JP2003062685A - 鋼塊または鋼片の溶断割れ防止方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】大断面の鋼塊または鋼片であっても溶断された
鋼塊または鋼片に割れが生じない鋼塊または鋼片の溶断
割れ防止方法を提供する。 【解決手段】切断位置の断面積Ｓが０．１５〜１．３ｍ
^２ のでかつ断面の最小対辺距離が３００ｍｍ以上の鋼
塊または鋼片を、１．切断位置で溶断し、溶断後はその
鋼塊または鋼片の遷移温度を超える温度に保持するか、
または、２．下記（１）式で規定される切断速度Ｖ（ｍ
／ｈ）で溶断する鋼塊または鋼片の溶断割れ防止方法。 Ｖ≦−０．６９４Ｓ＋２．３５４ ・・（１）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、鋼塊または鋼片
の溶断割れ防止方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】鋼塊または鋼片は、押し湯部分の除去や
加工上の取り合わせの目的で、加工の前に切断されるこ
とがある。この切断の際に、鋼塊や鋼片が大断面の場合
は、鋸刃切断等の機械切断では加工能率が低いため、溶
断法が採用されている。しかし、鋼塊や鋼片を溶断する
と、溶断部が局部的に加熱された後冷却されることにな
るため溶断部には熱応力が発生し、この熱応力に起因す
る割れが発生することがある。

【０００３】溶断法により切断された鋼塊または鋼片を
加工する例として、例えば、エルハルト式製管法があ
る。この製管法は、鋼塊または鋼片を加熱した後、その
軸心にマンドレルを押し込む穿孔法により極厚のコップ
状の素材とし、その後、コップ状の素材の内面にマンド
レルを挿入した状態でダイス中を押し抜くことにより縮
径減肉加工をおこなって底付きの継目無鋼管とする方法
である。この底付きの継目無鋼管は、その後、底部が切
断され内外面が例えば切削加工されて所定寸法の製品管
とされる。

【０００４】このようにして製造された大径の継目無鋼
管は、構造用や配管用等に用いられる場合があり、この
場合は、例えば、ＪＩＳ Ｇ３４４５、Ｇ３４５５およ
びＧ３４５６に規定される炭素鋼やＪＩＳ Ｇ３４５８
に規定される合金鋼が使用される。

【０００５】エルハルト式製管法で製造される継目無鋼
管は、前記のように大径であるため、使用される鋼塊ま
たは鋼片も対辺寸法が例えば４００ｍｍ程度以上の大断
面であり、押し湯部分の除去や合い切りのため切断には
溶断法が採用されている。このように溶断された素材
は、その後加熱炉で加熱された後製管されるが、溶断後
直ちに加熱される訳ではなく、溶断後数時間経過したの
ち、加熱して製管される。また場合によっては数十時間
経過した後加熱して製管されることもある。

【０００６】ところがこのように、溶断された鋼塊また
は鋼片を加熱されるまでの間保管すると、前記のよう
に、鋼塊または鋼片の切断面に沿って割れが発生する場
合がある。切断面に沿って割れが発生した鋼塊または鋼
片にマンドレルを押し込んで穿孔すると、側面にも割れ
が進行して正常なコップ状の素材を得ることはできな
い。

【０００７】そのため、割れが生じないように鋼塊また
は鋼片を溶断前後に加熱するか、または溶断後に例えば
炉冷などの徐冷をおこなっていた。しかし、溶断前後に
加熱をおこなうかまたは溶断後に徐冷をおこなうと、そ
のための工数および設備などが必要となる。

【０００８】割れの発生を防止することのできる溶断方
法が、特開平５−１６９２５０号公報および特開平８−
１１８００６号公報に提案されている。特開平５−１６
９２５０号公報に提案された方法は、Ｃ含有量が０．４
７〜０．５８ｗｔ％を含有する高炭素鋼板を対象とし、
溶断される鋼板の板厚と溶断時の酸素圧力とにより切断
速度を規定して溶断する方法である。この方法によれば
予熱をおこなうことなく鋼板に割れが生じるのを防止す
ることができるとされている。

【０００９】特開平８−１１８００６号公報に提案され
た方法は、炭素当量Ｃｅｑ．が０．４以上で板厚１００
ｍｍ以上の鋼板を対象とし、溶断後の最高硬さがＨｖ３
２０以下となるように溶断する方法である。溶断後の最
高硬さをＨｖ３２０以下とするためには、切断速度或い
は予熱温度を制御し、例えば切断速度を１００ｍｍ／分
とすれば予熱をおこなわなくても鋼板には割れが発生し
ないとされている。

【００１０】しかし、上記の特開平５−１６９２５０号
公報および特開平８−１１８００６号公報に提案された
方法は、いずれも鋼板を対象とする方法であって、前記
の大断面の鋼塊または鋼片に適用しても、割れの発生を
完全に防止することはできない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、大
断面の鋼塊または鋼片であっても溶断後に割れが生じな
い鋼塊または鋼片の溶断割れ防止方法を提供することに
ある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明の要旨は次の
（１）と（２）の鋼塊または鋼片の溶断方法にある。

【００１３】（１）切断位置の断面積Ｓが０．１５〜
１．３ｍ^２ でかつ断面の最小対辺距離が３００ｍｍ以
上の鋼塊または鋼片を切断位置で溶断し、溶断後はその
鋼塊または鋼片の遷移温度を超える温度に保持すること
を特徴とする鋼塊または鋼片の溶断割れ防止方法。

【００１４】（２）切断位置の断面積Ｓが０．１５〜
１．３ｍ^２ でかつ断面の最小対辺距離が３００ｍｍ以
上の鋼塊を切断位置で溶断する際に、下記（１）式で規
定される条件を満足する切断速度Ｖ（ｍ／ｈ）で溶断す
ることを特徴とする鋼塊または鋼片の溶断割れ防止方
法。

【００１５】 Ｖ≦−０．６９４Ｓ＋２．３５４ ・・（１）

【００１６】

【発明の実施の形態】まず、本発明が対象とする鋼塊ま
たは鋼片（以下、これらをまとめて鋼片と表す）につい
て説明する。なお、化学組成の含有量を表す場合は質量
％で表す。対象とする鋼片の材質は次のおよびの２
種類である。

【００１７】その１種は、Ｃ：０．０５〜０．４５
％、Ｓｉ：０．１〜０．４％、Ｍｎ：０．３〜１．５％
を含み、残部が実質的にＦｅからなる炭素鋼である。こ
のような炭素鋼として、例えばエルハルト式製管法に用
いられる鋼片の場合は、ＪＩＳＧ３４４５にＳＴＫＭ１
３、ＳＴＫＭ１４、ＳＴＫＭ１５およびＳＴＫＭ１６と
して規定される炭素鋼、ＪＩＳ Ｇ３４５５にＳＴＳ３
７０、ＳＴＳ４１０およびＳＴＳ４８０として規定され
る炭素鋼、ＪＩＳ Ｇ３４５６にＳＴＰＴ３７０、ＳＴ
ＰＴ４１０およびＳＴＰＴ４８０として規定される炭素
鋼、ならびにこれらのＪＩＳに相当する他の規格に規定
される炭素鋼を挙げることができる。なお、これらの炭
素鋼には、Ｃｒ、Ｍｏ、ＮｉおよびＶは添加されない
が、不純物レベルで含有してもよい。

【００１８】他の１種は、Ｃ：０．０５〜０．２０
％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．３〜０．６
％、Ｃｒ：０．５〜２．６％、Ｍｏ：０．４〜１．５％
を含み、残部が実質的にＦｅからなる合金鋼である。こ
のような合金鋼として、例えばエルハルト式製管法に用
いられる鋼片の場合は、ＪＩＳ Ｇ３４５８にＳＴＰＡ
２０、ＳＴＰＡ２２、ＳＴＰＡ２３およびＳＴＰＡ２４
として規定された合金鋼、ならびにこれらのＪＩＳに相
当する他の規格に規定される合金鋼を挙げることができ
る。なお、これらの合金鋼には、ＮｉおよびＶは添加さ
れないが、不純物レベルで含有してもよい。ただし、Ｎ
ｉは多く含有すると強度が高くなるため、上限を０．３
％とする。

【００１９】また、本発明では、上記の化学組成に加
え、下記の（２）式で規定される炭素当量Ｃｅｑ．が
０．４０以上の鋼片を対象とする。Ｃｅｑ．が０．４０
未満であれば、大断面の鋼片であっても溶断による割れ
は生じないため、本発明の対象から除外する。

【００２０】 Ｃｅｑ．＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ／５ ＋Ｍｏ／４＋Ｎｉ／４０ ・・（２） ここで、各元素記号は、質量％で表す各元素の含有量を
表す。

【００２１】次に、本発明の溶断割れ防止方法について
説明する。

【００２２】本発明は、切断位置の断面積Ｓが０．１５
〜１．３ｍ^２ でかつ断面の最小対辺距離が３００ｍｍ
以上の鋼片の溶断割れ防止方法である。

【００２３】ここで、鋼片の断面形状は円形および多角
形で、外面を構成する円弧または辺に波状の凹凸が形成
されたものも含む。

【００２４】前記の断面形状の鋼片において、切断位置
の断面積が０．１５ｍ^２ 未満の鋼片は、鋸刃切断のよ
うな機械切断で能率良く切断できるため、溶断を採用す
る必要はない。また、切断位置の断面積が１．３ｍ^２
を超える鋼片は、より大断面であるため、本発明の溶断
割れ防止方法を採用しても、溶断割れを完全に防止する
ことはできない。そのため、切断位置の断面積が０．１
５〜１．３ｍ^２ の鋼片を対象とする。

【００２５】また、断面の最小対辺距離が３００ｍｍ未
満の場合は、切断面における中央と周辺における温度差
が小さく、切断後に発生する応力が小さいため、切断位
置の断面積が上記の範囲であっても割れは生じない。そ
のため、断面の最小対辺距離は３００ｍｍ以上とする。

【００２６】なお、断面の最小対辺距離は、断面形状が
実質的に真円の場合はその直径を、楕円の場合はその短
径を指す。断面形状が多角形の場合で、対向する辺が平
行な場合はその辺間の距離を対辺距離とし、対向する辺
が平行でない場合は重心を通り対向する平行でない辺間
の距離の最小値を対辺距離とし、これらの対辺距離のう
ち最も小さいものを最小対辺距離とする。なお、円弧ま
たは辺に波状の凹凸が形成された場合は、凹凸の高さの
半分の位置を通る線を外面とみなす。

【００２７】上記の鋼片を切断位置で溶断する。この溶
断は、鋼片を分割するために、または、不要部を除去す
るためにおこなう。例えば、鋼塊の上部に形成された押
し湯を除去するために、鋼塊をその軸方向と直角な方向
に溶断する。

【００２８】本発明の１つは、溶断された鋼片の温度
を、その鋼片の遷移温度を超える温度に保持する。具体
的には、鋼片の表面温度をその鋼片の遷移温度を超える
温度に保持する。

【００２９】溶断の種類には、ガスによる溶断、レーザ
ーによる溶断などがあるが、その種類は問わない。溶断
する際の切断速度も問わない。通常おこなわれる例えば
１．０〜２．５ｍ／ｈの切断速度でよい。

【００３０】遷移温度は、対象とする鋼片の材質、製造
履歴などによって異なる。したがって、例えば、対象と
する鋼片の溶断前の遷移温度を、例えば材質、製造履歴
毎に、予め実験により求めておく。この遷移温度は、Ｊ
ＩＳ Ｚ２２４２に規定されるエネルギー遷移温度とす
る。なお、前記の本発明で対象とする化学組成の鋼片の
遷移温度は、５℃付近である。

【００３１】溶断された鋼片には熱応力が生じる。ま
た、鋼片の温度がその鋼片の遷移温度以下となると鋼片
の靭性が低くなる。したがって、溶断された鋼片がその
鋼片の遷移温度以下となると、鋼片に生じた熱応力と靭
性の低下により鋼片に割れが生じる。しかし、鋼片の温
度を遷移温度を超える温度とすれば、鋼片の靭性が低く
ならないため、溶断により鋼片に熱応力が生じても割れ
には至らない。したがって、溶断後の鋼片の温度をその
鋼片の遷移温度を超える温度で保管、運搬する。

【００３２】本発明の他の１つは、鋼片を溶断する際の
切断速度Ｖ（ｍ／ｈ）を、鋼片の切断位置の断面積Ｓ
（ｍ^２ ）との関連で、次の（１）式のように規定す
る。

【００３３】 Ｖ≦−０．６９４Ｓ＋２．３５４ ・・（１） ここで、切断速度は、鋼片を溶断する際の溶断方向の長
さ（ｍ）を切断時間（ｈ）で除した値とする。換言すれ
ば、溶断時の平均切断速度である。この場合の溶断後の
鋼片の温度は問わない。遷移温度以下であってもよい。

【００３４】図１は、鋼片の切断位置の断面積Ｓと切断
速度Ｖとの関係を示す図である。すなわち、Ｃｅｑ．が
０．４６〜０．５１の前記ＪＩＳに規定される炭素鋼か
らなり、断面形状が正四角形および正八角形で、切断位
置の断面積Ｓが種々異なる鋼片を、切断速度Ｖを変えて
ガス溶断し、その後鋼片の表面温度を遷移温度以下であ
る３℃で１００時間保管したときの割れの有無を、断面
積Ｓと切断速度Ｖとの関係で整理した図である。

【００３５】同図からわかるように、割れが生じない範
囲の断面積Ｓと切断速度Ｖとは反比例する関係にあり、
同図に示す実線より下側が前記（１）式により表され
る。なお、このような関係は、前記の例の鋼片だけでな
く、本発明が対象とする鋼片全てにおいて成立する。

【００３６】切断速度Ｖを前記（１）式に示すように、
通常おこなわれている切断速度より遅くすると、溶断の
際に切断位置の比較的広い部分が加熱されて、溶断の際
の熱が鋼片中に蓄熱される。そのため、鋼片の切断面は
溶断後の冷却の際に徐冷されることになって焼きが入り
難くなり、溶断後の鋼片の温度が遷移温度以下であって
も、割れが生じないものと推定される。

【００３７】この方法は、溶断された鋼片の温度をその
鋼片の遷移温度を超える温度に保持できない場合に適し
ている。例えば、鋼片が寒冷地で保管され、鋼片の温度
が常時遷移温度以下となる場合である。また、昼夜の温
度差により、保管時の鋼片温度が昼間は遷移温度を超え
るが、夜間は遷移温度以下となる場合である。

【００３８】溶断時の切断速度Ｖを前記の（１）式で規
定される条件を満足すれば、溶断後の鋼片の温度が遷移
温度以下となっても割れは生じない。しかし、遷移温度
以下での時間が長くなると鋼片に割れが生じる場合があ
る。

【００３９】遷移温度以下における時間が長くなると割
れが発生するのは、遅れ破壊によるものと推定される。
すなわち、遅れ破壊が発生する時期は、破壊の起点とな
る鋼片の僅かな欠陥や鋼片の表面性状、付加された例え
ば熱応力等の応力、鋼片の靭性等が影響する。本発明が
対象とする鋼片および溶断条件では、鋼片の遷移温度以
下における保持時間が１２０時間を超えるとこの遅れ破
壊による割れが発生し易い。

【００４０】そのため、鋼片の遷移温度以下における保
持時間が、１２０時間を超えると予想される場合は、１
２０時間を超えないときに、鋼片に６００℃〜Ａ_Ｃ１点
の温度領域での軟化熱処理をおこなうのがよい。軟化熱
処理の温度が６００℃未満では鋼片が軟化せず、またＡ
_Ｃ１点を超えると鋼片が変態するので、軟化熱処理の温
度領域は６００℃〜Ａ_Ｃ１点とする。軟化熱処理におけ
る保持時間は３時間以上とし、冷却は冷却速度が１００
０℃／ｈ以下の徐冷とするのがよい。

【００４１】このように軟化熱処理をおこなうことによ
り鋼片に付加された熱応力等の応力が除去されて遅れ破
壊による割れを防止することができる。遷移温度以下に
おける保持時間が長時間に及ぶときであっても、遷移温
度以下における保持時間が１２０時間以内にこの軟化熱
処理を１回おこなえば、その後遷移温度以下の保持時間
が長時間に及んでも鋼片に割れは生じない。

【００４２】なお、溶断前の鋼片の温度は特に拘らない
が、割れの発生をより確実に防止するという観点から
は、対象とする鋼片の遷移温度を超える温度とするのが
好ましい。

【００４３】本発明の溶断割れ防止方法は、エルハルト
式製管法による継目無製管に用いられる大断面の鋼片の
溶断に限らず、大型の鍛造材や鋳造材の溶断にも適用す
ることができる。

【００４４】

【実施例】表１に示す化学組成で、切断位置の断面形状
および断面積が種々異なる鋼塊を常法により製造した。

【００４５】

【表１】 なお、表１には、対象鋼のＣｅｑ．および遷移温度を併
せて示す。

【００４６】この鋼塊の切断位置をガス溶断し、その後
保管温度および保管時間を変化させて保管した。また、
１部の試験では保管中の鋼塊に軟化熱処理を施した。軟
化熱処理は、遷移温度以下での保管時間が２４時間の時
点でおこなった。またその条件は、７００℃で３時間保
持し、その後放冷とした。

【００４７】その後、鋼塊に生じた割れの有無を調査し
た。なお、各条件による試験数は、３本とした。鋼塊の
切断予定位置の断面形状、断面積、対辺距離、溶断時の
切断速度、保管温度、保管時間、軟化熱処理の有無およ
び割れの有無を表２に示す。

【００４８】

【表２】 なお、割れの有無は、鋼塊の切断面を目視で観察し、い
ずれかの鋼塊に割れが少しでも認められた場合は有、全
ての鋼塊に割れが認められなかった場合は無とした。

【００４９】表２から次のことがわかる。切断速度が
（１）式で規定される条件を超える通常の切断速度で、
保管温度が遷移温度を超える２０℃または２５℃のＮ
ｏ．１〜Ｎｏ．８の本発明例では、１３５時間または１
４０時間保管しても割れは生じない。切断速度が（１）
式で規定される条件を満足するＮｏ．９〜Ｎｏ．１６の
本発明例では、遷移温度以下の０℃または３℃で１０５
時間または１１０時間保管しても割れは生じない。切断
速度が（１）式で規定される条件を満足し、切断から２
４時間後に軟化熱処理を施したＮｏ．１７〜Ｎｏ．１９
の本発明例では、遷移温度以下の３℃で１３５時間保管
しても割れは生じない。

【００５０】これに対して、切断速度が（１）式で規定
される条件を超え、保管温度が遷移温度以下である３℃
で１１０時間保管したＮｏ．２０からＮｏ．２４の比較
例は、割れが発生した。また、断面積が大きいＮｏ．２
５の比較例では、切断速度が（１）式で規定される条件
を満足し、遷移温度以下の３℃で５０時間保管すると割
れが発生した。なお、断面積および最小対辺距離が本発
明で規定する範囲より小さいＮｏ．２６比較例では、切
断速度を速くしても割れは生じなかった。

【００５１】

【発明の効果】この発明の鋼塊または鋼片の溶断割れ防
止方法によれば、大断面の鋼塊または鋼片であっても溶
断された鋼塊または鋼片に割れが生じることはない。

【図面の簡単な説明】

【図１】鋼片の切断位置の断面積Ｓと切断速度Ｖとの関
係を示す図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】切断位置の断面積Ｓが０．１５〜１．３ｍ
   ^２ でかつ断面の最小対辺距離が３００ｍｍ以上の鋼塊
   または鋼片を切断位置で溶断し、溶断後はその鋼塊また
   は鋼片の遷移温度を超える温度に保持することを特徴と
   する鋼塊または鋼片の溶断割れ防止方法。
2. 【請求項２】切断位置の断面積Ｓが０．１５〜１．３ｍ
   ^２ でかつ断面の最小対辺距離が３００ｍｍ以上の鋼塊
   を切断位置で溶断する際に、下記（１）式で規定される
   条件を満足する切断速度Ｖ（ｍ／ｈ）で溶断することを
   特徴とする鋼塊または鋼片の溶断割れ防止方法。 Ｖ≦−０．６９４Ｓ＋２．３５４ ・・（１）