JP6287972B2

JP6287972B2 - マルテンサイト系高Ｃｒ鋼継目無鋼管の製造方法

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Publication number: JP6287972B2
Application number: JP2015128548A
Authority: JP
Inventors: 将成金山; 石黒　康英; 康英石黒; 昌士松本
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2018-03-07
Anticipated expiration: 2035-06-26
Also published as: JP2017006979A

Description

本発明は、ボイラー管等に用いられるマルテンサイト系高Ｃｒ鋼継目無鋼管の製造方法に関し、特に、Ｃｒ含有量が９質量％以上でＭｏ、Ｗ等の合金元素を含む素材を用いて継目無鋼管を製造する場合であっても、外面毛割れと呼ばれる鋼管の外面に発生する圧延疵の出現を防止するマルテンサイト系高Ｃｒ鋼継目無鋼管の製造方法に関する。

従来から、ボイラー管等に使用される耐熱鋼管としてＣｒを９質量％以上含有する、いわゆるマルテンサイト系高Ｃｒ鋼継目無鋼管が多く採用されている。さらに、近年は、クリープ強度を高めるため、Ｃｒ、Ｍｏに加えてＷを添加した高Ｃｒ鋼継目無鋼管の使用が多くなっている。

継目無鋼管は、素材である丸ビレットを加熱し、マンネスマンピアサーと呼ばれる傾斜式穿孔圧延機で穿孔圧延した後、マンドレルミルまたはプラグミル等により延伸圧延して中空素管とし、該中空素管を再加熱した後、ストレッチレデューサーなどにより縮径圧延して目標寸法の鋼管に仕上ることによって製造される。また、一般的に、高Ｃｒ鋼継目無鋼管の場合、前記丸ビレットは、連続鋳造法で製造された鋳片（スラブまたはブルーム）を加熱し、熱間圧延や熱間鍛造によって製造される。

ところが、高Ｃｒ系合金鋼は、一般鋼に比べて熱間加工性が劣るため、過酷な変形を強いる穿孔圧延時に、管の内面や外面に圧延疵を発生し易くなり、特にＭｏやＷを含む高Ｃｒ鋼継目無鋼管を上述の製造法で製造した場合、製品管の内外面に圧延疵が多発するという問題があった。

このような問題に対し、例えば、特許文献１に、重量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｍｎ：１．５％以下、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．００５０％以下、Ｓｉ：１％以下、Ａｌ：０．１％以下、Ｃｒ：８〜１１％、Ｍｏ：０．０５〜１．５％、Ｗ：０．０５〜４％、Ｎ：０．０１〜０．１％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる高Ｃｒフェライト鋼、さらに、上記成分に加えて必要に応じてＮｂ：０．０１〜０．１５％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｂ：０．０００５〜０．０３％、Ｎｉ：０．０１〜３％の１種または２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる高Ｃｒフェライト鋼の継目無鋼管用素材を１１００℃以上、１２５０℃以下に加熱し、穿孔した後、傾斜圧延で延伸するに際して、圧延開始温度を１０００℃以上、１２００℃以下とし、延伸圧延における加工度を適正化することによりデルタフェライトに起因する割れ、疵の発生を防止する圧延方法が開示されている。

また、特許文献２に、質量％で、Ｃｒ：９％以上を含む組成を有する鋼管素材を（Ａｃ_４変態点＋１０℃）以上の温度に加熱し、傾斜圧延方式による圧延で穿孔し、延伸して所定寸法の継目無管とする、圧延疵を多発することなく、高Ｃｒ鋼継目無管を製造できる、高Ｃｒ鋼継目無管の製造方法が開示されている。

特開平８−２２９６０６号公報特開２００５−１４０３１号公報

しかし、特許文献１または特許文献２に記載の技術では、丸ビレットの段階で粗大なデルタフェライトが材料内に存在する場合には、外面毛割れと呼ばれる鋼管の外面に発生する圧延疵を完全に抑止することができなかった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、マンネスマンーマンドレル方式またはマンネスマンープラグミル方式によって熱間仕上げされた９質量％以上のＣｒを含有し、Ｍｏ、Ｗ等の合金元素を含む継目無管鋼管の外表面に発生していた疵（毛割れ）を抑制し、外面品質に優れたマルテンサイト系高Ｃｒ鋼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。

本発明者等は、上述の課題を解決するため、マルテンサイト系高Ｃｒ鋼継目無鋼管に発生した外面疵（毛割れ）近傍の組織および素材である丸ビレットの外表面近傍の組織を詳細に観察するとともに、丸ビレットの製造工程を含む継目無鋼管の製造過程と毛割れ発生の関係について鋭意検討を行った。本発明では、高Ｃｒ鋼とは、Ｃｒを質量％で９％以上１０％以下含有する鋼をいう。

その結果、まず、毛割れはオーステナイト粒界に沿って析出した外表面近傍のデルタフェライトを連結するように進展しており、表面に露出していない部分にもデルタフェライトに起因していると思われる割れが存在しているという知見が得られた。また、上記外表面近傍のデルタフェライトは、丸ビレットを加熱する前の工程すなわち鋳片を加熱し熱間圧延により丸ビレットを製造する工程で析出し、穿孔圧延前の丸ビレット加熱工程で粗大化して割れの発生を助長しているという知見が得られた。

さらに、ＡＳＭＥ規格Ｔ９２／Ｐ９２の鋼管について、毛割れの発生と、鋼管製造過程における鋳片加熱温度、丸ビレット加熱温度および加熱保持時間と、の関係を調べた結果、図１に示すように、鋳片加熱温度がＡｃ_４点以下で、かつ、丸ビレットの加熱温度がＡｃ_４点以下、加熱保持時間が２００分以下の場合に、毛割れの発生がないことを見出した。

本発明は、上述の知見に基づいて完成されたものであり、下記の要旨からなる。
（１）質量％で、Ｃｒを９％以上含む組成を有する鋳片を素材として、鋳片加熱工程、鋳片圧延工程、丸ビレット加熱工程、穿孔圧延工程、延伸圧延工程、縮径圧延工程からなる継目無鋼管の製造方法であって、前記鋳片加熱工程における加熱温度を１１６０℃以上Ａｃ_４点以下とし、かつ、前記丸ビレット加熱工程における加熱温度を１１８０℃以上Ａｃ_４点以下、加熱保持時間を１００〜２００分とすることを特徴とするマルテンサイト系高Ｃｒ鋼継目無鋼管の製造方法。
（２）前記鋳片加熱工程おける被加熱材である鋳片、および前記丸ビレット加熱工程における被加熱材である丸ビレット、の最高到達温度をＡｃ_４点以下とすることを特徴とする（１）に記載のマルテンサイト系高Ｃｒ鋼継目無鋼管の製造方法。

本発明によれば、継目無鋼管の製造工程における外表面疵（毛割れ）の発生を抑制し、高Ｃｒ鋼継目無鋼管を効率よく製造することができ、産業上格段の効果を奏する。

丸ビレット加熱温度、加熱保持時間と毛割れ発生の関係を示す図である。

本発明では、Ｃｒを質量％で９％以上含有する高Ｃｒ鋼鋳片を加熱し、熱間圧延によって丸ビレットに加工して鋼管素材とした後、該丸ビレットを加熱し、穿孔圧延、延伸圧延、および縮径圧延により継目無鋼管とする。

本発明で対象とする継目無鋼管は、Ｃｒを９％以上含有するマルテンサイト系高Ｃｒ鋼継目無鋼管であり、耐食性や高温クリープ強度を向上するために含有する成分の組成とその限定理由を説明する。
以下、各組成の含有量（質量％）は特に断らない限り単に％と記す。

Ｃ：０．０１〜０．１５％
Ｃは、マルテンサイト化を図るためのオーステナイト安定化元素で、かつ炭化物を析出させる重要元素である。０．０１％未満の場合、デルタフェライト量が著しく増加し、強度、靭性を損ない、かつ安定な炭化物を形成しなくなる。一方、０．１５％を超える場合、炭化物が増えて加工性と溶接性を損なう。従って、Ｃは、０．０１〜０．１５％とする。

Ｃｒ：９〜１０％
Ｃｒは耐熱性および耐食性を確保する上で重要な元素である。９％未満では高温での耐酸化性が不足となり、高温強度も低下する。一方、１０％を超えるとデルタフェライトの量が増大し、デルタフェライトを起点とする疵抑止が困難となる。従って、Ｃｒは、９〜１０％とする。

Ｎｉ：０．１〜３．０％
Ｎｉはオーステナイト生成元素であり、デルタフェライトの生成を抑制する効果を持つとともに、耐熱性および耐食性を向上する効果があり、０．０１％以上添加する。しかし、３％超では、長時間側のクリープ強度が低下するため添加量の上限を３％とする。

Ｍｏ：０．１〜１．５％
Ｍｏは、固溶強化および炭化物を安定化による高温での強度及び硬さの向上に寄与し、焼戻しによる脆化を防止する。０．１％未満では効果が小さく、１．５％超ではデルタフェライトの生成を促進するので、０．１〜１．５％とする。

Ｗ：０．１〜４．０％
Ｗは、固溶強化と炭化物の微細析出に寄与し、高温長時間側のクリープ強度を著しく向上する。高温強度及び硬さを確保するためには０．１％以上の添加が必要であるが４．０％を超えると粗大なデルタフェライトが生成しやすくなり、高温強度と靭性を低下する。そのため、Ｗは０．１〜４．０％とする。

Ｎｂ：０．０１〜０．１５％
Ｎｂは、靱性を高めるとともに、組織微細化の効果があるので０．０１％以上添加する。０．１５％を超えて添加してもその効果が飽和するので上限を０．１５％とする。

なお、残部はＦｅおよび不可避的不純物である。

次に、鋳片加熱温度、丸ビレット加熱温度および加熱保持時間の限定理由について説明する。
・鋳片加熱温度：１１６０℃以上Ａｃ_４点以下
連続鋳造により得られた鋳片を加熱し、熱間圧延を施して丸ビレットとする際、加熱温度を１１６０℃以上Ａｃ_４点以下とする。加熱温度が１１６０℃未満では熱間変形抵抗が大きくなり圧延が困難となる。また、Ａｃ_４点超えの温度に加熱すると、オーステナイト粒界にデルタフェライトが析出し、該デルタフェライトが熱間圧延後も丸ビレットの表層部近傍に残存して、次工程の丸ビレット加熱で成長し、圧延後の鋼管に発生する外面疵（毛割れ）の起点となる。なお、好ましくは１１６０℃以上（Ａｃ_４点−１０℃）以下である。
・丸ビレット加熱温度：１１８０℃以上Ａｃ_４点以下
鋳片圧延工程を経て得られた丸ビレットに熱間で穿孔圧延、定径圧延を施して中空素管とし、必要な場合には該中空素管を再加熱した後、縮径圧延を施して鋼管とするため、前記丸ビレットを１１８０℃以上Ａｃ_４点以下の温度に加熱する。加熱温度が１１８０℃未満では圧延時の変形抵抗が大きくなり穿孔圧延機の負荷限界を超えるため、１１８０℃を下限とする。また、Ａｃ_４点超えの温度に加熱すると、オーステナイト粒界にデルタフェライトが析出し、穿孔圧延時に熱間割れの起点となり外面疵（毛割れ）の発生を助長するため、Ａｃ_４点を加熱温度の上限とする。なお、好ましくは１１８０℃以上（Ａｃ_４点―１０℃）以下である。
・丸ビレットの加熱保持時間：１００〜２００分
前記加熱温度に加熱した丸ビレットを該加熱温度で１００〜２００分間保持する。加熱保持時間が１００分未満では十分に均熱性を確保することができず、偏熱性起因の偏肉が発生する虞がある。一方、加熱保持時間が２００分超えになると、毛割れの発生が顕著となる。そのため、丸ビレット加熱保持時間を１００〜２００分とする。なお、好ましくは１００〜１７０分である。

また、前記鋳片加熱工程または前記丸ビレット加熱工程における昇温過程で前記鋳片または前記丸ビレットの温度が、オーバーヒート等によりＡｃ_４点を超えるとデルタフェライトが析出し、圧延後の鋼管表面近傍に毛割れが発生する場合がある。そのため、前記鋳片加熱工程における被加熱材である前記鋳片、および前記丸ビレット加熱工程における被加熱材である前記丸ビレットの最高到達温度をＡｃ_４点以下とすることが好ましい。

アメリカ機械学会（ＡＳＭＥ）規格Ｔ９２／Ｐ９２の鋼管（外径１６８．３ｍｍ、肉厚２２．０ｍｍ、長さ６０００ｍｍ）を表１に示す条件（鋼管Ｎｏ．Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）で各（５４、９２、８３、４１本）製造し、鋼管の外表面に発生した毛割れの発生状況を調査した。なお、毛割れの発生率は、肉厚の５％を超える値となる（下限：０．５ｍｍ）欠陥を有害な欠陥としてカウントし、（毛割れ発生鋼管本数／全製造鋼管本数）×１００で求めた。

表１に示すように、本発明の製造方法を満たさない鋼管Ｎｏ．Ｂ、Ｃ、Ｄ（いずれも比較例）では毛割れの発生率が３８．６〜６３．０％であるのに対し、本発明例の鋼管Ｎｏ．Ａでは毛割れの発生はなかった。

Claims

質量％で、Ｃを０．０１〜０．１５％、Ｃｒを９〜１０％、Ｎｉを０．１〜３．０％、Ｍｏを０．１〜１．５％、Ｗを０．１〜４．０％、Ｎｂを０．０１〜０．１５％含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成を有する鋳片を素材として、鋳片加熱工程、鋳片圧延工程、丸ビレット加熱工程、穿孔圧延工程、延伸圧延工程、縮径圧延工程からなる継目無鋼管の製造方法であって、前記鋳片加熱工程における加熱温度を１１６０℃以上Ａｃ_４点以下とし、かつ、前記丸ビレット加熱工程における加熱温度を１１８０℃以上Ａｃ_４点以下、加熱保持時間を１００〜２００分とすることを特徴とするマルテンサイト系高Ｃｒ鋼継目無鋼管の製造方法。
前記鋳片加熱工程における被加熱材である鋳片、および前記丸ビレット加熱工程における被加熱材である丸ビレット、の最高到達温度をＡｃ_４点以下とすることを特徴とする請求項１に記載のマルテンサイト系高Ｃｒ鋼継目無鋼管の製造方法。