KR20230102790A - 라인파이프용 강재 및 그 제조방법 - Google Patents

라인파이프용 강재 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20230102790A
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윤동현
김형섭
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현대제철 주식회사
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Abstract

본 발명은, 중량%로, 탄소(C): 0.06% ~ 0.09%, 실리콘(Si): 0.15% ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.50% ~ 1.70%, 알루미늄(Al): 0.02% ~ 0.06%, 몰리브덴(Mo): 0.15% ~ 0.35%, 니오븀(Nb): 0.04% ~ 0.06%, 바나듐(V): 0.02% ~ 0.04%, 티타늄(Ti): 0.01% ~ 0.03%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02% 이하, 황(S): 0% 초과 ~ 0.005% 이하, 및 잔부는 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 침상형 페라이트, 다각형 페라이트 및 베이나이트 페라이트의 혼합조직을 가지는, 라인파이프용 강재를 제공한다.

Description

라인파이프용 강재 및 그 제조방법{Steel for line pipe and method of manufacturing the same}
본 발명의 기술적 사상은 강재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 장시간 후열처리 보증용 API 라인파이프용 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 자원 고갈의 문제점이 대두됨에 따라 심해저 혹은 극지방에서의 석유 시추 및 수송 작업이 증가하고 있다. 이와 같이, 송유관 라인이 일반 지역에서 영구동토층, 지진대와 같은 특수 지역으로 이동함에 따른 에너지 자원 수송 안정성의 요구가 증가되고 있다. 따라서, 극한 환경에 적용 가능한 라인파이프용 강재를 개발하기 위하여, 65kg급 고변형능 강재에 대한 연구가 필요하다.
종래의 65kg급 라인파이프 강재는 고인성 및 저온파괴인성 뿐만 아니라 고강도의 특성을 확보해야 하기 때문에 대량의 합금원소를 첨가하여 생산을 진행하지만 합금원소 첨가량 증가에 따른 수익성 하락의 문제가 발생한다. 또한, 최근 라인파이프의 사용환경이 고압, 극한지로 변경되면서 장시간의 후열처리(PWHT, Post Weld Heat Treatment) 이후에도 고강도의 재질을 확보해야 한다는 추세 대응에 어려움이 존재 한다.
한국특허출원번호 제10-2010-0135245호
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 합금원소 첨가량 증가에 기인한 수익성 하락을 개선하고 동시에 공정라인에서의 제조조건 최적화를 통해 제품의 가격 경쟁력을 향상시키면서 장시간 후열처리 이후 재질을 보증할 수 있는 65kg급 라인파이프 강재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의하면, 라인파이프용 강재 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 라인파이프용 강재는, 중량%로, 탄소(C): 0.06% ~ 0.09%, 실리콘(Si): 0.15% ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.50% ~ 1.70%, 알루미늄(Al): 0.02% ~ 0.06%, 몰리브덴(Mo): 0.15% ~ 0.35%, 니오븀(Nb): 0.04% ~ 0.06%, 바나듐(V): 0.02% ~ 0.04%, 티타늄(Ti): 0.01% ~ 0.03%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02% 이하, 황(S): 0% 초과 ~ 0.005% 이하, 및 잔부는 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,침상형 페라이트, 다각형 페라이트 및 베이나이트 페라이트의 혼합조직을 가진다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 라인파이프용 강재는 0.40 이하의 탄소 당량(Ceq)을 가질 수 있다. 여기에서, Ceq = [C] + [Mn]/6 + ([Ni] + [Cu])/15 + ([Cr] + [Mo] + [V])/5 이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 라인파이프용 강재는 0.19 이하의 용접균열 감수성지수(Pcm)를 가질 수 있다. 여기에서, Pcm = [C] + [Si]/30 + ([Mn] + [Cu] + [Cr])/20 + [Ni]/60 + [Mo]/15 + [V]/10 + 5[B] 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 라인파이프용 강재는, PWHT(Post Weld Heat Treatment) 전후, 인장강도(TS): 625 MPa ~ 825 MPa, 항복강도(YS): 580 MPa ~ 705 MPa, 연신율(EL): 21% 이상, -50℃의 온도에서 저온충격인성: 100 J 이상 및 경도: 248 Hv 이하를 만족할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 라인파이프용 강재는, PWHT(Post Weld Heat Treatment) 전후, 상기 다각형 페라이트의 분율이 10 vol.% ~ 20 vol.%이고, 상기 베이나이트 페라이트의 분율이 20 vol.% ~ 40 vol.%이고, 상기 침상형 페라이트의 분율이 50 vol.% ~ 70 vol.%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 페라이트의 평균 입도 크기는 10 μm ~ 15 μm 범위인일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 라인파이프용 강재의 제조 방법은 중량%로, 탄소(C): 0.06% ~ 0.09%, 실리콘(Si): 0.15% ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.50% ~ 1.70%, 알루미늄(Al): 0.02% ~ 0.06%, 몰리브덴(Mo): 0.15% ~ 0.35%, 니오븀(Nb): 0.04% ~ 0.06%, 바나듐(V): 0.02% ~ 0.04%, 티타늄(Ti): 0.01% ~ 0.03%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02% 이하, 황(S): 0% 초과 ~ 0.005% 이하, 및 잔부는 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 1,000℃ ~ 1,250℃의 온도에서 재가열하는 단계; 상기 가열된 강재를 850℃ ~ 950℃의 온도에서 종료되도록 열간압연하는 단계; 및 상기 열간압연된 강재를 냉각하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 냉각하는 단계는, 20℃/초 ~ 40℃/초의 냉각속도로 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 냉각하는 단계는, 150℃ ~ 350℃의 냉각종료온도로 냉각될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 라인파이프용 강재의 제조 방법에 의하여 제조된 라인파이프용 강재는 침상형 페라이트, 다각형 페라이트 및 베이나이트 페라이트의 혼합조직을 가지고, PWHT(Post Weld Heat Treatment) 전후, 상기 다각형 페라이트의 분율이 10 vol.% ~ 20 vol.%이고, 상기 베이나이트 페라이트의 분율이 20 vol.% ~ 40 vol.%이고, 상기 침상형 페라이트의 분율이 50 vol.% ~ 70 vol.%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 라인파이프용 강재의 제조 방법에 의하여 제조된 라인파이프용 강재는, PWHT(Post Weld Heat Treatment) 전후, 인장강도(TS): 625 MPa ~ 825 MPa, 항복강도(YS): 580 MPa ~ 705 MPa, 연신율(EL): 21% 이상, -50℃의 온도에서 저온충격인성: 100 J 이상, 및 경도: 248 Hv 이하를 만족할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 라인파이프용 강재의 제조 방법에 의하여 제조된 라인파이프용 강재는, 0.40 이하의 탄소 당량(Ceq)을 가지고, 0.19 이하의 용접균열 감수성지수(Pcm)를 가질 수 있다. 여기에서, Ceq = [C] + [Mn]/6 + ([Ni] + [Cu])/15 + ([Cr] + [Mo] + [V])/5 이고, Pcm = [C] + [Si]/30 + ([Mn] + [Cu] + [Cr])/20 + [Ni]/60 + [Mo]/15 + [V]/10 + 5[B] 일 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의할 경우, 합금원소 첨가량 증가에 기인한 수익성 하락을 개선하고 동시에 공정라인에서의 제조조건 최적화를 통해 제품의 가격 경쟁력을 향상시키면서 장시간 후열처리 이후 재질을 보증할 수 있는 65kg급 라인파이프 강재 및 그 제조방법을 구현할 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 라인파이프용 강재의 제조방법을 개략적으로 나타낸 공정 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실험예 중 실시예2에 따른 라인파이프용 강재의 후열처리 전 미세조직을 나타내는 현미경 사진이다.
도 3은 본 발명의 실험예 중 실시예2에 따른 라인파이프용 강재의 후열처리 후 미세조직을 나타내는 현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 실험예 중 비교예1에 따른 라인파이프용 강재의 후열처리 전 미세조직을 나타내는 현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 실험예 중 실시예2에 따른 라인파이프용 강재의 후열처리 후 미세조직에 나타나는 석출물을 분석한 현미경 사진 및 성분 분석 결과를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
통상적으로 라인파이프 강재는 기계적 강도 뿐만 아니라 고인성 및 용접성이 중요하기 때문에 해당 요소들의 가장 민감한 지표인 탄소당량(Ceq)를 줄이고자 탄소(C)의 함량을 엄격히 제한하고 있다. 이는 합금철 사용량 증가라는 과정으로 자연스럽게 연결된다. 하지만 최근 공급 과잉에 따른 원가경쟁력 강화를 위해 각 철강사들은 값비싼 합금철 사용을 제한하고자 노력하고 있다. 이를 위하여 본 발명에서는 합금철 첨가를 줄이고 적정 수준의 탄소(C), 망간(Mn)을 첨가한다.
일반적으로 라인파이프강 제조 시에 냉각종료온도가 낮아짐에 따라 결정립 미세화 효과 및 저온 변태상의 분율 증가로 인해 항복강도가 증가하는 경향을 보이다 일정 온도 이하로 내려가면 오히려 항복강도가 감소하고 인장강도는 증가하는데 이는 이차상의 분율과 밀접한 관련이 있다. 또한 장시간 후열처리 후 강도를 보증해야 하기 때문에 본 발명의 강판에서는 50 vol.% ~ 70 vol.%의 침상형 페라이트와 20 vol.% ~ 40 vol.%의 저온변태조직을 형성한 뒤 후열처리를 통해 저온변태조직 계열의 저온상을 템퍼링하여 인성을 높이고 , 탄질화물들을 석출시켜 강도가 하락하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 라인파이프용 강재를 개발하고자 한다.
앞서 언급했듯이 고가의 합금철 Cr, Ni, Cu 등은 C의 함량을 엄격히 제한하는 API 라인파이프 강재의 재질 확보를 위한 필수적인 원소들이지만 반제품의 제조 원가를 높이는 주요 요인으로 작용한다. 때문에 본 발명에서는 해당 합금들을 제외하고 기타 미량원소 첨가량과 제조조건의 최적화를 위한 연구 결과를 반영하였다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 라인파이프용 강재 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
라인파이프용 강재
본 발명의 일 측면인 라인파이프용 강재는, 중량%로, 탄소(C): 0.06% ~ 0.09%, 실리콘(Si): 0.15% ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.50% ~ 1.70%, 알루미늄(Al): 0.02% ~ 0.06%, 몰리브덴(Mo): 0.15% ~ 0.35%, 니오븀(Nb): 0.04% ~ 0.06%, 바나듐(V): 0.02% ~ 0.04%, 티타늄(Ti): 0.01% ~ 0.03%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02% 이하, 황(S): 0% 초과 ~ 0.005% 이하, 및 잔부는 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
이하, 본 발명에 따른 라인파이프용 강재에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다. 이때, 성분 원소의 함유량은 모두 중량%를 의미한다.
탄소(C): 0.06% ~ 0.09%
탄소는 강의 강도를 확보하기 위해 첨가된다. 탄소의 함량이 0.06% 미만인 경우에는, 강도 확보가 어려울 수 있다. 탄소의 함량이 0.09%를 초과하는 경우에는, 저온 충격인성 및 용접성 등이 저하될 수 있다. 따라서, 탄소는 강재 전체 중량의 0.06% ~ 0.09%로 첨가되는 것이 바람직하다.
실리콘(Si): 0.15% ~ 0.40%
실리콘은 강의 강도를 높이는데 기여한다. 또한, 페라이트 안정화 원소로서, 페라이트 형성을 유도함으로써 강의 인성 및 연성을 개선하는데 효과적이다. 실리콘의 함량이 0.15% 미만인 경우에는, 첨가 효과가 불충분하다. 실리콘의 함량이 0.40%를 초과하는 경우에는, 열연 공정 중 가열로에서 적스케일(redscale)을 생성하여 강의 표면품질이 저하되며, 용접성이 열화될 수 있다. 따라서, 실리콘은 강재 전체 중량의 0.15% ~ 0.40%로 첨가되는 것이 바람직하다.
망간(Mn): 1.50% ~ 1.70%
망간은 고용강화 및 강의 경화능 향상에 기여하는 원소이다. 망간의 함량이 1.50% 미만인 경우에는, 첨가 효과가 불충분하다. 망간의 함량이 1.70%를 초과하는 경우에는, 첨가량 증가에 따른 상승 효과가 미미하고, MnS 개재물 및 산화물을 형성하여 라인파이프 조관시 강의 용접성을 저해할 수 있다. 따라서, 망간은 강재 전체 중량의 1.50% ~ 1.70%로 첨가되는 것이 바람직하다.
알루미늄(Al): 0.02% ~ 0.06%
알루미늄은 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제 역할을 한다. 알루미늄의 함량이 0.02% 미만일 경우에는, 첨가 효과가 불충분하다. 알루미늄의 함량이 0.06%를 초과하는 경우에는, 비금속 개재물인 Al2O3를 형성하여 저온 충격인성을 저하될 수 있다. 따라서, 알루미늄은 강재 전체 중량의 0.02% ~ 0.06%로 첨가되는 것이 바람직하다.
몰리브덴(Mo): 0.15% ~ 0.35%
몰리브덴은 고용강화에 효과적으로 작용하여 강도를 향상시키나 과도하게 첨가할 경우 연신율이 감소하고 탄소 당량을 증가시켜 용접성이 저하될 수 있다. 따라서, 몰리브덴은 강판 전체 중량의 0.15% ~ 0.35%로 제어하는 것이 바람직하다.
니오븀(Nb): 0.04% ~ 0.06%
니오븀은 강 중에 탄질화물(NbC)을 석출하여, 결정립계를 피닝시키는(pinning) 역할을 하며, 고온에서 발생하는 결정립계 미끄러짐(grain boundary sliding, GBS) 및 전위 이동을 방해하여, 강도를 향상시킬 수 있다. 니오븀의 함량이 0.04% 미만일 경우에는, 첨가 효과가 불충분하다. 니오븀의 함량이 0.06%를 초과하는 경우에는, 첨가량 증가에 따른 상승 효과가 미미하며, 과다한 석출로 인해 연주성, 압연성 및 연신율이 저하될 수 있다. 따라서, 니오븀은 강재 전체 중량의 0.04% ~ 0.06%로 첨가되는 것이 바람직하다.
바나듐(V): 0.02% ~ 0.04%
바나듐(V)은 니오븀(Nb)과 함께 열간 압연시 재결정을 지연시켜 결정립 미세화를 도모할 수 있다. 또한, 고용 강화 및 복합 석출물 형성을 통해 강도 향상에 기여할 수 있다. 한 구체예에서, 상기 바나듐은 강재 전체 중량의 0.02% ~ 0.04%로 포함된다. 바나듐의 함량이 0.02% 미만인 경우 상술한 효과를 구현하기 어려우며, 0.04%를 초과하여 첨가되는 경우, 용접성을 저하시키고 저온에서의 과다 석출에 의하여 권취시 문제를 발생시킬 수 있다.
티타늄(Ti): 0.01% ~ 0.03%
티타늄은 고온 안정성이 우수한 Ti(C,N) 석출물을 생성시킴으로써 용접 시 오스테나이트 결정립 성장을 방해하여 용접부 조직을 미세화시켜 열연 제품의 인성 및 강도를 향상시킨다. 티타늄의 함량이 0.01% 미만일 경우에는, 첨가 효과가 불충분하다. 티타늄의 함량이 0.03%를 초과하는 경우에는, 조대한 석출물을 생성시켜 강의 인성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 티타늄은 강재 전체 중량의 0.01% ~ 0.03%로 첨가되는 것이 바람직하다.
인(P): 0% 초과 ~ 0.02% 이하
인은 충격인성을 저하시키는 대표적인 원소로서 그 함량이 낮으면 낮을수록 좋다. 인을 0.02%를 초과하여 포함하는 경우에는, 용접성 및 인성이 저하될 수 있다. 인은 강재 전체 중량의 0% 초과 ~ 0.02% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
황(S): 0% 초과 ~ 0.005% 이하
황은 인과 함께 강의 제조 시 불가피하게 함유되는 원소로서, 강의 인성 및 용접성을 저해할 수 있다. 상기 황을 0.005%를 초과하여 포함하는 경우에는, 유화물계 개재물(MnS)을 형성하여 응력부식균열에 대한 저항성을 악화시켜 강의 가공 중 크랙을 발생시킬 수 있고, 그 결과 강의 내부식성을 저하시킬 수 있다. 황은 강재 전체 중량의 0% 초과 ~ 0.005% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않은 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 본 명세서에서 특별히 언급하지는 않는다.
상기 강재의 탄소 당량(Ceq)과 용접균열 감수성지수(Pcm)는 각각 식 1 및 식 2와 같다.
[식 1]
Ceq = [C] + [Mn]/6 + ([Ni] + [Cu])/15 + ([Cr] + [Mo] + [V])/5
[식 2]
Pcm = [C] + [Si]/30 + ([Mn] + [Cu] + [Cr])/20 + [Ni]/60 + [Mo]/15 + [V]/10 + 5[B]
상기 식 1 및 식 2에서, [C], [Mn], [Ni], [Cu], [Cr], [Mo], [V], [Si] 및 [B]는, 상기 강재에 포함되는 탄소(C), 망간(Mn), 니켈(Ni), 구리(Cu), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 실리콘(Si) 및 보론(B)의 함량이며, 각각의 단위는 중량%이다.
상기 강재는 상기 식 1에 따른 탄소 당량(Ceq)이 0.4 이하일 수 있다. 예를 들어 탄소 당량(Ceq)은 0.2 ~ 0.4일 수 있다. 상기 식 1에 따른 탄소 당량(Ceq)이 0.4를 초과하는 경우, 용접성이 저하될 수 있다.
상기 강재는 상기 식 2에 따른 용접균열 감수성지수(Pcm)가 0.19 이하일 수 있다. 예를 들어 용접균열 감수성지수(Pcm)는 0.11 ~ 0.19일 수 있다. 상기 식 2에 따른 용접균열감수성지수(Pcm)가 0.19를 초과하는 경우 용접성이 저하될 수 있다.
전술한 합금 조성의 구체적인 성분 및 이들의 함량 범위를 제어하고, 후술하는 강재의 제조 방법을 통해 제조된 라인파이프용 강재는, 인장강도(TS): 625 MPa ~ 825 MPa, 항복강도(YS): 580 MPa ~ 705 MPa, 연신율(EL): 21% 이상, -50℃의 온도에서 저온충격인성: 100 J 이상, 및 경도: 248 Hv 이하를 만족할 수 있다.
나아가, 본 발명의 상기 강재를 조관하여 라인파이프를 형성하는 동안 또는 형성한 후 인가하는 열처리, 예를 들어, PWHT(Post Weld Heat Treatment) 후의 강재에서도, 인장강도(TS): 625 MPa ~ 825 MPa, 항복강도(YS): 580 MPa ~ 705 MPa, 연신율(EL): 21% 이상, -50℃의 온도에서 저온충격인성: 100 J 이상, 및 경도: 248 Hv 이하를 만족할 수 있다.
상기 라인파이프용 강재는 침상형 페라이트(AF), 다각형 페라이트(PF) 및 베이나이트 페라이트(BF)의 혼합조직을 가질 수 있다.
상기 다각형 페라이트의 분율은, 예를 들어 10 vol.% ~ 20 vol.%일 수 있고, 상기 베이나이트 페라이트의 분율은, 예를 들어 20 vol.% ~ 40 vol.%일 수 있다. 또한, 상기 침상형 페라이트의 분율은 50 vol.% ~ 70 vol.%을 포함할 수 있고, 예를 들어 70% ~ 90% 일 수 있다. 상술한 상분율 범위는 본 발명의 상기 강재를 조관하여 라인파이프를 형성하는 동안 또는 형성한 후 인가하는 열처리, 예를 들어, PWHT(Post Weld Heat Treatment) 후의 강재에서도 적용될 수 있다. 한편, 상기 분율은 상기 강재의 미세조직 사진을 이미지 분석기를 통하여 도출한 부피비율을 의미한다.
상기 페라이트의 평균 입도 크기는 10 μm ~ 15 μm 범위일 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 라인파이프용 강재의 제조방법에 관하여 설명한다.
강재의 제조 방법
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 라인파이프용 강재의 제조방법을 개략적으로 나타낸 공정 순서도이다.
본 발명에 따른 강재의 제조방법에서 열연공정의 대상이 되는 반제품은 예시적으로 슬라브(slab)일 수 있다. 반제품 상태의 슬라브는 제강공정을 통해 소정의 조성의 용강을 얻은 다음에 연속주조공정을 통해 확보할 수 있다.
상기 강재는, 중량%로, 탄소(C): 0.06% ~ 0.09%, 실리콘(Si): 0.15% ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.50% ~ 1.70%, 알루미늄(Al): 0.02% ~ 0.06%, 몰리브덴(Mo): 0.15% ~ 0.35%, 니오븀(Nb): 0.04% ~ 0.06%, 바나듐(V): 0.02% ~ 0.04%, 티타늄(Ti): 0.01% ~ 0.03%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02% 이하, 황(S): 0% 초과 ~ 0.005% 이하, 및 잔부는 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 라인파이프용 강재의 제조방법은 재가열단계(S110), 열간압연 단계(S120), 및 냉각 단계(S130)를 포함한다.
구체적으로, 상기 라인파이프용 강재의 제조방법은, 상기 조성을 가지는 강재를 1,000℃ ~ 1,250℃의 온도에서 재가열하는 단계(S110); 상기 재가열된 강재를 850℃ ~ 950℃의 온도에서 종료되도록 열간압연하는 단계(S120); 및 상기 열간압연된 강재를 냉각하는 단계(S130)를 포함할 수 있다.
상기 냉각하는 단계는, 20℃/초 ~ 40℃/초의 냉각속도로 150℃ ~ 350℃의 냉각종료온도로 냉각될 수 있다.
재가열 단계(S110)
재가열 단계(S110)에서는 상기의 조성을 갖는 강재를, 예를 들어 슬라브 판재를, 예를 들어 1,000℃ ~ 1,250℃의 재가열 온도(Slab Reheating Temperature, SRT)에서 재가열한다. 이러한 재가열을 통해, 주조 시 편석된 성분의 재고용 및 석출물의 재고용이 발생할 수 있다. 상기 재가열 온도가 1,000℃ 미만인 경우에는, 재가열 온도가 낮아 압연 부하가 커질 수 있고, 니오븀의 완전 고용이 어려워져 미세 분산 효과가 감소하여 강도확보가 어려울 수 있다. 또한, 니오븀계 석출물인 NbC, NbN 등의 고용 온도에 이르지 못해 열간압연 시 미세한 석출물로 재석출되지 못하여 오스테나이트의 결정립 성장을 억제하지 못해 오스테나이트 결정립이 급격히 조대화될 수 있다. 또한, 불순물 및 석출물 형성 원소들의 고용이 충분하지 않으며, 주조시 편석된 성분들이 충분히 고르게 분포되지 않는 문제점이 있다. 상기 재가열 온도가 1,250℃를 초과하는 경우에는, 오스테나이트 결정립이 급격히 조대화되어 제조되는 강판의 강도 및 저온인성 확보가 어려울 수 있다. 또한 재가열 온도가 올라갈수록 가열 비용 및 열간압연 온도를 맞추기 위한 추기 시간 소요 등으로 제조 비용 상승 및 생산성 저하를 야기하는 문제점이 있다.
열간압연 단계(S120)
상기 가열된 강재는 먼저 그 형상의 조정을 위해 가열 후에 열간압연을 실시한다. 상기 열간압연은 폭압연, 조압연, 및 사상압연으로 연속적으로 수행될 수 있다. 상기 열간압연 단계에 의하여, 상기 강재는 강판을 형성할 수 있다.
상기 열간압연은, 즉 상기 사상압연은, 예를 들어 850℃ ~ 950℃, 예를 들어 900℃ ~ 950℃의 마무리 압연 종료온도(finish rolling temperature, FRT)에서 종료될 수 있다. 이러한 압연 조건은 Ar3 직상의 단상역 압연이 수행되는 조건일 수 있다. 상기 마무리 압연 종료온도가 850℃ 미만인 경우에는, 이상역 압연이 발생하여 불균일 조직이 형성됨으로써 저온 충격인성을 크게 저하시킬 수 있다. 상기 압연 종료 온도가 950℃를 초과하는 경우에는, 연성 및 인성은 우수하나, 강도가 급격히 저하될 수 있다.
냉각 단계(S130)
상기 열간압연된 강재를 20℃/초 ~ 40℃/초의 냉각속도로 150℃ ~ 350℃의 냉각종료온도로 냉각한다. 상기 냉각은 공냉 방식 또는 수냉 방식으로 수행될 수 있다. 상기 냉각속도범위로 냉각시, 경도가 상승하여 저온 인성이 저하되는 현상을 방지하면서, 저온 미세조직을 충분히 확보할 수 있다.
상술한 급속 냉각속도 및 냉각종료온도를 상술한 범위 내에서 조절하는 경우 침상페라이트와 저온변태조직(베이나이트, 일부 마르텐사이트) 조직 형성을 통해 65kg급 API 라인파이프 소재 특성을 확보할 수 있다. 나아가, 장시간의 후열처리(예를 들어, PWHT; Post Weld Heat Treatment)를 통해 상기 저온변태조직의 템퍼링 효과를 부여할 수 있으며 탄화물 석출을 통한 장시간 후열처리 후 강도 하락 방지를 구현할 수 있다.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예를 제시한다. 다만, 다음의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 다음의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실험예
표 1 및 표 2는 비교예들과 실시예들의 라인파이프용 강재의 조성을 나타낸다. 표 1 및 표 2에서 잔부는 철(Fe)과 제강 공정 등에서 불가피하게 함유되는 불순물로 이루어진다. 각각의 성분의 함량 단위는 중량%이다. 표 2에는 탄소 당량(Ceq)과 용접균열 감수성지수(Pcm)가 기재되어 있다.
구분 C Si Mn Al Mo Nb V Ti
비교예1,2 0.06 0.25 1.7 0.04 0.20 0.04 0.02 0.015
실시예1,2,3 0.07 0.25 1.6 0.04 0.25 0.05 0.03 0.020
구분 P S Cu Cr Ni Ceq Pcm
비교예1,2 0.01 0.003 0.15 0.3 0.3 0.477 0.196
실시예1,2,3 0.01 0.003 0 0 0 0.392 0.178
표 1 및 표 2를 참조하면, 실시예1, 실시예2, 실시예3은 본 발명의 일 실시예에 따른 라인파이프용 강재의 조성범위인 중량%로, 탄소(C): 0.06% ~ 0.09%, 실리콘(Si): 0.15% ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.50% ~ 1.70%, 알루미늄(Al): 0.02% ~ 0.06%, 몰리브덴(Mo): 0.15% ~ 0.35%, 니오븀(Nb): 0.04% ~ 0.06%, 바나듐(V): 0.02% ~ 0.04%, 티타늄(Ti): 0.01% ~ 0.03%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02% 이하, 황(S): 0% 초과 ~ 0.005% 이하, 및 잔부는 철(Fe)의 범위를 만족한다.
이에 반하여, 비교예1, 비교예2는 실시예1, 2, 3 보다 망간(Mn)의 함량이 다소 높으며, 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb), 바나듐(V), 티타늄(Ti)의 함량이 다소 낮다. 특히, 비교예1, 비교예2는, 실시예1, 2, 3과 달리, 구리(Cu), 크롬(Cr), 니켈(Ni)을 더 함유한다는 점에서 특이점이 있다.
상술한 조성을 가지는 실시예1, 실시예2, 실시예3은 앞에서 설명한 식 1에 따른 탄소 당량(Ceq)이 0.392로서 0.4 이하의 범위를 만족하며, 앞에서 설명한 식 2에 따른 용접균열 감수성지수(Pcm)가 0.178로서 0.19 이하의 범위를 만족한다. 이에 반하여, 비교예1, 비교예2는 탄소 당량(Ceq)이 0.477로서 0.4 이하의 범위를 상회하여 만족하지 못하며, 용접균열 감수성지수(Pcm)가 0.196이며 0.19 이하의 범위를 상회하여 만족하지 못한다.
표 3은 라인파이프용 강재의 실시예들과 비교예들의 공정 조건 값들을 나타낸다. 강재 두께는 31.8t이다.
구분 재가열온도
(℃)		 압연종료 온도
(℃)		 냉각종료온도
(℃)		 냉각속도
(℃/초)
비교예1 1172 831 482 21
비교예2 1191 840 520 25
실시예1 1198 895 350 34
실시예2 1199 903 311 35
실시예3 1196 892 286 30
표 3을 참조하면, 실시예1, 실시예2, 실시예3은 본 발명의 실시예에 따른 라인파이프용 강재의 제조방법의 공정 조건을 만족하는 바, 구체적으로, 재가열온도: 1,000℃ ~ 1,250℃, 압연종료 온도: 850℃ ~ 950℃, 냉각속도: 20℃/초 ~ 40℃/초, 냉각종료온도: 150℃ ~ 350℃의 범위를 모두 만족한다.
이에 반하여, 비교예1, 비교예2는 압연종료 온도: 850℃ ~ 950℃의 범위를 하회하여 만족하지 못하며, 냉각종료온도: 150℃ ~ 350℃의 범위를 상회하여 만족하지 못한다.
표 4와 표 5는 상기 제조된 라인파이프용 강재에 대하여, 기계적 물성으로서, 인장강도(TS, 단위:MPa), 항복강도(YS, 단위:MPa), 연신율(EL, 단위:%), -50℃에서의 저온충격인성(단위:J), 및 경도(단위:Hv)를 각각 PWHT(Post Weld Heat Treatment) 전후로 측정하여 그 결과를 나타낸다. PWHT(Post Weld Heat Treatment)는 610℃의 온도에서 240분 유지하는 열처리 조건을 적용하였다. 저온충격인성은 충격시험을 3회 실시한 결과를 나타낸다. 경도 측정은 Hv 10 max 248 조건에서 실시하였다.
구분 YS
(PWHT전)		 YS
(PWHT후)		 TS
(PWHT전)		 TS
(PWHT후)		 EL
(PWHT전)		 EL
(PWHT후)
비교예1 558 571 698 705 31 39
비교예2 581 556 707 656 39 43
실시예1 662 654 776 751 29 39
실시예2 653 628 784 786 31 42
실시예3 636 641 756 771 34 46
구분 저온충격인성
(PWHT전)		 저온충격인성
(PWHT후)		 경도
(PWHT전)		 경도
(PWHT후)
비교예1 308/299/34 321/313/316 217 220
비교예2 281/292/274 255/281/271 216 219
실시예1 232/206/210 361/331/231 231 221
실시예2 268/258/231 315/326/341 246 224
실시예3 223/286/261 306/301/312 223 219
표 4 및 표 5를 참조하면, 실시예1, 실시예2, 실시예3은 PWHT(Post Weld Heat Treatment) 전후, 인장강도(TS): 625 MPa ~ 825 MPa, 항복강도(YS): 580 MPa ~ 705 MPa, 연신율(EL): 21% 이상, -50℃의 온도에서 저온충격인성: 100 J 이상, 및 경도: 248 Hv 이하를 모두 만족한다. 이에 반하여, 비교예1은 PWHT(Post Weld Heat Treatment) 전후 항복강도(YS): 580 MPa ~ 705 MPa의 범위를 하회하여 만족하지 못하며, 비교예2는 PWHT(Post Weld Heat Treatment) 후 항복강도(YS): 580 MPa ~ 705 MPa의 범위를 하회하여 만족하지 못한다.
실시예1, 실시예2, 실시예3은 비교예1, 비교예2 대비 냉각종료온도 저감 효과로 인해 합금철 사용량 저감에도 열처리 전후 재질이 우수함을 확인할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실험예 중 실시예2에 따른 라인파이프용 강재의 후열처리 전 미세조직을 나타내는 현미경 사진이고, 도 3은 본 발명의 실험예 중 실시예2에 따른 라인파이프용 강재의 후열처리 후 미세조직을 나타내는 현미경 사진이고, 도 4는 본 발명의 실험예 중 비교예1에 따른 라인파이프용 강재의 후열처리 전 미세조직을 나타내는 현미경 사진이다. 후열처리인 PWHT(Post Weld Heat Treatment)는 610℃의 온도에서 240분 유지하는 열처리 조건을 적용하였다.
표 6은 상기 현미경 사진으로부터 도출한 라인파이프용 강재의 미세조직들의 부피 분율을 나타낸다. 표 6에서, 평균 결정립크기는 ASTM E112에 의하여 산출하였다.
(단위: 부피%) 실시예2
(PWHT전)		 실시예2
(PWHT후)		 비교예1
(PWHT전)
침상형 페라이트 (AF) 63 68 51
다각형 페라이트 (PF) 14 12 42
베이나이트 페라이트 (BF) 23 20 7
평균결정립크기 (μm) 13.8 12.6 12.3
도 2 내지 도 4와 표 6을 참조하면, 실시예2는 PWHT(Post Weld Heat Treatment) 전후, 상기 다각형 페라이트의 분율은 10 vol.% ~ 20 vol.%이고, 상기 베이나이트 페라이트의 분율은 20 vol.% ~ 40 vol.%이고, 상기 침상형 페라이트의 분율은 50 vol.% ~ 70 vol.%인 범위를 모두 만족한다.
이에 반하여, 비교예1은 다각형 페라이트의 분율: 10 vol.% ~ 20 vol.%의 범위를 상회하여 만족하지 못하며, 베이나이트 페라이트의 분율: 20 vol.% ~ 40 vol.%의 범위를 하회하여 만족하지 못한다.
실시예2는 비교예1 대비 냉각종료온도 저감 효과로 저온변태조직(베이나이트 페라이트) 분율이 7%에서 23%로 증가함을 확인할 수 있다. 실시예2는 비교예1 대비 침상형 페라이트와 저온변태조직인 베이나이트 페라이트 분율 증가로 미세조직 변화가 적어 후열처리인 PWHT(Post Weld Heat Treatment) 전후 열처리 기계적 물성이 우수함을 확인할 수 있다. 한편, 실시예에서는 석출물 효과로 열처리 후 재질이 상승할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실험예 중 실시예2에 따른 라인파이프용 강재의 후열처리 후 미세조직에 나타나는 석출물을 분석한 현미경 사진 및 성분 분석 결과를 나타낸 도면이다. 후열처리인 PWHT(Post Weld Heat Treatment)는 610℃의 온도에서 240분 유지하는 열처리 조건을 적용하였다.
도 5를 참조하면, 후열처리 이후 10nm 보다 큰 조대석출물과 10nm 이하의 미세석출물이 존재함을 확인할 수 있다. 성분 분석 결과, 10nm 보다 큰 조대석출물은 (Ti, Nb)(C, N) 석출물이며, 10nm 이하의 미세석출물은 (Mo, V, Nb)(C) 석출물인 것으로 확인되었다.
지금까지 본 발명의 기술적 사상에 따른 라인파이프용 강재 및 그 제조방법을 설명하였다.
고온에서 니오븀(Nb), 티타늄(Ti), 바나듐(V) 등은 강재의 탄질화물 형성원소로서 탄소와 함께 미세조직 제어를 위한 가장 중요한 원소이다. 때문에 본 발명에서는 니오븀(Nb), 티타늄(Ti), 바나듐(V)을 소량 첨가하여 고온에서 석출상을 형성함으로써 오스테나이트의 재결정을 억제하고 결정립을 미세하게 하며, 석출상을 형성시켜 강도를 증가시키고자 하였다. 또한 몰리브덴(Mo)을 추가로 첨가하여 후열처리 온도에서 NbC, VC, MoC 와 같은 탄화물을 생성시켜 강도가 하락하는 것을 방지하고자 하였다. 니오븀(Nb), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 몰리브덴(Mo) 원소의 소량 첨가로는 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu) 등과 같이 내부에 고용되거나 석출상을 형성하여 기계적 특성을 향상 시키는 역할을 대신 할 수 없기 때문에 압연과정에서 아래와 같은 컨셉을 활용하여 저원가 타입의 65Kg급 API 라인파이프강을 개발하였다. 급속 내각으로 침상페라이트와 저온변태조직(베이나이트, 일부 마르텐사이트) 조직 형성을 통해 65kg급 API 라인파이프 소재 특성을 확보할 수 있다. 나아가, 장시간의 후열처리(예를 들어, PWHT; Post Weld Heat Treatment)를 통해 상기 저온변태조직의 템퍼링 효과를 부여할 수 있으며 탄화물 석출을 통한 장시간 후열처리 후 강도 하락 방지를 구현할 수 있다. 저원가 달성 및 급속 냉각에 따른 재질 편차 극복을 위하여 탄소와 망간의 조성 범위를 제한하였고, 미재결정역 압하량 증대 원소 및 후열처리 석출원소 관리를 위하여 니오븀, 티타늄, 바나듐 및 몰리브덴의 조성 범위를 제한하였다.
본 발명에서 제시한 합금 성분 및 공정 제어를 통해 침상형 페라이트 분율을 극대화하고 저온변태조직 분율을 제어하여 합금 원소를 저감하면서도 장시간 후열처리 이후에도 비교강 대비 우수한 물성을 가진 65kg급 고강도 API 라인파이프용 후강판을 제공한다. 구리(Cu), 니켈(Ni), 크롬(Cr) 등의 고원가 합금원소 저감에 따른 수익성 개선 및 후열처리 전/후 재질을 안정적으로 확보하여 다양한 고객 요구에 적용 가능하여 강재 사용성을 높일 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (12)

  1. 중량%로, 탄소(C): 0.06% ~ 0.09%, 실리콘(Si): 0.15% ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.50% ~ 1.70%, 알루미늄(Al): 0.02% ~ 0.06%, 몰리브덴(Mo): 0.15% ~ 0.35%, 니오븀(Nb): 0.04% ~ 0.06%, 바나듐(V): 0.02% ~ 0.04%, 티타늄(Ti): 0.01% ~ 0.03%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02% 이하, 황(S): 0% 초과 ~ 0.005% 이하, 및 잔부는 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
    침상형 페라이트, 다각형 페라이트 및 베이나이트 페라이트의 혼합조직을 가지는,
    라인파이프용 강재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 라인파이프용 강재는,
    0.40 이하의 탄소 당량(Ceq)을 가지는,
    (여기에서, Ceq = [C] + [Mn]/6 + ([Ni] + [Cu])/15 + ([Cr] + [Mo] + [V])/5 임)
    라인파이프용 강재.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 라인파이프용 강재는,
    0.19 이하의 용접균열 감수성지수(Pcm)를 가지는,
    (여기에서, Pcm = [C] + [Si]/30 + ([Mn] + [Cu] + [Cr])/20 + [Ni]/60 + [Mo]/15 + [V]/10 + 5[B] 임)
    라인파이프용 강재.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 라인파이프용 강재는, PWHT(Post Weld Heat Treatment) 전후, 인장강도(TS): 625 MPa ~ 825 MPa, 항복강도(YS): 580 MPa ~ 705 MPa, 연신율(EL): 21% 이상, -50℃의 온도에서 저온충격인성: 100 J 이상, 및 경도: 248 Hv 이하를 만족하는,
    라인파이프용 강재.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 라인파이프용 강재는, PWHT(Post Weld Heat Treatment) 전후, 상기 다각형 페라이트의 분율은 10 vol.% ~ 20 vol.%이고, 상기 베이나이트 페라이트의 분율은 20 vol.% ~ 40 vol.%이고, 상기 침상형 페라이트의 분율은 50 vol.% ~ 70 vol.%인,
    라인파이프용 강재.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 페라이트의 평균 입도 크기는 10 μm ~ 15 μm 범위인,
    라인파이프용 강재.
  7. 중량%로, 탄소(C): 0.06% ~ 0.09%, 실리콘(Si): 0.15% ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.50% ~ 1.70%, 알루미늄(Al): 0.02% ~ 0.06%, 몰리브덴(Mo): 0.15% ~ 0.35%, 니오븀(Nb): 0.04% ~ 0.06%, 바나듐(V): 0.02% ~ 0.04%, 티타늄(Ti): 0.01% ~ 0.03%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02% 이하, 황(S): 0% 초과 ~ 0.005% 이하, 및 잔부는 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 1,000℃ ~ 1,250℃의 온도에서 재가열하는 단계;
    상기 가열된 강재를 850℃ ~ 950℃의 온도에서 종료되도록 열간압연하는 단계; 및
    상기 열간압연된 강재를 냉각하는 단계;를 포함하는,
    라인파이프용 강재의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 냉각하는 단계는, 20℃/초 ~ 40℃/초의 냉각속도로 수행하는,
    라인파이프용 강재의 제조 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 냉각하는 단계는, 150℃ ~ 350℃의 냉각종료온도로 냉각되는,
    라인파이프용 강재의 제조 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 라인파이프용 강재의 제조 방법에 의하여 제조된 라인파이프용 강재는,
    침상형 페라이트, 다각형 페라이트 및 베이나이트 페라이트의 혼합조직을 가지고,
    PWHT(Post Weld Heat Treatment) 전후, 상기 다각형 페라이트의 분율이 10 vol.% ~ 20 vol.%이고, 상기 베이나이트 페라이트의 분율이 20 vol.% ~ 40 vol.%이고, 상기 침상형 페라이트의 분율이 50 vol.% ~ 70 vol.%인,
    라인파이프용 강재의 제조 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 라인파이프용 강재의 제조 방법에 의하여 제조된 라인파이프용 강재는,
    PWHT(Post Weld Heat Treatment) 전후, 인장강도(TS): 625 MPa ~ 825 MPa, 항복강도(YS): 580 MPa ~ 705 MPa, 연신율(EL): 21% 이상, -50℃의 온도에서 저온충격인성: 100 J 이상, 및 경도: 248 Hv 이하를 만족하는,
    라인파이프용 강재의 제조 방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 라인파이프용 강재의 제조 방법에 의하여 제조된 라인파이프용 강재는,
    0.40 이하의 탄소 당량(Ceq)을 가지고,
    0.19 이하의 용접균열 감수성지수(Pcm)를 가지는,
    (여기에서, Ceq = [C] + [Mn]/6 + ([Ni] + [Cu])/15 + ([Cr] + [Mo] + [V])/5 임)
    (여기에서, Pcm = [C] + [Si]/30 + ([Mn] + [Cu] + [Cr])/20 + [Ni]/60 + [Mo]/15 + [V]/10 + 5[B] 임)
    라인파이프용 강재의 제조 방법.
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