KR20160063532A - Pwht 저항성이 우수한 저온용 압력용기용 강판 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

PWHT 저항성이 우수한 저온용 압력용기용 강판 및 그 제조 방법이 제공된다.
본 발명은, 중량%로, C: 0.07 ~ 0.17%, Si: 0.15 ~ 0.40%, Mn: 0.3 ~ 0.7%, P: 0.012% 이하, S: 0.015%이하, Ni: 3.0 ~ 4.0%를 포함하고, 여기에 Nb: 0.03~ 0.025%, Mo: 0.03 ~ 0.12% 및 Co: 0.03~0.15% 중 선택된 2종 이상의 원소를 추가로 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 강 미세조직이 20~80 면적%의 템퍼드 베이나이트와 잔부 템퍼드 마르텐사이트로 이루어진 PWHT 저항성이 우수한 저온용 압력용기 강판에 관한 것이다.

Description

PWHT 저항성이 우수한 저온용 압력용기용 강판 및 그 제조 방법{Steel Plate For Pressure Vessel With Excellent PWHT Resistance And Manufacturing Method Thereof}

본 발명은 저온용 압력용기, 선박, 저장탱크, 구조용강 등에 사용되는 후강판 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, PWHT 저항성과 저온인성이 우수한 인장강도 600MPa급 저온용 압력용기용 강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

가공용 고강도 열연강재으로는 페라이트(ferrite), 마르텐사이트(martensite)조직, 페라이트, 베이나이트 조직으로 이루어진 혼합조직, 혹은 베이나이트, 페라이트가 주체인 거의 단상조직에 가까운 것 등이 널리 알려져 있다.

이러한 구조용 강재의 내진 특성은 기계적 물성 중 항복비(降伏比 즉, 항복강도/인장강도 비)와 가장 관련이 깊다. 구조용 강재는 추후 각종 구조물의 시공 시 그 자체가 구조재로 이용될 수 있어야 하므로 고강도일 것이 요구된다.

한편 이러한 고강도 구조용 강재는 우수한 PWHT 저항성이 요구된다. 통상의 NOMALIZING처리을 통하여 제조된 고강도 열연강재는 페라이트와 펄리이트의 혼합조직을 가질 수 있다. 그런데 이러한 조직을 갖는 강재를 후속하는 공정에서 PWHT처리를 행하면, 입계를 따라 탄화물이 형성되고, 이에 따라 강재의 강도와 인성이 저하되어 PWHT에서 요구되는 물성을 보증할 수 없게 되는 문제가 있으며, 이에 대한 종래기술의 일예로 대한민국 특허공개공보 2012-0011289호에 기재된 발명을 들 수 있다.

상기 특허공개공보에는, 중량%로, C: 0.08 ~ 0.15%, Si : 0.2 ~ 0.3%, Mn : 0.5 ~ 1.2%, P : 0.01 ~ 0.02%, S : 0.004 ~ 0.006%, Ti : 0% 초과 내지 0.01% 이하, Mo : 0.05 ~ 0.1%, Ni : 3.0 ~ 5.0% 및 나머지 Fe과 기타 불가피한 불순물로 조성되는 것을 특징으로 하는 500MPa급 LPG용 고강도 강재를 제시하고 있으며, 그 강조성성분에서 Ni과 Mo를 첨가함을 특징으로 하고 있다.

그런데 상기 공개공보에 기재된 발명은 통상의 NOMALIZING을 통하여 제조된 강재이므로 비록 Ni등을 첨가하여도 PWHT 처리후 강재의 강도와 인성의 저하를 피할 수 없다는 문제가 있다.

그러므로 저온용 압력용기, 선박, 저장탱크, 구조용강 등에 사용되는 고강도 후강판에 있어서, PWHT 저항성이 우수한 고강도 강재의 개발에 대한 요구가 대두되고 있다.

따라서 본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 냉각 및 열처리공정을 제어함으로써 제조되는 강재의 조직을 템퍼드 베이나이트와 템퍼드 마르텐사이트의 혼합조직으로 함으로써 590~640℃의 온도 구간에서 15시간에 이르는 PWHT 적용 후 인장강도 600MPa급을 확보할 수 있는 저온용 압력용기 강판 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

그러나 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

중량%로, C: 0.07 ~ 0.17%, Si: 0.15 ~ 0.40%, Mn: 0.3 ~ 0.7%, P: 0.012% 이하, S: 0.015%이하, Ni: 3.0 ~ 4.0%를 포함하고, 여기에 Nb: 0.03~0.025%, Mo: 0.03 ~ 0.12% 및 Co: 0.03~0.15% 중 선택된 2종 이상의 원소를 추가로 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며,

강 미세조직이 20~80 면적%의 템퍼드 베이나이트와 잔부 템퍼드 마르텐사이트로 이루어진 PWHT 저항성이 우수한 저온용 압력용기 강판에 관한 것이다.

본 발명에서 상기 강판은 590~640℃ 구간에서 최대 15시간 동안 PWHT를 실시하여도 인장강도 600MPa급을 유지할 수 있다.

또한 본 발명은,

중량%로, C: 0.07 ~ 0.17%, Si: 0.15 ~ 0.40%, Mn: 0.3 ~ 0.7%, P: 0.012% 이하, S: 0.015%이하, Ni: 3.0 ~ 4.0%를 포함하고, 여기에 Nb: 0.03~0.025%, Mo: 0.03 ~ 0.12% 및 Co: 0.03~0.15% 중 선택된 2종 이상의 원소를 추가로 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 강 슬라브를 1050 ~ 1250℃에서 재가열하는 공정;

상기 재가열된 강판을 패스당 5 ~ 25%의 압하율로 열간 압연하고, 800℃ 이상의 온도에서 압연을 종료하는 열간압연 공정;

상기 열간 압연된 강판을 800 ~ 900℃에서 가열 후 5~30℃/sec의 냉각 속도로 수냉하는 공정; 및

상기 수냉된 강재를 580 ~ 660℃에서 {1.5×t + (10~30)}분 [여기서 t는 강재의 두께(mm)를 의미한다] 동안 템퍼링 처리하는 공정;을 포함하는 PWHT 저항성이 우수한 저온용 압력용기 강판의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에서는 상기 템퍼링 공정 이후에, 590~640℃구간에서 최대 15시간 PWHT하는 공정을 추가로 포함할 수 있다.

상기 템퍼링 공정으로 얻이진 강 미세조직은 20~80 면적%의 템퍼드 베이나이트와 잔부 템퍼드 마르텐사이트로 이루어질 수 있다.

상술한 바와 같은 구성의 본 발명은, 인장 강도 600MPa급을 만족하면서 -110℃ 정도의 저온에서 안정적으로 사용이 가능한 PWHT 저항성이 우수한 저온용 압력용기 강판을 효과적으로 제공할 수 있다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명의 PWHT 저항성이 우수한 저온용 압력용기 강판을 설명한다.

본 발명의 강판은, 중량%로, C: 0.07 ~ 0.17%, Si: 0.15 ~ 0.40%, Mn: 0.3 ~ 0.7%, P: 0.012% 이하, S: 0.015%이하, Ni: 3.0 ~ 4.0%를 포함하고, 여기에 Nb: 0.03~0.025%, Mo: 0.03 ~ 0.12% 및 Co: 0.03~0.15% 중 선택된 2종 이상의 원소를 추가로 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 그 구체적인 강조성성분 및 그 성분 제한사유는 아래와 같다.

본 발명에서 C는 0.07 ~ 0.17%로 한정하는 것이 바람직하다. 만일, C의 함량이 0.07% 미만인 경우에는 기지 상의 자체 강도가 저하되고, 0.17%를 초과하는 경우에는 강판의 용접성을 크게 해치기 때문이다.

Si은 탈산 효과, 고용 강화 효과 및 충격 천이 온도 상승 효과를 위하여 첨가되는 성분으로서, 이러한 첨가 효과를 달성하기 위해서는 0.15%이상 첨가하는 것이 바람직하다. 하지만, 0.40%를 초과하여 첨가되면 용접성이 저하되고 강판 표면에 산화 피막이 심하게 형성되므로 그 함량을 0.15 ~ 0.40%로 제한함이 바람직하다.

Mn은 S와 함께 연신된 비금속 개재물인 MnS를 형성하여 상온 연신율 및 저온인성을 저하시키므로 0.7%이하로 관리하는 것이 바람직하다. 그러나, 본 발명의 성분 특성상 Mn이 0.3%미만이 되면 적절한 강도를 확보하기 어려우므로 Mn의 첨가량은 0.3 ~ 0.7%로 제한함이 바람직하다.

Al은 Si와 더불어 제강 공정에서 강력한 탈산제의 하나이며, 0.001% 미만에서는 그 효과가 미미하고 0.05% 이상의 첨가시에는 제조원가가 상승하므로 그 함량을 0.001~0.05%로 한정함이 바람직하다.

P는 저온인성을 해치는 원소이나 제강 공정에서 제거하는데 과다한 비용이 소요되므로 0.012%이하의 범위 내에서 관리함이 소망스럽다.

S 역시 P와 더불어 저온인성에 악영향을 주는 원소이지만 P와 마찬가지로 제강 공정에서 제거하는데 과다한 비용이 소요될 수 있으므로 0.015% 이하의 범위 내에서 관리함이 적절하다.

Ni은 저온 인성의 향상에 가장 효과적인 원소이다. 그러나 그 첨가량이 3.0% 미만이면 저온인성의 저하를 초래하고, 4.0%를 초과하여 첨가하면 제조비용의 상승을 가져오므로 3.0 ~ 4.0%의 범위 내에서 첨가함이 바람직하다.

본 발명의 강판은 또한 Nb, Mo 및 Co 중 선택된 2종 이상의 원소를 포함할 수 있다.

본 발명에서 Nb은 오스테나이트에 고용되어 오스테나이트의 경화능을 증대시키고, 기지(Matrix)와 정합을 이루는 탄질화물(Nb(C,N))로 석출함으로써 강의 강도를 증가시키는 중요한 원소이다. 0.03% 이하의 첨가는 그 효과를 기대할 수 없고 0.025% 이상의 첨가시 연주 과정에서 조대한 석출물로 나타나 저온인성을 해칠 수 있으므로 0.03~0.025%로 제한하는 것이 바람직하다.

Mo 역시 강도 증대에 유효한 합금 원소인 반면 소려취화 저항성을 증가시키는 원소로 알려져 있다. 0.03% 이하의 첨가에 의해서는 그 효과를 기대하기 어렵고 0.12%를 초과하여 첨가하면 Mo는 고가의 원소로서 비경제적이므로 0.03 ~ 0.12% 범위에서 첨가함이 바람직하다.

Co는 소려저항성 증대를 위해 첨가되는 원소이다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 0.03중량% 이상 포함되는 것이 바람직하며, 고가원소이므로 제조원가 상승의 우려가 있어 함량의 상한은 0.15%인 것이 바람직하다.

한편 본 발명의 강판은 그 강 미세조직이 20~80 면적%의 템퍼드 베이나이트와 잔부 템퍼드 마르텐사이트로 이루어져 있다. 만일 템퍼드 베이나이트 분율이 20% 미만이면 템퍼드 마르텐사이트의 량이 과대해져서 강판의 저온인성이 열화될 수 있다. 반면에 80%를 초과하면 목표로 하는 강판의 강도를 확보할 수가 어려울 수 있다.

상술한 바와 같은 강조성성분과 미세조직을 갖는 강판은, 590~640℃ 구간에서 최대 15시간 동안 PWHT를 실시하여도 인장강도 600MPa급을 효과적으로 유지할 수 있을 뿐만 아니라 우수한 저온인성을 가질 수 있다.

다음으로, 본 발명의 PWHT 저항성이 우수한 저온용 압력용기 강판의 제조방법을 설명한다.

본 발명의 강판 제조방법은, 상술한 바와 같은 강 조성성분을 갖는 강슬라브를 1050 ~ 1250℃에서 재가열하는 공정; 상기 재가열된 강판을 패스당 5 ~ 25%의 압하율로 열간 압연하고, 800℃ 이상의 온도에서 압연을 종료하는 열간압연 공정; 상기 열간 압연된 강판을 800 ~ 900℃에서 가열 후 5~30℃/sec의 냉각 속도로 수냉하는 공정; 및 상기 수냉된 강재를 580 ~ 660℃에서 {1.5×t + (10~30)}분 [여기서 t는 강재의 두께(mm)를 의미한다] 동안 템퍼링 처리하는 공정;을 포함한다.

먼저, 본 발명에서는 상기 강 조성성분을 갖는 강슬라브를 1050 ~ 1250℃에서 재가열한다. 만일 재가열 온도가 1050℃보다 낮을 경우 용질원자의 고용이 어렵고, 재가열온도가 1250℃를 초과하면 오스테나이트 결정립 크기가 너무 조대하게 되어 강판의 물성을 저하시키기 때문이다.

이어, 본 발명에서는 상기 재가열된 강판을 열간압연한다. 구체적으로, 본 발명에서는 상기 재가열된 강판을 패스당 5 ~ 25%의 압하율로 열간 압연하고, 800℃ 이상의 온도에서 압연을 종료한다. 상기 열간 압연 온도가 800℃ 미만일 경우에는 압연시 열간변형저항이 증대되어 압연기의 부하를 초래할 수 있다.

그리고 본 발명에서는 상기 열간 압연된 강판을 800 ~ 900℃에서 가열 후 5~30℃/sec의 냉각 속도로 수냉한다.

상기 가열온도가 800℃ 미만이면 합금성분의 충분한 고용이 어렵고, 900℃를 초과하면 결정립이 조대화 되어 인성을 해칠 수 있다.

또한 상기 냉각 속도가 5℃/sec 미만인 경우에는 마르텐사이트 조직을 얻을 수 없는 반면에, 냉각 속도가 30℃/sec를 초과하면 냉각수가 다량 필요하므로 추가적인 냉각설비가 요구되는 경제적 부담이 있으므로 냉각 속도는 5~30℃/sec로 한정하는 것이 바람직하다

이어, 본 발명에서는 상기 수냉된 강판를 템퍼링처리한다.

구체적으로, 본 발명에서는 상기 수냉된 강판을 580 ~ 660℃에서 {1.5×t + (10~30)}분 [여기서 t는 강재의 두께(mm)를 의미한다] 동안 템퍼링한다. 상기 템퍼링온도가 550℃ 미만이면 강도 초과에 의하여 인성이 저하될 수 있으며, 650℃를 초과하면 지나친 강도의 저하를 가져올 수 있다.

또한 본 발명에서는 템퍼링 시간을 {1.5×t + (10~30)}분 [여기서 t는 강재의 두께(mm)를 의미한다] 동안 실시하는데, 그 구체적인 제한이유는 다음과 같다.

즉, 만일 템퍼링 시간이 상기 기준보다 짧으면 템퍼드 마르텐사이트 조직을 얻기 어렵고, 반면에 기준 시간을 초과하여 템퍼링을 한다면 전체적인 생산성을 해치기 때문이다.

상술한 바와 같은 조건의 템퍼링 열처리에 의해 20~80 면적%의 템퍼드 베이나이트와 잔부 템퍼드 마르텐사이트로 이루어진 강 미세조직을 얻을 수 있다.

후속하여, 본 발명에서는 상기 템퍼링 처리된 강판에 대하여 압력 용기 제조를 위한 용접 후의 용접부 응력 제거를 위하여 PWHT 열처리를 실시할 수 있다. 즉, 590~640℃구간에서 최대 15시간 PWHT하는 공정을 추가로 포함할 수 있다.

만일 PWHT 온도가 590℃ 보다 낮으면 용접부 등의 잔류 응력 제거가 어렵고, 640℃ 이상의 온도에서는 강재의 강도를 저하시키기 때문이다.

또한, PWHT 열처리 시간을 제한하는 이유는 상기 PWHT열처리시간이 15 시간을 넘어면 강도가 저하되어 인장강도 600MPa를 확보할 수 없기 때문이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

(실시예)

하기 표 1과 같은 조성성분을 갖는 강슬라브를 각각 마련한 후, 이들 강슬라브를 1050 ~ 1250℃에서 재가열하였다. 그리고 상기 재가열된 강판을 패스당 5 ~ 25%의 압하율로 열간 압연하고, 800℃ 이상의 온도에서 열간 압연을 종료하여 소정의 두께를 갖는 열간압연 강판들을 제조하였다.

상기 열간압연 강판들을 하기 표 2와 같은 조건으로 오스테나이트화 온도에서 가열, 수냉 처리하였으며, 이어, 하기 표 2와 같은 온도 및 시간으로 템퍼링 처리하였다. 그리고 상기 탬퍼링처리된 강판은 또한 하기 표 2의 조건으로 PWHT처리를 수행하였다.

상기와 같이, PWHT처리된 강판들에 대하여 항복 강도, 인장강도 및 저온 인성을 평가하여 그 결과를 하기 표 2에 또한 나타내었다. 한편 하기 표 2에서 여기에서 저온 인성은 -110℃에서 V노치를 갖는 시편을 샤르피 충격 시험을 행하여 얻은 샤르피 충격에너지 값으로 평가한 결과이다.

강종	조성성분(중량%)
	C	Mn	Si	P	S	Ni	Mo	Nb	Co
a	0.10	0.65	0.30	0.009	0.0014	3.50	0.05	0.015	0.10
b	0.09	0.60	0.27	0.008	0.0008	3.46	0.07	0.015	-
c	0.11	1.05	0.25	0.010	0.0012	3.65	-	0.014	0.08
d	0.10	0.60	0.28	0.013	0.0013	3.65	0.08	-	-
e	0.11	0.80	0.29	0.012	0.0014	3.50	0.07	-	-

구분	강종	강판 두께 (mm)	가열 온도 (℃)	수냉 속도 (℃/s)	템퍼링 온도 (℃)	템퍼링 시간(분)	탬퍼드 베이나이트 분율 (%)	PWHT 온도 (℃)	PWHT 시간 (hr)	YS (Mpa)	TS (Mpa)	-110℃ 충격 인성 (J)
발명예1	a	25	830	15.0	650	50	63	630	15	563	618	236
발명예2		50	840	8.5	650	90	50	630	12	557	612	201
발명예3		100	850	2.0	650	165	48	630	12	548	608	195
발명예4	b	25	830	15.0	650	50	63	630	15	558	610	187
발명예5		50	840	8.5	650	90	50	630	12	557	608	193
발명예6		100	850	2.0	650	165	48	630	12	528	605	202
발명예7	c	25	850	15.0	650	50	63	630	15	560	611	230
발명예8		50	850	8.5	650	90	50	630	12	551	610	215
발명예9		100	850	2.0	650	165	48	630	12	545	609	191
비교예1	c	25	850	공냉	650	50	0	630	15	476	546	93
비교예2		50	850	공냉	650	90	0	630	12	473	542	87
비교예3		100	850	공냉	650	165	0	630	12	469	540	90
비교예4	d	25	850	8.5	650	50	32	630	12	493	560	115
비교예5		50	850	2.0	650	90	18	630	12	486	562	105
비교예6	d	25	850	공냉	650	50	0	630	12	470	539	76
비교예7		50	850	공냉	650	90	0	630	12	465	530	55
비교예8	e	50	850	공냉	650	90	0	630	12	458	526	46
비교예9		100	850	공냉	650	165	0	630	12	448	513	35

상기 표 1-2에 나타난 바와 같이, 강조성성분 및 제조공정 조건이 본 발명의 범이를 만족하는 발명예 1-9의 경우, 템퍼링처리후 면적율로 20-80%의 템퍼드 베이나이트와 잔부 템퍼드 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있어, 후속하는 PWHT후 항복강도 및 인장강도가 비교재 1-9에 비해 각각 약 60MPa 및 80MPa 정도 우수하면서도 -110℃ 저온 인성 역시 100J 이상 우수함을 알 수 있다.

이에 반하여, 강조성성분은 본 발명의 범위를 만족하나, 제조공정조건(냉각조건)이 본 발명의 범위를 벗어난 비교예 1-3은 YS 및 TS가 50MPa 이상 크게 감소되고 인성 또한 100J 이상을 확보할 수 없었다

또한 그 제조공정조건은 본 발명범위 내이나 강조성성분이 본 발명범위 밖인 비교예4-5는 발명재에 비해 강도가 YS 및 TS가 40~50MPa 정도 크게 감소되고 인성 또한 발명재의 반 수준으로 낮음을 알 수 있다.

아울러, 강조성성분 뿐만 아니라 그 제조공정이 본 발명의 범위를 벗어난 비교예 6-9는 는 YS 및 TS가 약 70MPa 이상 크게 감소되고 인성 또한 100J 이상을 확보할 수 없었다.

Claims (5)

1. 중량%로, C: 0.07 ~ 0.17%, Si: 0.15 ~ 0.40%, Mn: 0.3 ~ 0.7%, P: 0.012% 이하, S: 0.015%이하, Ni: 3.0 ~ 4.0%를 포함하고, 여기에 Nb: 0.03~0.025%, Mo: 0.03 ~ 0.12% 및 Co: 0.03~0.15% 중 선택된 2종 이상의 원소를 추가로 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며,
   강 미세조직이 20~80 면적%의 템퍼드 베이나이트와 잔부 템퍼드 마르텐사이트로 이루어진 PWHT 저항성이 우수한 저온용 압력용기 강판.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 강판은 590~640℃ 구간에서 최대 15시간 동안 PWHT를 실시하여도 인장강도 600MPa급을 유지할 수 있음을 특징으로 하는 PWHT 저항성이 우수한 저온용 압력용기 강판.
   
3. 중량%로, C: 0.07 ~ 0.17%, Si: 0.15 ~ 0.40%, Mn: 0.3 ~ 0.7%, P: 0.012% 이하, S: 0.015%이하, Ni: 3.0 ~ 4.0%를 포함하고, 여기에 Nb: 0.03~0.025%, Mo: 0.03 ~ 0.12% 및 Co: 0.03~0.15% 중 선택된 2종 이상의 원소를 추가로 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 강 슬라브를 1050 ~ 1250℃에서 재가열하는 공정;
   상기 재가열된 강판을 패스당 5 ~ 25%의 압하율로 열간 압연하고, 800℃ 이상의 온도에서 압연을 종료하는 열간압연 공정;
   상기 열간 압연된 강판을 800 ~ 900℃에서 가열 후 5~30℃/sec의 냉각 속도로 수냉하는 공정; 및
   상기 수냉된 강재를 580 ~ 660℃에서 {1.5×t + (10~30)}분 [여기서 t는 강재의 두께(mm)를 의미한다] 동안 템퍼링 처리하는 공정;을 포함하는 PWHT 저항성이 우수한 저온용 압력용기 강판의 제조방법.
   
4. 제 3항에 있어서, 상기 템퍼링 공정 이후에, 590~640℃구간에서 최대 15시간 PWHT하는 공정을 추가로 포함하는 PWHT 저항성이 우수한 저온용 압력용기 강판의 제조방법.
   
5. 제 3항에 있어서, 상기 템퍼링 공정으로 얻이진 강 미세조직은 20~80 면적%의 템퍼드 베이나이트와 잔부 템퍼드 마르텐사이트로 이루어지는 것임을 특징으로 하는 PWHT 저항성이 우수한 저온용 압력용기 강판의 제조방법.