JP2014148699A - 靭性に優れた継目無鋼管の製造方法及び製造設備 - Google Patents
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Abstract
【課題】管体肉厚方向の組織不均一に起因する材質ばらつきを低減する事と熱処理ライン全体の生産性を維持する事とを両立させることができる継目無鋼管の製造方法を提供する。
【解決手段】予め管体がＭｓ点：２００℃未満の鋼種である事の当否を判別し、焼入れ後、前記判別結果が当である管体はその管軸直交断面内の最高温部と最低温部の温度差が２．０℃未満になるまで別途室温環境下で留置（留置床６に移して留置するのが好適）した後前記焼戻し処理に供し、一方、前記判別結果が否である管体は前記留置をせず前記焼戻し処理に供する。
【選択図】図１
【解決手段】予め管体がＭｓ点：２００℃未満の鋼種である事の当否を判別し、焼入れ後、前記判別結果が当である管体はその管軸直交断面内の最高温部と最低温部の温度差が２．０℃未満になるまで別途室温環境下で留置（留置床６に移して留置するのが好適）した後前記焼戻し処理に供し、一方、前記判別結果が否である管体は前記留置をせず前記焼戻し処理に供する。
【選択図】図１
Description
本発明は、靭性に優れた継目無鋼管の製造方法及び製造設備に関する。これは、特にステンレス鋼のようにＭｓ点（＝マルテンサイト変態開始温度）、Ｍｆ点（＝マルテンサイト変態終了温度）が低温となる鋼種の継目無鋼管の製造途上品である管体に、調質熱処理である焼入れ焼戻し処理を施して靭性に優れた製品管となすのに好ましく使用されるものである。
此処に云う「靭性に優れた」とは、例えばISO規格13680を満足するものをいう。すなわち、製品管肉厚中心部の管周方向（C方向）シャルピー衝撃試験で測定された試験温度＝-10℃における吸収エネルギー（記号：vE-10）が、試験片本数3本の平均で40J以上、かつ40Jに満たないものが3本のうち1本以下で、しかもその値が27J以上（要求値の2/3以上）であることを意味する。
継目無鋼管の製造に関する従来技術として、次のものが挙げられる。
特許文献１には、厚肉１３Ｃｒ系ステンレス鋼の継目無鋼管製造に際し、焼入れ熱処理時の加熱温度、及び冷却速度を規定する事により、高強度、高靭性の製品を得る技術が開示されている。
特許文献２には、焼入れの冷却速度を大きくできない鋼種を処理する際に、生産効率の低下を最小限とする為の設備が開示されている。但し、熱処理の順序自体はトラブルが無い限り、先入れ‐先出しとなっている。
特許文献１には、厚肉１３Ｃｒ系ステンレス鋼の継目無鋼管製造に際し、焼入れ熱処理時の加熱温度、及び冷却速度を規定する事により、高強度、高靭性の製品を得る技術が開示されている。
特許文献２には、焼入れの冷却速度を大きくできない鋼種を処理する際に、生産効率の低下を最小限とする為の設備が開示されている。但し、熱処理の順序自体はトラブルが無い限り、先入れ‐先出しとなっている。
特許文献３には、マルテンサイト‐フェライト二相鋼の継目無鋼管の製造方法が開示されている。
特許文献４には、管内面側に焼入れ液を一方向に通流させる焼入れ方法において流入側と流出側の液温測定値に基いて液の流量を制御する事で焼入れ後の管の長手方向の硬さのはらつきが小さくする旨開示されている。
特許文献４には、管内面側に焼入れ液を一方向に通流させる焼入れ方法において流入側と流出側の液温測定値に基いて液の流量を制御する事で焼入れ後の管の長手方向の硬さのはらつきが小さくする旨開示されている。
マルテンサイト系ステンレス鋼などの鋼種の継目無鋼管の製造途上品である管体は、熱間加工により所定形状に管圧延後、焼入れ焼戻しの熱処理を施す事により、必要とする強度・靭性レベルに制御される。通常の熱処理は、まず焼入れ処理において、前記管体を加熱炉でＡｃ１点以上Ａｃ３点以下の温度に加熱後、水冷等により室温近くまで急冷し、続く焼戻し処理において、前記急冷後の管体を別の加熱炉にてＡｃ１点以下の温度に加熱後放冷する、と云う工程をとる（例えば特許文献１参照）。最近ではこのような熱処理を行う設備は連続ライン化されており、様々な製品品種に対して、加熱温度や加熱時間等の処理条件が各々設定される。
マルテンサイト系ステンレス鋼（特許文献１参照）やマルテンサイト‐フェライト二相鋼（特許文献３参照）などの鋼種は、前記焼入れ焼戻しによって所望量のマルテンサイト相を得るが、Ｍｓ点及びＭｆ点は鋼種を特定する鋼組成により大きく異なり、中にはＭｓ点が１００℃未満、Ｍｆ点が室温未満となる鋼種もある。焼入れ後の管体の温度は、通常表面温度の計測によって確認するが、上記の様な低Ｍｓ点、低Ｍｆ点の鋼種については、管体の表面と肉厚内部の温度差（＝肉厚方向の不均一温度分布）がマルテンサイト変態率に及ぼす影響が無視できなくなる。即ち、焼入れ後の管体の表面温度が室温近くであっても、肉厚方向の温度分布が均一な定常状態に達する前に焼戻しに入ってしまうと、意図しない組織の分布が生じ、これが調質熱処理後の材質ばらつき（＝機械的性質特に靭性のばらつき）を生じる一因となる。
一方、前記焼入れ焼戻しによって所望のマルテンサイト相を得ようとする鋼種（便宜上、特定鋼種と云う）は、焼入れ加熱（＝焼入れ処理における加熱）後の冷却速度が放冷の様な低冷却速度でもマルテンサイト変態自体は生じるので、室温までの冷却後そのまま室温で充分な時間放置すれば前記材質ばらつきは低減できる。然し、特定鋼種とこれ以外の異鋼種との熱処理を同じ熱処理ラインにて先入れ‐先出し（例えば特許文献２参照）で実施すると、特定鋼種の室温での放置時間がネックとなって熱処理ライン全体の生産性を低下させると云う問題がある。
結局のところ、従来では、焼入れ液流量制御によって管体長手方向の硬さのばらつきを低減する焼入れ方法及び設備は知られている（例えば特許文献４参照）のであるが、上述のように特定鋼種と異鋼種とを同じ熱処理ラインに通して行う熱処理において特定鋼種の管体肉厚方向の組織不均一に起因する材質ばらつきを低減する事と熱処理ライン全体の生産性を維持する事とを両立させるのは困難であると云う課題があった。
本発明者らは、前記課題を解決する為に鋭意検討し、その結果、管体を、Ｍｓ点：２００℃未満の鋼種とそれ以外の鋼種とを判別し、前者は焼入れにおける水冷後、別途、管軸方向直交断面内の最高温部と最低温部の温度差が２．０℃未満になるまで室温環境下で留置すると、前記材質ばらつきが格段に低減し、且つ前記材質ばらつき範囲内のデータの平均値も向上する事を見出した。尚、後者は通常の焼入れ焼戻しルートで処理すればよい。本発明はこれらの知見に基づいて成されたものであり、その要旨は以下の通りである。
（１） 継目無鋼管の製造途上品である管体に焼入れ焼戻し処理を施す工程を有する継目無鋼管の製造方法において、予め管体がＭｓ点：２００℃未満の鋼種である事の当否を判別し、前記焼入れ後、前記判別結果が当である管体はその管軸直交断面内の最高温部と最低温部の温度差が２．０℃未満になるまで別途室温環境下で留置した後前記焼戻し処理に供し、一方、前記判別結果が否である管体は前記留置をせず前記焼戻し処理に供することを特徴とする靭性に優れた継目無鋼管の製造方法。
（２） 継目無鋼管の製造途上品である管体に焼入れ焼戻し処理を施す設備を含む継目無鋼管の製造設備において、予め管体がＭｓ点：２００℃未満の鋼種である事の当否を判別する判別手段と、前記焼入れ後の管体のうち前記判別結果が当である管体のみを、前記焼戻しに供する前に、その管軸直交断面内の最高温部と最低温部の差が２．０℃未満になるまで別途室温環境下で留置する留置床とを備えたことを特徴とする靭性に優れた継目無鋼管の製造設備。
（１） 継目無鋼管の製造途上品である管体に焼入れ焼戻し処理を施す工程を有する継目無鋼管の製造方法において、予め管体がＭｓ点：２００℃未満の鋼種である事の当否を判別し、前記焼入れ後、前記判別結果が当である管体はその管軸直交断面内の最高温部と最低温部の温度差が２．０℃未満になるまで別途室温環境下で留置した後前記焼戻し処理に供し、一方、前記判別結果が否である管体は前記留置をせず前記焼戻し処理に供することを特徴とする靭性に優れた継目無鋼管の製造方法。
（２） 継目無鋼管の製造途上品である管体に焼入れ焼戻し処理を施す設備を含む継目無鋼管の製造設備において、予め管体がＭｓ点：２００℃未満の鋼種である事の当否を判別する判別手段と、前記焼入れ後の管体のうち前記判別結果が当である管体のみを、前記焼戻しに供する前に、その管軸直交断面内の最高温部と最低温部の差が２．０℃未満になるまで別途室温環境下で留置する留置床とを備えたことを特徴とする靭性に優れた継目無鋼管の製造設備。
本発明によれば、Ｍｓ点：２００℃未満の鋼種は焼入れ後焼戻し前に別途室温環境下で肉厚方向温度分布が十分に均一化するまで留置されて材質ばらつきの小さい優れた靭性の製品管となり、それ以外の鋼種は前記留置に妨げられることなく通常どおり先入れ‐先出しで熱処理されるから、熱処理ライン全体の生産性を維持しつつ靭性に優れた継目無鋼管を製造することができる。
図１は本発明に用いる熱処理ラインの一例を示す平面模式図である。継目無鋼管製造途上品である管体１のうち、Ｍｓ点が２００℃以上と判別された管体（便宜上、Ａ管とも云う）は、焼入れ加熱炉２で鋼種により異なる適正な加熱温度に加熱された後、焼入れ水槽３内の冷却水中に浸漬されて管体外周面温度が室温近くに低下するまで水冷され、その後冷却床４上を経由して、焼戻し加熱炉５で鋼種により異なる適正な焼戻し温度で焼戻しされる。尚、Ｍｓ点は後述の式（１）を用いた計算により求められる。
一方、Ｍｓ点が２００℃未満と判別された管体（便宜上、Ｂ管とも云う）は、冷却床４に到着するまではＡ管と同じ経路で処理されるが、其処からＡ管の経路とは別の経路である留置床（バッファラインとも云う）６へ移され、該バッファライン６上で、管軸方向直交断面内の最高温部と最低温部の温度差（ΔＴと記す）が２．０℃未満になるまで室温環境下で留置され、然る後に冷却床４に戻され、以後はＡ管と同じ経路で焼戻しされる。
尚、本例では冷却床４と留置床６とを別個の設備としたが、冷却床４のスペースに余裕があればその一部を留置床として使用してもよい。
本例において、前述の特定鋼種（焼入れ焼戻しによって所望量のマルテンサイト相を得ようとする鋼種）は、例えば、質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０５％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．２〜１．８％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｃｒ：１１〜２０％、Ｎｉ：１．５〜１０％、Ｍｏ：１〜５％、Ｎ：０．１５％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である組成のものである。尚、該組成において、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ａｌ：０．００２〜０．０５％、Ｃｕ：３．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｔｉ：０．３％以下、Ｚｒ：０．２％以下、Ｗ：３％以下、Ｂ：０．０１％以下、Ｃａ：０．０１％以下、ＲＥＭ：０．０１％以下の中から選ばれた１種又は２種以上を含有する組成としたものであってもよい。
本例において、前述の特定鋼種（焼入れ焼戻しによって所望量のマルテンサイト相を得ようとする鋼種）は、例えば、質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０５％、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．２〜１．８％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｃｒ：１１〜２０％、Ｎｉ：１．５〜１０％、Ｍｏ：１〜５％、Ｎ：０．１５％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物である組成のものである。尚、該組成において、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ａｌ：０．００２〜０．０５％、Ｃｕ：３．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下、Ｖ：０．５％以下、Ｔｉ：０．３％以下、Ｚｒ：０．２％以下、Ｗ：３％以下、Ｂ：０．０１％以下、Ｃａ：０．０１％以下、ＲＥＭ：０．０１％以下の中から選ばれた１種又は２種以上を含有する組成としたものであってもよい。
前述のように、Ｍｆ点が室温未満になる様な鋼種（これは、前記特定鋼種の中の一つである）においては、焼戻し開始時の管体肉厚方向の温度分布（管軸直交断面内の温度分布）によって、該肉厚方向の各位置におけるマルテンサイト変態率、換言すれば残留オーステナイト量が実質的に決定されることになる。斯かる温度分布において、ΔＴが１０℃未満であっても、管体肉厚方向位置による残留オーステナイト量の差異（ばらつき）は無視できない程度となる。この残留オーステナイト量のばらつきが、製品の材質ばらつきを生む原因の一つとなっている。
これに対し、本発明では、Ｂ管を、ΔＴが２．０℃未満となるまで、室温環境下で留置する。これにより、焼戻し開始時の管体肉厚方向の残留オーステナイト量のばらつきは格段に低減し、焼戻し後の製品の材質ばらつきが大幅に小さくなると共に、該材質ばらつき範囲内のデータの平均値が向上すると云う効果が得られる。ΔＴが２．０℃未満に低減するよりも前に焼戻しを開始したのでは、斯かる効果は得られない。尚、Ｂ管の判別条件を、Ｍｓ点：２００℃未満である事としたのは、これがＭｆ点：室温未満である事とほぼ等価である、と見做しても実用上差し支えないと云う本発明者らの実験検討結果に基づくものである。
本実施形態において、Ｍｓ点は、予め前記特定鋼種について、種々の組成の熱膨張試験片を用いた連続冷却変態実験で測定した熱膨張曲線からＭｓ点の実験データを採取し、該実験データを組成成分量 [質量％]で回帰分析して得られたところの、下記式（１）を用いて算出される。
Ｍｓ[℃]＝５０２−８１０[％Ｃ]−１２３０[％Ｎ]−１３[％Ｍｎ]−３０[％Ｎｉ]−１２[％Ｃｒ]−５４[％Ｃｕ]−６[Ｍｏ] …（１）
尚、式（１）において、鋼中に含有されない成分元素がある場合はその成分元素項に０を代入するものとする。
Ｍｓ[℃]＝５０２−８１０[％Ｃ]−１２３０[％Ｎ]−１３[％Ｍｎ]−３０[％Ｎｉ]−１２[％Ｃｒ]−５４[％Ｃｕ]−６[Ｍｏ] …（１）
尚、式（１）において、鋼中に含有されない成分元素がある場合はその成分元素項に０を代入するものとする。
具体的な好適実施手段としては、熱処理に入る各鋼種に対し、焼入れ完了（水冷完了）から焼戻し開始までの待機所要時間（リードタイム）を設定する。この設定に際して、前記式（１）によるＭｓ点の事前把握と、雰囲気温度及び管体表面温度の計測と伝熱計算を組み合わせたリードタイム算出ツールを準備する事が好ましい。Ｍｓ点が２００℃未満の鋼種の管体（前記Ｂ管）において、通常の先入れ-先出しでは冷却床４上でのリードタイムがΔＴ＜２．０℃となるまでの温度均一化所要時間に達しないものは、一旦バッファライン６に逃がし、室温環境下でΔＴ＜２．０となるまで留置を行った後、改めて焼戻し処理に供する。
表１に化学組成及び式（１）にて計算したＭｓ点を示す鋼ビレットを熱間加工により造管し、該造管後は１００℃〜室温まで空冷して、外径１９５．０ｍｍ×肉厚２７．０ｍｍの継目無鋼管の素材にする１０本の管体と成した。
本発明例として、前記管体のうち無作為抽出した５本（Ｐ１〜Ｐ５）について以下の熱処理（焼入れ-焼戻し）を行った。熱処理ラインは図１に示したものを用いた。焼入れは、９５０℃加熱後、水冷する処理とした。水冷後復熱完了時点での管体表面温度（実測値）は３０〜３６℃であった。この管体を室温下（大気中）で８時間以上留置し、ΔＴ（計算値）が１．２〜１．８℃となった時点で焼戻し加熱炉に装入し６００℃で焼戻しを行った。
本発明例として、前記管体のうち無作為抽出した５本（Ｐ１〜Ｐ５）について以下の熱処理（焼入れ-焼戻し）を行った。熱処理ラインは図１に示したものを用いた。焼入れは、９５０℃加熱後、水冷する処理とした。水冷後復熱完了時点での管体表面温度（実測値）は３０〜３６℃であった。この管体を室温下（大気中）で８時間以上留置し、ΔＴ（計算値）が１．２〜１．８℃となった時点で焼戻し加熱炉に装入し６００℃で焼戻しを行った。
比較例として、残りの５本の管体（Ｐ６〜Ｐ１０）について、本発明例と同じ条件での焼入れを行った後、ΔＴ＜２．０℃による時間管理は行わず、通常の先入れ-先出しで焼戻し加熱炉に装入し、６００℃で焼戻しを行った。この場合、焼戻し加熱炉装入時のΔＴ（計算値）は６．０℃であった。
焼戻し処理後の各管体から、ＪＩＳ Ｚ ２２０２の規定に準拠してＶノッチ試験片（採取位置＝管肉厚中心部、試験片厚さ＝１０ｍｍ、試験片長さ方向＝管周方向（Ｃ方向）、Ｖノッチ深さ方向＝管長方向（Ｌ方向）を３個ずつ採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４２の規定に準拠してシャルピー衝撃試験を行ってvＥ-10を求めた。
焼戻し処理後の各管体から、ＪＩＳ Ｚ ２２０２の規定に準拠してＶノッチ試験片（採取位置＝管肉厚中心部、試験片厚さ＝１０ｍｍ、試験片長さ方向＝管周方向（Ｃ方向）、Ｖノッチ深さ方向＝管長方向（Ｌ方向）を３個ずつ採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４２の規定に準拠してシャルピー衝撃試験を行ってvＥ-10を求めた。
得られた結果を表２に示す。表２より、本発明例では、vＥ-10データ（Ｎ数＝１５）の平均値＝８７．７Ｊで、40Jに満たない試験片はなかった。また標準偏差＝３．８Ｊと、非常にばらつきの小さい成績が得られた。一方、比較例では、vＥ-10データ（Ｎ数＝１５）の平均値＝８２．７Ｊであるが、40Jに満たない試験片が2本生じた。また標準偏差＝17.9Jと、平均値の低下及びばらつきの拡大が認められた。管体毎に成績を見ると、比較例では、本発明例並のvＥ-10値が得られているものがある一方、vＥ-10値が大きく低下しているものが認められ、これが平均値の低下及びばらつきの拡大を招いている。
この様に、本発明によれば安定した機械的性質が得られる。
１ 管体
２ 焼入れ加熱炉
３ 焼入れ水槽
４ 冷却床
５ 焼戻し加熱炉
６ 留置床（バッファライン）
２ 焼入れ加熱炉
３ 焼入れ水槽
４ 冷却床
５ 焼戻し加熱炉
６ 留置床（バッファライン）
Claims (2)
- 継目無鋼管の製造途上品である管体に焼入れ焼戻し処理を施す工程を有する継目無鋼管の製造方法において、予め管体がＭｓ点：２００℃未満の鋼種である事の当否を判別し、前記焼入れ後、前記判別結果が当である管体はその管軸直交断面内の最高温部と最低温部の温度差が２．０℃未満になるまで別途室温環境下で留置した後前記焼戻し処理に供し、一方、前記判別結果が否である管体は前記留置をせず前記焼戻し処理に供することを特徴とする靭性に優れた継目無鋼管の製造方法。
- 継目無鋼管の製造途上品である管体に焼入れ焼戻し処理を施す設備を含む継目無鋼管の製造設備において、予め管体がＭｓ点：２００℃未満の鋼種である事の当否を判別する判別手段と、前記焼入れ後の管体のうち前記判別結果が当である管体のみを、前記焼戻しに供する前に、その管軸直交断面内の最高温部と最低温部の差が２．０℃未満になるまで別途室温環境下で留置する留置床とを備えたことを特徴とする靭性に優れた継目無鋼管の製造設備。
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