KR20170113626A - 고강도 전봉 강관 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20170113626A
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?스케 토요다
šœ스케 토요다
타카토시 오카베
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Abstract

뛰어난 굽힘 특성을 갖는 고강도 전봉 강관을 제공한다.
질량%로, C：0.04∼0.15%, Si：0.10∼0.50%, Mn：1.0∼2.2%, P：0.050% 이하, S：0.005% 이하, Cr：0.2∼1.0%, Ti：0.005∼0.030%, Al：0.010∼0.050%를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성과, 폴리고날페라이트를 체적분율로 70% 이상으로 하고, 체적율로 3∼20%의 잔류 오스테나이트와, 잔부가 마르텐사이트, 베이나이트 및 펄라이트 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상으로 이루어지며, 폴리고날페라이트가, 평균 입경：5㎛ 이상, 애스펙트 비가 1.40 이하인 조직을 갖는 전봉 강관.

Description

고강도 전봉 강관 및 그 제조 방법{HIGH STRENGTH ELECTRIC RESISTANCE WELDED STEEL PIPE AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR}
본 발명은, 석유·천연가스를 수송하는 라인 파이프용 전봉 강관(電縫 綱管)에 관한 것으로, 특히, 릴 바지 부설용으로서 매우 적합한, X60(항복 강도 YS：415㎫ 이상)급 이상의 고강도이고, 뛰어난 굽힘 특성을 가지는 고강도 전봉 강관 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
근년, 해저 파이프라인의 부설 방법으로서, 릴 바지법이 많이 이용되게 되어 있다. 릴 바지법은, 미리, 육상에서 파이프의 원주 용접, 검사, 코팅 등을 실시하고, 완성된 긴 파이프를 바지선의 릴에 권취하여, 목적으로 하는 해상에서, 릴로부터 파이프를 풀면서, 해저에 파이프라인을 부설하는 방법이다. 이 릴 바지법은 해저 파이프라인의 부설 작업을 매우 효율적으로 실시할 수 있다. 그러나, 릴 바지법에서는, 파이프 권취시 및 파이프 부설시에 파이프의 일부에 굽힘- 굽힘 복원에 의한 인장 및 압축의 응력이 작용한다. 이 때문에, 사용한 파이프에 국부적인 파단, 좌굴(座屈, buckling)이 생기고, 그것을 기점으로 해서 파이프의 파괴가 발생하는 경우가 있다. 그 때문에, 릴 바지법으로 부설하는 파이프라인용 강관으로서는, 굽힘 특성, 즉, 굽힘 변형시의 압축측에서의 내좌굴성과 인장측에서의 내파단성이 뛰어난 강관으로 할 필요가 있다. 내좌굴성은 관의 형상 균일성이 지배하는 바가 크고, 또, 내파단성은 균일 신장이 크고, 연성 파괴를 방지할 수 있는 것이 중요해진다.
이러한 국부적인 파단, 좌굴을 방지하는 관점으로부터, 종래에는, 릴 바지법에 의한 부설을 적용되는 파이프라인에서는, 주로, 무이음매 강관이 이용되어 왔다.
그러나, 근년, 경제적인 관점으로부터, 라인 파이프용으로서 전봉 강관이 적용되게 되어 있다. 전봉 강관은, 두께 편차나 진원도가 무이음매 강관에 비해 양호하고, 형상 인자의 영향을 강하게 받는 내좌굴성에 관해서는, 무이음매 강관보다 우위에 있다. 그러나, 전봉 강관은, 열연강판을 냉간으로 연속적인 롤 성형에 의해, 대략 원통형으로 성형되기 때문에, 관 축방향으로 상당 양의 소성 변형이 도입되어, 관 축방향의 균일 신장이 저하한다. 이 때문에, 통상, 전봉 강관의 균일 신장은, 무이음매 강관의 그것보다 낮고, 작은 변형에도 파단이 발생하기 쉬워져, 무이음매 강관에 비해 내파단성이 저하하게 된다.
이러한 것으로부터, 전봉 강관을, 릴 바지 부설되는 라인 파이프용으로서 적용하는 경우에는, 통상, 조관 후에, 균일 신장이 높아지도록 소둔처리가 실시되기 때문에, 능률 저하나 생산 비용의 상승이라고 하는 단점을 수반한다.
강재(강판)의 균일 신장을 향상시키는 하나의 방법으로서, Si함유량을 높여, 잔류 오스테나이트의 TRIP(Transformation Induced Plasticity) 현상을 이용하는 방법이 있다. 그러나, 이 현상을 이용하기 위해서는, 강판의 Si함유량을 높이는 것이 일반적으로 행해지고 있다. 그러나, 전봉 강관용 강판의 Si함유량을 높이면, 전봉 용접시에 형성된 고융점 산화물이 전봉 용접부에 잔존하기 때문에, 전봉 용접부의 품질을 저하시킨다고 하는 문제가 있다.
또, 특허 문헌 1에는, 내좌굴 특성이 우수한 고강도 강관의 제조 방법이 제안되어 있다. 특허 문헌 1에 기재된 기술에서는, 질량%로, C：0.02∼0.15%, Si：0.1∼2.0%, Mn：0.5∼2.0%, Al：0.01∼0.1%, N：0.01% 이하, P：0.02% 이하, S：0.005% 이하를 함유하고, 또한, Nb：0.1% 이하, V：0.1% 이하, Ti：0.1% 이하의 1종 또는 2종 이상, 또는 더욱이 Mo：1.0% 이하, Cu：2.0% 이하, Ni：2.0% 이하, Cr：1.0% 이하의 1종 또는 2종 이상을 함유하는, Si함유량을 비교적 낮게 억제한 조성의 슬래브를, 1050℃ 이상으로 가열 후, 재결정 온도 이상에서 조압연을 실시하고, 그 후, Ar3 변태점[℃］이상 900℃ 이하에서 누적 압하량이 65% 이상의 마무리 압연을 실시하고, Ar3 변태점[℃］이상의 온도로부터 5℃/s이상의 냉각 속도로 냉각하고, (Ts-50℃)∼(Ts＋100℃)의 범위에서 30∼300s 유지한 후, 20℃/s이상의 냉각 속도로 350∼450℃의 온도까지 냉각하고, 그 후 서냉해서, 잔류 오스테나이트를 잔존시킨 강판을, 냉간 성형으로 중공 형상으로 한 후, 심 용접(seam welding)을 하고, 평균 결정입경이 10㎛이하, 면적율이 70∼90%의 페라이트와 잔부가 잔류 오스테나이트, 베이나이트 및 마르텐사이트로 이루어지는 미크로 조직을 갖고, X선 해석에 의한 잔류 오스테나이트 양이 체적분율로 5∼15%이며, 두께가 10mm이상, 외경이 100mm이상인 UOE 강관으로 한다. 또한, Ts는, 이하의 식(1)으로 나타낸다.
Ts［℃］=780-270×C-90×Mn-37×Ni-70×Cr-83×Mo ··· (1)
특허 문헌 1 : 일본 특허 제3749704호 공보
그러나, 특허 문헌 1에 기재된 기술에서는, 냉각 도중에, 등온 유지를 필요로 하고 있으며, 연속적으로 배치된 냉각 존을 한 방향으로 반송되면서 냉각하는 열연 라인에서는, 설비 길이를 매우 길게 할 필요가 있다. 또, 특허 문헌 1에 기재된 기술에서는, 냉각 정지 온도는 350∼450℃이며, 변형 저항이 크게 되고, 강판을 코일 모양으로 권취하는 것이 곤란해진다고 하는 문제가 있다. 더욱이, 특허 문헌 1에는, 강관의 균일 신장 향상에 대해서, 언급하는 기재는 없다.
본 발명은, 이러한 종래 기술의 문제를 해결하고, 관 전체에 대한 열처리를 실시하는 일 없이, 관 축방향의 균일 신장이 향상하고, 우수한 굽힘 특성을 가지는 고강도 전봉 강관 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 여기서 말하는 「고강도」는, 관 축방향의 항복 강도 YS가 415㎫ 이상인 경우를 말하는 것으로 한다. 또, 여기서 말하는 「우수한 굽힘특성」이란, 특히 내파단성에 관계되고, 관 축방향의 균일 신장 Elu가 8% 이상인 경우를 말하는 것으로 한다.
본 발명자들은, 상기한 목적을 달성하기 위해, 전봉 강관용의 관 소재인 열연강판의 균일 신장에 영향을 주는 각종 요인에 대해서, 예의 검토했다. 그 결과, 관 전체에 대한 열처리를 실시하지 않고, 균일 신장을 향상시키기 위해서는, 우선, 페라이트 포머(ferrite former)인 Cr를 활용하는 것에 생각이 이르렀다. 그리고, 페라이트 포머인 Cr를 적극적으로 적정량 함유시킨 조성과, 열간 압연 후의 냉각을 적정한 범위로 조정하는 것을 조합시킴으로써, 고온에서 변태(變態)하고, 애스펙트 비가 작은 폴리고날페라이트를 주체로 하는 조직을 형성할 수 있으며, 미변태 오스테나이트로의 C배출이 촉진되어, 권취 공정을 거친 후도 소망한 잔류 오스테나이트 양을 확보할 수 있는 것을 알아냈다. 또, Cr에 더해 또한, Mn, Mo 등의 소입성(hardenability) 향상 원소의 함유량을 높이는 것이 유효한 것도 알아냈다. 이러한 열연강판을 관 소재로서 사용하면, 관 축방향으로 8% 이상으로 높은 균일 신장을 가지는 전봉 강관을 제조할 수 있으며, 릴 바지용으로서 매우 적합한 것을 알아냈다.
본 발명은, 이러한 지견에 근거해서, 더 검토를 가해 완성된 것이다. 즉, 본 발명의 요지는 다음과 같다.
(1) 질량%로, C：0.04∼0.15%, Si：0.10∼0.50%, Mn：1.0∼2.2%, P：0.050% 이하, S：0.005% 이하, Cr：0.2∼1.0%, Ti：0.005∼0.030%, Al：0.010∼0.050%를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성과, 폴리고날페라이트를 체적분율로 70% 이상으로 하고, 체적율로 3∼20%의 잔류 오스테나이트와, 잔부가 마르텐사이트, 베이나이트 및 펄라이트 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상으로 이루어지며, 상기 폴리고날페라이트가, 평균 입경：5㎛ 이상, 애스펙트 비가 1.40 이하인 조직을 갖는 고강도 전봉 강관.
(2) (1)에 있어서, 상기 조성에 더해, 질량%로, Mo：0.5% 이하, Cu：0.5% 이하, Ni：1.0% 이하, Co：1.0% 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 더 포함하는 고강도 전봉 강관.
(3) (1) 또는 (2)에 있어서, 상기 조성에 더해, 질량%로, Nb：0.10% 이하, V：0.10% 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종을 더 포함하는 고강도 전봉 강관.
(4) (1) 내지 (3)의 어느 하나에 있어서, 상기 조성에 더해, 질량%로, Ca：0.0005∼0.0050%를 더 함유하는 조성으로 하는 고강도 전봉 강관.
(5) (1)∼(4)의 어느 하나에 기재된 고강도 전봉 강관의 제조 방법으로, 강 소재에, 가열과, 열간 압연과, 열간 압연 후의 냉각을 행하여 열연강대(熱延鋼帶)로 하고, 그 열연강대를 코일 모양으로 감는 관 소재 제조 공정과, 상기 열연강대를, 대략 원형 단면의 오픈관으로 성형한 후, 그 오픈관의 폭방향 단면끼리를 맞대어 융점 이상으로 가열하고, 압접해서 전봉 강관으로 이루는 조관 공정과, 그 전봉 강관의 전봉 용접부를 인라인으로 열처리를 행하는 인라인 열처리 공정을 포함하는 전봉 강관의 제조 방법에 있어서,
상기 관 소재 제조 공정에 있어서의 상기 가열이, 가열 온도：1100∼1250℃로 하는 가열이며, 상기 관 소재 제조 공정에 있어서의 상기 열간 압연 후의 냉각을, 강대 판 두께 방향 중심 위치의 온도가, 열간 압연 최종 패스를 나온 시간 t0을 기점으로 하여 20s 후의 온도 T20에서 650℃ 초과이고, 또한 열간 압연 최종 패스를 나온 시간 t0를 기점으로 하여 80s 후의 온도 T80에서 650℃ 미만이 되도록 조정하고, 냉각 정지 온도：600∼450℃의 온도역의 온도까지 연속적으로 냉각하는 냉각으로 하고, 상기 인라인 열처리 공정에 있어서의 상기 열처리를, 상기 전봉 용접부의 두께 방향에 있어서의 최저 온도부가 800℃ 이상, 최고 가열 온도가 1150℃ 이하가 되도록 가열한 후, 수냉 또는 방냉해서, 상기 전봉 용접부의 두께 방향에 있어서의 최고 온도에서 500℃ 이하까지 냉각하는 처리로 하는 고강도 전봉 강관의 제조 방법.
(6) (5)에 있어서, 상기 조관 공정이, 상기 열연강대를, 풀고, 복수의 롤로 연속적으로 성형하고, 대략 원형 단면의 오픈관으로 한 후, 그 오픈관의 폭방향 단면끼리를 맞대어, 상기 오픈관의 폭방향 단면을 융점 이상으로 가열하고, 압접해서 전봉 강관으로 이루는 조관 공정인 고강도 전봉 강관의 제조 방법.
본 발명에 의하면, 릴 바지법, 더욱이, S-Lay법, J-Lay법 등의 부설 방법으로 부설되는 해저 파이프라인이나, 지진 지대 등의 지각변동 지대에 부설되는 파이프라인 등의 라인 파이프용으로서 매우 적합한, X60급 이상의 고강도로 굽힘특성이 우수한 고강도 전봉 강관을, 관 전체에 대한 열처리를 실시하는 일 없이, 무이음매 강관에 비해 염가로 제조할 수 있다고 하는, 산업상 각별한 효과를 갖는다. 또 본 발명은, 라인 파이프용 이외에도, 예를 들면, 토목 건축용 등의 고 변형능력이 요구되는 용도에도 유효하게 기여할 수 있다고 하는 효과를 갖는다.
본 발명의 전봉 강관은, 질량%로, C：0.04∼0.15%, Si：0.10∼0.50%, Mn：1.0∼2.2%, P：0.050% 이하, S：0.005% 이하, Cr：0.2∼1.0%, Ti：0.005∼0.030%, Al：0.010∼0.050%를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성과, 폴리고날페라이트를 체적분율로 70% 이상으로 하고, 체적분율로 3∼20%의 잔류 오스테나이트와, 잔부가 마르텐사이트, 베이나이트 및 펄라이트 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상으로 이루어지고, 폴리고날페라이트가, 평균 입경：5㎛ 이상, 애스펙트 비가 1.40 이하인 조직을 가지며, 관 축방향의 항복 강도 YS가 415㎫ 이상이며, 관 축방향의 균일 신장 Elu가 8% 이상이다.
우선, 본 발명의 전봉 강관의 조성 한정 이유에 대해 설명한다. 이하, 조성에 있어서의 질량%는, 간단히 %로 적는다.
C：0.04∼0.15%
C는, 오스테나이트상(相)의 안정화에 기여하는 원소이며, 본 발명에서는 소망한 잔류 오스테나이트 양을 확보하기 위해서 중요한 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.04% 이상의 C의 함유를 필요로 한다. 한편, 0.15%를 초과하는 C의 함유는, 용접성을 저하시킨다. 이 때문에, C는 0.04∼0.15%의 범위로 한정했다. 또한, 바람직하게는, C는 0.06% 이상이다. 바람직하게는, C는 0.12% 이하이다. 보다 바람직하게는, C는 0.08∼0.12%이다.
Si：0.10∼0.50%
Si는, 탈산제로서 작용하고, 또, 시멘타이트의 석출을 억제하고, 잔류 오스테나이트의 생성에 크게 기여하는 원소이다. 또, Si는, 열간 압연시의 스케일 오프 양을 작게 하는 작용을 가진다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.10% 이상의 Si의 함유를 필요로 한다. 한편, 0.50%를 초과하는 Si의 함유는, 전봉 용접성을 저하시킨다. 이러한 것으로부터, Si는 0.10∼0.50%의 범위로 한정했다. 또한, 바람직하게는, Si는 0.10∼0.30%이다.
Mn：1.0∼2.2%
Mn은, 오스테나이트상의 안정성을 높이고, 펄라이트나 베이나이트로의 분해를 억제하는 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 1.0% 이상의 Mn의 함유를 필요로 한다. 한편, 2.2%를 초과하여 과도하게 Mn을 함유하면, 고온 변태 페라이트의 생성이 억제되고, C의 미변태 오스테나이트로의 배출·농축을 방해한다. 이 때문에, Mn은 1.0∼2.2%의 범위로 한정했다. 또한, 바람직하게는, Mn은 1.2% 이상이다. 바람직하게는, Mn은 1.6% 이하이다.
P：0.050% 이하
P는, 입계(粒界)로 편석(偏析)해서 인성(靭性)을 저하시키는 악영향을 미치는 원소이며, 본 발명에서는, 불순물로서 가능한 한 저감하는 것이 바람직하지만, 0.050%까지는 허용할 수 있다. 이 때문에, P는 0.050% 이하로 한정했다. 또한, 바람직하게는 0.030% 이하이다. 또, 과도한 저감은, 정련 비용의 높은 상승을 초래하기 때문에, P는 0.002% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
S：0.005% 이하
S는, 강 중에서 황화물계 개재물(MnS)로서 존재한다. 특히, MnS는, 열간 압연 공정으로 얇게 연신되며, 연성, 인성에 악영향을 미친다. 이 때문에, 본 발명에서는, S는, 가능한 한 저감하는 것이 바람직하지만, 0.005%까지는 허용할 수 있다. 이 때문에, S는 0.005% 이하로 한정했다. 또한, 바람직하게는 S는 0.003% 이하이다. 또한, 과도한 저감은, 정련 비용의 높은 상승을 초래하기 때문에 S는 0.0002% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
Cr：0.2∼1.0%
Cr은, 미변태 오스테나이트 중에서의 시멘타이트의 석출을 억제하고, 잔류 오스테나이트의 생성에 기여한다. 본 발명에서는 중요한 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.2% 이상의 Cr의 함유를 필요로 한다. 한편, 1.0%를 초과하는 과도한 함유는, 전봉 용접성을 저하시킨다. 이 때문에, Cr은 0.2∼1.0%의 범위로 한정했다. 또한, Cr은, 바람직하게는, 0.2∼0.8%, 보다 바람직하게는 0.2∼0.5%이다.
Ti：0.005∼0.030%
Ti는, N을 TiN으로서 고정하고, N에 의한 강의 인성 저하를 억제하는 작용을 가지는 원소이다. 이러한 효과는 0.005% 이상의 Ti의 함유로 생성된다. 한편, 0.030%를 초과하여 Ti를 함유하면, Fe의 벽개면(劈開面)을 따라 석출하는 Ti탄질화물의 양이 증가하고, 강의 인성이 저하한다. 이 때문에, Ti는 0.005∼0.030%의 범위로 한정했다. 또한, 바람직하게는, Ti는 0.005∼0.025%이다.
Al：0.010∼0.050%
Al은, 강력한 탈산제로서 작용함과 동시에, 시멘타이트 석출을 억제하고 잔류 오스테나이트의 생성에 크게 기여하는 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.010% 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 0.050%를 초과하여 함유하면, 강 중에 Al계 산화물이 잔존하기 쉽고, 강의 청정도를 저하시킨다. 이 때문에, Al은 0.010∼0.050%의 범위로 한정했다. 또한, 바람직하게는 0.010∼0.045%이다.
상기한 성분 이외의 잔부는, Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다. 또한, 불가피적 불순물로서는, N：0.005% 이하, O(산소)：0.005% 이하를 허용할 수 있다.
또, 본 발명에서는, 상기한 기본 조성에 더해, 필요에 따라, Mo：0.5% 이하, Cu：0.5% 이하, Ni：1.0% 이하, Co：1.0% 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상, 및/또는, Nb：0.10% 이하, V：0.10% 이하 중에서 1종 또는 2종, 및/또는, Ca：0.0005∼0.0050%를 더 함유할 수 있다.
Mo：0.5% 이하, Cu：0.5% 이하, Ni：1.0% 이하, Co：1.0% 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상
Mo, Cu, Ni, Co는 모두, 오스테나이트상의 안정성을 높이고, 잔류 오스테나이트의 생성에 기여하는 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, Mo：0.05% 이상, Cu：0.05% 이상, Ni：0.05% 이상, Co：0.05% 이상을 함유하는 것이 바람직하다. 한편, Mo：0.5%, Cu：0.5%, Ni：1.0%, Co：1.0%를 각각 초과하여 함유하면, 상기한 효과가 포화함에 더해서, 용접성이 저하한다. 이 때문에, 함유하는 경우에는, Mo：0.5% 이하, Cu：0.5% 이하, Ni：1.0% 이하, Co：1.0% 이하의 범위에, 각각, 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 Mo：0.4% 이하, Cu：0.4% 이하, Ni：0.4% 이하, Co：0.4% 이하이다.
Nb：0.10% 이하, V：0.10% 이하 중에서 1종 또는 2종
Nb, V는 모두, 탄질화물 혹은 탄화물을 형성하고 석출 강화를 통해서 열연강대의 강도 증가에 기여하는 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, Nb：0.01% 이상, V：0.01% 이상 함유하는 것이 바람직하다. 한편, Nb：0.10%, V：0.10%를 각각 초과하여 함유하면, 조대한 석출물이 형성되고, 모재 인성의 저하, 혹은 용접성의 저하를 초래한다. 이 때문에, 함유하는 경우에는, Nb：0.10% 이하, V：0.10% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.
Ca：0.0005∼0.0050%
Ca는, 황화물계 개재물의 형태 제어에 유효하게 기여하는 원소이며, MnS 등의 황화물을 무해화하고 열연강대의 인성 향상에 기여한다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.0005% 이상 Ca를 함유할 필요가 있다. 한편, 0.0050%를 초과하여 Ca를 함유하면, Ca계 산화물 클러스터가 형성되고, 열연강대의 인성이 저하한다. 이 때문에, 함유하는 경우에는, Ca는 0.0005∼0.0050%의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는, Ca는 0.0010% 이상이다. 보다 바람직하게는, Ca는 0.0040% 이하이다.
다음으로, 본 발명의 전봉 강관의 조직 한정 이유에 대해 설명한다.
본 발명 전봉 강관은, 상기한 조성을 가지고, 폴리고날페라이트를 주체(체적분율로 70% 이상)로 하고, 체적율로 3∼20%의 잔류 오스테나이트와, 잔부가 마르텐사이트, 베이나이트 및 펄라이트 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상으로 이루어지며, 폴리고날페라이트가 평균 입경：5㎛ 이상, 애스펙트 비가 1.40 이하인 조직을 가진다.
폴리고날페라이트：체적분율로 70% 이상
여기서 말하는 「폴리고날페라이트」는, 확산을 수반하면서 변태하는 고온 변태 페라이트를 의미한다. 고온 변태 페라이트는, 변태의 진행과 함께, C를 미변태 오스테나이트로 배출하고, 미변태 오스테나이트를 안정화시켜, 소망량의 잔류 오스테나이트의 생성을 용이하게 한다. 이러한 것으로부터, 잔류 오스테나이트에 의한 TRIP 현상을 이용해서, 균일 신장이 우수한 고강도 열연강대로 하는 본 발명에서는, 폴리고날페라이트를 주체로 한다. 또한, 본 발명에서 말하는 「주체」란, 체적분율로 70% 이상을 차지하는 조직을 말하는 것으로 한다.
주체가 되는 조직이 베이니틱페라이트나 베이나이트에서는, 변태에 수반하는 C의 배출이 적고, 혹은 거의 없기 때문에, 미변태 오스테나이트로의 C농축이 불충분하게 되어, 미변태 오스테나이트가 안정되지 않고, 냉각 후에 펄라이트나 베이나이트로 변태하고, 체적분율로 3∼20%의 잔류 오스테나이트상을 확보할 수 없게 된다. 그 때문에, 주체가 되는 조직은 폴리고날페라이트로 한다.
또한, 조직 판별의 애매함을 회피하기 위해, 본 발명에 있어서는, 「폴리고날페라이트」는, (압연 방향의 결정립 직경)/(판 두께 방향의 결정립 직경)으로 구해지는 애스펙트 비：1.40 이하이고, 또 평균 입경이 5㎛ 이상인 조직으로 정의한다.
잔류 오스테나이트：체적분율로 3∼20%
잔류 오스테나이트는, 가공 유기 변태(TRIP 현상)를 통해서, 전봉 강관의 균일 신장의 향상에 기여한다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 체적분율로 3% 이상의 잔류 오스테나이트상을 필요로 한다. 한편, 20%를 초과하는 과잉의 함유는, 잔류 오스테나이트에 포함되는 탄소 농도가 감소하고, 잔류 오스테나이트가 변형에 대해서 불안정하게 되어 균일 신장이 저하한다. 이 때문에, 잔류 오스테나이트는 체적율로 3∼20%의 범위로 한정했다. 또한, 바람직하게는 3∼15%이다. 보다 바람직하게는, 5∼15%이다.
잔부：마르텐사이트, 베이나이트 및 펄라이트 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상
상기한 주체가 되는 조직인 폴리고날페라이트 및 잔류 오스테나이트 이외의 잔부는, 바람직하게는 체적율로 10% 이하(0%를 포함한다)의, 마르텐사이트, 베이나이트 및 펄라이트 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상으로 한다. 잔부인, 마르텐사이트, 베이나이트 및 펄라이트 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상이, 합계로 체적율로 10%를 초과하면, 강도가 너무 증가하고, 균일 신장이 저하한다. 또한, 폴리고날페라이트 이외의 페라이트는, 베이나이트로서 분류한다.
상기한 조성, 조직을 가지는 것에 의해, (관두께/관외경)×100의 값이 2.5∼7.0%가 되는 사이즈에 있어서, 관 축방향의 항복비(YR)가 93% 이하가 되는 전봉 강관으로 할 수 있다.
상기와 같은, 폴리고날페라이트를 체적분율로 70% 이상으로 하고, 체적분율로 3∼20%의 잔류 오스테나이트와, 잔부가 마르텐사이트, 베이나이트 및 펄라이트 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상으로 이루어지는 조직의 측정에 대해서는, 우선, 전봉 강관으로부터, 관찰면이 압연 방향 단면(L단면)이 되도록, 조직 관찰용 시험편을 채취한다. 그리고, 채취한 조직 관찰용 시험편을, 연마하고, 부식(부식액：나이탈)해서, 광학 현미경(배율：400배)과 주사형 전자현미경 SEM(배율：2000배)을 이용해서, 판 두께 1/2t 위치에 있어서의 조직을 관찰하고, 각 2 시야 이상에 대해서 촬상한다. 얻어진 조직 사진에 대해서, 화상 해석 장치를 이용하여, 조직의 종류, 각 상의 면적율, 및 폴리고날페라이트의 결정립의 애스펙트 비를 구하고, JIS G 0551에 준거해서 절단법으로, 폴리고날페라이트의 평균 결정 입경을 구할 수 있다. 또한, 상기 조직 측정에서 값의 산출에는, 산술 평균을 이용한다. 또, 잔류 오스테나이트에 대해서는, SEM/EBSD(Electron Back Scatter Diffraction) 법에 의해, 면적율을 구한다. 또, 미크로 조직은 3차원적으로 균질인 것으로 해서, 구한 면적율을 체적분율로 한다.
다음으로, 본 발명의 전봉 강관의 제조 방법에 대해 설명한다.
우선, 상기한 조성의 강 소재에, 가열과, 열간 압연과, 열간 압연 후의 냉각을 행하여 열연강대로 하고, 그 열연강대를 코일 모양으로 권취하는 관 소재 제조 공정을 행한다.
관 소재 제조 공정에서는, 상기한 조성의 강 소재에, 가열 온도：1100∼1250℃로 가열한 후, 열간 압연을 행해서 열연강대로 만들어, 관 소재로 한다.
강 소재의 가열 온도：1100∼1250℃
강 소재의 가열 온도가 1100℃ 미만에서는, 주조 공정에서 생성한 조대 탄질화물이나 편석대를 소실킬 수 없고, 열연강판의 연성이나 인성의 저하, 나아가 강도의 저하를 초래한다. 한편, 1250℃를 초과하여 가열하면, 결정립이 조대한 경향이 강해지고, 열연강판의 연성이나 인성의 저하를 초래할 우려가 있는 데다, 에너지원 단위를 상승시켜 경제적으로 불리하게 된다. 또한, 상기한 가열 온도는, 가열로의 노내 설정 온도로 한다.
가열된 강 소재는, 열간 압연을 행하여, 소정 치수 형상의 열연강대가 된다. 열간 압연의 조건은, 소정의 치수 형상을 확보할 수 있으면 되고, 특별히 한정할 필요는 없지만, 그 후의 냉각을 고려하면, 열간 압연의 최종 패스를 나온 때의 온도, 즉 마무리 압연 종료 온도를 750℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
열간 압연 후의 냉각으로서, 열연강대에, 강대 판 두께 방향 중심 위치의 온도가, 열간 압연 최종 패스를 나온 시간 t0을 기점으로 하여 20s 후의 온도 T20에서 650℃를 초과하고, 또 열간 압연 최종 패스를 나온 시간 t0을 기점으로 하여 80s 후의 온도 T80에서 650℃ 미만이 되도록 조정하고, 냉각 정지 온도：600℃∼450℃의 온도역의 온도까지 연속적으로 냉각하는, 냉각 처리를 행한다. 본 발명에서 말하는 「냉각」은, 마무리 압연기 배출측에 설치된 런 아웃 테이블에 연속적으로 배치된 수냉 존으로부터 열연강대 상하면에 냉각수를 분사해서 실시하는 냉각으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 수냉 존의 배열 간격이나 수량 밀도 등은, 특별히 한정되지 않는다. 또, 열연강대 판 두께 방향 중심 위치의 온도는, 표면 온도계로 측정한 온도를 기초로 전열해석으로 구한 값을 사용하는 것으로 한다.
열간 압연 후의 냉각：강대 판 두께 방향 중심 위치의 온도가, 열간 압연 최종 패스를 나온 시간 t0을 기점으로 하여 20s 후의 온도 T20에서 650℃ 초과하고, 또한 열간 압연 최종 패스를 나온 시간 t0을 기점으로 하여 80s 후의 온도 T80에서 650℃ 미만이 되도록 조정
본 발명의 열연강대의 조성 범위 내이면, 강대 판 두께 방향 중심 위치의 온도가, 열간 압연의 최종 패스를 나온 시간 t0에서 20s 후의 온도 T20에서, 650℃ 초과가 되도록, 또한 시간 t0에서 80s 후의 온도 T80에서, 650℃ 미만이 되도록 조정하여, 냉각함으로써, 폴리고날페라이트 변태가 생겨, 강대 조직을 폴리고날페라이트를 주체로 하는 조직으로 할 수 있다.
보다 구체적으로는, 열간 압연의 최종 패스를 나온 시간(마무리 압연 종료시) t0를 기점으로 한 시간에서 20s이상 80s미만의 사이에서, 강대 판 두께 방향 중심 위치의 온도가 750∼650℃가 되는 것이 있으면, 폴리고날페라이트 변태가 생겨, 강대 조직을 폴리고날페라이트를 주체로 하는 조직으로 할 수 있다.
강대 판 두께 방향 중심 위치의 온도에 있어서, 온도 T20이 650℃ 이하가 되도록 냉각하면, 베이니틱페라이트 혹은 베이나이트가 주로 생성하고, 폴리고날페라이트를 주체로 하는 조직을 확보할 수 없게 된다. 또, 강대 판 두께 방향 중심 위치의 온도가, 온도 T80에서, 650℃ 이상이면, 페라이트 변태와 동시에 탄질화물이나 시멘타이트의 석출이 일어나기 쉬워지고, 그 결과, 미변태 오스테나이트로의 C농축이 생기기 어려워진다.
이러한 것으로부터, 본 발명에서는, 열간 압연 후의 냉각을, 강대 판 두께 방향 중심 위치의 온도가, 열간 압연 최종 패스를 나온 시간 t0를 기점으로 하여 20s 후의 온도 T20에서 650℃ 초과하고, 또한 열간 압연 최종 패스를 나온 시간 t0를 기점으로 하여 80s 후의 온도 T80에서 650℃ 미만이 되도록 조정하는 것으로 했다.
냉각 정지 온도：600℃∼450℃
냉각 정지 온도가, 600℃보다 높으면, 권취 후에 미변태 오스테나이트가 펄라이트나 베이나이트로 변태하고, 소망량의 잔류 오스테나이트를 확보할 수 없게 된다. 한편, 450℃보다 낮으면, 미변태 오스테나이트의 일부가 마르텐사이트로 변태하고, 소망량의 잔류 오스테나이트를 확보할 수 없게 된다. 이 때문에, 열간 압연 후의 냉각의 냉각 정지 온도는 600℃∼450℃ 범위의 온도로 한정했다.
이러한 것으로부터, 본 발명에서는, 열간 압연 후의 냉각을, 강대 판 두께 방향 중심 위치의 온도가, 열간 압연 최종 패스를 나온 시간 t0를 기점으로 하여 20s 후의 온도 T20에서 650℃ 초과이고, 또한, 열간 압연 최종 패스를 나온 시간 t0를 기점으로 하여 80s 후의 온도 T80에서 650℃ 미만이 되도록 조정하고, 냉각 정지 온도：600∼450℃의 온도역의 온도까지 연속적으로 냉각하는, 냉각 처리로 한정했다.
이어서, 얻어진 코일 모양으로 권취된 열연강대를 관 소재로 하여, 조관 공정을 행한다. 조관 공정에서는, 관 소재인 코일 모양으로 권취된 열연강대를, 풀고, 냉간에서, 복수의 롤로 연속적으로 성형하고, 대략 원형 단면의 오픈관으로 한 후, 그 오픈관의 폭방향 단면끼리를 맞대어, 그 오픈관의 폭방향 단면을, 고주파 유도 가열 또는 고주파 저항 가열로 융점 이상으로 가열하고, 스퀴즈 롤로 압접해서 전봉 강관을 얻는다. 본 발명에 있어서의 조관 공정은, 소망한 치수 형상을 가지는 전봉 강관이 제조 가능한 공정이면 되고, 특별히 한정할 필요는 없다. 통상의 전봉 강관 제조 설비를 이용하는 상용의 조관 공정을 모두 적용할 수 있다.
조관 공정에서 제조된 전봉 강관은, 이어서, 전봉 용접부에 인라인으로 열처리를 행하는 인라인 열처리 공정이 행해진다.
본 발명의 범위 내의 조성의 열연강대를 전봉 용접한 경우, 전봉 용접부는, 용접시의 급속 가열·급속 냉각에 의해, 마르텐사이트 및/또는 상부 베이나이트를 주체로 하는 조직이 된다. 이들 조직은, 인성이 낮은 조직이며, 본 발명에서는, 인라인 열처리 공정을 행하여, 인성이 풍부한 조직으로 개질한다. 여기서 말하는 「인성이 풍부한」이란, 원주 방향에서의, 시험 온도：0℃에 있어서의 샤르피(Charpy) 충격 시험 흡수 에너지 vE0(J)이 150J이상인 경우를 말하는 것으로 한다.
인라인으로 열처리를 행하기 위해서는, 전봉 강관 제조 설비에 있어서의 스퀴즈 롤의 하류측의 인라인에, 전봉 용접부를 가열 냉각할 수 있는, 1기 또는 복수기의 유도 가열 장치 및 수냉 등의 냉각 장치를, 순차로, 배설한, 상용의 장치열을 이용하는 것이 바람직하다.
인라인 열처리는, 전봉 용접부의 두께 방향에 있어서의 최저 온도부가 800℃ 이상, 최고 가열 온도가 1150℃ 이하가 되도록, 가열한 후, 수냉 또는 방냉해서, 상기 전봉 용접부의 두께 방향에 있어서의 최고 온도에서 500℃ 이하까지 냉각하는 처리로 한다. 또한, 인라인이란, 직선적으로 늘어서 있는 것을 가리키고, 인라인 열처리는, 예를 들어, 용접부에 대해서 직선적으로 늘어선 가열 장치를 이용한 열처리인 것을 가리킨다. 또, 가열 장치는 유도 가열 이외에도, 직접 통전 등을 적용할 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다.
인라인 열처리의 가열 온도：800∼1150℃
가열 온도가, 최저 온도부에서 800℃ 미만에서는, 전봉 용접부의 조직을, 판 두께 방향 전역에 걸쳐, 인성이 풍부한 베이니틱페라이트 및/또는 베이나이트로 할 수 없다. 한편, 가열 온도가, 최고 가열부에서 1150℃를 초과하여 고온이 되면, 오스테나이트 립(粒)이 현저하게 조대화하여, 소입성이 증대하고, 냉각 후, 마르텐사이트를 형성한다. 이 때문에, 전봉 용접부의 인라인 열처리에 있어서의 가열 온도는 최저 온도부로부터 최고 온도부에서 800∼1150℃의 범위의 온도로 한정했다. 또한, 바람직하게는 850∼1100℃이다. 또한, 가열 후의 냉각은, 요구되는 강도나 인성에 대응해서, 방냉 혹은 수냉으로 할 수 있지만, 강도와 인성을 양립시키기 위해서는, 수냉으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 수냉 후, 필요에 따라서, 가열 온도(소려온도(燒戾溫度))：400℃∼700℃의 범위에서 인라인 소려 처리를 실시해도 된다. 인라인 소려 처리는, 인라인 열처리 장치의 하류 측에 유도 가열 장치 등을 마련한 장치열을 이용해서 실시하는 것이 바람직하다. 인라인 열처리의 시간은, 800℃ 이상에서 5초 이상으로 하는 것이 바람직하다.
이하, 실시예에 기초해서, 본 발명에 대해 더 설명한다.
실시예
표 1에 나타내는 조성의 용강을 전로에서 용제하고, 연속 주조법으로 슬래브(강 소재：두께 220mm)로 했다. 그들 슬래브(강 소재)에, 표 2에 나타내는 조건의 관 소재 제조 공정에서 표 2에 나타내는 판 두께의 열연강대로 하고, 코일 모양으로 권취하여, 관 소재로 했다. 이어서, 관 소재인 코일 모양으로 권취된 열연강대를, 풀고, 냉간에서, 복수의 롤로 연속적으로 성형하고, 대략 원형 단면의 오픈관으로 한 후, 그 오픈관의 상대하는 폭방향 단면끼리를 맞대어, 그 오픈관의 폭방향 단면을, 고주파 유도 가열 장치를 이용해서, 융점 이상으로 가열하고, 스퀴즈 롤로 압접해서 표 2에 나타내는 크기(두께/외경)의 전봉 강관으로 했다. 이어서, 얻어진 전봉 강관의 전봉 용접부에, 전봉 강관 제조 설비의 스퀴즈 롤의 하류측에서, 인라인으로 배설된 유도 가열 장치를 이용해서, 표면 온도로 1050℃까지 가열하고, 두께 방향에 있어서의 최고 온도로 500℃ 이하까지 방냉하는 인라인 열처리를 행했다. 또한, 최저 온도부에서도 850℃ 이상이 되어 있는 것을 확인하고 있다. 이때의, 전봉 용접부의 관 외면에 있어서의 평균 냉각 속도는 약 2℃/s였다.
얻어진 전봉 강관으로부터 시험편을 채취하고, 조직 관찰, 인장 시험, 충격시험을 실시했다. 시험 방법은 다음과 같다.
(1) 조직 관찰
얻어진 전봉 강관으로부터, 관찰면이 압연 방향 단면(L단면)이 되도록, 조직 관찰용 시험편을 채취했다. 채취한 조직 관찰용 시험편을, 연마하고, 부식(부식액：나이탈)해서, 광학 현미경(배율：400배)과 주사형 전자현미경 SEM(배율：2000배)을 이용해서, 판 두께 1/2t 위치에 있어서의 조직을 관찰하고, 각 2 시야 이상에 대해서 촬상했다. 얻어진 조직 사진에 대해서, 화상 해석 장치를 이용하여, 조직의 종류 및 각 상의 면적율, 또한 주상(主相)의 결정립의 애스펙트 비 및 JIS G 0551에 준거해서 절단법으로, 주상의 평균 결정입경을 구했다. 얻어진 값을 산술 평균해서 그 강관의 값으로 했다. 또한, 잔류 오스테나이트에 대해서는, 눈으로 보았을 때의 판별이 어렵기 때문에, SEM/EBSD(Electron Back Scatter Diffraction) 법에 의해, 면적율을 구했다. 미크로 조직은 3차원적으로 균질인 것으로 하여, 구한 면적율을 체적분율로 했다.
(2) 인장 시험
얻어진 전봉 강관으로부터, 관 선단측에서 봐서, 전봉 용접부로부터 원주 방향으로 시계방향으로 90°위치에서, ASTM A 370의 규정에 준거해서, 인장 방향이 관 축방향 되도록 인장 시험편을 채취하고, 인장 시험을 실시하여, 인장 특성(항복 강도 YS, 인장 강도 TS 및 균일 신장 Elu)을 구했다.
(3) 충격시험
얻어진 전봉 강관의 전봉 용접부의 두께 1/2 위치로부터, 원주 방향이 시험편 길이 방향이 되도록, V 노치 시험편을 채취하고, ASTM A370의 규정에 준거해서 샤르피 충격 시험을 실시하여, 시험 온도：0℃에서의 샤르피 충격 시험 흡수 에너지 vE0(J)을 구했다. 또한, 시험은, 각 3개씩 행하고, 얻어진 값의 산술 평균치를 그 강관의 흡수 에너지로 했다.
얻어진 결과를 표 3에 나타낸다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
본 발명예는 모두, 관 축방향의 항복 강도 YS가 415㎫ 이상의 고강도와, 또한 관 축방향의 균일 신장 Elu가 8% 이상의 「우수한 굽힘 특성」을 가지는 모재부와, 또한 0℃에 있어서의 샤르피 충격 시험 흡수 에너지 vE0 ：150J 이상으로 우수한 전봉 용접부 인성을 가지는, 고강도 전봉 강관이 되어 있다. 한편, 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예는, 관 축방향의 균일 신장 Elu가 8% 미만으로 굽힘 특성이 저하하고 있다.

Claims (6)

  1. 질량%로,
    C：0.04∼0.15%, Si：0.10∼0.50%,
    Mn：1.0∼2.2%, P：0.050% 이하,
    S：0.005% 이하, Cr：0.2∼1.0%,
    Ti：0.005∼0.030%, Al：0.010∼0.050%
    를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성과,
    폴리고날페라이트를 체적분율로 70% 이상으로 하고, 체적분율로 3∼20%의 잔류 오스테나이트와, 잔부가 마르텐사이트, 베이나이트 및 펄라이트 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상으로 이루어지며, 상기 폴리고날페라이트가, 평균 입경：5㎛ 이상, 애스펙트 비가 1.40 이하인 조직,
    을 갖는 고강도 전봉 강관.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 조성에 더해, 질량%로, Mo：0.5% 이하, Cu：0.5% 이하, Ni：1.0% 이하, Co：1.0% 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 더 포함하는 고강도 전봉 강관.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 조성에 더해, 질량%로, Nb：0.10% 이하, V：0.10% 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종을 더 함유하는 고강도 전봉 강관.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조성에 더해, 질량%로, Ca：0.0005∼0.0050%를 더 함유하는 조성으로 하는 고강도 전봉 강관.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 고강도 전봉 강관의 제조 방법으로, 강 소재에, 가열과, 열간 압연과, 열간 압연 후의 냉각을 실시하여 열연강대로 만들고, 그 열연강대를 코일 모양으로 감는 관 소재 제조 공정과, 상기 열연강대를, 대략 원형 단면의 오픈관으로 성형한 후, 그 오픈관의 폭방향 단면끼리를 맞대어 융점 이상으로 가열하고, 압접해서 전봉 강관으로 만드는 조관 공정과, 그 전봉 강관의 전봉 용접부를 인라인으로 열처리를 실시하는 인라인 열처리 공정을 포함하는 전봉 강관의 제조 방법에 있어서,
    상기 관 소재 제조 공정에 있어서의 상기 가열이, 가열 온도：1100∼1250℃로 하는 가열이며,
    상기 관 소재 제조 공정에 있어서의 상기 열간 압연 후의 냉각을, 강대 판 두께 방향 중심 위치의 온도가, 열간 압연 최종 패스를 나온 시간 t0을 기점으로 하여 20s 후의 온도 T20에서 650℃ 초과이고, 또한 열간 압연 최종 패스를 나온 시간 t0를 기점으로 하여 80s 후의 온도 T80에서 650℃ 미만이 되도록 조정하고, 냉각 정지 온도：600∼450℃의 온도역의 온도까지 연속적으로 냉각하는 냉각으로 하고,
    상기 인라인 열처리 공정에 있어서의 상기 열처리를, 전봉 용접부의 두께 방향에 있어서의 최저 온도부가 800℃ 이상, 최고 가열 온도가 1150℃ 이하가 되도록 가열한 후, 수냉 또는 방냉해서, 전봉 용접부의 두께 방향에 있어서의 최고 온도에서 500℃ 이하까지 냉각하는 처리로 하는 고강도 전봉 강관의 제조 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 조관 공정이, 상기 열연강대를, 풀고, 복수의 롤로 연속적으로 성형하여, 대략 원형 단면의 오픈관으로 한 후, 그 오픈관의 폭방향 단면끼리를 맞대어, 상기 오픈관의 폭방향 단면을 융점 이상으로 가열하고, 압접해서 전봉 강관으로 만드는 조관 공정인 고강도 전봉 강관의 제조 방법.
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