KR20110095376A - 특별한 특성을 가지는 스틸 파이프를 생산하는 방법 및 장치 - Google Patents

특별한 특성을 가지는 스틸 파이프를 생산하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본원 발명은 스틸로 이루어진 파이프를 제조하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 열간 성형 후에, 특히 연신 감소에 의한 성형 후에, 직접적인 급속 냉각에 의해서 물질의 강도가 증대되고 인성이 개선된 스틸로 파이프를 제조하는 방법으로서, 연속적인 프로세스에서 700 ℃ 보다 높고 1050 ℃ 보다 낮은 온도에서의 마지막 성형 후에 최대 20초의 기간 내에서 파이프 벽 두께의 400 배 초과의 양에 상당하는 길이에 대해서 원주 방향으로 파이프의 외측 표면에 증대된 압력의 냉각 매체가 인가되고, 급속 냉각에서 500 ℃ 내지 250 ℃ 범위의 온도에 대해서 파이프 길이에 걸쳐 파이프 벽의 1 ℃/초 보다 큰 균등한 냉각 속도를 생성할 수 있는 양으로 상기 냉각 매체가 적용되며, 그 후에 파이프가 공기중에서 상온으로 추가적으로 냉각된다.

Description

특별한 특성을 가지는 스틸 파이프를 생산하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING STEEL PIPES HAVING PARTICULAR PROPERTIES}
본원 발명은 물질의 강도가 개선되고 인성이 개선된 스틸로 제조된 파이프를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
또한, 본원 발명은 파이프의 표면으로 냉각 매체를 인가하기 위한 장치를 포함하는, 특별한 특성 프로파일(profile)을 가지는 파이프를 제조하기 위한 장치에 관한 것이다.
시임리스(seamless) 파이프의 제조시에, 파이프 벽의 물질 특성은 로트(lot) 마다 그리고 국부적으로 큰 변동을 나타낼 것이다. 이러한 특성의 편차는 일반적으로 불균일한 미세조직 및 바람직하지 못한 스틸 조성 및/또는 부분적으로 증대된 오염물질 및 수반하는 원소들 때문이다.
큰 응력을 받는 파이프들의 경우에, 전술한 이유로 인해서, 상기 요건들을 충족시키고 그리고 유해한 원소가 없는 물질 조성을 가지면서 파이프 벽 내에서 동축적으로 그리고 파이프의 길이에 걸쳐 좁은 범위들 내에서 균일한 미세조직이 얻어져야 할 것이다.
7 미터 또는 그보다 길고 200 mm 미만의 외경과 25 mm 미만의 벽 두께를 가지는 파이프가 매우 복잡한 열처리를 거칠 수 있고, 그러한 열처리는 길이방향에 대해서 직각인 각도로의 벤딩을 최소화하면서 파이프의 전체 부피에 걸쳐 희망하는 미세조직을 가지는 균일하고 미세한 조직을 생성한다.
파이프들이 축선을 중심으로 회전되고 외부 표면 및 내부 표면에서 냉각되는 방법이 공지되어 있다. 그러나, 그러한 열처리 방법은 벽 내에서 균일한 미세조직을 획득하기 위한 파이프의 길이에 걸친 물질의 대략적인 균일한 고온을 미리 추정한다.
본원 발명의 목적은, 열간 성형(hot forming)에 의해서, 특히 연신 감소(stretch reducing)에 의해서 파이프를 제조하는 동안에, 파이프 물질의 강도 및 인성을 개선하는 단계에서 파이프가 하류에서 처리되는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본원 발명의 다른 목적은, 열 성형 후에, 파이프의 전체 길이에 걸쳐 원하는 특성 프로파일을 가지는 파이프들이 제조될 수 있게 하는 파이프 생산 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적은, 열간 성형 후에, 특히 연신 감소에 의한 성형 후에, 직접적인 급속 냉각에 의해서 높은 압력의 냉각 매체가 적용되는 일반적인 방법에 의해서 달성되고, 그에 따라 통로 내에서 700 ℃ 보다 높고 1050 ℃ 보다 낮은 온도 및 고압의 냉각 매체가 파이프의 벽 두께의 400 배 초과의 양에 상당하는 길이에 대해서 원주에 걸쳐 파이프의 외측 표면에 인가되고 그리고 이러한 것은 마지막 성형 후에 최대 20 초의 기간 내에 이루어지며, 상기 냉각 매체는 500 ℃ 내지 250 ℃ 범위의 온도에 대해서 파이프 길이에 걸친 급속 냉각 중에 파이프 벽에서 1 ℃/초 보다 큰 균일한 냉각 속도를 초래할 수 있는 양으로 적용되며, 그 후에 파이프가 공기중에서 상온으로 추가적으로 냉각된다.
파이프의 외측 표면의 급속 냉각의 개시가 950 ℃ 미만의 온도에서 일어난다면 본원 발명의 방법에 의해서 특히 높고 균일한 기계적 물질 값들, 특히 인성 값이 얻어질 수 있을 것이다.
통합형 템퍼링(integrated tempering) 처리의 경우에, 파이프 벽 표면 영역의 목표(targeted) 재가열이 급속 냉각 및 추가적인 공기중에서의 파이프 냉각 후에 실시되는 것이 바람직할 것이다.
파이프의 품질을 최적화하기 위해서 및/또는 파이프 물질의 품질을 개선하기 위해서, 방법의 구체적 실시예에서, 중량%로 기재된 이하의 각각의 합금 원소 농도 및 수반(accompanying) 원소 및/또는 불순물을 가지는 스틸이 파이프 제조에 필수적으로 이용될 것이다:
탄소 (C) 0.03 내지 0.5
실리콘 (Si) 0.15 내지 0.65
망간 (Mn) 0.5 내지 2.0
인 (P) 최대 0.03
황 (S) 최대 0.03
크롬 (Cr) 최대 1.5
니켈 (Ni) 최대 1.0
구리 (Cu) 최대 0.3
알루미늄(Al) 0.01 내지 0.09
티타늄 (Ti) 최대 0.05
몰리브덴 (Mo) 최대 0.8
바나듐 (V) 0.02 내지 0.2
질소 (N) 최대 0.04
니오븀 (Nb) 최대 0.08
철 (Fe) 나머지.
만약 그러한 방법이 길이가 7 미터 보다 긴, 특히 길이가 200 미터 이하이고, 외경이 20 미터 초과 200 미터 미만, 벽 두께가 2.0 mm 초과 25 mm 미만의 시임리스 파이프를 생산하기 위해서 이용된다면, 개선된 파이프 품질로 인해서 비축(stockpiling) 필요성을 감소시키는 이점이 제공될 수 있고 그리고 상당한 보수 비용을 초래하는 파단(breakage)으로 인한 손상이 최소화될 수 있을 것이다.
제한된 탄소 함량의 경우에, 스틸의 하나 이상의 원소가 바람직하게 균일하고 높은 파이프 품질과 관련하여 이하의 중량%의 양으로 이하의 원소들을 포함할 것이다:
탄소 (C) 0.05 내지 0.35
인 (P) 최대 0.015
황 (S) 최대 0.005
크롬 (C) 최대 1.0
티타늄 (Ti) 최대 0.02.
냉각 매체를 파이프 표면으로 인가하는 장치를 포함하고 성형 후에 급속 냉각에 의해서 물질의 강도 및 인성을 개선한 스틸로 제조된 파이프를 생산하는 장치를 제공하기 위한 본원 발명의 부가적인 목적은, 롤링 방향으로 마지막 성형 밀(mill) 후에, 길이 방향을 따라서 여러 방식으로 배치될 수 있고 그리고 롤링된 물질 주위로 동심적으로 정렬되는 냉각 매체를 위한 복수의 분배 링을 가지는 스위칭이 가능한 냉각 관통-구역(switchable cooling through-zone)이 본질적으로 축선을 향해서 각각 지향된 3개 이상의 노즐로 디자인된다는 사실에 의해서 달성되고, 그에 따라 각 분배 링 또는 각 분배 링의 그룹이 처리량(throughput)을 기초로 조정되는 프로세스에서 냉각 매체를 공급받을 수 있을 것이다.
본원 발명의 장치에서, 바람직하게, 다양한 길이방향 길이 및 다양한 직경 그리고 벽 두께를 가지는 파이프들을 롤링 열로부터 목표 열 처리할 수 있으며, 그에 따라 파이프의 길이에 걸쳐 균일하게 나타나는 희망 미세조직이 얻어질 수 있을 것이다.
파이프 벽의 원주방향 및 길이방향 모두를 따른 조직의 균일도와 관련하여, 스프레잉 방향으로 확장되는 피라미드-형상 냉각 매체 유동을 각 노즐이 생성하는 것이 특히 바람직하다는 것을 발견하였다.
냉각 매체 유동은 냉각 매체의, 일반적으로 물의 스프레이 스트림으로서, 및/또는 냉각 매체 및 공기의 스프레이 분무(mist) 및/또는 가스 스트림으로서 디자인될 수 있을 것이다.
냉각 매체 유동이 장방형의 단면 형상을 가질 때 그리고 장방형의 장축이 파이프의 축선에 대해서 경사지게 배향될 때, 파이프의 균일하게 높은 품질과 관련된 바람직한 결과가 또한 달성될 수 있다.
냉각 관통-구역 내의 냉각 매체 유동의 스위칭 가능성 및 제어 가능성이 본원 발명에 있어서 필수적이다.
냉각 관통-구역으로의 냉각 매체의 공급이 해당 구역 내의 파이프의 단부들의 위치를 함수로 하여 스위칭될 수 있다면, 파이프 내부로의 냉각 매체의 침투가 바람직한 방식으로 방지될 수 있고, 그에 따라 단면에서 본질적으로 한쪽으로 치우친(unilateral) 내부 냉각이 방지될 수 있고 그리고 불규칙적인 미세조직의 발전 및 벤딩이 억제될 수 있다.
냉각 매체 스트림을 제어하기 위한 위치 센서 및 온도 센서를 구비한 파이프 냉각용 제어 시스템이 본원 발명에 따라서 바람직하게 이용된다.
이하에서는, 하나의 타입의 실시예만을 설명한 예들을 기초로 본원 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
예 1: 표 1에 따른 중량%의 화학적 조성을 가지는 동일한 모금속 용융체로부터 파이프 전구체 물질을 이용하였다:
지정 C Si Mn P S Cr Ni Cu Al Mo Fe
파이프
브랭크
직경		 0.1819 0.2910 1.4231 0.0146 0.0065 0.0415 0.0275 0.0211 0.0274 0.0126 나머지
이하의 치수를 가지는 최종 파이프가 생산되었다:
파이프 길이(롤링 길이)(L) 19,300.00 mm
파이프 직경(φ) 146.00 mm
파이프 벽 두께 9.70 mm
연신 감소 설비의 배출 스테이션 내에서 마지막 단계 후에 및/또는 최종 성형 후에, 파이프들이 12 초의 기간 후에 880 ℃ 온도의 냉각 관통-구역으로 도입되었다.
스틸의 규정된 변환 거동을 추정하여, 냉각 매체 유동이 파이프 제조 중의 개별 로트에 대한 연구에서 파이프의 외측 표면으로만 지향되었고, 그에 따라 냉각 매체 유동을 이하의 최종 온도로 조정함으로써 약 6 ℃/초의 냉각 속도가 측정되었다.
온도 샘플의 식별
T1 = 850 ℃ P1
T2 = 480 ℃ P2
T3 = 380 ℃ P3
T4 = 300 ℃ P4
이러한 특별한 최종 냉각 온도를 달성한 후에, 냉각 매체 공급을 중단하고 그리고 파이프들을 정지된 공기 중에서 본질적으로 낮은 세기로 상온까지 추가로 냉각하였다.
다양한 방식으로 열 처리된 파이프로부터 샘플들을 취하여 P1 내지 P4로 라벨을 부여하였고 이어서 이들 샘플에 대해서 물질 테스트를 실시하였다.
미세조직을 조사한 결과, 입자 크기 및 조직 분포가 최종 냉각 온도에 의존하는 상태에서 본질적으로 텍스쳐(texture)가 없이, 각 경우에서 바람직한 지향성(directional) 조직이 존재한다는 것을 확인하였다.
도 1은 페라이트 함량이 높은 상태에서 입자 크기가 20 ㎛ 내지 30 ㎛인 샘플(P1)의 조직을 도시한 도면이다.
도 2는 낮은 최종 냉각 중간 온도(T2)=480 ℃와 상호관련된 약 5 ㎛ 내지 8 ㎛의 샘플(P2)의 상당히 작은 평균 입자 크기를 도시한 도면이다.
도 3은 최종 냉각 온도(T3)=380 ℃에서 조직의 높은 시드 카운트 변환(seed count conversion) 및 재결정으로 인한 미세 입자를 가지고 그리고 대부분 균일하게 분포된 페라이트 영역들을 가짐으로써 높은 강도를 가지는 샘플(P3)의 물질을 도시한 도면이다.
도 4는 최종 냉각 온도(T4)=300 ℃로 성형한 후에 급속 냉각으로 형성된 파이프 벽(P4)의 조직을 도시한 도면이다.
도 5는, 정련 기술에서 여러 냉각 파라미터들을 통해서 달성되는 물질의 기계적 특성의 함수로서, 정련 샘플(P1) 내지 샘플(P4)의 변형 한계(Rp)(0.2)[MPa], 인장 강도(Rm)[MPa], 넥킹(necking)(Ac) [%] 및 인성(KV450)[J]에 대한 측정치를 나타낸 막대 그래프이다.
도 6은 실험 파이프(P1 및 P4)의 파이프 길이에 걸친 측정 경도 값을 도시한 도면이다.
도 7은 실험 파이프(P2)의 파이프 벽의 두께를 함수로 하여 4분체(quadrant) 내에서 물질의 경도 곡선을 도시한 도면이다.
도 1은 페라이트 함량이 높은 상태에서 입자 크기가 20 ㎛ 내지 30 ㎛인 샘플(P1)의 조직을 도시한 도면으로서, 이때 조직의 나머지 성분은 주로 펄라이트이다.
도 2는 낮은 최종 냉각 중간 온도(T2)=480 ℃와 상호관련된 약 5 ㎛ 내지 8 ㎛의 샘플(P2)의 상당히 작은 평균 입자 크기를 도시한 도면으로서, 또한 페라이트 내의 펄라이트 함량은 보다 미세한 조직을 가지고 그리고 그 양도 약간 더 많다.
도 3은 최종 냉각 온도(T3)=380 ℃에서 조직의 높은 시드 카운트 변환 및 재결정으로 인한 미세 입자를 가지고 그리고 대부분 균일하게 분포된 페라이트 영역들을 가짐으로써 높은 강도를 가지는 샘플(P3)의 물질을 도시한 도면이다. 상부 중간 스테이지 및/또는 상부 베이나이트의 조직 및 펄라이트는 정련된 조직의 다른 구성물이었다.
도 4는 최종 냉각 온도(T4)=300 ℃로 성형한 후에 급속 냉각으로 형성된 파이프 벽(P4)의 조직을 도시한 도면이다. 하부 베이나이트 영역에서의 중간 스테이지 성분 및 미세 층상 펄라이트를 가지는 단부 한계(end limitation)로 인해서 글로벌라이틱(globulitic)한 극히 미세한-입자의 페라이트 상들이 물질에 대한 개선된 변형 결과와 함께 큰 강도 값을 초래하였다.
기본 철 물질을 고온 성형한 직후에 1 ℃/초 보다 빠른 속도로 파이프 벽을 냉각하는 경우에, 이러한 방식으로 성형된 오스테나이트 조직은 시드 상태 및 과냉각 범위의 함수로서 조직의 변환을 초래하는 평형에 대해서 대부분 과냉각될 수 있을 것이다. 희망하는 균일한 미세조직은 파이프의 전체 길이에 걸쳐서 그리고 놀랍게도 단면에 걸쳐서 본원 발명에 따른 방법에 의해서 바람직하게 설정될 수 있을 것이고, 그리고 이러한 미세조직은 또한 물질의 특성을 결정한다. 다시 말해서, 기본적인 물질 특성이 파이프에서 요구된다면, 합금을 선택하게 될 것이다. 제공되는 물질의 바람직하고 원하는 특성 프로파일은 본원 발명에 따른 장치에서 본원 발명에 따른 방법으로 통해서 달성될 수 있을 것이다.
도 5는, 정련 기술에서 여러 냉각 파라미터들을 통해서 달성되는 물질의 기계적 특성의 함수로서, 정련 샘플(P1) 내지 샘플(P4)의 변형 한계(Rp)(0.2)[MPa], 인장 강도(Rm)[MPa], 넥킹(necking)(Ac) [%] 및 인성(KV450)[J]에 대한 측정치를 나타낸 막대 그래프이다.
동일한 스틸 조성에서, 파이프 벽의 물질의 변형 한계가 424[MPa]으로부터 819[MPa]로 증대될 수 있는 것과 동시에, 26[%]로부터 10[%]로의 변형 값의 감소가 최소화될 수 있고, 이는 물질의 인성이 170[J]로부터 160[J]로 감소되게 한다.
예를 들어, 샘플 물질(P1)의 경우에서와 같이 높은 최종 냉각 온도에서, 많은 양의 재결정 및 큰 입자 형성이 존재하고, 이는 물질에 큰 인성 및 넥킹을 부여하나 비교적 낮은 레벨의 강도를 유발한다.
보다 낮은 상온까지 냉각시키는 것은 파이프 벽의 강도를 높이고 그리고 자연적으로 또한 물질의 넥킹 및 인성을 약간 감소시키며, 이는 샘플(P2, P3 및 P4)을 기초로 도시된 바와 같다.
본원 발명에 따른 방법으로, 미세조직들이 또한 목표 방식에 따라서 물질 내에서 조정되어 파이프 벽의 특성 프로파일을 제공할 수 있을 것이다. 예를 들어, 낮은 베이나이트 조직으로의 많은 양의 변환은 낮은 변환 온도에 의해서 샘플 파이프(P4)에서 달성될 수 있고, 그에 따라 물질의 증대된 인성이 달성될 수 있다.
도 6은 실험 파이프(P1 및 P4)의 파이프 길이에 걸친 측정 경도 값을 도시한 도면이다. 파이프의 길이에 걸친 물질 경도의 산란(scattering; S)은 또한 냉각 매체의 집중적인 적용으로 인해서 물질의 강도 레벨 및 경도[HRB]의 증가와 함께 감소된다.
도 7은 실험 파이프(P2)의 파이프 벽의 두께를 함수로 하여 4분체 내에서 물질의 경도 곡선을 도시한 도면이다.
4개의 사분체(Q1 내지 Q4)의 측정 결과는 파이프 벽의 외부, 중앙 및 내부 영역들에서의 각 사분체 내에서 소정 거리 이격된 4개의 측정의 평균이다.
4분체 내의 파이프 벽의 단면에 걸친 각각의 경도 값의 비교에 의해서 확인할 수 있는 바와 같이, 극히 적은 물질 강도 편차만이 존재하며, 그에 따라 본원 발명에 따른 방법 및 장치를 이용함으로써 달성될 수 있는 제품의 품질을 확인할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 열간 성형 후에, 특히 연신 감소에 의한 성형 후에, 직접적인 급속 냉각에 의해서 물질의 강도가 증대되고 인성이 개선된 스틸로 파이프를 제조하는 방법으로서, 연속적인 프로세스에서 700 ℃ 보다 높고 1050 ℃ 보다 낮은 온도에서의 마지막 성형 후에 최대 20초의 기간 내에서 파이프 벽 두께의 400 배를 초과하는 길이에 대해서 원주 방향으로 파이프의 외측 표면에 증대된 압력의 냉각 매체가 인가되고, 급속 냉각에서 500 ℃ 내지 250 ℃ 범위의 온도에 대해서 파이프 길이에 걸쳐 파이프 벽의 1 ℃/초 보다 큰 균등한 냉각 속도를 생성할 수 있는 양으로 상기 냉각 매체가 적용되며, 그 후에 파이프가 공기중에서 상온으로 추가적으로 냉각되는,
    파이프 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    파이프의 외측 표면의 급속 냉각의 개시가 950 ℃ 미만의 온도에서 시작되는,
    파이프 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    급속 냉각 후에, 파이프 벽의 목표(targeted) 재가열이 추가적인 공기중에서의 파이프 냉각 후에 실시되는,
    파이프 제조 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    중량%로 기재된 이하의 각각의 합금 원소 및 수반 원소 및/또는 불순물 원소의 농도를 가지는 스틸이 스틸 파이프 제조에 이용되는:
    탄소 (C) 0.03 내지 0.5
    실리콘 (Si) 0.15 내지 0.65
    망간 (Mn) 0.5 내지 2.0
    인 (P) 최대 0.03
    황 (S) 최대 0.03
    크롬 (Cr) 최대 1.5
    니켈 (Ni) 최대 1.0
    구리 (Cu) 최대 0.3
    알루미늄(Al) 0.01 내지 0.09
    티타늄 (Ti) 최대 0.05
    몰리브덴 (Mo) 최대 0.8
    바나듐 (V) 0.02 내지 0.2
    주석(Sn) 최대 0.08
    질소 (N) 최대 0.04
    니오븀 (Nb) 최대 0.08
    칼슘(Ca) 최대 0.005
    철 (Fe) 나머지,
    파이프 제조 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    길이가 7 미터 보다 긴, 특히 길이가 200 미터 이하이고, 외경이 20 mm 초과 200 mm 미만, 벽 두께가 2.0 mm 초과 25 mm 미만의 오일 필드(oil field) 파이프를 생산하기 위해서 이용되는,
    파이프 제조 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    스틸이 파이프 제조를 위해서 이하의 중량%의 양으로 이하의 하나 이상의 원소를 포함하는:
    탄소 (C) 0.05 내지 0.35
    인 (P) 최대 0.015
    황 (S) 최대 0.005
    크롬 (C) 최대 1.0
    티타늄 (Ti) 최대 0.02,
    파이프 제조 방법.
  7. 성형 후에, 특히 연신 감소에 의한 파이프의 성형 후에, 급속 냉각에 의해서 물질의 강도가 증대되고 인성이 개선된 스틸로 파이프를 제조하는 파이프 제조 장치로서, 상기 파이프 제조 장치가 파이프의 표면으로 냉각 매체를 적용하는 장치를 포함하는, 파이프 제조 장치에 있어서,
    롤링 방향으로 마지막 성형 밀로부터 하류에 정렬된 것으로서, 길이 방향을 따라서 여러 위치들에 배치될 수 있고 그리고 롤링된 물질 주위로 동심적으로 정렬되는 복수의 분배 링을 가지는 스위칭이 가능한 냉각 관통-구역이 냉각 매체에 대해서 제공되고, 본질적으로 축선을 향해서 지향된 3개 이상의 노즐을 각각 포함하고, 상기 각각의 분배 링 또는 각각의 분배 링의 그룹이 처리량(throughput)-조정형 프로세스에서 냉각 매체를 공급받을 수 있는,
    파이프 제조 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 노즐들이 스프레이 방향으로 확장되는 피라미드-형상 냉각 매체 스트림을 각각 형성하는,
    파이프 제조 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    냉각 매체 스트림이 장방형의 단면 형상을 가지고 그리고 장방형의 장축이 파이프의 축선을 향해서 경사지게 배향되는,
    파이프 제조 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    냉각 관통-구역으로의 냉각 매체의 공급이 해당 구역 내의 파이프의 단부들의 위치를 함수로 하여 스위칭될 수 있는,
    파이프 제조 장치.
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