JP3326783B2 - 高温強度に優れた低合金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、靭性と４００℃
以上の高温でクリープ破断強度に優れ、ボイラー、化学
工業、原子力用等の分野で熱交換器管、配管用管、耐熱
バルブ、接続継手等の高温用途に使用するのに好適な低
合金継目無鋼管の製造方法に関するもので、特定化学成
分の素材に特定条件の加工熱処理と熱処理を組合せて実
施することにより、従来法に比較して低コストで製造で
きる低合金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。しかし、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】高温強度に優れた低合金継目無鋼管は、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で延
伸加工したのち、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、恒温変態熱処
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】一方、低合金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６０
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熱
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、特に整
粒組織が得られず、高温クリープ特性が低下するという
問題を有している。

【０００７】この発明の目的は、上記従来技術の欠点を
解消し、鋼成分、熱間圧延と再加熱焼ならし処理条件な
らびに焼戻し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、靭性と４００℃以上のクリープ破断
強度に優れた低合金継目無鋼管の安価な製造方法を提供
することにある。

【０００８】

【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、延伸および仕上加工の条件を規定し、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様の４００
℃以上のクリープ破段強度が得られることを究明し、こ
の発明に到達した。

【０００９】この発明は、質量％で、Ｃ：０．０４〜
０．２０％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．１〜１．
５％、Ｃｒ：０〜３．５％、Ｍｏ：０〜２．５％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８００〜１１００℃で行った
のち、直ちに下記に示すｆ₁の値が２３５００〜２６０
００となるように、８５０〜１１００℃の温度域の温度
Ｔで時間ｔの再加熱焼ならし処理を行い、ついでＡｃ₁
点以下の温度で焼戻し処理することを連続してオンライ
ンで行うこととしている。 ｆ₁＝（Ｔ＋２７３）×（２１＋ｌｏｇｔ） ただ
し、Ｔ：（℃）、ｔ：（ｈｒ）

【００１０】このように、仕上り温度８００〜１１００
℃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の前記ｆ₁の値を２３５００〜２６０００と
する再加熱焼ならし処理を行い、ついでＡｃ₁点以下の
温度で焼戻し処理することを連続してオンラインで行う
ことによって、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４００℃以
上のクリープ破断強度を得ることができる。

【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、次の延伸加工と仕上加工の両加工を一体化し
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、１１００℃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
孔後の延伸加工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、延伸加工と仕上加工の両加工を
一体化したものとすることができる。穿孔後の延伸加工
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加工機
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、０．２
０％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著しく低下し、クリープ
破断強度に対しても有害であるため、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、０．１％未満ではその効果が十分でな
く、また、１．５％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、０．１〜１．５％
とした。

【００１５】Ｃｒは鋼の耐酸化性、耐高温酸化性の向上
のために添加するもので、耐酸化性、耐高温酸化性が必
要なときは、必要に応じてＣｒの添加が必要である。し
かし、３．５％を超えると溶接性、加工性が劣化するた
め、０〜３．５％とした。Ｍｏは鋼中に固溶して強化す
るほか、微細炭化物の析出強化元素としてクリープ強度
を向上させる元素であるが、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と溶接
性を低下させるため、０〜２．５％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、次の延伸加工と仕上加工の両加工を合算した
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
での加工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、穿孔後の延伸加工で付与された加工
歪が回復する前に仕上加工を行えば、この両加工の加工
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８００〜１１００℃
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、１１００℃を超え
ると、結晶粒が粗大化してクリープ破断強度に最適な細
粒組織が得られないので、８００〜１１００℃とした。

【００２１】穿孔後の延伸加工で付与された加工歪が回
復する前に仕上加工を行えば、延伸加工と仕上加工の両
加工を一体化した仕上圧延を断面圧縮率４０％以上で実
施できる。穿孔後の延伸加工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
ていた延伸加工機と仕上加工機を、一体型の連続配置と
すればよい。このように延伸加工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、仕上圧延と熱処理と
の間で再結晶処理（再加熱焼ならし処理）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加工と仕上加
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、整粒された再結晶粒が得ら
れるのである。しかも、仕上圧延と焼戻し処理との間で
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低合金鋼の場合、８５
０℃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、８５０〜１１０
０℃の温度域の温度とした。

【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、焼戻し処理後にお
いても加工歪の影響が残り、長時間クリープ破断強度が
低下すると共に、靭性が低下する。一方、ｆ₁の値が２
６０００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、クリープ破断強度と製品靭性が劣化する
と共に、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こととなる。

【００２５】再加熱焼ならし処理によって得た整細粒の
低温変態組織は、Ａｃ₁点以下の温度で焼戻し処理する
と、低合金鋼の継目無鋼管に所望の特性（常温強度、ク
リープ破断強度）を付与することができる。

【００２６】

【実施例】表１に示す成分組成の鋼Ａ〜Ｇ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、本発明例では、図１の概略
工程図に示すとおり、表２に示す試験条件で、製管（穿
孔および仕上圧延）、再加熱焼ならし処理、焼戻し処理
を行って外径１９８ｍｍ、肉厚３０ｍｍの継目無鋼管を
製造した。得られた各継目無鋼管から各試験片を切り出
し、引張試験、シャルピー衝撃試験、クリープ破断試験
を行うと共に、オーステナイト結晶粒度、異常粒成長の
有無を測定した。その結果を表４に示す。また、比較例
としては、上記外径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、本発明の条件範囲を外れた表３に示す試験
条件で、製管（穿孔および仕上圧延）、再加熱焼ならし
処理、焼戻し処理を行って外径１９８ｍｍ、肉厚３０ｍ
ｍの継目無鋼管を製造した。得られた各継目無鋼管から
各試験片を切り出し、引張試験、シャルピー衝撃試験、
クリープ破断試験を行うと共に、製品のオーステナイト
結晶粒度、異常粒成長の有無を測定した。その結果を表
５に示す。さらに、従来例では、図２の概略工程図に示
すとおり、表３に示す試験条件で、製管（穿孔および仕
上圧延）、再加熱焼ならし処理、焼戻し処理を行って外
径１９８ｍｍ、肉厚３０ｍｍの継目無鋼管を製造した。
得られた各継目無鋼管から各試験片を切り出し、引張試
験、シャルピー衝撃試験、クリープ破断試験を行うと共
に、オーステナイト結晶粒度、異常粒成長の有無を測定
した。その結果を表５に示す。

【００２７】なお、引張試験は、直径６ｍｍ、標点距離
３０ｍｍの引張試験片を用い、ＪＩＳ Ｚ２２４１に規
定の金属材料引張試験方法に準じて実施し、クリープ破
断試験は、引張試験片と同じ試験片を用い、ＪＩＳ Ｚ
２２７２に規定の金属材料の引張クリープ破断試験方法
に準じ、５００℃または５５０℃で最長１５０００時間
の試験を行い、それぞれ内挿して５００℃×１０⁴時間
または５５０℃×１０⁴時間のクリープ破断強度を求め
た。シャルピー衝撃試験は、１０ｍｍ×１０ｍｍ×５５
ｍｍ、２ｍｍＶノッチ試験片（ＪＩＳ ４号試験片）を
用い、ＪＩＳ Ｚ２２４２に規定の金属材料衝撃試験方
法に準じて延性−脆性破面遷移温度を求めた。また、製
品の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、異常粒成長の判定については、通常のリニアアナ
ライザーを用いて１０００μｍの距離をスキャンし、粒
界との交点の個数から平均結晶粒切断片長さと、さら
に、任意の位置の２００倍のミクロ組織写真（７ｃｍ×
１０ｃｍ）５視野から求めた最大結晶粒切断片長さとの
比が３倍未満のものを「異常粒成長無」とし、この比が
３倍以上のものを「異常粒成長有」とした。なお、表３
中の比較例で本発明条件を満足していない条件に＊印を
付し、従来例でオフライン熱処理を実施しているところ
に＊＊印を付した。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】

【表３】

【００３１】

【表４】

【００３２】

【表５】

【００３３】本発明例の表２に示す試験条件の試験Ｎ
ｏ．１〜７は、交叉角０°の穿孔機を用いて穿孔し、そ
の後仕上圧延と再加熱焼ならし処理を行い、さらに、焼
戻し処理を行ったものである。この試験Ｎｏ．１〜７の
表４に示す熱処理材は、これと同じ成分の鋼のオフライ
ン熱処理材の従来例の表３に示す試験条件の試験Ｎｏ．
３８〜４４の表５に示す熱処理材と比較すると、靭性と
クリープ破断強度は同等の性能を示している。本発明例
の表２に示す試験条件の試験Ｎｏ．８〜２１は、交叉角
５〜３５°の交叉穿孔機を用いて穿孔し、その後仕上圧
延と再加熱焼ならし処理を行い、さらに、焼戻し処理を
行ったものである。交叉角０°の穿孔機を用いて穿孔し
た試験Ｎｏ．１〜７の熱処理材に比較し、表４に示すと
おり、交叉穿孔機を用いることによって靭性の一層の向
上が認められる。また、比較例の表３に示す試験条件の
試験Ｎｏ．２２〜３７は、オンライン熱処理材である
が、仕上圧延の断面圧縮率、仕上がり温度、再加熱温度
とｆ₁のいずれかが、本発明の範囲を外れているため、
靭性やクリープ破断強度が本発明例よりも劣っており、
従来例のオフライン熱処理材と同等の性能を確保できな
い。

【００３４】

【発明の効果】この発明は、素材の成分、仕上圧延によ
る延伸および仕上加工と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低合金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．１〜２１の本発明例
のオンライン熱処理による継目無鋼管の製造工程の概略
図である。

【図２】実施例における試験Ｎｏ．３８〜４４の従来例
のオフライン熱処理による継目無鋼管の製造工程の概略
図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｃ２２Ｃ 38/22 Ｃ２２Ｃ 38/22 (56)参考文献 特開 平４−6218（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−358026（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−19438（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−10041（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−123024（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−117814（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−279245（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C21D 8/10,9/08 B21B 17/00 - 25/02

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：０．１〜１．５％、Ｃｒ：
   ０〜３．５％、Ｍｏ：０〜２．５％を含有し、残部がＦ
   ｅ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８００〜１１００℃で行ったのち、直ちに
   下記に示すｆ₁の値が２３５００〜２６０００となるよ
   うに、８５０〜１１００℃の温度域の温度Ｔで時間ｔの
   再加熱焼ならし処理を行い、ついでＡｃ₁点以下の温度
   で焼戻し処理す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低合金継目無鋼管の製造
   方法。 ｆ₁＝（Ｔ＋２７３）×（２１＋ｌｏｇｔ） ただ
   し、Ｔ：（℃）、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
   優れた低合金継目無鋼管の製造方法。