JP4123672B2

JP4123672B2 - 靱性に優れた高強度継目無鋼管の製造方法

Info

Publication number: JP4123672B2
Application number: JP2000056461A
Authority: JP
Inventors: 大迫　　一
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-03-01
Filing date: 2000-03-01
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2020-03-01
Also published as: JP2001240913A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強度と靱性に優れた継目無鋼管の製造方法に関し、さらに詳しくは、化学組成を限定した鋼材を素材として製管するに際し、オンラインプロセスによる加工熱処理を採用して、仕上圧延に引き続く再加熱炉の装入前における鋼管温度を調整することによって、高価な合金鋼を添加することなしに、靱性に優れた高強度継目無鋼管を製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
継目無鋼管の製造に多用されているマンネスマン・マンドレルミル製管法では、高温に加熱されたビレットを穿孔圧延機（ピアサー）で穿孔した後、マンドレルミルで圧延して中空素管とし、再び加熱、昇温した後、ストレッチレデューサで所定の寸法の鋼管に仕上げ、引き続いて再加熱炉に装入して再加熱した後、次いで焼入れ・焼戻し処理して、その後は製品鋼管として精整処理される。
【０００３】
このように多くの加工設備や熱処理装置を必要とする継目無鋼管の製造分野では、省エネルギーや省プロセスの観点から、オンラインでの加工熱処理を適用した製造プロセスの簡素化が検討されている。特に、熱間加工された後に素材が保有する熱を有効利用することに着目して、仕上圧延後に直ちにオーステナイト温度まで再加熱し、直接焼入するプロセスが導入されており、それによって大幅な省エネルギーと製造プロセスの効率化が図れ、工業的に大きなコストダウンが得られるようになっている。
【０００４】
ところで、仕上圧延後に直接焼入するオンラインプロセスを採用するようになると、製造された製品鋼管の結晶粒径が粗大となり易く、靱性および耐食性が低下するという問題が生じている。このような問題に対応するため、従来から、直接焼入するプロセスを採用する場合であっても、仕上圧延された鋼管の結晶粒を微細にすることができる、種々の製造方法が提案されている。
【０００５】
例えば、特開昭63−96215号公報で提案される製造方法では、結晶粒の微細化を図るため、マンドレルミル圧延後に素管を350℃以下に急冷して、そののち素管を再び加熱して仕上圧延を実施することとしている。すなわち、仕上圧延の前に、マンドレルミル圧延された中空素管に急速冷却と再加熱とを組み合わせることによって、仕上圧延された鋼管の結晶粒を微細にしようとする方法である。
【０００６】
しかしながら、提案された製造方法を操業プロセスに適用しようとすると、穿孔圧延、マンドレルミル圧延から仕上圧延までの工程が複雑になるとともに、エネルギー消費が大きく、強制冷却設備等の投資も必要となる。このため、オンラインプロセスによる加工熱処理を採用しても、省エネルギーや省プロセスが不充分となり、大幅な製造コスト削減が望めないという問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述の通り、従来のオンラインプロセスによる加工熱処理では、仕上圧延前に強制冷却と再加熱とを組み合わせて実施することによって、製品鋼管として必要な靱性、耐食性を確保していた。このため、エネルギー消費が大きく、強制設備等の投資も必要となり、継目無鋼管の効率生産の面からは充分な対策になり得ていない。
【０００８】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、素材となる鋼材の化学組成を限定し、仕上圧延に引き続く再加熱炉の装入前での鋼管温度を調整することによって、高価な合金鋼を添加することなしに、靱性に優れた高強度継目無鋼管の製造方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述の課題を解決するため、種々の化学組成の鋼材を対象として、数多くの研究を重ねた結果、オンライン熱処理を採用した製造プロセスであっても、仕上圧延後から再加熱炉装入までの時間を調整することによって、結晶粒の微細化が得られ、通常のオフライン熱処理と同様の性能を持った継目無鋼管が製造できることを知見した。また、上記の時間調整は、仕上圧延後から再加熱炉装入までの搬送コンベヤーや搬送用トレイの動作速度を変化させる程度で可能であることを明らかにした。
【００１０】
本発明は、このような知見に基づいて完成されたものであり、下記の（１）〜（３）の靱性に優れた高強度継目無鋼管の製造方法を要旨としている。
（１）質量％で、Ｃ：０．０４〜０．５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｃｒ：０．１〜１．５％、Ｍｏ：０．０１〜１．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００３％以下およびＡｌ：０．００５〜０．５％を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼材を素材として、穿孔後仕上圧延を行い、引き続いて空冷により再加熱炉への装入温度をＡｃ₁−１００℃以下で８５０〜１０００℃の温度条件で保持して再加熱を行い、その後直ちに焼入れを行うことを特徴とする靱性に優れた高強度継目無鋼管の製造方法である。
（２）上記（１）の鋼材に、さらに質量％で、Ｔｉ：０〜０．５％、Ｎｂ：０〜０．１％、Ｂ：０〜０．０１％、Ｖ：０〜０．１５％、Ｃｕ：０〜１．０％、Ｎｉ：０〜１．０％およびＣａ：０〜０．００４％を含有するのが望ましい。
（３）上記（１）、（２）の製造方法では、再加熱炉への装入温度は、仕上圧延後に測定された鋼管の圧延仕上温度に基づいて、搬送コンベア速度および／またはトレイ動作速度を変化させて、圧延後から再加熱炉装入までの時間を調整するようにするのが望ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明において、鋼材の化学組成および製造方法を上記のように限定した理由を説明する。まず、鋼材に高強度および高靱性の特性を具備させるのに有効な化学組成について説明する。ここで化学組成％は、質量％を示す。
１．鋼材の化学組成
Ｃ：0.04〜0.5％
Ｃは、鋼材の焼入れ性を高め、強度を向上させるために必要な元素である。含有量が0.04％未満では、焼入れ性が不足して高強度が得られない。一方、0.5％を超えて含有させると、焼き割れ、遅れ破壊が発生し易くなり、継日無鋼管の安定製造が困難になる。このため、Ｃ含有量は、0.04〜0.5％とする。
【００１２】
Si：0.1〜1.0％
Siは、鋼の脱酸元素として有効な元素であると同時に、鋼材の強度を向上する作用がある。脱酸元素としての効果を発揮するには、0.1％以上の含有が必要であが、1.0％を超えて含有した場合には、靱性の劣化が見られる。このため、Si含有量は、0.1〜1.0％とする。
【００１３】
Mn：0.2〜1.5％
Mnは、鋼の脱酸、脱硫作用を発揮するが、この作用を発揮させるためには0.2％以上の含有が必要である。一方、含有量が1.5％を超えると靱性の劣化が見られる。このため、Mn含有量は、0.2〜1.5％とする。
【００１４】
Cr：0.1〜1.5％
Crは、焼入れ性を向上させると同時に、強度を増加させるので有効な元素である。しかし、その含有量が0.1％未満ではこれらの効果が得られず、また、1.5％を超えると靱性が劣化する。このため、Cr含有量は、0.1〜1.5％とする。
【００１５】
Mo：0.01〜1.0％
Moは、鋼材の焼入れ性を向上させるとともに、焼戻し軟化抵抗を高める作用を発揮する。これらの作用を発揮させるためには、0.01％以上の含有が必要であり、一方、1.0％を超えて含有させると、靱性が劣化する。そのため、Mo含有量は、0.01〜1.0％とする。
【００１６】
Ｐ：0.03％以下
Ｐは、不純物として鋼中に不可避的に存在する。含有量が0.03％を超えると、粒界に偏析して靱性を低下させるので、その含有は0.03％以下とする。
【００１７】
Ｓ：0.003％以下
Ｓは、不純物として鋼中に不可避的に存在する。過剰に含有すると、鋼中に介在物として存在して靱性を劣化させるため、その含有は0.003％以下とする。
【００１８】
Al：0.005〜0.5％
Alは、鋼の脱酸材として有用な元素であるが、0.005％未満の含有ではその効果が得られず、一方、0.5％を超えて含有させると、介在物が多くなって靱性が低下する。このため、Al含有量は0.005〜0.5％とする。
【００１９】
Ti：０〜0.5％
Tiは、添加しなくてもよい。添加すると、鋼材の焼入れ性の確保に有効であり、さらに圧延された鋼管の細粒化に効果を発揮する。しかし、含有量が0.5％を超えると、靱性を低下させる。したがって、Tiを添加する場合には、その含有量は0.5％以下とする。
【００２０】
Nb：０〜0.1％
Nbは、添加しなくてもよい。添加すると、鋼材の焼入れ性の確保に有効であり、さらに圧延された鋼管の細粒化に有効である。しかし、含有量が0.1％を超えると、靱性を低下させる。したがって、Nbを添加する場合には、その含有量は0.1％以下とする。
【００２１】
Ｂ：０〜0.01％
Ｂは、添加しなくてもよい。添加すると、微量の含有であっても焼入れ性を向上させるので、より高強度が必要な場合に添加すると有効である。しかし、過剰の含有は、靱性を低下し、焼き割れ感受性を強くする。したがって、Ｂを添加する場合には、その含有量は0.01％以下とする。
【００２２】
Ｖ：０〜0.15％
Ｖは、添加しなくてもよい。添加すると、焼戻し軟化抵抗および焼入れ性を向上させる。しかし、0.15％を超えて含有させると、靱性を著しく低下させる。したがって、Ｖを添加する場合には、その含有量は0.15％以下とする。
【００２３】
Cu：０〜1.0％
Cuは、添加しなくてもよい。添加すると、鋼材の強度上昇および耐食性向上に有効である。そのため、必要に応じて添加されるが、1.0％以上超えて含有しても、コスト上昇に見合った性能の改善が見られない。したがって、Cuを添加する場合には、その含有量は1.0％以下とする。
【００２４】
Ni：０〜1.0％
Niは、添加しなくてもよい。添加すると、鋼材の強度上昇および耐食性向上に有効である。しかし、1.0％以上超えて含有しても、コスト上昇に見合った性能の改善が見られない。したがって、Niを添加する場合には、その含有量は1.0％以下とする。
【００２５】
Ｃａ：０〜０．００４％
Ｃａは、添加しなくてもよい。Ｃａは添加すると、脱硫効果が大きくなり、水素誘起割れ等の抑制に有効である。しかし、含有量が０．００４％を超えると、Ｃａ系介在物の生成を促し、清浄度の低下によって靱性を劣化させる。そのため、Ｃａを添加する場合には、その含有量は０．００４％以下とする。
２．製造方法
本発明の製造方法では、上記の化学組成を含有する鋼材を素材として、穿孔圧延を経て仕上圧延を行い、引き続いて空冷により再加熱炉への装入温度をＡｃ₁−１００℃以下になるように調整し、８５０〜１０００℃の温度条件で保持して再加熱を行い、その後直ちに焼入れを行うことを特徴としている。以下に、製造方法を上記のように限定した理由を説明する。
【００２６】
まず、仕上圧延に引き続く再加熱炉での装入温度をAc₁−100℃以下にするのは、仕上圧延終了時にオーステナイト相にあった鋼管を、空冷でAc₁−100℃以下まで冷却すると、冷却速度が遅いためフェライト相を析出する。この後、Ac₁−100℃以下の温度から再加熱炉内でAc₃点以上の温度に鋼管を加熱すると、フェライトからオーステナイトヘの逆変態が起こり、鋼管の結晶粒を微細にすることができるからである。このとき、再加熱炉での昇温時の時間短縮、および省エネルギ−の観点から、再加熱炉での装入温度はAc₁−100℃直下にするのが望ましい。
【００２７】
具体的に、オンラインプロセスによる加工熱処理において、再加熱炉での装入温度がAc₁−100℃以下になるように、圧延後から再加熱炉装入までの時間を調整するには、次の手順に従うのが望ましい。すなわち、穿孔圧延後、マンドレルミル圧延を経て仕上圧延によって鋼管を製管後、圧延仕上温度を測定し、その測定結果をフィードバックして、搬送コンベア速度、および／またはトレイ動作速度を変化させて、仕上圧延された鋼管が圧延終了〜再加熱炉装入まで搬送される時間を調整する。これにより、再加熱炉への装入温度がAc₁−100℃以下になるように調整できる。
【００２８】
通常、仕上圧延装置および再加熱炉の設備配置にもよるが、仕上圧延された鋼管の寸法、材質および仕上温度の条件から、標準搬送コンベア速度およびトレイ動作速度による再加熱炉での装入温度を予測する。この予測結果に基づいて、搬送コンベア速度等を調整し、鋼管の装入温度が規定条件を満足するようにする。
【００２９】
次に、再加熱を850〜1000℃の温度で保持するのは、再加熱炉の装入温度をAc₁−100℃以下に規定しているため、焼入れ開始温度を確保するために、850℃以上の再加熱が必要であり、一方、1000℃を超えて再加熱を行うと、結晶粒の成長が著しくなり、焼入れ後において靱性が確保できない恐れがあるからである。また、再加熱を上記の温度条件で保持することによって、再加熱炉内での鋼管毎の均熱性のみならず、長さ方向の均熱性も保てて、製品鋼管の強度および靱性の性能バラツキを抑制できる。
【００３０】
さらに、圧延時の加工歪みによる再結晶効果も期待できる。すなわち、再加熱を850〜1000℃の温度条件で保持することによって、圧延時の加工歪みによる再結晶が起こるので、再結晶が誘起され、更なる結晶粒の微細化が可能となる。これにより、一層優れた靱性、耐食性の特性が期待できる。
【００３１】
再加熱炉から抽出後、オーステナイト域から直ちに焼入れを実施することによって、高強度と高靱性を具備する鋼管を得ることができる。通常、焼入れ後には、焼戻し処理が行われ、製品鋼管の品質の安定が図られる。
【００３２】
【実施例】
本発明の継目無鋼管の製造方法の効果を確認するため、表１に示す化学組成からなる10種の素材鋼を準備した。
【００３３】
【表１】

準備した素材鋼を加熱炉に装入して、1250℃で２時間以上保持したのち、ピアサーを用いて穿孔圧延した後、マンドレルミル圧延を経て中空素管として、次いでストレッチレデュサーを用いて仕上圧延を行い、所定の仕上寸法の鋼管を製管した。その後、圧延仕上温度を測定し、測定結果に基づいてストレッチレデュサーの出側から再加熱炉の入側の間に設けられた搬送コンベヤー速度を調整して、再加熱炉への装入温度を475℃〜869℃と変動させた。その結果を表２に示す。
【００３４】
次に、表２に示す保持条件で再加熱した後、直接焼入れを施して、540℃〜580℃の条件で焼戻しを実施して、製品鋼管を製造した。さらに従来のオフラインプロセスによる焼入れ・焼戻し処理と比較するため、従来例として、オフラインで920℃焼入れＱおよび540℃〜580℃焼戻しＴを実施した。
【００３５】
焼入れままの鋼管からサンプルを採取し、旧オーステナイト結晶粒度を測定した。また焼戻し後の鋼管から試験片を切り出し、引張試験（ＹＳ、ＴＳ）およびシャルピー試験を行った。その結果を表２に示す。
【００３６】
【表２】

通常、油井管、ラインパイプ等に用いられる鋼管に要求される強度は、ＹＳで740Mpa以上であり、靱性はvTrsで-80℃以下であるとされる。したがって、表２の結果から明らかなように、本発明例１〜９では、いずれも本発明で規定する化学組成および製造条件を満足しているので、ASTM規格 E112 で測定のオーステナイト結晶粒は7.5以上と微細であり、さらに、高強度（ＹＳ≧740Mpa）および高靱性（vTrs≦-80℃）の特性も具備している。しかも、これらの性能は、オフライン焼入れ焼戻し処理した鋼（従来例20、21）と同等のものとなっている。
【００３７】
これに対し、比較例10〜12では、再加熱炉への装入温度、再加熱の保持温度のいずれかまたは両方が本発明で規定する範囲から外れることによって、特に、靱性の劣化が著しい。また、比較例13〜19では、本発明で規定する化学組成を具備しておらず、一部においてさらに再加熱条件も満足していないことから（比較例13〜15）、いずれも靱性の劣化が著しくなっている。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の継目無鋼管の製造方法によれば、仕上圧延後の再加熱から焼入れまでを連続したオンライン加工熱処理する場合であっても、再加熱炉の装入温度を管理することのよって、高価な合金鋼を添加することなしに、靱性に優れた高強度継目無鋼管を製造することができる。しかも、継目無鋼管の製造に際して、大幅な省エネルギーとプロセスの効率化が図れ、工業的に大きなコストダウンが可能になる。

Claims

質量％で、Ｃ：０．０４〜０．５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｃｒ：０．１〜１．５％、Ｍｏ：０．０１〜１．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００３％以下およびＡｌ：０．００５〜０．５％を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼材を素材として、穿孔後仕上圧延を行い、引き続いて空冷により再加熱炉への装入温度をＡｃ₁−１００℃以下で８５０〜１０００℃の温度条件で保持して再加熱を行い、その後直ちに焼入れを行うことを特徴とする靱性に優れた高強度継目無鋼管の製造方法。
請求項１の鋼材に、さらに質量％で、Ti：０〜0.5％、Nb：０〜0.1％、Ｂ：０〜0.01％、Ｖ：０〜0.15％、Cu：０〜1.0％、Ni：０〜1.0％およびCa：０〜0.004％を含有することを特徴とする靱性に優れた高強度継目無鋼管の製造方法。
再加熱炉への装入温度は、仕上圧延後に測定された鋼管の圧延仕上温度に基づいて、搬送コンベア速度および／またはトレイ動作速度を変化させて、仕上圧延後から再加熱炉装入までの時間を調整することを特徴とする請求項１または請求項２記載の靱性に優れた高強度継目無鋼管の製造方法。