, 탄소(C)의 함량이 0.20 중량%를 초과하면 강도는 증가하나 인성 및 용접성이 크게 저하될 수 있다.

실리콘( Si )

실리콘(Si)은 상대적으로 저가의 원소로서, 낮은 가격으로 강의 강도를 높이는데 기여한다. 또한, 페라이트 안정화 원소로서, 페라이트 형성을 유도함으로써 강의 인성 및 연성을 개선하는데 효과적이다.

본 발명에서 실리콘(Si)은 강판 전체 중량의 0.23 ~ 0.27 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 실리콘(Si)의 함량이 0.23 중량% 미만일 경우 그 첨가 효과를 제대로 얻을 수 없다. 반대로, 실리콘(Si)의 함량이 0.27 중량%를 초과하는 경우 열연 공정 중에 가열로에서 적스케일(red scale)을 생성시킴으로써 강의 표면품질에 문제를 줄 수 있다. 또한, Mn₂SiO₄등과 같은 산화물을 형성하여 용접성을 저해할 수 있다.

망간( Mn )

망간(Mn)은 철(Fe)과 유사한 원자반경을 갖는 치환형 원소로서, 고용강화 및 강의 경화능을 향상시켜 강도를 확보하는데 기여한다.

본 발명에서 망간(Mn)은 강 전체 중량의 0.5 ~ 0.9 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 망간(Mn)의 함량이 0.5 중량% 미만일 경우에는 고용강화 효과가 불충분할 수 있다. 반대로, 망간(Mn)의 함량이 0.9 중량%를 초과할 경우에는 용접성이 크게 저하되며, 아울러 MnS 개재물 및 중심 편석(center segregation) 발생에 의하여 강의 연성을 크게 저하시키는 문제점이 있다.

인(P)

인(P)은 고용강화에 의하여 강의 강도를 향상시키는데 기여한다.

그러나, 인(P)은 다량 첨가 시 용접성을 악화시키고, 슬라브 중심 편석(slab center segregation)에 의해 강의 인성 및 용접성을 저하시키는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 인(P)의 함량을 강 전체 중량의 0.02 중량% 이하로 제한하였다.

황(S)

황(S)은 강의 인성 및 용접성을 저해한다. 특히, 황(S)은 망간(Mn)과 결합하여 MnS 비금속 개재물을 형성함으로써 응력부식균열에 대한 저항성을 악화시켜 강의 가공 중 크랙을 발생시킬 수 있고, 그 결과 강의 내부식성을 저하시킬 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 황(S)의 함량을 강 전체 중량의 0.005 중량% 이하로 제한하였다.

크롬( Cr )

크롬(Cr)은 타 원소에 비해 상대적으로 낮은 가격으로 경화능을 효과적으로 향상시킨다. 또한, 크롬(Cr)은 페라이트 안정화 원소로 강도 향상에 기여하고, 카본 활동도(carbon activity) 및 입계 이동도(boundary mobility)를 감소시켜 미세조직의 조대화를 억제한다.

그러나, 크롬(Cr)은 다량 첨가 시 열간압연 및 용접 공정 중에 오스테나이트 결정립계에 조대한 Cr-탄화물을 생성시킴으로써 강의 연성을 저하시키며, 용접 후 열영향부(HAZ)의 열화를 초래하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명에서는 크롬(Cr)의 함량을 강 전체 중량의 0.1 중량% 이하로 제한하였다.

질소(N)

질소(N)는 다량 첨가 시 고용 질소가 증가하여 강의 충격특성 및 연신율을 떨어뜨리고 용접부의 인성을 크게 저하시키는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명에서는 질소(N)의 함량을 강 전체 중량의 0.008중량% 이하로 제한하였다.

미세조직 측면에서, 본 발명에 따른 열연강판은 열연코일 상태에서 페라이트를 주상으로 하고, 펄라이트를 제2상으로 포함하는 복합조직으로 이루어지는 가공열처리 조직을 갖는다. 이때, 페라이트의 평균 입경은 2~5㎛를 갖는다.

기계적 특성 측면에서, 본 발명에 따른 열연강판은 저온 미세조직 변태를 통하여 열연코일 상태에서 인장강도(TS) 550MPa 이상의 고강도 특성을 나타내며, 이를 통해 잔류응력 저항성이 향상되어 균열 손상에 대한 방지 효과가 우수하다. 또한, 본 발명에 따른 열연강판은 항복강도(YS) 400MPa 이상 및 연신율 25% 이상의 특성을 나타내었다.

상기한 특성은 합금 성분 조절 및 열간압연 조건을 800℃이하의 저온으로 제어함으로써, 결정립 미세화와 더불어 저온 미세조직 변태를 통한 강도 확보에 기인한다.

상기 합금성분들로 이루어지는 본 발명에 따른 열연강판은 열간압연(Hot-Rolling), 냉각(Cooling) 및 권취(Coiling) 공정을 포함하는 일련의 과정으로 제조될 수 있다.

열연강판 제조 방법

이하에서는 열연코일 상태에서도 가공열처리 조직을 구현하여 상기한 특성을 나타내는 열연강판 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.

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

도 1을 참조하면, 도시된 열연강판 제조 방법은 열간압연 단계(S110), 및 냉각/권취 단계(S120)를 포함한다. 여기서, 냉각/권취는 냉각 및 권취를 의미한다.

열간압연

열간압연 단계(S110)에서는 본 발명에 따른 열연강판의 합금 성분, 즉 중량%로, 탄소(C) : 0.16 ~ 0.20%, 실리콘(Si) : 0.23 ~ 0.27%, 망간(Mn) : 0.5 ~ 0.9%, 인(P) : 0.02% 이하, 황(S) : 0.005% 이하, 크롬(Cr) : 0.1% 이하, 질소(N) : 0.008% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 반제품 상태의 슬라브 판재를 열간압연한다.

압연 시에는 오스테나이트 결정립이 재결정되거나 재결정이 되지 않을 경우, 입내의 전위 밀도가 증가하여 최종 제품의 미세조직 결정립도를 미세화시킨다.

본 발명에서는 미세한 결정립 형성을 위하여 오스테나이트의 재결정이 이루어지지 않는 온도에서의 압연이 필요하다.

따라서, 열간압연 단계(S110)에서는 오스테나이트 미재결정 영역에 해당하는 마무리 압연 온도(Finishing Delivery Temperature; FDT) : 760 ~ 800℃ 조건으로 마무리 열간압연한다.

본 단계에서, 마무리 압연 온도(FDT)가 760℃ 미만일 경우에는 압연과 동반된 상변태가 나타나며, 이로 인해 혼립 조직이 야기되어 강의 저온 충격인성이 크게 저하될 수 있고, 압연부하로 인해 생산성이 저하될 수 있다. 반대로, 마무리 압연 온도(FDT)가 800℃를 초과할 경우에는, 연성 및 인성은 우수하나, 오스테나이트 결정립이 조대화되어 변태후 페라이트 결정립 미세화가 충분히 이루어지지 않으며, 이에 따라 강도 확보가 어려워질 수 있다.

이때, 압연은 오스테나이트 미재결정 온도 조건하에서, 복수개, 대략 6개 이상의 압연 패스를 갖는 압연 스탠드에서 실시될 수 있으며, 각 패스마다 충분한 압연이 이루어질 수 있도록 평균 압하율은 5 ~ 15%가 되도록 실시하는 것이 바람직하다.

만일, 각 패스당 평균 압하율이 5% 미만으로 실시될 경우에는 두께 중심부까지 스트레인이 충분히 가해지지 못하여 냉각 후 미세한 결정립을 확보하는 데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 각 패스당 평균 압하율이 15%를 초과할 경우에는 압연기의 부하로 인하여 제조가 불가능해지는 문제가 있다.

본 발명에 따른 열연강판 제조 방법에서 열연공정의 대상이 되는 반제품 상태의 슬라브 판재는 제강공정을 통해 원하는 조성의 용강을 얻은 다음에 연속주조공정을 통해 얻어질 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 열연강판 제조 방법은 열간압연 단계(S110) 이전에, 주조 시 편석된 성분을 재고용하고, 석출물을 재고용하기 위하여, 상기한 조성을 갖는 슬라브 판재를 가열하는 슬라브 재가열(Slab Reheating) 단계(미도시)를 추가로 실시할 수 있다.

슬라브 재가열은 슬라브 재가열 온도(Slab Reheating Temperature; SRT) : 1150 ~ 1250℃의 온도에서 실시될 수 있다. 슬라브 재가열 온도가 1150℃ 미만이면 주조 시 편석된 성분이 충분히 재고용되지 못하는 문제점이 있다. 반대로, 슬라브 재가열 온도가 1250℃를 초과하면 오스테나이트 결정립 사이즈가 증대되어 최종 미세조직의 페라이트가 조대화되어 강도 확보가 어려울 수 있다.

냉각/ 권취

냉각/권취 단계(S120)에서는 열간압연된 판재를 냉각하면서 권취한다. 냉각과 동시에 권취가 실시되는 경우라면, 냉각종료온도는 권취온도(Coiling Temperature; CT)가 될 수 있다.

압연이 종료된 후 권취 설정 온도에 따라 강의 냉각 이력이 좌우된다. 본 발명에서는 인장강도 550MPa급의 재질 확보를 위하여 페라이트 변태 유도가 필요하므로, 본 단계에서, 권취는 권취온도(CT) 550 ~ 650℃에서 실시되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 냉각 과정은 열간압연된 판재를 수냉 등의 강제 냉각 방식으로 550 ~ 650℃까지 냉각함으로써, 강판의 결정립 성장을 억제하여 미세한 페라이트 결정립을 가지는 기지 조직을 형성시킴과 더불어 펄라이트 조직을 형성시켜 고강도 를 확보하기 위한 목적으로 실시된다.

본 단계에서, 권취온도(CT)가 550℃ 미만일 경우, 저온 변태상이 촉진되어 베이나이트, 마르텐사이트 등의 저온 변태조직이 과다하게 생성되어 강의 연성, 인성 등의 물성이 악화될 수 있다. 반면에, 권취온도(CT)가 650℃를 초과하는 경우 저온 충격인성이 크게 저하될 수 있다.

상기의 과정으로 제조되는 본 발명에 따른 열연강판은 열연코일 상태에서 최종 미세조직이 주상인 페라이트(Ferrite) 및 제2상인 펄라이트(Pearlite)를 포함하는 복합 조직을 가지며, 상기 페라이트의 평균 입경이 2~5㎛를 가질 수 있다. 이러한 특징의 열연강판은 인장강도(TS) : 550MPa 이상을 만족할 수 있다.

본 발명에 따른 열연강판은 열연코일 상태에서 고강도를 확보할 수 있어 열연조건에서도 잔류응력 저항성 향상을 통하여 균열 손상 방지 효과가 우수하다.

따라서, 본 발명에 따른 열연강판을 이용하여 제조되는 원전용 강관 역시 균열 손상 방지 효과가 우수하므로, 가혹한 환경에서 사용되는 원자로 배관으로 활용하기에 적합하다.

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 시편들을 제조하였다.

[표 1]

[표 2]

2. 물성 평가

실시예 1~2 및 비교예 1~2에 따른 시편들의 인장강도, 항복강도 및 연신율을 측정하여 표 3에 나타내고, 실시예 1 및 비교예 1에 따른 시편들의 미세조직을 관찰하여 도 2 및 도 3에 나타내었다.

[표 3]

표 1 내지 표 3을 참조하면, 본 발명에 따른 조건을 만족하는 실시예 1~2에 따라 제조된 시편들의 경우, 열간압연을 마친 열연코일 상태에서의 인장강도(TS)가 모두 550MPa 이상으로 목표치를 만족하였으며, 또한 항복강도(YS) 447MPa 이상 및 연신율 27% 이상으로 강도뿐만 아니라 가공성도 우수하였다.

반면, 비교예 1~2에 따라 제조된 시편들의 경우, 열연코일 상태에서의 인장강도(TS)가 목표치와 큰 차이를 보였으며, 항복강도(YS)와 연신율은 실시예 1~2에 따라 제조된 시편들에 비해 낮았다.

도 2는 실시예 1에 따른 열연강판의 조직을 나타낸 것이고, 도 3은 비교예 1에 따른 열연강판의 조직을 나타낸 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 실시예 1에 따라 제조된 강판의 경우, 평균입경 크기 5㎛ 이하인 페라이트와, 그 외 펄라이트를 포함하는 미세 복합조직을 갖는 반면, 도 3에 도시된 바와 같이, 비교예 1에 따라 제조된 강판의 경우, 평균입경 크기 10㎛ 정도의 페라이트를 포함하여 실시예 1에 비해 조직이 미세하지 못하였다.

상술한 바를 통해, 합금 성분 조절 및 저온의 열연조건 제어에 따른 저온 미세조직 변태를 통하여, 열연코일 상태에서 550MPa 이상의 인장강도 확보가 가능한 열연강판의 제조가 가능함을 확인할 수 있었다.

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 : 열간압연 단계
S120 : 냉각 및 권취 단계

Claims

중량%로, 탄소(C) : 0.16 ~ 0.20%, 실리콘(Si) : 0.23 ~ 0.27%, 망간(Mn) : 0.5 ~ 0.9%, 인(P) : 0.02% 이하, 황(S) : 0.005% 이하, 크롬(Cr) : 0.1% 이하, 질소(N) : 0.008% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 마무리압연온도(FDT) 760 ~ 800℃ 조건으로 열간압연하는 단계; 및
상기 열간압연된 판재를 권취온도(CT) 550 ~ 650℃로 냉각하여 권취하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열연강판 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 열간압연 단계는
오스테나이트 미재결정 온도 조건하에서 복수개의 압연 패스를 갖는 압연 스탠드에서 열간 마무리 압연이 실시되는 것을 특징으로 하는 열연강판 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 열간압연하는 단계 이전에,
상기 슬라브 판재를 슬라브 재가열 온도(SRT) 1150 ~ 1250℃ 조건으로 재가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열연강판 제조 방법.
중량%로, 탄소(C) : 0.16 ~ 0.20%, 실리콘(Si) : 0.23 ~ 0.27%, 망간(Mn) : 0.5 ~ 0.9%, 인(P) : 0.02% 이하, 황(S) : 0.005% 이하, 크롬(Cr) : 0.1% 이하, 질소(N) : 0.008% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지고, 인장강도 550MPa 이상인 것을 특징으로 하는 열연강판.
제4항에 있어서,
상기 열연강판은
최종 미세조직이, 주상인 페라이트 및 제2상인 펄라이트를 포함하는 복합조직으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열연강판.
제5항에 있어서,
상기 페라이트는
평균입경크기 2~5㎛를 갖는 것을 특징으로 하는 열연강판.