JP3214350B2 - 高温強度に優れたＣｒ−Ｍｏ系継目無鋼管の製造方法 - Google Patents

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、ボイラー用等の
高温用途に使用される高温強度に優れたＣｒ−Ｍｏ系継
目無鋼管を、従来法に比較して低コストで製造できるＣ
ｒ−Ｍｏ系継目無鋼管の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】巨大な設備を必要とする鉄鋼業界におい
ては、省プロセス、省エネルギー化の観点からオンライ
ンでの加工熱処理の適用によるプロセスの簡略化が種々
検討実施されている。継目無鋼管の製造においては、高
信頼性、高品質化の観点から、未だかなりの製品がオフ
ラインでの熱処理によって製造されているのが実状であ
り、製管ラインとは別に熱処理炉を設置し、焼ならし処
理後焼戻し処理し、または恒温変態熱処理等を実施する
のが一般的である。これに対して、オンラインでの熱処
理は、熱間加工後の素材が保有する熱を利用して直ちに
オーステナイト温度まで再加熱するもので、工業的に大
きなコストダウンを図ることができるため、オンライン
での熱処理プロセスを導入する動きがある。

【０００３】高温強度に優れたＣｒ−Ｍｏ系継目無鋼管
は、一般にビレットを傾斜圧延機であるピアサーを用い
て穿孔した中空素管を、プラグミルまたはマンドレルミ
ル等で延伸圧延したのち、サイザーまたはストレッチレ
デューサ等を用いて仕上加工を施し、冷却後、焼なら
し、焼戻し処理またはＡｃ₃点以上の温度でオーステナ
イト化し、冷却過程で所定の温度で一定時間保持し、高
温変態処理を実施することにより製造されているが、い
ずれも、一旦冷却した素材を再度加熱する必要があり、
経済的ではない。

【０００４】低Ｃｒ−Ｍｏ系継目無鋼管の製造方法とし
ては、２基の直接加熱式熱処理炉を使用し、第１の熱処
理炉においては管の温度が８８０〜１０００℃の範囲で
の一定温度で１０分以上加熱し、第１の熱処理炉から抽
出後自然放冷もしくは強制冷却により６５０〜７８０℃
の範囲の温度で冷却したのち、第２の熱処理炉に装入し
て管の温度が６８０〜７５０℃の範囲での一定温度で６
０分以上加熱する方法（特開平４−１６８２２４号公
報）、仕上加工用素管を８５０〜１１５０℃に再加熱し
たのち、仕上加工用素管の断面積をＡｏ（ｃｍ²）、仕
上管の断面積をＡ（ｃｍ²）とする時に、ε＝ｌｎ（Ａ
ｏ／Ａ）で表される仕上加工時の加工歪ε が０．１以
上である仕上加工を施す方法（特開平４−８０３５０号
公報）が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記特開平４−１６８
２２４号公報に開示の方法は、間接加熱炉から直接加熱
炉に変更したものであるが、オフラインでの恒温変態処
理であるため、一旦冷却した素材を再度加熱する必要が
あり、経済的ではない。また、この方法では、オーステ
ナイト化処理時間が長く、直接加熱のためスケール成長
が大で、後工程で脱スケール処理が必要であるという欠
点を有している。

【０００６】また、特開平４−８０３５０号公報に開示
の方法は、再加熱したのち仕上加工を行うため、サイズ
によっては長手方向、円周方向の組織の均一性が得られ
ず、適用できない場合や、高Ｃｒ系の場合は、仕上加工
後放冷＋焼戻しでは強度が高すぎて、高温クリープ特性
が低下することがある。

【０００７】これらＣｒ−Ｍｏ系継目無鋼管の熱処理
は、前記したとおりプロセスの合理化、省エネルギーの
観点から、製管ライン上で実施しようとする動きであ
り、直接熱処理プロセスはその代表的なものであるが、
恒温変態処理については大型炉となりすぎるため、実施
されていない。

【０００８】この発明の目的は、上記従来技術の欠点を
解消し、鋼成分、熱間圧延と恒温変態熱処理条件を特定
することによって、製管ライン上で熱処理し、高温強度
に優れたＣｒ−Ｍｏ系継目無鋼管の製造方法を提供する
ことにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成すべく鋭意試験研究を重ねた。その結果、直接熱
処理プロセスであっても、鋼の成分系を特定し、さらに
穿孔および延伸圧延等仕上圧延の条件を規定し、適正な
加工熱処理を施すことによって、整粒された再結晶粒が
得られ、通常のオフライン熱処理をしたものと同等の機
械的性能が得られることを究明し、この発明に到達し
た。

【００１０】この発明は、質量％で、Ｃ：０．０４〜
０．２０％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．２〜１．
０％、Ｃｒ：０．８〜９．５％、Ｍｏ：０．２〜２．５
％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる
ビレットを、加熱して熱間で穿孔、圧延して継目無鋼管
を製造する方法において、穿孔に続いて、断面圧縮率が
４０％以上の仕上圧延を仕上がり温度８００〜１０５０
℃で行ったのち、直ちに下記に示すｆ₁の値が２３５０
０〜２６０００となるように、温度Ｔで時間ｔの再加熱
を行い、ついで６００〜８５０℃に降温した時点で恒温
熱処理炉に挿入し、６５０〜８００℃の温度に保持して
恒温変態させることを連続してオンラインで行うことと
している。このように、仕上がり温度８００〜１０５０
℃で断面圧縮率が４０％以上の大きな加工歪を与え、さ
らに、仕上圧延後に８５０〜１１００℃の温度域の温度
Ｔで時間ｔの再加熱を行い、下記ｆ₁の値を２３５００
〜２６０００とすれば、整粒された再結晶粒を得ること
ができ、通常のオフライン熱処理をしたものと同様の機
械的性能が得られる。また、再加熱後、空冷または強制
空冷によって６００〜８５０℃まで冷却し、その後６５
０〜８００℃範囲の所定温度に保持して恒温変態させ冷
却する。 ｆ₁＝（Ｔ＋２７３）×（２１＋ｌｏｇｔ） ただ
し、Ｔ：８５０〜１１００℃、ｔ：（ｈｒ）

【００１１】また、この発明は、穿孔工程にコーン型の
ロールを有する交叉穿孔機を用い、５°〜３５°の交叉
角（ロールの軸線がパスラインの水平面または垂直面に
対してなす角度）で穿孔することとしている。このよう
に、交叉穿孔機を用い、５°〜３５°の交叉角で穿孔す
ることによって、拡管薄肉穿孔が可能なため、得られる
中空素管の肉厚は、通常のバレル型ロールの傾斜型穿孔
機を用いて穿孔した場合よりも薄くすることができる。
したがって、次の延伸圧延と仕上加工の両者を一体化し
た仕上圧延での強加工が容易となる。このため、中空素
管の変形抵抗を下げるための再加熱処理を施さなくて
も、１０５０℃以下という比較的低温域での仕上り温度
で断面圧縮率４０％以上の強加工が可能である。

【００１２】

【発明の実施の形態】この発明における仕上圧延は、穿
孔後の延伸圧延で付与された加工歪が回復する前に連続
的に仕上加工を行えば、延伸圧延と仕上加工の両者を一
体化したものとすることができる。穿孔後の延伸圧延で
付与された加工歪が回復する前に仕上加工を行うために
は、例えば、従来独立して配置されていた延伸圧延機と
してのマンドレルミルと、仕上加工機としてのサイザー
を一体型の連続配置とすれば良い。

【００１３】この発明において鋼の化学成分を限定した
理由は、以下のとおりである。なお、以降の％は全て質
量％を示す。Ｃは固溶硬化および炭化物の形成・析出に
より常温強度や高温強度を確保するのに必須の元素であ
るが、０．０４％未満ではその効果が十分でなく、０．
２０％を超えると焼入れ性が増し、強度が増加するが、
溶接性、加工性が劣化するため、０．０４〜０．２０％
とした。

【００１４】Ｓｉは鋼の脱酸に必要な元素であるが、
１．０％を超えると鋼の靭性が低下するため、１．０％
以下とした。Ｍｎは鋼の脱酸・脱硫に必要であり、かつ
鋼の強度、熱間加工性を改善し、適正な組織を得るため
に有用な元素であるが、０．２％未満ではその効果が十
分でなく、また、高強度Ｃｒ−Ｍｏ鋼の場合、１．０％
を超えると鋼の強度は上がるものの、溶接性、加工性が
劣化するため、０．２〜１．０％とした。

【００１５】Ｃｒは鋼の耐高温酸化性、長時間高温強度
の向上のために添加する元素であるが、０．８％未満で
はその効果が十分に発揮できず、また、９．５％を超え
ると溶接性、加工性が劣化するため、０．８〜９．５％
とした。Ｍｏは鋼の高温長時間強度を著しく高め、鋼中
に固溶して強化するほか、炭化物を析出してクリープ強
度を向上させる元素であるが、０．２％未満ではその効
果が十分でなく、また、２．５％を超えるとその効果が
飽和し、かつ偏析等によって製管時の加工性を低下させ
るため、０．２〜２．５％とした。

【００１６】この発明における素材のビレットの加熱温
度は、穿孔機で熱間穿孔できる温度であればよく、特に
限定されないが、最適温度は材質によって異なり、高温
延性と高温強度を考慮して決定すればよいが、通常は１
１００〜１３００℃の範囲である。

【００１７】この発明における穿孔工程は、拡管薄肉穿
孔を可能とし、得られる中空素管の肉厚を通常のバレル
型ロールの傾斜型穿孔機を用いて穿孔圧延した場合より
も薄くし、次の延伸圧延と仕上加工の両者を合算した仕
上圧延での強加工を容易となすためには、コーン型ロー
ルの交叉穿孔機を用いる。この場合の交叉穿孔機の交叉
角は、５°未満では所望の薄肉の中空素管が得難く、後
段の仕上圧延で強加工をすることが難しくなり、また、
３５°を超えると中空素管の後端が穿孔機から抜けなく
なるところのいわゆる「尻詰まり」が発生すると共に、
仕上圧延が不安定となるため、５°〜３５°とした。

【００１８】この発明における仕上圧延は、穿孔機で穿
孔された中空素管を延伸圧延および仕上加工して所望の
形状、寸法の継目無鋼管を製造する工程であって、穿孔
機での圧延に比べると比較的低温域での加工となるた
め、加工熱処理を考えた場合は有効な加工を付与する重
要な工程となる。特に、穿孔後の延伸圧延で付与された
加工歪が回復する前に仕上加工を行えば、この両者の加
工率を合算したものがいわゆる仕上圧延の加工率となる
ため、途中で中空素管を再加熱することなく、仕上圧延
で大きな加工率を付与することができる。

【００１９】この発明においては、断面圧縮率にして４
０％以上の仕上圧延を仕上がり温度８００〜１０５０℃
で行うことが必要である。断面圧縮率にして４０％未満
の加工率の場合には、再結晶がスムーズに進行せず、微
細化効果が得られないことに加え、時として結晶粒が異
常成長することがあるからである。仕上圧延の加工率の
上限は、製管対象の材質やミルの能力によって異なるた
め特定することはできないが、加工率が大き過ぎると疵
が発生し易くなるため、８０％を上限とすることが好ま
しい。

【００２０】仕上圧延の仕上がり温度は、低温であるほ
ど再結晶粒が微細になる傾向があるが、８００℃未満で
は中空素管の変形抵抗が大きくなって断面圧縮率４０％
以上の強加工を施すことが困難となると共に、仕上圧延
後に所望のミクロ組織を得るために行う再加熱のための
エネルギー消費が大きくなり、また、１０５０℃を超え
ると、結晶粒が粗大化して所望の細粒組織が得られない
ので、８００〜１０５０℃とした。

【００２１】穿孔後の延伸圧延で付与された加工歪が回
復する前に仕上加工を行うためには、従来独立して配置
していた延伸圧延機と仕上加工機を、一体型の連続配置
とすればよい。このように延伸圧延機と仕上加工機を一
体型の連続配置とすれば、製造範囲の全てのサイズに対
して仕上圧延の加工率４０％以上を安定して確保するこ
とができる。

【００２２】この発明においては、仕上圧延と恒温変態
熱処理との間で再結晶処理を実施するのが大きな特徴で
あり、これによって加工と加熱との組合せで再結晶が誘
起され、結晶粒の整粒化が可能となる。この発明は、従
来技術の圧延途中での延伸圧延と仕上加工の間で再加熱
する場合と異なり、再加熱後に加工する必要がないの
で、再加熱温度を再結晶が進行する最低の温度に設定す
ることができ、整粒な再結晶粒が得られるのである。し
かも、仕上圧延と恒温変態熱処理との間での再結晶処理
により、継目無鋼管の長手方向（圧延方向）およびロッ
ト間の均熱性が保証され、性能バラツキが大幅に小さく
なるという副次的効果も得られるのである。

【００２３】この発明における再加熱温度Ｔ（℃）とし
ては、この発明の対象としているＣｒ−Ｍｏ鋼の場合、
８５０℃未満では再結晶するのに長時間を要して製管効
率が極めて低下し、一方、１１００℃を超えると結晶粒
が大きく成長して粗粒化が甚だしくなるため、８５０〜
１１００℃とした。

【００２４】この発明における再加熱時間ｔ（ｈｒ）
は、前記したｆ₁の値を２３５００〜２６０００となる
ようにする必要がある。前記したｆ₁の値が２３５００
未満では、再結晶が完全に終了せず、恒温変態熱処理後
の靭性が低下する。一方、ｆ₁の値が２６０００を超え
る場合は、結晶粒が大きく成長して粗粒化が甚だしく、
製品靭性が劣化すると共に、恒温変態熱処理の保持時間
が長くなるため、経済性に劣り、かつ、表面スケールの
成長が大であり、製品でのスケール除去のための酸洗ま
たはショット等の工程が必要となって経済性が劣る。

【００２５】再加熱後の恒温熱処理炉挿入時の温度は、
６００℃未満ではベイナイト組織が出始め、恒温変態熱
処理後の靭性が劣化し、また、８５０℃を超えると、恒
温熱処理炉に挿入した時に恒温変態熱処理温度に保持す
るのに時間がかかり、全体の熱処理時間が長くなるため
経済的でないので、６００〜８５０℃とした。

【００２６】恒温熱処理温度は、６５０〜８００℃の範
囲外で均熱処理をすれば、オーステナイトがフェライト
変態完了するまでに長時間がかかること、均熱不足であ
れば、その後の冷却で一部または全てがベイナイトない
しはマルテンサイト変態するため、必要以上に高強度と
なり、靭性劣化および高温クリープ特性の低下となる。
恒温熱処理時間は、材質により異なるが、通常３０〜８
０分程度必要である。

【００２７】

【実施例】表１に示す成分組成の鋼Ａ〜Ｃを通常の方法
により溶解し、分塊圧延によって得た外径１８７ｍｍの
ビレットを素材として用い、図１の概略工程図に示すと
おり、１２３０℃に加熱したのち、表２に示す試験条件
で、製管（穿孔および仕上圧延）、再加熱、恒温変態熱
処理を行って外径１５０ｍｍ、肉厚９．２ｍｍの継目無
鋼管を製造した。得られた各継目無鋼管から試験片を切
り出し、常温ならびに５５０℃での引張試験を行うと共
に、加工性（へん平）ならびにオーステナイト結晶粒度
を測定した。その結果を表３に示す。なお、引張試験
は、ＪＩＳ Ｚ２２４１に規定の金属材料引張試験方法
ならびにＪＩＳ Ｇ０５６７に規定の鉄鋼材料および耐
熱合金の高温引張試験方法に準じて実施し、加工性のへ
ん平試験は、試験片を常温のまま２枚の平板間に挟み、
平板間の距離が下記式による値になるまで圧縮し、へん
平にしたとき、管の壁に疵、割れが生じたかどうかを調
べるもので、疵、割れが生じない場合を○、割れが生じ
た場合を×として表示した。 Ｈ＝｛（１＋ｅ）ｔ｝／（ｅ＋ｔ／Ｄ） ただし、
Ｈ：平板間の距離（ｍｍ）、ｔ＝管の厚さ（ｍｍ）、
Ｄ：管の外径（ｍｍ）、ｅ：定数０．０８ また、オーステナイト結晶粒度は、ＪＩＳ Ｇ０５５１
に規定の鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法に準じて
測定した。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】

【表３】

【００３１】表２に示す試験条件の試験Ｎｏ．１〜５
は、この発明の条件を満たす製造工程で、また、試験Ｎ
ｏ．６〜１０は、表２中の＊印がこの発明の条件範囲を
外れた比較例の製造工程、さらに、試験Ｎｏ．１１〜１
３は、従来のボイラー用低合金鋼管の製造に適用されて
いる代表的な熱処理条件である。表３に示すとおり、こ
の発明の条件を満たす試験Ｎｏ．１〜５は、いずれも従
来法の試験Ｎｏ．１１〜１３と同等のオーステナイト結
晶粒度５〜６．５で、かつ、へん平のない性能を有して
いるのに対し、試験Ｎｏ．６〜１０の比較例は、＊印で
示す項目が、いずれも従来法の試験Ｎｏ．１１〜１３と
同等の性能を確保できていない。

【００３２】

【発明の効果】この発明は、素材の成分、仕上圧延であ
る延伸圧延および仕上加工と恒温変態熱処理条件を特定
することによって、製造工程の簡素化、製管能率の向上
による省エネルギーを達成でき、従来法より簡素化され
た工程で、安価に高温強度に優れたＣｒ−Ｍｏ系継目無
鋼管を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例における試験Ｎｏ．１〜１０の試験条件
の概略工程図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｃ２２Ｃ 38/00 ３０２ Ｃ２２Ｃ 38/00 ３０２Ｚ 38/22 38/22 (72)発明者 近藤 邦夫 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金属工業株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C21D 8/00 - 8/10 C22C 38/00 - 38/60 B21B 3/02 B21B 17/02

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 質量％で、Ｃ：０．０４〜０．２０％、
   Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｃｒ：
   ０．８〜９．５％、Ｍｏ：０．２〜２．５％を含有し、
   残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるビレットを、
   加熱して熱間で穿孔、圧延して継目無鋼管を製造する方
   法において、穿孔に続いて、断面圧縮率で４０％以上の
   仕上圧延を仕上り温度８００〜１０５０℃で行ったの
   ち、直ちに下記に示すｆ₁の値が２３５００〜２６００
   ０となるように、温度Ｔで時間ｔの再加熱を行い、つい
   で６００〜８５０℃に降温した時点で恒温熱処理炉に挿
   入し、６５０〜８００℃の温度に保持して恒温変態させ
   ることを連続してオンラインで行うことを特徴とする高
   温強度に優れたＣｒ−Ｍｏ系継目無鋼管の製造方法。 ｆ₁＝（Ｔ＋２７３）×（２１＋ｌｏｇｔ） ただ
   し、Ｔ：８５０〜１１００℃、ｔ：（ｈｒ）
2. 【請求項２】 交叉穿孔機を用いて穿孔を交叉角５〜３
   ５°で行うことを特徴とする請求項１記載の高温強度に
   優れたＣｒ−Ｍｏ系継目無鋼管の製造方法。