KR20160077484A

KR20160077484A - 유정용 열연강판, 이의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 강관의 제조 방법

Info

Publication number: KR20160077484A
Application number: KR1020140187174A
Authority: KR
Inventors: 노경민; 주민성
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2014-12-23
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2016-07-04

Abstract

본 발명은 C: 0.03~0.13 중량%, Si: 0.10~0.50 중량%, Mn: 1.2~2.0 중량%, P: 0.020 중량% 이하, S: 0.003 중량% 이하, Nb: 0.01~0.04 중량%, Cr: 0.05~0.5 중량%, Ti: 0.01~0.05 중량%, B: 0.003 중량% 이하, Ca: 0.001~0.006 중량%, N: 0.008 중량% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 관계식을 만족하는 유정관용 열연강판을 제공한다.
13≤30[C]+5[Mn]+5[Si]+6[Cr]+600[B]<14.5
[단, 각 수식의 C, Mn, Si, Cr 및 B는 각 성분함량의 중량%를 의미함]

Description

유정용 열연강판, 이의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 강관의 제조 방법 {HOT ROLLED STEEL USING FOR OIL COUNTRY AND TUBULAR GOODS AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME AND STEEL PIPE PREPARED BY THE SAME}

본 발명은 석유 또는 천연가스 개발용 유정관 등에 사용될 수 있는 유정용 열연강판 및 강관에 관한 것으로, 더 상세하게는, 추가적인 열처리 없이도 API 규격을 만족할 수 있는 유정용 열연강판, 이의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 강관의 제조 방법에 관한 것이다.

유정이나 가스정(이하, 유정이라 총칭함)의 개발은 점점 가혹화되고, 채산성을 높이기 위해 생산원가를 낮추기 위한 노력들이 지속되고 있다. 이러한 유정의 개발에 사용되는 유정용 강관에 있어서는, 조관 후에 열처리(?칭 및 템퍼링)를 하지 않고 고강도의 유정용 강관을 제조함으로써, 열처리에 필요한 비용을 줄이고자 하는 요구가 증대되고 있다.

상기와 같이, 강관 전체를 열처리 하는 공정을 생략할 수 있는 고강도 강관의 제조기술로서, 특허문헌 1에서는 중량%로, 탄소(C): 0.06 ~ 0.10%, 실리콘(Si): 0.15 ~ 0.25%, 망간(Mn): 1.5 ~ 1.8%, 니오븀(Nb): 0.05 ~ 0.10%, 티타늄(Ti): 0.01 ~ 0.03%, 니켈(Ni): 0.1 ~ 0.3%, 크롬(Cr): 0.1 ~ 0.2%, 몰리브덴(Mo): 0.1 ~ 0.2%, 칼슘(Ca): 0.001 ~ 0.004% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지며, 미세 조직은 베이나이트 조직이 주상으로 이루어지며, 인장강도: 689MPa 이상 및 항복강도: 552 ~ 758MPa을 갖는 것을 특징으로 하는 전봉강관을 제조하는 방법이 개시되어 있으나, 고가의 원소를 다량 첨가하고 있어, 경제적이지 못하다는 문제가 있다.

대한민국 공개특허 제2014-0017112호

본 발명의 일태양은 조관 후 열처리를 실시하지 않아도, API 규격 5CT L80에 요구되는 강도인 항복강도 552~655Mpa 및 인장강도 655Mpa 이상을 만족할 수 있는 유정용 열연강판을 제공하고자 한다.

본 발명의 또 다른 일태양은 조관 후 열처리를 실시하지 않아도, API 규격 5CT L80에 요구되는 강도인 항복강도 552~655Mpa 및 인장강도 655Mpa 이상을 만족할 수 있는 유정용 강관을 제공하고자 한다.

본 발명의 또 다른 일태양은 조관 후 열처리를 실시하지 않아도, API 규격 5CT L80에 요구되는 강도인 항복강도 552~655Mpa 및 인장강도 655Mpa 이상을 만족할 수 있는 유정용 열연강판의 제조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일태양은 C: 0.03~0.13 중량%, Si: 0.10~0.50 중량%, Mn: 1.2~2.0 중량%, P: 0.020 중량% 이하, S: 0.003 중량% 이하, Nb: 0.01~0.04 중량%, Cr: 0.05~0.5 중량%, Ti: 0.01~0.05 중량%, B: 0.003 중량% 이하, Ca: 0.001~0.006 중량%, N: 0.008 중량% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 관계식을 만족하는 유정관용 열연강판을 제공한다.

13≤30[C]+5[Mn]+5[Si]+6[Cr]+600[B]<14.5

[단, 각 수식의 C, Mn, Si, Cr 및 B는 각 성분함량의 중량%를 의미함]

상기 열연강판을 조관 후 전기저항 용접하여 제조되는 강관으로서, 항복강도: 552~655Mpa 및 인장강도: 655Mpa 이상을 가지는 유정관용 강관을 제공한다.

본 발명의 또 다른 일태양은 상기 성분조건 및 관계식 1을 만족하는 슬라브를 1100~1300℃의 온도로 가열하는 단계; 상기 가열된 슬라브를 900~1100℃에서 조압연 하는 단계; 상기 조압연된 슬라브를 750~900℃의 온도에서 강판으로 마무리 압연하는 단계; 및 상기 마무리 압연된 강판을 450~520℃까지 냉각하는 단계를 포함하는 유정관용 열연강판의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 성분제어 및 조직제어를 통해 추가적인 열처리 없이 API 규격 5CT L80을 만족하는 유정용 열연강판 및 강관을 제조할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 발명은 강관 전체에 열 처리를 하지 않고 API 규격 5CT L80 상당의 강도(항복강도 552~655Mpa, 인장강도 655Mpa 이상)를 만족시킬 수 있는 유정관용 열연강판 및 강관에 관한 것이다. 본 발명에서는 Nb을 0.04이하로 첨가하고, Ni, Mo 등의 고가의 원소를 첨가하지 않고도, 열처리 없이 상기의 강도를 만족하는 유정용 열연강판, 유정관용 열연강판 및 강관을 제공할 수 있다.

본 발명의 유정관용 열연강판은 C: 0.03~0.13 중량%, Si: 0.10~0.50 중량%, Mn: 1.2~2.0 중량%, P: 0.02 중량% 이하, S: 0.003 중량% 이하, Al: 0.01~0.06 중량%, Nb: 0.01~0.04 중량%, Cr: 0.05~0.5 중량%, Ti: 0.01~0.05 중량%, B: 0.0005~0.003 중량%, Ca: 0.001~0.006 중량%, N: 0.008 중량% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.

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

C: 0.03~0.13 중량%

C는 강재의 경화능을 증가 시키는 원소이다. 다만, 그 함량이 0.03 중량% 미만인 경우에는 경화능이 부족하여 본 발명에서 목표로 하는 강도를 확보할 수 없으며, 반면 0.13 중량%를 초과할 경우에는 항복강도 목표를 초과할 수 있으므로 C의 함량은 0.03~0.13 중량% 가 바람직하다.

Si: 0.10~0.50 중량%

Si은 페라이트 상 중에서 C의 활동도를 증가시키고, 페라이트 안정화를 촉진시키고, 고용강화에 의한 강도확보에 기여하는 원소이다. 또한, 전기저항용접시 Mn₂SiO₄ 등의 저융점 산화물을 형성시켜, 용접시에 산화물이 쉽게 배출되도록 한다. 이러한 Si의 함량이 0.10 중량% 미만인 경우에는 제강상의 비용 문제가 발생하며, 0.50 중량%를 초과하는 경우에는 Mn₂SiO₄ 이외의 고융점 산화물인 SiO₂의 형성량이 많아져 전기저항용접 시 용접부의 인성을 저하시킬 수 있다. 따라서, Si의 함량은 0.10~0.50 중량%로 하는 것이 바람직하다.

Mn: 1.2~2.0 중량%

Mn은 강을 고용강화시키는데 효과적인 원소이다. 다만, 그 함량이 1.3 중량%이상 첨가되어야 소입성 증가효과와 더불어 본 발명에서 목표로 하는 강도를 확보할 수 있다. 그러나, 2.0 중량%를 초과하는 경우에는 제강공정에서 슬라브를 주조시 두께 중심부에서 편석부가 크게 발달되고 최종제품의 용접성을 해치기 때문에 바람직하지 않다.

P: 0.02 중량% 이하

P은 불순물이며 인성을 열화시키는 원소이기 때문에, 그 함유량은 적으면 적을수록 바람직하다. 단, 제강단계에서의 비용을 고려하여 상한을 0.02 중량% 이하로 제한한다.

S: 0.003 중량% 이하

S은 조대한 개재물을 형성하기 쉬운 원소이고, 인성 저하나 크랙 진전을 조장하므로 가능한 낮게 함유하는 것이 바람직하다. 단 제강단계의 비용을 고려하여 상한을 0.003 중량% 이하로 제한한다. 보다 바람직하게는 0.002 중량% 이하로 함유하는 것이 좋다.

Nb: 0.01~0.04 중량%

Nb은 석출물 형성으로 강의 강도에 큰 영향을 주는 원소로써, 강 중에 탄질화물을 석출하거나, Fe 내 고용강화를 통하여 강의 강도를 향상시킨다. 특히, Nb계 석출물들은 슬라브 재가열 시 고용된 후 열간압연 중 미세하게 석출하여 강의 강도를 효과적으로 증가시킨다. 다만, Nb 함량이 0.01 중량% 미만인 경우 미세석출물이 충분히 형성되지 못하기 때문에 본 발명에서 목표로 하는 강도를 확보할 수 없다. 반면 니오븀의 함량이 0.04 중량%를 초과할 경우 목표강도를 초과할 수 있다. 따라서, Nb의 함량은 0.01~0.04 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다.

Cr: 0.05~0.5 중량%

Cr은 경화능을 향상시키는 원소이다. Cr함량이 0.05 중량% 미만일 경우에는 첨가에 따른 경화능 향상 효과가 불충분하고 0.5 중량%를 초과할 경우에는 인성이 급격히 저하될 수 있으므로, 0.05~0.5 중량%로 첨가하는 것이 바람직하다

Ti: 0.01~0.05 중량%

Ti은 N와 반응하여 TiN을 형성함으로써 슬라브 재가열 시 HAZ부의 오스테나이트의 결정립 성장을 억제하여 강도를 증대시키는 역할을 한다. 또한, TiN 형성을 통하여 고용 N을 없애는 동시에 BN 생성을 억제하여 경화능 향상에 기여하는 고용 B를 확보할 수 있다. 이런 목적을 위해 Ti은 3.4N 첨가량을 초과 하게 함유하여야 하므로 0.01 중량%를 초과하여 첨가하는 것이 바람직하다. 단 Ti이 지나치게 많을 경우에는 TiN 조대화 등으로 인성을 저하시킬 수 있으므로 상한을 0.05 중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

B: 0.003 중량% 이하

B은 오스테나이트 결정립에 편석되어 결정립계 에너지를 낮춤으로써 오스테나이트를 안정화시키며 결정립계의 페라이트 핵생성을 늦추어 강의 경화능을 향상시키는 원소이다. 80ksi 강도를 가지기 위해 B 함량이 필수적이지 않으므로, 선택적으로 첨가될 수 있다. 단, 첨가 시, 0.003 중량%를 초과하게 되면 보론 (B) 산화물 형성이 용이하게 되어 강의 취성을 급격히 증가시키므로 0.003 중량% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다.

Ca: 0.001~0.006 중량%

Ca은 유화물의 형태 제어를 위해 첨가되는 원소이다. 그 함량이 0.006%를 초과하게 되면 소강 중의 S 함량에 대하여 과잉 첨가되어 CaS 클러스터(cluster)가 발생하며, 반면 0.001% 미만인 경우에는 MnS가 발생하여 인성의 저하를 초래할 수 있다. 따라서, Ca의 함량을 0.001~0.006 중량%로 하는 것이 바람직하다.

N: 0.008% 이하

N는 불가피한 불순물로서 강중에서 Ti 및/또는 Al 등의 질화물로서 고정시킨다. 그 함량이 0.008%를 초과하게 되면 Ti, Al 등의 첨가량 증가가 불가피하므로, 상기 N의 함량은 0.008% 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. 아들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.

본 발명은 상기 성분조건을 만족함과 동시에 하기 관계식 1을 만족하는 것이 바람직하다.

[관계식 1]

13≤30[C]+5[Mn]+5[Si]+6[Cr]+600[B]<14.5

상기 C, Mn, Si, Cr 및 B는 모두 강도에 기여하는 원소들로 상기 관계식 1의 값이 13 미만이면 동일한 조업조건에서 강도가 미달이 되고, 14.5 이상이면 강도가 초과가 될 수 있다.

이하, 본 발명의 유정용 열연강판의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 유정관용 열연강판의 제조 방법은 상기 성분조건과 상기 관계식 1을 만족하는 슬라브를 1100~1300℃의 온도로 가열하는 단계; 상기 가열된 슬라브를 900~1100℃에서 조압연 하는 단계; 상기 조압연된 슬라브를 750~900℃의 온도에서 강판으로 마무리 압연하는 단계; 및 상기 마무리 압연된 강판을 450~520℃까지 냉각하는 단계를 포함한다.

이하, 각 단계별 상세한 조건에 대하여 설명한다.

가열하는 단계

상기 강 슬라브 재가열은 1100~1300℃의 온도범위로 행하는 것이 바람직하다. 슬라브의 재가열 공정은 후속되는 압연공정을 원활히 수행하고 목표하는 강판의 물성을 충분히 얻을 수 있도록 강을 가열하는 공정이므로, 목적에 맞게 적절한 온도범위 내에서 가열공정이 수행되어야 한다. 슬라브 가열 시 가열온도가 1100℃ 미만이면 Nb가 완전히 고용되기 어려우며, 반면 1300℃를 초과할 경우에는 초기 결정립이 너무 커져 입도 미세화가 어려워진다.

조압연 하는 단계 및 마무리 압연하는 단계

본 발명에서의 조압연은 900~1100℃에서 행하는 것이 바람직하다. 900℃ 이하의 온도에서 조압연이 종료될 경우, 압연기 설비부하 문제가 발생할 위험성이 있다. 이후, 마무리 압연은 미재결정온도 영역인 750~900℃에서 압연하는 것이 바람직하다. 온도가 900℃보다 높으면 최종 조직이 조대해져 원하는 강도를 얻을 수 없고, 750℃보다 낮으면 혼립 조직이 발생할 위험성이 있다.

냉각하는 단계

상기 냉각은 강판의 인성과 강도를 향상시키는 요소로써, 냉각속도가 빠를수록 강판의 내부조직의 결정립이 미세화되어 인성을 향상시키며, 내부에 경질조직이 발달하여 강도를 향상시킬 수 있다. 이를 위해, 상기 냉각 시 냉각속도는 5℃/s 이상으로 하는 것이 바람직하다. 냉각속도가 5℃/s 미만일 경우에는 페라이트 분율이 지나치게 높아서 원하는 강도를 얻을 수 없다.

상기 냉각은 450~520℃까지 행하는 것이 바람직하다. 냉각정지온도가 520℃를 초과할 경우에는 페라이트 분율이 높아져서 강도 미달이 발생할 수 있고, 냉각정지온도가 450℃ 미만으로 제어될 경우 베이나이트나 마르텐사이트 형성으로 강도 초과가 발생할 수 있다.

권취하는 단계

상기 냉각 후 450~520℃의 온도에서 권취를 행하는 것이 바람직하다. 520℃를 초과할 경우에는 페라이트 분율이 높아져서 강도 미달이 발생할 수 있고, 450℃ 미만으로 제어될 경우 베이나이트나 마르텐사이트 형성으로 강도 초과가 발생할 수 있다.

한편, 이와 같이 제조된 열연강판을 조관 후, 용접하여 유정용 강관을 제조할 수 있다. 상기 강관의 제조하는 방법은 특별히 한정되지 않으나, 경제성이 가장 뛰어난 전기저항 용접를 이용하여 조관하는 것이 바람직하다. 전기저항 용접 시 어떠한 용접 방식도 이용할 수 있으므로 용접 방법에 대해 특별히 한정하지는 않는다.

상기 과정들로 제조되는 본 발명에 따른 열연강판을 조관 후, 용접하여 유정용 강관을 제조하면, 열처리 없이도 API 규격 5CT L80에 요구되는 강도인 항복강도 552~655Mpa 및 인장강도 655Mpa 이상을 확보할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

[ 실시예 ]

하기 표 1의 조성(중량%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물임)을 만족하는 강 슬라브를 표 2의 조건으로 재가열(SRT)하고, 조압연 후 열간 마무리 압연 (FDT)하고, 냉각 후 권취(CT)하여 열연강판을 제조하였다.

또한, 표 1에는 각각의 발명예 및 비교예가 본 발명의 관계식 1 (13≤30[C]+5[Mn]+5[Si]+6[Cr]+600[B]<14.5)을 만족하는지 여부를 확인하기 위하여 수식 값을 기재하였다.

상기와 같이 제조된 열연강판에 대해 인장시험기를 이용하여 항복강도, 인장강도를 측정하였으며, 이때 통용되는 ASTM A370에 준하는 시험으로 실시하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.

구분	C	Si	Mn	P	S	Ca	N	Nb	Cr	Ti	B	관계식1
발명예1	0.07	0.34	1.7	0.01	0.002	0.002	0.004	0.03	0.35	0.013	0	14.40
발명예2	0.1	0.35	1.3	0.01	0.002	0.003	0.004	0.03	0.35	0.014	0	13.35
발명예3	0.11	0.35	1.4	0.01	0.002	0.002	0.004	0.03	0.35	0.013	0	14.15
발명예4	0.07	0.35	1.7	0.01	0.002	0.002	0.004	0.03	0.35	0.013	0	14.45
비교예1	0.07	0.34	1.7	0.01	0.002	0.002	0.004	0.07	0.35	0.013	0.001	15.00
비교예2	0.04	0.34	1.8	0.01	0.002	0.002	0.004	0.1	0.4	0.013	0.001	14.90
비교예3	0.11	0.34	1.7	0.01	0.002	0.002	0.003	0.09	0.35	0.012	0	15.60
비교예4	0.07	0.34	1.7	0.01	0.002	0.003	0.004	0.07	0.35	0.014	0.001	15.00

구분	SRT (℃)	FDT (℃)	CT (℃)	항복강도(MPa)	인장강도(MPa)
발명예1	1292	803	459	600	662
발명예2	1257	823	486	595	684
발명예3	1260	808	518	584	674
발명예4	1297	804	489	584	664
비교예1	1288	808	491	704	771
비교예2	1269	810	489	675	760
비교예3	1293	804	454	671	768
비교예4	1289	809	450	661	779

상기 표 1 및 2를 통하여 알 수 있듯이, 본 발명의 성분범위와 관계식 1을 만족하는 발명예 1 내지 4는 본 발명에서 목표로 하는 API 규격(항복강도 552~655Mpa, 인장강도 655Mpa 이상)을 만족하고 있으나, 본 발명의 성분조건 또는 관계식 1을 만족하지 못하는 비교예 1 내지 4는 상기 항복강도 및 인장강도의 조건을 만족하지 못하고 있는 것을 확인할 수 있다.

이상에서 본 명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims

C: 0.03~0.13 중량%, Si: 0.10~0.50 중량%, Mn: 1.2~2.0 중량%, P: 0.020 중량% 이하, S: 0.003 중량% 이하, Nb: 0.01~0.04 중량%, Cr: 0.05~0.5 중량%, Ti: 0.01~0.05 중량%, B: 0.003 중량% 이하, Ca: 0.001~0.006 중량%, N: 0.008 중량% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 관계식을 만족하는 유정관용 열연강판.
13≤30[C]+5[Mn]+5[Si]+6[Cr]+600[B]<14.5
[단, 각 수식의 C, Mn, Si, Cr 및 B는 각 성분함량의 중량%를 의미함]
제 1 항의 열연강판을 조관 후 전기저항 용접하여 제조되는 강관으로서, 항복강도: 552~655Mpa 및 인장강도: 655Mpa 이상을 가지는 유정관용 강관.
C: 0.03~0.13 중량%, Si: 0.10~0.50 중량%, Mn: 1.2~2.0 중량%, P: 0.020 중량% 이하, S: 0.003 중량% 이하, Nb: 0.01~0.04 중량%, Cr: 0.05~0.5 중량%, Ti: 0.01~0.05 중량%, B: 0.003 중량% 이하, Ca: 0.001~0.006 중량%, N: 0.008 중량% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 관계식을 만족하는 슬라브를 1100~1300℃의 온도로 가열하는 단계;
상기 가열된 슬라브를 900~1100℃에서 조압연 하는 단계;
상기 조압연된 슬라브를 750~900℃의 온도에서 강판으로 마무리 압연하는 단계; 및
상기 마무리 압연된 강판을 450~520℃까지 냉각하는 단계를 포함하는 유정관용 열연강판의 제조 방법.
13≤30[C]+5[Mn]+5[Si]+6[Cr]+600[B]<14.5
[단, 각 수식의 C, Mn, Si, Cr 및 B는 각 성분함량의 중량%를 의미함]
제 3 항에 있어서, 상기 마무리 압연된 강판의 냉각속도는 5℃/s 이상인 유정관용 열연강판의 제조 방법.