JP5594164B2

JP5594164B2 - 高合金またはステンレス鋼における継目無鋼管の製造方法

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Publication number: JP5594164B2
Application number: JP2011015497A
Authority: JP
Inventors: 慎一郎平野; 正弘山崎; 浩史林
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2031-01-27
Also published as: JP2012152804A

Description

本発明は、高合金またはステンレス鋼の連続鋳造鋳片（以下、ブルームという。）を圧延或いは鍛造して得られる丸鋼片の中心部に存在する欠陥を孔繰り加工した後、熱間押出法により継目無鋼管を製造する方法に関するものである。

本願では、Niを２０質量％以上含有し、かつオーステナイト単相組織を有する鋼を「高合金」と定義する。また、「ステンレス」とは、一般的に鋼中のCr含有量が約１１質量％以上であるもの（ＪＩＳＧ０２０３）とする。また、本願でいう「圧延」は、フラットロールや孔型ロール等のロールによる圧延を意味する。

従来、Cr含有マルテンサイト系ステンレス鋼の継目無鋼管製造に際し、ブルームから管の素材である丸鋼片を圧延する場合に、ブルームの横断面中心部に発生するセンターキャビティが圧延後も未圧着痕として中心部に残存する。このとき、マンネスマン式製管法に代表される穿孔圧延法を採用した場合は、圧延後に管内面欠陥として残り、製品となる鋼管の品質が悪化するという課題があった。

この課題に対し、ブルームの長辺長さを短辺長さで除算した扁平比に加えて、ブルームから丸鋼片に圧延する際の圧延比（ブルームと丸鋼片の横断面積比）を規定することで、前記センターキャビティに起因する中心欠陥を防止する方法が提案されている（例えば特許文献１〜４）。

このうち、特許文献１は、Crを８〜１８質量％、Niを２．５質量％以下含有するCr系ステンレス鋼を対象としたセンターキャビティを圧着する丸鋼片製造方法である。

また、特許文献２は、Crを０．５〜４０質量％含有した鉄合金ブルームから丸鋼片を製造するに際し、扁平比１.５〜２.５のブルームを９.０以上の圧延比にて、或いは、扁平比３.７〜９.０のブルームを３.０以上の圧延比にて丸鋼片に圧延する方法である。

また、特許文献３は、扁平比２.５〜３.６７のブルームを５以上の圧延比で丸鋼片に熱間圧延する方法である。

また、特許文献４は、Crを０．５〜４０質量％含有した鉄合金ブルームから丸鋼片を製造するに際し、扁平比１.５〜２.０のブルームを３.０以上の圧延比にて丸鋼片に圧延する方法である。

しかしながら、これら特許文献１〜４で開示された継目無鋼管の製造方法は、何れもCr含有マルテンサイト系ステンレス鋼のみを対象とし、マンドレルミル圧延方式、プラグミル圧延方式等の孔繰りを実施しない穿孔圧延法に供することを前提としたものである。

一方、本願発明で対象とする前記高合金または前記ステンレス鋼のブルームは、オーステナイト粒界にS等の不純物元素が偏析するので、Cr含有マルテンサイト系ステンレス鋼に発生するセンターキャビティ以外にも、横断面中心部に結晶粒界に沿った割れが発生する。この粒界割れは、ブルーム製造時に発生する割れの程度により、丸鋼片への圧延後においても残存する。

従って、本願発明で対象とする前記高合金または前記ステンレス鋼により継目無鋼管を製造する際に、特許文献１〜４で開示された方法を適用しても、ブルームの横断面中心部に発生する粒界割れは、丸鋼片に圧延した後も圧着できない場合がある。

加えて、特許文献２で開示された発明のうち、前者の方法では、９．０以上の大きな圧延比を必要とするため、圧延能率の低下或いは設備が大掛かりで高価となる問題がある。本願発明で対象とするような高合金等の変形抵抗が大きいブルームの場合には、それら問題点が更に助長される。

一方、特許文献２で開示された発明のうち、後者の方法では、ある程度の直径を有する丸鋼片を製造する場合に、大断面のブルームの鋳造が必要となり、連続鋳造機自体の大型化を招く。

また、特許文献３で開示された方法も、前記特許文献２と同様、扁平比が大きいため連続鋳造機の大型化による設備投資が過大となり、かつ丸鋼片の形状・外面品質を悪化させてコスト悪化を招く。

特開平４−３０５３５０号公報特開平４−１３５００１号公報特公平４−５７４０１号公報特開平５−７９９０号公報

本発明が解決しようとする問題点は、特許文献１〜４で提案された方法では、本願発明で対象とする前記高合金または前記ステンレス鋼のブルームの横断面中心部に発生する結晶粒界に沿った割れを、丸鋼片に圧延した後も圧着できない場合があるという点である。また、特許文献２，３で開示された方法では、圧延設備や連続鋳造設備が大型化するという点である。

本発明の高合金またはステンレス鋼における継目無鋼管の製造方法は、
Niを２０質量％以上含有し、かつオーステナイト単相組織を有する高合金またはステンレス鋼のブルームを、圧延或いは鍛造して得られる丸鋼片に対し、丸鋼片の中心部に存在する欠陥を孔繰り加工した後、熱間押出法により継目無鋼管を製造するに際し、
丸鋼片の孔繰り加工時における歩留り低下を少なくするために、
前記連続鋳造ブルームの長辺長さをＡ（mm）、短辺長さをＢ（mm）とした場合、連続鋳造ブルームの扁平比（Ａ／Ｂ）が１．４以上、２．４以下で、かつ、丸鋼片の半径をＲ（mm）とした場合、連続鋳造ブルームから丸鋼片への圧延比（Ａ×Ｂ）／πＲ²が２．０以上、９．０以下となるようにすることを最も主要な特徴としている。

本発明では、前記高合金または前記ステンレス鋼のブルームに発生する粒界割れが圧延或いは鍛造後の丸鋼片内部に残存しても、扁平比Ａ／Ｂ、圧延比（Ａ×Ｂ）/πＲ²を最適範囲に規定することで、少ない中心孔繰りにより除去することができる。

本発明において、丸鋼片の中心孔繰り加工時における孔繰り半径をｒ（mm）とした場合、ｒ／Ｒで求める孔繰り比が０．０５以上、０．２５以下の範囲で孔繰りを行えば、孔繰りによる歩留まり低下を最小限にすることができる。

本発明では、Niを２０質量％以上含有し、オーステナイト単相組織を有する高合金またはステンレス鋼のブルームに発生する粒界割れが圧延或いは鍛造後の丸鋼片内部に残存しても、少ない中心孔繰り加工により除去することができる。従って、製管後の内面欠陥発生を防止した継目無鋼管の製造が可能になる。

Niを２０質量％以上含有し、かつオーステナイト単相である高合金またはステンレス鋼の継目無鋼管用素材となるブルームの扁平比と、鋳込後のブルーム横断面中心部に発生した粒界割れ長さの関係を示した図である。 Niを２０質量％以上含有し、かつオーステナイト単相である高合金またはステンレス鋼の継目無鋼管用素材となるブルームの横断面中心部に発生した粒界割れ長さと、前記ブルームを圧延或いは鍛造して得た丸鋼片の横断面中心部に残存した粒界割れ長さの関係を示した図である。（ａ）はNiを２０質量％以上含有し、かつオーステナイト単相である高合金またはステンレス鋼の継目無鋼管用素材となるブルームの横断面中心部に発生した粒界割れ長さを説明する図、（ｂ）は前記ブルームを圧延或いは鍛造して得た丸鋼片の横断面中心部に残存した粒界割れを示した図である。

本発明では、高合金またはステンレス鋼のブルームを圧延或いは鍛造して得られる丸鋼片の中心部に残存する欠陥を孔繰り加工した後、熱間押出法により継目無鋼管を製造する際に、孔繰りによる歩留まり低下を少なくするという目的を、扁平比、圧延比を最適範囲に規定することで実現した。

以下、本発明を実施するための最良の形態例を、図１〜図３を用いて説明する。

本発明は、連続鋳造法で製造した矩形状のブルームを、圧延或いは鍛造して丸鋼片とし、この丸鋼片を素材として継目無鋼管を製造する方法である。そして、その継目無鋼管は一般に電力・化学プラントや耐食性油井管用の用途に使用され、鋼管用素材である丸鋼片の直径は１５０〜４００mmが一般的である。

前記本発明の成立に際し、ブルームの扁平比（ブルームの長辺長さＡ／短辺長さＢ）を増大すれば、連続鋳造時の短辺側の凝固収縮、熱収縮による引張応力に加え、短辺側の厚み中心より上部と下部の凝固収縮、熱収縮によるせん断応力を減少させる効果によって粒界割れ長さを抑制できるのではないかという点に発明者らは着目した。

特許文献２に、扁平比が内面欠陥発生率に影響するとの記載は見られるが（第２頁右下欄第７〜１２行）、その理由についての明確な記載はない。厚みが一定のブルームにおいては、幅の小さい横断面（扁平比小）でも、大きい横断面（扁平比大）でも短辺側の凝固収縮量、熱収縮量は同じであることから、扁平比が内面欠陥発生率に影響するのは別の要因が考えられた。

一方、ブルームの横断面形状（矩形状）からのずれ量や短辺側の凝固収縮量の、厚み方向の分布状態によっては、最終凝固部近傍にせん断力が作用することになり、その大きさは最終凝固部の幅が大きい断面の方が、小さい断面よりも緩和されると考えられる。

発明者らは、ブルームの横断面中心部に発生する粒界割れは、凝固収縮量、熱収縮量に起因する引張応力と前記せん断応力の組み合わせ応力に依存し、扁平比の増加により厚み方向の粒界割れ長さを抑制する作用が期待できると考えた。

そこで、発明者らは、上記観点から種々の試験を重ねた。
その結果、図１に示すように、ブルームの扁平比が低下すれば、ブルームの横断面中心部に発生する粒界割れの長さが増大して悪化することを知見した。

また、ブルームの横断面中心部に発生した粒界割れは、図２に示す様に、種々の圧延比によって圧延・鍛造することで圧着し、丸鋼片の横断面に残存する粒界割れの長さは短くなる。図２中の●印のプロットは、長辺長さ５５０mm、短辺長さ３９０mm（扁平比１．４）のブルームを圧延比２．７で圧延した例、▲印のプロットは、長辺長さ７００mm、短辺長さ３９０mm（扁平比１．８）のブルームを圧延比８．２で圧延した例である。

発明者らの試験によれば、扁平比を１.４以上とした場合、ブルームに発生する粒界割れを大幅に抑制でき、例え発生しても圧延後の丸鋼片内部の孔繰り径を適正にすることで、「孔繰り後の丸鋼片」から粒界割れを除去できる範囲に抑えることができることが分かった。

一方、扁平比が１.４未満の場合は、図３（ａ）に示すように、ブルーム１の断面に発生する粒界割れ２が大きくなって、図３（ｂ）に示すように、当該粒界割れ２が圧延或いは鍛造後の丸鋼片３の内部にも残存する。

この丸鋼片３の内部に残存した粒界割れ２は、ユジーン・セジュルネ式製管法に代表される熱間押出製管法に先立って行われる中心孔繰りでは除去しきれず、製管後に管内面欠陥が発生した。

また、ブルームの扁平比が２.４を超えると圧延或いは鍛造時に丸鋼片の外面に皺疵などの表面疵が発生しやすくなり、丸鋼片の形状や外面品質を悪化させることが判明した。なお、皺疵とは、ブルームの圧延或いは鍛造において、長辺側の圧延（幅を短くする方向の圧延）時、孔型ロールに接する幅方向両端部は膨らみ、孔型ロールに接しない幅方向中心部はへこむという現象が繰り返され、最終的に丸鋼片の天地部に皺状の疵となる現象をいう。

上記を勘案し、発明者らが種々の試験を行った結果、前記扁平比Ａ／Ｂの範囲（１．４以上、２．４以下）に加えて圧延比（Ａ×Ｂ）/πＲ²を２．０以上、９．０以下とすれば、圧延或いは鍛造後の丸鋼片に内部欠陥が残存しても、適正な径の中心孔繰り加工を実施することで製管時の管内面欠陥の発生を防止できた。これが本願の請求項１の発明である。

この請求項１に係る発明で規定する範囲に、連続鋳造するブルームの扁平比と、このブルームを丸鋼片に圧延或いは鍛造する際の圧延比を規定すれば、０．０５以上、０．２５以下の孔繰り比ｒ／Ｒで孔繰り加工を実施することで、孔繰り後に丸鋼片の内部に残存した粒界割れを除去することができ、良好な品質の継目無鋼管を製造することができる。これが本願の請求項２の発明である。

以下、上記本発明の効果を確認するために行った試験結果の一例について説明する。
試験に使用した矩形状のブルームは、Niを２０質量％以上含有し、オーステナイト単相組織を有する高合金鋼を、８０トン電気炉−８０トンＡＯＤ−８０トンＶＯＤプロセスにて溶製後、種々の長辺及び短辺長さの鋳型にて連続鋳造したものである。

そして、このブルームを、種々の圧延比にて圧延して得られた丸鋼片の中心部に残存する粒界割れを、孔繰り加工を行うことにより除去し、ユジーン・セジュルネ式製管法に代表される熱間押出法により継目無鋼管とした。試験における各々の条件と結果を下記表１及び表２に示す。

表１及び表２におけるブルームの粒界割れ最大長さ、丸鋼片の粒界割れ最大長さの測定断面は、任意の横断面・縦断面の各１面で、浸透探傷試験（ＰＴ）を実施して行い、長さはノギスで測定した。粒界割れ最大長さは、ブルームの厚み中心、丸鋼片の中心を挟んで上部の粒界割れの上端から、下部の粒界割れの下端までの粒界割れの内、最大長さを記載した。

また、表２中の圧延時における品質・能率の評価は、品質悪化又は能率低下が無い、すなわち粒界割れが残存せず、所用のパス回数で圧延できた場合を○、品質悪化又は能率低下が発生した場合、すなわち粒界割れが残存したり、所用のパス回数で圧延できなかった場合等を×とした。

また、表２中の孔繰り加工における歩留り評価は、歩留りが９４％以上の場合を◎、９０％以上、９４％未満の場合を○、９０％未満の場合を×とした。表２における孔繰り歩留りとは、（孔繰り体積）／（孔繰り前の丸鋼片の体積）で定義した。

また、表２中の総合評価は、請求項１，２を共に満たす例を◎、請求項１のみを満たす例を○、請求項１又は請求項１，２を共に満たさない例を×とした。

上記表１，２から明らかなように、扁平比、圧延比、及び孔繰り比が本発明に示す条件を充足する矩形ブルームを圧延して丸鋼片を製造する発明例１〜７は、いずれも孔繰り歩留り９０％以上を確保しつつ圧延品質も良好であった。

一方、比較例１は、扁平比が本発明の請求項１で規定する上限値（＝２．４）より大きいために圧延後の丸鋼片外面に皺疵が発生し、手入工程が追加されてコストが悪化した。

また、比較例２，３は、扁平比が本発明の請求項１で規定する下限値（＝１．４）よりも小さいために、ブルーム断面に発生した粒界割れが長くなった。従って、圧延後の丸鋼片内部に残存した粒界割れを除去するための孔繰り径が本発明の請求項２で規定する上限値（＝０．２５）よりも大きくなり、孔繰り歩留りが低下してコストが悪化した。

また、比較例４，５は圧延比が本発明の請求項１で規定する上限値（＝９．０）より大きくなるため、変形抵抗の大きい本発明で対象とする高合金鋼では圧延パス回数が増加し、圧延能率の低下を招いた。

本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

例えば上記の例では高合金鋼を連続鋳造したブルームを圧延して丸鋼片としたものを使用しているが、ステンレス鋼を連続鋳造したブルームを圧延して丸鋼片としたものを使用した場合も同様の効果が得られる。また、ブルームを丸鋼片にする場合、圧延に代えて鍛造によって行っても良い。

１ブルーム
２粒界割れ
３丸鋼片

Claims

Niを２０質量％以上含有し、かつオーステナイト単相組織を有する高合金またはステンレス鋼の連続鋳造鋳片を、圧延或いは鍛造して得られる丸鋼片に対し、丸鋼片の中心部に存在する欠陥を孔繰り加工した後、熱間押出法により継目無鋼管を製造するに際し、
前記連続鋳造鋳片の長辺長さをＡ（mm）、短辺長さをＢ（mm）とした場合、連続鋳造鋳片の扁平比（Ａ／Ｂ）が１．４以上、２．４以下で、かつ、丸鋼片の半径をＲ（mm）とした場合、連続鋳造鋳片から丸鋼片への圧延比（Ａ×Ｂ）／πＲ²が２．０以上、９．０以下となるようにすることを特徴とする高合金またはステンレス鋼における継目無鋼管の製造方法。
前記丸鋼片の中心孔繰り加工時における孔繰り半径をｒ（mm）とした場合、ｒ／Ｒで求める孔繰り比が０．０５以上０．２５以下で行うことを特徴とする請求項１に記載の継目無鋼管の製造方法。