KR20230037040A - 우량한 코어부 인성을 구비한 고강도 용기용 후판(厚板) 및 제조방법 - Google Patents

우량한 코어부 인성을 구비한 고강도 용기용 후판(厚板) 및 제조방법 Download PDF

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Abstract

우량한 코어부 인성(toughness)을 구비한 고강도 용기용 후판(厚板) 및 제조방법은 강철생산 기술분야에 관한 것으로, 이의 화학성분 및 질량백분율은 아래와 같이, C: 0.08% ~ 0.12%이고, Si: 0.10% ~ 0.30%이고, Mn: 1.10% ~ 1.50%이고, Ni: 0.50% ~ 0.80%이고, Mo: 0.08% ~ 0.15%이고, V: 0.03% ~ 0.06%이고, P≤0.006%이고, S≤0.002%이며, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물이다. 최대 두께가 80mm에 달하여 -70℃조건에서 사용되는 고강도 저온 용기판의 수요를 만족시키고, 1/4 두께 코어부 -70℃ KV2값≥150J이고, 항복 강도(yield strength)≥420MPa이고, 인장 강도≥560MPa으로서, 대형 저온 구형 탱크 또는 저장 탱크를 건조하는 데 사용할 수 있다.

Description

우량한 코어부 인성을 구비한 고강도 용기용 후판(厚板) 및 제조방법
본 발명은 강철생산 기술분야에 관한 것으로, 특히, 우량한 코어부 인성(toughness)을 구비한 고강도 용기용 후판(厚板) 및 제조방법에 관한 것이다.
화학공업의 저온 구형 탱크 등 설비가 대용적화로 발전함에 따라, 저온 용기용 강판의 두께에 대한 요구도 점차적으로 증가하고 있으며, 대형 저온 에틸렌 구형 탱크를 건조할 경우, 강판은 두께방향 성능의 균일성을 향상시켜 설비의 안전성을 보장하기 위해 통상적으로 두께가 두꺼운 강판의 코어부 충격 성능도 기술 지표 요구에 도달할 것을 요구한다. 판 두께가 증가됨에 따라, 두께가 동일한 블랭크재를 이용해 생산할 경우에는 압연 압축비가 감소되며, 노멀라이징(normalizing)+템퍼링(tempering) 처리를 이용한 후에는 코어부의 충격 성능을 보장하기가 매우 어렵고 코어부 인성(toughness)의 안정성도 떨어지며, 담금질(quenching)+템퍼링을 이용할 경우에는 코어부의 냉각 속도가 향상되고 코어부 조직을 세분화하여 코어부의 인성을 보장할 수 있다.
중국 국내에서 저온 구형 탱크에 사용되는 두께가 두꺼운 강판은 통상적으로 09MnNiDR강을 사용하고 사용 온도가 -70℃에 도달할 수 있지만, 이의 항복 강도(yield strength)와 인장 강도가 낮은 편이라, 60mm이상의 후판(厚板)을 표준화로 생산 완료하는 데 요구하는 값이 260MPa 및 420MPa에 불과하다. 저온 코어부의 인성을 보장하는 전제 하에 강판의 강도를 대폭 향상시킬 경우, 판 두께를 증가시키지 않거나 소폭 증가시키는 상황에서 저온 구형 탱크 등 용기의 용적을 대폭 증가시킬 수 있다.
공개번호 CN104911319B인 중국 발명 특허가 창출한 저온 구형 탱크 용기용 강판 및 이의 생산방법은 Nb 미량 합금화를 이용해 2단계 제어 압연, 담금질+템퍼링 또는 노멀라이징+담금질+템퍼링 공정의 열처리를 진행하여, 1/2 두께의 충격이 -70℃에서의 사용을 만족시킬 수 있지만, 이의 후판은 항복 강도가 약 400MPa이고, 인장 강도 또한 560MPa 미만이다.
정리하면, 종래기술에서 두께＞50mm인 강판이 -70℃의 사용온도와 항복 강도≥420MPa 및 인장 강도≥560MPa를 동시에 만족시키는 저온 용기용 강은 아직 보도되지 않았다.
본 발명은 상기 기술문제를 해결하기 위하여, 우량한 코어부 인성을 구비한 고강도 용기용 후판(厚板) 및 제조방법을 제공한다.
상기 기술문제를 해결하기 위하여 본 발명은 우량한 코어부 인성(toughness)을 구비한 고강도 용기용 후판(厚板)을 제공하며, 이의 화학성분 및 질량백분율은 아래와 같이, C: 0.08% ~ 0.12%이고, Si: 0.10% ~ 0.30%이고, Mn: 1.10% ~ 1.50%이고, Ni: 0.50% ~ 0.80%이고, Mo: 0.08% ~ 0.15%이고, V: 0.03% ~ 0.06%이고, P≤0.006%이고, S≤0.002%이며, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물이다.
기술효과에 있어서, 본 발명의 제품은 전체 두께의 저온 충격 인성이 -70℃의 사용 요구를 만족시키고, 종래기술에 따른 0.5Ni 저온강을 기초로 항복 강도(yield strength)와 인장 강도를 대폭 향상시켜 재료 성능을 업그레이드시킨다.
본 발명이 진일보로 한정한 기술방안은 아래와 같다.
상술한 바와 같이, 우량한 코어부 인성을 구비한 고강도 용기용 후판에 있어서, 이의 화학성분 및 질량백분율은 아래와 같이, C: 0.08% ~ 0.09%이고, Si: 0.10% ~ 0.21%이고, Mn: 1.10% ~ 1.45%이고, Ni: 0.50% ~ 0.62%이고, Mo: 0.08% ~ 0.10%이고, V: 0.03% ~ 0.037%이고, P≤0.006%이고, S≤0.0005%이며, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물이다.
상술한 바와 같이, 우량한 코어부 인성을 구비한 고강도 용기용 후판에 있어서, 이의 화학성분 및 질량백분율은 아래와 같이, C: 0.10% ~ 0.11%이고, Si: 0.14% ~ 0.20%이고, Mn: 1.18% ~ 1.37%이고, Ni: 0.50% ~ 0.74%이고, Mo: 0.096% ~ 0.12%이고, V: 0.039% ~ 0.047%이고, P≤0.005%이고, S≤0.001%이며, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물이다.
상술한 바와 같이, 우량한 코어부 인성을 구비한 고강도 용기용 후판에 있어서, 강판의 두께는 50 내지 80mm이다.
본 발명의 다른 목적은, 우량 코어부 인성을 구비한 고강도 용기용 후판의 제조방법을 제공하는 데 있으며, 이는 아래의 단계를 포함한다.
제강 연속 주조 단계: 쇳물을 미리 처리하고, 회전로의 꼭대기 및 바닥에 복합 취입하여 제련하고, LF+RH 정련하고, 성분의 설계 요구에 근거해 성분 제어를 진행하고, 연속 주조과정은 전자기를 이용해 교반하고, 생산된 블랭크재는 두께가 260mm이며;
슬라브(slab) 가열 단계: 슬라브를 1150 내지 1180℃로 가열하고, 슬라브의 로(爐) 제련 총 시간≥240min이고, 균열(soaking)구간 보온시간은 30 내지 60min이고, 전체 슬라브 온도 균일성≤10℃이며;
압연 및 냉각 제어 단계: 슬라브는 로에서 꺼낸 후에 고압수를 이용하여 디스케일링(descaling)을 실시하고, 디스케일링 수압≥18MPa이고, 2단계 제어 압연을 이용하고, 제1 단계는 오스테나이트(austenite) 재결정구역에서 압연하고, 제2 단계는 오스테나이트 비재결정구역(austenite non-recrystallization region)에서 정밀 압연을 진행하고, 압연한 후에 냉각을 제어하며;
열처리 단계: 오프라인 담금질(quenching)+템퍼링(tempering) 공정을 이용해 열처리를 진행한다.
상술한 바와 같이, 우량한 코어부 인성을 구비한 고강도 용기용 후판의 제조방법에 있어서,
제강 연속 주조 단계：쇳물을 미리 처리하고, 쇳물 중 S함량＜0.002wt%이고, 회전로를 이용해 제강을 진행하고, LF로(爐)는 심층 탈산소와 탈황을 실시하고, 합금 성분이 목표 범위에 도달하도록 조정하고, RH로(爐)는 탈가스를 진행하고, 진공도≤0.3torr이며; 2차 냉각수 약냉 및 저(低)인장속도 방안을 이용해 연속 주조를 진행하고, 슬라브 인장 속도는 0.8 내지 1.2m/min이고, 연속 주조 슬라브의 두께는 260mm이고, 캐스팅 블랭크(casting blank)는 스택 냉각(stack cooling) 처리를 진행하고, 스택 냉각 시간≥48시간이다.
상술한 바와 같이, 우량한 코어부 인성을 구비한 고강도 용기용 후판의 제조방법은 아래와 같이, 2단계 제어 압연 이용 단계: 제1 단계는 오스테나이트 재결정구역에서 압연하고, 총 압하량은 30% 내지 50%이며; 제2 단계는 오스테나이트 비재결정구역에서 정밀 압연을 진행하고, 압연 개시 온도는 850℃보다 낮고, 압하량은 45% 내지 65%이고, 최종 압연 온도는 780 내지 820℃이며; 압연한 후에 냉각을 제어하고, 셀프 템퍼링(self tempering) 온도는 580 내지 620℃ 사이로 제어한다.
상술한 바와 같이, 우량한 코어부 인성을 구비한 고강도 용기용 후판의 제조방법에 있어서, 열처리에 이용되는 오프라인 담금질 단계: 담금질 온도가 870 내지 890℃이고, 보온 시간이 30 내지 60min이고, 로에서 꺼낸 후, 설비의 최대 냉각 능력을 이용해 직접 실온으로 담금질한다.
상술한 바와 같이, 우량한 코어부 인성을 구비한 고강도 용기용 후판의 제조방법에 있어서, 템퍼링 단계: 담금질하는 강판을 605 내지 625℃까지 가열하고, 40 내지 70min 동안 템퍼링을 실시하고, 로에서 꺼내 공냉을 실시하여 균일하고 미세하게 템퍼링된 소르바이트(sorbite)조직을 획득한다.
본 발명의 유익한 효과는 아래와 같다.
(1) 본 발명의 화학성분 설계
C: 강의 강화 원소와 오스테나이트(austenite) 안정 원소로서, 강 중에 탄소 함유량이 증가되고, 항복점과 인장 강도가 향상되고, 탄소 함량이 0.1%가 증가될 때마다 인장 강도가 약 90MPa 향상되고, 항복 강도(yield strength)가 40 내지 50MPa 향상될 수 있지만, 가소성과 충격성이 떨어지고 연성-취성 천이온도(ductile-brittle transition temperature)가 높아져 HAZ 저온 인성(toughness)에 해로우므로, 설계할 때 강도를 보장하는 전제하에 가능한 낮추며;
Ni: Fe와 α, γ상 고용체를 형성해 γ상 중에서 무한고용(固溶) 하여 γ상 구역을 확대할 수 있으며, 오스테나이트 형성 및 안정 원소로서, 나선 전위(screw dislocation)가 쉽게 분해되지 않도록 하여 크로스 슬립(cross slip)의 발생을 보장하고 소재의 소성 변형 성능을 향상시킬 수 있으며, Ni는 귀금속 원소이기도 하므로, 성능을 보장하는 전제하에 가능한 적게 첨가하며;
Mn: 오스테나이트 안정 원소로서, 기저체 강화 원소이기도 하며, 고용 강화와 침전 강화를 통해 강도를 향상시켜 소재의 담금질성(hardenability)이 뚜렷하게 향상하고, Mn 원소는 연속 주조과정에서 코어부 편석(segregation)이 쉽게 발생하므로, 함량이 너무 높은 것은 좋지 않으며;
Si: 탈산소 원소로서, P가 결정입계(crystal boundary)에서 군집(clustering)되는 것을 억제할 수 있지만, Si의 함량이 지나치게 높을 경우, 용접열 영향구역(HAZ)의 저온 인성(toughness)에 불리하며;
S 및 P: S는 쉽게 Mn와 석출물 MnS를 형성해 저온 인성을 떨구고; P는 쉽게 결정입계에서 군집되어 결정입계의 내균열확장능력을 떨구고 저온 인성을 악화시키며;
Mo: 담금질성을 향상시켜 강도가 향상되고 강의 템퍼링 안정성이 향상될 수 있으며, 크롬 또는 망간 등과 공존할 경우, 다른 원소로 유발되는 템퍼링 취성을 떨구거나 억제할 수 있으며;
V: 담금질성을 향상시킬 수 있고, 강한 카보나이트라이드(carbonitride) 형성 원소로서, 고용 및 석출을 통해 소재의 강도를 향상할 수 있으며, V는 Cr 및 Mo와 동시에 존재할 경우, 템퍼링 과정에서 복잡한 탄화물을 형성해 용접 이음의 소성 및 인성을 떨구며, 소성 및 인성을 보장하도록 설계하려면 반드시 V의 양을 제어하고 결정 입자에 대한 V의 세분화 역할과 강도에 대한 V의 유익한 역할을 검토해야 하며;
(2) 본 발명에 의해 제조된 저온용 고강도 용기판은 두께가 50 내지 80mm이고, -70℃조건하에서 1/4 두께 코어부 KV2값≥150J이고, 항복 강도(yield strength)≥420MPa이고, 인장 강도≥560MPa이며;
(3) 본 발명의 제품은 09MnNiDR 등과 같은 국내외 0.5Ni강 브랜드를 대체해 프로판(propane), 부탄(butane), 에탄(ethane) 및 에틸렌 등 용기의 건조에 사용하여 소재 성능을 업그레이드하고 용기의 대형화 발전에 소재 보장을 제공할 수 있다.
도 1은 실시예 1에서 4% 질산 알코올 용액으로 부식시킨 80mm 강판의 1/4 두께 템퍼링(tempering) 상태의 조직 사진이고;
도 2는 실시예 1에서 4% 질산 알코올 용액으로 부식시킨 80mm 강판의 1/2 두께 템퍼링 상태의 조직 사진이다.
이하 실시예에서 제공한 우량한 코어부 인성(toughness)을 구비한 고강도 용기용 후판(厚板) 및 제조방법에 있어서, 화학성분은 표 1에 기재된 바와 같고, 제련 및 압연 공정의 파라미터는 표 2에 기재된 바와 같고, 열처리공정의 파라미터는 표 3에 기재된 바와 같고, 구체적인 단계는 아래와 같다.
제강 연속 주조 단계: 쇳물을 미리 처리하고, 쇳물 중 S 함량＜0.002wt%이고, 회전로를 이용해 제강을 진행하고, LF로(爐)는 심층 탈산소와 탈황을 실시하고, 합금 성분이 목표 범위에 도달하도록 조정하고, RH로(爐)는 탈가스를 진행하고, 진공도≤0.3torr이며; 2차 냉각수 약냉 및 저(低)인장속도 방안을 이용해 연속 주조를 진행하고, 슬라브(slab) 인장 속도는 0.8 내지 1.2m/min이고, 연속 주조 슬라브의 두께는 260mm이고, 캐스팅 블랭크(casting blank)는 스택 냉각(stack cooling) 처리를 진행하고, 스택 냉각 시간≥48시간이며;
슬라브(slab) 가열 단계: 슬라브를 1150 내지 1180℃로 가열하고, 슬라브의 로(爐) 제련 총 시간≥240min이고, 균열(soaking)구간 보온시간은 30 내지 60min이고, 전체 슬라브 온도 균일성≤10℃이며;
2단계 제어 압연 이용 단계: 제1 단계는 오스테나이트(austenite) 재결정구역에서 압연하고, 총 압하량은 30% 내지 50%이며; 제2 단계는 오스테나이트 비재결정구역(austenite non-recrystallization region)에서 정밀 압연을 진행하고, 압연 개시 온도는 850℃보다 낮고, 압하량은 45% 내지 65%이고, 최종 압연 온도는 780 내지 820℃이며; 압연한 후에 냉각을 제어하고, 셀프 템퍼링(self tempering) 온도는 580 내지 620℃ 사이로 제어하며;
열처리에 이용되는 오프라인 담금질(quenching) 단계: 담금질 온도는 870 내지 890℃이고, 보온 시간은 30 내지 60min이고, 로에서 꺼낸 후, 설비의 최대 냉각 능력을 이용해 직접 실온으로 담금질하며;
템퍼링(tempering) 단계: 담금질하는 강판을 605 내지 625℃까지 가열하고, 40 내지 70min 동안 템퍼링을 실시하고, 로에서 꺼내 공냉을 실시하여 균일하고 미세하게 템퍼링된 소르바이트(sorbite)조직을 획득한다.
표 1
Figure pct00001
표 2
Figure pct00002
표 3
Figure pct00003
실시예에 따른 제품의 역학 성능은 표 4에 기재된 바와 같다.
표 4
Figure pct00004
이와 동시에, 도 1과 도 2에서 알 수 있다시피, 본 발명의 제품이 획득한 조직은 템퍼링 소르바이트 조직으로서, 양호한 종합 역학 성능을 획득할 수 있다. 최대 두께가 80mm에 달하여 -70℃조건에서 사용되는 고강도 저온 용기판의 요구를 만족시키고, 1/4 두께 코어부 -70℃ KV2값≥150J이고, 항복 강도≥420MPa이며, 인장 강도≥560MPa으로서, 종래기술에 따른 0.5Ni 저온강을 기초로 항복 강도와 인장 강도를 대폭 향상시키며, 09MnNiDR 등과 같은 중국 국내외 0.5Ni강 브랜드를 대체해 프로판(propane), 부탄(butane), 에탄(ethane) 및 에틸렌 등 용기의 건조에 사용하여 소재 성능을 업그레이드하고 용기의 대형화 발전에 소재 보장을 제공할 수 있다.
상기 실시예 외에도 본 발명은 다른 실시방식이 있을 수도 있다. 균등한 치환 또는 등가적 변환을 이용해 형성된 기술방안은 모두 본 발명이 보호를 청구한 범위에 포함된다.

Claims (9)

  1. 우량한 코어부 인성(toughness)을 구비한 고강도 용기용 후판(厚板)에 있어서,
    이의 화학성분 및 질량백분율은 아래와 같이,
    C: 0.08%~0.12%이고, Si: 0.10% ~ 0.30%이고, Mn: 1.10% ~ 1.50%이고, Ni: 0.50% ~ 0.80%이고, Mo: 0.08% ~ 0.15%이고, V: 0.03% ~ 0.06%이고, P≤0.006%이고, S≤0.002%이며, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물인 것을 특징으로 하는 우량한 코어부 인성을 구비한 고강도 용기용 후판.
  2. 제1항에 있어서,
    이의 화학성분 및 질량백분율은 아래와 같이,
    C: 0.08% ~ 0.09%이고, Si: 0.10% ~ 0.21%이고, Mn: 1.10% ~ 1.45%이고, Ni: 0.50% ~ 0.62%이고, Mo: 0.08% ~ 0.10%이고, V: 0.03% ~ 0.037%이고, P≤0.006%이고, S≤0.0005%이며, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물인 것을 특징으로 하는 우량한 코어부 인성을 구비한 고강도 용기용 후판.
  3. 제1항에 있어서,
    이의 화학성분 및 질량백분율은 아래와 같이,
    C: 0.10% ~ 0.11%이고, Si: 0.14% ~ 0.20%이고, Mn: 1.18% ~ 1.37%이고, Ni: 0.50% ~ 0.74%이고, Mo: 0.096% ~ 0.12%이고, V: 0.039% ~ 0.047%이고, P≤0.005%이고, S≤0.001%이며, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물인 것을 특징으로 하는 우량한 코어부 인성을 구비한 고강도 용기용 후판.
  4. 제1항에 있어서,
    강판의 두께는 50 내지 80mm인 것을 특징으로 하는 우량한 코어부 인성을 구비한 고강도 용기용 후판.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 우량한 코어부 인성을 구비한 고강도 용기용 후판의 제조방법에 있어서,
    제강 연속 주조 단계: 쇳물을 미리 처리하고, 회전로의 꼭대기 및 바닥에 복합 취입하여 제련하고, LF+RH 정련하고, 성분의 설계 요구에 근거해 성분 제어를 진행하고, 연속 주조과정은 전자기를 이용해 교반하고, 생산된 블랭크재는 두께가 260mm인 단계;
    슬라브(slab) 가열 단계: 슬라브를 1150 내지 1180℃로 가열하고, 슬라브의 로(爐) 제련 총 시간≥240min이고, 균열(soaking)구간 보온시간은 30 내지 60min이고, 전체 슬라브 온도 균일성≤10℃인 단계;
    압연 및 냉각 제어 단계: 슬라브는 로에서 꺼낸 후에 고압수를 이용하여 디스케일링(descaling)을 실시하고, 디스케일링 수압≥18MPa이고, 2단계 제어 압연을 이용하고, 제1 단계는 오스테나이트(austenite) 재결정구역에서 압연하고, 제2 단계는 오스테나이트 비-재결정구역(austenite non-recrystallization region)에서 정밀 압연을 진행하고, 압연한 후에 냉각을 제어하는 단계;
    열처리 단계: 오프라인 담금질(quenching)+템퍼링(tempering) 공정을 이용해 열처리를 진행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 우량한 코어부 인성을 구비한 고강도 용기용 후판의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    제강 연속 주조는 쇳물을 미리 처리하고, 쇳물 중 S 함량＜0.002wt%이고, 회전로를 이용해 제강을 진행하고, LF로(爐)는 심층 탈산소와 탈황을 실시하고, 합금 성분이 목표 범위에 도달하도록 조정하고, RH로(爐)는 탈가스를 진행하고, 진공도≤0.3torr이며; 2차 냉각수 약냉 및 저(低)인장속도 방안을 이용해 연속 주조를 진행하고, 슬라브 인장 속도는 0.8 내지 1.2m/min이고, 연속 주조 슬라브의 두께는 260mm이고, 캐스팅 블랭크(casting blank)는 스택 냉각(stack cooling) 처리를 진행하고, 스택 냉각 시간≥48시간인 것을 특징으로 하는 우량한 코어부 인성을 구비한 고강도 용기용 후판의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    2단계 제어 압연 이용 단계는 제1 단계는 오스테나이트 재결정구역에서 압연하고, 총 압하량은 30% 내지 50%이며; 제2 단계는 오스테나이트 비재결정구역에서 정밀 압연을 진행하고, 압연 개시 온도는 850℃보다 낮고, 압하량은 45% 내지 65%이고, 최종 압연 온도는 780 내지 820℃이며; 압연한 후에 냉각을 제어하고, 셀프 템퍼링(self tempering) 온도는 580 내지 620℃ 사이로 제어하는 것을 특징으로 하는 우량한 코어부 인성을 구비한 고강도 용기용 후판의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    열처리에 이용되는 오프라인 담금질 단계는 담금질 온도가 870 내지 890℃이고, 보온 시간이 30 내지 60min이고, 로에서 꺼낸 후, 설비의 최대 냉각 능력을 이용해 직접 실온으로 담금질하는 것을 특징으로 하는 우량한 코어부 인성을 구비한 고강도 용기용 후판의 제조방법.
  9. 제5항에 있어서,
    템퍼링 단계는 담금질하는 강판을 605 내지 625℃까지 가열하고, 40 내지 70min 동안 템퍼링을 실시하고, 로에서 꺼내 공냉을 실시하여 균일하고 미세하게 템퍼링된 소르바이트(sorbite)조직을 획득하는 것을 특징으로 하는 우량한 코어부 인성을 구비한 고강도 용기용 후판의 제조방법.
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