JP3858611B2 - 汎用性に優れる継目無鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多品種の鋼管に振り当て可能な、汎用性に優れる継目無鋼管の製造方法に関し、さらに詳しくは、ＪＩＳで規定する配管用炭素鋼管（STPG、STS、STPT）、機械構造用炭素鋼鋼管（STKM）等の広い用途の鋼管に、仕上圧延ままで、新たに熱処理を施すことなく適用することができる継目無鋼管の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、いずれの用途に用いられる鋼管であっても、寸法精度と生産性の面で有利なことから、継目無鋼管を熱間圧延で製造する方法である、いわゆるマンネスマン製管法が広く採用されている。
【０００３】
このマンネスマン製管方法では、加熱炉で高温度に加熱された中実の素材ビレットを被圧延材とし、この素材ビレットを穿孔圧延機（いわゆる、ピアサー）に送給して、その軸心部を穿孔して中空素管を得る。次いで、得られた中空素管をマンドレルミルまたはプラグミルなどの後続する延伸圧延装置に送給して延伸圧延する。その後、再加熱炉で再加熱して、複数スタンドの絞り圧延機（ストレッチレデューサ）または定径圧延機（サイザー）で最終仕上げ圧延を実施し、形状修正およびサイジングを行う精整工程を経るとともに、常温まで冷却して製品となる継目無管を製造する。
【０００４】
通常、ＪＩＳで規定する配管用炭素鋼管（STPG、STS、STPT）や機械構造用炭素鋼鋼管（STKM）等に振り当てられる鋼管は、効率的生産の観点から、最終仕上げ圧延工程を終了したのち、再度熱処理を施されることはない。したがって、これらの鋼管は、最終仕上げ圧延後に冷却された圧延ままの状態で、製品に要求される引張強さ、降伏点（または耐力）および伸び等の機械的性質を満足しなければならず、さらに個別のユーザーから特別仕様を要求される場合には、これらを具備する必要もある。
【０００５】
上述の機械的性質や特別仕様は、一般的に、鋼管の製品サイズの影響を受けやすいものである。このため、従来では、圧延ままの状態で機械的性質等を満足させるため、製品サイズ毎に適用材質を変更する方法が採られていた。しかし、この方法では、製品サイズ毎、および材質毎をベースとした小ロットの製造で対応しなければならず、比較的多くの余剰鋼管が発生するという問題がある。
【０００６】
一方、多量の余剰鋼管の発生を回避するため、素材の適用材質を限定したとしても、全ての製品サイズで規定される機械的性質を満足するには、規定された成分範囲の上限の材質のもの、さらには合金元素を追加添加した材質のものも適用して製造しなければならない。このため、余剰鋼管の増加は抑制できるが、製造コストが高騰するという問題がある。
【０００７】
このような問題に対応するため、特開昭58−117832号公報では素材コストの低減が図れるように、規定された成分範囲の下限値の素材、すなわち、炭素当量で0.15〜0.45％の低合金鋼を最終圧延した鋼管を、オーステナイト域温度に再加熱して、急冷し焼き戻し熱処理を行う継目無鋼管の製造方法が提案されている。しかし、ここで提案された製造方法では、確かに規定された仕様を満足する継目無鋼管の製造は可能になるが、最終圧延後に新たに熱処理が必要になることから、トータルの製造コストの増大を促し、効率的生産の観点からは問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来のＪＩＳ等で規定される炭素鋼、低合金鋼の製造面で有する問題点に鑑みてなされたものであり、Ｃ、ＳｉおよびＭｎの含有量を規定する炭素鋼を対象として、最終圧延時の外径加工度Ｒｄ（％）を製品寸法および機械的性質との関係で制御することによって、多品種の鋼管に振り当て可能な、汎用性に優れる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】
本発明者らは、上記の課題を解決するため、素材の化学組成および製品の機械的性質との関係について種々検討を重ねた結果、ＪＩＳで規定する配管用炭素鋼管や機械構造用炭素鋼鋼管に適用される炭素鋼では、機械的性質のうち降伏応力Ｙｓ（Ｎ／ｍｍ²）と製品肉厚ＷＴ（ｍｍ）と最終仕上げ圧延機における外径加工度Ｒｄ（％）の間には一定の相関が有り、これらの相関は、さらに素材の化学組成と関連づけられることを知見した。
【００１０】
本発明は、上記知見に基づいて完成されたものであり、下記の継目無鋼管の製造方法を要旨としている。
【００１１】
すなわち、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．３５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％およびＭｎ：０．３〜１．５％を含有する素材ビレットを穿孔圧延および延伸圧延して、３ロール式１５〜２６スタンドのストレッチレデューサ、または２ロール若しくは３ロール式５〜１２スタンドのサイザーを用い、再加熱炉設定温度を９００〜１０５０℃とし、仕上げ温度を７００〜８７７℃として仕上げ圧延を行うに際し、前記最終仕上げ圧延機における外径加工度Ｒｄ（％）が７．５％以上で、下記（ａ）式を満足するように圧延したままの状態で、２１５Ｎ／ｍｍ ² 以上の降伏応力および優れた溶接性を具備することを特徴とする炭素鋼継目無鋼管の製造方法。
【００１２】
0.532 ≧ Ｃ（％）＋Si（％）/７＋Mn（％）/５
≧（Ys＋3.933×WT−0.201×Rd−174.202）/353.413 ・・・ （ａ）
ここで、Ｙｓ：製品の下限降伏応力（Ｎ／ｍｍ²）
ＷＴ：製品肉厚（ｍｍ）
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の継目無鋼管では、素材の化学組成、製品の下限降伏応力 Ys（Ｎ／mm^２）、製品肉厚 WT（mm）および最終仕上げ圧延機における外径加工度 Rd（％）の相関を明らかにしたことに特徴がある。以下、これらの関係を項分けして説明する。
１．素材の化学組成について
Ｃ：0.05〜0.35％
Ｃは鋼管の常温強度を確保するのに必須の元素であるが、含有量が0.05％未満では所定の強度が確保できず、一方、含有量が0.35％を超えると、鋼管の靭性および溶接性を劣化させる。このため、Ｃ含有量を0.05〜0.35％とした。
【００１４】
Si：0.1％〜1.0％
Siは脱酸元素として有効であり、溶解精錬の段階で添加され残存する元素である。所要の常温強度を確保するのに必須の元素であるが、含有量が多くなりすぎると、鋼管の靭性および溶接性を劣化させる。このため、Si含有量は0.1〜1.0％とした。
【００１５】
Mn：0.3〜1.5％
MnもＣと同様に常温強度を確保するのに必須の元素であるが、含有量が少なすぎると所定の強度が確保できず、一方、含有量が過剰になると、鋼管の靭性および溶接性を劣化させる。このため、Mn含有量は0.3〜1.5％とした。
【００１６】
上述の通り、素材に含有されるＣ、Si、Mnは、鋼管の強度、靱性および溶接性に及ぼす影響に基づいて、その範囲を規定している。通常、鋼管の強度、靱性および溶接性に及ぼす影響指数としてＣ当量が用いられるが、下記の(b)式によって算出される。
【００１７】
Ｃ当量 ＝ Ｃ(％)＋Si(％)/７＋Mn(％)/５ ・・・ (b)
本発明では、素材の化学組成に関してＣ、Mn、Siのみを規定するが、その他にＰ：0.0200％以下、Ｓ：0.0200％以下、Ni：0.20％以下、Mo：0.10％以下、Cr：0.10％以下、Ti：0.020％以下、Nb：0.010％以下、Ｖ：0.020％以下、sol.Al：0.050％以下等の元素のうち１種または２種以上を適宜含有することができる。
２．製品の下限降伏応力 Ys（Ｎ／mm^２）、製品肉厚 WT（mm）および最終仕上げ圧延機における外径加工度 Rd（％）の相関について
前述の通り、ＪＩＳで規定する配管用炭素鋼管、機械構造用炭素鋼鋼管では、要求される製品品質として、引張強さ、降伏点（または耐力）、伸び、さらにへん平性、曲げ性が規定されている。本発明者らの検討によれば、これらの品質特性のうち、下限降伏応力（Ｎ／mm^２）を具備させるようにすれば、自ずから他の特性も満足させることが可能であり、さらに配管用、機械構造用鋼管として必要な溶接性も確保できることを確認している。
【００１８】
図１は、下限降伏応力が STKM13A（STS370）相当の215Ｎ／mm^２を満足する場合での、最終仕上げ圧延機の外径加工度 Rd（％）と素材の化学組成との関係を、製品肉厚 WT（mm）をパラメータとして示した図である。縦軸は、素材鋼の化学組成をＣ当量（Ｃ％＋Mn％/５＋Si％/７）で表している。また、供試した鋼管の仕上寸法は、外径139.7mm×肉厚30.0mmおよび外径50.8mm×肉厚4.0mmとした。
【００１９】
同図から明らかなように、215Ｎ／mm^２以上の降伏応力を確保しようとすると、鋼管寸法が厚肉材（30.0mm）であるか、または薄肉材（4.0mm）であるかに拘わらず、最終仕上げ圧延機の外径加工度 Rd（％）を大きくすると、素材のＣ当量を低減することができる。これらのことから、素材のＣ当量、製品肉厚 WT（mm）および最終仕上げ圧延機の外径加工度 Rd（％）の間には一定の相関があることが分かる。
【００２０】
そこで、適用する素材の化学組成をＣ：0.05〜0.35％、Si：0.1〜1.0％、Mn：0.3〜1.5％を前提として、これらの関係を多重回帰分析した結果、下記(a)式を得ることができる。
【００２１】

上記(a)式の左辺は、素材のＣ当量を示している。一方、(a)式の右辺は、製品の下限降伏応力 Ys（Ｎ／mm^２）、製品肉厚 WT（mm）および最終仕上げ圧延機における外径加工度 Rd（％）の関連を表している。したがって、縦目無鋼管の製造において、最終圧延機の外径加工度 Rd、製品肉厚 WTおよび下限降伏応力 Ysの関係が上記(a)式を満足するような製造条件を採用することによって、ＪＩＳで規定する配管用炭素鋼管（STPG、STS、STPT）、機械構造用炭素鋼鋼管（STKM）等の広い用途に適用できる鋼管を製造することができる。
【００２２】
換言すれば、上述した本発明で規定した条件で製造された鋼管であれば、新たに熱処理を施すことなく、仕上圧延直後のものであっても、また仕掛り在庫のものであっても、所定用途の炭素鋼鋼管、または低合金鋼鋼管として振り当てることが可能となる。特に、個別ユーザーから特定成分の含有量を規定されている場合であっても、本発明の継目無鋼管を適用すれば、余剰鋼管の積み上げを抑制することができる。
【００２３】
本発明の継目無鋼管の製造設備例として、最終仕上げ圧延機は３ロール式15〜26スタンドのストレッチレデューサであり、または２ロール若しくは３ロール式５〜12スタンドのサイザーである。さらに、製管温度の例としては、再加熱炉設定温度を900〜1050℃とし、仕上げ温度を700〜950℃とする場合がある。
【００２４】
【実施例】
本発明の方法で製造された継目無鋼管の効果を確認するため、Ｃ、Si、Mnをそれぞれ含有する素材ビレットを準備した。この素材ビレットを加熱炉で1250℃に加熱後、ピアサーで穿孔して中空素管とし、引き続きマンドレルミルで延伸圧延して仕上げ圧延用素管を製造した。次に、仕上げ圧延用素管を1100℃に再加熱してからストレッチレヂューサを通して外径27.2mm×肉厚3.5mm、外径50.8mm×肉厚5.5mm、外径88.9mm×肉厚10.0mmおよび外径139.7mm×肉厚30.0mmの鋼管を製造した。
【００２５】
製造された鋼管から引張試験片を採取して機械的性質を測定するとともに、溶接試験を行い、溶接性の評価を実施した。素材ビレットの化学組成、鋼管の目標値、仕上圧延条件、機械的性質のうち降伏応力、および溶接性の評価結果を表１および表２に示す。
【００２６】
【表１】

【表２】

表１および表２に示す結果から、本発明で規定する条件のいずれも満足するNo.１〜３材、No.10〜13、No.22〜23およびNo.33材は、ストレッチレデューサで仕上圧延をしたままの状態であっても、製品として要求される降伏応力を満足し、優れた溶接性を発揮することが分かる。したがって、これらは、ＪＩＳで規定する配管用炭素鋼管（STPG、STS、STPT）、機械構造用炭素鋼鋼管（STKM）のいずれの用途の鋼管にも振り当てることができる。その他の供試材は、素材の化学組成、または前記(a)式の条件を具備しないため、降伏応力が不足であったり、溶接割れの発生があることからこれらに振り当てることができない。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の継目無鋼管およびその製造方法によれば、最終仕上げ圧延機における外径加工度 Rd（％）を、素材の化学組成、目標降伏応力および目標肉厚に応じてコントロールすることによって、仕上圧延後に新たに熱処理を施すことなく、多品種の鋼管に振る当てすることができる。これにより、製造コストの低減が図れ、一層の継目無鋼管の効率的な多品種少量生産が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】下限降伏応力が STKM13A（STS370）相当の215Ｎ／mm^２を満足する場合における、最終仕上げ圧延機の外径加工度 Rd（％）と素材の化学組成との関係を、製品肉厚 WT（mm）をパラメータとして示した図である。

Claims (1)

1. 質量％で、Ｃ：０．０５〜０．３５％、Ｓｉ：０．１〜１．０％およびＭｎ：０．３〜１．５％を含有する素材ビレットを穿孔圧延および延伸圧延して、３ロール式１５〜２６スタンドのストレッチレデューサ、または２ロール若しくは３ロール式５〜１２スタンドのサイザーを用い、再加熱炉設定温度を９００〜１０５０℃とし、仕上げ温度を７００〜８７７℃として仕上げ圧延を行うに際し、前記最終仕上げ圧延機における外径加工度Ｒｄ（％）が７．５％以上で、下記（ａ）式を満足するように圧延したままの状態で、２１５Ｎ／ｍｍ ² 以上の降伏応力および優れた溶接性を具備することを特徴とする炭素鋼継目無鋼管の製造方法。
   0.532 ≧ Ｃ（％）＋Si（％）/７＋Mn（％）/５
   ≧（Ys＋3.933×WT−0.201×Rd−174.202）/353.413 ・・・ （ａ）
   ここで、Ｙｓ：製品の下限降伏応力（Ｎ／ｍｍ²）
   ＷＴ：製品肉厚（ｍｍ）

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