KR20230126724A - 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸 및 그 제조방법 - Google Patents

선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸 및 그 제조방법 Download PDF

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채이 장
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Abstract

선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸이 개시된다. Fe 및 불가피한 불순물에 더하여, 스틸은 하기 화학 원소를 질량 백분율로 추가로 포함한다: C: 0.06~0.12%, Si: 0.05~0.60%, Mn: 1.30~1.70%, Al: 0.01~0.06%, Ti: 0.005~0.012%, Mg: 0.0005~0.003%, 및 0<Ca≤0.004%, 여기서 0.0005%≤Ca+Mg≤0.004%. 또한, (1) 용융 및 연속 주조 단계; (2) 가열 단계; (3) 제어 압연 단계; (4) 공기 냉각 단계; 및 (5) 정규화 가열 처리 단계로서, 정규화 온도 Tq로 제어하고, 이며, 각 화학 원소는 화학 원소의 질량 백분율의 앞에 있는 수치로 치환되고, 정규화 온도의 단위는 ℃이며; 유지 시간은 Th로 제어하고, Th = 1.5Хt (단위는 min)이며, t는 mm 단위의 스틸 플레이트의 두께를 나타내는 단계를 포함하는 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸의 제조방법이 추가로 개시된다.

Description

선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸 및 그 제조방법
본 발명은 스틸 제품 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 선체 구조용 스틸 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 몇 년 동안 중국 경제의 급속한 발전과 함께 선박의 수도 그에 따라 크게 증가했다. 마찬가지로 선박의 수가 증가함에 따라 항해의 밀도는 점점 더 커지고 선박 간의 충돌 가능성도 점점 높아질 것이다.
선박에 충돌사고가 발생하면 선체구조물 파손, 화물누출, 환경오염, 인명피해 등 참혹한 결과를 초래하는 경우가 많다. 일반적으로 충돌 시 선박의 거대한 질량과 운동 에너지로 인해 충돌 영역의 구조물은 탄성 변형을 빠르게 건너 소성 변형 단계에 들어가 찢어질 수 있다. 충돌 과정은 선박의 충돌로 인한 운동 에너지가 선체 구조의 변형과 주변 매질의 움직임에 의해 흡수된 후에야 정지된다. 보강된 스틸 플레이트를 용접하여 선체를 형성한다. 스틸 플레이트의 파열 및 용접 이음부 파손은 선체 구조의 파손에 중요한 역할을 하며 구조 파손 메커니즘 및 에너지 흡수 능력에 직접적인 영향을 미친다.
현재 기존 선체용 스틸을 생산 및 개발하는 과정에서 스틸 플레이트의 충돌 저항성이 충분히 고려되지 않아 선박이 충돌 시 에너지를 흡수하거나 구획 손상에 잘 견디지 못한다. 이를 바탕으로 본 발명은 적당한 내충격성과 내손상성이 우수하면서도 적절한 강도 특성과 우수한 충격인성, 및 합리적인 화학적 구성 디자인 및 생산 공정 최적화로 인한 우수한 파단 및 내균열 특성을 갖는 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸을 얻을 수 있을 것으로 기대한다.
종래 기술에서는 몇몇 연구자들이 스틸 플레이트의 내충돌성을 연구했지만 여전히 몇 가지 한계가 있다.
예를 들어, CN106086655A는 중간 탄소(0.1-0.35 wt%), 고 망간(1.5-3.5 wt%) 및 고 알루미늄(1.0-2.5 중량%)의 조성 설계를 채택하는 잔류 오스테나이트의 최적화에 유익한 내충돌성 열성형 마르텐사이트 스틸을 개시한다. 스틸의 잔류 오스테나이트 함량은 전통적인 열성형 공정을 채택하여 증가되어 잔류 오스테나이트가 오스테나이트 입계 및 라스(lath) 다발 사이에 박막 형태로 분포된다. 재료는 1000 MPa 초과의 항복강도(yield strength), 1550 MPa 초과의 인장강도(tensile strength), 0.7 이하의 항복비(yield ratio), 16% 초과의 연신율(elongation rate) 및 26000 MPa% 초과의 인장강도와 연신율 사이의 제품을 갖는다.
CN102286695A는 고탄소(0.14~0.18 wt%)와 중간 망간(0.8~1.3 wt%)의 조성 설계를 채택한 고가소성 고인성 초고장력 스틸 플레이트 및 그 제조방법을 개시하고 있다. TMCP 및 템퍼링 공정을 통해 목표 물성을 갖는 스틸 플레이트를 얻고, 스틸 플레이트의 조직은 미세한 라멜라 간격을 갖는 템퍼링된 소르바이트(sorbite)이다. 재료는 960-1080 MPa의 항복강도, 1020-1150 MPa의 인장강도, 18-25%의 연신율, 60 J 이상의 -40℃에서의 충격 에너지를 갖는다.
본 발명의 목적 중 하나는 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸을 제공하는 것이다. 스틸은 강도와 인성이 우수할 뿐만 아니라 내충돌성, 내손상성, 내파괴성, 내균열성 등이 우수하여 선체 구조용 스틸 플레이트 및 초대형 선박 선체 구조에 사용 가능하고, 중국의 선박 및 해양 엔지니어링 장비용 스틸에 대한 현재 개발 요구 사항을 충족하며 매우 광범위한 적용 전망을 가지고 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 Fe 및 불가피한 불순물에 더하여, 하기 화학 원소를 질량 백분율로 추가로 포함하는 선체 구조(hull structure)용 충돌 및 파단 저항성 스틸(collision and rupture resistant steel)을 제공한다:
C: 0.06~0.12%, Si: 0.05~0.60%, Mn: 1.30~1.70%, Al: 0.01~0.06%, Ti: 0.005~0.012%, Mg: 0.0005~0.003%, 및 0<Ca≤0.004%, 여기서 0.0005%≤Ca+Mg≤0.004%.
바람직하게는, 본 발명의 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸에 있어서, 상기 스틸은 하기 화학 원소를 질량 백분율로 갖는다:
C: 0.06~0.12%, Si: 0.05~0.60%, Mn: 1.30~1.70%, Al: 0.01~0.06%, Ti: 0.005~0.012%, Mg: 0.0005~0.003%, 0<Ca≤0.004%, 및 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물, 여기서 0.0005%≤Ca+Mg≤0.004%.
본 발명의 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸에 있어서 모든 화학 원소의 설계 원리를 구체적으로 나타내면 다음과 같다:
C: 본 발명의 선체 구조용 스틸은 초저C 설계를 채택하여 C의 간극 강화 효과에 의해 스틸 플레이트가 적절한 강도를 확보할 수 있도록 한다. 또한 초저C 설계로 과도한 탄화물의 석출을 방지할 수 있어 스틸 플레이트의 저온 인성 및 용접성 저하를 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 C의 질량 백분율 함량을 0.06~0.12%로 제어한다.
Si: Si는 스틸 제련 중 일반적인 가벼운 탈산 원소이며 특정 고용체(solid solution) 강화 효과가 있다. 본 발명의 선체 구조용 스틸에서 Si의 질량 백분율 함량을 0.05~0.60%로 제어한다.
Mn : Mn은 저합금 및 고장력 스틸의 가장 기본적인 합금원소로서 고용 강화를 통해 스틸의 강도를 향상시킬 수 있어 C원소의 함량 감소로 인한 강도 손실을 보상할 수 있다. 그러나 스틸 중 원소 Mn의 함량이 너무 높지 않아야 함을 유의해야 한다. 스틸 중의 원소 Mn의 함량이 너무 높으면 스틸 플레이트의 중앙 위치에 편석을 일으키기 쉽고 스틸의 저온 인성을 저하시킨다. 이를 바탕으로 본 발명의 선체 구조용 스틸에서 Mn의 질량 백분율 함량을 1.30~1.70%로 제어한다.
Al: Al은 탈산을 위해 스틸에 첨가되는 원소로, 재료의 O 함량을 줄이고 시효성(aging property)을 향상시킬 수 있다. 또한 스틸에 Al 원소를 적당히 첨가하면 결정립(grains)의 미세화(refinement)에 더욱 유리하여 강도와 인성이 향상된다. 따라서, 본 발명의 선체 구조용 스틸에서 Al의 질량 백분율 함량을 0.01~0.06%로 제어한다.
Ti: Ti는 지나치게 높은 N 함량으로 인해 스틸의 특성에 악영향을 미치지 않도록 스틸의 N 원소 함량을 효과적으로 억제할 수 있는 강력한 N 고정 원소이다. 동시에, Ti 및 N에 의해 형성된 TiN 석출상은 슬래브 및 스틸 플레이트의 가열 동안 결정립의 과도한 성장을 억제할 수 있다. 따라서 본 발명의 선체 구조용 스틸에서 Ti의 질량 백분율 함량을 0.005~0.012%로 제어한다.
Mg: Mg는 황화물 형태를 효과적으로 개선하고 개재물을 미세화하며 스틸 플레이트의 내식성을 향상시킬 수 있다. 스틸의 Mg 함량이 너무 낮으면 개재물 개질 효과를 얻을 수 없고, 스틸의 Mg 함량이 너무 높으면 융점이 더 높은 MgO 및 MgS와 같은 물질을 형성하기 쉽고 턴디시 노즐(tundish nozzle)의 내벽에 침전되어 노즐 막힘을 유발한다. 따라서 본 발명의 선체 구조용 스틸에서 Mg의 질량 백분율 함량을 0.0005~0.003%로 제어한다.
Ca: 본 발명의 선체 구조용 스틸에 있어서, Ca 처리에 의해 스틸 중의 황화물의 형태를 제어할 수 있고, 스틸 플레이트의 이방성을 개선할 수 있으며, 저온 인성을 향상시킬 수 있다. 또한, Ca도 본 발명에서 중요한 원소로서 그 함량과 Mg의 함량을 일치시킬 필요가 있다. 따라서, 본 발명의 선체 구조용 스틸에서 Ca의 함량을 0<Ca≤0.004%로 제어한다.
또한, 본 발명에서 선체 구조용 스틸의 물성을 확보하기 위해서는 각 화학 원소의 함량이 제어되는 동안 Mg 및 Ca의 질량 백분율 함량이 0.0005%≤Ca+Mg≤0.004%를 만족하도록 추가로 제어할 필요가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명에서는 칼슘과 마그네슘의 복합처리를 채택하여 스틸의 개재물을 개질함으로써 응력집중 및 미세균열 발생가능성을 감소시키고 스틸의 물성향상에 유리하다.
바람직하게는, 본 발명의 선체 구조용 스틸은 질량 백분율로 0<Nb≤0.04%, 0<V≤0.05%, 및 0<B≤0.0005%을 만족하는 Nb, V 및 B 중 적어도 하나를 추가로 포함한다.
스틸의 물성을 더욱 향상시키기 위해 Nb, V, B의 3원소 중 적어도 1종을 스틸에 첨가할 수도 있으며, 이들 원소는 스틸에서 다음과 같은 효과를 갖는다.
Nb: Nb는 강력한 탄질화물(carbonitride) 형성 원소이며, 결정립 미세화 효과가 강하다. 적정량의 Nb를 스틸에 첨가함으로써 균일한 입도를 얻을 수 있으며, 혼합 결정 조직 형성은 물론 가열 과정에서 일부 그레인의 과도한 성장으로 인한 강도 및 인성 및 내식성 저하를 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 선체 구조용 스틸은 Nb의 질량 백분율 함량을 0<Nb≤0.04%로 제어할 수 있다.
V: V는 C 및 N과 함께 미세한 VN 또는 V(CN) 석출립(precipitated grains)을 형성할 수 있어 스틸의 강화에 기여한다. 그러나 스틸의 V 함량이 너무 높아서는 안 된다는 점에 유의해야 하고, 스틸의 V 함량이 너무 높으면 제조 비용이 크게 증가한다. 따라서, 본 발명의 선체 구조용 스틸에서 V의 질량 백분율 함량을 0<V≤0.05%로 제어할 수 있다.
B: B는 스틸의 담금질성(hardenability)을 향상시킬 수 있으며 스틸의 냉간 균열 특성에 영향을 미칠 것이다. 본 발명의 선체 구조용 스틸에서 B의 질량 백분율 함량을 0<B≤0.0005%로 제어할 수 있다.
위에서 언급한 원소 Nb, V 및 B를 추가하면 재료 비용이 증가한다는 점에 유의해야 한다. 특성 및 비용 제어에 대한 포괄적인 고려에 의해, 본 발명의 기술적 해결방안에서, 이들 원소 중 하나 이상이 바람직하게 추가될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 선체 구조용 스틸은 Cr+Ni+Mo+Cu≤0.5%로 질량 백분율로 만족하는 Cr, Ni, Mo 및 Cu 중 적어도 하나를 추가로 포함한다.
전술한 본 발명의 기술적 해결방안에서, 전술한 4가지 합금 원소 Cr, Ni, Mo 및 Cu는 모두 고용체 강화에서 효과적으로 역할을 할 수 있다. 두께가 두꺼운 스틸 플레이트의 경우 스틸에 Cr, Ni, Mo 및 Cu 원소를 적당히 첨가하여 스틸의 강도와 인성을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 해결방안에서, 상기 언급된 원소 중 적어도 하나가 바람직하게 첨가될 수 있고, 그 질량 백분율 함량은 Cr+Ni+Mo+Cu≤0.5%를 만족한다.
바람직하게는, 본 발명의 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸에서 불가피불순물에 있어서 P 및 S의 질량% 함유량이 P≤0.015% 및 S≤0.0040% 중 적어도 하나를 만족하는 것이다.
P와 S는 모두 스틸에서 불가피한 불순물 원소이며, 스틸에서 P와 S의 원소 함량이 너무 높으면 편석 및 개재물과 같은 결함이 발생하기 쉽고 용접 특성 및 충격 인성이 열화된다. 더 나은 특성과 더 높은 품질의 스틸을 얻기 위해서는 허용 가능한 기술 조건에서 스틸의 불순물 원소 함량을 최대한 줄여야 한다. 따라서 본 발명의 선체 구조용 스틸에서 P≤0.015%, S≤0.0040%로 제어할 수 있는 것이 바람직하며, 개재물을 구형화하고 크기를 미세화하며 개재물 순화 개질 기술에 의한 균일한 분포를 달성하여 스틸 플레이트의 강도와 인성이 향상될 필요가 있다.
바람직하게는, 본 발명의 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸에 있어서, 상기 화학 원소의 질량 백분율의 함량이 하기 조건 중 적어도 하나를 추가로 만족한다:
1.9≤α≤2.1, 여기서 α=6.1C+0.9Mn+1.5V;
4.1≤β≤6.8, 여기서 β=40Al+60Ti+20
여기서 각 화학 원소는 해당 화학 원소의 질량 백분율에서 백분율 기호 앞에 있는 수치를 나타낸다.
본 발명의 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸에 있어서, 스틸 내 화학 원소의 질량 백분율 함량은 다음 조건 중 적어도 하나를 만족하도록 더욱 바람직하게 제어될 수 있다: 각 원소의 질량 백분율 함량이 제어되는 동안 1.9≤α≤2.1 및 4.1≤β≤6.8. α값을 상기 범위로 설정함으로써 C, Mn, V의 고용체 강화 및 석출강화 효과를 충분히 활용하여 스틸은 양호한 강도와 소성을 가질 수 있다. β의 값을 상기 범위 내로 설정함으로써, 페라이트의 입도가 충분히 미세화되어 스틸이 우수한 강도, 인성, 가소성 및 내충돌성 및 파단 저항성을 갖도록 보장할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸의 미세조직이 페라이트(ferrite)+펄라이트(pearlite)이고, 상기 페라이트 상의 체적분율이 90% 이상으로 하여 스틸이 우수한 강도와 인성뿐만 아니라 충돌 저항과 파열 저항을 갖도록 보장한다.
바람직하게는, 본 발명의 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸은 315 MPa 이상의 항복강도(yield strength), 440~570 MPa의 인장강도(tensile strength), 200 J 이상의 -60℃에서의 충격에너지, 1.5 mm 이상의 -60℃에서의 CTOD (균열 선단 변위(crack tip opening displacement)), -70℃ 이하의 NDTT (무연성 전이 온도(nil-ductility transition temperature)), 18% 이상의 균일 연신율 Ag, 38% 이상의 총 연신율 A5를 갖는다.
본 발명의 다른 목적은 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸의 제조방법을 제공하는 것이다. 제조방법은 생산공정이 간단하고, 얻어진 선체 구조용 스틸은 강도와 인성이 우수할 뿐만 아니라 내충돌성, 내파단성, 내파괴성, 내균열성도 우수하다. 스틸은 상기 스틸은 315 MPa 이상의 항복강도(yield strength), 440~570 MPa의 인장강도(tensile strength), 200 J 이상의 -60℃에서의 충격에너지, 1.5 mm 이상의 -60℃에서의 CTOD, -70℃ 이하의 NDTT, 18% 이상의 균일 연신율 Ag, 38% 이상의 총 연신율 A5를 가지고, 우수한 응용 전망과 높은 응용 가치를 가지고 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 다음 단계를 포함하는 상기 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸의 제조방법을 제공한다:
(1) 용융 및 연속 주조 단계;
(2) 가열 단계;
(3) 제어 압연 단계;
(4) 공기 냉각 단계; 및
(5) 정규화 가열 처리 단계로서, 정규화 온도(normalizing temperature) Tq는 을 만족하고(단위는 ℃), 각 화학 원소는 해당 화학 원소의 질량 백분율에서 백분율 기호 앞에 있는 수치를 나타내며, 유지시간(Th)은 Th=1.5Хt(단위는 min)를 만족하고, t는 스틸 플레이트의 두께(단위는 mm)인 단계.
본 발명의 제조방법의 (5) 단계에서, 정규화 온도를 Tq, 로 제어함으로써, 스틸 플레이트의 완전한 오스테나이트화를 보장할 수 있을 뿐만 아니라, 또한 고온에서 스틸 플레이트의 오스테나이트화는 탄질화물의 충분한 고용체를 실현하고 스틸에서 합금의 균일한 분포를 촉진하여 편석에 의해 형성된 미시적 전기화학적 부식을 완화한다.
이에 상응하여, 본 발명의 상기 (5) 단계에서는 유지 시간을 Th (Th=1.5Хt)로 제어하는데, 이는 주로 스틸 플레이트를 충분히 오스테나이트화하고, 스틸 내부에서 원소 C 및 미세 합금 원소를 균질화하기 위한 것이다.
바람직하게는, 본 발명의 (1) 단계는 용선(hot metal) 전처리, 전로 제련converter smelting), LF 정련(refining), RH 정련, 개재물 순화처리(inclusions beneficial treatment) 및 연속주조를 순차적으로 수행하고, MgO+Al2O3를 코어로 하고 CaS와 MnS로 코팅된 0.2~2.5 ㎛ 크기의 복합 개재물이 형성되며, 이 크기 범위의 복합 개재물의 개수가 개재물의 전체 개수의 95%를 차지한다.
바람직하게는, 상기 (1) 단계에서, 전로 제련 단계에서, 두께가 35 mm 미만인 슬래그 층으로 슬래그 컷오프 탭핑(slag cutoff tapping)이 수행되고; LF 정련 단계에서, 슬래그 중 FeO 및 MnO의 함량의 합이 1% 미만이며, (CaO+MgO+MnO)/(SiO2+P2O5)가 9보다 크고, 여기서 각 물질은 해당 질량 백분율을 나타내고; 개재물 순화처리 단계에서 Mg와 Ca는 160-300 m/min의 와이어 공급 속도로 동시에 공급된다.
본 발명의 제조방법의 (1) 단계는 전로 제련 단계에서 슬래그 컷오프 탭핑(slag cutoff tapping)이 수행되고, 슬래그층의 두께를 35 mm 이하로 제어하여 스틸 레이들(steel ladle) 내 슬래그의 산화성을 감소시킬 수 있고, 용강의 산소 활성도 증가 및 재인화(rephosphorization)를 방지할 수 있으며, 이에 따른 백색 슬래그(white slag) 생성 및 개재물 개질이 용이하다.
이에 상응하여 LF 정련 단계에서는 (CaO+MgO+MnO)/(SiO2+P2O5)를 9보다 크게 제어하며, 여기서 각 물질은 물질 함량으로 대체되어 슬래그가 우수한 탈인(dephosphorization) 및 탈황(desulfurization) 능력을 갖도록 보장할 수 있다. 스틸 레이들에서 백색 슬래그 생성 시, 슬래그 중 FeO 및 MnO 함량의 합은 질량 기준으로 1% 미만으로 제어되어 용융 슬래그의 환원성과 완전한 탈황을 보장할 수 있으므로 용강 내 개재물을 제거하고 스틸의 내식성뿐만 아니라 강도와 인성을 향상시킨다.
바람직하게는, 상기 (2) 단계에서 슬라브 가열 온도 Th가 (단위는 ℃)을 만족하고, 여기서 각 화학 원소는 해당 화학 원소의 질량 백분율에서 백분율 기호 앞의 수치를 나타낸다.
단계 (2)에서, 슬라브 가열 온도 Th는 미세합금 탄질화물의 충분한 고용체를 보장하기 위해 전술한 값으로 설정되어 합금 원소의 균질화를 촉진하고, 스틸에서 거시적 및 미시적 편석을 완화하고, 다른 상과 구성 성분 간의 전위차 차이로 인한 부식 일차 전지의 형성을 감소시켜 스틸 플레이트의 내식성을 향상시킨다.
바람직하게는, 상기 (3) 단계에서, 초기 압연 온도는 Tsr이고, Tsr=0.92Th-0.96Th를 만족하며; 최종 압연 온도는 Tfr이고, 를 만족하며, 여기서 상기 초기 압연 온도 및 상기 최종 압연 온도의 단위는 ℃이고, 각 화학 원소는 해당 화학 원소의 질량 백분율에서 백분율 기호 앞에 있는 수치를 나타낸다.
위에서 언급한 기술적 해결방안에서 Tsr (Tsr=0.92Th-0.96Th)에서 초기 압연 온도를 제어하는 주된 이유는 스틸 플레이트가 충분한 재결정을 위해 더 높은 온도의 재결정 영역에서 압연되도록 미세 합금화되어 균일하고 등축의 오스테나이트 결정립이 형성된다는 것이다. 최종 압연 온도는 로 제어되며, 여기서 각 화학 원소는 화학 원소 함량의 백분율 기호 앞에 있는 수치로 대체되며, 이는 스틸 플레이트가 비정적 재결정 온도(nonstatic recrystallization temperature)보다 높은 온도에서 압연되어 혼합 결정을 방지할 수 있을 뿐 아니라 압연 공정에 충분한 냉각 공간이 있는지 확인할 수 있다.
바람직하게는 상기 (3) 단계에서 싱글-패스 압하율(single-pass rolling reduction)은 8~12%이고, 누적 압하율은 60% 이상이다.
싱글-패스 압하율은 8-12%로 제어되며, 이는 주로 스틸 플레이트가 각 패스에서 충분한 재결정 구동력을 갖도록 하고, 압연 후 원래 오스테나이트의 결정립 크기가 25-30 ㎛로 유지되는 조건을 만족시키기 위해 스틸 플레이트의 결정립을 균질화하기에 충분한 압연 패스가 있는지 확인하는 데 사용된다. 상기 (3) 단계에서 누적 압하율을 60% 이상으로 제어하는데, 주로 스틸 플레이트 코어에서 충분한 재결정이 일어나 충분한 균질화를 달성하여 코어의 강도와 인성, 파단 및 균열 방지 특성을 보장하는 데 주로 사용된다.
바람직하게는, 상기 (5) 단계에서 유지 후 공기 냉각을 수행하고, 공기 냉각의 냉각속도는 0.2~0.5 ℃/s로 주로 스틸 플레이트에서 페라이트상 비율이 90% 초과인 미세조직을 형성하는데 사용된다.
본 발명의 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸 및 그 제조방법은 종래기술과 비교하여 다음과 같은 장점과 유익한 효과가 있다.
본 발명은 스틸 플레이트가 적절한 강도 특성, 우수한 충격 인성, 우수한 파단 및 내균열 특성을 가지면서 우수한 내충돌성 및 내손상성을 갖도록 조성 설계, 구조 제어 및 생산 공정과 같은 관점에서 설계된다.
본 발명의 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸은 종래기술에 비해 고유한 조성설계기술, 순강 제련기술, 개재물 순화 제어기술, 스틸 균질화 기술, 결정입도 제어 및 미세조직을 채택함으로써 315 MPa의 강도 요건을 만족하고 저온 충격 인성, 파단 및 균열 방지 특성이 우수하고 내충돌성 및 내파단성이 우수한 스틸을 생산할 수 있고, 상기 스틸은 구조, 조성 및 공정 설계에서 종래 기술과 크게 다르다.
본 발명에서 제조된 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸은 항복강도가 315 MPa 이상, 인장강도가 440~570 MPa, -60℃에서 충격에너지가 200 J 이상, -60℃에서의 CTOD가 1.5 mm 이상, NDTT가 -70℃ 이하, 균일 연신율 Ag가 18% 이상 및 총 연신율 A5 비율이 38% 이상이고, 초대형 원유 운반선, 액화 석유 가스 운반선, 액화 천연 가스 운반선, 화학 운반선 및 컨테이너 선박과 같은 초대형 선박의 선체를 구성하는 데 사용할 수 있으며 선박의 안전 작업을 보장하고 원유 및 화학 물질 누출로 인한 오염을 줄일 수 있으며 응용 전망이 매우 넓다.
본 발명의 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸 및 그 제조방법에 대하여 구체적인 실시예를 들어 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다. 그러나 설명 및 명세서는 본 발명의 기술적 해결방안에 대한 부적절한 제한을 구성하지 않는다.
실시예 1~6 및 비교예 1
실시예 1 내지 6의 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸과 비교예 1의 비교 스틸은 모두 다음의 단계를 거쳐 제조된다.
(1) 하기 표 1-1 및 표 1-2에 나타낸 화학 조성에 따라 용융 및 주조를 수행한다: 용선 전처리, 전로 용융, LF 정련, RH 정련, 개재물 순화 처리 및 연속 주조를 순차적으로 수행하며, 개재물 순화 처리 단계에서 MgO+Al2O3를 코어로 하고 CaS와 MnS로 코팅된 0.2~2.5 ㎛ 크기의 복합 개재물이 형성되며, 이 크기 범위의 복합 개재물의 개수가 개재물의 전체 개수의 95%를 차지하고;
상기 전로 제련 단계에서, 두께가 35 mm 미만인 슬래그 층으로 슬래그 컷오프 탭핑(slag cutoff tapping)이 수행되고; 상기 LF 정련 단계에서, 슬래그 중 FeO 및 MnO의 함량의 합이 1% 미만이며, (CaO+MgO+MnO)/(SiO2+P2O5)가 9보다 크고, 여기서 각 물질은 해당 질량 백분율을 나타내고; 개재물 순화처리 단계에서 Mg와 Ca는 160-300 m/min의 와이어 공급 속도로 동시에 공급된다.
(2) 가열 단계: 슬라브 가열 온도 Th에서 제어되고, (단위는 ℃)이다.
(3) 제어 압연 단계: 초기 압연 온도는 Tsr에서 제어되고, Tsr=0.92Th-0.96Th이며, 최종 압연 온도는 Tfr이에서 제어되고, 이며, 단위는 초기 압연 온도와 최종 압연 온도는 모두 ℃이고; 싱글-패스 압하율은 8~12%이고, 누적 압하율은 60% 이상이다.
(4) 공기 냉각 단계: 및
(5) 정규화 가열 처리 단계: 정규화 온도는 Tq로 제어되며, 여기서 (단위는 ℃)이고; 유지 시간은 Th로 제어되며, 여기서 Th=1.5Хt(단위는 min)이고, 여기서, t는 스틸 플레이트의 두께를 단위 mm로 나타낸다. 유지 완료 후 공기 냉각을 실시하며, 공기 냉각의 냉각 속도는 0.2~0.5 ℃/s로 제어한다.
다만, 본 발명에서는 실시예 1 내지 실시예 6의 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸의 화학성분 설계 및 관련 공정이 모두 본 발명의 설계기준 요건을 만족함을 유의하여야 한다. 그러나, 비교예 1의 비교 스틸은 화학성분 설계에서 본 발명의 설계기준 요건을 만족하지 못하는 파라미터를 갖는다.
실시예 1 내지 6의 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸 및 비교예 1의 비교 스틸의 모든 화학 원소의 질량 백분율을 표 1-1 및 표 1-2에 나타내었다.
실시예 1 내지 6의 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸 및 비교예 1의 비교강의 모든 화학 원소의 질량 백분율을 표 1-1 및 표 1-2에 나타내었다.
[표 1-1] (wt.%, 잔량은 Fe 및 P 및 S 이외의 기타 불가피 불순물임)
[표 1-2]
표 1-2에서 α=6.1C+0.9Mn+1.5V, 이고, 여기서 각 화학 원소는 질량 기준으로 화학 원소의 함량에서 백분율 기호 앞에 있는 수치로 대입된다.
표 2는 상술한 공정 단계에서 실시예 1 내지 6의 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸과 비교예 1의 비교 스틸의 구체적인 공정 파라미터를 나열한 것이다.
[표 2]
얻어진 실시예 1 내지 6의 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸과 비교예 1의 비교 스틸을 각각 샘플링하였다. 실시예 및 비교예의 완제품 플레이트에 대하여 인장시험, 샤르피 V-노치 충격시험, CTOD 시험(스틸 플레이트의 파괴인성을 시험하기 위한 지표), NDTT 물성검사 시험(스틸 플레이트의 내균열성을 측정하기 위한 중요 지표)을 실시하여 실시예 및 비교예의 시험 결과를 표 3에 나타내었다.
관련 측정 방법은 다음과 같다:
인장시험 : 두께가 50 mm 미만인 스틸 플레이트에 대하여 전체 두께 플레이트 형태의 인장시험편과 두께가 0.5 mm 초과인 스틸 플레이트에 대하여 막대형 인장시험편을 채택하여 GB/T 228.1 기준으로 상온 인장특성을 테스트한다.
샤르피 V-노치 충격 시험: GB/T 229를 기반으로 하는 샤르피 V-형 충격 시험편을 채택하여 플레이트 두께의 t/4 위치에서 -60 ℃에서 충격 특성을 테스트한다.
CTOD 테스트: BS7448-1에 기반한 전체 두께 CTOD 테스트 시편을 채택하여 -60℃에서 재료의 파괴 인성을 테스트한다.
NDTT 특성 검사 테스트: 재료의 무연성 전이 온도는 GB/T 6803-2008에 기반한 테스트 시편 P3을 채택하여 테스트한다.
표 3은 실시예 1 내지 6의 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸과 비교예 1의 비교 스틸의 시험결과이다.
[표 3]
표 3에서 실시예 1~6의 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸의 전반적인 물성은 비교예 1의 비교 스틸보다 명백히 우수함을 알 수 있다. 비교 스틸과 비교하여, 실시예 1 내지 6의 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸은 균일 연신율 Ag 및 총 연신율 A5에서 50% 이상 크게 증가하였다.
표 3에 나타난 바와 같이, 비교예 1의 비교 스틸과 비교하여, 실시예 1~6의 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸은 내충돌성과 내손상성은 물론 강도와 인성, 파단 및 내균열성이 우수하고, 실시예 1 내지 6의 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸은 항복강도 330 내지 360 MPa, 인장강도 460 내지 470 MPa, -60℃에서의 충격에너지 205 J 이상, -60℃에서의 CTOD 1.51 mm 이상, NDTT -75℃ 이하, 균일 연신율 Ag 18.5% 이상, 총 연신율 A5 38.4% 이상이다.
이상으로부터 합리적인 화학 조성 설계 및 공정 최적화를 통해 적절한 강도 특성, 우수한 충격 인성, 우수한 파단 및 균열 방지 특성을 가질 수 있을 뿐만 아니라 우수한 동시에 충돌 및 손상 저항성을 동시에 가질 수 있음을 알 수 있다. 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸은 초대형 원유운반선, 액화석유가스 운반선, 액화천연가스 운반선, 화학운반선, 컨테이너선 등 초대형선박의 선체 건조에 효과적으로 적용할 수 있으며 적용전망이 매우 넓다.
본 발명의 기술적 특징의 조합방식은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 조합방식 또는 특정 실시예에 기재된 조합방식에 한정되지 않으며, 본 발명에 기록된 모든 기술적 특징은 서로 충돌하지 않는 한 어떤 방식으로든 자유롭게 결합되거나 통합될 수 있다.
위에 열거된 실시예들은 단지 본 발명의 특정 실시예들임을 유의해야 한다. 명백히, 본 발명은 상기 언급된 실시예에 제한되지 않으며, 유사한 변경 또는 변형이 본 발명의 보호 범위 내에 속하도록 당업자에 의해 본 발명에 의해 개시된 내용으로부터 직접 얻어지거나 용이하게 구상될 수 있다.

Claims (15)

  1. Fe 및 불가피한 불순물에 더하여, 하기 화학 원소를 질량 백분율로 추가로 포함하는 선체 구조(hull structure)용 충돌 및 파단 저항성 스틸(collision and rupture resistant steel):
    C: 0.06~0.12%, Si: 0.05~0.60%, Mn: 1.30~1.70%, Al: 0.01~0.06%, Ti: 0.005~0.012%, Mg: 0.0005~0.003%, 및 0<Ca≤0.004%, 여기서 0.0005%≤Ca+Mg≤0.004%.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스틸은 하기 화학 원소를 질량 백분율로 갖는 것을 특징으로 하는 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸:
    C: 0.06~0.12%, Si: 0.05~0.60%, Mn: 1.30~1.70%, Al: 0.01~0.06%, Ti: 0.005~0.012%, Mg: 0.0005~0.003%, 0<Ca≤0.004%, 및 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물, 여기서 0.0005%≤Ca+Mg≤0.004%임.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스틸은 질량 백분율로 0<Nb≤0.04%, 0<V≤0.05%, 및 0<B≤0.0005%을 만족하는 Nb, V 및 B 중 적어도 하나를 추가로 포함하는 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스틸은 질량 백분율로 Cr+Ni+Mo+Cu≤0.5%를 만족하는 Cr, Ni, Mo 및 Cu 중 적어도 하나를 추가로 포함하는 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 불가피한 불순물 중의 P 및 S의 질량 백분율이 P≤0.015% 및 S≤0.0040% 중 적어도 하나를 만족하는 것을 특징으로 하는 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸.
  6. 제3항에 있어서, 상기 화학 원소의 질량 백분율의 함량이 하기 조건 중 적어도 하나를 추가로 만족하는 것을 특징으로 하는 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸:
    1.9≤α≤2.1, 여기서 α=6.1C+0.9Mn+1.5V;
    4.1≤β≤6.8, 여기서 β=40Al+60Ti+20
    여기서 각 화학 원소는 해당 화학 원소의 질량 백분율에서 백분율 기호 앞에 있는 수치를 나타냄.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스틸은 미세조직이 페라이트(ferrite)+펄라이트(pearlite)이고, 상기 페라이트 상의 체적분율이 90% 이상인 것을 특징으로 하는 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스틸은 315 MPa 이상의 항복강도(yield strength), 440~570 MPa의 인장강도(tensile strength), 200 J 이상의 -60℃에서의 충격에너지, 1.5 mm 이상의 -60℃에서의 CTOD, -70℃ 이하의 NDTT, 18% 이상의 균일 연신율 Ag, 38% 이상의 총 연신율 A5를 갖는 것을 특징으로 하는 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸.
  9. 다음 단계를 포함하는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 선체 구조용 충돌 및 파단 저항성 스틸의 제조방법:
    (1) 용융 및 연속 주조 단계;
    (2) 가열 단계;
    (3) 제어 압연 단계;
    (4) 공기 냉각 단계; 및
    (5) 정규화 가열 처리 단계로서, 정규화 온도 Tq는 을 만족하고(단위는 ℃), 각 화학 원소는 해당 화학 원소의 질량 백분율에서 백분율 기호 앞에 있는 수치를 나타내며, 유지시간(Th)은 Th=1.5Хt(단위는 min)를 만족하고, t는 스틸 플레이트의 두께(단위는 mm)인 단계.
  10. 제9항에 있어서, 상기 (1) 단계는 용선(hot metal) 전처리, 전로 제련converter smelting), LF 정련(refining), RH 정련, 개재물 순화처리(inclusions beneficial treatment) 및 연속주조를 순차적으로 수행하고, MgO+Al2O3를 코어로 하고 CaS와 MnS로 코팅된 0.2~2.5 ㎛ 크기의 복합 개재물이 형성되며, 이 크기 범위의 복합 개재물의 개수가 개재물의 전체 개수의 95%를 차지하는 것을 특징으로 하는 충돌 및 파단 저항성 스틸의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 (1) 단계의 전로 제련 단계에서, 두께가 35 mm 미만인 슬래그 층으로 슬래그 컷오프 탭핑(slag cutoff tapping)이 수행되고; LF 정련 단계에서, 슬래그 중 FeO 및 MnO의 함량의 합이 1% 미만이며, (CaO+MgO+MnO)/(SiO2+P2O5)가 9보다 크고, 여기서 각 물질은 해당 질량 백분율을 나타내고; 개재물 순화처리 단계에서 Mg와 Ca는 160-300 m/min의 와이어 공급 속도로 동시에 공급되는 것을 특징으로 하는 충돌 및 파단 저항성 스틸의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 (2) 단계에서 슬라브 가열 온도 Th가 (단위는 ℃)을 만족하고, 여기서 각 화학 원소는 해당 화학 원소의 질량 백분율에서 백분율 기호 앞의 수치를 나타내는 것을 특징으로 하는 충돌 및 파단 저항성 스틸의 제조방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 (3) 단계에서, 초기 압연 온도는 Tsr이고, Tsr=0.92Th-0.96Th를 만족하며; 최종 압연 온도는 Tfr이고, 를 만족하며, 여기서 각 화학 원소는 해당 화학 원소의 질량 백분율에서 백분율 기호 앞에 있는 수치를 나타내고; 상기 초기 압연 온도 및 상기 최종 압연 온도의 단위는 ℃인 것을 특징으로 하는 충돌 및 파단 저항성 스틸의 제조방법.
  14. 제9항 또는 제13항에 있어서, 상기 (3) 단계에서 싱글-패스 압하율(single-pass rolling reduction)은 8~12%이고, 누적 압하율은 60% 이상인 것을 특징으로 하는 충돌 및 파단 저항성 스틸의 제조방법.
  15. 제9항에 있어서, 상기 (5) 단계는 0.2~0.5 ℃/s의 냉각속도로 유지한 후 공기 냉각하는 것을 특징으로 하는 충돌 및 파단 저항성 스틸의 제조방법.
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