WO2024136174A1 - 강섬유용 선재, 콘크리트 보강용 강섬유 및 이들의 제조방법 - Google Patents

강섬유용 선재, 콘크리트 보강용 강섬유 및 이들의 제조방법 Download PDF

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WO2024136174A1
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less
steel fiber
steel
wire
tensile strength
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양요셉
김재환
전성렬
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주식회사 포스코
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    • C21D2211/005—Ferrite

Definitions

  • the present invention relates to wire rods for steel fibers, steel fibers for concrete reinforcement, and methods for manufacturing them.
  • steel fibers are used as concrete reinforcement to support earth pressure inside building floors or tunnels, and are widely used as a replacement for rebar because there is no reinforcement process like rebar.
  • Low-strength steel fibers of less than 1,000 MPa have been widely used, but the strength of steel fibers is gradually increasing due to changes in construction methods, such as increases in concrete compressive strength.
  • Steel fibers are divided into diameters depending on their use, but because they are generally as thin as about 0.4 to 1.0 mm in diameter, they are manufactured through the wire rod ⁇ descaling ⁇ dry drawing ⁇ wet drawing ⁇ bundle process. Since the true strain (e) during drawing is applied at about 4.6, the composition must be designed by adding solid solution strengthening elements such as Si and Mn to ultra-low carbon steel with a carbon content of about 0.01% by weight.
  • Concrete is also used in cryogenic containers such as LNG and seawater, where steel fibers can also be used as reinforcement.
  • steel fibers can also be used as reinforcement.
  • commonly used steel fibers are vulnerable to low temperatures, specialized steel materials that can withstand extremely low temperatures are needed. Accordingly, there is a demand for the development of steel materials that can suppress breakage during wire drawing and significantly improve the bending strength of concrete at low temperatures.
  • Patent Document 1 Korean Patent Publication No. 10-2000-0042052
  • the present invention relates to steel fiber wires and steel fibers with excellent bending strength used as concrete reinforcement materials such as LNG tanks, and a method for manufacturing the same.
  • High-strength steel fibers for concrete reinforcement that have excellent tensile strength and elongation and excellent bending strength when mixed with concrete and their production. We would like to provide a method.
  • One aspect of the present invention is, in weight percent, carbon (C): 0.010 to 0.040%, silicon (Si): more than 0% and less than 0.10%, manganese (Mn): 0.10 to 1.50%, nickel (Ni): 0.50 to 0.50%.
  • C carbon
  • Si silicon
  • Mn manganese
  • Ni nickel
  • Ni 0.50 to 0.50%.
  • wire rod for steel fiber containing 1.50%, phosphorus (P): 0.05% or less (including 0%), sulfur (S): 0.05% or less (including 0%), and the remaining iron (Fe) and unavoidable impurities. do.
  • the wire rod for steel fiber according to an embodiment of the present invention includes scales with a thickness of 8 to 20 ⁇ m formed on the surface, and the tensile strength deviation may be less than ⁇ 40 MPa.
  • the wire rod for steel fiber according to an embodiment of the present invention may have a tensile strength of 340 MPa or more.
  • the wire rod for steel fiber may include polygonal ferrite as a microstructure.
  • One aspect of the present invention is, in weight percent, carbon (C): 0.010 to 0.040%, silicon (Si): more than 0% and less than 0.10%, manganese (Mn): 0.10 to 1.50%, nickel (Ni): 0.50 to 0.50%. 1.50%, phosphorus (P): 0.05% or less (including 0%), sulfur (S): 0.05% or less (including 0%), the remaining iron (Fe) and unavoidable impurities, including steel fibers for concrete reinforcement. to provide.
  • the number of void defects with a size of 5 ⁇ m or more generated at grain boundaries may be 4x10 7 /mm 2 or less.
  • the steel fiber for concrete reinforcement according to an embodiment of the present invention may have a tensile strength of 1,220 MPa or more.
  • the steel fiber for concrete reinforcement may have a strain hardening rate of 405 or more.
  • the steel fiber for concrete reinforcement according to an embodiment of the present invention may have an elongation of 5% or more.
  • the steel fiber for concrete reinforcement according to an embodiment of the present invention may have a disconnection rate of 1.5 times/ton or less.
  • the steel fiber for concrete reinforcement according to an embodiment of the present invention may have a tensile strength deviation of less than ⁇ 50 MPa.
  • One aspect of the present invention is, in weight percent, carbon (C): 0.010 to 0.040%, silicon (Si): more than 0% and less than 0.10%, manganese (Mn): 0.10 to 1.50%, nickel (Ni): 0.50 to 0.50%.
  • the method of manufacturing a wire for steel fiber according to an embodiment of the present invention may include maintaining the billet at a furnace temperature of 1,000 to 1,250°C for 90 to 120 minutes when heating the billet.
  • the wire for steel fibers may include polygonal ferrite as a microstructure.
  • the wire for steel fiber may have scales of 8 to 20 ⁇ m thick formed on the surface.
  • One aspect of the present invention provides a method for producing steel fibers for concrete reinforcement, comprising the step of dry-drawing and wet-drawing the wires manufactured according to the method for producing steel fiber wires to a true strain of 4.6 or more to produce steel fibers. .
  • the number of void defects with a size of 5 ⁇ m or more generated at grain boundaries in the steel fibers may be 4x10 7 /mm 2 or less.
  • the steel fibers may have a tensile strength of 1,220 MPa or more. Additionally, the steel fiber may have a tensile strength deviation of less than ⁇ 50 MPa. Additionally, the steel fiber may have a strain hardening rate of 405 or higher. Additionally, the steel fiber may have an elongation of 5% or more.
  • the use of reinforcing bars in concrete is omitted and there is no reinforcement time, which is advantageous in terms of construction.
  • the steel fiber according to the present invention improves toughness at low temperatures due to the addition of high Ni, when added to concrete, the flexural strength of concrete can be greatly increased, thereby increasing stability and extending lifespan.
  • Figure 1 is a photograph of the microstructure observed at the center of the wire rod of Inventive Example 1.
  • Figure 2 is a CCT for the component system of Invention Example 1 calculated using J-mat pro.
  • Figure 3 is a photograph showing defects observed in the cross section of the steel fiber of Inventive Example 1.
  • Figure 4 is a photograph showing defects observed in the cross section of the steel fiber of Comparative Example 6.
  • the present invention relates to wire rods for steel fibers, steel fibers for concrete reinforcement, and methods for manufacturing the same.
  • the wire rod for steel fiber contains, in weight percent, carbon (C): 0.010 to 0.040%, silicon (Si): more than 0% and less than 0.10%, manganese (Mn): 0.10 to 1.50%, nickel. (Ni): 0.50 to 1.50%, phosphorus (P): 0.05% or less (including 0%), sulfur (S): 0.05% or less (including 0%), the remainder including iron (Fe) and unavoidable impurities. You can.
  • the content of C (carbon) may be 0.010 to 0.040% by weight, preferably 0.010 to 0.035% by weight.
  • C is an element that greatly improves strength when formed into pearlite, but when the C content increases, there is a problem of generating pearlite, which causes processing breakage during wet drawing. If the C content is less than 0.010% by weight, it is difficult to achieve the strength target. On the other hand, if the C content exceeds 0.040% by weight, disconnection may occur during wire drawing due to the formation of pearlite grain boundaries, so it is preferable to control it below that amount.
  • the content of Si may be more than 0% by weight and less than or equal to 0.10% by weight, and preferably 0.05 to 0.10% by weight.
  • Si is a ferrite hardening element and has the advantage of improving strength, but it may be disadvantageous in terms of scale peeling ability because it forms Fe 2 SiO 4 which has excellent bonding strength with the base material. Therefore, it is desirable to control the Si content to 0.1% or less to improve scale peelability.
  • the content of Mn may be 0.10 to 1.50% by weight, preferably 0.10 to 1.10% by weight.
  • Mn is added to increase wire strength. If the Mn content is less than 0.10% by weight, it may be difficult to secure the target strength. On the other hand, if the Mn content exceeds 1.50% by weight, there is a high possibility of machining breakage due to segregation, so it is preferable to control it below that amount.
  • the content of Ni (nickel) may be 0.50 to 1.50 wt%, preferably 0.50 to 1.30 wt%, and more preferably 0.55 to 1.10 wt%.
  • Ni is an austenite stabilizing element and is dissolved in solid solution in ferrite, so it can increase tensile strength through solid solution strengthening.
  • Ni significantly improves toughness and is effective in preventing wire breakage during wire drawing.
  • the bending strength of concrete can be greatly improved when external force is applied after mixing steel fibers in concrete and repeatedly maintaining low and room temperatures. If the Ni content is less than 0.50% by weight, improvement in bending strength may not occur. On the other hand, if the Ni content exceeds 1.50% by weight, the occurrence of machining disconnections may increase, so it is preferable to control it below that amount.
  • the content of P (phosphorus) and S (sulfur) may each independently be 0.05% by weight or less (including 0%), and preferably 0.040% or less.
  • P and S are harmful elements corresponding to impurities, and if they exceed 0.05%, they may break during wire drawing due to central segregation, so it is preferable to control them below that amount.
  • the remaining component of the wire rod for steel fiber according to one embodiment is iron (Fe).
  • Fe iron
  • the wire rod for steel fiber may include scales with a thickness of 8 to 20 ⁇ m formed on the surface.
  • scale is removed through mechanical peeling using a bending roller in the wire drawing without a separate chemical scale removal process. In this case, if the scale thickness is too thin, scale peeling of the wire may be poor. Therefore, in order to use the wire as a product for mechanical peeling, it is preferable that the oxidation scale is formed to a thickness of 8 ⁇ m or more.
  • the wire rod for steel fiber may have a tensile strength of 340 MPa or more. If the tensile strength of the wire rod is low, the tensile strength of the steel fiber also becomes low, so in order to manufacture steel fibers with a certain strength or higher, it is preferable that the tensile strength of the wire rod satisfies at least 340 MPa or more. The lower the steel fiber strength, the larger the amount of steel fibers used in the concrete, which increases the cost. Also, if a large amount of steel fibers are used, there is a problem that it takes a long time to mix and cure the concrete. In other words, if the wire tensile strength is less than 340 MPa, the effect of reducing the amount of steel fibers mixed into concrete cannot be achieved.
  • the tensile strength deviation between the coil overlapping portion and the non-overlapping portion may be less than ⁇ 40 MPa, preferably ⁇ 30 MPa or less, and more preferably ⁇ 25 MPa or less.
  • a deviation in tensile strength occurs between the overlapping and non-overlapping parts of the coil. The lower the tensile strength deviation of the wire is controlled, the lower the tensile strength deviation of the steel fiber can be controlled.
  • the wire for steel fiber simultaneously satisfies the oxidation scale of 8 to 20 ⁇ m thick and the tensile strength deviation of less than ⁇ 40 MPa, thereby enabling processing into steel fiber for concrete reinforcement, and eliminating void defects when manufacturing steel fiber. And the disconnection rate can be significantly reduced. Furthermore, when manufacturing steel fibers using wires that satisfy these physical properties, when steel fibers are mixed with concrete, the compressive strength within the concrete can be normally applied, providing concrete that is stable against external stress.
  • the wire for steel fiber may include polygonal ferrite as a microstructure.
  • the wire for steel fiber preferably contains polygonal ferrite in an area fraction of 98% or more, preferably 99% or more. If the grain boundaries contain more than 2% of pearlite or cementite in terms of area fraction, fracture may occur during wet drawing, which may cause wire breakage.
  • Steel fibers for concrete reinforcement include carbon (C): 0.010 to 0.040%, silicon (Si): more than 0% and less than 0.10%, manganese (Mn): 0.10 to 1.50%, and nickel (Ni). : 0.50 to 1.50%, phosphorus (P): 0.05% or less (including 0%), sulfur (S): 0.05% or less (including 0%), the remainder may include iron (Fe) and unavoidable impurities.
  • the steel fiber according to one embodiment may include polygonal ferrite as a microstructure and may include polygonal ferrite in the shape of a fiber stretched long by new processing.
  • the steel fiber preferably contains polygonal ferrite in an area fraction of 98% or more.
  • the number of void defects having a size of about 5 ⁇ m or more generated at grain boundaries may be 4x10 7 pieces/mm 2 or less, preferably 3x10 7 pieces/mm 2 or less, and further. Preferably, it may be 2x10 7 pieces/mm 2 or less.
  • elongation rate is improved as the number of void defects decreases.
  • elongation may mean the sum of uniform elongation and breaking elongation. If there are few cracks in the plastic deformation section, it can be stretched longer, so the uniform elongation rate can also increase.
  • Steel fibers for reinforcing concrete may have a tensile strength of 1,220 MPa or more, and preferably 1,230 MPa or more. The higher the tensile strength of the steel fiber, the better the concrete reinforcing effect can be.
  • the steel fiber for concrete reinforcement may have a tensile strength deviation between the coil overlapping portion and the non-overlapping portion of less than ⁇ 50 MPa, preferably less than ⁇ 40 MPa, and more preferably less than ⁇ 30 MPa.
  • a tensile strength deviation between the coil overlapping portion and the non-overlapping portion of less than ⁇ 50 MPa, preferably less than ⁇ 40 MPa, and more preferably less than ⁇ 30 MPa.
  • Large variations in the tensile strength of steel fibers can cause product defects.
  • the deviation in the tensile strength of the steel fibers is small, the problem of steel fibers falling out of concrete can be solved.
  • the smaller the deviation in the tensile strength of the steel fibers the more normally the compressive strength within the concrete can be applied, so the concrete mixed with the steel fibers according to the present invention can be stable against external stress such as impact.
  • Steel fibers for concrete reinforcement may have a strain hardening rate of 405 or more when applied at a total true strain of 4.6 or more, preferably 4.6 to 5.0, during wire drawing.
  • a strain hardening rate of 405 or more when applied at a total true strain of 4.6 or more, preferably 4.6 to 5.0, during wire drawing.
  • the total true strain when a 6.5 mm thick wire is drawn into a 0.55 mm thick steel fiber, the total true strain may be 4.93, and when a 6.0 mm thick wire is drawn into a 0.55 mm thick steel fiber, the total true strain is may be 4.78, and when 5.5 mm thick wire is drawn into 0.55 mm thick steel fiber, the total true strain may be 4.61.
  • the strain hardening rate of 405 or higher must be satisfied to meet the desired steel fiber strength.
  • the strain hardening rate can be calculated with reference to the following equation (1).
  • TS is the tensile strength
  • A is the strain hardening rate
  • B is the extrapolated value of the tensile strength when the initial tensile strength Exp(e/4) is 0, and e is the true strain value.
  • Steel fibers for concrete reinforcement may have an elongation of 5% or more, preferably 5.8% or more.
  • Steel fibers for concrete reinforcement may have a disconnection rate of 5.0 times/ton or less, and preferably 1.5 times/ton or less. If the disconnection rate per ton is too high, it may not be suitable for processing steel fibers for concrete.
  • Steel fibers according to one embodiment may have a bending strength of 45 MPa or more, preferably 50 MPa or more when mixed with concrete.
  • the steel fiber according to the present invention may have improved bending strength by designing the alloy composition to be high Ni.
  • the bending strength is obtained by cooling the specimen to a low temperature of -20°C, maintaining it for 1 hour, and then maintaining it at room temperature of 25°C for 1 hour (-20°Cx1hr ⁇ 25°Cx1hr ⁇ -20°Cx1hr). It can be measured by repeating 100 cycles and then applying a load of 130 kg/mm 3 to the center.
  • the wire rod for high-strength steel fiber of the present invention can be manufactured by producing a billet having the above-described alloy composition and then going through the following processes: reheating, rolling the wire, winding, and cooling.
  • the method for manufacturing a wire rod for steel fiber according to an embodiment of the present invention is, in weight percent, carbon (C): 0.010 to 0.040%, silicon (Si): more than 0% and less than 0.10%, manganese (Mn): 0.10 to 1.50.
  • remaining iron (Fe) and unavoidable impurities Heating a billet containing; Preparing a wire rod by rolling the heated billet; Winding the wire at a temperature range of 880 to 950°C; and cooling the wound wire to 300°C at a rate of 1°C/s or less.
  • the heated billet is rolled under normal rolling conditions. That is, the wire rod is manufactured by performing hot rolling sequentially consisting of rough rolling, intermediate rough rolling/finish rolling, and finish rolling on the heated billet.
  • the coiling temperature is controlled to 880 to 950°C through water cooling. In order to use it as a mechanical peeling product, scale formation with a thickness of 8 to 20 ⁇ m is required. If the coiling temperature is less than 880°C, the scale may be formed to a thickness of less than 8 ⁇ m and may not meet the appropriate thickness. On the other hand, when the coiling temperature exceeds 950°C, the scale thickness is formed to 20 ⁇ m or less, satisfying the appropriate thickness range, but it is preferable to control it below that because defective coiling shape may occur. Additional facility investment may be required to resolve winding shape defects.
  • the wire rod wound in the Stellmore cooling zone is cooled from the above coiling temperature to 300°C at a rate of 1°C/s or less. Because there is an overlap within the ring in Stellmore, a deviation in tensile strength from the non-overlapping part occurs. If the cooling rate exceeds 1°C/s, the deviation in the tensile strength of the wire rod and steel fiber may be ⁇ 40 MPa or more. there is. Since there is no material homogenization treatment between the wire rod and the drawing process, the tensile strength variation in the wire rod must be reduced to ensure good steel fiber quality. In order to suppress variations in tensile strength in the Stellmore cooling zone, it is desirable to cover the cover, minimize ventilation, and control the cooling rate to 1°C/s or less.
  • the wire for steel fibers manufactured by the method according to one embodiment may include polygonal ferrite as a microstructure and may have a tensile strength of 340 MPa or more.
  • the tensile strength deviation between the coil overlapping portion and the non-overlapping portion may be less than ⁇ 40 MPa, preferably ⁇ 30 MPa or less, and more preferably ⁇ 25 MPa or less.
  • the wire for steel fibers manufactured by the method according to one embodiment may have scales with a thickness of 8 to 20 ⁇ m formed on the surface.
  • the steel fiber for concrete reinforcement of the present invention can be manufactured through dry drawing and wet drawing of the above-described steel fiber wire.
  • the method for manufacturing steel fibers for concrete reinforcement is to dry-draw and wet-draw the wires manufactured according to the method for manufacturing wires for steel fibers to a total true strain of 4.6 or more, preferably 4.6 to 5.0, to produce steel fibers. It may include the step of manufacturing. By drawing with a high true strain, the variation in tensile strength within the product can be reduced.
  • the number of void defects with a size of 5 ⁇ m or more generated at the grain boundary may be 4x10 7 /mm 2 or less.
  • Steel fibers manufactured by the method according to one embodiment may have a tensile strength of 1,220 MPa or more, a strain hardening rate of 405 or more, and an elongation of 5% or more.
  • Steel fibers manufactured by the method according to one embodiment may have a disconnection rate of 1.5 times/ton or less and a bending strength of 45 MPa or more when mixed with concrete.
  • the steel fiber manufactured by the method according to one embodiment may have a tensile strength deviation between the coil overlapping portion and the non-overlapping portion of less than ⁇ 50 MPa, preferably less than ⁇ 40 MPa, and more preferably less than ⁇ 30 MPa.
  • steel having the alloy composition shown in Table 1 below was steeled in a converter and then cast under normal conditions to produce a 160x160mm 2 continuous billet material.
  • the billet material was maintained at a heating furnace temperature of 1,050°C for 90 minutes and then rolled under normal conditions.
  • the coiling temperature was controlled to the coiling temperature shown in Table 2 through cooling in a water cooling zone and cooled to 300°C in a Stellmore cooling zone.
  • a wire rod was manufactured by cooling at the cooling rate shown in Table 2.
  • TS tensile strength
  • tensile strength deviation tensile strength deviation
  • surface oxide scale thickness tensile strength deviation
  • a tensile test was conducted according to the ISO6892-1 standard, and the tensile speed (cross head speed) was 20 m/min.
  • the collected wire rods were cut in succession (12 pieces) with a length of 400 mm, and their tensile strength was measured and the average and deviation were confirmed.
  • microstructure fraction was photographed at 200x using an optical microscope, and the average value was obtained after securing the area fraction for a total of 10 sheets.
  • FIG. 1 is a representative component system of 0.021C-0.08Si-0.2Mn-0.99Ni (% by weight).
  • the coiling temperature is 908°C, and the cooling rate at this time is 0.8°C/s.
  • Figure 1 is a photograph of the microstructure of the center of the wire rod of Inventive Example 1. With reference to this, it can be confirmed that the microstructure of the wire rod of Inventive Example 1 is polyconal ferrite. It can be confirmed through J-mat pro in Figure 2 that only ferrite is formed even if the cooling rate is fast. At this time, the wire tensile strength of Inventive Example 1 was 360 MPa and the scale thickness was 13.2 ⁇ m.
  • Inventive Examples 2 to 4 were prepared by adjusting the content of carbon, manganese, or nickel within the range according to the present invention, respectively, based on Inventive Example 1. As such, the conditions of tensile strength of 340 MPa or more and scale thickness of 8 to 20 ⁇ m were all satisfied.
  • Comparative Example 1 satisfies the alloy composition range according to the present invention, but the coiling temperature was lowered to 830°C, and the scale thickness was formed at 3.5 ⁇ m, which greatly reduced the scale thickness compared to Inventive Example 1.
  • Comparative Example 2 had the same alloy composition as Inventive Example 1, but the cooling rate was increased to 7.5°C/s, resulting in a large tensile strength deviation of ⁇ 48 MPa.
  • Comparative Examples 3 to 6 are cases where the alloy composition range according to the present invention is not satisfied.
  • the manufactured wire rod was dry-drawn and processed to produce steel fiber, and its tensile strength (TS), tensile strength deviation at the overlap, strain hardening rate (A), elongation, number of void defects with a size of 5 ⁇ m or more, and per ton were measured.
  • the processing disconnection rate was measured and shown in Table 3 below.
  • the tensile test followed ISO6892-1 standards, and the tensile speed (cross head speed) was 50 m/min.
  • the test piece was 300 mm long, and the test piece was cut in succession (20 pieces), and its tensile strength was measured and the average and deviation were confirmed.
  • the number of void defects was confirmed using a scanning electron microscope, and photographs were taken at x1000 times.
  • the processing wire breakage rate per ton means that processing is stopped due to wire breakage during wire drawing, and the number of times for a total of 100 tons of wire supplied during work was counted and then averaged.
  • test specimen 20 kg of steel fibers prepared according to Tables 1 and 2 above were mixed with 135 kg of concrete to produce a test specimen (cuboid) with a length of 3,400 mm, a width of 1,200 mm, and a thickness of 200 mm.
  • TS is the tensile strength
  • A is the strain hardening rate
  • B is the extrapolated value of the tensile strength when the initial tensile strength Exp(e/4) is 0, and e is the true strain value.
  • Figure 3 is a cross-sectional SEM photo of the steel fiber of Inventive Example 1.
  • the number of defects in the steel fiber of Inventive Example 1, such as voids with a size of 5 ⁇ m or more, was 2*10 7 /mm 2 .
  • the processing disconnection rate per ton was good at 0.5.
  • Invention Example 2 is a steel with a carbon content of 0.011% added, and the values such as disconnection are similar to those of Invention Example 1, but the strength decreases and the elongation increases slightly.
  • Invention Example 3 is a steel with 1.02% Mn added, and does not significantly break during processing, and strength increases compared to Invention Example 1, and elongation decreases slightly, but concrete bending strength is good.
  • Inventive Example 4 has a lower alloy composition than Inventive Example 1 with Ni of 0.51%, and as a result, physical properties such as tensile strength and elongation are somewhat lowered, but it can be confirmed that the desired physical properties in the present invention are achieved.
  • conventional steel fibers can meet a bending strength of 45 MPa or more by mixing about 25 kg of steel fibers per 135 kg of concrete.
  • the steel fibers of Examples 1 to 4 can achieve a bending strength of 45 MPa or more even by mixing about 20 kg of steel fiber per 135 kg of concrete, confirming that excellent effects can be achieved while reducing the amount of steel fiber used.
  • Comparative Examples 1 to 6 show differences from Inventive Example 1 when the coiling temperature, Stelmore cooling rate, C content, Si content, Mn content, or Ni content are changed, respectively, based on Inventive Example 1.
  • Comparative Example 1 when the coiling temperature was lowered to 830°C during wire production, it can be seen that the number of disconnections per ton was 8.2, which was significantly inferior to Invention Examples 1 to 4. Specifically, in the case of Comparative Example 1, wire drawing was possible, but the scale thickness of the wire rod was formed too thin at 3.5 ⁇ m, so wire breakage easily occurred during processing.
  • Comparative Example 2 relates to the Stellmore cooling rate, and compared to Inventive Example 1, the cooling rate during wire manufacturing is greatly increased to 7.5°C/s.
  • the tensile strength is similar to Invention Example 1, but the deviation in tensile strength of the product after drawing significantly increases to ⁇ 65 MPa, and it can be seen that the number of defects such as voids with a size of 5 ⁇ m or more has also significantly increased.
  • Comparative Example 3 the carbon content was increased to 0.045%, and a large amount of pearlite or cementite was formed at the grain boundaries, making wire drawing impossible, and the wire breakage rate also greatly increased.
  • Comparative Example 4 the Si content was increased to 0.32%, and due to the high Si content, a scale of Fe 2 SiO 4 composition was formed on the surface of the wire, resulting in a poor wire disconnection rate per ton.
  • FIG. 6 is a cross-sectional SEM photo of the steel fiber of Comparative Example 6. Referring to this, it can be seen that a large number of void defects were generated at 6x10 7 pieces/mm 2 .

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Abstract

본 발명은, 중량%로, 탄소(C): 0.010 내지 0.040%, 실리콘(Si): 0% 초과 0.10% 이하, 망간(Mn): 0.10 내지 1.50%, 니켈(Ni): 0.50 내지 1.50%, 인(P): 0.05% 이하 (0% 포함), 황(S): 0.05% 이하 (0% 포함), 나머지 철(Fe) 및 불기피한 불순물을 포함하는, 강섬유용 선재, 콘크리트 보강용 강섬유 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.

Description

강섬유용 선재, 콘크리트 보강용 강섬유 및 이들의 제조방법
본 발명은 강섬유용 선재, 콘크리트 보강용 강섬유 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 강섬유는 건축물 바닥 또는 터널 내부의 토압을 지탱하는 콘크리트 보강재로 사용되며, 철근처럼 배근을 하는 공정이 없기 때문에 철근 대체용으로 많이 사용되고 있다. 1,000 MPa 이하의 저강도급 강섬유가 많이 사용되었으나, 콘크리트 압축강도 증가 등 공법 변화로 강섬유 강도는 점차적으로 증가 중이다.
강섬유는 용도에 따라 직경이 나뉘나, 일반적으로 직경이 약 0.4~1.0 mm 수준으로 가늘기 때문에, 선재 → 디스케일링 → 건식신선 → 습식신선 → 번들 공정을 통해 제조된다. 신선 시 진변형량(e)을 약 4.6 수준으로 인가하기 때문에 탄소함량을 약 0.01 중량% 수준의 극저탄소강에는 Si 및 Mn 등의 고용강화 원소를 첨가하여 성분을 설계하여야 한다.
LNG 등 극저온 용기 및 해수 내에도 콘크리트가 사용되는데, 이때도 강섬유가 보강재로 사용될 수 있다. 다만, 일반적으로 사용되는 강섬유는 저온에 취약하기 때문에 극저온에서 견딜 수 있는 특화 강재가 필요하다. 이에, 신선 가공 시 단선을 억제시킬 수 있으면서, 저온에서 콘크리트의 휨강도를 크게 향상시킬 수 있는 강재의 개발이 요구되고 있다.
(특허문헌 1) 한국공개특허 제10-2000-0042052호
본 발명은 LNG 탱크 등 콘크리트 보강재로 사용되는 휨강도가 우수한 강섬유 선재, 강섬유 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 인장강도 및 연신율이 우수하면서, 콘크리트와의 배합 시 휨강도가 우수한 콘크리트 보강용 고강도 강섬유 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면은, 중량%로, 탄소(C): 0.010 내지 0.040%, 실리콘(Si): 0% 초과 0.10% 이하, 망간(Mn): 0.10 내지 1.50%, 니켈(Ni): 0.50 내지 1.50%, 인(P): 0.05% 이하 (0% 포함), 황(S): 0.05% 이하 (0% 포함), 나머지 철(Fe) 및 불기피한 불순물을 포함하는, 강섬유용 선재를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 강섬유용 선재는 표면에 8 내지 20 ㎛ 두께의 스케일이 형성된 것을 포함하며, 인장강도 편차가 ±40 MPa 미만일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 강섬유용 선재는 인장강도가 340 MPa 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 강섬유용 선재는 미세조직으로 폴리고날 페라이트를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면은, 중량%로, 탄소(C): 0.010 내지 0.040%, 실리콘(Si): 0% 초과 0.10% 이하, 망간(Mn): 0.10 내지 1.50%, 니켈(Ni): 0.50 내지 1.50%, 인(P): 0.05% 이하 (0% 포함), 황(S): 0.05% 이하 (0% 포함), 나머지 철(Fe) 및 불기피한 불순물을 포함하는, 콘크리트 보강용 강섬유를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 보강용 강섬유는 결정립계에서 발생된 5 ㎛ 이상의 크기를 갖는 보이드 결함 개수가 4x107 개/mm2 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 보강용 강섬유는 인장강도가 1,220 MPa 이상일 수 있다. 상기 콘크리트 보강용 강섬유는 가공경화율이 405 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 보강용 강섬유는 연신율이 5% 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 보강용 강섬유는 단선율이 1.5 회/톤 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 보강용 강섬유는 인장강도 편차가 ±50 MPa 미만일 수 있다.
본 발명의 일 측면은, 중량%로, 탄소(C): 0.010 내지 0.040%, 실리콘(Si): 0% 초과 0.10% 이하, 망간(Mn): 0.10 내지 1.50%, 니켈(Ni): 0.50 내지 1.50%, 인(P): 0.05% 이하 (0% 포함), 황(S): 0.05% 이하 (0% 포함), 나머지 철(Fe) 및 불기피한 불순물을 포함하는 빌렛을 가열하는 단계; 상기 가열된 빌렛을 압연하여 선재를 마련하는 단계; 상기 선재를 880 내지 950℃의 온도범위에서 권취하는 단계; 및 상기 권취된 선재를 300℃까지 1℃/s 이하의 속도로 냉각하는 단계;를 포함하는, 강섬유용 선재의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 강섬유용 선재의 제조방법은, 상기 빌렛 가열 시, 1,000 내지 1,250℃의 가열로 온도에서 90 내지 120분간 유지하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 강섬유용 선재의 제조방법에서, 상기 강섬유용 선재는 미세조직으로 폴리고날 페라이트를 포함할 수 있다. 또한, 상기 강섬유용 선재는 표면에 8 내지 20 ㎛ 두께의 스케일이 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면은, 상기 강섬유용 선재의 제조방법에 따라 제조된 선재를 진변형량 4.6 이상으로 건식신선 및 습식신선하여 강섬유를 제조하는 단계를 포함하는, 콘크리트 보강용 강섬유의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 보강용 강섬유의 제조방법에서, 상기 강섬유는, 결정립계에서 발생된 5 ㎛ 이상의 크기를 갖는 보이드 결함 개수가 4x107 개/mm2 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 보강용 강섬유의 제조방법에서, 상기 강섬유는 인장강도가 1,220 MPa 이상일 수 있다. 또한, 상기 강섬유는 인장강도 편차가 ±50 MPa 미만일 수 있다. 또한, 상기 강섬유는 가공경화율이 405 이상일 수 있다. 또한, 상기 강섬유는 연신율이 5% 이상일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 보강 고강도 강섬유를 사용하는 경우 콘크리트 내 철근 사용이 생략되고, 배근 시간이 없기 때문에 시공 측면에서 유리하다. 또한, 본 발명에 따른 강섬유는 고 Ni 첨가로 인해 저온에서의 인성이 향상되기 때문에, 콘크리트에 첨가 시 콘크리트의 휨강도를 크게 증가시킬 수 있고, 이로 인해 안정성 증가 및 장수명화가 가능하다.
본원에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 발명예 1의 선재 중심부에서 관찰되는 미세조직 사진이다.
도 2는 J-mat pro를 이용해 계산한 발명예 1의 성분계에 대한 CCT이다.
도 3은 발명예 1의 강섬유 단면에서 관찰되는 결함을 보여주는 사진이다.
도 4는 비교예 6의 강섬유 단면에서 관찰되는 결함을 보여주는 사진이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술사상이 이하에서 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 출원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 예시를 설명하기 위하여 사용되는 것이다. 때문에 가령 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수여야만 하는 것이 아닌 한, 복수의 표현을 포함한다. 덧붙여, 본 출원에서 사용되는 "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 명확히 지칭하기 위하여 사용되는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것의 존재를 예비적으로 배제하고자 사용되는 것이 아님에 유의해야 한다.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진 것으로 보아야 한다. 따라서, 본 명세서에서 명확하게 정의하지 않는 한, 특정 용어가 과도하게 이상적이거나 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다. 가령, 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 명세서의 "약", "실질적으로" 등은 언급한 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 발명은, 강섬유용 선재, 콘크리트 보강용 강섬유, 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 강섬유용 선재는, 중량%로, 탄소(C): 0.010 내지 0.040%, 실리콘(Si): 0% 초과 0.10% 이하, 망간(Mn): 0.10 내지 1.50%, 니켈(Ni): 0.50 내지 1.50%, 인(P): 0.05% 이하 (0% 포함), 황(S): 0.05% 이하 (0% 포함), 나머지 철(Fe) 및 불기피한 불순물을 포함할 수 있다.
이하, 각 합금원소의 성분범위를 한정한 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 기재가 없는 한 단위는 중량%이다.
C (탄소)의 함량은 0.010 내지 0.040 중량%일 수 있고, 바람직하게는 0.010 내지 0.035 중량%일 수 있다.
C는 펄라이트로 형성 시 강도를 크게 향상시키는 원소이나, C 함량 증가 시 습식 신선 시 가공 단선을 유발하는 펄라이트 발생하는 문제가 있다. C 함량이 0.010 중량% 미만이면, 강도 목표 달성이 어렵다. 반면, C 함량이 0.040 중량%를 초과할 경우, 펄라이트 입계 형성에 따른 신선 가공 시 단선 발생하기 때문에 그 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
Si (실리콘)의 함량은 0 중량% 초과 0.10 중량% 이하일 수 있고, 바람직하게는 0.05 내지 0.10 중량%일 수 있다.
Si는 페라이트 경화원소로서, 강도를 향상시키는 장점이 있으나, 모재와 결합력이 우수한 Fe2SiO4을 형성하여 스케일 박리성 측면에서는 불리할 수 있다. 따라서, 스케일 박리성 향상 위해 Si의 함량은 0.1% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
Mn (망간)의 함량은 0.10 내지 1.50 중량%일 수 있고, 바람직하게는 0.10 내지 1.10 중량%일 수 있다.
Mn은 선재 강도를 증가시키기 위해 첨가한다. Mn 함량이 0.10 중량% 미만일 경우, 목표 강도 확보가 어려울 수 있다. 반면, Mn 함량이 1.50 중량% 초과하는 경우, 편석에 의한 가공 단선이 발생 가능성이 높기 때문에 그 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
Ni(니켈)의 함량은 0.50 내지 1.50 중량%일 수 있고, 바람직하게는 0.50 내지 1.30 중량%일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 0.55 내지 1.10 중량%일 수 있다.
Ni은 오스테나이트 안정화 원소로서, 페라이트 내 고용되기 때문에 고용강화를 통해 인장강도를 증가시킬 수 있다. 이와 더불어 Ni은 인성을 크게 향상시키는데, 신선 가공 인가 시 단선 방지에 효과적이다. 특히, Ni은 저온인성을 향상시키기 때문에, 강섬유를 콘크리트 내 배합 후 저온/상온 간 반복 유지 후 외력 인가 시 콘크리트 휨강도를 크게 향상시킬 수 있다. Ni 함량이 0.50 중량% 미만일 경우, 휨강도 개선이 나타나지 않을 수 있다. 반면, Ni 함량이 1.50 중량%를 초과할 경우, 가공 단선 발생이 증가할 수 있기 때문에 그 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
P(인) 및 S(황)의 함량은 각각 독립적으로 0.05 중량% 이하(0% 포함)일 수 있고, 바람직하게는 0.040% 이하일 수 있다. P 및 S는 불순물에 해당하는 유해원소로서 0.05% 초과 시 중심부 편석으로 인한 신선 가공 중 단선될 수 있기 때문에 그 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
일 실시예에 따른 강섬유용 선재의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
일 실시예에 따른 강섬유용 선재는, 표면에 8 내지 20 ㎛ 두께의 스케일이 형성된 것을 포함할 수 있다. 강섬유 제조 시 별도의 화학적 스케일 제거 공정 없이 신선사에서 벤딩롤러를 사용하여 기계적 박리를 통해 스케일이 제거되는데, 이때 스케일 두께가 너무 얇으면 선재의 스케일 박리가 열위해질 수 있다. 따라서, 선재를 기계적 박리용 제품으로 사용하기 위해서는 산화스케일이 8 ㎛ 이상의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 반면, 산화스케일 두께가 20 ㎛를 초과하는 경우, 산화스케일 두께가 너무 두꺼우면 가공 공정에서 산화스케일이 깨져서 날리는 현상인 스케일 비산이 발생하여 권취 형상 불량이 발생하게 되고, 이에 따라 강섬유로의 제조가 어려울 수 있으므로, 그 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 선재 스케일은 경질의 결함이기 때문에, 선재의 스케일이 너무 두꺼울 경우, 선재를 강섬유로 가공 시에 신선 다이스 내부 초경다이스가 깨질 수 있다. 이를 통해 소재 표면에 다이스 그루브(groove)가 깊게 형성되어 신선 가공 중 단선을 유발시킬 수 있으며, 표면부의 국부적인 영역에 큰 변형이 인가되기 때문에 정상부 대비 결함(void)수가 증가되어 가공단선율이 증가될 수 있다.
일 실시예에 따른 강섬유용 선재는, 인장강도가 340 MPa 이상일 수 있다. 선재의 인장강도가 낮으면, 강섬유의 인장강도 또한 낮아지므로, 일정 강도 이상의 강섬유를 제조하기 위해서는 선재 인장강도가 적어도 340 MPa 이상을 만족하는 것이 바람직하다. 강섬유 강도가 낮으면 낮을수록 콘크리트 내에 사용되는 강섬유 양이 많이 지기 때문에 비용이 상승하게 되고, 또한 많은 양의 강섬유가 사용되면 콘크리트와 혼합 및 양생하는데 시간이 많이 소요되는 문제가 있다. 즉, 선재 인장강도가 340MPa 미만이면, 콘크리트에 혼합되는 강섬유의 양 절감 효과를 얻을 수 없다.
또한, 일 실시예에 따른 강섬유용 선재는, 코일 겹침부와 비겹침부 간의 인장강도 편차가 ±40 MPa 미만, 바람직하게는 ±30 MPa 이하, 더욱 바람직하게는 ±25 MPa 이하일 수 있다. 선재 제조 공정에 있어서, 스텔모아 냉각대에서 냉각 시 코일 겹침부와 미겹침부 간의 인장강도 편차가 발생하게 되는데, 선재의 인장강도 편차를 낮게 제어할수록 강섬유의 인장강도 편차 또한 낮게 제어할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 강섬유용 선재는, 8 내지 20 ㎛ 두께의 산화스케일 및 ±40 MPa 미만의 인장강도 편차를 동시에 만족함으로써, 콘크리트 보강용 강섬유로의 가공이 가능하고, 강섬유 제조 시 보이드 결함 및 단선율을 현저히 낮출 수 있다. 나아가, 이와 같은 물성을 만족하는 선재로 강섬유 제조 시, 강섬유를 콘크리트와 배합하였을 때 콘크리트 내 압축강도를 정상적으로 인가시킬 수 있어 외부 응력에 안정적인 콘크리트를 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 강섬유용 선재는 미세조직으로 폴리고날 페라이트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 강섬유용 선재는 폴리고날 페라이트를 면적분율로 98% 이상, 바람직하게는 99% 이상 포함하는 것이 바람직하다. 입계에 펄라이트 또는 세멘타이트가 면적분율로 2% 이상 포함되는 경우, 습식신선 시 파괴가 발생하여 단선이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 보강용 강섬유는, 탄소(C): 0.010 내지 0.040%, 실리콘(Si): 0% 초과 0.10% 이하, 망간(Mn): 0.10 내지 1.50%, 니켈(Ni): 0.50 내지 1.50%, 인(P): 0.05% 이하 (0% 포함), 황(S): 0.05% 이하 (0% 포함), 나머지 철(Fe) 및 불기피한 불순물을 포함할 수 있다.
상기 각 합금조성의 성분범위 수치 한정 이유는 상술한 바와 같다.
일 실시예에 따른 강섬유는 미세조직으로 폴리고날 페라이트를 포함할 수 있으며, 신성가공에 의해 길게 연신된 섬유(fiber) 형상의 폴리고날 페라이트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 강섬유는 폴리고날 페라이트를 면적분율로 98% 이상 포함하는 것이 바람직하다.
일 실시예에 따른 콘크리트 보강용 강섬유는, 결정립계에서 발생된 약 5 ㎛ 이상의 크기를 갖는 보이드 결함 개수가 4x107 개/mm2 이하일 수 있고, 바람직하게는 3x107 개/mm2 이하일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 2x107 개/mm2 이하일 수 있다. 상기 보이드 결함 개수가 적을수록 연신율이 향상되는 이점이 있다. 본 발명에서 연신율이란, 균일 연신율과 파괴 연신율의 합을 의미하는 것일 수 있다. 소성변형 구간에 균열이 적다면 보다 길게 연신될 수 있으므로, 균일 연신율 또한 증가할 수 있다.
일 실시예에 따른 콘크리트 보강용 강섬유는, 인장강도가 1,220 MPa 이상일 수 있고, 바람직하게는 1,230 MPa 이상일 수 있다. 상기 강섬유의 인장강도가 높을수록 콘트리트 보강 효과가 우수할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 콘크리트 보강용 강섬유는, 코일 겹침부와 비겹침부 간의 인장강도 편차가 ±50 MPa 미만, 바람직하게는 ±40 MPa 이하, 더욱 바람직하게는 ±30 MPa 이하일 수 있다. 강섬유의 인장강도 편차가 크면 제품 불량을 야기할 수 있다. 나아가, 강섬유의 인장강도 편차가 작으면 콘크리트에서 강섬유가 빠지는 문제를 해소할 수 있다. 또한, 강섬유의 인장강도 편차가 작을수록 콘크리트 내 압축강도를 정상적으로 인가시킬 수 있기 때문에, 본 발명에 따른 강섬유가 배합된 콘크리트는 충격 등 외부 응력에 안정적일 수 있다.
일 실시예에 따른 콘크리트 보강용 강섬유는, 신선 가공 시 총 진변형량 4.6 이상, 바람직하게는 4.6 내지 5.0으로 인가할 때 가공경화율이 405 이상일 수 있다. 예를 들어, 6.5 mm 두께의 선재를 0.55 mm 두께의 강섬유로 신선 가공하는 경우, 총 진변형량은 4.93일 수 있고, 6.0 mm 두께의 선재를 0.55 mm 두께의 강섬유로 신선 가공하는 경우, 총 진변형량은 4.78일 수 있으며, 5.5 mm 두께의 선재를 0.55 mm 두께의 강섬유로 신선 가공하는 경우, 총 진변형량은 4.61일 수 있다. 또한, 가공경화율 405 이상을 만족하여야 목적하는 강섬유 강도를 충족시킬 수 수 있다. 여기서, 가공경화율은 하기 식 (1)을 참조하여 계산될 수 있다.
식 (1): TS = A*Exp(e/4) + B
상기 식 (1)에서 TS는 인장강도, A는 가공경화율, B는 초기 인장강도 Exp(e/4)가 0일 때의 인장강도 외삽 값, e는 진변형량 값이다.
일 실시예에 따른 콘크리트 보강용 강섬유는, 연신율이 5% 이상일 수 있고, 바람직하게는 5.8% 이상일 수 있다.
일 실시예에 따른 콘크리트 보강용 강섬유는, 단선율이 5.0 회/톤 이하일 수 있고, 바람직하게는 1.5 회/톤 이하일 수 있다. 상기 톤당 단선율이 너무 높으면, 콘크리트용 강섬유 가공에 적합하지 않을 수 있다.
일 실시예에 따른 강섬유는 콘크리트와 배합 시 휨강도가 45 MPa 이상, 바람직하게는 50 MPa 이상일 수 있다. 휨강도가 높을수록 저온인성이 우수한 것일 수 있다. 본 발명에 따른 강섬유는 합금조성을 고 Ni로 설계하여 휨강도가 향상된 것일 수 있다. 여기서, 휨강도는 시편을 -20℃의 저온으로 냉각한 후 1시간 동안 유지하고, 다시 25℃의 상온에서 1시간 동안 유지하는 것 (-20℃x1hr → 25℃x1hr → -20℃x1hr)을 1 사이클로 하여, 이를 100 사이클을 반복한 후 중심부에 130 kg/mm3 하중을 인가하여 측정될 수 있다.
이하에서는 상술한 합금조성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 고강도 강섬유용 선재의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 고강도 강섬유용 선재는 상술한 합금조성을 가지는 빌렛(Billet)을 제작한 후, 이를 재가열 - 선재 압연 - 권취 - 냉각 과정을 거쳐 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 강섬유용 선재의 제조방법은, 중량%로, 탄소(C): 0.010 내지 0.040%, 실리콘(Si): 0% 초과 0.10% 이하, 망간(Mn): 0.10 내지 1.50%, 니켈(Ni): 0.50 내지 1.50%, 인(P): 0.05% 이하 (0% 포함), 황(S): 0.05% 이하 (0% 포함), 나머지 철(Fe) 및 불기피한 불순물을 포함하는 빌렛을 가열하는 단계; 상기 가열된 빌렛을 압연하여 선재를 마련하는 단계; 상기 선재를 880 내지 950℃의 온도범위에서 권취하는 단계; 및 상기 권취된 선재를 300℃까지 1℃/s 이하의 속도로 냉각하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 각 합금조성의 성분범위 수치 한정 이유는 상술한 바와 같으며, 이하 각 제조단계에 대하여 보다 상세히 설명한다.
상술한 합금조성을 갖는 빌렛을 제조한 후, 노말라이징 및 오스테나이트 형성을 위하여, 가열로 온도 1,000 내지 1,250℃에서 90 내지 120분간 유지한 후 압연한다. 1,000℃ 미만으로 유지할 경우 장입 시간이 길어지는 문제가 있고, 1,250℃를 초과하는 온도로 유지할 경우 가열로 부하가 있다. 따라서 1,000 내지 1,250℃로 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 90분 미만 유지할 경우 중심부 오스테나이트 형성이 어려울 수 있고, 120분을 초과하여 유지할 경우 조대한 결정립 성장이 일어날 수 있다. 따라서 90 내지 120분으로 유지하는 것이 바람직하다.
가열된 빌렛을 통상적인 압연 조건에서 압연한다. 즉, 가열된 빌렛에 조압연, 중간 조압연/사상압연 및 마무리 압연으로 순차적으로 구성된 열간압연을 수행하여 선재를 제조한다.
선재 표면부의 산화 스케일을 적정 두께로 형성하기 위해 수냉대 냉각을 통해 권취 온도를 880 내지 950℃로 제어한다. 기계적 박리용 제품으로 사용하기 위해서는 8 내지 20 ㎛ 두께의 스케일 형성이 필요하다. 권취 온도가 880℃ 미만일 경우, 스케일이 8 ㎛ 미만의 두께로 형성되어 적정 두께를 충족시키지 못할 수 있다. 반면, 권취 온도가 950℃를 초과하는 경우, 스케일 두께가 20 ㎛ 이하로 형성되어 적정 두께 범위를 만족하나, 권취 형상 불량이 발생할 수 있기 때문에 그 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 권취 형상 불량을 해소하기 위해서는 추가적인 설비 투자가 필요할 수 있다.
이어서, 스텔모어 냉각대에서 권취된 선재를 상기 권취 온도에서 300℃까지 1℃/s 이하의 속도로 냉각한다. 스텔모아에서 링 내 겹침부가 존재하기 때문에 미겹침부와의 인장강도 편차가 발생하게 되는데, 냉각속도가 1℃/s를 초과할 경우, 선재 및 강섬유의 인장강도 편차가 ±40 MPa 이상으로 발생할 수 있다. 선재와 신선 공정 사이에 소재 균질화 처리가 없기 때문에 선재에서 인장강도 편차를 저감하여야 강섬유의 재질도 양호하다. 스텔모아 냉각대에서 인장강도 편차를 억제하기 위해서는 커버를 덮고 송풍을 최소화하여 냉각속도를 1℃/s 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
일 실시예에 따른 방법으로 제조된 강섬유용 선재는, 미세조직으로 폴리고날 페라이트를 포함할 수 있고, 인장강도가 340 MPa 이상일 수 있다.
일 실시예에 따른 방법으로 제조된 강섬유용 선재는, 코일 겹침부와 비겹침부 간의 인장강도 편차가 ±40 MPa 미만, 바람직하게는 ±30 MPa 이하, 더욱 바람직하게는 ±25 MPa 이하일 수 있다.
일 실시예에 따른 방법으로 제조된 강섬유용 선재는, 표면에 8 내지 20 ㎛ 두께의 스케일이 형성된 것일 수 있다.
이하에서는, 상술한 합금조성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 보강용 강섬유의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 콘크리트 보강용 강섬유는 상술한 강섬유용 선재를 건식 신선 및 습식 신선을 거쳐 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 보강용 강섬유의 제조방법은, 상기 강섬유용 선재의 제조방법에 따라 제조된 선재를 총 진변형량 4.6 이상, 바람직하게는 4.6 내지 5.0으로 건식신선 및 습식신선하여 강섬유를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 높은 진변형량으로 신선 가공함으로써 제품 내 인장강도 편차가 감소될 수 있다.
일 실시예에 따른 방법으로 제조된 강섬유는, 결정립계에서 발생된 5 ㎛ 이상의 크기를 갖는 보이드 결함 개수가 4x107 개/mm2 이하일 수 있다.
일 실시예에 따른 방법으로 제조된 강섬유는 인장강도가 1,220 MPa 이상, 가공경화율이 405 이상, 연신율이 5% 이상일 수 있다.
일 실시예에 따른 방법으로 제조된 강섬유는, 단선율이 1.5 회/톤 이하일 수 있고, 콘크리트와 배합 시 휨강도가 45 MPa 이상일 수 있다.
일 실시예에 따른 방법으로 제조된 강섬유는, 코일 겹침부와 비겹침부 간의 인장강도 편차가 ±50 MPa 미만, 바람직하게는 ±40 MPa 이하, 더욱 바람직하게는 ±30 MPa 이하일 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
< 선재 합금조성, 제조 및 물성 평가 >
본 실시예에서는 하기 표 1과 같은 합금조성을 갖는 강을 전로에서 제강한 다음 통상적인 조건에서 주조하여 160x160mm2 연주 빌렛재를 생산하였다. 빌렛재를 가열로 온도 1,050℃에서 90 분 유지한 후, 통상적인 조건에서 압연하였으며, 사상압연 후 수냉대 냉각을 통해 하기 표 2에 기재된 권취 온도로 제어하고, 스텔모아 냉각대에서 300℃까지 하기 표 2에 기재된 냉각속도로 냉각하여 선재를 제조하였다.
또한, 상기 제조된 선재의 인장강도(TS), 인장강도 편차, 표면부의 산화 스케일 두께 및 미세조직 분율을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
ISO6892-1 규격에 따라 인장시험 하였으며, 인장속도(cross head speed)는 20m/min으로 하였다. 채취된 선재를 길이 400 mm로 연속(12개)으로 절단하였으며, 이의 인장강도를 측정한 후 평균 및 편차를 확인하였다.
표면 스케일 두께 측정을 위해 마이크로 절단기를 이용하여 인장시험편에서 길이방향으로 1 cm 절단하였으며, 단면부 폴리싱을 통해 경면처리 하였다. 광학현미경을 이용하여 단면부에서 각기 다른 위치에서 스케일 두께 측정하였으며, 이의 평균 두께를 확인하였다.
또한, 미세조직 분율은 광학현미경을 이용하여 200배에서 사진 촬영하였으며, 총 10장에 대한 면적분율 확보 후 평균값을 확보하였다.
강종 선재 합금조성(중량%)
C Si Mn Ni P S
강1 0.021 0.08 0.20 0.99 0.035 0.032
강2 0.011 0.09 0.19 1.02 0.035 0.035
강3 0.021 0.08 1.02 1.00 0.035 0.032
강4 0.020 0.10 0.21 0.51 0.034 0.033
강5 0.020 0.10 0.21 1.01 0.034 0.033
강6 0.045 0.09 0.23 1.02 0.033 0.030
강7 0.022 0.32 0.20 1.00 0.035 0.030
강8 0.023 0.11 1.59 0.98 0.035 0.031
강9 0.020 0.09 0.22 1.61 0.031 0.035
구분 강종 선재
권취온도
(℃)		 냉각속도
(℃/s)		 인장강도
(MPa)		 강도편차
(MPa)		 스케일 두께
(㎛)		 폴리고날 페라이트
면적분율
(%)		 펄라이트 또는
세멘타이트
면적분율
(%)
발명예 1 강1 908 0.8 360 ±20 13.2 99.2 0.8
발명예 2 강2 907 0.7 348 ±25 13.8 99.9 0.1
발명예 3 강3 910 0.9 375 ±22 12.8 99.4 0.6
발명예 4 강4 911 1.0 341 ±24 13.7 99.5 0.5
비교예 1 강5 832 0.7 362 ±25 3.5 99.8 0.2
비교예 2 강1 908 7.5 360 ±48 13.2 99.7 0.3
비교예 3 강6 912 0.9 412 ±24 12.1 95.8 4.2
비교예 4 강7 911 0.8 378 ±24 13.8 99.7 0.3
비교예 5 강8 915 0.8 390 ±21 14.0 99.2 0.8
비교예 6 강9 912 0.7 400 ±24 12.5 99.7 0.3
상기 표 1 및 표 2는 선재의 시험성분계 및 기계적 특성을 보여준다. 발명예 1은 대표성분계로서 0.021C-0.08Si-0.2Mn-0.99Ni(중량%)이다. 권취온도는 908℃이고, 이때 냉각속도는 0.8℃/s 이다. 도 1은 발명예 1의 선재 중심부의 미세조직 사진으로서, 이를 참조하면, 발명예 1의 선재 미세조직은 폴리코날 페라이트인 것을 확인할 수 있다. 냉각속도가 빠르더라도 페라이트만 형성되는 조건임을 도 2의 J-mat pro를 통해 확인 가능하다. 이때, 발명예 1의 선재 인장강도는 360 MPa, 스케일두께는 13.2㎛였다.발명예 2 내지 4는 발명예 1을 기준으로 각각 탄소, 망간 또는 니켈의 함량을 본 발명에 따른 범위 내에서 조절한 것으로서, 인장강도 340 MPa 이상 및 스케일 두께 8 내지 20 ㎛의 조건을 모두 만족하였다.
한편, 비교예 1은 본 발명에 따른 합금조성 범위를 만족하나, 권취온도를 830℃로 낮게 한 것으로, 스케일 두께가 3.5㎛로 형성되어 발명예 1에 비해 스케일 두께가 크게 감소하였다.
비교예 2는 합금조성이 발명예 1과 동일하나, 냉각속도를 7.5℃/s로 빠르게 한 것으로, 인장강도 편차가 ±48 MPa로 크게 발생하였다.
비교예 3 내지 6은 본 발명에 따른 합금조성 범위를 만족하지 못하는 경우이다.
< 강섬유 제조 및 평가 >
상기 제조된 선재를 건식 및 신선 가공하여 강섬유 제조하였으며, 이의 인장강도(TS), 겹침부의 인장강도 편차, 가공경화율(A), 연신율, 5 ㎛ 이상 크기를 갖는 보이드(void) 결함 개수 및 톤당 가공 단선율을 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.
인장시험은 ISO6892-1 규격을 따랐으며, 인장속도(cross head speed)는 50 m/min으로 하였다. 시험편은 길이 300 mm로 하였으며, 시험편은 연속(20개)으로 절단하였으며, 이의 인장강도를 측정 후 평균 및 편차를 확인하였다.
주사전자현미경을 이용하여 보이드 결함 개수를 확인하였으며, x1000배에서 사진 촬영하였다.
톤당 가공 단선율은 신선 시 단선에 의해 가공이 중단되는 것을 의미하며, 작업 시 총 100톤 공급 선재에 대해 회수를 카운팅한 후 평균처리 하였다.
또한, 상기 표 1 및 2에 따라 제조된 강섬유 20 kg과 콘크리트 135 kg를 배합하여 길이 3,400 mm, 너비 1,200 mm, 두께 200 mm 크기의 시험체(직육면체)를 제작하였다.
또한, 상기 시험체를 사이클 테스트 (-20℃x1시간 → 25℃x1시간 → -20℃x1시간 →…; 100회 반복) 후 중심부에 노드를 이용하여 130 kg/mm3 하중을 인가하여 휨강도를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
구분 강섬유 콘크리트
인장강도
(MPa)		 강도편차
(MPa)		 가공
경화율(A)		 연신율
(%)		 결함수
(개/mm2)		 단선율
(회/톤)		 휨강도
(MPa)
발명예 1 1,250 ±25 410 8.5 2x107 0.5 55
발명예 2 1,230 ±29 408 8.7 2x107 0.6 57
발명예 3 1,320 ±25 414 7.1 3x107 0.9 52
발명예 4 1,227 ±27 405 5.8 4x107 1.2 45
비교예 1 1,240 ±28 411 8.9 5x107 8.2 54
비교예 2 1,250 ±65 409 8.7 9x107 0.9 52
비교예 3 가공불가 - - - 3x107 20.0 -
비교예 4 1,280 ±28 413 7.4 5x107 12.0 55
비교예 5 가공불가 - - - 9x107 18.0 -
비교예 6 가공불가 - - - 6x107 7.0 -
상기 표 3을 참조하면, 발명예 1의 선재로 강섬유 제조 시 인장강도는 1,250 MPa, 연신율은 8.5%였고, 가공경화율(A)는 하기 식 (1)에 따라 계산되며, 이때 A는 410로 계산되었다. 식 (1): TS = A*Exp(e/4) + B
상기 식 (1)에서 TS는 인장강도, A는 가공경화율, B는 초기 인장강도 Exp(e/4)가 0일 때의 인장강도 외삽 값, e는 진변형량 값이다.
또한, 도 3은 발명예 1의 강섬유 단면 SEM 사진으로서, 이를 참조하면, 발명예 1의 강섬유는 5 ㎛ 이상 크기를 갖는 보이드(void) 등 결함 개수가 2*107 개/mm2 였다. 이때 톤당 가공 단선율은 0.5회로 양호하였다.
한편, 발명예 1의 강섬유를 배합하여 콘크리트 제조 시 휨강도는 55 MPa인 것으로 확인하였다.
발명예 2는 탄소함량 0.011% 첨가강으로 단선 등 수치는 발명예 1과 유사하나 강도는 감소하고, 연신율은 소폭 증가한다.
발명예 3은 Mn이 1.02% 첨가된 강으로 가공 중 단선은 크게 발생하지 않고 발명예 1에 비해 강도는 증가하고, 연신율은 소폭 감소하나 콘크리트 휨강도는 양호하다.
발명예 4는 Ni이 0.51%로 발명예 1에 비해 낮은 합금조성을 가지며, 이로 인해 인장강도, 연신율 등의 물성이 다소 저하되었으나, 본 발명에서 목적하는 물성은 달성하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 종래 강섬유는 콘크리트 135 kg 당 강섬유 약 25kg을 배합하여야 45 MPa 이상의 휨강도를 충족시킬 수 있다. 반면, 실시예 1 내지 4의 강섬유는 콘트리트 135 kg 당 강섬유 약 20 kg을 배합하여도 45 MPa 이상의 휨강도를 달성할 수 있어, 강섬유 사용양을 줄이면서도 우수한 효과를 달성할 수 있음을 확인할 수 있다.
한편, 비교예 1 내지 6는, 발명예 1을 기준으로, 각각 권취온도, 스텔모아 냉각속도, C 함량, Si 함량, Mn 함량 또는 Ni 함량을 변화시켰을 때, 발명예 1과의 차이를 보여준다.
비교예 1은 선재 제조시 권취온도를 830℃로 낮게 하였을 때 조건으로서, 톤당 단선회수가 8.2회로 발명예 1 내지 4에 비해 크게 열위한 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 비교예 1의 경우 신선은 가능하나, 선재의 스케일 두께가 3.5 ㎛로 너무 얇게 형성되어 가공 중 쉽게 단선이 발생하였다.
비교예 2는 스텔모아 냉각속도에 관한 것으로, 발명예 1 에 비해 선재 제조 시 냉각속도가 7.5℃/s로 크게 증가된 조건이다. 인장강도는 발명예 1과 유사하나 신선 후 제품의 인장강도 편차는 ±65 MPa로 크게 증가하고, 5 ㎛ 이상 크기를 갖는 보이드(void) 등 결함 개수 또한 크게 증가한 것을 확인할 수 있다.
비교예 3은 탄소 함량이 0.045%로 증가시킨 것으로서, 입계에 펄라이트 또는 세멘타이트가 많이 형성되어 신선 가공이 불가하였고, 단선율 또한 크게 증가하였다.
비교예 4는 Si 함량을 0.32%로 증가시킨 것으로서, 높은 Si 함량으로 인해 선재 표면에 Fe2SiO4 조성의 스케일이 형성되어 톤당 단선율이 열위하였다.
비교예 5는 Mn 함량이 1.59%로 증가시킨 것으로서, 높은 Mn에 의해 중심부 편석이 형성되어, 신선 가공이 되지 않는 것을 확인할 수 있다.
비교예 6은 Ni 함량을 1.61%로 증가시킨 것으로서, 소입성을 증가시켜 비교적 경한 저온조직을 형성시키는 Ni에 의해 냉간 신선가공 시 셰브론(Chevron) 균일이 유발되어 신선 가공이 불가하였다. 또한, 톤당 단선율이 7회로 가공에 적합하지 않다. 아울러, 도 4는 비교예 6의 강섬유 단면 SEM 사진으로서, 이를 참조하면, 보이드 결함 또한 6x107 개/mm2로 다량 발생한 것을 확인할 수 있다.
상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (14)

  1. 중량%로, 탄소(C): 0.010 내지 0.040%, 실리콘(Si): 0% 초과 0.10% 이하, 망간(Mn): 0.10 내지 1.50%, 니켈(Ni): 0.50 내지 1.50%, 인(P): 0.05% 이하 (0% 포함), 황(S): 0.05% 이하 (0% 포함), 나머지 철(Fe) 및 불기피한 불순물을 포함하고,
    표면에 8 내지 20 ㎛ 두께의 스케일이 형성된 것을 포함하며,
    인장강도 편차가 ±40 MPa 미만인, 강섬유용 선재.
  2. 제1항에 있어서,
    인장강도가 340 MPa 이상인, 강섬유용 선재.
  3. 제1항에 있어서,
    미세조직으로 폴리고날 페라이트를 포함하는, 강섬유용 선재.
  4. 중량%로, 탄소(C): 0.010 내지 0.040%, 실리콘(Si): 0% 초과 0.10% 이하, 망간(Mn): 0.10 내지 1.50%, 니켈(Ni): 0.50 내지 1.50%, 인(P): 0.05% 이하 (0% 포함), 황(S): 0.05% 이하 (0% 포함), 나머지 철(Fe) 및 불기피한 불순물을 포함하고,
    결정립계에서 발생된 5 ㎛ 이상의 크기를 갖는 보이드 결함 개수가 4x107 개/mm2 이하인, 콘크리트 보강용 강섬유.
  5. 제4항에 있어서,
    인장강도가 1,220 MPa 이상이고,
    가공경화율이 405 이상인, 콘크리트 보강용 강섬유.
  6. 제4항에 있어서,
    연신율이 5% 이상인, 콘크리트 보강용 강섬유.
  7. 제4항에 있어서,
    단선율이 1.5 회/톤 이하인, 콘크리트 보강용 강섬유.
  8. 제4항에 있어서,
    인장강도 편차가 ±50 MPa 미만인, 콘크리트 보강용 강섬유.
  9. 중량%로, 탄소(C): 0.010 내지 0.040%, 실리콘(Si): 0% 초과 0.10% 이하, 망간(Mn): 0.10 내지 1.50%, 니켈(Ni): 0.50 내지 1.50%, 인(P): 0.05% 이하 (0% 포함), 황(S): 0.05% 이하 (0% 포함), 나머지 철(Fe) 및 불기피한 불순물을 포함하는 빌렛을 가열하는 단계;
    상기 가열된 빌렛을 압연하여 선재를 마련하는 단계;
    상기 선재를 880 내지 950℃의 온도범위에서 권취하는 단계; 및
    상기 권취된 선재를 300℃까지 1℃/s 이하의 속도로 냉각하는 단계;를 포함하는, 강섬유용 선재의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 빌렛 가열 시, 1,000 내지 1,250℃의 가열로 온도에서 90 내지 120분간 유지하는 것을 포함하는, 강섬유용 선재의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 강섬유용 선재는, 미세조직으로 폴리고날 페라이트를 포함하고, 표면에 8 내지 20 ㎛ 두께의 스케일이 형성되는 것인, 강섬유용 선재의 제조방법.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 선재를 진변형량 4.6 이상으로 건식신선 및 습식신선하여 강섬유를 제조하는 단계를 포함하고,
    신선 시 단선율은 1.5 회/톤 이하인, 콘크리트 보강용 강섬유의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 강섬유는, 결정립계에서 발생된 5 ㎛ 이상의 크기를 갖는 보이드 결함 개수가 4x107 개/mm2 이하인, 콘크리트 보강용 강섬유의 제조방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 강섬유는,
    인장강도가 1,220 MPa 이상이고,
    인장강도 편차가 ±50 MPa 미만이고,
    가공경화율이 405 이상이며,
    연신율이 5% 이상인, 콘크리트 보강용 강섬유의 제조방법.
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