[논문]항복강도 600, 700, 800MPa급을 갖는 고강도 철근 및 내진철근의 개발

이상윤; 이형철; 박춘수; 우기만; 서영태

doi:10.22636/mkci.2010.22.5.28

문제 정의

80 wt.%Mn의 합금 성분계를 사용하여 열간압연 및 수냉 조건 조절을 통해 목표로 한 기계적 물성치를 만족하는 내진철근을 개발하고자 하였다. 600 MPa급 내진철근의 경우, 목표로 하는 항복강도 및 항복비를 달성하기 위해서는 템프코어 생산방식 보다는 열간압연 후 철근 표면층에 약한 수냉 처리를 하여 강도를 보상하는 방법을 적용하였다.
이 연구 개발은 철강 재료를 초대형 구조물에 적극적으로 활용할 수 있도록 고강도, 고기능 H형강 및 철근을 개발하여 실용화하는데 역점을 두었다. 연구기관으로 (사)한국콘크리트학회가 참여하여 고장력 철근 제품에 대한 적용성 연구를 수행하였다. 이 연구 사업을 통해 개발된 항복강도 600, 700, 800 MPa급 철근의 제조공정과 개발 내용 그리고 내진철근의 개발에 대해서 설명토록 하겠다.
이러한 수요자의 요구를 충족시키고 철강 제품의 기술 수준 향상 및 국민의 재산과 생명 보호를 위해 현대제철(주)과 동국제강(주)은 지식경제부의 지원 아래 산업원천기술개발사업인 ‘초고장력 H형강 및 철근 개발’ 사업을 2004년 9월 1일부터 2010년 2월 28일까지 5년 6개월간 수행하였다. 이 연구 개발은 철강 재료를 초대형 구조물에 적극적으로 활용할 수 있도록 고강도, 고기능 H형강 및 철근을 개발하여 실용화하는데 역점을 두었다. 연구기관으로 (사)한국콘크리트학회가 참여하여 고장력 철근 제품에 대한 적용성 연구를 수행하였다.
연구기관으로 (사)한국콘크리트학회가 참여하여 고장력 철근 제품에 대한 적용성 연구를 수행하였다. 이 연구 사업을 통해 개발된 항복강도 600, 700, 800 MPa급 철근의 제조공정과 개발 내용 그리고 내진철근의 개발에 대해서 설명토록 하겠다.
이러한 추세에 맞추어 본 연구팀은 한국 철강 기술의 선진성을 알리고, 토목·건축 기술의 미래화와 수요에 발맞추고자 항복강도 800 MPa급 초고강도 철근을 개발하기로 하였다.
이 강화기구를 자세히 검토해 보면 이들은 각각 독립적인 강화기구로 작용한다기보다는 서로 연관되어 작용하는 것을 알 수 있다¹¹⁾. 철강 재료를 강화시키는 이들 강화기구 및 방법들에 대하여 고강도 철근 제조와 연관 지어 간단히 살펴보겠다.

제안 방법

08 wt.% 첨가하여 시압연을 실시하였다.
%V를 기본으로 하였다. YS800C강종은 YS800B강종보다 탄소(C)와 바나듐(V)의 첨가량을 줄이고 망간(Mn)의 첨가량을 늘려 최적의 강도와 연성이 확보될 수 있는 개념으로 설계하였다. 이 세 강종은 압연공정 중 취성을 유발하는 비금속 개재물의 저하를 위해 제강공정에서 수소(H), 산소(O), 질소(N)의 성분량을 조절하였으며, 고순도의 청정강을 제조하기 위해 위 화학성분의 원소를 탈가스 처리하는 진공정련(VD, vacumm degassing) 공정을 추가적으로 거쳤다.
현재 시장에 공급되고 있는 철근 중 최고 강도인 항복강도 500 MPa급 강종의 합금성분계를, 열간압연 및 냉각 조건을 조절하여 기술개발의 목표치를 달성하는 것에는 한계가 있는 것으로 판단하였다. 그래서 항복강도 600, 700 MPa급의 철근을 개발하기 위해 결정립 미세화와 석출경화 효과가 있는 바나듐(V), 나이오븀(Nb)의 합금원소를 첨가하여 시생산하였다. 바나듐(V) 및 나이오븀(Nb) 첨가량에 따른 경도 및 강도의 변화를 시험한 결과, 바나듐(V)을 단독 첨가시킨 철근의 경도 및 강도는 바나듐(V), 나이오븀(Nb)을 복합 첨가시킨 철근의 강도보다 더 크게 나타났다.
본 연구를 통해 개발된 항복강도 400, 500, 600 MPa급 내진 철근 D10, D19, D32 규격의 기계적 특성을 에 나타내었다.
본 연구에서는 항복강도 600 MPa급의 D10, 13, 22 규격과 항복강도 700 MPa급의 D10, 13, 16, 22, 25 규격의 고강도 철근을 생산하였으며, 에 기계적 특성을 나타내었다.
상기에서 서술한 합금설계안을 토대로 항복강도 600, 700 MPa급을 갖는 철근을 시생산하였다. 한국기술표준규정(KS)에서 표기되어 있는 항복강도별 강종 표기로 위의 강도를 갖는 철근은 SD600 및 SD700으로 명명하였다.
압연공정은 일정한 형상을 갖고 있는 2개의 롤(roll)사이에 빌렛을 진입시켜 단계별로 단면을 축소시키는 공정이다. 소비자가 원하는 치수의 제품을 제조하는 동시에 압연속도, 온도 등을 제어하여 건전한 미세조직을 확보하는 방법으로 후속의 냉각공정과 함께 상호 보완적인 작업조건에 의하여 용도에 맞는 강종 특성을 확보하게 된다. 압연공정을 세밀하게 나누면 조압연(roughing mill), 중간압연(intermediate mill), 사상압연(finishing mill)으로 구성되며, 각 압연 단계의 역할은 다음과 같다.
이 세 강종은 압연공정 중 취성을 유발하는 비금속 개재물의 저하를 위해 제강공정에서 수소(H), 산소(O), 질소(N)의 성분량을 조절하였으며, 고순도의 청정강을 제조하기 위해 위 화학성분의 원소를 탈가스 처리하는 진공정련(VD, vacumm degassing) 공정을 추가적으로 거쳤다. 연주공정에서 생산된 200 mm 빌렛은 조압연에서 133 mm 빌렛으로 압연하였으며, 이후 133 mm 빌렛을 열간압연 및 냉각조건을 조절하여 규격 D10, D13, D16의 철근으로 시생산하였다.
항복강도 600 MPa급 철근의 미세조직 및 경도 분포를 <그림 8>에 나타내었다. 위의 두 강종과는 다른 열간압연 조건으로 시생산하였으며, 수냉을 하지 않거나 조건을 매우 완화시켜 항복비 상한을 맞추는 조업 조건으로 시생산 하였다. D19의 경우, 표면층과 중심층은 모두 동일하게 페라이트-펄라이트 조직으로 구성되어 있으며, 중심층의 페라이트 결정립 크기는 평균 12.
%Mo을 기본으로 설계하였다. 크롬(Cr)과 몰리브덴(Mo)의 첨가는 철근의 기지조직 강화 및 표면층에 경화능을 강화시켜 강도 향상을 기대하였으며 냉각 중 템퍼링되는 철근 표면층의 취성(tempering embrittlement)에 대한 저항성 및 부식 저항성이 향상될 것으로 기대되어 설계하였다. 두 번째 강종인 YS800B의 화학성분은 0.
%V를 기본으로 설계하였다. 탄소(C)와 망간(Mn)은 철강재료의 강도를 높이는데 가장 효과적인 합금원소로 그 첨가량을 상향시켰으며, 바나듐(V)의 첨가는 탄소(C)와 기존 제강공정 중 첨가된 질소(N)의 화학적 결합을 통해 바나듐 탄질화물(VC, VN) 입자를 석출시키는 석출경화 효과를 기대하였다. 마지막으로 YS800C 강종의 화학성분은 0.
항복강도 400, 500 600 MPa급을 지닌 내진철근 개발을 위해 항복비 상한, 항복강도 상/하한 규정 및 탄소 당량 상한치를 고려하여 합금설계를 하였으며, 열간압연 후 수냉 처리를 통해 원가절감형으로 개발하는 것을 기본으로 하였다. 400, 500 MPa급 내진철근의 경우, 0.
항복강도 800 MPa급 강도를 얻기 위해 세 가지 종류의 강종을 합금설계 하였으며, 실제 산업현장인 제강 및 압연공장에서 시생산을 거쳐 기계적 특성을 측정하였다. 합금설계된 강종들의 명칭은 YS800A, YS800B, YS800C로 명명하였으며, 세 강종의 합금설계된 목적은 다음과 같다.

대상 데이터

개발 강종의 연성을 엄격하게 평가하기 위해 한국기술표준규정(KS)에서 제시한 90°보다 더 가혹한 조건인 180°에서 굽힘 시험을 실시한 결과, <그림 4>에서 나타낸 바와 같이 시험 중 파단이 되거나 표면에 결함이 발생하는 등의 품질 불량이 발생하지 않았다. 개발된 강종은 2007년 9월에 한국기술표준(KS D3504)에 새 강종으로 등재하였다.
이러한 수요자의 요구를 충족시키고 철강 제품의 기술 수준 향상 및 국민의 재산과 생명 보호를 위해 현대제철(주)과 동국제강(주)은 지식경제부의 지원 아래 산업원천기술개발사업인 ‘초고장력 H형강 및 철근 개발’ 사업을 2004년 9월 1일부터 2010년 2월 28일까지 5년 6개월간 수행하였다.

성능/효과

YS800A, YS800C 강종에서는 D10 규격에서 항복강도 800 MPa 이상의 값을 나타내었고, 이보다 직경이 큰 규격에서는 항복강도 657 ∼ 745 MPa 사이의 값을 보였다.
YS800B 강종의 표면층 또한 마르텐사이트 조직이 관찰되었으며, 중심층은 등축정 형태를 갖는 페라이트 입자와 펄라이트 조직이 관찰되었고, 중심층 페라이트 결정립 크기는 평균 5μm크기이며, 표면층은 두께 0.8 mm를 갖는 경화층이 형성되었다.
항복강도 400, 500 MPa급 규격 D19 내진철근의 미세조직 및 경도 측정 결과를 <그림 7>에 나타내었다. 고강도 철근인 SD600 및 SD700강종의 결과와 마찬가지로 열간압연 후 수냉에 의해 표면층이 급랭되어 마르텐사이트로 변태되고 중심층은 페라이트로 상변태를 일으켰으며, 이때 철근의 중심에서 표면으로 빠져나가는 열로 인해 외부의 마르텐사이트는 템퍼링되어 표면 경화층(Core 1 영역)이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 중심층은 페라이트-펄라이트 조직으로 형성되었다.
고강도 철근을 개발하기 위해 바나듐(V) 및 나이오븀(Nb)의 합금원소 첨가를 고려한 것은 이 두 원소가 열간압연 시 금속의 상변태 온도를 지연시켜 미세한 페라이트 결정립을 생성시키는 역할을 기대하였기 때문이다. 그 첨가 목적에 맞게 두 원소를 단독 또는 복합 첨가한 결과, 두 원소의 복합 첨가보다는 바나듐(V)을 단독 첨가한 경우가 결정립 미세화 및 석출경화 효과가 더 크게 나타났으며, 따라서 철근의 강도 향상에는 바나듐(V) 단독 첨가가 긍정적인 것을 알 수 있었다.
YS800A, YS800C 강종에서는 D10 규격에서 항복강도 800 MPa 이상의 값을 나타내었고, 이보다 직경이 큰 규격에서는 항복강도 657 ∼ 745 MPa 사이의 값을 보였다. 두 강종의 D13, D16 규격에서 기술 개발 목표인 800 MPa급의 항복강도가 실현되진 않았지만 600, 700 MPa급의 고강도를 보였으며, 굽힘시험 시 균열이 발생하지 않아 충분한 연성도 가지고 있는 것을 확인하였다. 세 강종의 시험 결과, 공통적으로 압연공정과 수냉 처리 조건이 가혹할수록 항복강도의 상승이 이루어졌으며 세 강종 중 경화층 두께가 클수록 그리고 결정립 크기가 작고 형상이 등축정에 가까울수록 강도향상과 연성측면에서 개발 목표치 달성에 유리한 것을 확인할 수 있었다.
이렇게 형성된 경화층은 철근 강도에 직접적인 영향을 미치며, 경화층 두께 또는 면적비 제어를 통해 항복강도 및 항복비를 제어할 수 있다. 두 강종의 철근 단면에서 지름방향의 경도분포 측정 결과, 표면의 경도가 높으며 중심부는 상대적으로 경도가 낮은 L자형 곡선으로 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. 자세히 살펴보면 항복강도 400 MPa급의 경우, 표면 경화층의 경도는 약 300 Hv 정도이며, 중심층의 페라이트-펄라이트 영역은 약 200 Hv 정도로 나타났다.
철근의 단면을 관찰한 결과, 두 강종은 열간압연 후 수냉에 의해 철근의 표면층이 먼저 급랭되어 마르텐사이트로 상변태되었으며, 중심은 페라이트-펄라이트 조직으로 형성된 것이 관찰되었다. 또한 표면의 마르텐사이트 조직은 중심층에서 표면층으로 빠져나가는 복열로 인해 템퍼링되는(Core 1 영역) 전형적인 템프코어 철근의 조직을 갖는 것으로 확인되었다. 이렇게 형성된 표면의 경한 마르텐사이트는 일정 두께의 띠로 형성되어 있음을 볼 수 있다.
또한, 중심층의 미세조직은 페라이트 결정립 크기가 작아져 평균 7μm크기의 결정립 크기를 갖는 것으로 확인되었으며, 단면을 절단하여 관찰한 결과, 합금설계된 의도대로 표면층에 두께 2.3 mm를 갖는 경화층이 형성되었다.
세 강종의 시험 결과, 공통적으로 압연공정과 수냉 처리 조건이 가혹할수록 항복강도의 상승이 이루어졌으며 세 강종 중 경화층 두께가 클수록 그리고 결정립 크기가 작고 형상이 등축정에 가까울수록 강도향상과 연성측면에서 개발 목표치 달성에 유리한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 항복강도 800 MPa급 철근의 합금설계 시 바나듐(V) 합금원소의 첨가가 이롭다는 것이 시험결과를 통해 확인되었다. 장기간에 걸친 한결같은 연구진의 노력은 항복강도 800 MPa급 초고강도 철근을 개발하였다는 성과로 이어졌다.
세 강종 모두 기계적 특성 목표치를 모두 만족하였으며, 과 에 나타낸 바와 같이 180° 굽힘시험 시 철근 표면부에 균열이 관찰되지 않고 양호한 외관을 보여주었다.
두 강종의 D13, D16 규격에서 기술 개발 목표인 800 MPa급의 항복강도가 실현되진 않았지만 600, 700 MPa급의 고강도를 보였으며, 굽힘시험 시 균열이 발생하지 않아 충분한 연성도 가지고 있는 것을 확인하였다. 세 강종의 시험 결과, 공통적으로 압연공정과 수냉 처리 조건이 가혹할수록 항복강도의 상승이 이루어졌으며 세 강종 중 경화층 두께가 클수록 그리고 결정립 크기가 작고 형상이 등축정에 가까울수록 강도향상과 연성측면에서 개발 목표치 달성에 유리한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 항복강도 800 MPa급 철근의 합금설계 시 바나듐(V) 합금원소의 첨가가 이롭다는 것이 시험결과를 통해 확인되었다.
중심층은 페라이트-펄라이트 조직으로 형성되었다. 철근 단면을 보면 표면층에 일정 두께의 띠가 형성되어 있음을 볼 수 있으며, 항복강도 400 MPa급 철근의 경우, 경화층의 두께는 1 mm, 항복강도 500 MPa급의 경우 1.3 mm로 나타났다. 이는 수냉조건 조절을 통한 냉각효과 차이에 기인한 것이다.
두 강종의 규격 D22의 미세조직 및 경도 측정한 결과를 <그림 4>에 나타내었다. 철근의 단면을 관찰한 결과, 두 강종은 열간압연 후 수냉에 의해 철근의 표면층이 먼저 급랭되어 마르텐사이트로 상변태되었으며, 중심은 페라이트-펄라이트 조직으로 형성된 것이 관찰되었다. 또한 표면의 마르텐사이트 조직은 중심층에서 표면층으로 빠져나가는 복열로 인해 템퍼링되는(Core 1 영역) 전형적인 템프코어 철근의 조직을 갖는 것으로 확인되었다.
이 공정을 적용함에 있어 크게 세 가지의 장점이 있다^{5 ∼ 7)}. 첫째, 냉각수량 및 냉각속도를 적절히 적용하여 항복강도 및 인장강도의 증가를 이끌 수 있으며, 두 번째로는 고강도를 유지하면서 탄소 당량(Ceq)이 낮아 좋은 용접성능을 얻을 수 있다. 마지막으로 추가적인 합금성분 첨가 없이도 고기능의 철근을 제조할 수 있어 원가절감 측면에서 경제적인 공정이다.
페라이트 결정립 크기는 평균 6μm로 관찰되었으며 표면의 경화층은 1.2 mm의 두께를 형성한 것으로 확인되었다.

후속연구

특히, 콘크리트 구조물에 사용되는 철근의 고강도화로 이와 관련된 구조설계 기준의 변화에도 상당한 영향을 미칠 것으로 예상되는 바, 개발된 고강도 철근 제품이 실제 토목·건축 구조물에 적용 가능하도록 각 부재단위의 안전성과 사용성을 충족하는 성능기준에 대한 방안 마련이 필요하다.
항복강도 600, 700, 800 MPa급 고강도 철근과 내진철근 개발을 통해 국내·외 철강제품별 기술적 격차를 줄이고 전체적인 철강 제조 기술수준을 끌어 올리게 됨으로써 토목·건축 구조물에 적용을 크게 확대할 수 있을 것으로 예상된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철근 제조공정은 어떻게 구성되는가?	철근 제조공정은 크게 전기로 → LF 정련 → 연속주조 → 가열로 → 열간압연 → 수냉설비 → 절단 → 결속 및 출하의 공정으로<그림 1>에 나타낸 바와 같이 구성되어 있으며 각각의 공정에 대해 설명하겠다.
	압연공정에서 압연기에 설치된 슬릿(slit)이라 불리우는 압연 설비에 의해 빌렛이 2 ∼ 4개로 갈라지게 되는 이유는 무엇인가?	일반 철강재의 압연공정과 다르게 특이할 만한 사항은 압연기에 설치된 슬릿(slit)이라 불리우는 압연 설비에 의해 빌렛이 2 ∼ 4개로 갈라지게 된다. 이것은 한 개의 빌렛에서 동일 규격의 제품이 생산될 시 압연에 의해 철근 제품의 길이가 너무 길어져 한정된 냉각상 공간에 철근을 수용할 수 없기 때문이다. 또한 하나의 빌렛에서 최대 네 개의 철근을 동시에 압연할 수 있어 생산 효율성 향상에 큰 도움을 준다.
	전기로는 무엇인가?	전기로는 전기를 이용하여 강을 제조하는 노(Furnace)로써 전기 양도체인 전극에 전류를 통하여 주원료인 철스크랩 사이에 발생하는 아크(arc)열에 의하여 철스크랩을 용해하는 일차 정련을 한다1). 이러한 아크로는 고온에서 쉽게 얻어지고 온도의 조절이 자유롭고 정확하며, 노내 분위기를 산화성 및 환원성으로도 할 수 있다.

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