JP3724130B2 - 薄スケール鋼管およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絞り圧延による鋼管の製造方法に関し、とくにスケール厚の薄い表面肌に優れた鋼管の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼管は継目無鋼管と溶接鋼管に分類される。
継目無鋼管は、図５に示すように素材（鋼片）を加熱炉で高温に加熱したのち、ピアサーによる穿孔と、穿孔された管を延伸するマンドレル、プラグミル等による圧延とを施し、ついで再加熱炉で再加熱されたのち、延伸された管の外径、肉厚を整えるレデューサー、サイザーによる圧延工程を経て冷却されて製品とされる。
【０００３】
このように、継目無鋼管は、熱間圧延により製造され、また、再加熱炉で850 〜900 ℃に加熱されるため４〜５μｍ厚のスケールが表面にまだらに付着した、黒皮のままの状態で出荷されている。このため、継目無鋼管は表面粗さが粗く、しかも管の二次加工時に表面に付着したスケールが剥離し、管表面性状がさらに劣化する等の問題があった。また、二次加工に伴い、加工歪みを除去する目的で熱処理を施す場合もあり、表面にスケールがさらに付着する。したがって、表面性状を向上させるために酸洗を行わねばならず、工程が長く複雑になるという問題が生じていた。
【０００４】
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、高周波電流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、続いて高周波電流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）。
【０００５】
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1350〜1400℃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局部的に昇温させてから、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) 1093〜1109頁）。
【０００６】
しかしながら、電縫管、鍛接管の製造方法においては、製品鋼管寸法に合わせた孔型ロールを用いなければならないことから小ロット多品種の鋼管製造には適していない。
このような鋼管製造方法の欠点を解消するために、特開昭63−33105 号公報 、特開平２−187214号公報に開示されるように、電縫管を冷間で絞り圧延する方法が提案されている。
【０００７】
しかし、鋼管を冷間で絞り圧延すると、圧延荷重が大きいために、ロールとの焼付き防止のための潤滑圧延装置の設置や大きな圧延荷重に耐え得る大型ミルの設置を余儀なくされ、また、鋼帯を素管に成形するときの成形歪にさらに冷間絞り圧延による加工歪が重畳して素材の加工硬化が著しいために、製管後にさらに熱処理工程を追加しなければならないという問題がある。また、使用する帯鋼が熱間圧延のままであれば、付着スケールを除去するため、酸洗が不可欠であり、さらに、製管後、熱処理を追加すると、スケールが生成し酸洗が必要となる。
【０００８】
また、特公平２−24606 号公報、特開昭60−15082 号公報に開示されるように、電縫管を熱間で絞り圧延する方法が提案されている。
しかし、電縫管を熱間で絞り圧延する際は、再加熱炉で母管を 800℃以上に加熱するので、新たなスケール付着を生じ、かつ、絞り圧延時のスケール噛込みを誘発するといった問題がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した問題を有利に解決し、 3.0μｍ以下のスケール厚みを有し、表面性状の優れた薄スケール鋼管およびその製造方法ならびに製造設備列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】
まず、本発明の基礎となった実験結果について説明する。
31.4mmφ× 3.2mmｔの母鋼管を 900〜 650℃の温度に加熱したのち、３ロールの孔型ロールを４〜12台の複数スタンドからなる絞り圧延装置により圧延終了温度を調整し、27.6mmφ〜15.1mmφの製品管とした。この製品管の表面に生成したスケールの厚みを測定し、その結果を図３に示す。
【００１１】
図３（ａ）に示す結果から絞り圧延の程度を示す外表面拡大比（＝d₁l₁/d₀l₀ 、なお、d₀、l₀: 圧延前の管直径、管長さ、d₁、l₁: 圧延後の管直径、管長さ）を1.3 以上とし、圧延終了温度を 700℃以下とすることが3.0 μｍ以下の厚みとする薄スケール化には重要であるとの知見を得た。また、母鋼管の加熱温度も初期スケール生成量を抑える意味からも図３（ｂ）に示すように重要で、800 ℃未満とするのが好ましく、さらに、絞り圧延前にデスケーリングを行うと、図４に示すように、製品管の表面粗さが一段と小さくなることがわかった。
【００１２】
また、母鋼管を特定の条件で絞り圧延すると平均フェライト粒径が微細化して粒界酸化が緻密になり、スケールと母材との密着性がさらに高まる。
本発明は上記知見に基づいて構成したものである。
すなわち、本発明は、表面に、Fe₃O₄、FeOの少なくとも１種からなる組成で厚みが3.0μm以下かつ Fe ₃ O ₄ と FeO の面積率の合計が 99.7 ％以上のスケールを有する薄スケール鋼管である。
【００１３】
また、本発明は、孔型ロールを有する複数スタンドの絞り圧延機を用いて絞り圧延する鋼管の製造方法において、絞り圧延前の鋼管を、好ましくは800℃未満に加熱したのち、外表面拡大比を1.3以上、圧延終了温度を500℃以上700 ℃以下とする絞り圧延を施すことを特徴とする、表面にFe ₃ O ₄ 、FeOの少なくとも１種からなる組成で厚みが3.0μｍ以下かつ Fe ₃ O ₄ と FeO の面積率の合計が 99.7 ％以上のスケールを有する薄スケール鋼管の製造方法であり、前記絞り圧延終了後に、好ましくは300 ℃以下まで直ちに急速冷却するのが好ましく、また、前記絞り圧延の少なくとも最終スタンドを表面粗さRa： 0.5μｍ以下のブライトロールで圧延するのが好ましい。また、前記加熱後、絞り圧延前に、鋼管表面のスケールを除去するデスケーリングを行うのが好ましい。また、管軸に直交する断面の平均フェライト粒径がｄ _F （μｍ）である母鋼管を加熱後、下記式(1) を満たす平均圧延温度θ _m （℃）および全縮径率Ｒ _G （％）で絞り圧延を施すのが好ましい。
【００１４】
【数２】

【００１５】
ここに、θ _m ＝（θ ₀ ＋θ _N ）／２、Ｒ _G ＝（Ｄ ₀ −Ｄ _N ）×100／Ｄ ₀ 、θ：温度（℃）、Ｄ：外径（mm）、添字0，Ｎ：絞り圧延機第１スタンド入側，最終スタンド出側。
また、本発明の実施に好適な設備列は、孔型ロールを有する複数スタンドの絞り圧延機の入側にデスケーリング装置を配置してなることを特徴とする、表面にFe ₃ O ₄ 、FeOの少なくとも１種からなる組成で厚み：3.0μｍ以下のスケールを有する薄スケール鋼管の製造設備列である。デスケーリング装置にはブラシロール装置あるいはショットブラスト装置が好適である。絞り圧延機前半の少なくとも第１スタンドの孔型ロールに表面粗さRa：３μｍ以上の粗面ロールを充当すれば該スタンドをデスケーリング装置として使用できるが、その場合にも入側にデスケーリング装置を配置するのがより好ましい。また、少なくとも最終スタンドの孔型ロールが表面粗さRa：0.5μｍ以下のブライトロールであることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施に好適な設備列の１例を図１に示す。
本発明では、孔型ロールを有する複数スタンドの絞り圧延装置21を用いるのが好ましい。圧延機のスタンド数は、母管径と製品径の組み合わせで適宜決定できる。孔型ロールは、通常公知の２ロール、３ロールあるいは４ロールいずれでも好適に適用できる。
【００１７】
絞り圧延前に鋼管（母鋼管）を800℃未満の温度に加熱する。
加熱温度が 800℃以上になると、スケール生成量が急激に増加し、鋼管表面肌が劣化する。加熱温度は、500℃以上とするのが好ましい。500℃未満では、圧延荷重が増大し、圧延機の大型化が必要となるほか、ロールに焼付きが発生し、製品管の表面疵が増加したり、製品管の加工硬化が増大する。
【００１８】
母鋼管の加熱方法は特に限定するものではないが、加熱炉、あるいは誘導加熱コイルによる加熱が好ましい。なかでも誘導加熱方式が生産能率の点からより好ましい。
再加熱装置25で加熱された母鋼管８は、絞り圧延前にデスケーリング装置23により表面に付着したスケールを除去しておくのが好ましい。熱間圧延のままの母鋼管には４〜10μｍ程度の Fe₃O₄、FeO が付着している。このようなスケールを絞り圧延前にできるだけ除去しておくのが好ましい。デスケーリングは高圧水吹きつけ、あるいはブラシロールあるいはショットブラスト、あるいはRa：３μｍ以上の粗面ロールを用いた軽圧下圧延等で除去するのが好ましい。なかでもブラシロールによるのが好ましい。
【００１９】
表面の１次スケールを除去、あるいは除去しないまま、母鋼管８は絞り圧延を施される。絞り圧延は、外表面拡大比 1.3以上の絞り圧延を施す。外表面拡大比は次の(2) 式で定義される値を用いる。
外表面拡大比＝d₁l₁/d₀l₀ …………(2)
ここで、d₀: 圧延前の管直径、l₀: 圧延前の管長さ、d₁: 圧延前の管直径、l₁: 圧延前の管長さである。
【００２０】
外表面拡大比が 1.3未満では、絞り圧延前スケールの剥離除去が不十分で、かつ、圧延中生成されるスケールの圧縮も不十分となり、スケール厚の低減が達成できないため、外表面拡大比は 1.3を下限とした。なお、より好ましくは、外表面拡大比は1.5 以上10以下である。外表面拡大比が10を超えると管温度が低下しすぎるため、目標の圧延終了温度を確保できない。なお、各スタンドでは、外表面拡大比は1.01〜1.18とするのが好ましい。
【００２１】
絞り圧延装置21の最終スタンドは、Ra： 0.5μｍ以下のブライトロールを用いて圧延するのが好ましい。ブライトロールを用いて圧延することにより、圧延後、製品管の表面粗さを低減できる。最終スタンド以外のスタンドにおいてもブライトロールを用いて圧延してもよい。製品管の表面粗さは、最終スタンドにブライトロールを用いることにより、Ra：1.0 μｍ以下とすることが可能となり、最終スタンド以外のスタンドでブライトロールを用いると、さらにRa：0.7 μｍ以下と管表面性状は向上する。なお、最終スタンドにブライトロールを使用しない場合には、製品管の表面粗さはRa： 3.0μｍ以下となる
絞り圧延の終了温度は、 500℃以上 700℃以下の範囲とする。
【００２２】
絞り圧延の終了温度が 700℃超となると、圧延終了後に生成するスケール量が多くなり、薄スケール化を達成できない。また、終了温度が 500℃未満では、圧延荷重が増大するうえ、加工硬化量が増大し、製品の延性が劣化する。このため、絞り圧延の終了温度は 500℃以上 700℃以下の範囲に限定した。
一方において、本発明では、母鋼管の管軸直交断面（Ｃ断面という）の平均フェライト粒径がｄ_F （μｍ）のとき、前記式(1) を満たす平均圧延温度θ_m （℃）および全縮径率Ｒ_G （％）で絞り圧延を施すのが好ましい。これにより、製品管のフェライト結晶粒径を１μｍ以下にすることができ、図６に示すように、スケール最深相である粒界酸化層（内方酸化層）が金属析出物を含むようになって高密度化し、地鉄との界面が入り組むと共に、粒界酸化が促進されFe拡散による外方酸化が抑制され、スケール単相の厚みが減じる効果が得られる。
【００２３】
鋼管は絞り圧延終了後、直ちに急冷装置24で急速冷却される。
急冷は、絞り圧延終了温度から300 ℃以下まで行うのが好ましい。圧延終了後、急冷するのは、鋼管表面のスケールの生成を抑制するためであり、スケール生成がみられない300 ℃以下まで冷却するのがよい。冷却は水、噴霧、エアーいずれによってもよい。圧延終了後、空冷すると、鋼管表面にさらにスケールが形成され、スケール厚が増加し、薄スケール化を達成できない場合がある。
【００２４】
なお、本発明では、絞り圧延装置21の入側あるいは絞り圧延装置21の途中に冷却装置26を配設し、温度調整を行ってもよい。
スケール組成は、加熱温度、圧延条件および圧延後の冷却条件により決まるが、上記した製造条件によれば、本発明の薄スケール鋼管のスケールは厚み3.0 μｍ以下でFe₃O₄ 、FeO の少なくとも１種からなる組成となり、密着性が良好となる。Fe₃O₄ 、あるいはFeO あるいはFe₃O₄ とFeO の混合した組成では、条件によってはわずかに混入する面積率で0.5 ％程度のFe₂O₃ の混入を許容する。スケール厚みが3.0 μｍを超えるとスケール剥離性が増加し、表面がまだら模様となるため、表面性状が劣化する。
【００２５】
本発明の薄スケール鋼管は、鋼管として継目無鋼管を用い、また電縫鋼管あるいは固相圧接鋼管を用いてもよく、いずれの場合でも製造できる。また、本発明の薄スケール鋼管の製造工程は、上記した母鋼管の製造ラインと連続化してもよい。固相圧接鋼管の製造ラインと連続化した１例を図２に示す。
アンコイラ14から払い出された帯鋼は、接合装置15により先行する帯鋼と接続され、ルーパ17を介して予熱炉２で予熱された後、成形ロール群からなる成形加工装置３でオープン管７とされ、エッジ予熱用誘導加熱装置４とエッジ加熱用誘導加熱装置５とにより融点未満の温度域にオープン管エッジ部を加熱して、スクイズロール６で衝合され圧接され、母鋼管８とされる。
【００２６】
ついで、母鋼管８は、均熱炉22で所定の温度に加熱均熱後、デスケーリング装置23でスケールを除去したのち、複数スタンドの孔型ロールによる絞り圧延装置21により絞り圧延され、圧延終了後急冷装置24で急冷され、切断機18で切断され、管矯正装置19で矯正され製品管16となる。鋼管の温度は温度計20で測定する。
【００２７】
【実施例】
（実施例１）
管寸法42.7mmφ× 2.6mmｔのJIS STKM13B 鋼管を母鋼管として、図１に示す装置列を用いて母鋼管を表１に示す加熱温度に加熱したのち、表１に示す絞り圧延を施し製品管とした。
【００２８】
一部の鋼管では、絞り圧延前にデスケーリング装置23でスケールを除去した。なお、デスケーリング装置23はブラシロール装置とした。
一部の鋼管では、絞り圧延装置21の最終スタンドを含むスタンドでRa：0.3 μｍ以下のブライトロールで圧延した。絞り圧延の孔型ロールは３ロールのものを用いた。
【００２９】
また、一部の鋼管では急冷装置24により圧延終了後、水冷を施した。
製品管について、表面に付着したスケール厚および表面粗さを測定した。その結果を表１に示す。なお、スケール組成は、 Fe₃O₄とFeO の面積率の合計が99.7％以上である。
【００３０】
【表１】

【００３１】
表１から、本発明の範囲の本発明例は厚みが 3.0μｍ以下で、組成がFe₃O₄ とFeO からなるスケールを有する表面粗さでRa：2.2 μｍ以下の表面性状の優れた薄スケール鋼管となっている。
一方、本発明の範囲を外れる比較例は、スケール厚みが厚いか、表面性状が劣る鋼管となっている。
（実施例２）
図１に示す装置列を用いて表２の母鋼管に対し前記(1) 式を満たす表２の条件で本発明を実施した結果を表３に示す。製品Ｃ断面の平均フェライト粒径が１μｍ以下となり、粒界酸化層が緻密化された結果、図６に示すようにスケールの内方酸化層と母材との界面が入り組んだ構造になって、表３に示す製品特性を有する表面性状に優れた薄スケール鋼管が得られた。
【００３２】
【表２】

【００３３】
【表３】

【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、スケール厚が薄く表面性状に優れた鋼管を効率よく製造でき、また、薄スケール化が達成され、二次加工によっても表面性状の変化が少ないという格段の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施に好適な設備列の一例を示す概念図を示す。
【図２】本発明の実施に好適な固相圧接鋼管製造設備と連続化した設備列の一例を示す概念図である。
【図３】スケール厚に及ぼす加熱温度、絞り圧延終了温度の影響を示すグラフである。
【図４】表面粗さ（Rmax）に及ぼす絞り圧延前デスケーリング（S/R 前S/B ）、圧延開始温度の影響を示すグラフである。
【図５】従来の継目無鋼管の製造工程を示す概念図である。
【図６】実施例２の製品管の表面スケール構造の１例を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 帯鋼
２ 予熱炉
３ 成形加工装置
４ エッジ予熱用誘導加熱装置
５ エッジ加熱用誘導加熱装置
６ スクイズロール
７ オープン管
８ 母鋼管
14 アンコイラ
15 接合装置
16 製品管
17 ルーパ
18 切断機
19 管矯正装置
20 温度計
21 絞り圧延装置
22 均熱炉
23 デスケーリング装置
24 急冷装置
25 再加熱装置
26 冷却装置

Claims (7)

1. 表面に、Fe ₃ O ₄ 、FeOの少なくとも１種からなる組成で厚みが3.0μm以下かつ Fe ₃ O ₄ と FeO の面積率の合計が 99.7 ％以上のスケールを有する薄スケール鋼管。
2. 孔型ロールを有する複数スタンドの絞り圧延機を用いて絞り圧延する鋼管の製造方法において、
   絞り圧延前の母鋼管を加熱したのち、外表面拡大比を1.3以上、圧延終了温度を500℃以上700℃以下とする絞り圧延を施すことを特徴とする、表面にFe ₃ O ₄ 、FeOの少なくとも１種からなる組成で厚みが3.0μm以下かつ Fe ₃ O ₄ と FeO の面積率の合計が 99.7 ％以上のスケールを有する薄スケール鋼管の製造方法。
3. 前記加熱の温度が800℃未満であることを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記絞り圧延終了後直ちに急速冷却することを特徴とする請求項２または３記載の方法。
5. 前記絞り圧延において、少なくとも最終スタンドを、表面粗さRa：0.5μｍ以下のブライトロールで圧延することを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の方法。
6. 前記加熱後、絞り圧延前に、デスケーリングを行うことを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の方法。
7. 管軸に直交する断面の平均フェライト粒径がｄ _F （μｍ）である母鋼管を加熱後、下記式(1)を満たす平均圧延温度θ _m （℃）および全縮径率Ｒ _G （％）で絞り圧延を施す請求項２〜６のいずれかに記載の方法。
   

   

   ここに、θ _m ＝（θ ₀ ＋θ _N ）／２、Ｒ _G ＝（Ｄ ₀ −Ｄ _N ）×100／Ｄ ₀ 、θ：温度（℃）、Ｄ：外径（mm）、添字0，Ｎ：絞り圧延機第１スタンド入側，最終スタンド出側

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