JP3288600B2

JP3288600B2 - 鋼管の製造方法

Info

Publication number: JP3288600B2
Application number: JP04533397A
Authority: JP
Inventors: 高明豊岡; 伸樹田中; 元晶板谷; 章依藤; 寿雄大西; 裕二橋本
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1996-05-29
Filing date: 1997-02-28
Publication date: 2002-06-04
Anticipated expiration: 2017-02-28
Also published as: JPH10211586A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶接鋼管の製造方
法に関し、とくに、固相圧接による鋼管の製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】溶接鋼管は、鋼板または鋼帯を管状に成
形しその継目を溶接したもので、小径から大径まで各種
の製造法によりつくられているが、主な製造法として、
電気抵抗溶接（電縫）、鍛接、電弧溶接によるものが挙
げられる。小径〜中径鋼管用としては、誘導加熱を利用
した電気抵抗溶接法（電気抵抗溶接鋼管、電縫管）が主
として利用されている。この方法は、連続的に帯鋼を供
給し、成形ロールで管状に成形してオープン管とし、続
いて誘導加熱によりオープン管の両エッジ部端面を鋼の
融点以上に加熱した後、スクイズロールで両エッジ部端
面を衝合溶接して鋼管を製造する方法である（例えば、
第３版鉄鋼便覧第 III巻（２）1056〜1092頁）。

【０００３】上記した誘導加熱を利用した電縫管の製造
方法では、オープン管の両エッジ部端面を鋼の融点以上
に加熱するため、電磁力の影響により溶鋼が流動し、生
成された酸化物が衝合溶接部に噛み込まれペネトレータ
等の溶接欠陥あるいは、溶鋼飛散（フラッシュ）が発生
しやすいという問題があった。この問題に対し、例え
ば、特開平2-299782号公報には、２つの加熱装置を有す
る電縫鋼管の製造法が提案されている。第１の加熱装置
でオープン管の両エッジ部をキュリー点以上に加熱し、
第２の加熱装置で更に融点以上に加熱し、スクイズロー
ルで両エッジ部を衝合溶接して鋼管を製造する。また、
特開平2-299783号公報には、第１の加熱装置で周波数45
〜250kHzの電流を流し、両エッジ部を予熱し、第２の加
熱装置で更に融点以上に加熱し、スクイズロールで両エ
ッジ部を衝合溶接して鋼管を製造する電縫管製造装置が
提案されている。

【０００４】しかしながら、これらの電縫管製造技術で
は、エッジ部を均一に加熱することは示唆しているもの
の、両エッジ部を鋼の融点以上に加熱するため、衝合溶
接時に、溶融した鋼が管の内外面に排出されビード（余
盛）が形成される。そのため、衝合溶接後に管内外面の
溶接ビードの除去が必要であり、ほとんどがビード切削
用バイトにより切削されて除去されている。

【０００５】このようなことから、この方法では、ビード切削用バイトの切削量の調整で、材料と時間の
ロスが発生する。ビード切削用バイトは消耗品であり、造管速度によっ
て異なるが、3000〜4000ｍのビード切削長毎にバイトを
交換する必要があり、そのため、１時間程度ごとに３〜
５分間のバイト交換のためのライン停止を余儀なくされ
る。

【０００６】特に造管速度が100 ｍ／min を超える高
速造管では、ビード切削用バイトの寿命が短く、交換頻
度が高い。など、ビード切削がネックとなり、高速造管ができない
ため生産性が低いという問題があった。一方、比較的小
径鋼管用として極めて高い生産性を有する鍛接鋼管製造
方法がある。この方法は、連続的に供給した帯鋼を加熱
炉で1300℃程度に加熱した後、成形ロールで管状に成形
してオープン管とし、続いてオープン管の両エッジ部に
高圧空気を吹き付けて端面のスケールオフを行った後、
ウェルディングホーンにより端面に酸素を吹き付け、そ
の酸化熱で端面を1400℃程度に昇温させてから、鍛接ロ
ールで両エッジ部端面を衝合させ固相接合して鋼管を製
造する方法である（例えば、第３版鉄鋼便覧第 III巻
（２）1056〜1092頁）。

【０００７】しかし、この鍛接鋼管製造方法では、端面のスケールオフが完全ではないので、鍛接衝合部
へのスケール噛込みが発生し、シーム部の強度が母材部
に比べてかなり劣る。このため、偏平試験で、電縫鋼管
なら偏平高さ比ｈ／Ｄ＝２ｔ／Ｄ（ｈ：偏平高さ、ｔ：
板厚、Ｄ：管外径）を達成できるのに対し、鍛接鋼管で
は偏平高さ比ｈ／Ｄが0.5 程度に劣るものとなる。

【０００８】帯鋼を高温に加熱するため、管表面にス
ケールが生成し表面肌が悪い。など、造管速度が300 ｍ
／min と速く生産性は高いが、シーム品質及び表面肌が
悪く、ＪＩＳのＳＴＫ等の強度信頼性や表面品質を要求
されるものは製造できないという問題があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題を
有利に解決し、優れたシーム品質及び表面肌を有する鋼
管を高い生産性で製造することができる、誘導加熱方式
による鋼管の製造方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、帯鋼をオープ
ン管に成形し、該オープン管の両エッジ部を加熱し、ス
クイズロールにより衝合接合する鋼管の製造方法におい
て、両エッジ部の加熱に先立ちオープン管全体を 200〜
700 ℃の温間温度域に昇温し、次いで両エッジ部を、ま
ず中・低周波、または必要に応じて高周波により誘導加
熱してキュリー点以上の予熱温度域に昇温し、さらに、
中・低周波により誘導加熱して1300℃以上融点未満の接
合温度域に昇温し、しかる後に衝合接合することを特徴
とする鋼管の製造方法である。

【００１１】本発明では、予熱温度域をキュリー点以上
1300℃未満とするのがより好ましい。また、本発明で
は、両エッジ部を予熱温度域に昇温した後、空冷し、次
いで接合温度域に昇温するほうがより好ましい。また、
本発明では、オープン管全体の温間温度域への昇温を、
オープン管を加熱する、帯鋼を加熱する、帯鋼およびオ
ープン管を加熱する、のいずれで行ってもよい。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明において、「低周波」は10
kHz 以下、「中周波」は10kHz 超え100 kHz以下、「高
周波」は100 kHz 超えの周波数帯域を意味する。本発明
によれば、両エッジ部の加熱に先立ってオープン管全体
が 200〜 700℃の温間温度域に昇温される。これを管体
予熱という。これにより、引き続き行われるオープン管
エッジ部加熱においてエッジ部とエッジ部に連なる母管
部との温度差が小さくなり、エッジ部から母管部への熱
拡散が効果的に抑制できて、エッジ部全域を接合温度域
（固相圧接に適した温度域）に保持するための周辺温度
環境が整う。この接合温度域は、1300℃以上融点未満、
好ましくは1350℃以上融点未満、より好ましくは1400℃
以上融点未満の温度域である。

【００１３】管体予熱温度が 200℃未満であると、引き
続くエッジ部加熱過程においてエッジ部から母管部への
熱拡散が大きく、衝合接合時にエッジ部を接合温度域に
安定して保つことが困難となり、いわゆる冷接となって
シーム品質が劣化する。他方、管体予熱温度が 700℃超
えであると、両エッジ部を含む管体全面にスケールが過
剰に生成し、製品のシーム品質及び表面肌がともに劣化
する結果を招く。なお、より好ましい温間温度域は 400
℃〜 650℃である。

【００１４】この管体予熱に引き続き両エッジ部を誘導
加熱するのであるが、このとき、単調に接合温度域まで
誘導加熱しようとすると、エッジ部端面におけるコーナ
部とフラット部（なかでもとくに肉厚中心部）との温度
差が過大（コーナ部の温度のほうが高くなる）となり、
コーナ部とフラット部を接合温度域に同時共存させるこ
とが極めて困難である。

【００１５】これに対し本発明によれば、エッジ部は、
まずキュリー点（ 770℃程度）以上の温度域（予熱温度
域）に誘導加熱（エッジ予熱という）され、次いで接合
温度域に誘導加熱（本加熱という）される。エッジ部を
一本調子でなくこのように二段階に分けて加熱すること
により、初めて衝合接合時にエッジ部のコーナ部とフラ
ット部とを接合温度域内に同時に到達させることができ
る。

【００１６】この理由を以下に述べる。図３は鋼の比透
磁率の温度依存性を示す特性図である。この図に示され
るように、鋼はキュリー点以上の温度域で強磁性体から
常磁性体に磁気変態し、比透磁率（対真空比）が１に近
い値となる。一方、誘導電流の浸透深さは次式(1) で与
えられる。

【００１７】Ｓ＝α｛ρ／（μ_rｆ）｝^1/2………(1) ここに、Ｓ：浸透深さ（ｍ）、ρ：抵抗率（Ω・ｍ）、
μ_r：比透磁率、ｆ：周波数（kHz ）、α：定数であ
る。また、図４は、浸透深さの温度および周波数依存性
を示す特性図である。エッジ予熱において、エッジ部を
キュリー点以上の温度域に加熱することにより、式(1)
で与えられる浸透深さＳが大きくなって、本加熱段階で
の被接合面内温度の均一化を図ることができる。ただ
し、エッジ予熱段階でフラット部を一気に1300℃以上に
まで昇温すると、コーナ部とフラット部との温度差ある
いは表裏コーナ部間の温度差が大きくなりすぎる場合も
あるので、予熱温度域は1300℃未満とするのが好まし
い。

【００１８】また、エッジ予熱の際の誘導加熱に用いる
周波数は、誘導電流の浸透深さが浅すぎるとフラット部
とコーナ部との温度差あるいは表裏コーナ部間の温度差
が過大化することが懸念される比較的厚肉のオープン管
に対しては、中周波または低周波（中・低周波という）
を採用するのが好ましく、かかる懸念のない比較的薄肉
のオープン管に対しては加熱電流効率の観点から高周波
を採用するのが好ましい。

【００１９】なお、本発明では、エッジ予熱の加熱方式
が誘導加熱であることを前提としたが、エッジ予熱に関
しては、本発明と同等の効果が期待されるのであれば、
誘導加熱方式に代えて、レーザビーム、電子ビーム、プ
ラズマビーム等よる局所入熱方式とすることもできる。
こうして予熱温度域に到達させたエッジ部を、さらに誘
導加熱して接合温度域に昇温する。接合温度域への昇温
は通電加熱によっても可能であるが、オープン管に通電
チップを接触させねばならず、スパーク疵の発生等難点
が多いことから高速造管に適用するには不向きである。

【００２０】本加熱に係る誘導加熱に関しては、これを
高周波によって行うと、浸透深さが浅くなってエッジ部
端面のフラット部が接合温度域に達したときにコーナ部
が接合温度域を上回る（融点を超える）場合が多くな
り、ビード切削が必要となって固相圧接法のメリットが
消失してしまうので、ここでの周波数は、中・低周波を
採用する必要がある。

【００２１】また、本発明においては、エッジ予熱と本
加熱との間にエッジ部を空冷する過程を挿入するのが好
適である。これはとくに比較的厚肉のオープン管を固相
圧接する場合に効果が大きい方法であって、これによ
り、コーナ部に偏った蓄熱量がフラット部に拡散してエ
ッジ部端面の温度均一化が促進され、本加熱終了時のエ
ッジ部端面におけるコーナ部と肉厚中心部との温度差を
100℃以内に制御でき、より安定した固相圧接条件が確
保できる。なお、この空冷時間は温度均一化の観点から
0.05秒以上とるのがよい。ただし当然ながらキュリー点
を下回るまで空冷してしまうとエッジ予熱の効果が失わ
れるので、空冷時間の上限はこの点を考慮して設定す
る。

【００２２】また、管体予熱は、エッジ予熱段階でのエ
ッジ部と母管部との温度差を小さくするために行うもの
であるから、エッジ予熱直前のオープン管全体を 200〜
700℃の温度域に昇温できさえすれば、その加熱はオー
プン管自体に施しても、オープン管に成形する前の帯鋼
に施しても、またその両方に施してもよく、本発明を適
用する造管ラインの事情に応じて適宜選択可能である。
なお、管体予熱の加熱方式は特に限定されず、炉内加
熱、誘導加熱、通電加熱等いずれの方式で行ってもよ
い。

【００２３】このように、本発明によれば、誘導加熱方
式を用いてスクイズロールの直前でエッジ部端面コーナ
部およびフラット部を接合温度域に安定的に保持できる
から、優れたシーム品質及び表面肌を有する鋼管を高い
生産性で製造することができる。

【００２４】

【実施例】図１は本発明の実施例に用いた装置列の模式
図である。図１において、１はオープン管、２は鋼管、
３はスクイズロール、４は本加熱コイル、５はエッジ予
熱コイル、６は本加熱帯、７は空冷帯、８はエッジ予熱
帯、９は加熱炉、10はエッジ部である。なお、とくに限
定されないが、この装置列ではエッジ予熱コイル５とし
て水平型ワンターンコイルをタンデムに配置し、本加熱
コイル４として垂直型スリーターンコイルを一段に配置
した。

【００２５】本発明は固相圧接法を採用するので電縫管
のような溶接余盛部は形成されないから、スクイズロー
ル３の出側にビード切削装置を設ける必要はない。ただ
し、圧接のアップセット量によっては圧接点において軟
化部が外面余肉を生じることもあり得るので、スクイズ
ロール３をそのロール面が圧接点を踏むように配置して
かかる外面余肉生成を抑止するようにしている。

【００２６】図２は、実施例のエッジ部加熱パターンの
一例を示す線図であり、実線、点線はエッジ部10端面の
コーナ部、フラット部の温度をそれぞれ示す。本実施例
では、0.08wt％炭素鋼の帯鋼（板厚4.0mm および6.0mm
）を図示しない成形ロールによりオープン管１に成形
し、該オープン管１を図１に示す装置列に50〜200 ｍ/m
inの造管速度で通管し、加熱炉９で約 600℃に管体予熱
した後、図２に例示するような加熱パターンに従いエッ
ジ部10をエッジ予熱帯８、空冷帯７、本加熱帯６におい
て順次、キュリー点以上の予熱温度域にエッジ予熱し、
0.05〜0.08秒間空冷し、接合温度域に本加熱し、引き続
きスクイズロール３で衝合接合して、外径60.5mmの鋼管
２を製造した。

【００２７】このとき、エッジ予熱周波数と本加熱周波
数とは、低周波から高周波にわたる帯域で種々変更し
た。エッジ予熱コイル５の電源電圧は、本加熱帯６入側
でのコーナ部温度が900 〜1000℃程度となるように、ま
た本加熱コイル４の電源電圧は、衝合接合（圧接）時の
コーナ部温度が1400℃以上融点未満になるように調節し
た。なお、上記管体予熱によるスケールの生成は無視で
きる程度であり、造管後の表面肌は電縫管並みに良好で
あった。

【００２８】上記要領で固相圧接法により造管した 60.
5mmD×4.0mmt鋼管、 60.5mmD×6.0mmt鋼管についての偏
平試験結果を表１、表２にそれぞれ示す。表１、表２に
は偏平高さ比ｈ／Ｄ（ｈは偏平高さ、Ｄは管外径）が、
2t/D（密着）のものを◎、2t/D超え 1/3以下のものを
○、 1/3超え 2/3以下のものを△、2/3 超えのものを×
で記入した。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【表２】

【００３１】表１より、中・低周波（≦100kHz）による
誘導加熱で本加熱した 60.5mmD×4.0mmt鋼管はシーム部
の品質が良好である。また、このように比較的薄肉の固
相圧接管の製造においては、シーム品質はエッジ予熱周
波数に左右されない。この60.5mmD ×4.0mmt鋼管造管時
の本加熱所要電流比に及ぼすエッジ予熱と本加熱の周波
数の影響を調査した結果を図５にグラフで示す。本加熱
所要電流比は、エッジ予熱周波数200kHz、本加熱周波数
100kHzのときの本加熱所要電流値（１としている）との
比で表した。

【００３２】図５より、エッジ予熱を高周波（＞100kH
z）で行うと、中・低周波（≦100kHz）の場合の約1/3
の本加熱電流でエッジ部を固相圧接することができる。
すなわち、比較的薄肉の鋼管を固相圧接法により製造す
るときには、エッジ予熱を高周波で行う方が経済的に有
利であることがわかる。また、表２より、比較的厚肉の
固相圧接管である60.5mmD ×6.0mmt鋼管の製造にあたっ
ては、エッジ予熱、本加熱とも中・低周波（≦100kHz）
で行うことによりシーム品質を優れたものにできること
がわかる。

【００３３】なお、図５より、本加熱周波数が３kHz 未
満になると本加熱所要電流が増える。そして表２より、
本加熱周波数５kHz 超えの偏平強度は、５kHz 以下に比
べてやや劣るので、本加熱周波数は３〜５kHz を採用す
るのがより望ましい。

【００３４】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば、
誘導加熱方式を用いてスクイズロールの直前でエッジ部
端面のコーナ部およびフラット部を、固相圧接に適した
1300℃以上融点未満の温度域に安定的に保持できるか
ら、優れたシーム品質及び表面肌を有する鋼管を高い生
産性で製造することができるという格段の効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に用いた装置列の模式図であ
る。

【図２】実施例のエッジ部加熱パターンの一例を示す線
図である。

【図３】鋼の比透磁率の温度依存性を示す特性図であ
る。

【図４】浸透深さの温度および周波数依存性を示す特性
図である。

【図５】60.5mmD ×4.0mmt鋼管造管時の本加熱所要電流
比に及ぼすエッジ予熱と本加熱の周波数の影響を示すグ
ラフである。

【符号の説明】

１オープン管２鋼管３スクイズロール４本加熱コイル５エッジ予熱コイル６本加熱帯７空冷帯８エッジ予熱帯９加熱炉 10 エッジ部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＨ０５Ｂ 6/10 ３６１Ｈ０５Ｂ 6/10 ３６１ (72)発明者依藤章愛知県半田市川崎町１丁目１番地川崎製鉄株式会社知多製造所内 (72)発明者大西寿雄愛知県半田市川崎町１丁目１番地川崎製鉄株式会社知多製造所内 (72)発明者橋本裕二愛知県半田市川崎町１丁目１番地川崎製鉄株式会社知多製造所内 (56)参考文献特開平５−228650（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−168981（ＪＰ，Ａ) 特公平２−24606（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B21C 37/06 - 37/08 B23K 13/00 B23K 20/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】帯鋼をオープン管に成形し、該オープン
管の両エッジ部を加熱し、スクイズロールにより衝合接
合する鋼管の製造方法において、両エッジ部の加熱に先
立ちオープン管全体を 200〜700 ℃の温間温度域に昇温
し、次いで両エッジ部を、まず中・低周波により誘導加
熱してキュリー点以上の予熱温度域に昇温し、さらに、
中・低周波により誘導加熱して1300℃以上融点未満の接
合温度域に昇温し、しかる後に衝合接合することを特徴
とする鋼管の製造方法。
【請求項２】帯鋼をオープン管に成形し、該オープン
管の両エッジ部を加熱し、スクイズロールにより衝合接
合する鋼管の製造方法において、両エッジ部の加熱に先
立ちオープン管全体を 200〜700 ℃の温間温度域に昇温
し、次いで両エッジ部を、まず高周波により誘導加熱し
てキュリー点以上の予熱温度域に昇温し、さらに、中・
低周波により誘導加熱して1300℃以上融点未満の接合温
度域に昇温し、しかる後に衝合接合することを特徴とす
る鋼管の製造方法。
【請求項３】予熱温度域がキュリー点以上1300℃未満
である請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】両エッジ部を予熱温度域に昇温した後、
空冷し、次いで接合温度域に昇温する請求項１〜３のい
ずれかに記載の方法。
【請求項５】オープン管全体の温間温度域への昇温
を、オープン管を加熱する、帯鋼を加熱する、帯鋼およ
びオープン管を加熱する、のいずれかで行う請求項１〜
４のいずれかに記載の方法。