KR20230094822A - 고강도 용접강관의 제조방법 - Google Patents

고강도 용접강관의 제조방법 Download PDF

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KR20230094822A
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Abstract

본 발명의 한 가지 측면에 따르면, 용접부에서의 고온 균열 발생을 효과적으로 억제 가능한 고강도 용접강관의 제조방법이 제공될 수 있다.

Description

고강도 용접강관의 제조방법 {Manufacturing method for welded steel pipe having high strength}
본 발명은 용접강관의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 강관 소재의 강 조성 및 미세조직과, 강관 제조공정을 최적화함으로써 우수한 내마모성을 구비하는 용접강관의 제조방법에 관한 것이다.
고강도 강관은 다양한 산업현장에서 사용되고 있다. 종래의 고강도 탄소강강관은 일정 수준 이상의 고강도 특성을 확보할 수는 있지만, 성형성이 열위하여 강관 형상으로 성형하는 데에는 어려움이 있다. 또한, 고강도 탄소강강관에는 국부적으로 고경도를 가지는 하드스팟(hard spot)이 필연적으로 생성되며, 경질의 하드스팟은 예상치 않은 강관 파손의 기점으로 작용할 수 있다. 특히, 현재까지 하드스팟의 발생 원인이 규명되지 않았을 뿐만 아니라, 그 검출 방법 역시 명확히 정립되지 않은 상태이므로, 고강도 탄소강강관을 에너지산업에 적용하기에는 한계가 있다.
한편, 강 소재가 상온 및 그 이하의 온도에서도 오스테나이트계 조직을 가지는 경우 일정 수준 이상의 고강도 특성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 양호한 성형성을 확보할 수 있다. 또한, 강판 및 강관의 제조과정에서 상변태가 발생하지 않아 하드스팟의 발생 가능성도 효과적으로 낮출 수 있다. 오스테나이트계 조직을 가지는 대표적인 소재로는 고망간강이 있으나, 해당 성분계의 특성 상 용접부에 고온 균열이 발생할 가능성이 높다. 따라서, 고망간 강재를 이용하여 용접강관을 제조함에 있어서, 용접부에서의 고온 균열 발생을 효과적으로 억제 가능한 방안에 대한 연구가 필요하다.
본 발명의 한 가지 측면은 고강도 특성을 구비할 뿐만 아니라, 용접부에서의 고온 균열 발생을 효과적으로 억제 가능한 오스테나이트계 용접강관의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정되지 않는다. 통상의 기술자라면 본 명세서의 전반적인 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 고강도 용접강관의 제조방법은, 중량%로, C: 0.5~1.2%, Mn: 12~28%, Cr: 6.0% 이하(0% 포함), Mo: 0.5% 이하(0% 포함), N: 0.003% 이하(0% 포함), P: 0.025% 이하, S: 0.025% 이하, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 오스테나이트계 강판을 준비하고 재단하는 단계; 상기 재단된 오스테나이트계 강판의 양쪽 단부를 개선 가공하는 단계; 상기 오스테나이트계 강판을 관형으로 성형하여 개선 가공된 단부가 맞대기부를 형성되도록 하는 단계; 및 상기 맞대기부를 용접하여 용접강관을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 개선 가공 시, 상기 오스테나이트계 강판의 두께를 t(mm)라고 했을 때, 내면 개선 깊이가 t/4+0.5mm 내지 t/4+4.0mm의 범위를 만족하고, 루트면의 길이가 0.5~3.5mm를 만족하도록 내면을 개선 가공할 수 있다.상기 개선 가공은 X개선 가공 또는 Y개선 가공 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 오스테나이트계 강판의 표면경도는 하기의 관계식 1를 만족할 수 있다.
[관계식 1]
18.7*[Mn] - 10.3*[Cr] + 1.7*[C] ≤ 표면경도(Hv) ≤ 22.1*[Mn] + 18,3*[Cr] + 2.4*[C]
상기 관계식 1에서, [Mn], [Cr] 및 [C]는 각각 상기 강판에 포함되는 Mn, Cr 및 C 함량(중량%)을 의미하며, 해당 성분을 포함하지 않는 경우 0을 대입한다.
상기 오스테나이트계 강판은 미세조직으로 80면적% 이상의 오스테나이트를 포함하고, 상기 오스테나이트의 평균 결정립 크기는 60㎛ 이하일 수 있다.
상기 오스테나이트계 강판은 20면적% 이하의 쌍정(Twin)을 포함하며, 상기 쌍정의 평균 크기는 400nm 이하일 수 있다.
스파이럴 성형법, UOE 프레스법, 롤밴딩법 및 JCO 성형법 중에서 선택된 어느 하나의 성형방법을 이용하여 상기 오스테나이트계 강판을 10~40” 직경의 관형으로 성형할 수 있다.
상기 맞대기부의 용접방법은, SMAW(shield metal arc welding), GMAW(gas metal arc welding), GTAW(gas tungsten arc welding), FCAW(flux cored arc welding) 및 SAW(sub-merged arc welding) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 아크용접이거나, 전기저항용접(ERW, electric resistance welding)일 수 있다.
상기 과제의 해결 수단은 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니며, 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 구현예 및 실시예를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 고강도 특성을 구비할 뿐만 아니라, 용접부에서의 고온 균열 발생을 효과적으로 억제 가능한 오스테나이트계 용접강관의 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 사항에 국한되는 것은 아니며, 통상의 기술자가 본 명세서에 기재된 사항으로부터 합리적으로 유추 가능한 사항을 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 개선 가공의 일 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 용접 시험편 1의 용접부 단면 관찰 사진이며, 도 3은 용접 시험편 2의 용접부 단면 관찰 사진이다.
본 발명은 고강도 용접강관의 제조방법에 관한 것으로, 이하에서는 본 발명의 바람직한 구현예들을 설명하고자 한다. 본 발명의 구현예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 구현예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 구현예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
이하, 본 발명의 용접강관을 제조하는데 이용되는 오스테나이트계 강판에 대해 보다 상세히 설명한다. 이하, 특별히 달리 설명하지 않는 한, 강 조성의 함량과 관련하여 기재된 %는 중량을 기준으로 하며, 미세조직의 분율과 관련하여 기재된 %는 면적을 기준으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강판은, 중량%로, C: 0.5~1.2%, Mn: 12~28%, Cr: 6.0% 이하(0% 포함), Mo: 0.5% 이하(0% 포함), N: 0.003% 이하(0% 포함), P: 0.025% 이하, S: 0.025% 이하, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
탄소(C): 0.5~1.2%
탄소(C)는 강의 강도 확보 및 내마모성 향상에 효과적으로 기여하는 성분이다. 또한, 탄소(C)는 강의 경화능을 향상시키는 성분이며, 오스테나이트의 안정화에도 효과적으로 기여하는 성분이다. 본 발명은 용접강관의 모재 뿐만 아니라 용접이음부의 강도 및 오스테나이트 안전성을 향상시키기 위해, 오스테나이트계 강판에 포함되는 탄소(C)의 함량을 0.5% 이상의 범위로 제한할 수 있다. 보다 바람직한 탄소(C)의 함량은 0.6% 이상일 수 있으며, 보다 바람직한 탄소(C) 함량은 0.7% 이상일 수 있다. 반면, 탄소(C)가 과다하게 첨가되는 경우 탄화물이 다량 석출되어 강의 내마모성 및 연신율이 저하될 수 있으므로, 본 발명은 탄소(C) 함량의 상한을 1.2%로 제한할 수 있다
망간(Mn): 12~28%
망간(Mn)은 오스테나이트 안정성에 효과적으로 기여하는 성분으로, 강의 가공경화도를 높임과 동시에 강도, 충격인성 및 내마모성을 효과적으로 향상시키는 성분이다. 또한, 망간(Mn)은 강의 가공 후 비자성 유지에 효과적으로 기여하는 성분일 뿐만 아니라, 강 중의 황(S)가 결합하여 MnS를 형성하므로 효과적인 탈황이 가능한 성분이기도 한다. 본 발명의 오스테나이트계 강판은 이와 같은 효과를 달성하기 위해 12% 이상의 망간(Mn)을 포함할 수 있다. 한편, 망간(Mn)이 과도하게 첨가되는 경우 제조비용의 상승이 불가피할 뿐만 아니라, 강의 내식성이 저하될 우려가 있다. 따라서, 본 발명은 망간(Mn) 함량의 상한을 28%로 제한할 수 있다. 바람직한 망간(Mn) 함량의 상한은 26%일 수 있으며, 보다 바람직한 망간(Mn) 함량의 상한은 24%일 수 있다.
크롬(Cr): 6.0% 이하(0% 포함)
크롬(Cr)은 페라이트 안정화 원소로서, 크롬(Cr)이 첨가됨에 따라 오스테나이트 안정화 원소의 함량을 낮출 우 있는 장점이 있다. 또한, 크롬(Cr)은 MC 또는 M23C6와 같은 탄화물 생성에 핵심적인 성분으로 작하므로, 일정량 이상의 크롬(Cr)이 첨가되는 경우 보다 높은 수준의 석출 경화도를 얻을 수 있다. 더불어, 크롬(Cr)은 강력한 내산화방지 성분이므로, 일정 수준의 크롬(Cr)이 첨가되는 경우 강의 내식성을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 본 발명의 오스테나이트계 강판은 이와 같은 효과를 달성하기 위해 크롬(Cr)을 포함할 수 있다. 바람직한 크롬(Cr) 함량의 하한은 0.5%일 수 있으며, 보다 바람직한 크롬(Cr) 함량의 하한은 1.0%일 수 있다. 한편, 크롬(Cr)이 과도하게 첨가되는 경우 조대한 입계 탄화물을 형성하여 오히려 내마모성이 저하되는 결과를 초래할 수 있는바, 본 발명의 오스테나이트계 강판은 크롬(Cr) 함량의 상한은 6.0%로 제한할 수 있다. 바람직한 크롬(Cr) 함량의 상한은 5.0%일 수 있으며, 보다 바람직한 크롬(Cr) 함량의 상한은 4.0%일 수 있다.
몰리브데늄(Mo): 0.5% 이하(0% 포함)
몰리브데늄(Mo)은 강의 경화능 향상에 기여하는 성분으로, 본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강판은 이와 같은 효과를 달성하기 위해 몰리브데늄(Mo)을 필수적을 포함할 수 있다. 바람직한 몰리브데늄(Mo) 함량은 0.01% 이상일 수 있으며, 보다 바람직한 몰리브데늄(Mo) 함량은 0.05% 이상일 수 있다. 한편, 몰리브데늄(Mo)이 과도하게 첨가되는 경우 용접성이 저하되고, 제조원가의 상승이 불가피하며, 성형성이 저하될 수 있는바, 본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강판은 몰리브데늄(Mo) 함량의 상한은 0.5%로 제한할 수 있다. 바람직한 몰리브데늄(Mo) 함량의 상한은 0.45%일 수 있으며, 보다 바람직한 몰리브데늄(Mo) 함량의 상한은 0.4%일 수 있다.
질소(N): 0.003% 이하(0% 포함)
질소(N)는 강의 결정립을 미세화시키는 성분으로, 강의 고용 탄소량을 증가시키고 입계 강도를 증가시켜 2차 가공취성 저항성을 향상시킬 수 있다. 이와 같은 효과를 위해 본 발명의 일 측면에 따른 오스텐나이트계 강판은 질소(N)를 포함할 수 있다. 다만, 질소(N)가 과도하게 첨가되는 경우 조대한 질화물이 형성되어 오히려 강의 강도를 저하시킬 수 있는바, 본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강판은 질소(N) 함량의 상한은 0.003%로 제한할 수 있다. 바람직한 질소(N) 함량의 상한은 0.002%일 수 있다.
인(P): 0.025% 이하(0% 포함)
인(P)은 강의 제조 과정에서 불가피하게 유입되는 불순물이며, 2차 편석을 유발할 가능성이 높은 성분이므로, 최대한 그 첨가량을 억제하는 것이 바람직하다. 이론적으로 가장 바람직한 인(P)의 함량은 0%이지만, 인(P)의 첨가량을 0%로 제어하는 것은 과도한 공정부하를 야기하므로, 본 발명에서는 불가피하게 첨가되는 인(P) 함량을 고려하여 그 상한은 0.025%로 제한한다.
황(S): 0.025% 이하(0% 포함)
황(S) 역시 강의 제조 과정에서 불가피하게 유입되는 불순물이며, 용접시 고온 균열(crack)을 조장하는 성분이므로, 최대한 그 첨가량을 억제하는 것이 바람직하다. 이론적으로 가장 바람직한 황(S)의 함량은 0%이지만, 황(S)의 첨가량을 0%로 제어하는 것은 과도한 공정부하를 야기하므로, 본 발명에서는 불가피하게 첨가되는 황(S) 함량을 고려하여 그 상한은 0.025%로 제한한다.
본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강판은 전술한 성분 이외에 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 전면적으로 배제할 수는 없다. 이들 불순물은 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 본 명세서에서 특별히 언급하지는 않는다. 더불어, 전술한 성분 이외에 유효한 성분의 추가적인 첨가가 전면적으로 배제되는 것은 아니다.
본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강판은 오스테나이트를 기지조직으로 포함할 수 있다. 오스테나이트의 분율은 80면적% 이상일 수 있으며, 90면적% 이상인 경우를 포함할 수 있다. 오스테나이트의 평균 결정립 크기는 60㎛ 이하일 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강판은 오스테나이트를 기지조직으로 포함할 뿐만 아니라, 오스테나이트의 평균 결정립 크기를 일정 수준 이하로 제한하므로, 목적하는 내마모성, 강도 및 저온인성을 효과적으로 확보할 수 있다. 한편, 본 발명은 오스테나이트 외에 불가피하게 형성되는 기타 조직의 형성을 전면적으로 배제하는 것은 아니며, 탄화물 등의 석출물 등을 포함한 기타 잔부조직은 20면적% 이하의 범위로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강판은 20면적% 이하의 쌍정(Twin)을 포함하며, 쌍정의 평균 크기는 400nm 이하일 수 있다. 일정 분율의 쌍정이 포함되는 경우, 쌍정 유도 경화(Twin-induced hardening) 및 재결정에 의한 조직 미세화를 통해 내마모성을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 다만, 쌍정의 분율이 일정 범위에 도달하는 경우, 그 효과는 포화되므로 본 발명은 쌍정의 분율을 20면적% 이하의 범위로 제한할 수 있다. 한편, 쌍정의 평균 크기가 작아질수록 재결정 집합조직(texture)의 방위(orientation) 무질서도가 증가하여 내마모성 증대에 보다 효과적으로 작용할 수 있으므로, 본 발명은 쌍정의 평균 크기를 400nm 이하로 제한할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강판의 표면경도(Hv)는 하기의 관계식 1를 만족하므로, 강도와 성형성을 효과적으로 양립시킬 수 있다.
[관계식 1]
18.7*[Mn] - 10.3*[Cr] + 1.7*[C] ≤ 표면경도(Hv) ≤ 22.1*[Mn] + 18,3*[Cr] + 2.4*[C]
상기 관계식 1에서, [Mn], [Cr] 및 [C]는 각각 상기 강판에 포함되는 Mn, Cr 및 C 함량(중량%)을 의미하며, 해당 성분을 포함하지 않는 경우 0을 대입한다.
본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강판은, 인장강도가 800MPa 이상이며, DWTT 시험의 연성파면율이 85% 이상이 되는 온도가 -25℃ 이하일 수 있다.
이하, 본 발명의 오스테나이트계 강판을 제조하는 공정에 대해 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강판의 제조방법은, 중량%로, C: 0.5~1.2%, Mn: 12~28%, Cr: 6.0% 이하(0% 포함), Mo: 0.5% 이하(0% 포함), N: 0.003% 이하(0% 포함), P: 0.025% 이하, S: 0.025% 이하, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 1100~1250℃의 온도범위에서 180~320분간 가열하는 단계; 상기 가열된 슬라브를 800℃ 이상의 마무리 압연 온도에서 열간압연하여 열연재를 제공하는 단계; 및 상기 열연재를 15℃/s 이상의 냉각속도로 상온까지 냉각하여 최종재를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
슬라브 가열
본 발명의 제조방법에 제공되는 슬라브는, 전술한 오스테나이트계 강판의 강 조성과 대응하므로, 슬라브의 강 조성에 대한 설명은 전술한 오스테나이트계 강판의 강 조성에 대한 설명으로 대신한다.
전술한 강 조성으로 제공되는 슬라브를 1100~1250℃의 온도범위에서 가열할 수 있다. 가열 온도가 일정 범위 미만인 경우, 열간압연 중에 과도한 압연부하가 걸리는 문제가 발생하거나, 합금성분이 충분히 고용되지 않는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 슬라브 가열 온도의 하한을 1100℃로 제한할 수 있다. 반면, 가열 온도가 일정 범위를 초과하는 경우, 결정립이 과도하게 성장하여 강도가 저하되거나, 강의 고상선 온도를 초과하여 열간압연성이 열위해질 수 있으므로, 슬라브 가열 온도의 상한을 1250℃로 제한할 수 있다.
열간압연
열간압연 공정은 조압연 공정 및 마무리 압연 공정을 포함하며, 가열된 슬라브는 열간압연되어 열연재로 제공될 수 있다. 이때 마무리 열간압연 800℃ 이상의 온도범위에서 수행되는 것이 바람직하다. 마무리 열간압연 온도가 과도하게 낮은 경우, 과도한 압연 부하가 우려되므로, 마무리 열간압연 온도를 800℃ 이상의 범위로 제한할 수 있다. 또한, 마무리 열간압연 온도의 상한은 특별히 제한하지 않으나, 결정립이 과도하게 성장하는 것을 방지하기 위해 그 상한을 950℃로 제한할 수 있다. 열간압연 완료된 열연재의 두께는 특별히 제한되는 것은 아니나, 비 제한적인 예로서 열연재의 두께는 6~30mm의 범위를 만족할 수 있다.
냉각
열간압연된 열연재는 15℃/s 이상의 냉각속도로 상온까지 냉각될 수 있다. 냉각속도가 일정 범위 미만인 경우 냉각 도중 입계에 석출된 탄화물에 의해 강재의 연성 감소 및 이로 인한 내마모성의 열화가 문제될 수 있으므로, 열연재의 냉각속도를 15℃/s 이상의 범위로 제한할 수 있다. 다만, 냉각속도가 빠를수록 탄화물 석출 억제 효과에는 유리하지만, 통상의 냉각에 있어서 100℃/s를 초과하는 냉각속도는 설비 특성상 구현하기 어려우므로, 냉각속도의 상한을 100℃/s로 제한할 수 있다. 냉각 방식은 특별히 제한되는 것은 아니나, 가속냉각이 바람직하게 적용될 수 있다.
전술한 제조방법에 의해 제조된 오스테나이트계 강판은 평균 결정립 크기가 60㎛ 이하인 오스테나이트를 80부피% 이상으로 포함하며, 평균 크기가 400nm 이하인 쌍정(Twin)을 20면적% 이하의 범위로 포함할 수 있다.
또한, 전술한 제조방법에 의해 제조된 오스테나이트계 강판은, 인장강도가 800MPa 이상이고, DWTT 시험의 연성파면율이 85% 이상이 되는 온도가 -25℃ 이하이며, 표면경도(Hv)가 하기의 관계식 1을 만족할 수 있다.
[관계식 1]
18.7*[Mn] - 10.3*[Cr] + 1.7*[C] ≤ 표면경도(Hv) ≤ 22.1*[Mn] + 18,3*[Cr] + 2.4*[C]
상기 관계식 1에서, [Mn], [Cr] 및 [C]는 각각 상기 강판에 포함되는 Mn, Cr 및 C 함량(중량%)을 의미하며, 해당 성분을 포함하지 않는 경우 0을 대입한다.
이하, 본 발명의 일 측면에 따른 내마모성이 우수한 용접강관의 제조방법에 대해 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 내마모성이 우수한 용접강관의 제조방법은, 준비된 오스테나이트계 강판을 재단하는 단계; 재단된 오스테나이트계 강판의 양쪽 단부를 개선 가공하는 단계; 상기 오스테나이트계 강판을 관형으로 성형하여 개선 가공된 단부가 맞대기부를 형성되도록 하는 단계; 및 상기 맞대기부를 용접하여 용접강관을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
강판의 준비 및 재단
전술한 오스테나이트계 강판을 준비한 후 필요한 치수로 재단할 수 있다. 강판의 치수 및 재단 방법은 특별히 제한되는 것은 아니며, 통상의 용접강관의 제조에 적용되는 조건이 적용될 수 있다. 바람직하게는, 직경이 10~40”인 강관의 제조에 적합한 치수로 전술한 오스테나이트계 강판을 재단할 수 있다.
개선 가공
재단된 오스테나이트계 강판의 양 끝단을 개선 가공할 수 있다. 본 발명의 성분계를 가지는 오스테나이트계 강판의 경우 용입(weld penetration)이 얕아 용접부에 미용융영역이 형성되어 결합이 발생할 수 있다. 강판의 양 끝단을 개선 가공하되, 개선 가공량을 제한하여 미용용영역 발생을 효과적으로 방지하고, 용접고온균열을 보다 효과적으로 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 개선 가공의 일 예를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 개선 가공 시 내면 개선의 깊이(H1)가 t/4+0.5mm 내지 t/4+4.0mm의 범위를 만족하고(여기서, t는 강판의 두께(mm)를 의미함), 루트면의 길이(Hr)가 0.5~3.5mm의 범위를 만족하도록 내면을 개선 가공할 수 있다. 이후 필요에 따라 특정 범위의 외면 개선 깊이(H1)를 가지도록 외면을 개선가공할 수 있으며, 외면 가공 시 루트면의 길기(Hr)가 0.5~3.5mm를 만족하도록 외면 가공을 실시한다. 즉, 본 발명의 일 측면에 따른 개선 가공은 X개선 가공 및 Y개선 가공 중에서 선택된 어느 하나일 수 있으며, X개선 가공 또는 Y개선 가공에 의하더라도 내면 개선 깊이(H1) 및 루트면 길이(Hr)가 각각 t/4+0.5mm 내지 t/4+4.0mm의 범위 및 0.5~3.5mm의 범위를 만족하도록 개선 가공을 실시할 수 있다. 내면 개선 깊이(H1)가 t/4+0.5mm에 미치지 못하거나 루트면 길이(Hr)가 3.5mm를 초과하는 경우, 용접부의 비드 겹침부가 원활하게 생성되지 않나 용접부의 물성이 저하될 우려가 있다. 한편, 내면 개선 깊이(H1)가 t/4+4.0mm를 초과하거나 루트면 길이(Hr)가 0.5mm에 미치지 못하는 경우, 초층 용접시 용락이 발생하여 용접부의 물성이 저하될 우려가 있다.
본 발명에 적용되는 개선 가공 방법은 특별히 제한되지는 않으며, 통상적인 용접강관의 제조에 적합한 개선 가공 방법이 적용될 수 있다.
성형단계
개선 가공된 오스테나이트계 강판을 관형으로 성형하여 개선 가공된 단부가 맞대기부를 형성하도록 성형할 수 있다. 본 발명에서 오스테나이트계 강판을 관형으로 성형하는 방법은 특별히 제한되는 것은 아니다. 용접강관 제조 시 통상적으로 적용되는 성형방법이 적용될 수 있으며, 스파이럴 성형법, UOE 프레스법, 롤밴딩법 및 JCO 성형법 중에서 선택된 어느 하나의 성형방법이 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 용접강관의 직경은 특별히 제한되는 것은 아니나, 10~40”의 직경을 가지도록 관형으로 성형할 수 있다.
용접단계
오스테나이트계 강판을 성형한 후 맞대기부를 용접하여 용접강관을 제공할 수 있다. 본 발명에서 적용되는 용접방법은 특별히 국한되는 것은 아니며, 용접강관의 제조 시 통상적으로 적용되는 용접방법이라면 제한 없이 적용될 수 있다. SMAW(shield metal arc welding), GMAW(gas metal arc welding), GTAW(gas tungsten arc welding), FCAW(flux cored arc welding) 및 SAW(sub-merged arc welding) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 아크용접 또는 전기저항용접(ERW, electric resistance welding)이 적용될 수 있으며, 이들 중 하나 이상이 선택적으로 조합되어 용접에 적용되는 경우를 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
또한, 본 발명의 발명자는 본 발명이 제한하는 성분계를 만족하는 강판을 이용하여 용접을 실시하는 경우에 있어서 용접시 인가되는 용접입열량이 용접부의 고온균열 발생 여부에 주요한 영향을 미치는 요소임을 확인하고 본 발명을 도출하게 되었다. 즉, 본 발명의 일 측면에 따른 용접강관의 제조방법은 오스테나이트계 강판의 용접시에 인가되는 용접입열량을 1.0~4.3kJ/mm의 범위로 제어하므로, 용접라인에서 발생하는 고온균열을 효과적으로 억제할 수 있다. 바람직한 용접입열량은 4.2kJ/mm 이하일 수 있으며, 보다 바람직한 용접입열량은 4.1kJ/mm 이하일 수 있다.
이하, 본 발명의 일 측면에 따른 슬러리 이송용 용접강관에 대해 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 용접강관은, 오스테나이트가 기지조직인 용접강관모재부; 및 상기 용접강관모재부의 양 끝단을 서로 연결하는 용접부를 포함할 수 있다.
본 발명의 용접강관모재부는 전술한 오스테나이트계 강판과 대응하는 강 조성 및 미세조직을 가지므로, 인장강도가 800MPa 이상이고, DWTT 시험의 연성파면율이 85% 이상이 되는 온도가 -25℃ 이하이며, 표면경도(Hv)가 하기의 관계식 1을 만족할 수 있다.
[관계식 1]
18.7*[Mn] - 10.3*[Cr] + 1.7*[C] ≤ 표면경도(Hv) ≤ 22.1*[Mn] + 18,3*[Cr] + 2.4*[C]
상기 관계식 1에서, [Mn], [Cr] 및 [C]는 각각 상기 용접강관모재에 포함되는 Mn, Cr 및 C 함량(중량%)을 의미하며, 해당 성분을 포함하지 않는 경우 0을 대입한다.
본 발명의 용접부는 개선 가공 후 4.3kJ/mm 이하의 입열양이 인가되어 형성되므로, 용접부에서 고온균열이 발생하는 것을 최대한 억제할 수 있다. 즉, 용융라인 상에 고온균열이 형성되는 것이 최대한 억제되며, 고온균열이 발생하더라도 고온균열의 최대 균열 길이가 0.5mm 이하의 수준으로 억제될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 측면에 따른 슬러리 이송용 용접강관은 우수한 내마모성 및 저온인성을 가질 뿐만 아니라, 용접부에서의 고온균열 형성을 최소화 하므로, 슬러리 이송용으로 특히 적합한 물성을 제공할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명의 일 측면에 따른 슬러리 이송용 용접강관 및 그 제조방법에 대해 보다 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 특정하기 위한 것이 아님을 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정된다.
(실시예 1)
아래의 표 1에 기재된 합금성분을 가지는 슬라브를 준비한 후, 아래의 표 2에 기재된 공정조건을 적용하여 시편을 제작하였다. 표 1에서 N 함량의 단위는 ppm이다.
강종 합금성분(wt%)
C Mn Cr Mo N P S
A 0.6 22 3 0.1 200 0.001 0.0007
B 1.2 18 2 0 0 0.001 0.0007
C 0.9 16 5 0.1 100 0.001 0.0007
시편 No. 강종 슬라브 가열 열간압연 냉각
가열온도
(℃)		 가열시간
(min)		 마무리압연
온도
(℃)		 냉각속도
(℃/s)		 냉각종료
온도
(℃)
1 A 1200 120 900 50 500
2 B 1200 120 900 50 500
3 C 1200 120 900 50 500
각 시편을 절단한 후 경면을 제작하고, 2vol%의 나이탈 에칭액을 이용하여 부식시킨 후 광학현미경과 전자주사현미경을 이용하여 미세조직을 관찰하였으며, 그 결과를 표 3에 기재하였다. 인장시험기를 이용하여 각 시편에 대한 인장실험을 실시하였으며, 그 결과를 표 3에 기재하였다.
시편 No. 강종 미세조직 인장강도
(MPa)
γ 분율
(면적%)		 γ 평균
결정립
크기
(㎛)		 쌍정
분율
(면적%)		 쌍정
평균
크기
(nm)
1 A 95 23 12 330 880
2 B 89 30 18 380 955
3 C 86 21 10 350 910
(실시예 2)
강종 A와 관련된 시편에 대해 아래의 조건 1 및 조건 2로 X 개선 가공을 실시하였으며, 이후 순차적으로 동일한 조건의 성형 및 SAW 용접을 실시하여 용접 시험편 1 및 용접 시험편 2를 제작하였다.
조건 1 - 내면 개선 깊이(H1) < t/4+0.5mm, 루트면 길이(Hr) > 3.5mm
조건 2 - 내면 개선 깊이(H1): t/4+0.5mm ~ t/4+4.0mm, 루트면 길이(Hr): 0.5~3.5mm
이후 광학 현미경 및 주사전자현미경을 이용하여 용접 시험편 1 및 용접 시험편 2의 용접부 단면을 관찰하다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명이 제한하는 개선 가공 조건을 만족하지 않은 용접 시험편 1의 용접부에는 결함이 발생하는 반면, 본 발명이 제한하는 개선 가공 조건을 만족하는 용접 시험편 2의 용접부에는 결함이 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다.
(실시예 3)
강종 A의 시편에 대해 다음의 용접 조건으로 용접을 실시한 후 광학현미경을 이용하여 용접부의 고온균열 발생 여부를 평가하였다.
790A*38V를 이용하여 4.4kJ/mm의 입열양으로 SAW(sub-merged arc welding) 용접을 실시하여 용접 시험편 3을 제작하였으며, 용접 시험편 3의 용접부에서는 최대 균열 길이가 0.5mm를 초과하는 고온균열이 용접부에서 확인되었다. 반면, 650A*35V를 이용하여 3.5kJ/mm의 입열양으로 SAW(sub-merged arc welding) 용접을 실시하여 용접 시험편 4를 제작하였으며, 용접 시험편 4의 용접부에서는 최대 균열 길이가 0.5mm를 초과하는 고온균열이 용접부에서 확인되지 않았다. 따라서, 본 발명의 일 측면에 따른 용접강관은 용접부에서의 균열 발생이 효과적으로 억제된 것을 알 수 있다.
이상에서 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 실시예들에 한정되지 않는다.

Claims (9)

  1. 중량%로, C: 0.5~1.2%, Mn: 12~28%, Cr: 6.0% 이하(0% 포함), Mo: 0.5% 이하(0% 포함), N: 0.003% 이하(0% 포함), P: 0.025% 이하, S: 0.025% 이하, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 오스테나이트계 강판을 준비하고 재단하는 단계;
    상기 재단된 오스테나이트계 강판의 양쪽 단부를 개선 가공하는 단계;
    상기 오스테나이트계 강판을 관형으로 성형하여 개선 가공된 단부가 맞대기부를 형성되도록 하는 단계; 및
    상기 맞대기부를 용접하여 용접강관을 제공하는 단계를 포함하는, 고강도 용접강관의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 개선 가공 시,
    상기 오스테나이트계 강판의 두께를 t(mm)라고 했을 때, 내면 개선 깊이가 t/4+0.5mm 내지 t/4+4.0mm의 범위를 만족하고, 루트면의 길이가 0.5~3.5mm를 만족하도록 내면을 개선 가공하는, 고강도 용접강관의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 개선 가공은 X개선 가공 또는 Y개선 가공 중에서 선택된 어느 하나인,고강도 용접강관의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 오스테나이트계 강판의 표면경도는 하기의 관계식 1를 만족하는, 고강도 용접강관의 제조방법.
    [관계식 1]
    18.7*[Mn] - 10.3*[Cr] + 1.7*[C] ≤ 표면경도(Hv) ≤ 22.1*[Mn] + 18,3*[Cr] + 2.4*[C]
    상기 관계식 1에서, [Mn], [Cr] 및 [C]는 각각 상기 강판에 포함되는 Mn, Cr 및 C 함량(중량%)을 의미하며, 해당 성분을 포함하지 않는 경우 0을 대입한다.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 오스테나이트계 강판은 미세조직으로 80면적% 이상의 오스테나이트를 포함하고,
    상기 오스테나이트의 평균 결정립 크기는 60㎛ 이하인, 고강도 용접강관의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 오스테나이트계 강판은 20면적% 이하의 쌍정(Twin)을 포함하며,
    상기 쌍정의 평균 크기는 400nm 이하인, 고강도 용접강관의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    스파이럴 성형법, UOE 프레스법, 롤밴딩법 및 JCO 성형법 중에서 선택된 어느 하나의 성형방법을 이용하여 상기 오스테나이트계 강판을 10~40” 직경의 관형으로 성형하는, 고강도 용접강관의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 맞대기부의 용접방법은,
    SMAW(shield metal arc welding), GMAW(gas metal arc welding), GTAW(gas tungsten arc welding), FCAW(flux cored arc welding) 및 SAW(sub-merged arc welding) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 아크용접이거나,
    전기저항용접(ERW, electric resistance welding)인, 고강도 용접강관의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 맞대기부는 1.0~4.3kJ/mm의 입열양으로 용접되는, 고강도 용접강관의 제조방법.
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