JP2006307245A - Ｔｉ添加系低炭素鋼からなる継目無鋼管の熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、１回の熱処理で確実に目標とする降伏点強度を有する製品が得られるＴｉ添加系低炭素鋼からなる継目無鋼管の熱処理方法を提供することを目的としている。
【解決手段】継目無鋼管の製造ライン上で、Ｔｉ添加系低炭素鋼を素材として、それに穿孔、拡管、延伸及び磨管のための圧延を順次施した後、サイザーで絞り圧延した管体に、引き続き焼き入れ及び焼き戻しを順次行って継目無鋼管を製造するに際し、前記管体の焼き戻し温度及び時間を、素材の組成、管体のサイズ等から予測するようにした。この場合、前記サイザーで絞り圧延した管体の外径を１７８〜４０６ｍｍφとするのが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ｔｉ添加系低炭素鋼からなる継目無鋼管の焼き戻し条件の決定方法に係わり、特に、海洋構造物のブレース（補強材）等に用いられる中径（例えば、外径：１７８〜４０６ｍｍφ程度）のＴｉ添加系低炭素鋼からなる継目無鋼管を強度の規格を外すことなく安定して製造する技術に関する。

一般に、所謂「中径継目無鋼管」は、図３に示すような製造工程（ラインともいう）を経て製造されている。まず、素材としての鋼鋳片（丸ビレット等）１を加熱炉２で一定温度に加熱し、ピアサー３で穿孔して素管４とする。そして、この素管４を、エロンゲータ５で拡管、プラグミル６で延伸、リーラー７で磨管のための圧延を施し、再加熱炉８で温度を再度調整してから、多段にロールスタンドを配設したサイザー９なる絞り圧延機で最終製品の寸法に調整する。ここまで製造した継目無鋼管１０は、引き続き、焼入れ水槽１１、熱処理装置１２に装入され、所定の熱処理（焼き入れ、焼き戻し、焼きならし等）を施し、製品規格を満たすか又はユーザーが所望する品質特性にしてから、図示していない検査、表示工程を経て出荷される。

ところで、最近、石油業界の事情により、油井リグのような海洋構造物が増設される状況にあり、それに伴い、造管メーカーでは、該構造物に利用する材料の受注量が拡大している。その材料の一つに、Ｔｉ添加系低炭素鋼を素材とした中径の継目無鋼管（以下、単に鋼管ともいう）がある。

ところが、このＴｉ添加系低炭素鋼からなる鋼管を大量生産するに際して、当該材の過去の「引張り試験」の実績では、その降伏点強度は、顧客の規格から実に最大で１００ＭＰａ以上オーバーする場合もあり、引張り強度も大きくなる傾向が見られた。かかる降伏点強度が高すぎるＴｉ添加系低炭素鋼からなる鋼管は、ユーザーがそれを後に構造材に加工のが難しくなるので、その発生はできるだけ回避しなければならない。また、降伏点強度が高くなり過ぎた場合、再度の熱処理を施して、その降伏点強度を適正な値に戻すため、生産速度が遅くなり、製品の納期が遅れてしまうという問題も生じる可能性がある。

本発明は、かかる事情に鑑み、１回の熱処理で確実に目標とする降伏点強度を有する製品が得られるＴｉ添加系低炭素鋼からなる継目無鋼管の熱処理方法を提供することを目的としている。

発明者は、上記目的を達成するため鋭意研究を重ね、その成果を本発明に具現化した。

すなわち、本発明は、継目無鋼管の製造ライン上で、Ｔｉ添加系低炭素鋼を素材として、それに穿孔、拡管、延伸及び磨管のための圧延を順次施した後、サイザーで絞り圧延した管体に、引き続き焼き入れ及び焼き戻しを順次行って継目無鋼管を製造するに際し、
前記管体の焼き戻し温度及び時間を、下記（１）式に基づき定めることを特徴とするＴｉ添加系低炭素鋼からなる継目無鋼管の焼き戻し条件の決定方法である。
（Ｔ＋２７３）×（２０＋ｌｏｇ（ｔｍ））
＝１７１６８×〔Ａ₀＋Ａ₁×（Ｔｉ／Ｎ）＋Ａ₂×Ｂｒ＋Ａ₃×（ｔ／Ｄ）＋Ａ₄×Ｒ〕
・・（１）式
ここで、Ｔ：焼き戻し温度（℃），ｔｍ：焼き戻し時間（ｈｒ），Ｔｉ：素材のチタン含有量（質量％），Ｎ：素材の窒素含有量（質量％），Ｂｒ：素材のほう素含有量（Ｂ：質量％）と基準ほう素含有量（Ｂｏ：０．０００１質量％）との比（Ｂ／Ｂｏ），ｔ：管体の肉厚（ｍｍ），Ｄ：管体の外径（ｍｍφ），Ｒ：目標降伏点強度と基準降伏点強度との比、Ａ₀、Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃、Ａ₄：回帰式の定数
この場合、前記サイザーで絞り圧延した管体の外径を１７８〜４０６ｍｍφとするのが好ましい。

本発明によれば、Ｔｉ添加系低炭素鋼からなる継目無鋼管の製造に際して、造管後の鋼管に対し適切な焼き戻し条件を適用できる。その結果、１回の熱処理で確実に目標とする降伏点強度を有する製品が得られるようになる。

以下、発明をなすに至った経緯をまじえ、本発明の最良の実施形態を説明する。

まず、発明者は、Ｔｉ添加系低炭素鋼からなる素材で造管した後に「焼き入れ」、「焼き戻し」の熱処理を順次施した鋼管の降伏点強度（記号：ＹＳ）及び引張強度（記号：ＴＳ）が、ユーザーから求められている目標とする値よりも高くなるの原因を究明した。その結果、熱処理の温度及び時間は、製造対象の鋼種からなる鋼管に予め定められている通りであることが確認された。ところが、鋼管縦断面のマクロ組織を調査したところ、規格内に収まる低強度品は、図２（ｂ）に示すように、外面側の近傍に結晶粒が粗大な部分があるが、規格より外れる高強度品は、図２（ａ）に示すように、外面側から内面側にかけてほぼ全体が粗大な結晶粒になっていることが判明した。そして、実験室でこれらの試験片について加熱温度を種々変更して再焼き入れ実験を行ったが、結晶粒の粗大化に対する加熱温度の影響は見出せなかった。つまり、前記の低強度品と高強度品との間には、素材による影響があると判断された。

そこで、素材の炉番（溶製チャージの番号）毎に試料を採取し、プラズマ発光分光分析法により多数の化学成分について調査を行った。この分析結果の一例を表１に一括して示す。

表１より、各元素の値ともバラツキが小さいが、詳細に観察すると、炉番が３−３３５５９の試料が他の炉番のものより窒素（記号：Ｎ）含有量において若干の差が認められた。鋼鋳片は、同一転炉で溶製した溶鋼をＲＨ脱真空ガス装置で二次精錬し、連続鋳造されたものであるが、炉番が３−３３５５９の素材は、他と異なるＲＨ脱真空ガス装置を用いて溶製されたものであった。従って、装置のシール程度や排気装置の違いで窒素含有量に差が生じることが有り得る。

そのため、発明者は、凝固あるいは熱処理時における窒化物の析出が結晶粒の大きさに影響していると考え、窒化物としてＴｉＮに着眼した。そして、素材のＴｉ／Ｎ比と製品の降伏点強度との関係を整理してみた。その結果、図１に示すように、両者間には相関があり、Ｔｉ／Ｎ比が大きいと、降伏点強度が大きくなっていた。このことは、熱処理時に、窒素が低いことから粗大ＴｉＮが少量析出し、オーステナイト粒を粗大化し、焼き入れ性が促進することを示唆している。つまり、Ｔｉ／Ｎ比の大きい素材で製造した鋼管の降伏点強度及び引張り強度がユーザーより求められている目標とする値よりも大きくなる原因と結論した。

次に、発明者は、上記の問題点に対する対策を検討することにした。まず、Ｔｉ添加系低炭素鋼からなる継目無鋼管を製造する場合、素材のチタン（記号：Ｔｉ）の含有量は予め定まっており、窒素含有量以外はほぼ目標鋼種の基準値になっているので、上記知見に基づくと、窒素含有量の調整が重要なポイントになる。従って、まっ先に考えられる対策は、素材としての鋼鋳片を製造する溶鋼の溶製に際して、窒素含有量を低下させないことである。

ところが、この窒素含有量の調整は、溶鋼を溶製する装置であるＲＨ真空脱ガス装置の排気能力やシール性に大きな影響を受ける。そして、溶鋼の生産性のことを配慮すると、目標とするＴｉ添加系低炭素鋼からなる継目無鋼管の素材を常に同一のＲＨ真空脱ガス装置で溶製するわけにはいかない。また、Ｔｉ添加系低炭素鋼からなる継目無鋼管の素材を溶製する専用のＲＨ真空脱ガス装置を準備するのは、製鉄所として経済的なデメリットが大き過ぎる。

そこで、発明者は、継目無鋼管製造ライン上にある既存の装置を利用するだけで、対策を取ることにした。つまり、造管後の鋼管のＴｉ／Ｎ比は迅速に知れるので、熱処理を適切に行えば良いと考えたのである。そして、目標とする強度特性を満足するような「焼き入れ」や「焼き戻し」の条件を見出すことに鋭意努力した。その結果、造管後に「焼き入れ」を従来通りの条件で行い、「焼き戻し」だけを下記のように決定した条件で行えば良いことを見出したのである。

具体的には、今回得られた知見であるＴｉ／Ｎ比に加え、微量ながらも焼入れ性向上に効果のある元素であるほう素（記号：Ｂ）及び焼入れ時の冷却速度に影響を及ぼす肉厚（記号：ｔ）／外径（記号：Ｄ）比を重要因子として考慮し、過去の操業データを用いて、「焼き戻し」における温度及び時間と他の操業因子間との重相関分析を行い、下記（１）式を得た。
（Ｔ＋２７３）×（２０＋ｌｏｇ（ｔｍ））
＝１７１６８×〔Ａ₀＋Ａ₁×（Ｔｉ／Ｎ）＋Ａ₂×Ｂｒ＋Ａ₃×（ｔ／Ｄ）＋Ａ₄×Ｒ〕
・・（１）式
ここで、Ｔ：焼き戻し温度（℃），ｔｍ：焼き戻し時間（ｈｒ），Ｔｉ：素材のチタン含有量（質量％），Ｎ：素材の窒素含有量（質量％），Ｂｒ：素材のほう素含有量（Ｂ：質量％）と基準ほう素含有量（Ｂｏ：０．０００１質量％）との比（Ｂ／Ｂｏ），ｔ：管体の肉厚（ｍｍ），Ｄ：管体の外径（ｍｍφ），Ｒ：目標降伏点強度と基準降伏点強度との比、Ａ₀、Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃、Ａ₄：回帰式の定数
この（１）式によれば、造管後の鋼管のＴｉ：素材のチタン含有量（質量％），Ｎ：素材の窒素含有量（質量％），Ｂｒ：素材のほう素含有量（Ｂ：質量％）と基準ほう素含有量（Ｂｏ：０．０００１質量％）との比（Ｂ／Ｂｏ），ｔ：管体の肉厚（ｍｍ），Ｄ：管体の外径（ｍｍφ），Ｒ：目標降伏点強度と基準降伏点強度との比等の値を代入することで、その鋼管に適切な「焼き戻し」の条件を「焼き戻しの温度」×「焼き戻しの時間」の形で見出せることになる。そして、「焼き戻しの温度」か「焼き戻しの時間」のどちらか一方を常識的な値に定めれば、それに対応した他方が決まることになり、それらの条件で焼き戻しをすれば、１回の熱処理で確実に目標とする強度特性を有するＴｉ添加系継目無鋼管を製造できるようになる。

なお、本発明では、製造するＴｉ添加系低炭素鋼からなる継目無鋼管のサイズは特に限定するものではないが、前記サイザーで絞り圧延した管体（鋼管）の外径を１７８〜４０６ｍｍφとするのが好ましい。Ｔｉ添加系低炭素鋼の継目無鋼管は、１７８ｍｍφ未満の小径よりもそれ以上の中径サイズで製造されることが多いからである。

図３に示した中径の継目無鋼管の製造ラインを利用して、Ｔｉ添加系低炭素鋼からなる継目無鋼管を製造した。その際、素材の鋼鋳片１としては、製鋼工場で転炉、ＲＨ真空脱ガス装置を順次経て連続鋳造したので、造管後の鋼管のＴｉ／Ｎ比は、表２に示すように異なっている。そして、従来通りに造管後の鋼管を再加熱炉８でＡｃ₃変態点直上に加熱してから焼入れ水槽１１に浸漬する「焼き入れ」を行ってから、本発明により決定した「焼き戻し」の条件に従い、「焼き戻し」を熱処理装置１２で行った。その「焼き戻し」条件及び製品鋼管の特性を表２に一緒に示す。表２より、いずれの鋼管も目標とする降伏点強度及び引張強度を満足していた。

素材である鋼鋳片のＴｉ／Ｎと製品鋼管のＹＳとの関係を示す図である。 鋼管横断面のマクロ組織を示す図であり、（ａ）は強度が低い鋼管の、（ｂ）は強度が高い鋼管のものである。 中径継目無鋼管の製造ラインを示すフロー図である。

符号の説明

１ 鋼鋳片
２ 加熱炉
３ ピアサー
４ 素管
５ エロンゲータ
６ プラグミル
７ リーラー
８ 再加熱炉
９ サイザー
１０ 継目無鋼管
１１ 焼入れ水槽
１２ 熱処理装置

Claims (2)

1. 継目無鋼管の製造ライン上で、Ｔｉ添加系低炭素鋼を素材として、それに穿孔、拡管、延伸及び磨管のための圧延を順次施した後、サイザーで絞り圧延した管体に、引き続き焼き入れ及び焼き戻しを順次行って継目無鋼管を製造するに際し、
   前記管体の焼き戻し温度及び時間を、下記（１）式に基づき定めることを特徴とするＴｉ添加系低炭素鋼からなる継目無鋼管の熱処理方法。
   （Ｔ＋２７３）×（２０＋ｌｏｇ（ｔｍ））
   ＝１７１６８×〔Ａ₀＋Ａ₁×（Ｔｉ／Ｎ）＋Ａ₂×Ｂｒ＋Ａ₃×（ｔ／Ｄ）＋Ａ₄×Ｒ〕
   ・・（１）式
   ここで、Ｔ：焼き戻し温度（℃），ｔｍ：焼き戻し時間（ｈｒ），Ｔｉ：素材のチタン含有量（質量％），Ｎ：素材の窒素含有量（質量％），Ｂｒ：素材のほう素含有量（Ｂ：質量％）と基準ほう素含有量（Ｂｏ：０．０００１質量％）との比（Ｂ／Ｂｏ），ｔ：管体の肉厚（ｍｍ），Ｄ：管体の外径（ｍｍφ），Ｒ：目標降伏点強度と基準降伏点強度との比、Ａ₀、Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃、Ａ₄：回帰式の定数
2. 前記サイザーで絞り圧延した管体の外径を１７８〜４０６ｍｍφとすることを特徴とする請求項１記載のＴｉ添加系低炭素鋼からなる継目無鋼管の熱処理方法。

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