JP3429156B2 - 耐火性に優れた建築用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】本発明は、耐火材の被覆を簡
略化あるいは省略しても、火災時において十分な強度、
すなわち、６００℃における降伏点が常温規定降伏点の
２／３以上の耐火性を要求される建築用継目無鋼管の製
造方法に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来、鉄骨構造等の構造物は、火災時に
おいても十分な強度を保証するため、鋼材にロックウー
ル等の耐火材の被覆を施し、鋼材の温度が３５０℃以上
に上昇しないように対策することが義務付けられてい
た。 【０００３】しかし、昭和５７〜６１年の建設省総合技
術開発プロジェクト「建築物の耐火設計法の開発」の成
果により、火災時の構造安定性が数値シミュレーション
および実験で確認できれば、耐火物の被覆厚さを薄くす
ること、もしくは耐火物を被覆することなく使用するこ
とが可能となった。すなわち、鋼材が６００℃において
十分な強度（常温の規定降伏点の２／３以上）を有する
場合は、耐火被覆を省略し、裸使用することが可能にな
った。 【０００４】従来、耐火性に優れた建築用鋼材の製造方
法としては、Ｃ：０．０４〜０．１５％、Ｓｉ：０．６
％以下、Ｍｎ：０．５〜１．６％、Ｎｂ：０．００５〜
０．０４％、Ｍｏ：０．４〜０．７％、Ａｌ：０．１％
以下、Ｎ：０．００１〜０．００６％を含有し、残部が
Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼片を、１１００〜
１３００℃の温度域で加熱後、熱間圧延を８００〜１０
００℃の温度範囲で終了する方法、あるいはＣ：０．０
４〜０．１５％、Ｓｉ：０．６％以下、Ｍｎ：０．５〜
１．６％、Ｎｂ：０．００５〜０．０４％、Ｍｏ：０．
４〜０．７％、Ａｌ：０．１％以下、Ｎ：０．００１〜
０．００６％を含有し、かつ、Ｔｉ：０．００５〜０．
１０％、Ｚｒ：０．００５〜０．０３％、Ｖ：０．００
５〜０．１０％ｖ、Ｎｉ：０．０５〜０．５％、Ｃｕ：
０．０５〜１．０％、Ｃｒ：０．０５〜１．０％、Ｂ：
０．０００３〜０．００２％、Ｃａ：０．０００５〜
０．００５％、ＲＥＭ：０．００１〜０．０２％のうち
の１種または２種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避
的不純物からなる鋼片を、１１００〜１３００℃の温度
域で加熱後、熱間圧延を８００〜１０００℃の温度範囲
で終了する方法（特公平４−５０３６２号公報）、Ｖを
０．００５〜０．２％含有し、炭素当量（Ｃｃｑ＝Ｃ＋
Ｍｎ／６＋Ｓｉ／２４＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｖ／１
４）が０．３５〜０．５０％である鋼、あるいはＶを
０．００５〜０．２％およびＭｏを０．００５〜０．６
％含有し、炭素当量（Ｃｃｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋Ｓｉ／２
４＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｖ／１４）が０．３５〜
０．５０％である鋼を、１０００〜１２８０℃で加熱
し、８００〜１０００℃で圧延終了し、圧延終了後放冷
または加速冷却あるいは冷却後焼ならす方法（特開平２
−１６３３４１号公報）、Ｃ：０．０３〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０５〜０．９０％、Ｍｎ：０．３０〜２．０
０％、Ｐ：０．００５〜０．０５０％、Ｃｒ：０．１０
〜２．００％、Ｍｏ：０．２５〜０．７０％、Ｓｏｌ．
Ａｌ：０．００５〜０．１０％を含有し、残部がＦｅお
よび不可避的不純物からなり、下記式で示されるＰ_CMが
０．３０％以下である鋼を、１０００〜１２５０℃の温
度域で加熱後熱間加工し、次いでＡｃ３変態点以上１０
００℃以下の温度域に加熱後空冷して焼準し、６００℃
以上Ａｃ１変態点以下の温度域で焼戻す方法（特公平７
−３９６０８号公報）が提案されている。 Ｐ_CM＝Ｃ＋（１／３０）Ｓｉ＋（１／２０）Ｍｎ＋（１
／２０）Ｃｕ＋（１／６０）Ｎｉ＋（１／２０）Ｃｒ＋
（１／１５）Ｍｏ＋（１／１０）Ｖ＋５Ｂ 【０００５】また、Ｃ：０．０５〜０．１５％、Ｓｉ：
１．０％以下、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｃｒ：７．５
〜１２．０％、Ｍｏ：０．５〜１．２％、Ｎｂ：０．０
２〜０．１５％、Ｖ：０．０９〜０．３０％、Ｎ：０．
０１〜０．０８％を含有する高クロム系継目無鋼管を製
造するに当たり、仕上圧延用素管を８５０〜１１５０℃
に再加熱した後、仕上圧延用素管の断面積をＡ_O（ｃ
ｍ²）、仕上管の断面積をＡ（ｃｍ²）とする時に、式ε
＝ｌｎ（Ａｏ／Ａ）で表される仕上圧延時の加工歪εが
０．１以上になるように圧延を行い空冷した後、７４０
〜８２０℃でテンパー熱処理を施す方法（特公平７−３
５５４７号公報）が提案されている。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】上記特公平４−５０３
６２号公報、特開平２−１６３３４１号公報ならびに特
公平７−３９６０８号公報に開示の方法は、耐火性を確
保するため、鋼に高価なＭｏ、Ｖ、Ｎｂ等の合金元素を
製品強度に見合った量添加しており、製品強度に対する
コスト割合を押し上げる。また、合金元素の添加量を低
く抑えた場合には、当然十分な高温強度が得られないと
いう欠点を有している。また、これらの方法は、製管
後、安定した強度、靭性性能を確保するため、製管装置
とは別に設置された熱処理炉を使用し、焼ならし、また
は焼ならしと焼戻しをする必要があり、製品コストを高
騰させる原因となっている。 【０００７】また、特公平７−３５５４７号公報に開示
の方法は、再加熱後さらに仕上加工が行われるため、長
手方向、円周方向の均一性が得られないという問題や、
加工歪の残存によって強度が高くなり過ぎて靭性が低下
するという問題が発生する場合があり、適用することは
できない。 【０００８】本発明の目的は、上記従来技術の欠点を解
消し、高価な合金元素の添加量を低く抑えても、十分に
高い常温ならびに高温強度を有し、かつ、製管後直ちに
オンラインで熱処理できる耐火性に優れた建築用継目無
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】本発明の耐火性に優れた
建築用継目無鋼管の製造方法は、Ｃ：０．０４〜０．１
５％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．５〜２．０％、
Ｍｏ：０．１〜１．０％、Ａｌ：０．０１０％以下、
Ｎ：０．０１２％以下を含み、かつ、Ｖ：０．０１〜
０．１０％、Ｎｂ：０．０１〜０．０４％、Ｃｒ：０．
１〜０．５％のうちの１種以上を含有し、さらに、下記
（１）式で得られる活性Ｎを０．００２％以上含有し、
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、熱間で穿孔、圧延して継目無鋼管を製造する過程
において、穿孔後直ちに仕上り温度９００℃以上、断面
圧縮率４０％以上で、延伸加工機と仕上加工機とを一体
型の連続配置として延伸加工と仕上加工の間で再加熱す
ることなく両加工を一体化した仕上圧延後、冷却するこ
となく９００℃〜１０００℃に再加熱したのち空冷し、
その後５００℃〜７００℃の温度で焼戻しを行うことと
している。 活性Ｎ（％）＝Ｎ（％）−｛１／２×Ａｌ（％）｝………（１）式 【００１０】このように、Ｃ：０．０４〜０．１５％、
Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｍｏ：
０．１〜１．０％、Ａｌ：０．０１０％以下、Ｎ：０．
０１２％以下を含み、かつ、Ｖ：０．０１〜０．１０
％、Ｎｂ：０．０１〜０．０４％、Ｃｒ：０．１〜０．
５％のうちの１種以上を含有し、さらに、前記（１）式
で得られる活性Ｎを０．００２％以上含有し、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、熱
間で穿孔、圧延して継目無鋼管を製造する過程におい
て、穿孔後直ちに仕上り温度９００℃以上、断面圧縮率
４０％以上で、延伸加工機と仕上加工機とを一体型の連
続配置として延伸加工と仕上加工の間で再加熱すること
なく両加工を一体化した仕上圧延後、冷却することなく
９００℃〜１０００℃に再加熱したのち空冷し、その後
５００℃〜７００℃の温度で焼戻しを行うことによっ
て、延伸加工と仕上加工の両加工を一体化した仕上圧延
の延伸加工と仕上加工との間で再加熱することなく中空
素管を仕上圧延することができ、設備を簡素化できると
共に、省エネルギーを図ることができ、安価に高温強度
に優れた継目無鋼管を製造することができる。 【００１１】 【発明の実施の形態】本発明における穿孔に続く仕上圧
延は、延伸加工と仕上加工の両加工を一体化したもの
で、穿孔後の延伸加工で付与された加工歪が回復する前
に仕上加工を行うことによって達成することができる。
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
ていた延伸圧延機としてのマンドレルミルと仕上圧延機
としてのサイザーを、一体型の連続配置とすればよい。 【００１２】延伸加工と仕上加工の両加工を一体化した
仕上圧延で断面圧縮率４０％以上の強加工を容易とする
には、穿孔工程にコーン型ロールを有する交叉穿孔機を
用い、ロールの軸線がパスラインの水平面または垂直面
に対してなす交叉角が５〜３５°で穿孔すれば、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
バレル型ロールの穿孔機を用いて穿孔した場合よりも薄
くすることにより達成することができる。したがって、
交叉穿孔機を用いた場合は、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
いった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となる。 【００１３】本発明においては、前記仕上圧延後に冷却
することなく９００〜１０００℃で加熱保持を行い、整
粒された微細な再結晶粒を得る。本発明の最終圧延後に
再加熱するプロセスの場合には、延伸加工と仕上加工の
間で再加熱するプロセスあるいはオフラインで熱処理す
る場合とは異なり、搬入搬出装置がオンラインの搬送装
置との共用で設備費用ならびに運転コストを低減するこ
とができる。 【００１４】本発明において鋼材の化学組成を限定した
理由を説明する。まず、ＡｌとＮの限定理由を作用効果
と共に説明する。 【００１５】本発明の耐火性に優れた建築用継目無鋼管
の製造方法は、固溶Ｎによる高温強度確保を特徴として
おり、その固溶するＮ量を確保するためには前記（１）
式で得られる活性Ｎ量を確保する必要がある。活性Ｎ量
を確保する第一の方法は、Ｎ添加量を増加させることで
あるが、この場合鋼中Ａｌと化合物（ＡｌＮ）を形成、
析出して鋼の靭性を低下させるので、同時に鋼中のＡｌ
量も低減する必要が生じる。これらのことから、この発
明の鋼材は、高Ｎかつ低Ａｌが好ましいため、製鋼工程
におけるＡｌ処理作業を考慮してＡｌは０．０１０％以
下とした。 【００１６】一方、Ｎ量に関しては、活性Ｎを多くする
観点から高い方が好ましいが、０．０１２％を超えて添
加すると後工程で鋼の表面性状を低下させるため、０．
０１２％以下としたが、好ましくは０．００７〜０．０
１２％である。 【００１７】また、活性Ｎ量と高温降伏点との関係は、
図２に示すとおりであって、活性Ｎが０．００２％未満
となると６００℃での降伏点が急激に低下することか
ら、前記（１）式で推定される活性Ｎ量を０．００２％
以上とすることが必要である。 【００１８】Ｃは鋼の常温強度を確保するために必要な
元素であるが、０．０４％未満ではその効果が十分でな
く、また、０．１５％を超えると鋼の靭性、建築材とし
て溶接する際の耐溶接割れ性を低下させるので、０．０
４〜０．１５％とした。 【００１９】Ｓｉは製鋼時の脱酸剤としてだけではな
く、鋼の常温ならびに高温強度を確保するのに有効な元
素であるが、０．５％を超えると耐溶接割れ性を低下さ
せるので、０．５％以下とした。 【００２０】Ｍｎは鋼の常温ならびに高温強度を確保す
るのに有効な元素であるが、０．５％未満ではその効果
が十分でなく、また、２．０％を超えるとその効果が飽
和すると共に、溶接性を低下させるので、０．５〜２．
０％とした。 【００２１】Ｍｏは固溶強化により鋼の高温強度を増加
させるために不可欠な元素であるが、０．１％未満では
その効果が十分でなく、また、１．０％を超えると高価
な元素で鋼材のコストアップにつながると同時に、靭性
の低下を招くため、０．１〜１．０％とした。 【００２２】Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒは、高温強度の確保に有効
な元素であり、より高温強度を得ようとする場合にその
１種以上を添加する。Ｖは鋼の常温ならびに高温強度を
確保するのに有効な元素であるが、０．０１％未満では
その効果が十分でなく、また、０．１０％を超えると鋼
の靭性、溶接性を低下させるので、０．０１〜０．１０
％とした。 【００２３】Ｎｂは組織を微細化することから鋼の常温
ならびに高温強度、靭性を確保するのに有効な元素であ
るが、０．０１％未満ではその効果が十分でなく、ま
た、０．０４％を超えて過度に添加すると、Ｎと化合、
析出してかえって靭性を低下させるので、０．０１〜
０．０４％とした。 【００２４】Ｃｒは鋼の高温強度を確保するのに有効な
元素であるが、０．１％未満ではその効果が十分でな
く、また、０．５％を超えると高価な元素で鋼材のコス
トアップにつながると同時に、耐溶接割れ性を低下させ
るため、０．１〜０．５％とした。 【００２５】次に製造条件の限定理由は、以下のとおり
である。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
定すればよく、通常は１１００℃から１３００℃の間に
加熱する。 【００２６】本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
型ロールの穿孔機を用いて穿孔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一体化した仕上圧延
での強加工を容易とするため、コーン型ロールの交叉穿
孔機の採用が好ましい。この場合、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
の仕上圧延で高加工することが難く、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、いわゆる尻
詰まりの発生および穿孔が不安定となるので、５°〜３
５°とするのがよい。 【００２７】本発明における仕上圧延は、延伸加工と仕
上加工の両加工を一体化したもので、穿孔機で穿孔され
た中空素管を延伸および寸法調整して所望の形状、寸法
の継目無鋼管とする工程である。この仕上圧延は、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、加工熱処理を考慮し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した
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、いわゆる仕上圧延での加工率と
なるため、延伸加工と仕上加工の間で延伸加工された中
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。 【００２８】本発明の仕上圧延における仕上り温度は、
製管対象の材質やミルの能力によって異なるため、特に
限定されないが、低温過ぎると中空素管の変形抵抗が大
きくなって断面減少率４０％以上の強加工を施すことが
困難となるばかりでなく、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
きくなるので、９００℃以上とした。 【００２９】本発明の仕上圧延における断面圧縮率を４
０％以上としたのは、断面圧縮率が４０％未満の場合に
は焼ならしでの再結晶がスムーズに進行せず、微細化効
果が得られないばかりでなく、時として結晶粒が異常成
長するからである。仕上圧延における断面圧縮率の上限
は、製管対象の材質やミルの能力によって異なるため、
特に限定されないが、断面圧縮率が大きすぎると疵が発
生し易くなるので、８０％を上限とするのが好ましい。 【００３０】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施すためには、従来独立して配置
していた延伸圧延機と仕上圧延機を、一体型の連続配置
とする。このように、延伸圧延機と仕上圧延機を一体型
の連続配置とすれば、製造範囲の全てのサイズに対して
仕上圧延における断面圧縮率４０％以上を安定して確保
することができる。 【００３１】本発明においては、仕上圧延と熱処理との
間で再結晶処理（焼ならし）を実施することが大きな特
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。本発明の方
法では、従来技術である圧延途中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
度設定することができ、整粒化された再結晶粒が得られ
る。 【００３２】再結晶処理時の再加熱温度としては、本発
明の対象としている耐火鋼の場合、９００℃未満では加
工歪がなく靭性が低下すること、再結晶化するのに長時
間を必要とし、製管効率が極めて低くなり、また、１０
００℃を超える温度では、結晶粒が大きく成長して粗粒
化が甚だしく、靭性が低下して二次加工等に際して割れ
の原因となるため、９００℃〜１０００℃とした。さら
に、再加熱後の空冷は、２００℃以下まで実施する。 【００３３】本発明における焼戻し処理は、焼ならしに
よる残留応力が緩和されていることが、靭性性能の観点
から必要である。焼戻し熱処理温度としては、Ａｃ１変
態点以下である必要があるが、製管対象の材質によって
Ａｃ１変態点が異なるので、５００〜７００℃とした。
また、加熱保持時間は、通常２０分以上必要である。 【００３４】 【実施例】表１に示す化学組成の鋼Ａ〜Ｉを溶製し、通
常の方法で分塊圧延して直径１８７ｍｍのビレットとな
し、１２５０℃に加熱したのち、表２に示す条件で製
管、再加熱焼ならし処理を行い、空冷後さらに焼戻し熱
処理を行って外径２１６．３ｍｍ、肉厚１５．１ｍｍの
継目無鋼管を製造した。なお、図１に本発明法の概略製
造工程を示す。このようにして製造した各継目無鋼管か
ら試験片を採取し、ＪＩＳ Ｚ２２４１に規定の金属材
料引張試験方法に準じて室温で引張試験を、また、ＪＩ
Ｓ 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６００℃で引張試験を実施し、室
温における降伏点（ＹＰ）、引張強さ（ＴＳ）、破断伸
び（ＥＬ）と６００℃における降伏点（ＹＰ）を測定し
た。さらに、ＪＩＳ Ｚ２２４２に規定の金属材料衝撃
試験方法に準じてシャルピー衝撃試験を実施し、０℃に
おける吸収エネルギーを測定した。その結果を表３に示
す。なお、シャルピー衝撃試験に用いた試験片は、圧延
方向に切り出した幅１０ｍｍ、長さ１０ｍｍの試験片に
深さ２ｍｍのＶノッチを設けたものを使用した。 【００３５】 【表１】 【００３６】 【表２】 【００３７】 【表３】【００３８】表２、表３に示すとおり、試験Ｎｏ．１〜
８の本発明法により得た継目無鋼管は、試験Ｎｏ．１
２、１３の従来法と同程度の高温強度、靭性性能を示し
ている。これに対し、試験Ｎｏ．９〜１０の比較例で
は、試験Ｎｏ．１２、１３の従来法の高温強度、靭性性
能を確保できていない。また、仕上圧延における断面減
少率が本発明の範囲外の試験Ｎｏ．１１は、試験Ｎｏ．
１２、１３の従来法と同程度の高温強度を有している
が、靭性性能が大きく劣化している。 【００３９】 【発明の効果】本発明の耐火性に優れた建築用継目無鋼
管の製造方法は、延伸加工と仕上加工を一体化した仕上
圧延とすることにより製造工程を簡素化できると共に、
延伸加工と仕上加工の間の再加熱を不要となし、製管能
率の向上を図ることができる。また、仕上圧延後に冷却
することなく再加熱して焼ならし処理をオンラインで実
施するので、省エネルギーを図ることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】実施例における本発明法の概略製造工程図であ
る。 【図２】鋼中の活性Ｎと６００℃における降伏点との関
係を示すグラフである。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−297523（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−249149（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−105947（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−320753（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−80350（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−184043（ＪＰ，Ａ) 特公 昭51−21933（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C21D 8/00 - 8/10 C22C 38/00 - 38/60

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 Ｃ：０．０４〜０．１５％、Ｓｉ：０．
   ５％以下、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ｍｏ：０．１〜
   １．０％、Ａｌ：０．０１０％以下、Ｎ：０．０１２％
   以下を含み、かつ、Ｖ：０．０１〜０．１０％、Ｎｂ：
   ０．０１〜０．０４％、Ｃｒ：０．１〜０．５％のうち
   の１種以上を含有し、さらに、下記（１）式で得られる
   活性Ｎを０．００２％以上含有し、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、熱間で穿孔、
   圧延して継目無鋼管を製造する過程において、 穿孔後直ちに仕上り温度９００℃以上、断面圧縮率４０
   ％以上で、延伸加工機と仕上加工機とを一体型の連続配
   置として延伸加工と仕上加工の間で再加熱することなく
   両加工を一体化した仕上圧延後、冷却することなく９０
   ０℃〜１０００℃に再加熱したのち空冷し、その後５０
   ０℃〜７００℃の温度で焼戻しを行うことを特徴とする
   耐火性に優れた建築用継目無鋼管の製造方法。 活性Ｎ（％）＝Ｎ（％）−｛１／２×Ａｌ（％）｝………（１）式