KR101344665B1 - 열연강판 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열처리 공정을 수행하지 않더라도 API 5CT C90 규격의 기계적 특성을 만족시킬 수 있는 열연강판 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 열연강판 제조 방법은 중량%로, 탄소(C) : 0.25~0.3%, 망간(Mn) : 1.0~1.5%, 실리콘(Si) : 0.1~0.4%, 인(P) : 0.02% 이하, 황(S) : 0.003% 이하, 알루미늄(Al) : 0.03~0.05%, 니오븀(Nb) : 0.01~0.02%, 니켈(Ni) : 0.5% 이하, 칼슘(Ca) : 0.006% 이하, 질소(N) : 0.01% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 재가열하는 단계; 상기 재가열된 판재를 750~850℃의 마무리압연온도로 열간압연하는 단계; 및 상기 압연된 판재를 냉각한 후, 450~550℃에서 권취하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

열연강판 제조 방법 {METHOD FOR MANUFACTURING HOT-ROLLED STEEL SHEET}

본 발명은 열연강판 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 별도의 열처리를 실시하지 않더라도 유정관에 요구되는 높은 인장강도 및 항복강도를 가질 수 있어, 유정관 제조시 열처리에 따른 비용 증가 및 표면 품질 저하를 방지할 수 있는 열연강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

유정관은 석유나 가스의 시추를 위하여 사용되는 강관이다. 이러한 유정용 강관은 통상 열연강판을 조관하여 제조하고 있다.

일반적으로 유정관은 연질의 소재를 QT(Quenching & Tempering) 열처리를 통하여 강도를 업그레이드한 상태에서 조관하여 제조된다.

이러한 강도 업그레이드를 위한 QT 열처리의 경우, 열처리 비용이 소요되고, 또한, 열처리 과정에서 소재의 표면품질이 저하된다.

본 발명에 관련된 기술로는 대한민국 특허공개공보 제10-2008-0057846호(2008.06.25. 공개)가 있다.

본 발명의 목적은 탄소(C), 니켈(Ni) 등의 합금 성분 조절 및 공정 조건 제어를 통하여 열처리를 실시하지 않으면서도 API 5CT C90 규격에 부합하는 물성, 즉 인장강도 689MPa 이상, 항복강도 621~724MPa를 나타낼 수 있는 열연강판 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 열연강판 제조 방법은 중량%로, 탄소(C) : 0.25~0.3%, 망간(Mn) : 1.0~1.5%, 실리콘(Si) : 0.1~0.4%, 인(P) : 0.02% 이하, 황(S) : 0.003% 이하, 알루미늄(Al) : 0.03~0.05%, 니오븀(Nb) : 0.01~0.02%, 니켈(Ni) : 0.5% 이하, 칼슘(Ca) : 0.006% 이하, 질소(N) : 0.01% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 재가열하는 단계; 상기 재가열된 판재를 750~850℃의 마무리압연온도로 열간압연하는 단계; 및 상기 압연된 판재를 냉각한 후 450~550℃에서 권취하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 슬라브 판재는 하기 수학식 1을 만족하는 범위에서 실리콘(Si) 및 망간(Mn)을 포함하는 것이 보다 바람직하다.

수학식 1 : 6 ≤ [Mn]/[Si] ≤ 9 (여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)

또한, 상기 슬라브 판재는 하기 수학식 2를 만족하는 범위에서 황(S) 및 칼슘(Ca)을 포함하는 것이 보다 바람직하다.

수학식 2 : 2.0 ≤ [Ca]/[S] ≤ 2.5 (여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 열연강판은 중량%로, 탄소(C) : 0.25~0.3%, 망간(Mn) : 1.0~1.5%, 실리콘(Si) : 0.1~0.4%, 인(P) : 0.02% 이하, 황(S) : 0.003% 이하, 알루미늄(Al) : 0.03~0.05%, 니오븀(Nb) : 0.01~0.02%, 니켈(Ni) : 0.5% 이하, 칼슘(Ca) : 0.006% 이하, 질소(N) : 0.01% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지며, 인장강도 689MPa 이상 및 항복강도 689~724MPa을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 열연강판 제조 방법은 탄소 함량을 0.25중량% 이상으로 높이고, 니켈(Ni) 등의 경화능 원소를 첨가한 합금 조성과, 저온상 생성을 통한 강도 확보를 이루기 위하여 권취온도를 550℃ 이하로 제어한다.

이를 통하여, QT(Quenching & Tempering) 열처리와 같은 강도 업그레이드를 위한 별도의 열처리 공정 없이도, 유정관으로 사용되는 API 5CT C90 규격의 인장강도 및 항복강도를 만족하는 열연강판을 제조할 수 있었다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열연강판 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열연강판 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

열연강판

본 발명에 따른 열연강판은 중량%로, 탄소(C) : 0.25~0.3%, 망간(Mn) : 1.0~1.5%, 실리콘(Si) : 0.1~0.4%, 인(P) : 0.02% 이하, 황(S) : 0.003% 이하, 알루미늄(Al) : 0.03~0.05%, 니오븀(Nb) : 0.01~0.02%, 니켈(Ni) : 0.5% 이하, 칼슘(Ca) : 0.006% 이하, 질소(N) : 0.01% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어진다.

이하, 본 발명에 따른 열연강판에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다.

탄소(C)

탄소(C)는 강도 확보 및 미세조직 제어를 위하여 첨가된다.

상기 탄소는 강판 전체 중량의 0.25~0.3중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 탄소의 함량이 0.25중량% 미만일 경우에는 강도 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 탄소의 함량이 0.3중량%를 초과할 경우에는 인성 저하를 야기할 수 있으며, 조관시 용접성의 저하를 가져올 수 있다.

망간(Mn)

망간(Mn)은 고용강화 원소로써 강의 경화능을 향상시켜 강도를 확보하는 데 효과적인 원소이다.

상기 망간은 강판 전체 중량의 1.0~1.5중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 망간의 첨가량이 1.0중량%미만일 경우 고용강화 효과가 미미할 수 있다. 반대로, 망간의 첨가량이 1.5중량%를 초과할 경우에는 게재물 및 산화물을 형성함으로써 강의 용접성을 저하시킬 수 있다.

실리콘(Si)

실리콘(Si)은 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가된다. 또한, 실리콘은 고용강화 효과도 가진다.

상기 실리콘은 강판 전체 중량의 0.1~0.4중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 실리콘의 첨가량이 0.1중량% 미만일 경우에는 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 실리콘의 첨가량이 0.4중량%를 초과하는 경우, 열연 공정 중에 적 스케일(red scale)을 생성시킴으로써 표면 품질을 악화시킬 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 열연강판은 하기의 수학식 1의 함량 범위 내로 망간(Mn) 및 실리콘(Si)이 첨가되는 것이 보다 바람직하다.

수학식 1 : 6 ≤ [Mn]/[Si] ≤ 9

(여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)

이는 강관 제조를 위한 전기저항용접(ERW)시 Mn/Si 중량비가 6~9사이로 일정 범위 내에 들어야 용접부 균열 발생이 현저히 감소하기 때문이다. 만일, Mn/Si 비율이 6 미만일 경우 혹은 9를 초과할 경우, 고온에서 안정한 MnO, SiO₂ 등과 같은 산화물을 생성시킴으로써 전기저항용접시 훅 크랙(Hook crack)을 유발하여 용접부 품질을 크게 저하시키는 문제점이 있다.

인(P)

인(P)은 시멘타이트 형성을 억제하고, 강도를 증가시키는데 기여한다. 그러나, 인은 용접성을 악화시키고, 슬라브 중심 편석(slab center segregation)에 의해 최종 재질 편차를 발생시키는 원인이 될 수 있다.

이에 본 발명에서는 상기 인의 함량을 강판 전체 중량의 0.02중량% 이하로 제한하였다.

황(S)

황(S)은 강의 인성 및 용접성을 저해하고, 망간과 결합하여 MnS 비금속 개재물을 형성함으로써 강의 가공 중 크랙을 발생시키는 원소이다.

이에 본 발명에서는 황의 함량을 강판 전체 중량의 0.003중량% 이하로 제한하였다.

알루미늄(Al)

알루미늄(Al)은 상기의 실리콘과 함께 강 중 탈산을 위해 첨가한다.

상기 알루미늄은 강판 전체 중량의 0.03~0.05중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 알루미늄의 첨가량이 0.03중량% 미만일 경우에는 충분한 탈산 효과를 얻을 수 없다. 반대로, 알루미늄의 첨가량이 0.05중량%를 초과할 경우에는 연주성이 저해될 수 있다.

니오븀(Nb)

니오븀(Nb)은 석출물 형성원소로서 강의 강도 향상에 크게 기여한다.

상기 니오븀은 강판 전체 중량의 0.01~0.02중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 니오븀의 첨가량이 0.01중량% 미만인 경우 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 니오븀의 첨가량이 0.02중량%를 초과하면 과다한 석출물 형성에 의하여 압연 부하를 증가시키며, 연주성을 저해할 수 있다.

니켈(Ni)

니켈(Ni)은 강의 경화능 및 내식성을 향상시키는데 기여한다.

상기 니켈은 강판 전체 중량의 0.5중량% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다. 니켈의 첨가량이 0.5중량%를 초과할 경우에는 강판 제조 비용을 상승시키는 문제점이 있다.

칼슘(Ca)

칼슘(Ca)은 MnS 개재물의 생성을 방해함으로써, 전기저항용접 특성을 향상시키는데 기여한다. 즉, 칼슘은 망간에 비하여 황(S)과의 친화도가 높으므로 칼슘의 첨가시 CaS 개재물이 생성되고 MnS 개재물의 생성은 감소한다. MnS 개재물은 열간압연 중에 연신되어 전기저항 용접시 후크 결함 등을 유발하나, 칼슘 첨가에 따라서 이러한 MnS 개재물이 감소함으로써 전기저항 용접 특성이 향상될 수 있다.

상기 칼슘은 본 발명에 따른 열연강판 전체 중량의 0.006중량% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다. 칼슘의 첨가량이 0.006 중량%를 초과할 경우 CaO 개재물의 생성이 과도해질 수 있다.

한편, 칼슘(Ca)과 황(S)은 수학식 2 : 2.0 ≤ [Ca]/[S] ≤ 2.5 (여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)를 만족하는 범위로 함량이 더욱 조절되는 것이 바람직하다.

만약, 황(S)의 함량 대비, 칼슘(Ca)의 함량 비율이 2.0 미만일 경우 CaS 형성이 불충분하여 MnS 생성 억제 효과가 불충분하다. 반대로, 황의 함량 대비 칼슘의 함량비가 2.5를 초과할 경우 칼슘의 과다 첨가로 인하여 CaO와 같은 개재물이 형성되는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 이 경우, 황의 함량을 극소로 제어해야 하여 강 제조 비용이 증가할 수 있다.

질소(N)

질소(N)는 불가피한 불순물로써, 다량 함유될 경우 고용 질소가 증가하여 강판의 충격특성 및 연신율을 떨어뜨리고 용접부의 인성을 크게 저하시키는 문제점이 있다.

이에, 본 발명에서는 질소의 함량을 강판 전체 중량의 0.01중량% 이하로 제한하였다.

상기 조성을 갖는 강은 후술하는 공정에 따라 제조시, 저온상 형성을 통하여 인장강도 689MPa 이상 및 항복강도 689~724MPa를 가질 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 열연강판은 강도 향상을 위한 별도의 열처리 공정없이도 미국석유협회(American Petroleum Institute : API)에서 규정한 API 5CT C90 규격에 따른 기계적 특성을 만족시킬 수 있어, 바로 유정관 제조를 위한 조관 공정에 적용이 가능하다.

열연강판 제조 방법

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열연강판 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.

도 1을 참조하면, 도시된 열연강판 제조 방법은 슬라브 재가열 단계(S110), 열간압연 단계(S120) 및 냉각/권취 단계(S130)를 포함한다.

슬라브 재가열

슬라브 재가열 단계(S110)에서는 전술한 조성을 갖는 슬라브 판재를 1200℃ 정도의 온도로 재가열한다. 이러한 슬라브 판재의 재가열을 통하여, 주조 시 편석된 성분이 재고용될 수 있다.

상기 슬라브 판재의 재가열은 1150~1250℃의 슬라브 재가열 온도(Slab Reheating Temperature; SRT)에서 대략 1~3시간동안 실시하는 것이 바람직하다. 슬라브 재가열 온도가 1150℃ 미만일 경우에는 주조 시 편석된 성분이 충분히 재고용되지 못하고, 압연 부하가 커지는 문제점이 있다. 반대로, 슬라브 재가열 온도가 1250℃를 초과할 경우에는 오스테나이트 결정입도가 증가하여 강도 확보가 어려울 수 있으며, 과도한 가열 공정으로 인하여 강판의 제조 비용이 상승할 수 있다.

열간압연

열간압연 단계(S120)에서는 재가열된 슬라브 판재를 열간압연한다.

열간압연시 마무리 압연온도(Finishing Delivery Temperature; FDT)는 750 ~ 850℃인 것이 바람직하다. 마무리 압연 온도가 850℃를 초과할 경우 오스테나이트 결정립이 조대화되며, 이에 따라 강도 확보가 어려워질 수 있다. 반대로, 마무리 온도가 750℃ 미만으로 너무 낮으면, 이상역 압연에 의한 혼립 조직이 발생하는 등의 문제가 발생할 수 있다.

냉각/권취

냉각/권취 단계(S130)에서는 열간압연된 판재를 냉각한 후, 권취한다.

냉각은 공냉 또는 수냉 방식으로 실시될 수 있으며, 대략 1~100℃/sec 정도의 평균 냉각 속도로 실시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

권취 온도(Coiling Temperature; CT)는 450℃ ~ 550℃인 것이 바람직하다. 권취 온도가 550℃를 초과할 경우, 충분한 강도를 확보하는 데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 권취 온도(CT)가 450℃ 미만일 경우 권취 설비에 부하가 커질 수 있다.

실시예

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

1. 열연 시편의 제조

표 1에 기재된 조성 및 표 2에 기재된 공정 조건으로 비교예 1 ~ 5 및 실시예 1 ~ 3에 따른 열연시편을 제조하였다.

[표 1](단위 : 중량%)

[표 2]

2. 기계적 물성 평가

표 2에 실시예1~2 및 비교예 1~5에 따라 제조된 열연시편의 기계적 물성에 대한 평가 결과를 나타내었다.

표 2를 참조하면, 실시예 1 ~ 2에 따라 제조된 열연시편의 경우, 인장강도(TS) 689MPa 이상 및 항복강도(YS) 621~724MPa를 만족하여, API 5CT C90 규격에 부합함을 알 수 있다.

반면, 니켈(Ni)이 첨가되지 않았으며, 마무리 압연온도(FDT) 및 권취온도(CT)가 상대적으로 높은 비교예 1~2에 따른 시편의 경우, 인장강도 및 항복강도가 모두 좋지 못하였다. 또한, 권취온도가 상대적으로 높은 비교예 3에 따른 시편의 경우, 항복강도가 목표치에 도달하지 못하였다.

또한, 경화능 원소로서 구리(Cu)가 추가로 첨가되었으나 마무리 압연온도 및 권취온도가 상대적으로 높은 비교예 4에 따른 시편의 경우, 인장강도는 우수하였으나, 항복강도가 목표치에 미달하였다. 또한, 실시예1과 동일한 조성을 가지나, 권취온도가 550℃를 초과하는 비교예 5에 따른 시편의 경우, 인장강도는 우수하였으나, 항복강도가 목표치에 미달하였다.

이러한, 실시예 1~2의 높은 강도 특성은 탄소(C), 니켈(Ni) 등의 합금 원소 조절 및 550℃ 이하의 낮은 권취온도에 기인한 것이라 볼 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

S110 : 슬라브 재가열 단계
S120 : 열간압연 단계
S130 : 냉각/권취 단계

Claims (7)

1. 중량%로, 탄소(C) : 0.25~0.3%, 망간(Mn) : 1.0~1.5%, 실리콘(Si) : 0.1~0.4%, 인(P) : 0.02% 이하, 황(S) : 0.003% 이하, 알루미늄(Al) : 0.03~0.05%, 니오븀(Nb) : 0.01~0.02%, 니켈(Ni) : 0.5% 이하, 칼슘(Ca) : 0.006% 이하, 질소(N) : 0.01% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 재가열하는 단계;
   상기 재가열된 판재를 750~850℃의 마무리압연온도로 열간압연하는 단계; 및
   상기 압연된 판재를 냉각한 후 450~550℃에서 권취하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열연강판 제조 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 슬라브 판재의 재가열은
   1150~1250℃에서 실시되는 것을 특징으로 하는 열연강판 제조 방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 슬라브 판재는
   하기 수학식 1을 만족하는 범위에서 실리콘(Si) 및 망간(Mn)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열연강판 제조 방법.
   수학식 1 : 6 ≤ [Mn]/[Si] ≤ 9
   (여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 슬라브 판재는
   하기 수학식 2를 만족하는 범위에서 황(S) 및 칼슘(Ca)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열연강판 제조 방법.
   수학식 2 : 2.0 ≤ [Ca]/[S] ≤ 2.5
   (여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)
   
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