KR101674341B1

KR101674341B1 - 용접부 품질이 우수한 전봉 강관 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101674341B1
Application number: KR1020157032419A
Authority: KR
Inventors: 히데키 하마타니; 겐이치 야마모토; 마사후미 미야자키; 마사키 이나; 다카아키 후쿠시
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2013-08-16
Filing date: 2014-08-07
Publication date: 2016-11-08
Anticipated expiration: 2034-08-07
Also published as: JP5765497B1; CN105452506A; CN105452506B; WO2015022899A1; EP3034643A1; JPWO2015022899A1; US20160193641A1; EP3034643A4; US10081042B2; KR20150140826A; EP3034643B1

Abstract

유정관 및 라인 파이프에 적합한 용접부 품질이 우수한 전봉 강관이며, 전봉 강관의 모재를 구성하는 강판이 소정의 성분 조성을 갖고, Ca, O, S, Ce, La, 및 Al의 함유량이, 식을 만족시키고, 전봉 강관의 용접부에 있어서의 산화물계 개재물이, Ce, La의 1종 또는 2종을 함유하고, 상기 산화물계 개재물의 긴 직경/짧은 직경이 2.5 이하인 것을 특징으로 하는 것이다.
[수학식]

Description

용접부 품질이 우수한 전봉 강관 및 그 제조 방법{ELECTRIC-RESISTANCE-WELDED STEEL PIPE WITH EXCELLENT WELD QUALITY AND METHOD FOR PRODUCING SAME}

본 발명은, 유정관 및 라인 파이프에 적합한 용접부 품질이 우수한 전봉 강관 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

석유나 천연 가스 등의 생산은, 북해, 알래스카 등의 극한지에서 행해지는 경우가 많다. 그로 인해, 유정관, 및 생산된 석유나 천연 가스 등의 반송에 사용하는 라인 파이프에는 저온 인성이 필요해진다.

종래, 유정관이나 라인 파이프로서, 심리스 강관이나 전봉 강관이 사용되어 왔다. 최근에는, 굴삭 비용 삭감의 관점에서, 전봉 강관에의 수요가 높아지고 있다. 그에 수반하여, 저온 인성이 우수한 전봉 강관에 관하여, 다양한 기술이 개발되고 있다. 구체적으로는, 열연 공정의 마무리 온도 및 권취 온도의 제한에 의한 소재의 인성 향상, Nb 및 V의 첨가에 의한 결정립의 미세화, 조관 후의 관체 열처리 등을 들 수 있다.

최근, 전봉 강관의 사용 환경의 가혹화에 수반하여, 내SSC성과 저온 인성의 요구가 높아지고 있다. 이들 요구를 만족시키기 위해서는, Ca 첨가법이 유효한 것이 알려져 있다.

특허문헌 1에는, 용강 중의 S 농도를 7ppm 이하로 한 후, 이 용강을 Ca 처리하고, Ca 농도와 산소 농도의 비를, 1.19<([Ca]/[O])<2.11로 제어함과 함께, Ca의 첨가 속도를, 0.023<V[㎏/(tㆍmin)]<0.7로 제어하는 기술이 개시되어 있다.

최근의 연구에 의해, Ca 첨가된 전봉 강관은, 전봉 용접부의 인성이 모재부에 비해 현저하게 저하되는 경우가 있는 것이 판명되었다. 이 전봉 용접부의 인성 저하의 원인은, 전봉 충합부 및 그 근방에 존재하는 개재물이, 용접부 업셋에 의해 양측으로부터 가압되어 판상으로 변형되기 때문인 것이 밝혀지고 있다. 또한, 이 판상으로 변형되는 개재물은, 성분 분석의 결과, mCaOㆍnAl₂O₃(단, m, n은 정수. 이하 동일함)의 분자 구성비를 갖는 복합 개재물인 것이 판명되어 있다.

특허문헌 2에는, 이와 같은 전봉 용접부의 인성 저하의 문제점을 해결하는 기술로서, 전봉 강관의 전봉 용접부에 존재하는 개재물 중, 원 상당 직경으로 20㎛ 이상의 개재물에 포함되는, Si, Mn, Al, Ca, Cr의 합계량을, 지철을 포함하는 전봉 용접부 전체량에 대한 질량％로, 20ppm 이하로 하는 기술이 개시되어 있다.

특허문헌 3에는, 전봉 강관의 전봉 용접부에 존재하는 개재물 중, 원 상당 직경으로 2㎛ 이상의 개재물에 포함되는, Si, Mn, Al, Ca, Cr의 합계량을, 지철을 포함하는 전봉 용접부 전체량에 대한 질량％로, 99ppm 이하로 하는 기술이 개시되어 있다.

일본 특허 출원 공개 평9－209025호 공보 일본 특허 출원 공개 제2012－246548호 공보 일본 특허 출원 공개 제2012－246550호 공보

판상으로 변형된 mCaOㆍnAl₂O₃은, 이들의 선행 기술을 사용해도, 또한 전봉 용접부 근방에 잔류하고, 전봉 용접부의 인성을 저하시킨다는 문제가 있다. 도 1에 전봉 강관의 전봉 용접의 개략을 도시한다. 전봉 용접은, 강판을 구부려 단부를 맞대고, 고주파 전류로 강판의 단부만을 용융시키고, 업셋(하중)을 가하여 용강을 배출시킴으로써 행해진다.

전봉 용접에 있어서는, 용접부 주변은 강의 융점 가까이까지 가열되므로, 개재물은 강판의 압연 시 등과는 다른 거동을 하여, 변형되기 쉬운 상태로 된다. 즉, 전봉 용접부 근방에 잔류한 mCaOㆍnAl₂O₃은, 용접부 주변이 가열됨으로써 경도가 낮아지고, 업셋 시에 판 두께 방향으로 연신된다. 이 조대한 개재물이, 용접부의 인성 저하의 원인이 된다.

본 발명의 목적은 상기한 문제를 해결하고, 내SSC성과 저온 인성을 구비한 유정관 및 라인 파이프에 사용하는 전봉 강관에 있어서, 전봉 용접부의 인성의 저하를 회피하는 기술을 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 전봉 강관에 있어서, 전봉 용접부의 인성을 회피하는 방법에 대해 예의 검토하였다. 그 결과, 강판 중의 개재물을 고온에서도 경질이고 미세한 것으로 함으로써, 업셋 시에 개재물이 압연되어 인성의 저하의 원인이 되는 것을 억제할 수 있는 것이 가능한 것을 알아내었다.

구체적으로는, 제련 공정에 있어서 Ca을 첨가하기 전에, Ce 및 La 중 적어도 한쪽을 적절한 양 첨가하고, 그 후 Ca을 첨가함으로써, 개재물을 경질의 XCaAlOS(X는 Ce 또는 La. 이하 동일함)가 미세하게 분산된 상태로 하는 것이 가능해지고, 이 개재물은 업셋 시에 연신되는 일도 없으므로, 그 결과, 전봉 용접부의 인성의 저하를 회피하는 것이 가능한 것을 알아내었다. 도 2에 개략을 도시한다.

본 발명은 상기의 지견에 기초하여 이루어진 것이며, 그 요지는 이하와 같다.

(1) 전봉 강관의 모재를 구성하는 강판의 성분 조성이, 질량％로, C:0.03 내지 0.15％, Si:0.1 내지 0.3％, Mn:0.5 내지 2.0％, Al:0.01 내지 0.06％, Ti:0.011 내지 0.023％, Ca:0.001 내지 0.005％, Ce 및 La의 1종 또는 2종의 합계:0.001 내지 0.005％, P:0.03％ 이하, S:0.0015％ 이하, O:0.002％ 이하 및 N:0.005％ 이하를 함유하고, Nb:0.1％ 이하, V:0.1％ 이하, Mo:0.2％ 이하 및 B:0.002％ 이하의 1종 또는 2종 이상을 더 함유하고, 잔부가 철 및 불가피적 불순물이고, Ca, O, S, Ce, La, 및 Al의 함유량이, 식

을 만족시키고, 전봉 강관의 용접부에 있어서의 산화물계 개재물이, Ce, La의 1종 또는 2종을 함유하고, 상기 산화물계 개재물의 긴 직경/짧은 직경이 2.5 이하인 것을 특징으로 하는 용접부 품질이 우수한 전봉 강관.

(2) 상기 강판의 성분 조성이, 질량％로, Cu:0.1 내지 2％, Ni:0.05 내지 1％, Cr:0.01 내지 1％, 및 Zr:0.001 내지 0.01％의 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 용접부 품질이 우수한 전봉 강관.

(3) 상기 모재의 인장 강도가 860㎫ 이상, 상기 모재에 0℃에 있어서의 인성이 100J 이상, 상기 전봉 강관의 용접부의 0℃에 있어서의 인성이 40J 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)의 용접부 품질이 우수한 전봉 강관.

(4) 상기 모재의 인장 강도가 500㎫ 이상 620㎫ 이하, 상기 모재의 －40℃에 있어서의 인성이 100J 이상, 상기 전봉 강관의 용접부 －40℃에 있어서의 용접부 인성이 100J 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)의 용접부 품질이 우수한 전봉 강관.

(5) 제강의 정련 공정에 있어서, 용강의 성분 조성을, 질량％로, C:0.03 내지 0.15％, Si:0.1 내지 0.3％, Mn:0.5 내지 2.0％, Al:0.01 내지 0.06％, Ti:0.011 내지 0.023％, P:0.03％ 이하, S:0.0015％ 이하, O:0.002％ 이하, 및 N:0.005％ 이하를 함유하고, Nb:0.1％ 이하, V:0.1％ 이하, Mo:0.2％ 이하, 및 B:0.002％ 이하의 1종 또는 2종 이상을 더 함유하고, 잔부가 철 및 불가피적 불순물이 되도록 조정하고, 그 후, Ce 및 La의 1종 또는 2종을 용강에 첨가하여, Ce과 La의 합계의 함유량이 0.001 내지 0.005％가 되도록 조제하고, 그 후, Ca을 용강에 첨가하여, Ca의 함유량이 0.0010 내지 0.0050％가 되고, 또한, Ca, O, S, Ce, La, 및 Al의 함유량이, 식

을 만족시키도록 조정하고, 상기 용강으로부터 강편을 제조하고, 상기 강편을 열간 압연하여 열연 강판으로 하고, 상기 열연 강판을 권취하고, 권취된 열연 강판으로부터 전봉 강관을 제조하는 것을 특징으로 하는 용접부 품질이 우수한 전봉 강관의 제조 방법.

(6) 상기 제강의 정련 공정에 있어서, Ce 및 La의 1종 또는 2종을 용강에 첨가하기 전의 용강 성분 조성이, 질량％로, Cu:0.1 내지 2％, Ni:0.05 내지 1％, Cr:0.01 내지 1％, 및 Zr:0.001 내지 0.01％의 1종 또는 2종 이상을 더 함유하도록 조제되는 것을 특징으로 하는 상기 (5)의 용접부 품질이 우수한 전봉 강관의 제조 방법.

본 발명에 따르면, 전봉 용접부의 인성 저하가 회피된, 내SSC성과 저온 인성을 구비한 유정관 및 라인 파이프에 적합한 전봉 강관을 얻을 수 있다.

도 1은 종래의 전봉 강관의 전봉 용접의 개략을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 전봉 강관의 전봉 용접의 개략을 도시하는 도면이다.
도 3은 XCASO와 개재물의 긴 직경/짧은 직경의 관계를 도시하는 도면이다.
도 4는 특히 유정관에 적합한 전봉 강관의, 개재물의 긴 직경/짧은 직경과 0℃에서의 용접부의 샤르피 충격값을 나타내는 그래프이다.
도 5는 특히 라인 파이프에 적합한 전봉 강관의, 개재물의 긴 직경/짧은 직경과 0℃에서의 용접부의 샤르피 충격값을 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명에 대해 상세하게 설명한다. 처음에, 본 발명의 전봉 강관의 모재를 구성하는 강판의 성분 조성에 대해 설명한다. 또한, 성분 조성에 대해 「％」의 표기는, 「질량％」를 의미하는 것으로 한다.

본 발명의 전봉 강관은 유정관 및 라인 파이프에 적합하다. 유정관, 라인 파이프는 각각 상이한 특성이 요구된다. 구체적으로는, 유정관에서는 높은 인장 강도가, 라인 파이프에서는 높은 저온 인성이 요구된다. 그로 인해, 바람직한 성분 조성의 범위도 상이한 것으로 된다. 본 발명에서는, 유정관의 목표 특성을 모재의 인장 강도가 860㎫ 이상, 0℃에 있어서의 모재 인성이 100J 이상, 0℃에 있어서의 용접부 인성이 40J 이상으로 하고, 라인 파이프의 목표 특성을 모재의 인장 강도가 500㎫ 이상 620㎫ 이하, －40℃에 있어서의 모재 인성이 100J 이상, －40℃에 있어서의 용접부 인성이 100J 이상으로 한다. 이하, 각각에 바람직한 성분 조성의 범위도 더불어 설명한다.

[C:0.03 내지 0.15％]

C는, 켄칭성을 높이고, 또한, 탄화물을 석출시킴으로써 열연 강판의 강도를 높이고, 또한 냉간에 있어서의 제조 공정에서의 가공 경화를 이용하여 강도를 향상시키고, 인성을 확보하기 위해 중요한 원소이다. C의 함유량은, 켄칭성을 높이고, 강도를 확보하기 위해, 0.03％ 이상으로 한다. C의 함유량이 지나치게 많으면, 인성이 열화됨과 함께 항복비도 저하될 우려가 있으므로, C의 함유량은 0.15％ 이하로 한다.

유정관에 적합한 특성을 얻기 위해서는, C의 함유량은 0.06 내지 0.15％가 바람직하고, 인성과 강도의 밸런스의 관점에서, 0.07 내지 0.12％가 보다 바람직하다. 라인 파이프에 적합한 특성을 얻기 위해서는, C의 함유량은 0.03 내지 0.12％가 바람직하고, 인성과 강도의 밸런스의 관점에서, 0.04 내지 0.08％가 보다 바람직하다.

[Si:0.1 내지 0.3％]

Si는, 탈산이나 강도 향상에 유용한 원소이다. Si의 함유량은, 탈산의 효과를 충분히 확보하기 위해, 0.1％ 이상으로 한다. Si의 함유량이 지나치게 많으면, 인성이나 용접성이 열화되므로, Si의 함유량은 0.3％ 이하로 한다.

[Mn:0.5 내지 2.0％]

Mn은, 켄칭성을 향상시키는 원소이고, 강도를 확보하기 위해 유용하다. Mn의 함유량은, 강도, 저온 인성의 향상의 효과를 충분히 발휘시키기 위해, 0.5％ 이상으로 한다. Mn의 함유가 지나치게 많으면 Si와 마찬가지로, 인성이나 용접성이 열화될 우려가 있으므로, Mn의 함유량은 2.0％ 이하로 한다.

유정관에 적합한 특성을 얻기 위해서는, Mn의 함유량은 1.0 내지 2.0％가 바람직하고, 1.5 내지 2.0％가 보다 바람직하다. 라인 파이프에 적합한 특성을 얻기 위해서는, Mn의 함유량은 0.5 내지 1.6％가 바람직하고, 1.0 내지 1.6％가 보다 바람직하다.

[Al:0.01 내지 0.06％]

Al은, 통상 탈산재로서 강재 중에 첨가하는 원소이다. Al의 함유량이 0.06％를 초과하면, Al계 비금속 개재물이 증가하여 강재의 청정도를 해치고, 인성이 열화될 우려가 있으므로, 함유량의 상한은 0.06％로 한다. 라인 파이프에 적합한 특성을 얻기 위해서는, 함유량을 0.02％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 안정된 탈산 효과의 확보와 인성의 밸런스를 고려하면, Al의 함유량은 0.04％ 이하가 바람직하다.

[Ti:0.011 내지 0.023％]

Ti는, 미세한 TiN를 형성하고, 슬래브 재가열 시, 및 전봉 용접부의 오스테나이트 입자의 조대화를 억제하여 마이크로 조직의 미세화에 기여한다. 또한, B가 첨가되는 경우, TiN으로서 고용 N를 고정하여 BN의 생성을 억제하고, 켄칭성의 향상에 기여하는 고용 B를 확보하는 데 유효하다. 이들의 효과를 얻기 위해, Ti의 함유량은 0.011％ 이상으로 한다. Ti의 함유량이 지나치게 많으면, 조대한 TiN이나 TiC이 발생하고, 인성이 열화될 우려가 있으므로, Ti의 함유량은 0.023％ 이하로 한다.

[Ca:0.0010 내지 0.0050％]

Ca은, 황화물계 개재물의 형태를 제어하여, 저온 인성을 향상시키는 원소이다. Ca의 함유량이 0.0050％를 초과하면, CaO－CaS가 대형의 클러스터나 개재물로 되어, 인성에 악영향을 미칠 우려가 있으므로, Ca의 함유량은 0.0050％ 이하로 한다. 용강 중의 S 농도를 후술하는 범위로 한 후, Ca 처리를 행함으로써, 내SSC성과 저온 인성을 구비한 강편을 얻을 수 있다. 이 효과를 발휘하기 위해서는, Ca의 함유량을 0.0010％ 이상으로 한다.

[Ce 및 La의 1종 또한 2종의 합계:0.001 내지 0.005％]

Ce 및／또는 La은, 연신한 CaOAl₂O₃의 형성을 억제하는 원소이며, 본 발명에서는 극히 중요한 원소이다. 이 효과를 얻기 위해, Ce 및 La의 1종 또한 2종의 함유량의 합계를 0.0010％ 이상으로 한다. 함유량이 0.005％를 초과하면, 응고 시에 고온으로부터 정출하기 위해 조대한 개재물로 되고, 오스테나이트 결정립이 조대화하고, 또한 강재 내부에 다양한 결함이 발생하는 원인이 되므로, Ce 및 La의 1종 또는 2종의 함유량의 합계는 0.005％ 이하로 한다.

본 발명의 전봉 강관의 모재를 구성하는 강판은, Nb, V, Mo, 및 B의 1종 또는 2종 이상을 더 함유한다.

[Nb:0.1％ 이하]

Nb는, 켄칭성을 향상시키고, 열간 압연 시에 있어서 오스테나이트의 재결정을 억제하여 조직을 미세화하는 원소이다. Nb의 함유량이 지나치게 많으면, 조대한 석출물을 발생하여 인성이 열화될 우려가 있으므로, Nb의 함유량은 0.10％ 이하로 한다. 라인 파이프에 적합한 특성을 얻기 위해서는, Nb의 함유량은 0.01 내지 0.06％가 바람직하다.

[V:0.1％ 이하]

V은, Nb와 대략 동일한 효과를 갖지만, 그 효과는 Nb에 비교하여 낮다. 또한, V은 용접부의 연화를 억제하는 효과도 갖는다. V의 함유량은, 전봉 용접부의 인성, 현지 용접성의 점에서 0.1％ 이하로 한다.

[Mo:0.2％ 이하]

Mo는, 강재의 켄칭성을 향상시키고, 강도를 높이는 원소이다. 또한, Mo는, Nb와 공존하여 압연 시에 오스테나이트의 재결정을 억제하고, 오스테나이트 조직의 미세화에 기여한다. Mo는 고가인 원소이고, 과잉으로 첨가하면 경제성을 손상시키므로, Mo의 함유량은 0.2％ 이하, 바람직하게는 0.1％ 이하 더욱 바람직하게는 0.05％ 이하로 한다.

[B:0.002％ 이하]

B는, 켄칭성을 확보하여, 강도를 향상시키는 원소이다. 또한, B는, 켄칭 시에 입계에 편석하여, 입계 에너지를 저하시키고, 미량의 첨가로도 켄칭성의 향상에 기여한다. B의 함유량이 지나치게 많으면, 켄칭성이 포화됨과 함께, 기계 특성이 불균일하거나, 인성이 열화될 우려가 있으므로, B의 함유량의 상한은 0.0020％로 한다.

또한, 라인 파이프에 적합한 특성을 얻기 위해서는, 보다 높은 저온 인성을 확보하기 위해 Nb를 함유시키는 것이 바람직하다. 또한, B를 함유시키면, 라인 파이프의 일반적인 요구 특성인 현지 용접성이 열화되므로, 라인 파이프에 사용하는 강관에는 B를 함유시키지 않는 경우가 많다.

제강에 있어서는, 원재료에 포함되거나, 혹은 제조의 과정에서 혼입되는 성분이 불가피하게 불순물로서 혼입된다. 그러한 원소 중, P, S, O, 및 N는, 이하와 같이, 특별히 함유량을 제한할 필요가 있다.

[P:0.03％ 이하]

P은, 저온 인성을 열화시키는 원소이고, 함유량은 적을수록 바람직하다. 제강 단계에서의 비용과 특성의 밸런스로부터, P의 함유량은 0.03％ 이하로 한다. P의 함유량은 0％여도 되지만, 실제로 0％로 하는 것은 불가능하고, 0％ 초과로 된다. 현실적인 하한은 0.002％ 정도로 된다.

[S:0.0015％ 이하]

S은, MnS을 형성하고, 인성을 저하시킨다. S의 함유량을 저감함으로써, MnS을 저감하고, 인성을 향상시키는 것이 가능해진다. 제강 단계에서의 비용과 특성의 밸런스로부터, S의 함유량은 0.0015％ 이하로 한다. S의 함유량은 0％여도 되지만, 실제로 0％로 하는 것은 불가능하고, 0％ 초과로 된다. 현실적인 하한은 0.0003％ 정도로 된다.

[O:0.002％ 이하]

O의 함유량이 많아지면, 조대한 Ca이나 Al 등의 산화물이 형성되고, 내HIC성 및 인성이 열화된다. O의 함유량은 적을수록 바람직하다. 제강 단계에서의 비용과 특성의 밸런스로부터, O의 함유량은 0.002％ 이하로 한다. O의 함유량은 0％여도 되지만, 실제로 0％로 하는 것은 불가능하고, 0％ 초과로 된다. 현실적인 하한은 0.0003％ 정도로 된다.

[N:0.005％ 이하]

N의 함유량이 많아지면, TiN이 과도하게 증대하여, 표면흔, 인성 열화 등의 폐해가 발생할 우려가 있다. 또한, B가 함유되는 경우, B와 결합하여 BN를 생성하고, 켄칭성에 유효하게 작용하는 고용 B량이 감소한다. 제강 단계에서의 비용과 특성의 밸런스로부터, N의 함유량은 0.005％ 이하로 한다. N의 함유량은 0％여도 되지만, 실제로 0％로 하는 것은 불가능하고, 0％ 초과로 된다. 단, 강 중에 미세한 TiN이 형성되면, 슬래브 재가열 시 및 전봉 용접부의 오스테나이트 입자의 조대화를 억제하여 마이크로 조직이 미세화하고, 모재 및 전봉 용접부의 저온 인성이 개선되므로, N의 함유량은, 0.0005％ 이상이 바람직하다.

또한, S의 함유량이 실제로 0％로 되는 것은 아니므로, 개재물은 기본적으로는 XCaAlOS로 된다. S의 함유량이 매우 적으면, 일부의 개재물은 XCaAlO(X는 Ce 또는 La)로 될 수 있다. 그 경우에서도 개재물이 XCaAlOS로 되는 것과 동일한 효과를 기대할 수 있으므로, S의 함유량이 적어도 문제는 없다. 또한, S나 O의 함유량이 적으면 개재물이 형성되기 어려워지므로, 전봉 용접부의 인성에 악영향은 없다.

또한, 강의 강도를 향상하여 강의 켄칭성을 향상시키는 원소인, Cu, Ni, Cr, 및 Zr의 1종 또는 2종 이상을, 필요에 따라 함유시켜도 된다.

[Cu:0.1 내지 2％]

Cu는, 페라이트의 석출 강화나 피로 강도 향상에 기여하고, 또한 강판의 강도를 확보하기 위해, 필요에 따라 함유시킬 수 있다. 이 효과를 얻기 위해서는, Cu의 함유량은 0.1％ 이상으로 한다. Cu의 함유량이 지나치게 많으면, 강도－연성의 밸런스가 열화되므로, Cu의 함유량의 상한은 2％로 한다. 바람직하게는, 0.6％ 이하이다.

[Ni:0.05 내지 1％]

Ni은, 페라이트의 고용 강화에 청, 강판의 강도를 확보하기 위해, 필요에 따라 함유시킬 수 있다. 이 효과를 얻기 위해서는, Ni의 함유량을 0.05％ 이상으로 한다. Ni의 함유량이 지나치게 많으면, 강도－연성의 밸런스가 열화되므로, Ni의 함유량은 1％ 이하로 한다. 바람직하게는, 0.3％ 이하이다.

[Cr:0.01 내지 1％]

Cr은, 강판의 강도를 확보하기 위해, 필요에 따라 첨가한다. 이 효과를 얻기 위해서는, Cr의 함유량을 0.01％ 이상으로 한다. Cr의 함유량이 많아지면, 강도－연성 밸런스가 열화되므로, Cr의 함유량은 1％ 이하로 한다. 바람직하게는, 0.5％이다.

[Zr:0.001 내지 0.01％]

Zr은, 황화물을 구상화하여, 모재의 인성을 개선한다. 이 효과를 얻기 위해서는, Zr의 함유량을 0.001％ 이상으로 한다. Zr의 함유량이 많아지면, 강의 청정성을 손상시키고, 연성이 열화되므로, Zr의 함유량은 0.01％ 이하로 한다.

이상 설명한 것 이외의 잔부는, 철, 및 불가피적 불순물이다. 불가피적 불순물이라 함은, 원재료에 포함되거나, 혹은 제조의 과정에서 혼입되는 성분이고, 의도적으로 강에 함유시킨 것이 아닌 성분을 말한다.

구체적으로는, P, S, O, N, Sb, Sn, W, Co, As, Mg, Pb, Bi, 및 H를 들 수 있다. 이 중, P, S, O, 및 N는, 상술한 바와 같이, 각각, P:0.03％ 이하, S:0.0015％ 이하, O:0.002％ 이하, N:0.005％ 이하가 되도록 제어할 필요가 있다.

그 밖의 원소에 대해서는, 통상, Sb, Sn, W, Co, 및 As는 0.1％ 이하, Mg, Pb 및 Bi는 0.005％ 이하, H는 0.0005％ 이하의 불가피적 불순물로서의 혼입이 있을 수 있지만, 통상의 범위라면, 특별히 제어할 필요는 없다.

또한, 본 발명의 강관에 있어서의 선택 필수, 혹은 임의의 첨가 원소인, Nb, V, Mo, B, Cu, Ni, Cr 및 Zr도, 함유를 의도하지 않아도 불가피적 불순물로서 혼입하는 경우가 있을 수 있지만, 상술한 의도적으로 함유시키는 경우의 함유량의 상한 이하이면, 하한 미만이었다고 해도 본 발명의 전봉 강관에 악영향을 미치는 것이 아니므로, 문제는 없다.

또한, 본 발명에서는, Ca, O, S, Ce, La, Al의 함유량이 하기 식 (1)을 만족시킬 필요가 있다.

는, O나 S을 Ca, Ce, La으로 개재물로서 트랩하는 능력을 나타낸다. 계수의 0.285는 Ca과 Ce 혹은 La의 원자량비 Ca/La＝0.289, Ca/Ce＝0.286에 가까운 수치로, 상기 식을 계산하기 쉽게 하기 위해 취한 것이다. 또한,

는 CaOAl₂O₃의 조성비이고, 개재물의 융점의 정도를 의미한다. 이 양자의 곱인 XCASO값이 작을 때에는, 포획되지 않는 개재물 생성 원소가 저온에서 석출되고, 융점이 낮으면, 그 개재물이 연신되기 쉬워지는 것을 나타낸다.

상기 식 (1)의 XCASO를 78 초과로 함으로써, 도 3에 도시한 바와 같이, 강편을 압연하여 전봉 용접했을 때, 전봉 용접부에 존재하는 개재물의 긴 직경/짧은 직경(＝애스펙트비)을 2.5 이하로 억제할 수 있다. 그 결과, 후술하는 바와 같이, 전봉 용접부의 인성을, 많은 유저로부터 달성이 요구되는 레벨로 할 수 있다. 구체적으로는, 유정관에 적합한 성분 조성으로 했을 경우, 0℃에 있어서의 전봉 용접부의 인성을 40J 이상으로 할 수 있고, 라인 파이프에 적합한 성분 조성으로 했을 경우, －40℃에 있어서의 전봉 용접부의 인성을 100J 이상으로 할 수 있다.

즉, XCASO를 78 초과로 함으로써, 종래 전봉 용접부에서 문제로 되어 있던 「판상으로 변형된 mCaOㆍnAl₂O₃의 잔류 문제」를 해소하여, mCaOㆍnAl₂O₃의 잔류에 기인하는 전봉 용접부의 인성 저하를 회피할 수 있다.

도 3 내지 도 5로부터 용이하게 알 수 있는 바와 같이, XCASO가 78 미만에서는, 개재물의 긴 직경/짧은 직경이 2.5를 초과하고, 이 경우, 연신한 개재물에 의해 용접부의 샤르피 충격값(인성)이 목표값, 즉 유정관의 경우 40J 미만, 라인 파이프의 경우 100J 미만으로 저하된다. XCASO값이 78을 초과하면, 긴 직경/짧은 직경이 2.5 이하로 되고, 용접부의 샤르피 충격값이 개선된다.

긴 직경/짧은 직경비는, 무 부식의 연마 완료의 용접부 단면을 SEM으로 관찰한 개재물 중의 최대값이다. 구체적으로는, SEM에는 JEOL사제 JSM－7001을, EDS에는 동일 EX－64175JMU를, 그리고 해석 소프트에는 동일 Analysis Station(Ver. JED－2200)의 입자 해석을 사용하여, 1000배의 화상 중의 원 상당 직경 0.5nm 이상, 100㎛ 이하(1000배의 시야 내의 최대값)로 판정된 영역을 개재물로 정의하였다. 이 방법으로 판정된 개재물 수가 50개 이상으로 될 때까지, 관찰하는 부위를 증가시켰다. 평가하는 개재물 수가 많을수록 정밀도는 높아지지만, 과잉의 개수는 계측 시간의 용장이 되므로, 최대수는 100개로 하였다.

또한, O, S의 함유량이 0으로 되는 경우는 현실적으로는 없지만, 가령 O나 S의 함유량이 측정 한계를 하회하여 0으로 측정된 경우는, 식 (1)에서 O＝0 또는 S＝0이면 XCASO는 ∞로 되므로, XCASO>78을 만족시킨다고 판정한다.

유정관으로서 사용되는 전봉 강관은, 사용 환경의 가혹화가 진행되고 있고, 전술한 용접부 인성이 0℃에 있어서 40J 이상인 것에 더하여, 모재의 인장 강도가 860㎫ 이상, 0℃에 있어서의 모재 인성이 100J 이상인 것도 고강도 강관과 위치되기 위해서는 중요하다.

라인 파이프로서 사용되는 전봉 강관은, 전술한 용접부 인성이 －40℃에 있어서 100J 이상인 것에 더하여, 모재의 인장 강도가 500㎫ 이상, －40℃에 있어서의 모재 인성이 100J 이상인 것도 중요하다.

이하, 본 발명의 전봉 강관의 제조 방법을 설명한다. 용접부의 인성에 더하여, 상기의 모재 인장 강도, 인성을 만족시키기 위해서는, 열연 강판의 냉각 속도나 권취 온도를 이하에 설명하는 조건으로 하는 것이 바람직하다.

처음에 제강의 정련 공정에 있어서, Ce, La 및 Ca을 제외한 용강의 성분 조성을, 소정의 성분 조성으로 조정한다. 그 후, Ce 및 La 중 적어도 한쪽을 첨가하고, 그 후, Ca을 첨가한다. 이는, Ca을 먼저 첨가하면 개재물로서 mCaOㆍnAl₂O₃이 형성되고, 개재물로서, 소정의 긴 직경/짧은 직경의 비를 갖는 Ce이나 La을 포함하는 XCaAlOS을 미세하게 분산시킬 수 없게 되고, 그 결과, 전봉 용접부의 인성의 저하를 회피할 수 없게 되기 때문이다.

계속해서, 강편을 가열, 열간 압연하고, 권취하여, 열연 강판으로 한 후, 이 열연 강판을 관 형상으로 성형 가공함과 함께, 그 맞댐면을 전봉 용접함으로써 전봉 강관으로 한다. 전봉 강관의 진원도, 외경을 조정하므로, 냉간에서 사이징 해도 된다.

열간 압연 전의 가열 온도는, 탄화물을 충분히 고용시키고, 또한 결정립의 조대화를 방지하기 위해, 1000 내지 1280℃, 보다 바람직하게는 1050 내지 1250℃로 한다. 이로 인해, 강도를 충분히 확보할 수 있고, 필요한 항복비를 얻을 수 있다.

열간 압연의 압연 종료 온도는 750 내지 950℃의 범위로 하는 것이 바람직하고, 이 온도 범위에서 열간 압연을 행하는 것이 바람직하다. 압연 종료 온도가 지나치게 높으면, 결정립의 조대화에 의해 열연 강판의 인성이 저하될 우려가 있다. 그로 인해, 압연 종료 온도는 950℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 압연 종료 온도가 지나치게 낮으면 켄칭성이 낮아지므로, 압연 종료 온도는 750℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 열간 압연 후의 강판의 판 두께는 한정되는 것은 아니지만 4.5 내지 19㎜의 범위에 있어서 특히 유효하다. 유정관에 적용하는 경우, 7.5 내지 15㎜의 범위에 있어서 더욱 유효하다.

열간 압연 종료 후, 바람직하게는 15 내지 50℃/s의 냉각 속도로 가속 냉각을 행하고, 권취, 열연 강판으로 한다. 냉각 속도의 상하한은 생산성, 경제성으로부터 상기의 범위로 하는 것이 바람직하지만, 이에 제한되지 않는다. 냉각 속도는 강편 판 두께 중심에 있어서의 평균 속도로 하고, 각 온도는 강편의 평균 온도로서 전열 계산 등에 의해 구한다. 본 실시 형태에 있어서의 강판의 조직은 특별히 한정되지 않는다.

유정관에 적합한 860㎫ 이상의 인장 강도를 얻기 위해서는, 강을 저온에서 변태시키고, 권취에 의한 보열ㆍ템퍼링을 발생시키지 않기 위해, 권취 온도를 300℃ 이하로 하는 것이 바람직하다.

라인 파이프에 적합한 500 이상의 인장 강도를 얻기 위해서는, 권취에 의한 조대 입자화를 발생시키지 않으므로, 권취 온도를 650℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 강도가 지나치게 높으면 내사워성이 저하되므로, 권취 온도를 300℃ 초과로 하는 것이 바람직하다.

다음에, 얻어진 열연 강판을 관 형상으로 성형 가공함과 함께, 그 맞댐면을 전봉 용접하여 전봉 강관으로 한다. 열연 강판을 관 형상으로 성형 가공할 때는, 열연 강판을 연속적으로 오픈 파이프로 성형할 수 있으면 되고, 공지의 성형 방법을 적용할 수 있고, 특별히 성형 방법은 한정되지 않는다. 또한, 전봉 용접할 때에는, 용접 수단에 의해 오픈 파이프의 원주 방향 단부를 가열하고, 이 가열된 단부끼리를 맞대어 압착 접합한다. 용접 방법으로서는, 공지의 고주파 전류를 이용한 전기 저항 용접법이나 유도 가열 용접법을 모두 적용할 수 있고, 특별히 한정되지 않는다.

오픈 파이프의 원주 방향 단부끼리가 용접된 전봉 강관은, 계속해서, 비드 절삭에 의해 용접부에 형성된 비드를 절삭하고, 그 후에, 시임부를 고주파 열처리에 의해 오스테나이트 영역에 가열하는 것이 바람직하다. 시임부를 고주파 열처리에 의해 가열함으로써, 용접부의 경도를 제어할 수 있고, 용접부의 인성의 열화를 방지할 수 있다. 시임부를 가열한 후에는, 수냉 등에 의해 가속 냉각을 행해도 된다.

시임부를 가열한 후, 전봉 강관에 대해 냉간에서 사이징을 행해도 된다. 사이징이라 함은, 복수단의 사이징 롤을 사용하여 전봉 강관을 정경, 진원으로 마무리하는 공정이다. 제조된 전봉 강관은, 절단기로 소정의 길이로 절단된다.

제조 공정을 냉간에서 행함으로써, 가공 경화시킬 수 있고, 전봉 강관의 압?? 강도를 상승시킬 수 있다.

실시예

[실시예 1]

표 1, 2에 나타내는 조성이 되는 강을, 표 3에 나타내는 순서로 Ca, Ce, La을 첨가하여 용제 후, 연속 주조에 의해 강편으로 하고, 표 3에 나타내는 조건으로 열간 압연하여 두께 9.5㎜의 강판을 제조하고, 또한, 표 4의 조건으로 전봉 강관을 제조하였다. 표 1 중의 T.O는, 강 중에 고용한 O와 개재물 중의 O의 합계의 O량이다. 얻어진 전봉 강관으로부터, 모재 L 방향으로부터 전체 두께 인장 시험편을, 모재와 용접부의 C 방향으로부터 샤르피 충격 시험편(JIS Z 2202 V 노치 표준 치수)을 채취하였다. 채취한 시험편을 사용하여, 모재의 인장 강도와 인성을, 또한 용접부의 인성, 상기 용접 결함률 및 개재물의 긴 직경/짧은 직경을 측정하였다.

결과를 표 5에 나타낸다. 본 실시예에서는, 성분 조성, 권취 온도를 유정관에 적합한 범위로 하였으므로, 모재의 인장 강도가 860㎫ 이상, 0℃에 있어서의 모재 인성이 100J 이상, 0℃에 있어서의 용접부 인성이 40J 이상을 목표 특성으로 하였다.

용접 결함 면적률을 측정하기 위한 샤르피 충격 시험은 160℃에서 실시하였다. 용접부의 인성은, 개재물이나 조직뿐만 아니라, 용접 시에 발생하는 용접에 의해서도 영향을 받는다. 이 시험 온도에서는, 결함 부분은 취성 파면을, 결함이 없는 부분은 연성 파면을 나타낸다. 샤르피 시험 후의 파면을 실체 현미경으로 촬상하여, 개개의 취성 파면부의 면적을 화상 처리 소프트로 측정하고, n＝10의 샘플의 취성 파면부의 면적의 전체 파면부의 면적에 대한 비율의 평균값을 용접 결함 면적률로서 평가하였다. 용접 결함 면적률은, 0.05％ 이하인 것을 양호, 0.05％를 초과하는 것을 불량으로 하였다. 이 0.05％는, 모재인 강판 중의 개재물 레벨에서의 시험 결과에 상당하는 값이다.

강재 성분, 권취 온도가 유정관에 적합한 범위이고, 또한, XCASO가 78 초과이고, 또한, 정련 공정에 있어서의 투입순이, (Ca, Ce, La 이외)→(Ce 및 La)→Ca인 경우에, 모재의 인장 강도가 860㎫ 이상, 0℃에 있어서의 모재 인성이 100J 이상, 0℃에 있어서의 용접부 인성이 40J 이상인 강관이 얻어지는 것이 확인되었다.

[실시예 2]

표 6, 7에 나타내는 조성이 되는 강을 용제 후, 연속 주조에 의해 강편으로 하고, 표 8의 조건으로 열간 압연하여 두께 9.5㎜의 강판을 제조하고, 또한, 표 9의 조건으로 전봉 강관을 제조하였다. 얻어진 강관으로부터, 모재 L 방향으로부터 인장 시험편을, 모재와 용접부의 C 방향으로부터 샤르피 충격 시험편(JIS Z 2202 V 노치 표준 치수)을 채취하였다. 채취한 시험편을 사용하여, 모재의 인장 강도와 인성을, 또한, 용접부의 인성, 상기 용접 결함률 및 개재물의 긴 직경/짧은 직경을 측정하였다. 측정 방법은 실시예 1과 마찬가지이다.

결과를 표 10에 나타낸다. 본 실시예에서는, 성분 조성, 권취 온도를 라인 파이프에 적합한 범위로 하였으므로, 모재의 인장 강도가 500 내지 620㎫, －40℃에 있어서의 모재 인성이 100J 이상, －40℃에 있어서의 용접부 인성이 100J 이상을 목표 특성으로 하였다.

강재 성분, 권취 온도가 라인 파이프에 적합한 범위이고, 또한 XCASO가 78 초과이고, 또한 정련 공정에 있어서의 투입순이, (Ca, Ce, La 이외)→(Ce 및 La)→Ca인 경우에, 모재의 인장 강도가 500 내지 620㎫, －40℃에 있어서의 모재 인성이 100J 이상, －40℃에 있어서의 용접부 인성이 100J 이상의 강관이 얻어지는 것이 확인되었다.

11 : 강판
12 : 개재물(mCaOㆍnAl₂O₃)
21 : 강판
22 : 개재물(XCaAlOS)

Claims

전봉 강관의 모재를 구성하는 강판의 성분 조성이, 질량％로,
C : 0.03 내지 0.15％,
Si : 0.1 내지 0.3％,
Mn : 0.5 내지 2.0％,
Al : 0.01 내지 0.06％,
Ti : 0.011 내지 0.023％,
Ca : 0.001 내지 0.005％,
Ce 및 La의 1종 또는 2종의 합계 : 0.001 내지 0.005％,
P : 0.03％ 이하,
S : 0.0015％ 이하,
O : 0.002％ 이하, 및
N : 0.005％ 이하
를 함유하고,
Nb : 0.1％ 이하,
V : 0.1％ 이하,
Mo : 0.2％ 이하, 및
B : 0.002％ 이하
의 1종 또는 2종 이상을 더 함유하고, 잔부가 철 및 불가피적 불순물이고,
Ca, O, S, Ce, La, 및 Al의 함유량이, 식
[수학식 1]

을 만족시키고,
전봉 강관의 용접부에 있어서의 산화물계 개재물이, Ce 및 La의 1종 또는 2종을 함유하고,
상기 산화물계 개재물의 긴 직경/짧은 직경이 2.5 이하인 것을 특징으로 하는, 용접부 품질이 우수한 전봉 강관.
제1항에 있어서, 상기 강판의 성분 조성이, 질량％로,
Cu : 0.1 내지 2％,
Ni : 0.05 내지 1％,
Cr : 0.01 내지 1％, 및
Zr : 0.001 내지 0.01％
의 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 용접부 품질이 우수한 전봉 강관.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 모재의 인장 강도가 860㎫ 이상,
상기 모재의 0℃에 있어서의 인성이 100J 이상,
상기 전봉 강관의 용접부의 0℃에 있어서의 인성이 40J 이상인 것을 특징으로 하는, 용접부 품질이 우수한 전봉 강관.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 모재의 인장 강도가 500㎫ 이상 620㎫ 이하,
상기 모재의 －40℃에 있어서의 인성이 100J 이상,
상기 전봉 강관의 용접부의 －40℃에 있어서의 용접부 인성이 100J 이상인 것을 특징으로 하는, 용접부 품질이 우수한 전봉 강관.
제강의 정련 공정에 있어서, 용강의 성분 조성을, 질량％로,
C : 0.03 내지 0.15％,
Si : 0.1 내지 0.3％,
Mn : 0.5 내지 2.0％,
Al : 0.01 내지 0.06％,
Ti : 0.011 내지 0.023％,
P : 0.03％ 이하,
S : 0.0015％ 이하,
O : 0.002％ 이하, 및
N : 0.005％ 이하
를 함유하고,
Nb : 0.1％ 이하,
V : 0.1％ 이하,
Mo : 0.2％ 이하, 및
B : 0.002％ 이하
의 1종 또는 2종 이상을 더 함유하고, 잔부가 철 및 불가피적 불순물이 되도록 조정하고,
그 후, Ce 및 La의 1종 또는 2종을 용강에 첨가하여, Ce과 La의 합계의 함유량이 0.001 내지 0.005％가 되도록 조제하고,
그 후, Ca을 용강에 첨가하여, Ca의 함유량이 0.0010 내지 0.0050％가 되고, 또한, Ca, O, S, Ce, La, 및 Al의 함유량이, 식
[수학식 2]

을 만족시키도록 조정하고,
상기 용강으로부터 강편을 제조하고,
상기 강편을 열간 압연하여 열연 강판으로 하고,
상기 열연 강판을 권취하고,
권취된 열연 강판으로부터 전봉 강관을 제조하는 것을 특징으로 하는, 용접부 품질이 우수한 전봉 강관의 제조 방법.
제5항에 있어서, 상기 제강의 정련 공정에 있어서, Ce 및 La 중 1종 또는 2종을 용강에 첨가하기 전의 용강의 성분 조성이, 질량％로,
Cu : 0.1 내지 2％,
Ni : 0.05 내지 1％,
Cr : 0.01 내지 1％, 및
Zr : 0.001 내지 0.01％
의 1종 또는 2종 이상을 더 함유하도록 조제되는 것을 특징으로 하는, 용접부 품질이 우수한 전봉 강관의 제조 방법.