JP3821319B2 - 耐火性の優れた建築用継目無鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

【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を有する耐火性（６００℃での降伏点が常温降伏点規定値の２／３以上）に優れた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（６００℃での降伏点が常温の規格降伏点の２／３以上）を有する場合は、耐火被覆を省略し、裸使用が可能になった。
【０００４】
従来、耐火性に優れた建築用鋼材としては、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８００〜１０００℃の温度範囲で終了する方法、あるいは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材、あるいは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、かつ、Ｔｉ：０．００５〜０．１０％、Ｚｒ：０．００５〜０．０３％、Ｖ：０．００５〜０．１０％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材（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／１４）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／２４＋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：０．３０〜２．００％、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％以下である鋼材（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】
【発明が解決しようとする課題】
上記特公平４−５０３６２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という欠点を有している。また、合金元素の添加量を低く抑えた場合には、十分な高温強度が得られないという欠点を有している。
【０００６】
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する耐火性の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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の耐火性の優れた建築用継目無鋼管の製造方法は、成分が質量 % で ( なお、従来技術並びに本発明の鋼成分は単に % と表示する ) 、C:0.04〜0.15%、Si:0.5%以下、Mn:0.5〜1.7%、Mo:0.1〜1.0%、Al:0.010%以下、N:0.012%以下を含有し、かつ、V:0.01〜0.10%、Nb:0.01〜0.04%、Cr:0.1〜0.5%のうちの1種以上を含み、下記(1)式で得られる活性Nが0.002%以上で、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方法において、穿孔に続いて断面圧縮率30%以上の仕上圧延を仕上り温度900℃以上で行い、空冷後、900〜1000℃の温度で焼ならし、さらに500〜700℃の温度で焼戻しを行うことを特徴としている。
活性N(%)=N(%)−{1/2×Al(%)}………(1)式
【０００８】
このように、Ｃ：０．０４〜０．１５％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．５〜１．７％、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、穿孔に続いて仕上り温度９００℃以上、断面圧縮率３０％以上で仕上圧延後空冷し、その後９００℃〜１０００℃の温度で焼ならし、さらに５００〜７００℃の温度で焼戻しを行うことによって、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。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明においては、前記仕上圧延後に空冷したのち、９００〜１０００℃で焼ならし、さらに５００〜７００℃の温度で焼戻しを行い、整粒された微細な再結晶粒を得る。
【００１０】
本発明の耐火性の優れた建築用継目無鋼管の化学組成を限定した理由を説明する。まず、前記（１）式で推定される活性Ｎを０．００２％以上に限定する理由を作用効果と共に説明する。
【００１１】
本発明の耐火性の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０．０１％以下とした。
【００１２】
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、好ましくは０．０７〜０．０１２％とした。
【００１３】
また、活性Ｎ量と高温降伏強度との関係は、図２に示すとおりであって、活性Ｎが０．００２％未満となると急激に高温強度が低下することから、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。
【００１４】
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、０．０４〜０．１５％とした。
【００１５】
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。
【００１６】
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、１．７％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、０．５〜１．７％とした。
【００１７】
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。
【００１８】
Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒは、高温強度を確保するための元素であり、一層高温強度が必要な場合、その一種以上を添加する。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
本発明の仕上圧延における断面圧縮率を３０％以上としたのは、断面圧縮率が３０％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。
【００２４】
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が、９００℃未満では中空素管の変形抵抗が大きくなって断面減少率３０％以上の強加工を施すことが困難となるので、９００℃以上とした。
【００２５】
本発明の仕上圧延して空冷した後の焼ならしは、再結晶による結晶粒の整粒化を行うもので、加熱温度が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、１０００℃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。
【００２６】
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。
【００２７】
【実施例】
表１に示す化学組成の鋼Ａ〜Ｆ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、１２００℃に加熱したのち、表２に示す条件で製管して２００℃以下まで空冷したのち、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２０．０ｍｍ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、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６００℃で引張試験を実施し、室温における降伏点（ＹＳ）、引張強度（ＴＳ）、破断伸び（ＥＬ）と６００℃における降伏点（ＹＳ）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。
【００２８】
【表１】

【００２９】
【表２】

【００３０】
【表３】

【００３１】
表２、表３に示すとおり、試験Ｎｏ．１〜６の本発明法により得た継目無鋼管は、十分な高温強度、靭性性能を示している。これに対し、試験Ｎｏ．７〜１１の比較例の場合は、高温強度、靭性性能のいずれかが確保できていない。
【００３２】
【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、従来法に比較し、製管コストを高めることなく、安価で耐火性に優れたものを提供することができる。
【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。

Claims (1)

1. 成分が質量 % で、C:0.04〜0.15%、Si:0.5%以下、Mn:0.5〜1.7%、Mo:0.1〜1.0%、Al:0.010%以下、N:0.012%以下を含有し、かつ、V:0.01〜0.10%、Nb:0.01〜0.04%、Cr:0.1〜0.5%のうちの1種以上を含み、下記(1)式で得られる活性Nが0.002%以上で、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方法において、穿孔に続いて断面圧縮率30%以上の仕上圧延を仕上り温度900℃以上で行い、空冷後、900〜1000℃の温度で焼ならし、さらに500〜700℃の温度で焼戻しを行うことを特徴とする耐火性の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

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