KR20230010185A - 무니켈 lpg 선박용 강판 및 이의 제조방법 - Google Patents

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난징 아이론 앤드 스틸 컴퍼니 리미티드
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Abstract

무니켈 LPG 선박용 강판 및 이의 제조방법은 고강도 구조 스틸의 기술분야에 속하며, 상기 강판은 C: 0.18~0.24％이고, Si:0.10~0.19％이고, Mn:16.1~18.9％이고, P:≤0.012％이고, Mo:0.15~0.35％이고, RE:0.10~0.25％인 질량 백분율의 화학 성분 및 나머지의 Fe와 불가피한 불순물로 조성된다. 그는 항복 강도(yield strength)≥410MPa이고, -150℃ 충격 흡수 능력≥66J이고, 비교적 우수한 저온 역학 성능을 구비하므로, 5Ni, 9Ni계열 스틸을 대체해 LPG 저장 탱크 및 관련 구조부재를 저원가로 건조하는 데 사용할 수 있다.

Description

무니켈 LPG 선박용 강판 및 이의 제조방법
본 발명은 고강도 구조 스틸 기술분야에 속하며, 상세하게, 무니켈 LPG 선박용 강판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
해양 에너지 채굴기술이 나날이 성숙됨에 따라, 액화 석유가스(LPG)는 사용량이 점점 많아지고, 사용 범위가 점점 넓어지며, 이런 액상 에너지를 저장 및 운송하는 데는 저온 역학 성능, 특히, 저온 인성이 우수한 강재로 저장 탱크를 건조해, 저장 탱크가 저온 사용 환경에서 연화되어 균열이 발생하지 않고 안전하게 운행되도록 보장해야 한다. 종래의 저온 에너지용 저장탱크 스틸은 통상적으로 9Ni계열 강재를 이용해 건조하는 데, 합금 원소 Ni는 희소 자원이므로, 생산 원가가 높다.
하지만, 종래기술에서 Ni를 함유하지 않은 저온 스틸도 다른 결함이 존재한다. 예를 들어, 출원번호가 CN89104759.X인 발명은 “철-망간-알루미늄-탄소 오스테나이트(austenite) 비자성 스틸과 저온 스틸”을 공개하였는 데, 상기 기술과 관련된 스틸 품목은 Al함량이 무려 2.3~3.2%에 도달하고, 쉽게 산화해 Al2O3을 생성하여 액상 스틸의 점도가 높고, 유동성이 떨어지고, 생산 난이도가 증가되고, 주조 빌릿(billet) 질량과 강판 표면 질량이 모두 보장하기 어렵고, 완제품율이 낮다.
출원번호가 201710865933.0인 발명은 “초저온 환경용 고망간 강판 및 이의 생산방법”을 공개하였는 데, 상기 기술의 결점이라면, 스틸에 0.2~1.2%의 Cu를 첨가하고 Cu가 열분해되는 것을 억제하는 합금 원소인 Ni를 첨가하지 않아 대량 생산과정에서 Cu의 열분해로 발생된 크랙이 형성되고, 완제품율이 떨어지고, 생산원가가 증가되는 데 있다.
출원번호가 201710971086.6인 발명은 “저(低)항복비 고인성 고망간 강판 및 이의 생산방법”을 공개하였는 데, 상기 기술은 관련 스틸에 3.0~4.0%의 Cr를 첨가하며, Cr은 탄화물에 속해 쉽게 원소를 형성하고, 첨가량이 많을 경우, 생산과정에서 쉽게 다양한 유형의 탄화물을 형성해 결정 입계 부위에 놓여지므로, 중간 제품과 완제품의 성능을 떨구고, 특히, 저온 인성을 급격히 낮춘다.
따라서, 원가가 낮고, 저온 역학 성능, 특히, 저온 인성이 우수한 LPG 선박용 강판을 발명하는 것이 매우 필요하다.
본 발명은 종래기술의 결함을 극복하기 위해 창출된 것으로, 그의 목적은, 무니켈LPG 선박용 강판을 제공하는 데 있으며, 상기 강판은 비교적 우수한 저온 역학 성능을 구비하여 5Ni, 9Ni계열 스틸을 대체해 LPG 저장 탱크와 관련 구조부재를 저원가로 건조하는 데 사용한다.
본 발명의 다른 목적은 상기 무니켈LPG선박용 강판의 제조방법을 제공하는 데 있으며, 상기 방법은 규모화 산업 생산에 적합하다.
본 발명에 따른 무니켈 LPG 선박용 강판은 C: 0.18~0.24％이고, Si:0.10~0.19％이고, Mn:16.1~18.9％이고, P:≤0.012％이고, Mo:0.15~0.35％이고, RE:0.10~0.25％인 질량 백분율의 화학 성분 및 나머지의 Fe와 불가피한 불순물로 조성된다.
상기 강판의 미크로 조직(micro structure)은 단상(single phase) 오스테나이트(austenite) 조직이다.
상세하게, 상기 강판이 주로 제어하는 합금 원소의 원리를 설명하면 아래와 같다.
C(탄소): 적당량의 합금 원소 C를 Fe 중에 고용(Solid solution)할 경우,스틸의 강도를 향상시켜 본 발명이 항복 강도(yield strength)≥410MPa을 이루도록 한다. C의 함량이 0.18%보다 낮을 경우, 강화 효과가 부족해 항복 강도가 기대에 도달하기 어렵게 되고, C의 함량이 0.24%보다 높을 경우, 쉽게 결정 입계에서 비교적 많은 탄화물이 생성되어 스틸의 성능, 특히, 저온 인성을 악화시켜 취성(brittleness)이 전환되어 온도가 높아지고, 연화되어 균열이 발생하므로, C의 함량을 0.18~0.24wt.%으로 설정한다.
Mn(망간): 스틸 중의 합금 원소 Mn는 오스테나이트 구역을 확대하고, 심지어, 오스테나이트 조직이 -150℃까지 안정되어 상변화가 발생하지 않도록 할 수 있으며, 면심 입방 구조(face centred cubic structure)를 구비한 오스테나이트가 체심 입방 구조(body centered cubic structure)를 구비한 페리틱(ferritic)보다 많아 양호한 파괴 인성을 가지며, 스틸에 첨가하는 Mn의 함량이 16.1%보다 낮을 경우, 단상 오스테나이트 조직을 형성하는 데 부족해 상변화가 발생하여 부피 변화를 유발하므로, 초저온 스틸 구조부재의 제조에 사용하는 데 적절하지 않으며; Mn의 함량이 18.9%보다 높을 경우, 쉽게 결정 입계에 비교적 많은 탄화물(Fe, Mn)3C, 산화물 MnO 등이 생성되어 스틸의 저온 인성을 떨구므로, Mn의 함량은 16.1~18.9wt.%로 설정하고, 바람직하게, 17.1~18.9wt.%에서 진행한다.
P(인): 고강도 구조인 스틸에서 P는 유해 원소에 속하고 쉽게 Fe+Fe3P, Fe+Fe3C+Fe3P공정(eutectic) 생성물을 형성해 스틸의 인성을 급격히 떨구며, P를 P≤0.012wt.%에 한정할 경우, P의 유해 효과가 뚜렷하게 낮아진다.
Si(규소): 본원 출원에서, Si는 주로 탈산소의 목적으로 첨가하고, 함유량은 지나치게 높은 것이 적절하지 않다. 0.19%보다 높을 경우, P, C의 편석(segregation)을 뚜렷하게 촉진하고，결정 입계의 탄화물이 증가하고, Fe+Fe3P과 Fe+Fe3C+Fe3P의 공정량이 증가하고, 크랙 경향이 증가한다. 하지만, 일정한 함유량의 Si는 스틸의 항복 강도를 향상시킬 수 있으므로, 스틸 중의 Si함유량은 0.10~0.19wt.% 범위로 설정한다.
Mo(몰리브덴)：적당량의 Mo를 첨가할 경우, 오스테나이트 수지상 결정의 성장을 개선하고, 탄화물의 석출과 펄라이트(pearlite)의 형성을 억제하고, 망상 탄화물(network carbide)을 줄여 양호한 역할 성능을 얻을 수 있다. Mo의 함유량이 0.15%보다 낮을 경우, 망상 탄화물 억제 효과가 뚜렷하지 않으며; Mo는 고가의 합금 원소에 속해 함유량이 0.35%보다 높을 경우, 생산원가를 증가한다. 따라서, 본 발명의 출원에서 합금 원소 Mo의 함유량 범위를 0.15~0.35wt.%로 설정하고, 바람직하게, 0.25~0.35wt.%에서 진행한다.
희토원소(RE): 본 발명에서 적당량의 희토 원소 RE를 첨가할 경우, 일 측면에서, 스틸의 유동성을 뚜렷하게 개선하고, 주조 상태의 조직과 결정 입자를 섬세하게 하고, 결정 입계의 탄화물 수량을 줄여 결정 내부 탄화물의 형성을 촉진하고, 생산공정의 성능을 개선한다. 하지만, RE를 지나치게 많이 첨가할 경우, 저온 인성을 떨구므로, RE를 0.10~0.25wt.% 범위로 설정한다.
본 발명이 상기 무니켈 LPG 선박용 강판에 대응되게 제공하는 제조방법이 이용하는 기술방안에 있어서, 공정은 전기로 제련, VD로 정제, 금형 주조, 압연, 압연 후 냉각 및 템퍼링(tempering)을 포함하며;
여기에서, 압연 공정은 160mm×1000mm×2200mm으로 금형 주조된 슬라브(slab)를 소킹(soaking)해 로에서 꺼낸 후, 즉시 압연하고, 압연 개시 온도≥1100℃이고, 다듬질 압연 온도≥980℃이며;
압연 후 냉각 공정에서, 물을 부어 강판을 실온까지 신속하게 냉각하며;
템퍼링공정에서, 강판은 280 내지 320℃에서 템퍼링하고, 보온시간은 80 내지 120min이다.
상세하게, 전기로 제련 공정에서, CaO, 폐 스틸, MnFe, SiFe, MoFe를 포함한 합금을 설치해 전기를 통과시켜 용융시키고, FeO를 첨가하고 P를 이탈시키며, 합금 원소의 함유량을 목표 값까지 조정한다.
VD로 정제공정에서, 진공에서 O, N, H를 포함한 기체 원소를 이탈시켜 제거한다.
금형 주조 공정에서, 부어 주조할 경우, 희토 필라멘트를 피딩해 희토 원소의 함량이 목표 값에 도달하도록 한다.
종래기술에 비해, 상기 강판의 화학 성분은 Ni원소를 포함하지 않고, 성분의 설계가 간단하고, 생산원가가 뚜렷하게 낮다. 제조할 때 압연 온도는 고온 가소성이 앙호한 온도 범위에서 완제품 압연을 완성하고, 실온까지 신속하게 냉각시켜 단상(single phase) 오스테나이트(austenite) 조직을 획득하고, 그 다음, 280 내지 320℃의 템퍼링(tempering)을 이용해 잔존 응력을 제거한다. 최종적으로 획득한 강판은 항복 강도(yield strength)≥410MPa이고, -150℃KV2≥66J이고, 우수한 전면적 역학 성능을 구비할 뿐만 아니라, 우수한 가공 성능과 용접 성능도 동시에 갖추고, 용접 이음매의 품질과 전면적 역학 성능이 모두 비교적 우수하다. 건조된 초저온 환경의 스틸 구조부재는 사용 안전성을 효과적으로 보장할 수 있다. 이외에도, 이의 제조방법은 전기로 제련 후에 직접 규정된 사이즈의 슬라브(slab)로 금형 주조할 수 있고, 일회성으로 연결해 압연을 완성하고, 중간에 온도를 기다릴 필요가 없고, 생산효율이 높고, 완제품율이 높고, 경제효과가 양호해 규모있는 산업화 생산에 적합하다.
이하, 실시예를 결합해 본 발명을 더 상세하게 설명한다.
본 발명은 화학 원소 성분, 질량 백분율 및 생산방법에 대한 요구에 따라 5개의 실시예를 설정하였는 데, 이는 각각 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 실시예 4, 실시예 5이다. 각각의 화학성분과 질량 백분율 함유량 및 압연과정 중의 주형 빌릿(billet) 가열온도, 정밀 다듬질 압연 온도, 정밀 압연 후 템퍼링(tempering) 온도가 성능 파라미터에 미치는 영향을 검증하기 위해, 3개의 대조예를 배치하였으며, 즉, 대조예 1, 대조예 2와 대조예 3은 8배치(batch)의 강판을 제련해 압연하였다.
여기에서, 대조예 1은 화학성분의 질량 백분율 함량이 본 발명의 범위 내에 놓여 있지 않고, 제조과정의 공정 파라미터가 본 발명의 범위 내에 놓여 있으며; 대조예 2는 화학성분의 질량 백분율 함량이 본 발명의 범위 내에 놓여 있고, 제조과정의 공정 파라미터가 본 발명의 범위에 놓여있지 않으며; 대조예 3은 화학성분의 질량 백분율 함량과 제조과정의 공정 파라미터가 모두 본 발명의 범위 내에 놓여있지 않다. 5개의 실시예와 3개의 대조예에 관한 화학 원소 성분 중량 백분율은 표 1을 참조하고, 여기에서, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물이다.
표 1 본 발명에 따른 실시예 및 대조예의 화학성분 대조(wt.%)
Figure pct00001
생산과정의 제어 파라미터와 강판의 품질 상황은 표 2를 참조한다.
표 2 본 발명 실시예 및 대조예 생산과정의 강판 제어 성능 상황표
Figure pct00002
표 1과 표 2에서 알 수 있다시피, 본 발명의 실시예 1 내지 5의 화학성분 및 질량 백분율, 생산공정에 의해 제어된 압연 온도로 발생되는 강판의 항복 강도(yield strength)는 모두 410MPa보다 높으며, 대조예 1, 대조예 2와 대조예 3의 강판 성분 범위 또는/및 생산공정이 본 발명의 범위 내에 놓여있지 않은 상태에서 생산된 대조 강판의 항복 강도는 316MPa보다 낮다.
여기에서, 본 발명의 실시예 5에서 제조한 강판은 항복 강도가 442MPa이고, -150℃ 충격 에너지가 188J에 달해 전면적 역학 성능이 우수하며, 제조된 초저온 구조부재가 연화되어 균열이 발생하는 것을 효과적으로 피하고 안전하게 운행할 수 있어 바람직한 실시예인 것으로 판단된다.

Claims (8)

  1. 무니켈 LPG 선박용 강판에 있어서,
    C: 0.18~0.24％이고, Si:0.10~0.19％이고, Mn:16.1~18.9％이고, P:≤0.012％이고, Mo:0.15~0.35％이고, RE:0.10~0.25％인 질량 백분율의 화학 성분 및 나머지의 Fe와 불가피한 불순물로 조성되는 것을 특징으로 하는 무니켈 LPG 선박용 강판.
  2. 제1항에 있어서,
    미크로 조직(micro structure)은 단상(single phase) 오스테나이트(austenite) 조직인 것을 특징으로 하는 무니켈 LPG 선박용 강판.
  3. 제1항에 있어서,
    화학 성분의 질량 백분율 조성에서, Mn가 17.1~18.9%인 것을 특징으로 하는 무니켈 LPG 선박용 강판.
  4. 제1항에 있어서,
    화학 성분의 질량 백분율 조성에서, Mo가 0.25~0.35%인 것을 특징으로 하는 무니켈 LPG 선박용 강판.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 무니켈 LPG 선박용 강판의 제조방법에 있어서,
    공정은 전기로 제련, VD로 정제, 금형 주조, 압연, 압연 후 냉각 및 템퍼링(tempering)을 포함하며;
    여기에서, 압연 공정은 160mm×1000mm×2200mm으로 금형 주조된 슬라브(slab)를 소킹(soaking)해 로에서 꺼낸 후, 즉시 압연하고, 압연 개시 온도≥1100℃이고, 다듬질 압연 온도≥980℃이며;
    압연 후 냉각 공정에서, 물을 부어 강판을 실온까지 신속하게 냉각하며;
    템퍼링공정에서, 강판은 280 내지 320℃에서 템퍼링하고, 보온시간은 80 내지 120min인 것을 특징으로 하는 무니켈 LPG 선박용 강판의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    전기로 제련 공정에서, CaO, 폐 스틸, MnFe, SiFe, MoFe를 포함한 합금을 설치해 전기를 통과시켜 용융시키고, FeO를 첨가하고 P를 이탈시키며, 합금 원소의 함유량을 목표 값까지 조정하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    VD로 정제공정에서, 진공에서 O, N, H를 포함한 기체 원소를 이탈시켜 제거하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    금형 주조 공정에서, 부어 주조할 경우, 희토 필라멘트를 피딩해 희토 원소의 함량이 목표 값에 도달하도록 하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
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