CN101394943A - 高Cr无缝管的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高Cr无缝管的制造方法，对于以质量％计含有8.0～16.0％的Cr、以“Cr+4Si－(22C+0.5Mn+1.5Ni+30N)”(元素符号为各成分元素的质量％计的钢中含有量)式所表示的数值为9.0％以下的钢坯，利用设定为均热温度为1100～1300℃、在炉时间(分钟)可满足“0.5×钢坯的直径(mm)”以上的加热炉对该钢坯进行加热之后，利用可通过冲头角度为60～110°的冲头在钢坯的开始穿孔侧端面设置“0.34×钢坯的直径(mm)”以上的直径的中心孔的定心机在该钢坯的开始穿孔侧端面设置中心孔，利用顶头顶端牵伸率为8.0％以下的倾斜轧辊式穿孔机进行穿孔轧制。这样制造而成的高Cr无缝管是内表面伤痕发生很少的内表面特性优异的管。

Description

高Cr无缝管的制造方法
技术领域
本发明涉及油井、气井、各种机械设备或建筑构造材料等所使用的高Cr无缝管的制造方法。特别涉及以质量％计含有Cr8.0～16.0％的高Cr无缝管的制造方法。
背景技术
作为油井、气井、各种机械设备用或建筑构造用管，多采用以质量％计，含有8.0～16.0％Cr的高Cr无缝管。
为了高效率地生产该高Cr无缝管，在穿孔轧制工序中，最好采用倾斜轧辊式穿孔机(以下，称为穿孔机)。具体来说，利用穿孔机从圆形截面的实心材料(以下称为钢坯)制造中空管坯，用芯棒式无缝管轧机(mandrel mill)、芯棒轧管机(plugmill)、阿塞尔轧管机(assel mill)、顶管机(push bench)等延伸轧制机对该穿孔后的管坯进行延伸轧制，通过牵伸缩径轧机(stretch reducer)、定径机(sizer)等对管坯外径进行减径。
不过，高Cr钢的热加工性比所谓“普通钢”的热加工性低，因此穿孔机进行穿孔轧制时，被穿孔的管坯的内表面容易产生缺陷。作为该缺陷的代表，有称为内表面起痂的缺陷，也有称为“内表面鳞状折叠”和“折叠(lap)缺陷”。
为了去除管子的内表面缺陷，必须用与管子的制造工序不同的工序，来切断或消除有伤痕的部分。该作业需要很大的工作量，生产效率显著降低。还有，内表面缺陷为深的伤痕时必须废弃管子。这使得成品率变差。
不过，专利文献1～6提出了用于抑制在穿孔轧制阶段发生内表面缺陷的技术。
在专利文献1中公开了如下技术：通过将钢中的杂质元素即P和S的含有量抑制得极低来提高材料的热加工性，抑制由穿孔机进行穿孔轧制时的内表面起痂。
在专利文献2中公开了如下技术：降低钢坯的加热温度，并且降低由穿孔机进行穿孔轧制时的平均变形速度来抑制加工发热，从而抑制δ-铁素体(ferrite)的生成。
在专利文献3公开了如下马氏体(martensite)系无缝钢管的制造方法：通过规定特定的合金成分的含有量，并将退火工序的加热时间和钢坯的加热温度管理成低温，由此改善热加工工序所生成的组织。
在专利文献4中公开了如下技术：在用具有盘形轧辊型的导块的穿孔机进行穿孔轧制时，管理材料直径、导块间隔、倾斜轧辊间隔等条件来进行穿孔轧制。
在专利文献5中公开了如下高Cr无缝管的制造方法：规定Cr、作为杂质元素的S和P、以及添加元素的含有量，并调整钢坯的加热和均热时间等，由此改善热加工工序中所生成的组织，防止内表面缺陷的发生。
在专利文献6中公开了马氏体系不锈钢无缝钢管的制造方法：规定特定的合金成分的含有量，并调整穿孔轧制时的交叉角和倾斜角，由此改善在热加工工序中所生成的组织，防止内表面缺陷的产生。
在专利文献7中公开了一种无缝管的制造方法：在由倾斜穿孔轧制机、芯棒式无缝管轧机构成的无缝钢管的制造工序中，在穿孔轧制前使用预先施加了钢坯后端部成为凹部的加工的钢坯，由此避免在延伸轧制工序中进行芯棒(mandrel bar)的拉拔时产生伤痕。
专利文献1：日本特开昭59-208055号公报
专利文献2：日本特开昭63-281705号公报
专利文献3：日本特开平4-224659号公报
专利文献4：日本特开平5-69011号公报
专利文献5：日本特开2003-3212号公报
专利文献6：日本特开2004-43935号公报
专利文献7：日本特开2004-82174号公报
即使采用上述专利文献1～7提出的技术，也不能充分地抑制含有Cr8.0～16.0％的高Cr钢的穿孔后管坯产生的内表面缺陷。
发明内容
因此，本发明人们详细地观察在高Cr无缝管产生的内表面起痂，详细地调查了产生内表面起痂与钢坯的加热条件、穿孔轧制前的钢坯的预加工条件和穿孔轧制设定条件等各种条件的因果关系。
结果发现在穿孔轧制前，通过在特定条件下在开始穿孔轧制侧的钢坯端面加工中心孔，内表面起痂被大幅度地抑制。
本发明是鉴于上述内容做成的，其目的在于提供一种高Cr无缝管的制造方法，特别能抑制在由穿孔机进行穿孔轧制工序中产生的内表面缺陷之中的内表面起痂的发生，尤其提供一种以质量％计，含有8.0～16.0％Cr的高Cr无缝管的制造方法。
本发明的主旨是如下所示的高Cr无缝管的制造方法，即，“一种高Cr无缝管的制造方法，其包括：用加热炉加热钢坯的工序、利用定心机在加热后的钢坯的穿孔开始侧端面上设置中心孔的工序、利用倾斜轧辊式穿孔机对该钢坯进行穿孔轧制的工序，其特征在于，上述钢坯以质量％计，含有8.0～16.0％的Cr，且用下式(1)所表示的Cr＊的数值为9.0％以下，
在上述加热工序中，均热温度是1100～1300℃，钢坯自进入加热炉到出炉的在炉时间被设定为满足下式(2)，
在设置上述中心孔的工序中，利用冲头角度为60～110°的冲头，在钢坯的穿孔开始侧端面设置下式(3)所示的直径的中心孔，且，在上述穿孔轧制工序中，设定为下式(4)所示的顶头(plug)顶端牵伸(draft)率为8.0％以下。
Cr＊＝Cr+4Si-(22C+0.5Mn+1.5Ni+30N)…(1)，
在炉时间(分钟)≥0.5×圆形钢坯直径(mm)…(2)，
中心孔直径(mm)≥0.34×圆形钢坯直径(mm)…(3)，
顶头顶端牵伸率(％)＝{(圆形钢坯直径(mm)-顶头最顶端部处的轧辊间隔(mm))/圆形钢坯直径(mm)}×100…(4)。
另外，(1)式中的元素符号表示以质量％计的含有量。”
根据本发明的方法，在制造含有Cr8.0～16.0％的高Cr无缝管之际，能抑制在由穿孔机进行穿孔轧制工序中产生的内表面缺陷之中的内表面起痂的发生。
具体实施方式
对上述本发明人们进行的关于在由穿孔机进行穿孔轧制工序产生的内表面起痂的调查结果的见解进行展示。
显而易见，如下述(a)～(c)所示，通过管理钢坯的均热条件而在钢坯上抑制δ-铁素体生成、减少由穿孔机进行穿孔轧制工序中的旋转锻造次数，从而内表面起痂的发生被显著地抑制。
(a)在由穿孔机进行穿孔轧制工序前，若以均热温度为1100～1300℃，在炉时间满足上述(2)式那样的条件用加热炉对含有Cr8.0～16.0％、且以上述(1)式所表示的Cr＊的数值为9.0％以下的钢坯进行加热，则由于均热(soaking)效果能抑制δ-铁素体的生成，由穿孔机进行的穿孔轧制工序中产生的内表面起痂的主要原因被抑制。
(b)通过减少下述(5)式所表示的旋转锻造次数N，可抑制发生在由穿孔机进行穿孔轧制时产生的内表面起痂。
N＝(2L×Brps)/{(轧辊圆凿(roll gorge)部的圆周速度×sinβ×穿孔效率)/穿孔比}...(5)。
另外，在上述(5)式中，
L：从轧辊咬入钢坯的位置到顶头顶端的距离，
Brps：钢坯旋转速度，也就是说，“在咬入钢坯的位置处的轧辊圆周速度的转速成分/钢坯的周长”，
穿孔比：“被穿孔的管坯的长度/钢坯长度”，
β：轧辊倾斜角(°)，
穿孔效率：穿孔轧制的前进效率(％)。
(c)从上述(5)式可知，若将“L”的数值变小，将穿孔效率的数值增大，就能降低钢坯的旋转锻造次数“N”。并且，“L”的数值可以通过减小“顶头顶端牵伸率”而容易地降低。另外，也考虑了增大轧辊倾斜角“β”的方法，但该方法有时会引起穿孔机轧辊咬入钢坯不良。
因此，接着，对提高由穿孔机进行穿孔轧制的“穿孔效率”的条件进行更详细地调查。结果得到了下述(d)和(e)的见解。
(d)在设置中心孔的工序中，通过使定心机的冲头角度处于特定的范围，从钢坯被穿孔机轧辊咬入到稳定地进行穿孔轧制的时间变短，因此提高了“穿孔效率”。
(e)通过将中心孔的直径设定为由与钢坯直径的关系所决定的特定数值以上，从而即使在“顶头顶端牵伸率”较小的条件下对钢坯进行穿孔轧制时，穿孔机轧辊也不会产生钢坯咬入不良而可稳定地对钢坯进行穿孔轧制。
本发明是基于上述见解而完成的。
下面对本发明的各要件进行详细地说明。另外，以下的说明中的各元素的含有量的“％”是指“质量％”。
(A)钢坯的化学成分
成为本发明的高Cr无缝管的材料的钢坯必须是化学成分为含有Cr8.0～16.0％、且上述(1)式所表示的Cr＊的数值为9.0％以下的高Cr钢。
Cr：8.0～16.0％
为了确保耐腐蚀性，Cr必须含有8.0％以上。另一方面，Cr是铁素体形成元素，因此其含有量多时，则在高温加工材料的时候容易生成δ-铁素体，热加工性降低。特别是，Cr含有量若超过16.0％，则热加工性显著降低。过度地添加Cr时，无缝管的制造成本上升。因此，Cr的含有量为8.0～16.0％。
Cr＊的数值：9.0％以下
即使Cr的含有量为上述的8.0～16.0％时，上述(1)式所表示的Cr＊的数值超过9.0％时，也容易生成δ-铁素体，耐硫化物应力裂纹性和热加工性降低。因此，上述(1)式所表示的Cr＊的数值为9.0％以下。
从上述可知，在本发明中，作为钢坯，采用了化学成分为含有Cr8.0～16.0％、且上述(1)式所表示的Cr＊的数值为9.0％以下的高Cr钢。
成为本发明的高Cr无缝管的材料的钢坯，作为其化学成分，只规定Cr含有量和上述(1)式所表示的Cr＊的数值即可。
还有，作为成为材料的钢坯优选的化学成分的一个例子，可列举出如下这种高Cr钢：例如包括：C：0.15～0.22％、Si：0.1～1.0％、Mn：0.10～1.00％、Cr：12.0～14.0％、P：0.020％以下、S：0.010％以下、N：0.05％以下、O(氧)：0.0060％以下，还含有从分别为0.005～0.200％的V、Nb、Ti以及0.0005～0.0100％的B选择了1种以上(但在选择2种以上时，是合计含有0.005～0.200％)、Al：0～0.1％、Ni：0～0.5％、Cu：0～0.25％以及Ca：0～0.0050％，剩余部分由Fe和杂质构成，上述(1)式所表示的Cr＊的数值为9％以下。
作为本发明的高Cr无缝管的材料的钢坯优选的化学成分的其他的例子，也可列举出如下这种高Cr钢，例如包括：C：0.003～0.050％、Si：0.05～1.0％、Mn：0.10～1.50％、Cr：10.5～14.0％、P：0.035％以下、S：0.010％以下、N：0.070％以下、O(氧)：0.0060％以下、V：0～0.200％、Ti：0～0.300％、Mo：0.2～3.0％、Ni：0～7.0％以及Zr：0～0.580％，剩余部分由Fe和杂质构成，上述(1)式所表示的Cr＊的数值为9％以下。
(B)钢坯的加热条件
在本发明中，必须用加热炉以均热温度是1100～1300℃、钢坯进入加热炉到出炉的在炉时间可以满足上述(2)式的方式对成为具有上述(A)项所述的化学成分的高Cr无缝管的材料的钢坯进行加热。
均热温度低于1100℃时，穿孔机的穿孔轧制工序中的温度、芯棒式无缝管轧机、芯棒轧管机等在延伸轧制工序中的温度变低，轧制材料的变形阻力变大，因此穿孔轧制和延伸轧制变得不稳定，容易发生烧熔。
均热温度超过1300℃时，会在钢坯中产生δ-铁素体并成长，因此容易发生内表面起痂。
即使均热温度是1100～1300℃，在加热炉中的钢坯的在炉时间不满足上述(2)式时，钢坯中心部也不能充分地均热，难以由穿孔机稳定地进行穿孔轧制。结果偏厚率恶化。
因此，在本发明中，以均热温度是1100～1300℃、钢坯进入加热炉到出炉的在炉时间满足上述(2)式的方式对成为由穿孔机进行穿孔轧制的材料的钢坯进行加热。
另外，为了防止由氧化皮损耗(scale loss)所引起的成品率的降低，上述加热炉中的在炉时间最好不足“1.5×钢坯的直径(mm)”分钟。
(C)钢坯的定心
在本发明中，必须是利用具有冲头角度为60～110°的冲头的定心机，可在以上述(B)项所述的条件加热的钢坯的由穿孔机进行的穿孔开始侧端面设置上述(3)式所表示的直径的中心孔。
若通过设置中心孔的工序，使用冲头的角度为110°以下的定心机在钢坯上设置中心孔，则在穿孔轧制工序中，顶头就不会在钢坯端面中心被推回去。在顶头顶端牵伸率较低的条件下进行穿孔轧制时，换言之，即使是以上述(5)式所表示的旋转锻造次数N小的条件，也可以直接地使钢坯稳定地进行穿孔轧制，结果缩短了穿孔轧制时间。即，可减少钢坯被旋转锻造的次数，能充分地抑制内表面起痂的发生。不过，冲头角度低于60°时，为了在钢坯上确保规定的孔径，必须深深地打入冲头，有时在该部分发生内表面缺陷而成品率降低。另一方面，冲头角度超过110°时，以顶头顶端牵伸率较小的条件难以进行穿孔轧制钢坯，还难以充分地确保轧辊咬入钢坯时的穿孔效率。因此，无法充分地抑制内表面起痂的发生，而且，由于情况的不同，有时引起轧辊咬入钢坯不良。因此定心机的冲头角度必须为60～110°。
另外，即使定心机的冲头角度是60～110°，在中心孔的直径小于“0.34×钢坯的直径(mm)”的情况下，也必须使用细小的冲头。因此，有时冲头损坏或无法确保必要的中心孔的深度，因此无法提高“穿孔效率”。因此，中心孔的直径必须满足上述(3)式，即，中心孔的直径必须为“0.34×钢坯的直径(mm)”以上。
(D)用穿孔机进行穿孔轧制
在本发明中，必须以顶头顶端牵伸率为8.0％以下的条件对通过上述(C)项所述的条件来定心的钢坯进行穿孔轧制。
顶头顶端牵伸率超过8.0％的情况下，上述(5)式中的“L”的数值，即，从轧辊咬入钢坯的位置到顶头顶端的距离是指在几何学上很大的距离。而且，在这种情况下，上述(5)式所表示的旋转锻造次数N变大，因此过度发生所谓的“满乃斯曼(Mannesmann)破坏”，容易发生内表面起痂。因此，顶头顶端牵伸率为8.0％以下。另外，优选顶头顶端牵伸率为6.0％以下。另一方面，顶头顶端牵伸率的下限虽然也取决于上述(C)项所述的中心孔的条件，但该下限是几何学上钢坯能咬入穿孔机轧辊的3.0％左右。
从以上可知，在本发明中规定如下：以上述(B)所述的条件对成为具有上述(A)所述的化学成分的高Cr无缝管的材料的圆形钢坯进行加热，以上述(C)项所述的条件进行定心后，穿孔机的顶头顶端牵伸率为8.0％以下进行穿孔轧制。
另外，在本发明中，穿孔机的穿孔效率的数值虽没有必要特别地规定，然而穿孔效率低于50％时，上述(5)式所表示的旋转锻造次数N变大，因此过度发生所谓的“满乃斯曼破坏”，容易发生内表面起痂。因此，穿孔机的穿孔效率为50％以上较佳。
从经验来说，穿孔机的穿孔效率的上限在采用滚筒(barrel)型轧辊(交叉角0°)时为60～70％左右，此外，在采用锥型轧辊(交叉角5～30°)时为75～95％左右。
下面根据实施例对本发明进行更详细地说明。
实施例
以通常的方法对具有表1所示的化学成分的钢锭进行分块轧制，形成了直径为191mm或225mm的圆形钢坯。另外，表1中的钢A和钢B双方都是化学成分处于本发明中规定的范围内的本发明例的钢。
         表1
Figure A200780007204D00121
接着，将上述尺寸的圆形钢坯装入加热炉中，以均热温度是1200℃、在炉时间为240分钟那样进行加热后，以表2所示的条件进行定心和由穿孔机进行穿孔轧制，制造出外径为228.0mm的管坯(圆形钢坯的直径为225mm时)以及外径为196.0mm的管坯(圆形钢坯的直径为191mm时)。
上述(2)式所表示的在炉时间在圆形钢坯的直径为191mm时为“0.5×191(mm)”分钟以上，即，必须为95.5分钟以上，在圆形钢坯的直径为225mm时上述在炉时间为“0.5×225(mm)”分钟以上，即，必须为112.5分钟以上。因此，上述240分钟这样的在炉时间满足本发明规定的条件。
另外，表2的试验编号4～6的情况，冲头发生了折损，因此中止了穿孔轧制。
表2
Figure A200780007204D00131
Figure A200780007204D00141
对这样得到的表2的试验编号1～3和试验编号7～22的各管坯有无产生内表面起痂进行调查。即，首先利用超声波探伤来特别指定内表面缺陷的发生部位，作标记，切断该部位，通过目视观察来进行评价。还利用目视观察和超声波探伤对偏厚等轧制缺陷的发生进行了调查。
将管坯的特性调查结果同时表示在表2中。在表2的“轧制管坯的特性”栏侧，“○”表示在管坯内表面没有确认到内表面起痂，“×1”表示在管坯内表面确认到冲头伤痕(内表面缺陷)，
“×2”表示确认到内表面起痂。另外，“-”表示由于冲头产生折损而中止穿孔轧制，因此没有调查(试验编号4～6)。
从表2可知，以本发明规定的加热条件对含有表1所示成分的高Cr钢的圆形钢坯进行加热之后，在圆形钢坯的穿孔开始侧端面利用冲头角度为60～110°的定心机设置上述(3)式所表示的直径的中心孔，随后，在咬入界限的范围内，利用本发明规定的条件的顶头顶端牵伸率进行穿孔轧制而得到的试验编号7～11和试验编号13～17的管坯时，内表面特性良好。另外，在上述的各管坯中未确认到偏厚等轧制缺陷的发生。
相对于此，即使以本发明规定的加热条件对化学成分处于本发明规定范围内的钢的钢坯进行加热时，在圆形钢坯的定心条件或穿孔轧制条件超出本发明规定的试验编号1～3、试验编号12和试验编号18～22的场合，管坯上也确认到了冲头伤痕(内表面缺陷)或内表面起痂。
即，试验编号1～3的场合，冲头角度为50°低于规定的60°，为了确保规定的孔径，在试验编号1的场合必须深深地打入冲头105.5mm，在试验编号2～3的场合必须深深地打入冲头91.1mm，因此发生了冲头伤痕(内表面缺陷)。
而且，在试验编号12的场合，中心孔直径和圆形钢坯直径之比低于0.34，而且，顶头顶端牵伸率超过规定的8.0％，因此发生了内表面起痂。
还有，在试验编号18～22的场合，冲头角度为超过规定的110°的115°，难以将顶头顶端牵伸率设定较小，为超过规定的8.0％的8.2～8.8％。而且，轧辊发生钢坯咬入不良，发生了内表面起痂。
另外，如上所述，在冲头角度为低于规定的60°的50°的试验编号4～6的场合，产生了冲头的折损，因此必须中止穿孔轧制。
以上利用实施例对本发明进行了具体地说明，但本发明不限于这些实施例。作为实施例没有公开的内容只要满足本发明的要件，当然也包含在本发明中。
工业实用性
根据本发明的制造方法，可制造出内表面伤痕发生很少的高Cr无缝管。而且，作为钢的化学成分也没有必要过度地降低杂质，制管时能确保规定的生产率，因此能高效率地制造内表面质量优异的高Cr无缝管。

Claims (1)

1.一种高Cr无缝管的制造方法，其包括：用加热炉加热钢坯的工序、利用定心机在加热后的钢坯的穿孔开始侧端面上设置中心孔的工序、利用倾斜轧辊式穿孔机对该钢坯进行穿孔轧制的工序，其特征在于，上述钢坯是以质量％计含有8.0～16.0％的Cr、且下式(1)所表示的Cr＊的数值为9.0％以下的钢坯，
在上述加热工序中，设定为均热温度是1100～1300℃，钢坯自进入加热炉到出炉的在炉时间满足下式(2)，
在设置上述中心孔的工序中，利用冲头角度为60～110°的冲头，在钢坯的穿孔开始侧端面设置下式(3)所示的直径的中心孔，且，在上述穿孔轧制工序中，设定为下式(4)所示的顶头顶端牵伸率为8.0％以下，
Cr＊＝Cr+4Si-(22C+0.5Mn+1.5Ni+30N)...(1)，
在炉时间(分钟)≥0.5×圆形钢坯直径(mm)...(2)，
中心孔直径(mm)≥0.34×圆形钢坯直径(mm)...(3)，
顶头顶端牵伸率(％)＝{(圆形钢坯直径(mm)-顶头最顶端部处的轧辊间隔(mm))/圆形钢坯直径(mm)}×100...(4)，
另外，式(1)中的元素符号表示以质量％计的含有量。
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