JP2008184686A

JP2008184686A - 建築用低ｙｒ角鋼管の製造方法

Info

Publication number: JP2008184686A
Application number: JP2007022014A
Authority: JP
Inventors: Mikio Odaka; 幹雄小▲高▼; Akira Kobayashi; 章小林; Hiroyasu Yokoyama; 泰康横山
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2008-08-14

Abstract

【課題】電縫鋼管の製造設備を用い、ロール成形法により建築用低ＹＲ角鋼管を能率よく製造する製造方法を提案する。
【解決手段】電縫鋼管の素材として成分が、質量％で、Ｃ：0.05〜0.20、Ｓｉ：0.55以下、Ｍｎ：0.40〜1.60、Ｐ：0.030以下、Ｓ：0.015以下、Ｔｉ：0.005〜0.035、Ｎ：0.0060、残部部Ｆｅおよび不可避的不純物であり、かつベイナイト比率が５％以上５０％以下である帯鋼を用い、電縫鋼管の造管工程で角鋼管の管軸方向に圧縮ひずみを付与する建築用低ＹＲ角鋼管の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、建築用低ＹＲ角鋼管の製造方法に関し、詳しくは、骨組の耐震設計を行う際、一次設計における地震時柱応力に乗じる「応力割増係数」を、プレス成形法の角鋼管（ＢＣＰ）と同等にできる耐震性に優れた建築用低ＹＲ角鋼管の製造方法に関する。
このような低ＹＲ角鋼管とは、溶接ビード部を含まないように角鋼管の平板部から管軸方向に採取した５号全厚試験片（JIS Z 2201）を用い、引張試験(JIS Z 2241)により求めた降伏比ＹＲ（＝ＹＳ／ＴＳ、ＹＳ：降伏強さ、ＴＳ：引張り強さ）の値が0.80以下を満たす場合をいう。

低ＹＲ角鋼管は、主に柱などの建築用構造部材としてよく使用される。建築用低ＹＲ角鋼管に対しては、管軸方向の何れの位置においても溶接ビード部１１を含まないように試験片素材Ｗを採取し（図３参照）、その試験片を用い、引張試験(JIS Z 2241)により求めた降伏比ＹＲの値が0.80以下を満たすことが要求されている。
従来、建築用低ＹＲ角鋼管は厚板製品をプレス機により角形状にプレス成形した後、溶接する方法（ＢＣＰ法）により製造していた。この方法で製造したものと、ロール成形法で製造したもの（ＢＣＲ法）との、地震時柱応力に乗じる「応力割増係数」を表１に示す。

ＢＣＰ法で製造した角鋼管の方が、ＢＣＲ法よりも、地震時柱応力に乗じる「応力割増係数」が小さく、耐震性に優れる。

近年、生産能率の低いＢＣＰ法に代わり、コストダウンを図る意味からロール成形法により建築用低ＹＲ角鋼管を製造する試みがなされるようになった。図１に、本発明に用いて好適なロール成形法により低ＹＲ角鋼管を製造する電縫鋼管の製造設備を示す。

図１中、１は電縫鋼管の素材である帯鋼１０を巻き戻すアンコイラーを示し、２は繰り返し曲げ加工を行うことにより帯鋼１０を平坦とするレベラーを示す。３、４は平坦とした帯鋼１０をロール成形して、略丸形状のオープン管とする複数の成形ロールを示す。ケージロール３は、両エッジ部を除去した帯鋼１０からオープン管の下半分をロール成形し、フィンパスロール４は、オープン管の上半分をロール成形する役割をもつ。

ここで５は誘導コイルと一対のサイドロールを具備した電縫溶接機を示し、略丸形状のオープン管の円周方向端部を電気抵抗によるジュール熱で加熱しつつ、一対のサイドロールで管外面を押し付け、圧接・接合する。６はオープン管の円周方向端部を圧接・接合することで形成された盛り上がり部を除去する内外面ビード切削機、７は溶接ビード部１１を有する略丸形状の鋼管８にリダクションを与え、略丸形状から角形状にロール成形するサイジングロール列である。なお、図１には、帯鋼１０から連続的にロール成形により製造した角鋼管９を所定寸法に切断する切断機の図示を省略した。

上記したサイジングロール列７は、図２に示すように、複数のスタンドに組み込んだサイジングロールからなる。この略丸形成の鋼管８にリダクションを与えるサイジング工程は、必須工程であり、下記式（１）で定義するサイジングリダクションＲを製造条件に応じて適切な値に設定している。
サイジングリダクションＲ＝（1−Ｌ_２／Ｌ_１）×１００・・・・（１）
ただし、Ｌ_１：外径Ｄの略丸形状の鋼管の外周長（≒π・Ｄ）、Ｌ_２：角鋼管の外周長（＝２・Ａ＋２・Ｂ）。

断面丸形状の電縫鋼管を製造する場合には、寸法精度を確保するうえからサイジングリダクションＲ＞０となるように設定している（非特許文献１）が、角鋼管９を製造する場合にも、Ｒ＞０となるように設定し、サイジング工程前の外周長Ｌ_１よりも後の外周長Ｌ_２が短くなるようにしている。
したがって、電縫鋼管の製造設備を用い、サイジングロールの形状および使用するスタンド数を変更することで、ロール成形法により寸法精度のよい角鋼管を能率よく製造することが可能である。だが、電縫鋼管の造管工程では、角鋼管を製造する際、管軸方向に加えるひずみについては考慮していなかった。
日本鉄鋼協会編、第３版鉄鋼便覧第III巻（２）、丸善出版、1980年5月15日発行、ｐ1066〜1075

そこで、電縫鋼管の製造設備を用い、角鋼管を製造しようとした場合（ＢＣＲ法）、管軸方向に加えるひずみが考慮されていないこと、および以下の点で建築用低ＹＲ角鋼管を製造するのが非常に難しいという問題があった。
(1)角形状にロール成形するサイジング工程において、図２に示すように、溶接ビード部１１を有する略丸形状の鋼管８にリダクションを与える際、溶接ビード部１１に曲げ変形が加わる。したがって、溶接ビード部１１の近傍に割れなどが生じないよう、成分設計する必要があり、電縫鋼管素材の成分が制約される（サイジング工程での溶接ビード部の品質確保のため）。

(2)また、電縫溶接工程において、電気抵抗によるジュール熱で加熱しつつ、一対のサイドロールで管外面を押し付け、圧接・接合する際、良好な溶接ビード部を形成するため、電縫鋼管素材の成分が制約される（電縫溶接性の確保のため）。
(3)また、電縫鋼管の造管工程を経た後に、熱処理炉で角鋼管を熱処理する方法（ＢＳＲ法という）では、熱処理炉での熱処理に時間がかかるため、リードタイムが長くなり、また処理能力が熱処理炉で規制されるという欠点や、熱処理炉内の位置によって角鋼管の機械的特性がばらつくという欠点がある。したがって、ＢＳＲ法は採用することが困難である。

(4)また、ＢＳＲ法に代わり、電縫鋼管の造管工程を経た後に、角鋼管全体を誘導加熱で加熱するオンライン熱処理法により、低ＹＲ角鋼管を能率よく製造しようとした場合、電気エネルギーの消費が膨大となるため、この方法も採用することができない。
本発明は、上記問題点を解消し、電縫鋼管の製造設備を用い、ロール成形法により建築用低ＹＲ角鋼管を能率よく製造する製造方法を提案することを目的とする。

本発明者は、電縫鋼管の素材を規定するとともに、電縫鋼管の造管工程で角鋼管の管軸方向に加えるひずみを圧縮ひずみとすることで、上記課題を解決できることを知見し、本発明をなした。
すなわち、本発明は、帯鋼を連続的にロール成形して略丸形状のオープン管とする曲げ成形工程と、このオープン管の円周方向端部を電気抵抗によるジュール熱で加熱し、圧接・接合する電縫溶接工程と、この電縫溶接工程で得た略丸形状の鋼管に複数のスタンドに組み込んだサイジングロールでリダクションを与え、角形状の鋼管とするサイジング工程と、を有する電縫鋼管の造管工程において、前記電縫鋼管の素材として成分が、質量％で、Ｃ：0.05〜0.20、Ｓｉ：0.55以下、Ｍｎ：0.40〜1.60、Ｐ：0.030以下、Ｓ：0.015以下、Ｔｉ：0.005〜0.035、Ｎ：0.0060以下、残部部Ｆｅおよび不可避的不純物であり、かつベイナイト比率が５％以上５０％以下である帯鋼を用い、前記電縫鋼管の造管工程で角鋼管の管軸方向に圧縮ひずみを付与することを特徴とする建築用低ＹＲ角鋼管の製造方法である。

本発明によれば、電縫鋼管の素材を規定するとともに、電縫鋼管の造管工程で角鋼管の管軸方向に圧縮ひずみを付与することで、帯鋼のベイナイト組織に可動転移を効果的に導入することができる。その結果、電縫鋼管の造管工程を経た後に、角鋼管全体を加熱する熱処理を行わず、角鋼管の管軸方向の何れの位置においても、溶接ビード部を含まないように平板部から管軸方向に採取した５号試験片を用い、引張試験により求めた降伏比ＹＲの値が0.80以下を満たす建築用低ＹＲ角鋼管を能率よく製造することができる。

以下、本発明の建築用低ＹＲ角鋼管の製造方法について説明する。
まず、建築用低ＹＲ角鋼管の素材の成分の限定理由を説明する。本発明に用いる電縫鋼管素材は、電縫溶接性およびサイジング工程での溶接ビード部の品質を確保できるように成分設計され、かつ、ベイナイト組織を出す組織制御のためにＴｉを含有する。
すなわち建築用低ＹＲ角鋼管の素材の成分は、質量％で、Ｃ：0.05〜0.20、Ｓｉ：0.55以下、Ｍｎ：0.40〜1.60、Ｐ：0.030以下、Ｓ：0.015以下、Ｔｉ：0.005〜0.035、Ｎ：0.0060以下、残部部Ｆｅおよび不可避的不純物である。

Ｃは炭化物として析出強化に寄与する元素であり、Ｃ：0.05〜0.20質量％とする。Ｃ：0.05質量％未満では角鋼管の強度が不十分となり、一方Ｃ：0.20質量％を超えでは、角鋼管の各種溶接施工において、割れ等の欠陥が生じ易いため、0.20質量％以下とする。Ｓｉ：0.55質量％以下とするのは、電縫溶接性を確保するためである。Ｍｎは角鋼管の強度、靭性を確保するため添加する。Ｍｎ：0.40質量％未満では強度が不十分となり、一方1.60質量％を超えると強度が過大となり、帯板から角形状の鋼管にロール成形するのが困難となる。そこでＭｎ：0.40〜1.60質量％とする。Ｐ、Ｓは電縫溶接性を劣化させるので少ない程よく、また、角鋼管の靭性を確保するため、Ｐ：0.030質量％以下、Ｓ：0.015質量％以下とする。

Ｔｉ：0.005〜0.035質量％とするのは、Ｔｉ：0.005質量％未満では、鋼片の熱間圧延時、窒化物の微細析出によりベイナイトを出す組織制御を十分行うことができず、素材のベイナイト比率を５％以上にできない。Ｔｉ含有量を増やすほど、窒化物の微細析出により素材のベイナイト比率が大きくなり、素材の強度が高くなる。そして、Ｔｉ：0.035質量％を超えると、鋼片の加熱時、ＴｉＮとならないフリーＴｉにより、素材強度が過大となるため、帯板から角形状の鋼管にロール成形するのが困難となる。このような理由によって、Ｔｉ：0.005質量％以上、0.035質量％以下とする。

また、Ｎ：0.0060質量％以下とするのは、フリーのＮによる時効により、角鋼管の平板部から管軸方向に採取した試験片の降伏比ＹＲの値が0.80以下を満たすことができなくなるのを防止するためである。つまり、0.0060質量％を超えてＮを含有する素材の場合、Ｔｉ：0.005〜0.035質量％に対し、フリーＮが鋼中に生じる。この結果、たとえ電縫鋼管の造管工程で角鋼管の管軸方向に圧縮ひずみを付与することで、帯鋼のベイナイト組織に可動転移を導入したとしても、角鋼管を使用するまでの間に、可動転移がフリーＮにより固着され、電縫鋼管の造管工程で帯鋼のベイナイト組織に可動転移を導入したことによる降伏強さＹＳの低下代（素材の降伏強さと角鋼管の降伏強さＹＳとの差）がなくなる。このため、0.0060質量％を超えてＮを含有する素材の場合、降伏比ＹＲの値が0.80以下を満たすことができなくなるのである。

なお、炭素当量Ceq.は0.44質量％未満が好ましい。Ceq.は斜めy型ルート割れ試験を実施して、割れの発生しない限界の合金添加量を示した量であるが、角鋼管の各種溶接施工において、割れ等の欠陥が生じ難いため、この範囲に規制するのが好ましい。
Ceq.は、式：Ceq.=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14、で表される。但し、右辺の元素記号項は同号元素の鋼中成分含有量（質量％）であり、含有されない成分元素の項は無視する。

このような成分を含有する電縫鋼管素材のベイナイト比率、すなわちフェライト組織およびベイナイト組織の２相組織からなる素材中の、ベイナイト組織の占める比率を５％以上５０％以下とする理由は以下のとおりである。
ベイナイト比率が５％未満の素材を用いた場合、電縫鋼管の造管工程で管軸方向に圧縮ひずみを付与しても、可動転移が導入されるベイナイト組織の占める割合が少ないため、素材の降伏強さに対する角鋼管のＹＳの低下代が小さく、したがって、十分な低ＹＲ化を図ることが難しい。一方、ベイナイト比率が大きいほど、可動転移が導入されるベイナイト組織が増えるが、ベイナイト組織の効果によって素材の強度が高くなるから、帯板から角形状の鋼管にロール成形するのが難しくなる。ベイナイト比率が５０％を超えた場合、きわめて造管が困難となり、しかも電縫鋼管の造管工程、たとえば、図２に示すサイジングロール列７により管軸方向に圧縮ひずみを付与することも難しくなる。

サイジングロール列７で管軸方向に圧縮ひずみを付与するには、隣接するロールスタンドにおいて、上流側の鋼管の送り速度を下流側の鋼管の送り速度よりも速くするロール速度制御法により、スタンド間にある鋼管材料に圧縮力を加えることで実現できる。その場合、あるスタンド間（たとえば＃１と＃２のスタンド間）で鋼管材料に圧縮力を加えるだけでなく、その他のスタンド間でも鋼管材料に圧縮力を加えるのが、管軸方向に付与する圧縮ひずみを分散させることができ、あるスタンド間だけで所定の圧縮ひずみを管軸方向に付与する場合に比べて、圧縮力を小さくできるので好ましい。

ところで、上記のように成分を規定した電縫鋼管素材のベイナイト比率を５％以上５０％以下にするには、鋼片の熱間圧延条件を以下のようにすればよい。
鋼片の加熱条件：1100〜1300℃×３〜５時間、熱間圧延条件：仕上げ出側の温度＝750〜900℃、ランアウトテーブルでの冷却速度：５〜２０℃／秒、巻取り温度：520〜650℃。

辺の長さＡ、Ｂが５５０ｍｍ、肉厚が２２ｍｍの角鋼管製品（ＢＣＰ３２５相当のものを、ＢＣＲ法で製造する）を得ることを目標とし、表２に示す成分を含有する鋼種の鋼片を熱間圧延し、コイル状に巻き取って電縫鋼管の素材とした。この電縫鋼管の素材を用い、図１に示した電縫鋼管の造管設備にて帯鋼１０から連続的に角形状にロール成形して角鋼管を得た。なお、鋼片の厚み＝２２０ｍｍ、帯鋼１０の厚み＝２２ｍｍとした。また、電縫鋼管の製造設備を用い、サイジング工程で外径Ｄが２１５２ｍｍ、肉厚が２２．２ｍｍの略丸形状の鋼管にサイジングロールでリダクションを与えた。その際、図２に示すサイジングロール列において、隣接するスタンド間のロール速度を調整し、表３に示すように、角鋼管の管軸方向に圧縮ひずみ（３水準：０％以下、０．５０％、１．０％）を付与した。サイジングリダクションＲ＝２．２％とした。

得られた電縫鋼管（角鋼管）の溶接シーム部のない平板部から管軸方向に採取したJIS５号全厚引張試験片を用い、引張試験(JIS Z 2241) を行ってＹＳ（LYS若しくは0.2％PS）、ＴＳを測定し、降伏比ＹＲ（＝ＹＳ／ＴＳ、ＹＳ：降伏強さ、ＴＳ：引張り強さ）を求めた。ただし、サイジング工程で溶接シーム部に割れが発生した場合は造管不良につき、引張試験を実施しなかった。また、製品の辺の長さＡ、Ｂが管理目標５５０±３．０ｍｍ以内とならないか、もしくは製品の肉厚が管理目標２２ｍｍに対し、＋１．２ｍｍ、−０．３ｍｍ以内とならない場合、造管不良と判定した。ただし、肉厚の管理目標は、平板部分の溶接余盛り部分を除いた部分に適用した。

そして、造管不良が発生せず、角鋼管の降伏比ＹＲの値が0.80以下を満たす場合、建築用低ＹＲ角鋼管が製造可能であるとして、評価（○）とし、造管不良が発生したか、もしくは角鋼管の降伏比ＹＲの値が0.80以下を満たさない場合、評価（×）とした。その結果を、電縫鋼管の造管工程で付与した圧縮ひずみと合わせて表３に示す。
表３に示した結果から、電縫鋼管の素材の成分と、ベイナイト比率を本発明内とし、サイジング工程で角鋼管の管軸方向に圧縮ひずみを付与した場合（実験Ｎｏ.：A２、Ａ３およびB２、Ｂ３）には、評価（○）となっている。

これに対して、電縫鋼管の素材が本発明の範囲内であっても、サイジング工程で角鋼管の管軸方向に圧縮ひずみを付与していないものは、角鋼管の降伏比ＹＲの値が0.80以下を満たさないので、評価（×）となっている（実験Ｎｏ.：A1およびB1）。
また電縫鋼管の素材が本発明の範囲外である場合（鋼種Ｃ、Ｄ、Ｅ）には、鋼種Ｃ、Ｅのように造管不良が発生するか、あるいは電縫鋼管の造管工程で圧縮ひずみを付与しても、鋼種Ｄ、Ｅのように、角鋼管の降伏比ＹＲの値が0.80以下を満たさないため、評価（×）となっている。

本発明に用いて好適な電縫鋼管の製造設備を示す斜視図である。サイジング工程のサイジングロール列を示す斜視図である。角鋼管から採取する試験片素材の位置を示す斜視図である。

符号の説明

１アンコイラー
２レベラー
３ケージロール（成形ロール）
４フィンパスロール（成形ロール）
５電縫溶接機
６内外面ビード切削機
７サイジングロール列
８略丸形状の鋼管
９角形状の鋼管（角鋼管）
１０帯鋼（素材）
１１溶接ビード部
Ｄ外径
Ａ、Ｂ辺の長さ
Ｗ試験片素材

Claims

帯鋼を連続的にロール成形して略丸形状のオープン管とする曲げ成形工程と、このオープン管の円周方向端部を電気抵抗によるジュール熱で加熱し、圧接・接合する電縫溶接工程と、この電縫溶接工程で得た略丸形状の鋼管に複数のスタンドに組み込んだサイジングロールでリダクションを与え、角形状の鋼管とするサイジング工程と、を有する電縫鋼管の造管工程において、
前記電縫鋼管の素材として成分が、質量％で、Ｃ：0.05〜0.20、Ｓｉ：0.55以下、Ｍｎ：0.40〜1.60、Ｐ：0.030以下、Ｓ：0.015以下、Ｔｉ：0.005〜0.035、Ｎ：0.0060以下、残部部Ｆｅおよび不可避的不純物であり、かつベイナイト比率が５％以上５０％以下である帯鋼を用い、前記電縫鋼管の造管工程で角鋼管の管軸方向に圧縮ひずみを付与することを特徴とする建築用低ＹＲ角鋼管の製造方法。