JP2011212734A

JP2011212734A - 継目無管製造方法

Info

Publication number: JP2011212734A
Application number: JP2010085252A
Authority: JP
Inventors: Tatsuro Katsumura; 龍郎勝村; Takuya Nagahama; 拓也長濱; Kazutoshi Ishikawa; 和俊石川; Hideo Sato; 秀雄佐藤
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2010-04-01
Filing date: 2010-04-01
Publication date: 2011-10-27

Abstract

【課題】穿孔圧延工程での内面疵発生を有利に抑制できる継目無管製造方法を提供する。
【解決手段】穿孔直前のプラグ温度（プラグ初期温度Tp0）を300℃以上600℃未満の範囲となるよう、使用前のプラグを加熱または冷却する。より具体的には、１本のみの素材の穿孔または順次穿孔圧延される複数本の素材うちの１本目の穿孔に使用するプラグに対し、常温程度から加熱してプラグ初期温度を300℃以上600℃未満の範囲内に収める。この加熱手段としては、炉加熱、バーナ加熱などのいずれであってもよい。また、順次穿孔圧延される複数本の素材のうちの１本目の穿孔に使用した後さらに２本目以降の穿孔にも使用するプラグに対し、１本目以降の穿孔で高温となったプラグを２本目以降の各穿孔に使用する前に冷却してプラグ初期温度を300℃以上600℃未満の範囲内に収める。
【選択図】図４

Description

本発明は、継目無管製造方法に関し、特に、加工性に劣る丸断面鋼材（丸ビレット）を素材とした被圧延材を穿孔圧延する際に発生しがちな内面疵を有利に抑制しうる継目無管製造方法に関する。

継目無管例えば継目無鋼管は、一般に、連続鋳造機で大断面角形状のブルーム鋳片を鋳造し、加熱後、分塊圧延機、ブルーミングミルおよびビレッティングミル等で熱間圧延して丸断面鋼材すなわち丸ビレットとなし、あるいは、連続鋳造機で丸ビレットを鋳造し、これらの丸ビレットを被圧延材の素材として、製管工場にて前記被圧延材に、穿孔圧延、およびこれに後続する延伸圧延、さらに定径圧延等を施すことにより製造される。

製管工場における継目無鋼管製造工程の一例を図１に示す。丸ビレットを素材とする被圧延材1は、例えば回転式加熱炉2で、加熱（ビレット加熱）された後、穿孔用にプラグ4を有する傾斜ロール式穿孔圧延機（ピアサー）3で穿孔圧延（ピアサー圧延）され、中空素管形態となる。ピアサー圧延後の被圧延材1は、引き続いて延伸圧延される。該延伸圧延は、管内面拘束用にマンドレルバー6を有するマンネスマン-マンドレルミル5を用いるマンドレルミル圧延、あるいは、管内面拘束用にプラグ9を有するエロンゲータ8を用いる圧延（エロンゲータ圧延）と、管内面拘束用にプラグ11を有するプラグミル10を用いる圧延（プラグミル圧延）と、管内面拘束用にプラグ13を有するリーラー12を用いる圧延（リーラー圧延）とをこの順に行う圧延（エロンゲータ-プラグミル-リーラー圧延）によって実行される。延伸圧延後の被圧延材1は、例えばウォーキングビーム式加熱炉7で、再加熱された後、定径圧延される。該定径圧延は、ストレッチレデューサ14を用いるストレッチレデューサ圧延、あるいは、サイザー（サイジングミル）を用いるサイジングミル圧延によって実行される。定径圧延後の被圧延材1は、冷却床16にて冷却されて、製品（継目無鋼管）100とされる。なお、前記延伸圧延後の被圧延材がそのまま製品とされる場合もある。また、前記定径圧延前の再加熱は省略される場合もある。

継目無管の製造技術分野においては、従来、高Ｃｒ継目無鋼管の内面疵発生を少なくする目的で、丸ビレットの組成、加熱炉の均熱温度・在炉時間、ピアサー穿孔効率、プラグ形状を限定すること（特許文献１）が知られている。
また、前記内面疵は主として回転鍛造効果、いわゆるマンネスマン割れに起因するものであるが、マンネスマン割れの抑制には、例えば３ロール穿孔が有効であること（非特許文献１）や、コーンタイプロールを用いたマンネスマン穿孔（別称：交叉角穿孔）でもある程度抑制できること（非特許文献２）が知られている。

WO2005/115650号公報

材料とプロセス、6（1993）、374 鉄と鋼、1984、Ｓ306

前記穿孔圧延において、丸ビレットを２つの傾斜ロールにより拘束・推進しつつ丸ビレット軸心部対応位置に配置した工具（プラグ）により穿孔する場合、特に、丸ビレットが、直鋳材（連続鋳造まま材）であるか、あるいは直鋳材を圧延したものであってもその圧延による断面減少率が１０％以下であると、穿孔圧延された被圧延材の先端から一部の長さ部分に、あるいはひどい場合には全長にわたり、孔の内面側にカブレと呼ばれる内面疵が生じる。

上述の特許文献１に記載の技術は、内面疵を抑制しうるものであるが、操業条件の変更項目が多くて操業が複雑化し、コストアップにつながる問題がある。また、非特許文献１や非特許文献２に記載の技術では、穿孔圧延設備の大幅な改造が必要となって設備費が嵩む問題がある。そこで、この内面疵を有利（簡便かつ安価）に抑制できる技術が望まれていた。

発明者らは、前記内面疵の発生機構について鋭意検討し、次の知見を得た。
図２に概念図を示すように、穿孔圧延での内面疵は、被圧延材に加えられた加工歪ε₁が回転鍛造効果限界（マンネスマン割れが発生する加工歪領域の下限）ε_C未満であれば発生せず、ε₁がε_C以上であれば発生する。
一方、被圧延材の先端部では次のような傾向が強い。(1)噛み込み時のスリップなどによる圧延方向の速度低下によりε₁が高くなる。(2)通常、プラグは初期には低温であるため、被圧延材の先端部ではプラグとの接触による抜熱が大きく温度Ｔが下がり、延性が低下してε_Cは低下する。なお、素材が直鋳材であるか、あるいは直鋳材を圧延したものであってもその圧延による断面減少率が小さい場合、先端部に限らず全長にわたって、ε_Cは低くなる。

これらのことから、被圧延材先端部はε₁≧ε_Cとなりやすく内面疵が発生しやすくなっているが、この傾向を反転させて内面疵を抑制するには、１つにはプラグの初期温度を高くして被圧延材先端部の延性低下を抑えてε_Cの低下を抑えることが有効であり、しかも簡便で安価である。
また、図３に概念図を示すように、被圧延材には内面疵が発生しない温度域TNDが存在する。温度域TNDより低温側の温度域TD1では同じ相での温度低下に伴う延性低下によりε₁≧ε_Cとなって内面疵が発生する。例えば加工温度（プラグ先端部で穿孔されつつある被圧延材部位の温度の意、以下同じ）Twが、圧延先端からある距離までの部分において温度域TD1に入るような温度Tw1となる場合、その部分が内面疵発生域A1となる。また、温度域TNDより高温側の温度域TD2では相変態に伴うゼロ延性域に起因した加工性劣化域に到達し、ε₁≧ε_Cとなって内面疵が発生する。例えば被圧延材温度Twが、圧延後端からある距離までの部分において温度域TD2に入るような温度Tw2となる場合、その部分が内面疵発生域A2となる。一方、プラグ4は被圧延材の後端にいくほど被圧延材からの入熱が累積するから圧延先端からの距離が大きいほどプラグ温度Tpは高くなるが加工温度Twよりは低く、また、被圧延材はプラグによって先端側ほど大きく抜熱されるから圧延後端からの距離が大きいほど加工温度Twは低くなるがプラグ温度Tpよりは高い。そして、プラグ初期温度Tp0がある上限を超えない範囲で高いほどTwとTpの差は小さく、かつ圧延先端と後端でのTwの差は小さくなる。したがって、プラグ初期温度Tp0をある適正な範囲に制御することにより、加工温度Twを被圧延材全長にわたって内面疵が発生しない温度域TNDに保つことができる。

本発明は上述の知見に基づいてなされたものであり、その要旨は次のとおりである。
（１）丸断面鋼材を素材とする被圧延材を２つのロールで拘束し該ロールの傾動あるいは傾斜により推進して圧延しつつ、前記ロール間隙内の素材軸心部通過位置に配置したプラグで穿孔する穿孔圧延工程を有する継目無管製造方法において、プラグの先端から全長の30％以内の範囲の平均表面温度で定義されるプラグ温度を、穿孔直前におけるプラグ温度値が300℃以上600℃未満の範囲内となるように制御することを特徴とする継目無管製造方法。
（２）前記プラグ温度の制御は、１本のみの素材の穿孔または順次穿孔圧延される複数本の素材のうちの１本目の穿孔に使用するプラグに対し、使用前のプラグを加熱することにより行うことを特徴とする（１）に記載の継目無管製造方法。
（３）前記プラグ温度の制御は、順次穿孔圧延される複数本の素材のうちの１本目の穿孔に使用した後さらに２本目以降の穿孔にも使用するプラグに対し、使用前のプラグを水冷時間調整により冷却することにより行うことを特徴とする（１）または（２）に記載の継目無管製造方法。
（４）前記素材とする丸断面鋼材は、連続鋳造ままの、あるいは連続鋳造後に断面積減少率10％以下で圧延されてなる、丸断面鋼材であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項に記載の継目無管製造方法。

本発明によれば、継目無管製造工程の穿孔圧延段階に生じやすい内面疵を簡便かつ安価に抑制することができる。

継目無鋼管製造工程の一例を示す概略図内面疵発生機構（低温側）を示す概念図内面疵発生機構（低温側及び高温側）を示す概念図実施例１における管内面疵長さとプラグ初期温度の関係を示す相関図実施例２における管内面疵長さとプラグ初期温度の関係を示す相関図実施例３における管内面疵長さとプラグ初期温度の関係を示す相関図

従来の穿孔圧延では、１本のみの素材の穿孔に使用するプラグ、または順次穿孔圧延される複数本の素材のうち１本目の穿孔に使用するプラグに対し、プラグ温度の制御は特に行わないため、穿孔直前のプラグ温度は常温程度となっている。また、順次穿孔圧延される複数本の素材のうちの１本目の穿孔に使用した後さらに２本目以降の穿孔にも使用するプラグに対し、このプラグは１本目の穿孔により温度が上昇しており、そのまま使用するとプラグ寿命が低下するという観点から、使用前に空冷もしくは水冷してプラグ温度を再度常温近くまで下げて使用している。

これに対し、本発明では、穿孔直前におけるプラグ温度（以下、プラグ初期温度ともいう）が300℃以上600℃未満の範囲となるよう、使用前のプラグを加熱または冷却する。より具体的には、１本のみの素材の穿孔または順次穿孔圧延される複数本の素材うちの１本目の穿孔に使用するプラグに対し、常温程度から加熱してプラグ初期温度を300℃以上600℃未満の範囲内に収める。この加熱手段としては、炉加熱、バーナ加熱などのいずれであってもよい。また、順次穿孔圧延される複数本の素材のうちの１本目の穿孔に使用した後さらに２本目以降の穿孔にも使用するプラグに対し、１本目以降の穿孔で高温となったプラグを２本目以降の各穿孔に使用する前に冷却してプラグ初期温度を300℃以上600℃未満の範囲内に収める。この冷却手段として、既設のプラグ水冷設備を利用した水冷時間調整を行う方法をとると、設備の追加が不要なので好ましい。なお、圧延サイクルタイムとの兼ね合いなどによっては、空冷のみ（水冷時間ゼロ）で冷却してもよい。

これにより、内面疵発生を大幅に抑制できる。なお、用いるプラグの材質は従来と同じものでよい。
プラグ初期温度を300℃以上600℃未満に限定した理由は、図３から説明される。図３において、プラグ初期温度Tp0が300℃未満では、加工温度Twが温度域TNDを下回る圧延先端からの長さ部分A1が長くなって、内面疵の発生を抑制する効果に乏しくなる。プラグ初期温度Tp0が600℃以上になると、加工温度Twが温度域TNDを上回る圧延後端からの長さ部分A2が長くなって、内面疵の発生を抑制する効果に乏しくなることに加え、プラグ寿命が大幅に低下して再使用不能となる。

本発明に用いる素材（丸断面鋼材、別称して丸ビレット）は、従来と同じ素材をそのまま使用できるが、本発明による内面疵抑制効果がとくに顕著に具現するのは、連続鋳造ままの、あるいは連続鋳造後に断面積減少率10％以下で圧延されてなる素材を用いた場合であるから、本発明ではこの素材を用いるのが好ましい。

実験室にて、13Cr鋼（SUS420J1相当）、鋳造まま、直径58mm×長さ250mmの丸断面鋼材を1250℃に加熱し、プラグ底部径49mmプラグ長さ130mmのプラグを使用した穿孔圧延（図１のピアサー圧延相当）により、肉厚7.5mm外径65mmの継目無管を製造した。ここでは、プラグは各圧延ごとに１回ずつの使用とし、使用前のプラグを炉加熱-放冷時間調整にて予熱する、あるいは予熱しないことでプラグ初期温度Tp0を表１に示すとおり種々変えた。プラグ初期温度は、穿孔直前のプラグ先端部の表面温度を非接触式温度計で実測することで求めた。

得られた管を切断して管内面を目視観察し、圧延先端からの管内面疵発生長さ（以下、単に「疵長さ」という）を測定した。その結果を表１および図４に示す。本発明例では疵長さがゼロとなっており、内面疵が顕著に抑制されたことがわかる。

継目無管製造工場にて、1％Cr-0.5％Mo-0.01％S鋼（SCM822相当）、連続鋳造まま、直径230mm×長さ4000mmの丸断面鋼材を1250℃に加熱し、プラグ底部径150mm×プラグ長さ 300mmのプラグを使用したピアサー圧延（図１参照）により、肉厚30mm外径245mmの中空素管とし、これにエロンゲータ圧延、プラグミル圧延、リーラー圧延（いずれも図１参照）を順次施して、肉厚18mm外径194mmの継目無管を製造した。ここでは、プラグは各圧延回ごとに１回ずつの使用とし、使用前のプラグをバーナ加熱にて予熱する、あるいは予熱しない、ことでプラグ初期温度Tp0を表２に示すとおり種々変えた。プラグ初期温度は、穿孔直前のプラグ先端部の表面温度を非接触式温度計で実測することで求めた。

得られた管の内面を目視ないしはファイバースコープで観察し、疵長さを測定した。その結果を表２および図５に示す。本発明例では疵長さがこの鋼種の所定クロップ範囲（長さ300mm）内に抑えられており、内面疵が顕著に抑制されたことがわかる。

継目無管製造工場にて、13Cr鋼（SUS420J1相当）、連続鋳造まま、直径230mm×長さ4000mmの丸断面鋼材を1250℃に加熱し、プラグ底部径150mm×プラグ長さ300mmのプラグを使用したピアサー圧延（図１参照）により、肉厚30mm外径245mmの中空素管とし、これにエロンゲータ圧延、プラグミル圧延、リーラー圧延（いずれも図１参照）を順次施して、肉厚18mm外径194mmの継目無管を製造した。ここでは、複数本の被圧延材を１組として、組順に各組内の被圧延材を順次120〜150秒のサイクルタイムで圧延し、プラグは各組ごとに１回ずつの使用（組が変われば新しいプラグと交換する）とし、各組の２本目以降の各圧延の前に、プラグの水冷時間調整によりプラグ初期温度Tp0を表３に示すとおり種々変えた。表３中のNo.XYZは実施例XのY組目のZ本目を意味する。プラグ初期温度は、相前後する圧延の合間に非接触式温度計でプラグ先端部の表面温度を実測し、これに基づき差分計算にて穿孔直前のプラグ温度を導出することで求めた。

得られた管の内面を目視ないしはファイバースコープで観察し、疵長さを測定した。その結果を表３および図６に示す。本発明例では疵長さがこの鋼種の所定クロップ範囲（長さ400mm）内に抑えられており、内面疵が顕著に抑制されたことがわかる。

1 被圧延材
2 回転式加熱炉
3 ピアサー（傾斜ロール式穿孔圧延機）
4 プラグ（穿孔用）
9,11,13 プラグ（管内面拘束用）
5 マンネスマン-マンドレルミル
6 マンドレルバー
7 ウォーキングビーム式加熱炉
8 エロンゲータ
10 プラグミル
12 リーラー
14 ストレッチレデューサ
15 サイザー（サイジングミル）
16 冷却床
100 製品（継目無鋼管）

Claims

丸断面鋼材を素材とする被圧延材を２つのロールで拘束し該ロールの傾動あるいは傾斜により推進して圧延しつつ、前記ロール間隙内の素材軸心部通過位置に配置したプラグで穿孔する穿孔圧延工程を有する継目無管製造方法において、プラグの先端から全長の30％以内の範囲の平均表面温度で定義されるプラグ温度を、穿孔直前におけるプラグ温度値が300℃以上600℃未満の範囲内となるように制御することを特徴とする継目無管製造方法。
前記プラグ温度の制御は、１本のみの素材の穿孔または順次穿孔圧延される複数本の素材のうちの１本目の穿孔に使用するプラグに対し、使用前のプラグを加熱することにより行うことを特徴とする請求項１に記載の継目無管製造方法。
前記プラグ温度の制御は、順次穿孔圧延される複数本の素材のうちの１本目の穿孔に使用した後さらに２本目以降の穿孔にも使用するプラグに対し、使用前のプラグを水冷時間調整により冷却することにより行うことを特徴とする請求項１または２に記載の継目無管製造方法。
前記素材とする丸断面鋼材は、連続鋳造ままの、あるいは連続鋳造後に断面積減少率10％以下で圧延されてなる、丸断面鋼材であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の継目無管製造方法。