JP3951481B2 - 鋼管の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼管の製造方法に関し、とくに帯鋼を連続的に通材しながらオープン管に成形し、これをその対向する両エッジ部を溶接または固相圧接により接合して素管となし、この素管を引き続き絞り圧延して所定サイズの製品管とする造管法において、接合部（シーム部）の硬化を抑制できる鋼管の製造方法に関する。
【０００２】
シーム部とは溶接または固相圧接の際にAc3 変態点以上に加熱された素管部分を指す。また、シーム部以外の素管部分を母材部という。
【０００３】
【従来の技術】
上記造管法にて製造される溶接鋼管ないし固相圧接鋼管は、その製造途上で、シーム部のみが、母材部に比較して著しく高温に加熱された後かなり大きい冷却速度で冷却されるという熱履歴を経る。そのため、鋼の成分系によってはシーム部にマルテンサイトやべイナイト（低温変態生成物と総称）が生成し、シーム部が母材部に比べて著しく硬化する結果、素管の絞り圧延中に偏肉が生じ、さらには、製品管の曲げ加工やバルジ加工などの２次加工時に、シーム部で割れが発生したり、シーム部のみが不均一に変形して加工精度が悪化する等の問題が生じる。
【０００４】
この問題への対応策として、（１）シーム部硬化の小さい低成分系の素材鋼を使用する、あるいは（２）造管後に誘導加熱もしくは通常の加熱炉を用いた熱処理により、母材部とシーム部を均質化することが図られている。また、（３）曲げ加工時にシーム部を曲げ変形の中立軸となる位置にセットすることも行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記（１）では素材鋼に大きな制限が加わることとなり、製品特性上の限界の一因となる。前記（２）では当然のことながら生産コストの上昇を招く結果となる。前記（３）では製品管加工時の手間が増える。
本発明は、これらの問題点に鑑み、オープン管エッジ部を接合して形成したシーム部の硬化を広範囲の成分系について抑制できる鋼管の製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記目的達成のために鋭意考究した結果、溶接工程ないしは固相圧接工程で必須に行われるアプセットによりシーム部に生じる増肉（ビード）を、通常は切削除去していることに代えて、これを圧延することにより、シーム部にフェライトを析出させて母材部との組織均一化を図り得ることに想到した。このいわゆるビード圧延は、従来のビード切削の代替工程となるから、工程の付加にはならず生産性を阻害しない。むしろ、ビード切削工具の焼付き等により制限されていた造管スピードを増速できるという効果も期待できる。
【０００７】
本発明は、この着想に基づきさらに検討を重ねて完成されたものである。
すなわち本発明は、帯鋼を連続的に通材しながらオープン管に成形し、その対向する両エッジ部を溶接または固相圧接により接合して素管となし、この素管を引き続き絞り圧延して所定サイズの製品管とする鋼管の製造方法において、溶接または固相圧接直後に、圧延温度750 〜950 ℃、圧下率15％以上でシーム部をビード圧延すること、および前記接合直後から前記ビード圧延開始までの間にシーム部を強制冷却することを特徴とする鋼管の製造方法である。
【０００８】
本発明では必要に応じて下記（Ａ）、（Ｂ）の各要件を付加することがそれぞれ好ましい。
（Ａ）前記ビード圧延の直後にシーム部を５〜50℃/sの冷却速度で加速冷却すること。
（Ｂ）前記帯鋼が、重量％で、Ｃ：0.01〜0.25％（0.05〜0.15％），Si：0.01〜1.0 ％，Mn：0.1 〜2.0 ％（0.3 〜1.0 ％），Ｐ：0.025 ％以下（0.010 ％以下），Ｓ：0.025 ％以下（0.010 ％以下），Al：0.005 〜0.10％を含有し、あるいはさらに、(i)Cu ：0.1 〜1.0 ％，Ni：0.05〜1.0 ％，Cr：0.1 〜1.0 ％，Mo：0.05〜0.5 ％のうち１種または２種以上、(ii)Nb：0.005 〜0.070 ％，Ｖ：0.01〜0.40％，Ti：0.005 〜0.1 ％，Ｂ：0.0005〜0.0030％のうち１種または２種以上、(iii)REM：0.020 ％以下，Ca：0.010 ％以下のいずれか一方または両方、から選ばれる１つまたは２つ以上を含有し、残部鉄および不可避的不純物からなること。ここに、（）内の組成範囲はさらなる好適範囲である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の要件限定理由を以下に説明する。
（ビード圧延温度）
本発明では、接合直後のシーム部をビード圧延する。ビード圧延とは、シーム部に生じた増肉（ビード）を管内外に配設したロールで挟圧し母材部肉厚まで減厚する圧延を意味する。これにより、シーム部の基地相組織すなわち未再結晶オーステナイトに歪み（変形帯）が導入され、フェライトの析出が促される。ここで、ビード圧延温度が750 ℃を下回ると、低温変態生成物が増加して、フェライトの析出量が不足する。一方、ビード圧延温度が950 ℃を上回ると、オーステナイト（γと記す）が十分に再結晶してしまい、未再結晶γへの変形帯導入が不足し、フェライトを十分析出させることが困難である。このため、ビード圧延温度は750 〜950 ℃に限定する。
（ビード圧延の圧下率）
ビード圧延の圧下率が15％に満たないと、未再結晶γへの変形帯導入が不足して、フェライトを十分析出させることができない。そのため、ビード圧延の圧下率は15％以上に限定する。これを満足するには、ビード肉厚が母材部肉厚の1.15倍以上になるようにアプセット条件を調整すればよい。
（ビード圧延直後のシーム部を冷却速度５〜50℃/sで冷却）
シーム部の特性（靱性や延性）をさらに改善するには、フェライト粒を極力微細化することが有効であり、それにはビード圧延直後のシーム部を加速冷却してフェライトの粒成長を抑制するのがよい。このフェライト粒成長抑制効果が得られる冷却速度の下限は５℃/sである。一方、冷却速度が50℃/sを超えると組織に占める低温変態生成物の割合が大きくなり、組織の不均一およびそれによる硬化が目立つようになる。このため、前記加速冷却の冷却速度は５〜50℃/sとするのが好ましい。
（接合直後からビード圧延開始までの間にシーム部を強制冷却）
ビード圧延温度までシーム部が自然冷却するのを待つと、γ粒が粗大化しビード圧延で導入される変形帯の密度が小さくなって、フェライト析出を促進する効果が弱められるほか、設備ラインの長大化や造管スピードの低減化といったマイナス方向の措置が必要となる。そのため、接合直後からビード圧延開始までの間にシーム部を強制冷却する。
【００１０】
図１は、本発明の実施に好適な造管ラインの１例を示す平面配置図である。この造管ラインには、上流から順に、帯鋼10を加熱する帯鋼加熱炉１、帯鋼10をオープン管11に成形する成形装置２、オープン管11の対向する両エッジ部を接合温度まで加熱するエッジヒータ３、オープン管11の両エッジ部をアプセットして接合（圧接）し素管12を形成するスクイズ装置４、シーム部14を強制冷却するシーム強制冷却装置５、シーム部14をビード圧延するビード圧延装置６、シーム部14を加速冷却するシーム加速冷却装置７、素管12全体を加熱または保熱してシーム部14と母材部の温度を均しながら絞り圧延温度に到達させる素管均熱炉８、素管13を絞り圧延（縮径圧延）して所定サイズの製品管13とする絞り圧延装置（レデューサ）９が配置されている。
【００１１】
帯鋼加熱炉１の加熱方式は、輻射加熱方式、誘導加熱方式のいずれであってもよく、またこれらを組み合わせた方式でもよい。
成形装置２は、帯鋼１を各種ロールにより幅寄せしながら丸めていく成形加工機能を有するものであれば何でもよい。
エッジヒータ３は、オープン管両エッジ部に直接通電電流または誘導電流を流して抵抗発熱させる方式のもの（図１の例では誘導コイルを造管ライン方向に２段に配設して構成）、レーザビーム、イオンビーム、プラズマビームなどの高エネルギービームを照射して入熱する方式のもの、およびこれらを組み合わせた方式のもののいずれであってもよい。
【００１２】
スクイズ装置４は、通常２本の孔型ロールを用いて構成されるが、オープン管両エッジ部を圧接できるものであれば孔型ロールを３本以上用いて構成してもよい。
シーム強制冷却装置５は、エア、水、ミスト（気水混合流体）などの冷媒を噴射する複数のノズルを、造管ライン方向に設けた所定の冷却区間内で冷媒を極力シーム部のみに衝突させるように配設して構成することができる。冷媒の流量や噴射圧力は所定の冷却区間を適当に分割しその分割区間毎に独立に調整可能（ゼロにすることも含む）とするのが望ましい。
【００１３】
ビード圧延装置６は、シーム部を素管内外から挟み込むように１対または２対以上のロールを対向配設して構成することができる。素管内面側のロールは素管内に挿入可能な台車を設けてこの台車に支持せしめることができる。
シーム加速冷却装置７は、エア、水、ミスト（気水混合流体）などの冷媒を噴射する複数のノズルを、造管ライン方向に設けた所定の冷却区間内で冷媒を極力シーム部のみに衝突させるように配設して構成することができる。冷媒の流量や噴射圧力は所定の冷却区間を適当に分割しその分割区間毎に独立に調整可能（ゼロにすることも含む）とするのが望ましい。
【００１４】
素管均熱炉８は、ラジアントチューブなどを用いた輻射型、誘導コイルを用いた誘導型、これらを組み合わせた輻射・誘導複合型のいずれも好適である。
絞り圧延装置（レデューサ）９は、通常３本の孔型ロールを円周方向に配置したスタンドを造管ライン方向にタンデムに配列して構成されるが、スタンドに配置する孔型ロール本数は、必要に応じて２本、あるいは４本以上としてもかまわない。
【００１５】
図２は、図１の造管ライン内での母材部およびシーム部の温度・加工履歴の１例を示す模式図である。
帯鋼10は帯板加熱炉１により必要に応じて温間温度域（200 ℃以上Ac3 点未満）に加熱され、成形装置２によりオープン管11に成形され、その両エッジ部がエッジヒータ３の１段目でキュリー点直上まで加熱され、続いて同２段目で接合温度（たとえば約1500℃）に加熱され、スクイズ装置４で圧接され、素管12がつくられる。このとき管周方向への熱伝導により母材部温度もやや上昇する。圧接直後、シーム部はシーム強制冷却装置５により750 〜950 ℃の温度域まで冷却され、この温度域でビード圧延装置６により圧下率15％以上のビード圧延が行われる。ビード圧延後のシーム部はシーム加速冷却装置７により５〜50℃/sの冷却速度でたとえば約600 ℃まで冷却される。このとき母材部は自然冷却によりたとえば約530 ℃になっている。この温度状態にある素管12が素管均熱炉８に送り込まれ、シーム部と母材部の温度がともに該炉出側で絞り圧延目標温度（たとえば650 ℃）に一致するように均熱が施され、この均熱された素管12がレデューサ９により絞り圧延（レデュース）されて製品管13となる。
【００１６】
図３は、ＳＡＥ1006鋼（0.05％Ｃ−0.05％Si−0.32％Mn）に対し図２のシーム部温度・加工履歴の模擬実験を行い、(a) ビード圧延なしと(b) ビード圧延あり（温度900 ℃，圧下率35％）のシーム部組織を比較した結果の１例を示す顕微鏡組織写真であり、これに示すように、ビード圧延なしではシーム部が粗いベイナイト組織になるが、適切なビード圧延を加えることによりシーム部を微細なフェライト組織（母材部と略同じ組織）と成し得ることがわかる。
【００１７】
本発明は、任意の鋼組成に対して適用できるが、とくに強度−伸びバランスに優れた製品管を得るには、重量％で、Ｃ：0.01〜0.25％（0.05〜0.15％），Si：0.01〜1.0 ％，Mn：0.1 〜2.0 ％（0.3 〜1.0 ％），Ｐ：0.025 ％以下（0.010 ％以下），Ｓ：0.025 ％以下（0.010 ％以下），Al：0.005 〜0.10％を含有し、さらに必要に応じて、
(i) Cu：0.1 〜1.0 ％，Ni：0.05〜1.0 ％，Cr：0.1 〜1.0 ％，Mo：0.05〜0.5 ％のうち１種または２種以上、
(ii) Nb：0.005 〜0.070 ％，Ｖ：0.01〜0.40％，Ti：0.005 〜0.1 ％，Ｂ：0.0005〜0.0030％のうち１種または２種以上、
(iii) REM ：0.020 ％以下，Ca：0.010 ％以下のいずれか一方または両方、
から選ばれる１つまたは２つ以上を含有し、残部鉄および不可避的不純物からなる帯鋼を素材とするのが好ましい。ここに、（）内はより好ましい範囲を示す。
【００１８】
その理由は以下の通りである。
Ｃ：0.01〜0.25％（0.05〜0.15％）
Ｃは、基地中に固溶あるいは炭化物として析出し、鋼の強度を増す元素であり、また、硬質な第２相として析出した微細なセメンタイト、マルテンサイト、べイナイトが延性（一様伸び）向上に寄与するが、0.01％未満では所望の強度を得るのが困難であり、他方、0.25％超では強度が高くなりすぎて延性が劣化するため、Ｃ量は0.01〜0.25％とするのがよい。なお、強度−伸びバランスの面から、0.05〜0.15％がさらに好ましい。
【００１９】
Si：0.01〜1.0 ％
Siは、脱酸元素として作用するとともに、基地中に固溶し鋼の強度を増すが、0.01％未満ではその効果に乏しく、また、1.0 ％超では延性を劣化させるので、Si量は0.01〜1.0 ％とするのがよい。
Mn：0.1 〜2.0 ％（0.3 〜1.0 ％）
Mnは、鋼の強度を増す元素であり、また硬質第２相（セメンタイト、マルテンサイト、べイナイト）の微細析出を促すが、0.1 ％未満ではその効果に乏しく、一方、2.0 ％超では強度が過大となって延性が劣化するため、Mn量は0.1 〜2.0 ％とするのがよい。なお、強度−伸びバランスの観点から、0.3 〜1.0 ％がさらに好ましい。
【００２０】
Ｐ：0.025 ％以下（0.010 ％以下）
Ｐは、粒界に偏析し靱性を劣化させるため、極力低減するのが好ましいが、0.025 ％までは許容できる。なお、より好ましくは0.010 ％以下である。
Ｓ：0.025 ％以下（0.010 ％以下）
Ｓは、硫化物を増加し清浄度を低下させるため、極力低減するのが好ましいが、0.025 ％までは許容できる。なお、より好ましくは0.010 ％以下である。
【００２１】
Al：0.005 〜0.10％
Alは、結晶粒を微細化する作用を有するが、0.005 ％未満ではその作用が不十分であり、一方、0.10％超では酸化物系介在物量が増加して清浄度が低下するので、Al量は0.005 〜0.10％とするのがよい。
Cu：0.1 〜1.0 ％
Cuは、鋼の焼入れ性を改善し強度を増す元素であり、また変態点を低下させフェライト粒あるいは硬質第２相を微細化する効果があるが、0.1 ％未満ではその効果に乏しく、一方、1.0 ％超では熱間加工性を劣化させるので、Cu量は0.1 〜1.0 ％とするのがよい。なお、ラインパイプ用として管継ぎ溶接部の硬化を抑制し耐応力腐食割れ性を向上させるには0.5 ％以下とするのが好ましい。
【００２２】
Ni：0.05〜1.0 ％
Niは、鋼の焼入れ性を改善し強度を増すとともに、靱性も改善する元素であり、また変態点を低下させフェライト粒あるいは硬質第２相を微細化する効果があるが、0.05％未満ではその効果に乏しく、一方、1.0 ％超では効果が飽和し経済的に高価となるため、Ni量は0.05〜1.0 ％とするのがよい。なお、ラインパイプ用として管継ぎ溶接部の硬化を抑制し耐応力腐食割れ性を向上させるには0.5 ％以下とするのが好ましい。
【００２３】
Cr：0.1 〜1.0 ％
Crは、鋼の焼入れ性を改善し強度を増す元素であり、また変態点を低下させフェライト粒あるいは硬質第２相を微細化する効果があるが、0.1 ％未満ではその効果に乏しく、一方、1.0 ％超では溶接性、延性を劣化させるうえ経済的に高価となるため、Cr量は0.1 〜1.0 ％とするのがよい。なお、ラインパイプ用として管継ぎ溶接部の硬化を抑制し耐応力腐食割れ性を向上させるには0.5 ％以下とするのが好ましい。
【００２４】
Mo：0.05〜0.5 ％
Moは、鋼の焼入れ性を改善し強度を増す元素であり、また変態点を低下させフェライト粒あるいは硬質第２相を微細化する効果があるが、0.05％未満ではその効果に乏しく、一方、0.5 ％超では溶接性、延性が劣化し、ラインパイプ用では管継ぎ溶接部が硬化して耐応力腐食割れ性が劣化し、そのうえ経済的に高価となるため、Mo量は0.05〜0.5 ％とするのがよい。
【００２５】
Nb：0.005 〜0.070 ％，Ｖ：0.01〜0.40％，Ti：0.005 〜0.1 ％，Ｂ：0.0005〜0.0030％
Nb，Ｖ，Ti，Ｂは、いずれも炭化物、窒化物または炭窒化物として析出し、結晶粒の微細化と高強度化に寄与する元素であり、とくにシーム接合工程の加熱時に結晶粒粗大化を抑制するとともに冷却時にはフェライトの析出核となってシーム部の硬化を防止する効果があるが、Nb：0.005 ％未満、Ｖ：0.01％未満、Ti：0.005 ％未満、Ｂ：0.0005％未満ではその効果に乏しく、一方、Nb：0.070 ％超、Ｖ：0.40％超、Ti：0.1 ％超、Ｂ：0.0030％超では溶接性と靱性が劣化するため、Nb，Ｖ，Ti，Ｂの量はそれぞれ上記範囲とするのがよい。なお、耐応力腐食割れ性改善の面で、Ｖ量は0.10％以下に制限するのがより好ましい。
【００２６】
REM ：0.020 ％以下，Ca：0.010 ％以下
REM ，Caは、いずれも介在物の形状調整を通じて加工性を改善するほか、硫化物、酸化物、または硫酸化物として析出しシーム部の硬化を防止する作用があるが、REM ：0.020 ％超、Ca：0.010 ％超では介在物が増えすぎて清浄度が低下し、靱性が劣化するので、REM ：0.020 ％以下、Ca：0.010 ％以下とするのがよい。
【００２７】
なお、不可避的不純物に関し、ＮはAlと結合して結晶粒微細化に寄与するが、0.010 ％を超えると延性を劣化させるため0.010 ％以下に低減するのが好ましい。また、Ｏは酸化物として清浄度を低下させるため極力低減するのが好ましいが、0.006 ％までは許容できる。
【００２８】
【実施例】
表１に示す製管サイズ・鋼組成（残部は鉄および不可避的不純物）の帯鋼を、図１に示した造管ラインにてそれぞれ表２に示した条件で連続造管することにより製品管と成した。なお、帯板加熱炉は輻射方式とし、成形装置はＣＢＲ（チャンスフリーバルジローリング）ミルを採用し、エッジヒータは誘導加熱方式とし、スクイズ装置は２ロール対向方式とし、シーム強制冷却装置はミストノズルで構成し、ビード圧延装置は１対のロールを管内外に対向配置して構成し、シーム加速冷却装置はミストノズルで構成し、素管均熱炉は輻射・誘導複合方式とし、レデューサは３ロールスタンドをタンデムに24スタンド配列して構成した。
【００２９】
これら製品管の定常絞り圧延部分（先端、尾端から長手方向に0.5 ｍ以上内側に入った部分）から切り出したサンプルについて、肉厚測定により偏肉率（＝｛（最大肉厚−最小肉厚）／平均肉厚｝×100 （％））を、顕微鏡観察によりミクロ組織面積率（べイナイト（Ｂ）またはマルテンサイト（Ｍ）の面積率（％））を、ＪＩＳ11号引張試験により絞り圧延方向の強度（降伏強さＹＳ（MPa ），引張強さＴＳ（MPa ）および伸びＥｌ（％）を、バルジ試験（試験方法：鋼管内に水圧をかけ、長さ150mm の範囲を円形断面のまま35％拡管した。）によりシーム割れ発生の有無（２次加工性）を、それぞれ調査した。その結果を表２に示す。
【００３０】
表２より、本発明要件を充足する実施例では、シーム部が母材部と略同じフェライト主体の組織となり、偏肉率が小さく、強度−伸びバランスに優れ、２次加工性も良好（シーム割れなし）であった。これに対し、本発明要件を欠く比較例では、シーム部に低温変態生成物が多く現出し、偏肉率が大きく、強度が高すぎて伸びが悪化し、２次加工性が不良（シーム割れ発生）となった。
【００３１】
【表１】
【００３２】
【表２】
【００３３】
【発明の効果】
かくして本発明によれば、接合後のシーム部に対しビード圧延を施すことにより、そこに低温変態生成物（べイナイトやマルテンサイト）が現出するのを抑制したから、広範囲の鋼組成の溶接鋼管、固相圧接鋼管についてシーム部を母材部と略同じフェライト主体の組織にすることができるようになり、絞り圧延での偏肉を解消できるとともに、製品管の加工性（２次加工性）を改善することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施に好適な造管ラインの１例を示す平面配置図である。
【図２】図１の造管ライン内での母材部およびシーム部の温度・加工履歴の１例を示す模式図である。
【図３】ＳＡＥ1006鋼に対し図１のシーム部温度・加工履歴の模擬実験を行い、(a) ビード圧延なしと(b) ビード圧延ありのシーム部組織を比較した結果の１例を示す顕微鏡組織写真である。
【符号の説明】
１ 帯鋼加熱炉
２ 成形装置
３ エッジヒータ
４ スクイズ装置
５ シーム強制冷却装置
６ ビード圧延装置
７ シーム加速冷却装置
８ 素管均熱炉
９ 絞り圧延装置（レデューサ）
10 帯鋼
11 オープン管
12 素管
13 製品管
14 シーム部
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼管の製造方法に関し、とくに帯鋼を連続的に通材しながらオープン管に成形し、これをその対向する両エッジ部を溶接または固相圧接により接合して素管となし、この素管を引き続き絞り圧延して所定サイズの製品管とする造管法において、接合部（シーム部）の硬化を抑制できる鋼管の製造方法に関する。
【０００２】
シーム部とは溶接または固相圧接の際にAc3 変態点以上に加熱された素管部分を指す。また、シーム部以外の素管部分を母材部という。
【０００３】
【従来の技術】
上記造管法にて製造される溶接鋼管ないし固相圧接鋼管は、その製造途上で、シーム部のみが、母材部に比較して著しく高温に加熱された後かなり大きい冷却速度で冷却されるという熱履歴を経る。そのため、鋼の成分系によってはシーム部にマルテンサイトやべイナイト（低温変態生成物と総称）が生成し、シーム部が母材部に比べて著しく硬化する結果、素管の絞り圧延中に偏肉が生じ、さらには、製品管の曲げ加工やバルジ加工などの２次加工時に、シーム部で割れが発生したり、シーム部のみが不均一に変形して加工精度が悪化する等の問題が生じる。
【０００４】
この問題への対応策として、（１）シーム部硬化の小さい低成分系の素材鋼を使用する、あるいは（２）造管後に誘導加熱もしくは通常の加熱炉を用いた熱処理により、母材部とシーム部を均質化することが図られている。また、（３）曲げ加工時にシーム部を曲げ変形の中立軸となる位置にセットすることも行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記（１）では素材鋼に大きな制限が加わることとなり、製品特性上の限界の一因となる。前記（２）では当然のことながら生産コストの上昇を招く結果となる。前記（３）では製品管加工時の手間が増える。
本発明は、これらの問題点に鑑み、オープン管エッジ部を接合して形成したシーム部の硬化を広範囲の成分系について抑制できる鋼管の製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記目的達成のために鋭意考究した結果、溶接工程ないしは固相圧接工程で必須に行われるアプセットによりシーム部に生じる増肉（ビード）を、通常は切削除去していることに代えて、これを圧延することにより、シーム部にフェライトを析出させて母材部との組織均一化を図り得ることに想到した。このいわゆるビード圧延は、従来のビード切削の代替工程となるから、工程の付加にはならず生産性を阻害しない。むしろ、ビード切削工具の焼付き等により制限されていた造管スピードを増速できるという効果も期待できる。
【０００７】
本発明は、この着想に基づきさらに検討を重ねて完成されたものである。
すなわち本発明は、帯鋼を連続的に通材しながらオープン管に成形し、その対向する両エッジ部を溶接または固相圧接により接合して素管となし、この素管を引き続き絞り圧延して所定サイズの製品管とする鋼管の製造方法において、溶接または固相圧接直後に、圧延温度750 〜950 ℃、圧下率15％以上でシーム部をビード圧延すること、および前記接合直後から前記ビード圧延開始までの間にシーム部を強制冷却することを特徴とする鋼管の製造方法である。
【０００８】
本発明では必要に応じて下記（Ａ）、（Ｂ）の各要件を付加することがそれぞれ好ましい。
（Ａ）前記ビード圧延の直後にシーム部を５〜50℃/sの冷却速度で加速冷却すること。
（Ｂ）前記帯鋼が、重量％で、Ｃ：0.01〜0.25％（0.05〜0.15％），Si：0.01〜1.0 ％，Mn：0.1 〜2.0 ％（0.3 〜1.0 ％），Ｐ：0.025 ％以下（0.010 ％以下），Ｓ：0.025 ％以下（0.010 ％以下），Al：0.005 〜0.10％を含有し、あるいはさらに、(i)Cu ：0.1 〜1.0 ％，Ni：0.05〜1.0 ％，Cr：0.1 〜1.0 ％，Mo：0.05〜0.5 ％のうち１種または２種以上、(ii)Nb：0.005 〜0.070 ％，Ｖ：0.01〜0.40％，Ti：0.005 〜0.1 ％，Ｂ：0.0005〜0.0030％のうち１種または２種以上、(iii)REM：0.020 ％以下，Ca：0.010 ％以下のいずれか一方または両方、から選ばれる１つまたは２つ以上を含有し、残部鉄および不可避的不純物からなること。ここに、（）内の組成範囲はさらなる好適範囲である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の要件限定理由を以下に説明する。
（ビード圧延温度）
本発明では、接合直後のシーム部をビード圧延する。ビード圧延とは、シーム部に生じた増肉（ビード）を管内外に配設したロールで挟圧し母材部肉厚まで減厚する圧延を意味する。これにより、シーム部の基地相組織すなわち未再結晶オーステナイトに歪み（変形帯）が導入され、フェライトの析出が促される。ここで、ビード圧延温度が750 ℃を下回ると、低温変態生成物が増加して、フェライトの析出量が不足する。一方、ビード圧延温度が950 ℃を上回ると、オーステナイト（γと記す）が十分に再結晶してしまい、未再結晶γへの変形帯導入が不足し、フェライトを十分析出させることが困難である。このため、ビード圧延温度は750 〜950 ℃に限定する。
（ビード圧延の圧下率）
ビード圧延の圧下率が15％に満たないと、未再結晶γへの変形帯導入が不足して、フェライトを十分析出させることができない。そのため、ビード圧延の圧下率は15％以上に限定する。これを満足するには、ビード肉厚が母材部肉厚の1.15倍以上になるようにアプセット条件を調整すればよい。
（ビード圧延直後のシーム部を冷却速度５〜50℃/sで冷却）
シーム部の特性（靱性や延性）をさらに改善するには、フェライト粒を極力微細化することが有効であり、それにはビード圧延直後のシーム部を加速冷却してフェライトの粒成長を抑制するのがよい。このフェライト粒成長抑制効果が得られる冷却速度の下限は５℃/sである。一方、冷却速度が50℃/sを超えると組織に占める低温変態生成物の割合が大きくなり、組織の不均一およびそれによる硬化が目立つようになる。このため、前記加速冷却の冷却速度は５〜50℃/sとするのが好ましい。
（接合直後からビード圧延開始までの間にシーム部を強制冷却）
ビード圧延温度までシーム部が自然冷却するのを待つと、γ粒が粗大化しビード圧延で導入される変形帯の密度が小さくなって、フェライト析出を促進する効果が弱められるほか、設備ラインの長大化や造管スピードの低減化といったマイナス方向の措置が必要となる。そのため、接合直後からビード圧延開始までの間にシーム部を強制冷却する。
【００１０】
図１は、本発明の実施に好適な造管ラインの１例を示す平面配置図である。この造管ラインには、上流から順に、帯鋼10を加熱する帯鋼加熱炉１、帯鋼10をオープン管11に成形する成形装置２、オープン管11の対向する両エッジ部を接合温度まで加熱するエッジヒータ３、オープン管11の両エッジ部をアプセットして接合（圧接）し素管12を形成するスクイズ装置４、シーム部14を強制冷却するシーム強制冷却装置５、シーム部14をビード圧延するビード圧延装置６、シーム部14を加速冷却するシーム加速冷却装置７、素管12全体を加熱または保熱してシーム部14と母材部の温度を均しながら絞り圧延温度に到達させる素管均熱炉８、素管13を絞り圧延（縮径圧延）して所定サイズの製品管13とする絞り圧延装置（レデューサ）９が配置されている。
【００１１】
帯鋼加熱炉１の加熱方式は、輻射加熱方式、誘導加熱方式のいずれであってもよく、またこれらを組み合わせた方式でもよい。
成形装置２は、帯鋼１を各種ロールにより幅寄せしながら丸めていく成形加工機能を有するものであれば何でもよい。
エッジヒータ３は、オープン管両エッジ部に直接通電電流または誘導電流を流して抵抗発熱させる方式のもの（図１の例では誘導コイルを造管ライン方向に２段に配設して構成）、レーザビーム、イオンビーム、プラズマビームなどの高エネルギービームを照射して入熱する方式のもの、およびこれらを組み合わせた方式のもののいずれであってもよい。
【００１２】
スクイズ装置４は、通常２本の孔型ロールを用いて構成されるが、オープン管両エッジ部を圧接できるものであれば孔型ロールを３本以上用いて構成してもよい。
シーム強制冷却装置５は、エア、水、ミスト（気水混合流体）などの冷媒を噴射する複数のノズルを、造管ライン方向に設けた所定の冷却区間内で冷媒を極力シーム部のみに衝突させるように配設して構成することができる。冷媒の流量や噴射圧力は所定の冷却区間を適当に分割しその分割区間毎に独立に調整可能（ゼロにすることも含む）とするのが望ましい。
【００１３】
ビード圧延装置６は、シーム部を素管内外から挟み込むように１対または２対以上のロールを対向配設して構成することができる。素管内面側のロールは素管内に挿入可能な台車を設けてこの台車に支持せしめることができる。
シーム加速冷却装置７は、エア、水、ミスト（気水混合流体）などの冷媒を噴射する複数のノズルを、造管ライン方向に設けた所定の冷却区間内で冷媒を極力シーム部のみに衝突させるように配設して構成することができる。冷媒の流量や噴射圧力は所定の冷却区間を適当に分割しその分割区間毎に独立に調整可能（ゼロにすることも含む）とするのが望ましい。
【００１４】
素管均熱炉８は、ラジアントチューブなどを用いた輻射型、誘導コイルを用いた誘導型、これらを組み合わせた輻射・誘導複合型のいずれも好適である。
絞り圧延装置（レデューサ）９は、通常３本の孔型ロールを円周方向に配置したスタンドを造管ライン方向にタンデムに配列して構成されるが、スタンドに配置する孔型ロール本数は、必要に応じて２本、あるいは４本以上としてもかまわない。
【００１５】
図２は、図１の造管ライン内での母材部およびシーム部の温度・加工履歴の１例を示す模式図である。
帯鋼10は帯板加熱炉１により必要に応じて温間温度域（200 ℃以上Ac3 点未満）に加熱され、成形装置２によりオープン管11に成形され、その両エッジ部がエッジヒータ３の１段目でキュリー点直上まで加熱され、続いて同２段目で接合温度（たとえば約1500℃）に加熱され、スクイズ装置４で圧接され、素管12がつくられる。このとき管周方向への熱伝導により母材部温度もやや上昇する。圧接直後、シーム部はシーム強制冷却装置５により750 〜950 ℃の温度域まで冷却され、この温度域でビード圧延装置６により圧下率15％以上のビード圧延が行われる。ビード圧延後のシーム部はシーム加速冷却装置７により５〜50℃/sの冷却速度でたとえば約600 ℃まで冷却される。このとき母材部は自然冷却によりたとえば約530 ℃になっている。この温度状態にある素管12が素管均熱炉８に送り込まれ、シーム部と母材部の温度がともに該炉出側で絞り圧延目標温度（たとえば650 ℃）に一致するように均熱が施され、この均熱された素管12がレデューサ９により絞り圧延（レデュース）されて製品管13となる。
【００１６】
図３は、ＳＡＥ1006鋼（0.05％Ｃ−0.05％Si−0.32％Mn）に対し図２のシーム部温度・加工履歴の模擬実験を行い、(a) ビード圧延なしと(b) ビード圧延あり（温度900 ℃，圧下率35％）のシーム部組織を比較した結果の１例を示す顕微鏡組織写真であり、これに示すように、ビード圧延なしではシーム部が粗いベイナイト組織になるが、適切なビード圧延を加えることによりシーム部を微細なフェライト組織（母材部と略同じ組織）と成し得ることがわかる。
【００１７】
本発明は、任意の鋼組成に対して適用できるが、とくに強度−伸びバランスに優れた製品管を得るには、重量％で、Ｃ：0.01〜0.25％（0.05〜0.15％），Si：0.01〜1.0 ％，Mn：0.1 〜2.0 ％（0.3 〜1.0 ％），Ｐ：0.025 ％以下（0.010 ％以下），Ｓ：0.025 ％以下（0.010 ％以下），Al：0.005 〜0.10％を含有し、さらに必要に応じて、
(i) Cu：0.1 〜1.0 ％，Ni：0.05〜1.0 ％，Cr：0.1 〜1.0 ％，Mo：0.05〜0.5 ％のうち１種または２種以上、
(ii) Nb：0.005 〜0.070 ％，Ｖ：0.01〜0.40％，Ti：0.005 〜0.1 ％，Ｂ：0.0005〜0.0030％のうち１種または２種以上、
(iii) REM ：0.020 ％以下，Ca：0.010 ％以下のいずれか一方または両方、
から選ばれる１つまたは２つ以上を含有し、残部鉄および不可避的不純物からなる帯鋼を素材とするのが好ましい。ここに、（）内はより好ましい範囲を示す。
【００１８】
その理由は以下の通りである。
Ｃ：0.01〜0.25％（0.05〜0.15％）
Ｃは、基地中に固溶あるいは炭化物として析出し、鋼の強度を増す元素であり、また、硬質な第２相として析出した微細なセメンタイト、マルテンサイト、べイナイトが延性（一様伸び）向上に寄与するが、0.01％未満では所望の強度を得るのが困難であり、他方、0.25％超では強度が高くなりすぎて延性が劣化するため、Ｃ量は0.01〜0.25％とするのがよい。なお、強度−伸びバランスの面から、0.05〜0.15％がさらに好ましい。
【００１９】
Si：0.01〜1.0 ％
Siは、脱酸元素として作用するとともに、基地中に固溶し鋼の強度を増すが、0.01％未満ではその効果に乏しく、また、1.0 ％超では延性を劣化させるので、Si量は0.01〜1.0 ％とするのがよい。
Mn：0.1 〜2.0 ％（0.3 〜1.0 ％）
Mnは、鋼の強度を増す元素であり、また硬質第２相（セメンタイト、マルテンサイト、べイナイト）の微細析出を促すが、0.1 ％未満ではその効果に乏しく、一方、2.0 ％超では強度が過大となって延性が劣化するため、Mn量は0.1 〜2.0 ％とするのがよい。なお、強度−伸びバランスの観点から、0.3 〜1.0 ％がさらに好ましい。
【００２０】
Ｐ：0.025 ％以下（0.010 ％以下）
Ｐは、粒界に偏析し靱性を劣化させるため、極力低減するのが好ましいが、0.025 ％までは許容できる。なお、より好ましくは0.010 ％以下である。
Ｓ：0.025 ％以下（0.010 ％以下）
Ｓは、硫化物を増加し清浄度を低下させるため、極力低減するのが好ましいが、0.025 ％までは許容できる。なお、より好ましくは0.010 ％以下である。
【００２１】
Al：0.005 〜0.10％
Alは、結晶粒を微細化する作用を有するが、0.005 ％未満ではその作用が不十分であり、一方、0.10％超では酸化物系介在物量が増加して清浄度が低下するので、Al量は0.005 〜0.10％とするのがよい。
Cu：0.1 〜1.0 ％
Cuは、鋼の焼入れ性を改善し強度を増す元素であり、また変態点を低下させフェライト粒あるいは硬質第２相を微細化する効果があるが、0.1 ％未満ではその効果に乏しく、一方、1.0 ％超では熱間加工性を劣化させるので、Cu量は0.1 〜1.0 ％とするのがよい。なお、ラインパイプ用として管継ぎ溶接部の硬化を抑制し耐応力腐食割れ性を向上させるには0.5 ％以下とするのが好ましい。
【００２２】
Ni：0.05〜1.0 ％
Niは、鋼の焼入れ性を改善し強度を増すとともに、靱性も改善する元素であり、また変態点を低下させフェライト粒あるいは硬質第２相を微細化する効果があるが、0.05％未満ではその効果に乏しく、一方、1.0 ％超では効果が飽和し経済的に高価となるため、Ni量は0.05〜1.0 ％とするのがよい。なお、ラインパイプ用として管継ぎ溶接部の硬化を抑制し耐応力腐食割れ性を向上させるには0.5 ％以下とするのが好ましい。
【００２３】
Cr：0.1 〜1.0 ％
Crは、鋼の焼入れ性を改善し強度を増す元素であり、また変態点を低下させフェライト粒あるいは硬質第２相を微細化する効果があるが、0.1 ％未満ではその効果に乏しく、一方、1.0 ％超では溶接性、延性を劣化させるうえ経済的に高価となるため、Cr量は0.1 〜1.0 ％とするのがよい。なお、ラインパイプ用として管継ぎ溶接部の硬化を抑制し耐応力腐食割れ性を向上させるには0.5 ％以下とするのが好ましい。
【００２４】
Mo：0.05〜0.5 ％
Moは、鋼の焼入れ性を改善し強度を増す元素であり、また変態点を低下させフェライト粒あるいは硬質第２相を微細化する効果があるが、0.05％未満ではその効果に乏しく、一方、0.5 ％超では溶接性、延性が劣化し、ラインパイプ用では管継ぎ溶接部が硬化して耐応力腐食割れ性が劣化し、そのうえ経済的に高価となるため、Mo量は0.05〜0.5 ％とするのがよい。
【００２５】
Nb：0.005 〜0.070 ％，Ｖ：0.01〜0.40％，Ti：0.005 〜0.1 ％，Ｂ：0.0005〜0.0030％
Nb，Ｖ，Ti，Ｂは、いずれも炭化物、窒化物または炭窒化物として析出し、結晶粒の微細化と高強度化に寄与する元素であり、とくにシーム接合工程の加熱時に結晶粒粗大化を抑制するとともに冷却時にはフェライトの析出核となってシーム部の硬化を防止する効果があるが、Nb：0.005 ％未満、Ｖ：0.01％未満、Ti：0.005 ％未満、Ｂ：0.0005％未満ではその効果に乏しく、一方、Nb：0.070 ％超、Ｖ：0.40％超、Ti：0.1 ％超、Ｂ：0.0030％超では溶接性と靱性が劣化するため、Nb，Ｖ，Ti，Ｂの量はそれぞれ上記範囲とするのがよい。なお、耐応力腐食割れ性改善の面で、Ｖ量は0.10％以下に制限するのがより好ましい。
【００２６】
REM ：0.020 ％以下，Ca：0.010 ％以下
REM ，Caは、いずれも介在物の形状調整を通じて加工性を改善するほか、硫化物、酸化物、または硫酸化物として析出しシーム部の硬化を防止する作用があるが、REM ：0.020 ％超、Ca：0.010 ％超では介在物が増えすぎて清浄度が低下し、靱性が劣化するので、REM ：0.020 ％以下、Ca：0.010 ％以下とするのがよい。
【００２７】
なお、不可避的不純物に関し、ＮはAlと結合して結晶粒微細化に寄与するが、0.010 ％を超えると延性を劣化させるため0.010 ％以下に低減するのが好ましい。また、Ｏは酸化物として清浄度を低下させるため極力低減するのが好ましいが、0.006 ％までは許容できる。
【００２８】
【実施例】
表１に示す製管サイズ・鋼組成（残部は鉄および不可避的不純物）の帯鋼を、図１に示した造管ラインにてそれぞれ表２に示した条件で連続造管することにより製品管と成した。なお、帯板加熱炉は輻射方式とし、成形装置はＣＢＲ（チャンスフリーバルジローリング）ミルを採用し、エッジヒータは誘導加熱方式とし、スクイズ装置は２ロール対向方式とし、シーム強制冷却装置はミストノズルで構成し、ビード圧延装置は１対のロールを管内外に対向配置して構成し、シーム加速冷却装置はミストノズルで構成し、素管均熱炉は輻射・誘導複合方式とし、レデューサは３ロールスタンドをタンデムに24スタンド配列して構成した。
【００２９】
これら製品管の定常絞り圧延部分（先端、尾端から長手方向に0.5 ｍ以上内側に入った部分）から切り出したサンプルについて、肉厚測定により偏肉率（＝｛（最大肉厚−最小肉厚）／平均肉厚｝×100 （％））を、顕微鏡観察によりミクロ組織面積率（べイナイト（Ｂ）またはマルテンサイト（Ｍ）の面積率（％））を、ＪＩＳ11号引張試験により絞り圧延方向の強度（降伏強さＹＳ（MPa ），引張強さＴＳ（MPa ）および伸びＥｌ（％）を、バルジ試験（試験方法：鋼管内に水圧をかけ、長さ150mm の範囲を円形断面のまま35％拡管した。）によりシーム割れ発生の有無（２次加工性）を、それぞれ調査した。その結果を表２に示す。
【００３０】
表２より、本発明要件を充足する実施例では、シーム部が母材部と略同じフェライト主体の組織となり、偏肉率が小さく、強度−伸びバランスに優れ、２次加工性も良好（シーム割れなし）であった。これに対し、本発明要件を欠く比較例では、シーム部に低温変態生成物が多く現出し、偏肉率が大きく、強度が高すぎて伸びが悪化し、２次加工性が不良（シーム割れ発生）となった。
【００３１】
【表１】
【表２】
【発明の効果】
かくして本発明によれば、接合後のシーム部に対しビード圧延を施すことにより、そこに低温変態生成物（べイナイトやマルテンサイト）が現出するのを抑制したから、広範囲の鋼組成の溶接鋼管、固相圧接鋼管についてシーム部を母材部と略同じフェライト主体の組織にすることができるようになり、絞り圧延での偏肉を解消できるとともに、製品管の加工性（２次加工性）を改善することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施に好適な造管ラインの１例を示す平面配置図である。
【図２】図１の造管ライン内での母材部およびシーム部の温度・加工履歴の１例を示す模式図である。
【図３】ＳＡＥ1006鋼に対し図１のシーム部温度・加工履歴の模擬実験を行い、(a) ビード圧延なしと(b) ビード圧延ありのシーム部組織を比較した結果の１例を示す顕微鏡組織写真である。
【符号の説明】
１ 帯鋼加熱炉
２ 成形装置
３ エッジヒータ
４ スクイズ装置
５ シーム強制冷却装置
６ ビード圧延装置
７ シーム加速冷却装置
８ 素管均熱炉
９ 絞り圧延装置（レデューサ）
10 帯鋼
11 オープン管
12 素管
13 製品管
14 シーム部
Claims (3)
- 帯鋼を連続的に通材しながらオープン管に成形し、その対向する両エッジ部を溶接または固相圧接により接合して素管となし、この素管を引き続き絞り圧延して所定サイズの製品管とする鋼管の製造方法において、溶接または固相圧接直後に、圧延温度750 〜950 ℃、圧下率15％以上でシーム部をビード圧延すること、および前記接合直後から前記ビード圧延開始までの間にシーム部を強制冷却することを特徴とする鋼管の製造方法。
- 前記ビード圧延の直後にシーム部を５〜50℃/sの冷却速度で加速冷却することを特徴とする請求項１記載の鋼管の製造方法。
- 前記帯鋼が、重量％で、Ｃ：0.01〜0.25％，Si：0.01〜1.0％，Mn：0.1 〜2.0 ％，Ｐ：0.025 ％以下，Ｓ：0.025 ％以下，Al：0.005 〜0.10％を含有し、あるいはさらに、Cu：0.1 〜1.0 ％，Ni：0.05〜1.0 ％，Cr：0.1 〜1.0 ％，Mo：0.05〜0.5 ％，Nb：0.005 〜0.070 ％，Ｖ：0.01〜0.40％，Ti：0.005 〜0.1 ％，Ｂ：0.0005〜0.0030％，REM ：0.020 ％以下，Ca：0.010 ％以下のうち１種または２種以上を含有し、残部鉄および不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼管の製造方法。
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