KR20160105854A

KR20160105854A - 고탄소 강선재 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20160105854A
Application number: KR1020167021092A
Authority: KR
Inventors: 레이 왕; 한 마; 핑 리
Original assignee: 인스티튜트 오브 리서치 오브 아이론 앤드 스틸, 지앙수 프로빈스/샤-스틸, 씨오. 엘티디 (중국)
Priority date: 2014-02-11
Filing date: 2014-02-18
Publication date: 2016-09-07
Also published as: EP3109335A1; US10316386B2; WO2015120634A1; US20170175221A1; KR101860481B1; CN103805861A; EP3109335B1; CN103805861B; EP3109335A4

Abstract

고탄소 강선재 및 그 제조 방법을 제공한다. 그 중 상기 고탄소 강선재는 C, Si, Mn, Cr, V, Ti 및 Fe 성분을 포함한다. 상기 고탄소 강선재는 이상적인 역학적 성능을 구비하고, 강한 강도를 가질 뿐만 아니라, 평균 인장강도가 1560MPa에 달하며 동시에 양호한 가소성을 가지고, 평균 수축율이 30%이고 드로잉율이 9% 이상으로, 2300MPa의 프리스트레스 강연선의 생산에 필요한 성능 요구를 만족시킬 수 있다.

Description

고탄소 강선재 및 그 제조 방법{HIGH-CARBON STEEL WIRE ROD AND PREPARATION METHOD THEREFOR}

본 발명은 합금강 분야에 속하며, 구체적으로 고탄소 강선재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

고탄소 강선재는 고강도의 PC 강선, 강연선, 스프링와이어, 와이어로프 및 강선코드 등 제품의 생산에 사용된다. 이러한 제품들은 고탄소 강선재의 여러차례 드로잉을 거쳐 생산되며, 압축율이 최고 96%에 달할 수 있다. 높은 압축율은 필연코 고탄소 강재의 강도, 가소성, 표면품질 및 순도 등 방면에 대해 높은 요구를 가지게 된다.

지금 국내 시장의 PC 강선 및 강연선은 1860MPa 레벨의 제품을 위주로 하는데, 사용되는 원자재는 주요하게 직경이 11 내지 13mm인 SWRH82B 고탄소 강선재이며, 그 강도는 통상적으로 1130 내지 1200MPa이다. 현재 1960MPa 심지어 2100MPa 레벨의 프리스트레스 강연선도 출시되었다. 강철 제조업에 있어서, 고강도의 강재를 개발하는 것은 줄곧 해당 분야의 연구개발 추세이며, 강재 강도의 향상은 강재의 사용량을 줄일 수 있는바, 예를 들어, 2300MPa 레벨의강연선은 1860MPa 레벨의 강연선에 비해 약 24%의 강재 사용량을 줄일 수 있는 동시에 강재 강도의 향상은 프리스트레스 구조를 간소화하여 공정 비용을 저감할 수 있어, 현저한 경제 및 사회적 효익을 가져다준다.

중국 특허문헌 CN103122437A에는 0.85 내지 0.95%의 C, 0.95 내지 1.10%의 Si, 0.50 내지 0.60%의 Mn, 0.20 내지 0.35%의 Cr, 0.01 내지 0.05%의 Ti, 0.005 내지 0.050%의 Al, 0.11 내지 0.15%의 V를 포함하고, 0.001 내지 0.15%의 Ni, 0.001 내지 0.25%의 Cu, 0.0001 내지 0.005%의 B, 0.01 내지 0.03%의 Nb 및 0.001 내지 0.03%의 Mo 중의 한가지 이상을 추가로 포함하고, 잔부는 철과 불순물인 바니듐 규소 복합 마이크로 합금 초고강도 강선재 및 그 제조 방법이 개시되었다. 상기 강선재는 높은 강도를 가지는데, 그 인장강도가 1370MPa 이상으로, 2140MPa 레벨의 프리스트레스 강연선의 생산에 사용될 수 있지만, 상기 강선재는 더욱 높은 강도의 프리스트레스 요구를 만족시킬 수 없어, 더욱 높은 강도의 프리스트레스 강연선을 제조하는 것은 여전히 합금 분야의 연구 화제이다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 인장강도가 1530MPa 이상이고, 2300MPa 레벨의 프리스트레스 강연선의 제조 요구를 만족시킬 수 있는 고탄소 강선재를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 고탄소 강선재의 제조 방법을 추가로 제공한다.

본 발명은 성분은 중량 백분율로 0.88 내지 0.94%의 C, 1.25 내지 1.50%의 Si, 0.45 내지 0.55%의 Mn, 0.25 내지 0.45%의 Cr, 0.16 내지 0.20%의 V, 0.02 내지 0.08%의 Ti, 잔부는 Fe인 고탄소 강선재를 제공한다.

상기 고탄소 강선재는 0.01 내지 0.15%의 Mo, 0.001 내지 0.10%의 Al, 0.0005 내지 0.0015%의 B, 0.01 내지 0.03%의 Nb 중의 한가지 이상을 추가로 함유한다.

상기 고탄소 강선재에 있어서, 성분은 중량 백분율로 0.92%의 C, 1.35%의 Si, 0.50%의 Mn, 0.26%의 Cr, 0.18%의 V, 0.07%의 Ti, 잔부는 Fe인 것이 바람직하다.

설명이 필요한 부분은 본 발명의 고탄소 강선재는 제조과정 중에 미량의 불가피한 불순물이 함유하게 되는데, 본 발명의 실시 및 기술적 효과의 실현에 영향을 미치지 않는다.

상기 고탄소 강선재의 제조 방법은,

금속원료를 용융하여 C 함량이 0.2 내지 0.7%, P 함량이 110ppm 미만이 되도록 제련한 후, 1590 내지 1610℃하에서 출강하되, 상기 금속원료 중 용융 후의 용철이 상기 금속원료의 총 중량에서 차지하는 백분비가 70 내지 85%인 제련 단계1);

Cr, Si, Mn, Al, Ti, V, B, Mo, Nb 중의 한가지 이상을 함유하는 합금재료를 첨가하여 40min 이상 정련하는 정련 단계2);

과열도를 30℃ 이하로 제어하고, 2.50 내지 2.60m/min의 인장 정속(역주: 恒拉速)을 유지하여 연속 주조 슬래브를 얻는 연속 주조 단계3);

공기 연료 비율을 0.7 이하로 유지하면서 가열하고, 900℃ 내지 1100℃ 온도에서 단계3)을 거쳐 얻은 연속 주조 슬래브에 대해 압연하며, 와이어 로드 레잉 온도(역주: 吐??度)는 830 내지 860℃ 인 압연 단계4); 및

스텔모어 제어냉각을 적용하여 오스테나이트 상변화 전에 8 내지 11K/s의 냉각속도를 유지하고, 오스테니이트 상변화 후기에 1 내지 2K/s의 냉각속도를 적용하며, 최종 냉각온도가 500℃를 초과하도록 하는 냉각 단계5)를 포함한다.

그 중, 상기 과열도는 연속 주조 주물 온도와 액체강 용점 사이의 차이값이다. 상기 공기 연료 비율은 가열로에서 사용하는 공기와 고로 가스의 체적비이다.

단계1)에 있어서, 상기 금속원료는 철 스크랩과 용철의 혼합물이다.

단계1) 제련 전에 먼저 용융된 용철에 대해 예비 탈황처리를 진행하여 용철 중의 유황 함량이 0.005% 미만이 되도록 한다.

단계2)에 있어서, 구체적으로, Cr, Si, Mn, Al, Mo, Nb, Ti, V를 함유하는 합금재료를 순차적으로 첨가하여 정련하고, 정련 슬래그 염기도가 2.8 내지 3.0을 유지하며, 정련 종료 15min 전에 B를 함유한 합금재료를 첨가하며, 불활성가스를 15min 이상 유연 교반한다.

단계3)에 있어서, 연속 주조는 1차 냉각 및 2차 냉각으로 나뉘며, 상기 1차 냉각은 수냉으로, specific water flow (역주:比水量)을 4.1 내지 4.5L/kg으로 제어하며, 상기 2차 냉각은 분무 냉각으로, specific water flow을 1.8 내지 2.0L/kg으로 제어한다.

단계4)에 있어서, 상기 압연은 조압연과 정밀압연을 포함하며, 1000℃ 내지 1100℃하에서 먼저 단계3)을 거쳐 얻은 연속 주조 슬래브에 대해 조압연을 진행하고, 900 내지 950℃ 온도에서 다시 정밀압연을 진행한다.

단계5)에 있어서, 상기 상변화 전의 선재 이동속도는 0.8 내지 1.3m/s이고, 송풍기의 풍속은 30 내지 40m/s이며, 상변화 후기의 선재 이동속도는 0.6 내지 0.8m/s이고, 송풍기의 풍속은 0 내지 10m/s이다.

상기 고탄소 강선재는 2300MPa 레벨의 PC 강선, 2300MPa 레벨의 프리스트레스 강연선 및 7mm의 1960MPa 레벨의 교량 케이블 아연 도금 와이어의 제조에 응용된다.

Si는 페라이트 강화 원소로서, 고용강화를 통해 페라이트의 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, Si가 페라이트/시멘타이트 계면에 집중되어 와이어에 대한 열처리 과정 중 열안정성에 유리하다. Si는 C가 오스테나이트에서 확산되는 속도를 향상시킬 수 있고, 가열과정에 C의 균일화에 유리하며, 동시에 Si는 C의 활성을 향상시켜 C와 V의 결합이 더욱 용이하도록 하여 VC가 페라이트에서 석출되는 것을 촉진하지만, 과량의 Si는 탈탄을 초래하여 표면 품질을 저하시킬 수 있다.

Mn은 유황에 의해 초래되는 강의 열취성을 제거하거나 약화시킬 수 있어 강의 열가공 성능을 개선한다. 또한 Mn은 Fe과 고용체를 형성할 수 있어, 강 중의 페라이트 및 오스테나이트의 경도와 강도를 향상시키는 동시에, Mn은 탄화물 형성 원소로서, 시멘타이트에 진입하여 일부분의 철원소를 대체할 수 있다. Mn은 강의 임계변환온도를 낮출 수 있고 펄라이트를 미세화하는 작용을 함으로써 펄라이트강의 강도를 향상시키고, 그 외, Mn은 오스테나이트 조직을 안정시키는 능력이 Ni에 버금가며, 강의 경화성을 현저히 향상시킬 수 있다.

Cr은 강한 탄화물 형성 원소이고, 강 중의 시멘타이트 판상에 존재하며, 치환작용을 통해 합금 시멘타이트를 형성한다. Cr을 첨가함으로써 오스테나이트의 안정성을 향상시키고 열연시 정결립이 성장하는 것을 방지할 수 있으며, 또한 Cr을 첨가함으로써 강의 연속 냉각 변환 곡선이 오른쪽으로 이동하게 되며, 동일한 냉각 속도하에서 펄라이트 판상간격을 줄일 수 있다. 펄라이트 중에 합금 시멘타이트가 존재하므로 Cr의 첨가는 시멘타이트 판상의 열안정성을 향상시키는데 유리하다.

V는 강 중의 C, N과 결합하여 분산 석출된 VNC를 형성할 수 있으며, 따라서 열연시 정결립이 성장하는 것을 방지한다. V는 상변화 초기에 오스테나이트 결정립 경계면에 VC과립을 형성하기도 쉬우며, 결정립 경계면 상의 C원소 함량을 줄이고 그물 형상의 시멘타이트가 나타나는 것을 효과적으로 억제할 수 있으며, 동시에 V는 상변화 과정에 펄라이트 중의 페라이트 사이에 석출될 수 있어 고탄소 강선재에 대해 석출 강화 작용을 함으로써 고탄소 강선재의 강도를 향상시키는데 유리하다. 하지만 과량의 V는 고탄소 강선재 조직을 제어하는데 어려움을 준다.

Ti는 액체강 중의 유리 질소를 고정시킬 수 있어, 유리 질소가 강에 고용됨으로써 발생하는 자연 노화 현상을 피하며, 이에 따른 강의 취성이 증가하는 것을 막을 수 있어, 얻은 강의 가소성 및 인성을 향상시킨다.

Mo는 고탄소 강의 경화성을 현저히 향상할 수 있다. 동시에, Mo는 결정립 경계면에 그물 형상의 시멘타이트가 생성되는 확률을 줄일 수 있으며, 고탄소 강선재의 가소성을 향상시키는데 유리하다. 하지만 과량의 Mo는 Cr과 결합하여 펄라이트와 베이나이트의 변환 곡선을 분리시켜, 고탄소 강의 연속 냉각 과정 중에 베이나이트 조직이 나타나기 극히 쉽다.

Al은 활성 금속으로서, 액체강 중의 산소와 작용하여 Al2O3을 생성하기 극히 쉬우며, 강에서 중요한 탈산제로서 사용되어 액체강 중의 산소 함량을 줄여, 액체강 중의 개재물이 감소함으로써 액체강의 순도를 높힌다. 그 외, Al은 액체강 중의 N과 결합하여 AlN을 형성할 수 있으며, 미세한 AlN을 액체강 중에 석출시켜 후속 열연전의 가열과정에 오스테나이트 결정립이 성장하는 것을 억제함으로써 오스 테나이트의 결정립 크기를 줄일 수 있다.

B는 결정립 경계면에 집중되기 쉬우며, 초석 페라이트가 오스테나이트 경계면에 핵을 형성하는 것을 억제할 수 있다. 하지만 B는 강중의 유리 질소와 결합하여 취성의 석출상을 형성하기 극히 쉬우므로 강선재가 취성을 나타내게 한다.

Nb는 강 중의 C, N과 결합하여 Nb(NC)를 형성할 수 있어, 오스테나이트 결정립이 성장하는 것을 억제한다. 고용 Nb는 재결정 또는 동적인 재결정을 방지함으로써 결정립이 성장하는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 상기 기술방안은 종래의 기술에 비해 아래와 같은 장점을 갖고 있다.

(1)본 발명의 고탄소 강선재에 있어서, C, Si, Mn, Cr, V, Ti, Fe 및 불순물을 함유하며, 그 중 V함량이 0.16 내지 0.20%이며, 이러한 범위 내에서 얻은 고탄소 강선재는 완전한 펄라이트조직이며, 소르바이트 함량이 95%이상이며, 펄라이트 판상간격이 80 내지 100 μm이며, 조직이 비교적 균일하고, V의 첨가는 그물 형상의 시멘타이트가 생성되는 것을 억제하여 역학적 강도가 비교적 현저하게 향상되었다. 동시에 Si 함량이 1.25 내지 1.50%를 유지하고, 여러 차례의 실험을 거쳐 Si함량이 1.2이상일 경우 V의 석출작용이 제일 현저한 것을 발견하였다. Si 함량이 1.25 내지 1.50% 범위에 있을 경우, 탈탄층의 두께 제어가 가능하며, 오스테나이트중의 C원자의 활성도를 향상킬 수 있어, V와 C가 더욱 용이하게 결합하도록 하고 V의 석출을 현저히 촉진시켜 고탄소 강선재의 강도를 대폭 향상시켰다.

상기 고탄소 강선재에 있어서, Mn, Cr, Ti의 첨가 및 함량 제어를 결합하여 얻은 고탄소 강선재가 비교적 이상적인 역학적 성능을 구비하고, 비교적 높은 강도를 가지며, 평균 인장강도가 1560MPa에 달할 뿐만 아니라 동시에 양호한 가소성을 가지며, 평균 수축율（역주:?后收?率，after-fracture Shrinkage Percentage）이 30%이고 연신율（역주:?后伸?率, after-fracture elongation percentage）이 9% 이상이 되도록 하여, 2300MPa의 프리스트레스 강연선의 생산에 필요한 성능 요구를 만족시킬 수 있다. 그 중, 0.02 내지 0.08%의 Ti를 첨가하여 유리 N와 결합시켜 분산된 미세한 TiN을 형성함으로써 강중의 유리 질소를 고정할 수 있다. 전로 제련 과정 중 아크가 공기를 이온화시켜 액체강 중의 질소 함량이 높아지게 하여, 유리 질소가 강 중에 고용되어 자연 노화 현상이 발생하여 강의 취성이 증가되므로, 강 중의 유리 질소 함량을 50ppm 이하로 제어하고, 0.02 내지 0.08%의 Ti를 첨가하여, 첨가된 Ti가 유리 질소를 고정시키고 TiN을 형성하고, 주조 슬래브의 냉각 속도와 열연 전의 가열 온도를 제어하여 TiN의 석출과 생장을 제어함으로써 얻은 탄소 강선재의 강도를 향상시킨다.

(2)본 발명의 고탄소 강선재에 있어서, Mo, Al, B, Nb 중의 한가지 이상을 추가로 함유한다. Mo는 고탄소 강의 경화성을 현저히 향상시키고, 펄라이트의 판상간격을 줄일 수 있으며, 동시에 Mo는 결정립 경계면에 그물 형상의 시멘타이트가 발생하는 확률을 줄일 수도 있어, 고탄소 강선재의 가소성을 향상시키는데 유리하다. Al는 심탈산작용을 할 수 있어, 액체강의 순도를 향상시키는데 유리하다. B는 고탄소 강의 결정립 경계면의 페라이트를 줄이는 작용을 할 수 있다. Nb가 생성한 분산 석출된 미세 탄화물 및 일부분의 고용 Nb는 오스테나이트의 결정립을 미세화할 수 있어, 강선재의 강도와 가소성을 향상시킨다.

(3)본 발명의 고탄소 강선재는 0.92%의 C, 1.35%의 Si, 0.50%의 Mn, 0.26%의 Cr, 0.18%의 V, 0.07%의 Ti를 함유하고, 잔부는 Fe이다. 해당 배합비에 의해 얻은 고탄소 강선재의 인장강도는 1575MPa에 달할 수 있고, 수축율이 36%에 달할 수 있으며, 연신율이 10%에 달할 수 있어, 우수한 역학적 성능을 가진다.

(4)본 발명의 고탄소 강선재의 제조 방법은 용철 예비처리, 전로 제련, 정련, 연속 주조 및 압연을 포함한다. 생산 과정에서 압연 온도 및 냉각 속도를 제어함으로써 탈탄 및 이상 조직이 형성되는 것을 피할 수 있으며, 동시에 소르바이트화 비율이 95%이상 달하도록 한다.

(5)본 발명의 고탄소 강선재의 제조 방법에 있어서, 인장강도에 대한 요구가 높아짐에 따라 제품의 결함 민감도 또한 이에 따라 증가는데, 본 발명의 방법에 있어서, 연속 주조 과정의 연속 주조는 1차냉각과 2차냉각으로 나뉘며, 그 중 2차냉각은 분무 강화 냉각을 적용하여, 이를 통해 얻은 연속 주조 슬래브는 조직이 조밀하고 미시적 편석 정도가 작아, 압연 재료의 조직 균일성을 확보할 수 있다.

(6)본 발명의 고탄소 강선재의 제조 방법에 있어서, 용철에 대해 먼저 탈황처리를 진행하여 용철 중의 유황 함량을 0.005% 미만이 되도록 하여 용철의 순도를 높혀 정련 과정중 탈황처리 압력을 줄일 수 있으며, 따라서 얻은 고탄소 강선재의 개재물의 함량을 더욱 효과적으로 줄여 강선재의 성능을 확보한다.

이하에서 발명을 실시하기 위한 구체적인 실시예를 보인다.

실시예1-11 및 비교예1-4의 고탄소 강선재의 각 성분 함량

	C	Si	Mn	Cr	V	Ti	Mo	Al	B	Nb
실시예1	0.88	1.50	0.50	0.35	0.16	0.08	-	-	-	-
실시예2	0.94	1.38	0.45	0.45	0.20	0.02	0.01	-	-	-
실시예3	0.91	1.25	0.55	0.25	0.18	0.05	-	0.10	-	-
실시예4	0.90	1.40	0.46	0.40	0.19	0.06	-	-	0.0010	-
실시예5	0.94	1.38	0.45	0.45	0.20	0.02	-	-	-	0.03
실시예6	0.91	1.25	0.55	0.25	0.18	0.05	0.15	-	0.0015	-
실시예7	0.90	1.40	0.46	0.40	0.19	0.06	0.08	0.001	-	-
실시예8	0.89	1.50	0.50	0.30	0.20	0.07	-	0.05	-	0.01
실시예9	0.88	1.50	0.50	0.35	0.16	0.08	-	-	0.0005	0.02
실시예10	0.94	1.38	0.45	0.45	0.20	0.02	0.012	0.005	0.0010	0.02
실시예 11	0.92	1.35	0.50	0.26	0.18	0.07	-	0.015	0.0015	-
비교예 1	0.88	1.50	0.50	0.35	-	0.08	-	-	-	-
비교예2	0.88	0.25	0.50	0.35	0.16	0.08	-	-	-	-
비교예 3	0.88	1.00	0.50	0.35	0.16	0.08	-	-	-	-
비교예4	0.88	1.60	0.50	0.35	0.16	0.08	-	-	-	-

[실시예1]

본 실시예의 고탄소 강선재에 있어서, 그 성분은 표1에 도시한 바와 같으며, 그 제조 방법은 아래와 같은 단계를 포함한다.

1)용철 예비 탈황: KR법을 적용하여 탈황 처리하며, 탈황제CaO를 첨가하여 유황 함량이 0.005% 미만이 될 때까지 용융된 용철 중의 유황을 제거한다.

2)전로 제련: 금속 원료를 전로에 첨가하고, 제련 시작 시 낮은 전압과 전류를 이용하여 아크를 발생시키며, 약 1min동안 전류가 안정된 후 점차적으로 전압과 전류를 상승시켜 천정(역주:穿井)을 진행하며, 제련 과정에 슬래그 유동 제련(역주:流渣冶?)을 적용하여 슬래그 교체를 강화하고, 포밍 슬래그를 제조하여 질소가 증가하는 것을 방지하며, 최종 C 함량을 0.2%, P 함량을 110ppm 미만으로 제어하여 출강하되, 출강 온도를 1590℃로, 아르곤가스 교반 압력을 1MPa로 제어하고, 1/3까지 출강 될 때 고탄소강 전용 합성슬래그와 Cr, Si, Mn을 함유한 합금재료의 총량의 70%을 첨가하며, 출강시 슬래그가 배출되는 것을 방지하며, 슬래그가 배출될 경우 슬래그 제거 작업을 진행해야 한다.

그 중, 상기 금속원료는 18톤의 철스크랩, 82톤의 용철을 포함한다.

3)정련: 나머지 Cr, Si를 함유한 합금재료, Al를 함유한 합금재료, Mo을 함유한 함금재료, Nb를 함유한 합금재료, Ti를 함유한 합금재료 및 V를 함유한 합금재료를 순차적으로 첨가하여 LF정련을 진행하며, 정련 슬로그의 2원 염기도(역주: 二元?度, binary basicity)를 2.8로 제어하며, (FeO)+(MnO)≤1.0%이고, 액체강 중의 각 성분 함량이 표1의 선정수치가 될 때까지 정련하며, 정련 종료 15min 전에 SiCa선 및 B선을 송급하며, 와이어 송급 후 아르곤가스를 15min동안 유연교반하고 표면 보온제를 첨가한다.

상기 보온제는 탄화 왕겨이다.

4)연속 주조: 과열도를 30℃로 제어하고, 2.50m/min의 인장 정속(역주: 恒拉速, constant drawing speed)을 유지하며, 1차냉각은 수냉을 적용하고, specific water flow (역주: 比水量)을 4.2L/kg으로 제어하며, 2차냉각구역은 분무 냉각을 적용하고, specific water flow을 1.9L/kg으로 제어하며, 연속 주물은 횡단면이 140mm×140mm×16m인 사각 슬래브이며, 연속 주조 슬래브를 얻는다.

5)압연: 공기 연료 비율을 0.7로 유지하면서 가열하고, 1000℃하에서 단계4)를 거쳐 얻은 연속 주조 슬래브에 대해 조압연하고, 다시 950℃하에서 정밀압연하며, 와이어 로드 레잉 온도는 830℃이다.

6)냉각: 스텔모어 제어냉각을 적용하여 오스테나이트 상변화 전에 9K/s의 냉각속도를 유지하며, 선재 운행속도는 0.8m/s이며, 송풍기의 풍속은 30m/s이며, 오스테니이트 상변화 후기에 1 K/s의 냉각속도를 적용하며, 선재 운행속도는 0.8m/s이며, 송풍기의 풍속은 10m/s이며, 온도를 510℃로 낮춘다.

[실시예2]

2)전로 제련: 금속 원료를 전로에 첨가하고, 제련 시작 시 낮은 전압과 전류를 이용하여 아크를 발생시키며, 약 1min동안 전류가 안정된 후 점차적으로 전압과 전류를 상승시켜 천정을 진행하며, 제련 과정에 슬래그 유동 제련을 적용하여 슬래그 교체를 강화하고, 포밍 슬래그를 제조하여 질소가 증가되는 것을 방지하며, 최종 C 함량을 0.7%, P함량을 110ppm 미만으로 제어하여 출강하되, 출강 온도를 1610℃로, 아르곤가스 교반 압력을 0.1MPa로 제어하고, 1/3까지 출강 될 때 고탄소 강 전용 합성슬래그와 Cr, Si, Mn을 함유한 합금재료의 총량의 70%을 첨가하며, 출강 시 슬래그가 방출되는 것을 방지하며, 슬래그가 방출될 경우 슬래그 제거작업을 진행해야 한다.

그 중, 상기 금속원료는 30톤의 철스크랩, 70톤의 용철을 포함한다.

3)정련: 나머지 Cr, Si를 함유한 합금재료, Al를 함유한 합금재료, Mo을 함유한 함금재료, Nb를 함유한 합금재료, Ti를 함유한 합금재료 및 V를 함유한 합금재료를 순차적으로 첨가하여 LF정련을 진행하며, 정련 슬로그의 2원 염기도를 3.0으로 제어하며, (FeO)+(MnO)≤1.0%이고, 액체강 중의 각 성분 함량이 표1의 선정 수치가 될 때까지 정련하며, 정련 종료 15min 전에 SiCa선 및 B선을 송급하며, 와이어 송급 후 아르곤가스를 15min동안 유연교반하고 표면 보온제를 첨가한다.

상기 보온제는 탄화 왕겨이다.

4)연속 주조: 과열도를 27℃로 제어하고, 2.60m/min의 인장 정속을 유지하며, 1차냉각은 수냉을 적용하고, specific water flow을 4.5L/kg으로 제어하며, 2차냉각구역은 분무 냉각을 적용하고, specific water flow을 1.8L/kg으로 제어하며, 연속 주물은 횡단면이 140mm×140mm×16m인 사각 슬래브이며, 연속 주조 슬래브를 얻는다.

5)압연: 공기 연료 비율을 0.7로 유지하면서 가열하고, 1100℃하에서 단계4)를 거쳐 얻은 연속 주조 슬래브에 대해 조압연하고, 다시 900℃하에서 정밀압연하며, 와이어 로드 레잉 온도는 860℃ 이다.

6)냉각: 스텔모어 제어냉각을 적용하여 오스테나이트 상변화 전에 11K/s의 냉각속도를 유지하며, 선재 운행속도는 0.8m/s이며, 송풍기의 풍속은 30m/s이며, 오스테니이트 상변화 후기에 2 K/s의 냉각속도를 적용하며, 선재 운행속도는 0.7m/s이며, 송풍기의 풍속은 10m/s이며, 온도를 550℃로 낮춘다.

[실시예3]

2)전로 제련: 금속 원료를 전로에 첨가하고, 제련 시작 시 낮은 전압과 전류를 이용하여 아크를 발생시키며, 약 1min동안 전류가 안정된 후 점차적으로 전압과 전류를 상승시켜 천정을 진행하며, 제련 과정에 슬래그 유동 제련을 적용하여 슬래그 교체를 강화하고, 포밍 슬래그를 제조하여 질소가 증가되는 것을 방지하며, 최종 C 함량을 0.5%, P함량을 110ppm 미만으로 제어하여 출강하되, 출강 온도를 1600℃로, 아르곤가스 교반 압력을 0.6MPa로 제어하며, 1/3까지 출강 될 때 고탄소 강 전용 합성슬래그와 Cr, Si, Mn을 함유한 합금재료의 총량의 70%을 첨가하며, 출강 시 슬래그가 방출되는 것을 방지하며, 슬래그가 방출될 경우 슬래그 제거작업을 진행해야 한다.

그 중, 상기 금속원료는 15톤의 철스크랩, 85톤의 용철을 포함한다.

3)정련: 나머지 Cr, Si를 함유한 합금재료, Al를 함유한 합금재료, Mo을 함유한 함금재료, Nb를 함유한 합금재료, Ti를 함유한 합금재료 및 V를 함유한 합금재료를 순차적으로 첨가하여 LF정련을 진행하며, 정련 슬로그의 2원 염기도를 2.9로 제어하며, (FeO)+(MnO)≤1.0%이고, 액체강 중의 각 성분 함량이 표1의 선정 수치가 될 때까지 정련하며, 정련 종료 15min 전에 SiCa선 및 B선을 송급하며, 와이어 송급 후 18min동안 아르곤가스 유연 교반을 진행하고 표면 보온제를 첨가한다.

상기 보온제는 탄화 왕겨이다.

4)연속 주조: 과열도를 27℃로 제어하고, 2.60m/min의 인장 정속을 유지하며, 1차냉각은 수냉을 적용하고, specific water flow을 4.1L/kg으로 제어하며, 2차냉각구역은 분무 냉각을 적용하고, specific water flow을 2.0L/kg으로 제어하며, 연속 주물은 횡단면이 140mm×140mm×16m인 사각 슬래브이며, 연속 주조 슬래브를 얻는다.

5)압연: 공기 연료 비율를 0.7로 유지하면서 가열하고, 1050℃하에서 단계4)를 거쳐 얻은 연속 주조 슬래브에 대해 조압연하며, 다시 930℃하에서 정밀압연하며, 와이어 로드 레잉 온도는 840℃ 이다.

6)냉각: 스텔모어 제어냉각을 적용하여 오스테나이트 상변화 전에 8K/s의 냉각속도를 유지하며, 선재 운행속도는 1.3m/s이며, 송풍기의 풍속은 40m/s이며, 오스테니이트 상변화 후기에 2 K/s의 냉각속도를 적용하며, 선재 운행속도는 0.6m/s이며, 송풍기의 풍속은 5m/s이며, 온도를 550℃로 낮춘다.

[실시예4]

2)전로 제련: 금속 원료를 용융시켜 C 함량을 0.2%, P함량이 110ppm 미만이 될 때까지 제련한 후 1600℃하에서 출강한다.

3)정련: Cr, Si, Mn, Al, Ti, V, B를 함유한 합금재료를 첨가하여 40min동안 정련하되, 정련 슬래그의 염기도를 2.8 내지 3.0으로 제어한다.

4)연속 주조: 과열도를 30℃로 제어하고, 2.50m/min의 인장 정속을 유지하여 연속 주조 슬래브를 얻는다.

5)압연: 공기 연료 비율을 0.5로 유지하면서 가열하고, 900℃하에서 단계3)을 거쳐 얻은 연속 주조 슬래브에 대해 압연하며, 와이어 로드 레잉 온도는 860℃ 이다.

6)냉각: 스텔모어 제어냉각을 적용하여 오스테나이트 상변화 전에 11K/s의 냉각속도를 유지하며, 오스테니이트 상변화 후기에 2 K/s의 냉각속도를 적용하며, 최종 냉각온도는 540℃이다.

[실시예5-11]

실시예5-11의 고탄소 강선재에 있어서, 그 성분은 표1에 도시한 바와 같으며, 그 제조 방법은 실시예1과 같다.

[실시예12]

본 실시예의 프리스트레스 강연선의 제조 방법은 아래와 같다.

1)실시예1의 상기 고탄소 강선재를 취하여 산세정 및 인산염화를 진행한다.

2)순차적으로 8개의 주형을 통해 상기 고탄소 강선재를 냉간 인발하여 와이어를 얻되, 상기 인발 순서는 순차적으로 Ф13.0mm→Ф11.4mm→Ф10.0mm→Ф7.98mm→Ф7.27mm→Ф6.55mm→Ф5.48mm→Ф5.36mm→Ф5.02mm이다.

3)인발하여 얻은 상기 와이어를 꼬아서 안정화 처리하되, 한정화 처리 온도는 380±10℃이며, 이를 통해 프리스트레스 강연선을 얻는다.

[실시예13]

본 실시예의 PC 강선의 제조 방법은 아래와 같다.

1)실시예2의 상기 고탄소 강선재를 취하여 산세정 및 인산염화를 진행한다.

3)인발하여 얻은 상기 와이어를 꼬아서 안정화 처리하되, 한정화 처리 온도는 380±10℃이며, 이를 통해 PC 강선를 얻는다.

[실시예14]

본 실시예의 교량 케이블 아연 도금 와이어의 제조 방법은 아래와 같다.

2)순차적으로 9개의 주형을 통해 상기 고탄소 강선재를 냉간 인발하여 와이어를 얻되, 상기 인발 순서는 순차적으로 Ф13.0mm→Ф11.5mm→Ф10.2mm→Ф9.28mm→Ф8.73mm→Ф8.45mm→Ф8.15mm→Ф7.9mm→Ф7.4mm→Ф6.9mm이다.

3)인발하여 얻은 상기 와이어에 대해 순차적으로 알칼리세정, 산세정, 세정, 건조, 도금을 진행한 후 450℃에서 열 아연 도금 처리한다. 열 아연 도금한 와이어를 380℃에서 안정화 처리하며, 이를 통해 교량 케이블 아연 도금 와이어를 얻는다.

[실시예15]

본 실시예의 프리스트레스 강연선은 실시예11에서 제조한 고탄소 강선재를 적용하여 제조하며, 그 제조 방법은 실시예12의 방법과 같다.

[비교예1-4]

비교예1-4의 고탄소 강선재에 있어서, 그 성분은 표1에 도시한 바와 같으며, 그 제조 방법은 실시예 1과 같다.

[비교예5-8]

비교예5-8의 프리스트레스 강연선은 각각 비교예1-5에서 제조한 고탄소 강선재를 적용하여 제조하며, 그 제조 방법은 실시예12의 방법과 같다.

효과 실험예

본 발명의 기술적 효과를 설명하기 위하여 실시예1-15 및 비교예1-8에서 제조한 제품에 대해 아래 실험을 진행하였다.

1. 실시예1-11 및 비교예1-4에서 제조한 고탄소 강선재에 대해 아래 실험을 진행하였다.

(1)실험 방법

1.1 역학적 성능 측정: 국가표준 GB/T228.1-2010에 따라 진행하며, 상기 고탄소 강선재의 인장강도, 수축율 및 연신율을 측정하였다.

1.2 소르바이트화 비율 측정: YB/T169-2000 중의 영상 기기 방법을 적용하여 측정하였다.

(2)실험 결과

실시예1-11 및 비교예1-4의 고탄소 강선재의 각 지표의 측정 결과

	인장강도 (MPa)	수축율 (%)	연신율 (%)	소르바이트화 비율 (%)
실시예1	1565	32%	10%	96%
실시예2	1550	35%	9%	95%
실시예3	1570	33%	9%	96%
실시예4	1545	33%	9%	96%
실시예5	1570	32%	9%	97%
실시예6	1585	25%	9%	96%
실시예7	1595	28%	9%	96%
실시예8	1575	33%	9%	94%
실시예9	1570	30%	8%	95%
실시예10	1555	33%	9%	97%
실시예11	1575	36%	10%	97%
비교예1	1230	35%	10%	90%
비교예2	1420	35%	9%	95%
비교예3	1500	28%	7%	95%
비교예4	1540	23%	7%	95%

비교예1과 2에 있어서, 각각 V와 Si를 첨가하지 않았고, 비교예3과 4에서의 Si의 첨가량은 각각 1.25 미만 및 1.50를 초과한다. 실시예1-11은 비교예1-4의 고탄소 강선재에 비하여 우수한 역학적 성능을 가지며, 인장강도가 평균 1580MPa로서 높은 역학적 강도를 가지며, 수축율이 평균 33%이고 연신율이 평균 9%로서 양호한 가소성을 가지는 바, 특히 실시예11에서 인장강도가 1575MPa에 달할 수 있으며, 수축율이 36%이고 연신율이 10%로서 가장 이상적인 역학적 성능을 가진다. 여기에 비해 비교예1-4의 비교예1, 2의 인장강도는 비교적 낮으며, 비교예3의 인장강도도 단지 1500MPa에 달하며, 비교예4의 고탄소 강선재는 탈탄이 심하고 수축율이 사용요구를 만족시킬 수 없다. 위로부터 알 수 있다시피, Si의 함량이 높을수록 V의 석출이 촉진되어 역학적 성능을 향상하는 것이 아니다. Si가 1.25 내지 1.50%의 범위 내에 있을 경우 V의 석출 촉진 작용이 가장 이상적이다.

2. 실시예12-15 및 비교예5-8에서 제조한 프리스트레스 강연선, PC 강선 및 교량 케이블 아연 도금 와이어에 대해 실험을 진행하였다.

(1)실험 방법

국가표준 GB/T228.1-2010 중의 방법에 따라 와이어, 강연선의 인장강도, 수축율 및 최대하중하에서의 총연신율(역주: 最大力?伸?率, maximum stress total elongation percentage)을 측정하였다.

(2)실험 결과

실시예12-15 및 비교예5-8의 각 지표의 측정 실험 결과

	인장강도 (MPa)	최대하중하에서의 총드로잉율(%)
실시예12	2382	4.2
실시예13	2405	4.5
실시예14	2015	5.4
실시예15	2420	4.8
비교예5	2011	4.5
비교예6	2200	4.2
비교예7	2270	3.5
비교예8	2320	3.1

실시예12, 13, 15는 비교예5-8의 프리스트레스 강연선에 비하여 강도가 2300MPa 레벨의 프리스트레스 강연선의 요구에 도달하며, 최대하중 하에서의 총연신율이 3.5%를 초과하는 지표를 만족한다. 비교예5-7의 강도는 2300MPa에 도달하지 못하며, 비교예8의 최대하중 하에서의 총연신율은 요구에 도달하지 못한다. 그 외, 실시예14의 교량 케이블 아연 도금 와이어의 강도는 2015MPa에 달하고 최대하중 하에서의 총연신율은 5.4%에 달하여 7mm 교량 케이블 아연 도금 와이어의 역학적 성능 요구에 도달한다.

위로부터 알 수 있다시피, 상기 실시예는 본 발명을 명확하게 설명하기 위한 예시이며 실시형태를 한정하는 것이 아니다. 해당 분야의 당업자는 상기 설명에 기초하여 기타 다른 형태의 변화 또는 변경을 실시할 수 있다.

여기서는 모든 실시형태에 대해 전부 예시할 필요가 없거니와 예시할 수도 없다. 이에 근거한 자명한 변화 또는 변경은 여전히 본 발명의 보호 범위에 속한다.

Claims

성분은 중량 백분율로 0.88 내지 0.94%의 C, 1.25 내지 1.50%의 Si, 0.45 내지 0.55%의 Mn, 0.25 내지 0.45%의 Cr, 0.16 내지 0.20%의 V, 0.02 내지 0.08%의 Ti, 잔부는 Fe인 것을 특징으로 하는 고탄소 강선재.
제1항에 있어서,
0.01 내지 0.15%의 Mo, 0.001 내지 0.10%의 Al, 0.0005 내지 0.0015%의 B, 0.01 내지 0.03%의 Nb 중의 한가지 이상을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 고탄소 강선재.
제1항 또는 제2항에 있어서,
성분은 중량 백분율로 0.92%의 C, 1.35%의 Si, 0.50%의 Mn, 0.26%의 Cr, 0.18%의 V, 0.07%의 Ti, 잔부는 Fe인 것을 특징으로 하는 고탄소 강선재.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 고탄소 강선재의 제조방법에 있어서,
금속원료를 용융하여 C 함량이 0.2 내지 0.7%, P 함량이 110ppm 미만이 되도록 제련한 후, 1590 내지 1610℃하에서 출강하되, 상기 금속원료 중 용융 후의 용철이 상기 금속원료의 총 중량에서 차지하는 백분비는 70 내지 85%인 제련 단계1);
Cr, Si, Mn, Al, Ti, V, B, Mo, Nb 중의 한가지 이상을 함유하는 합금재료를 첨가하여 40min 이상 정련하는 정련 단계2);
과열도를 30℃ 이하로 제어하고, 2.50 내지 2.60m/min의 인장 정속을 유지하여 연속 주조 슬래브를 얻는 연속 주조 단계3);
공기 연료 비율을 0.7 이하로 유지하면서 가열하고, 900℃ 내지 1100℃ 온도에서 단계3)을 거쳐 얻은 연속 주조 슬래브에 대해 압연하며, 와이어 로드 레잉 온도가 830 내지 860℃ 인 압연 단계4); 및
스텔모어 제어냉각을 적용하여 오스테나이트 상변화 전에 8 내지 11K/s의 냉각속도를 유지하고, 오스테니이트 상변화 후기에 1 내지 2K/s의 냉각속도를 적용하며, 최종 냉각온도가 500℃를 초과하도록 하는 냉각 단계5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고탄소 강선재의 제조 방법.
제4항에 있어서,
단계1)에 있어서, 상기 금속원료는 철 스크랩과 용철의 혼합물인 것을 특징으로 하는 고탄소 강선재의 제조 방법.
제4항 또는 제5항에 있어서,
단계1) 제련 전에 먼저 용융된 용철에 대해 예비 탈황처리를 진행하여 용철 중의 유황 함량이 0.005% 미만이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 고탄소 강선재의 제조 방법.
제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
단계2)에 있어서, 구체적으로, Cr, Si, Mn, Al, Mo, Nb, Ti, V를 함유하는 합금재료를 순차적으로 첨가하여 정련하고, 정련 슬래그 염기도는 2.8 내지 3.0을 유지하며, 정련 종료 15min 전에 B를 함유한 합금재료를 첨가하며, 불활성가스를 15min 이상 유연 교반하는 것을 특징으로 하는 고탄소 강선재의 제조 방법.
제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
단계3)에 있어서, 연속 주조는 1차 냉각 및 2차 냉각으로 나뉘며는데, 상기 1차 냉각은 수냉으로, specific water flow을 4.1 내지 4.5L/kg로 제어하고, 상기 2차 냉각은 분무 냉각으로서, specific water flow을 1.8 내지2.0L/kg로 제어하는 것을 특징으로 하는 고탄소 강선재의 제조 방법.
제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
단계4)에 있어서, 상기 압연은 조압연과 정밀압연을 포함하고, 1000℃ 내지 1100℃하에서 단계3)을 거쳐 얻은 연속 주조 슬래브에 대해 먼저 조압연을 진행하고, 900 내지 950℃ 온도에서 다시 정밀압연을 진행하는 것을 특징으로 하는 고탄소 강선재의 제조 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서 2300MPa 레벨의 PC 강선, 2300MPa 레벨의 프리스트레스 강연선 및 1960MPa 레벨의 교량 케이블 아연 도금 와이어인 것을 특징으로 하는 고탄소 강선재.