JP4059099B2 - 継目無鋼管圧延用鋳造ロール材および継目無鋼管圧延用ロール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、継目無鋼管圧延用ロールに係り、とくに鋼管穿孔圧延時に発生するスリップの防止と、ロール寿命の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マンネスマン方式による継目無鋼管の製造においては、被穿孔材である圧延素材（丸棒）に回転鍛造効果を十分に付与して穿孔し、さらには延伸するために、圧延ロールには、圧延素材（被穿孔材）を噛み込み、十分に把持する特性を有することが要求されている。このような要求はとくにピアサーロールに対し強い。
【０００３】
圧延ロールが、このような圧延素材の噛み込み性、把持性を消失して圧延素材との間でスリップを起こすと、噛み込み不良、圧延の途中停止等の圧延不良が発生し、連続圧延工程でのミル停止等の大きなトラブルに繋がるという問題がある。
このような問題に対し、例えば、特許文献１には、Ｃ：1.10〜1.85％、Si：0.3 〜1.2 ％、Mn：0.4 〜1.5 ％、Ni：0.5 〜2.0 ％、Cr：0.5 〜2.0 ％を含み、残部が実質的に鉄の高炭素合金鋳鋼を、熱間鍛造後、熱処理を施して、球状炭化物が35〜55面積％占めてなる金属学的組織を有するロールとする継目無鋼管圧延用鍛造ロールの製造方法が提案されている。特許文献１に記載された技術では、アダマイト系ロール材に熱間鍛造と熱処理を施すことにより、ロール表面のショア硬さＨｓが29〜34に抑えられ、網目状炭化物が消失するとともに、１〜２μｍの球状炭化物が基地に析出し、耐摩耗性と噛み込み性がともに向上するとしている。
【０００４】
また、特許文献２には、ピアサーロールのスリップを防止する方法が提案されている。特許文献２に記載された技術では、ピアサーロールを駆動するモータの電流値をセンサーで刻々検知し、センサーからの信号が所定電流値以下のときは、スリップ発生と予測し、ピアサーロールと丸鋼材にスリップ防止剤を吹き付けることにより、スリップを防止できるとしている。また、特許文献３には、特殊な増摩剤を圧延ロールと被圧延材との間に介在させて被圧延材と圧延ロールとの間のすべりを軽減する熱間圧延方法が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平10-81937号公報
【特許文献２】
特開平10-180311 号公報
【特許文献３】
特開平6-122002号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献２、特許文献３に記載された技術では、被圧延材と圧延ロールとの間に吹き付けられたスリップ防止剤や増摩剤が下流工程で鋼管表面に食い込み鋼管表面性状を悪化させるという問題がある。また、最近では鋼管の高級化が進み、組成が高合金化し、そのため被穿孔材の熱間変形抵抗が増加しているため、特許文献１に記載された技術によっても、圧延ロールと被穿孔材とのスリップが増加するとともに、圧延ロールの表面損傷が増加しロール寿命が低下するという問題がある。このため、継目無鋼管圧延用ロールには更なる耐スリップ性の向上や、ロール寿命の長寿命化が強く要求されている。また、特許文献１に記載された技術では、鍛造工程を必要とするため、製造工程が複雑になり製造コストが高騰するという問題もある。
【０００７】
本発明は、かかる従来技術の問題を有利に解決し、耐スリップ性に優れ、表面損傷を抑制できる、継目無鋼管圧延用ロール材および継目無鋼管圧延用ロールを安価に提供することを目的とする。なお、本発明でいう「耐スリップ性」とは、圧延初期における噛み込み時の被穿孔圧延材と圧延ロールとのスリップ、および噛み込んだ後の圧延ロールと被穿孔圧延材とのスリップを含めたスリップの困難性をいうものとする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した課題を達成するため、まず、耐スリップ性および、表面損傷の抑制に影響する要因について鋭意検討した。その結果、網目状炭化物を減少させ、圧延ロールの表層に硬質物質である粗大なMC型炭化物を多量分散させることができる組成とし、圧延ロール硬さをＨｓ29〜43と低く抑えることにより、耐スリップ性の向上と表面損傷の抑制が同時に達成可能であることを見出した。
【０００９】
本発明は、上記した知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨は、つぎのとおりである。
（１）継目無鋼管圧延用ロールに用いられるロール材であって、質量％で、Ｃ：1.0 〜2.0 ％、Si：0.1 〜1.0 ％、Mn：0.2 〜2.0 ％、Cr：0.5 〜2.5 ％、Mo：0.5 〜2.5 ％、Ｖ：3.5 〜7.0 ％、Nb：0.1 〜2.0 ％を含み、かつ次（１）式
−0.2 ≦ Ｃ−（0.24×Ｖ＋0.13×Nb） ≦0.2 ………（１）
（ここで、Ｃ，Ｖ，Nb：各元素の含有量（質量％））
を満足し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする耐スリップ性に優れた継目無鋼管圧延用鋳造ロール材。
（２）（１）においてロール使用層範囲内の硬さが、Ｈｓ29〜43であることを特徴とする継目無鋼管圧延ロール用鋳造ロール材。
（３）（１）または（２）において、前記組成に加えてさらに、質量％で、Ｗ：1.5 ％以下を含有することを特徴とする継目無鋼管圧延用鋳造ロール材。
（４）（１）ないし（３）のいずれかにおいて、前記組成に加えてさらに、質量％で、Co：２％以下を含有することを特徴とする継目無鋼管圧延用鋳造ロール材。
（５）（１）ないし（４）のいずれかに記載の鋳造ロール材をロール使用層としてなる継目無鋼管圧延用ロール。
【００１０】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の鋳造ロール材の組成限定理由について説明する。なお、以下、組成における質量％は、単に％で示す。
Ｃ：1.0 〜2.0 ％
Ｃは、硬質MC型炭化物を形成するとともに、基地硬さを増加させて、耐スリップ性を向上させると同時に耐摩耗性を向上させてロールの表面損傷を低下させる作用を有する。このような効果は1.0 ％以上の含有で認められる。Ｃが1.0 ％未満では、凝固温度が上昇し鋳造性が劣化し、引け巣欠陥が発生しやすくなる。一方、2.0 ％を超えて含有すると、共晶炭化物が生成し却ってスリップが発生しやすくなるとともに、ヒートクラックが発生する危険性が増大する。このようなことから、Ｃは1.0 〜2.0 ％の範囲に限定した。
【００１１】
Si：0.1 〜1.0 ％
Siは、脱酸剤として作用する元素であり、本発明では0.1 ％以上の含有を必要とする。一方、1.0 ％を超えて含有しても上記した効果が飽和するとともに、また、MC炭化物が粗大化してクラックが発生しやすくなる。このため、Siは0.1 〜1.0 ％の範囲に限定した。
【００１２】
Mn：0.2 〜2.0 ％
Mnは、耐摩耗性を阻害するＳをMnS として固定し、無害化、安定化するために有効である。また、Mnはロール表面を保護するスケールの形成を促進する作用を有している。このような効果を得るためには、0.2 ％以上の含有が必要である。しかし、2.0 ％を超えて含有しても効果が飽和し、含有量に見合う効果が期待できなくなり、経済的に不利となる。このため、Mnは0.2 〜2.0 ％の範囲に含有した。なお、好ましくは0.2 〜1.5 ％である。
【００１３】
Cr：0.5 〜2.5 ％
Crは、基地の耐熱性を向上させて、ヒートクラックの発生や高温における塑性流動を抑制する作用を有する元素であり、本発明では0.5 ％以上の含有を必要とする。一方、2.5 ％を超えて含有すると、クロム系共晶炭化物が生成し、ロール表面が平滑化してスリップが発生しやすくなり耐スリップ性が低下するとともに、ヒートクラックの発生が顕著となる。このため、Crは0.5 〜2.5 ％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.5 〜2.0 ％である。
【００１４】
Mo：0.5 〜2.5 ％
Moは、基地の高温強度を増加させて、高温における塑性流動を抑制し耐摩耗性を向上させる作用を有する元素であり、本発明では0.5 ％以上の含有を必要とする。一方、2.5 ％を超えて含有すると、共晶炭化物が生成し、ロール表面が平滑化してスリップが発生しやすくなり耐スリップ性が低下するとともに、ヒートクラックの発生が顕著となる。このため、Moは0.5 〜2.5 ％の範囲に限定した。
【００１５】
Ｖ：3.5 〜7.0 ％
Ｖは、スリップ防止に有効な粗大な硬質MC型炭化物を形成する有効な元素であり、本発明では重要な元素の一つである。Ｖを3.5 ％以上含有することによりスリップ防止に有効な粗大な硬質MC型炭化物が適量晶出するが、7.0 ％を超えて含有すると、MC炭化物が粗大化するとともに過多となるため、鋳造時に偏析したり、溶湯の流動性を低下させ、鋳造性を阻害する。このため、Ｖは3.5 〜7.0 ％の範囲に限定した。
【００１６】
Nb：0.1 〜2.0 ％
Nbは、MC型炭化物に固溶して炭化物を強化するとともに、MC型炭化物の重力偏析を抑制する作用を有する元素であり、このような効果を得るために本発明では0.1 ％以上の含有を必要とする。一方、2.0 ％を超えて含有すると、MC炭化物を過度に粗大化させるためMC型炭化物の偏析を助長する。このため、Nbは0.1 〜2.0 ％の範囲に限定した。
【００１７】
本発明では、Ｃ，Ｖ，Nbの含有量を上記した範囲内としたうえで、さらに、次（１）式を満足するように各成分の含有量を調整することが重要である。
−0.2 ≦ Ｃ−（0.24×Ｖ＋0.13×Nb） ≦0.2 ………（１）
（ここで、Ｃ，Ｖ，Nb：各元素の含有量（質量％））
（0.24×Ｖ＋0.13×Nb）は、ＶとNbによってMC型炭化物の形成に消費されるＣ量を意味し、｛Ｃ−（0.24×Ｖ＋0.13×Nb）｝は、MC炭化物の形成には消費されずに基地に固溶し、ロール材硬さに影響するＣ量を表す。以下、本発明では、｛Ｃ−（0.24×Ｖ＋0.13×Nb）｝を有効Ｃ量とも呼ぶ。
【００１８】
有効Ｃ量が、−0.2 未満では基地硬さが低下して耐摩耗性が劣化し、ロール寿命が低下する。一方、有効Ｃ量が、0.2 を超えて大きくなると、ロール材硬さが硬くなり過ぎ、また共晶炭化物を出現させてスリップが発生しやすくなる。このため、有効Ｃ量は−0.2 〜0.2 の範囲に限定した。有効Ｃ量とロール硬さの関係を図１に示す。
【００１９】
図１は、次のような実験により得られた結果である。
質量％で、1.3 ％Ｃ−0.5 ％Si−0.6 ％Mn−1.5 ％Cr−1.0 ％Mo−1.0 ％Nb−3.5 〜6.0 ％Ｖ系および1.6 ％Ｃ−0.4 ％Si−0.4 ％Mn−1.4 ％Cr−0.8 ％Mo−1.3 ％Nb−4.8 〜7.2 ％Ｖ系の溶湯を遠心鋳造法により、280mm φのリングロールを作製し、室温まで冷却（空冷) し試験片素材とした。これらリング状試験片から試験片を採取して、該試験片に焼戻処理を施し硬さを測定した。なお、焼戻処理は、690 ℃×20ｈ（1.3 ％Ｃ−1.0 ％Nb−Ｖ系）、720 ℃×20ｈ（1.6 ％Ｃ−1.3 ％Nb−Ｖ系）とした。硬さは、JIS Z 2246に準拠してショア硬さHsを測定した。図１から、有効Ｃ量が−0.2 〜0.2 の範囲内となるようにＣ，Nb, Ｖ含有量を調整することにより、ロール硬さを耐スリップ性に優れる硬さ範囲である、Hs29〜43の範囲とすることができることが分かる。
【００２０】
上記した基本成分に加えて、さらにＷ、またはCo、を必要に応じ選択して含有できる。
Ｗ：1.5 ％以下
Ｗは、炭化物を強化し、耐摩耗性を向上させる作用を有し、必要に応じ含有することができる。このような効果は0.5 ％以上の含有で認められるが、1.5 ％を超えて含有すると、共晶炭化物を過多に生成して耐スリップ性が低下する。このため、本発明ではＷは1.5 ％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは1.0 ％以下である。
【００２１】
Co：２％以下
Coは、基地を強化し、熱間での塑性流動を抑制して、ロールを長寿命化する作用を有し、本発明では必要に応じ含有できる。このような効果は0.5 ％以上の含有で認められるが、２％を超えて含有しても効果が飽和し、含有量に見合う効果が期待できず経済的に不利となる。このようなことから、Coは２％以下に限定することが好ましい。
【００２３】
上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。不可避的不純物として、Ｐ：0.2 ％以下、Ｓ：0.1 ％以下、Ｎ：0.1 ％以下が許容できる。
上記した組成に加えて、本発明の鋳造ロール材は、ロールとして有効に使用できる深さ方向の範囲、すなわちロール使用層における硬さをＨｓ29〜43とすることが好ましい。ロール使用層の硬さが、Ｈｓ29未満では、硬さが低過ぎて耐摩耗性が低下しロール寿命が低下する。一方、Ｈｓ43を超えると、硬さが高過ぎて耐スリップ性が低下する。このため、本発明のロール材ではロール使用層の硬さをＨｓ29〜43の範囲に限定することが好ましい。
【００２４】
つぎに、本発明ロール材の好ましい製造方法について説明する。
本発明のロール材は、上記した組成の溶湯を、遠心鋳造法で所定寸法のリング状ロール材とすることが、エネルギーコスト、製造コストの観点から好ましい。遠心鋳造法は、公知の方法がいずれも適用できる。
上記した組成の溶湯を遠心鋳造法でリング状ロール材としたのち、該リング状ロール材をロール外層とし、該リング状ロール材の凝固途中あるいは完全凝固後に、鋳型の回転を停止し内層材を静置鋳造して、複合ロールとすることもできる。これにより外層材の内面側が再溶解され外層と内層が溶着一体化した、複合ロールとなる。静置鋳造される内層材は、鋳造性と機械的性質に優れた黒鉛鋼や球状黒鉛鋳鉄、あるいは過共析鋼などを用いるのが好ましい。また、外層と内層の間に、過共析鋼からなる中間層を設けてもよい。遠心鋳造法でロールを製造する場合、中間層は、外層の遠心鋳造に引きつづいて、遠心鋳造すれば良い。
【００２５】
また、本鋳造ロール材は靱性に富むため、外層だけでスリーブロールを作成し、軸材に焼嵌めして製造できる。
上記したようにリング状ロール材を遠心鋳造したのち、該リング状ロール材をロール使用層であるスリーブとし、該スリーブに軸材を焼嵌めあるいは冷し嵌め等により嵌合し組立てて、スリーブ式ロールとすることもできる。なお、軸材としては、鋳鋼、鋳鉄、鍛鋼がいずれも適用できるが、炭素鋼、CrMo鋼あるいは球状黒鉛鋳鉄等が硬度の観点から好ましい。
【００２６】
上記したように、本発明の鋳造ロール材を用いて製造されたロールは、ピアサロール以外にもエロンゲータロール等の継目無鋼管圧延用ロールとして好適に適用できる。
【００２７】
【実施例】
表１に示す組成を有する溶湯を低周波溶解炉で溶製し、遠心鋳造法により、リング状のロール材（外径：1348mmφ−内径：655mm φ×長さ2080mm）とした。なお、鋳込み温度は1530℃、遠心力は重力倍数で150 Ｇとした。なお、Ｐ：0.005 〜0.010 ％、Ｓ：0.008 〜0.015 ％であった。鋳造後、690 〜740 ℃で焼戻処理を施した。得られたリング状ロール材を所定寸法に仕上げ加工を施し、アーバー（軸材）に焼嵌めし、スリーブ式ロールに組立て、継目無鋼管圧延用のピアサーロールとした。
【００２８】
得られたピアサーロールのロール表面（圧延面）で、JIS Z 2246に準拠してロール硬さＨｓを測定した。
また、得られたピアサーロールをマンネスマン式穿孔圧延機に装着し、Crを９質量％以上含有する高Cr系合金ビレット（外径：207 mmφ）の穿孔圧延を実施し、ロール寿命を測定した。噛み込み不良、スリップの発生、ロール損傷により再使用が不可能となった時点までの圧延本数をそのロールのロール寿命とした。なお、鍛造アダマイト製ロールを使用した場合を従来例とした。
【００２９】
得られた結果を表１に併記した。なお、各ロールのロール寿命は、従来例である鍛造アダマイト製ロールの圧延本数を基準値として、基準値に対する圧延本数の比、ロール寿命比＝（圧延本数）／（従来例の圧延本数）で評価した。
【００３０】
【表１】

【００３１】
本発明例はいずれも、従来例の1.5 倍以上のロール寿命延長が達成されている。一方、本発明の範囲を外れる比較例は、噛み込み不良の発生（ロールNo.8、No.10 ）、あるいは圧延途中でスリップが発生（ロールNo.9、No.13 ）し、従来例に比べても短いロール寿命となっている。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、継目無鋼管圧延用として耐スリップ性に優れ、表面損傷を抑制でき、長寿命を有する、継目無鋼管圧延用ロール材および継目無鋼管圧延用ロールを安価に提供でき、産業上格段の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ロール材硬さと有効Ｃ量との関係を示すグラフである。

Claims (5)

1. 継目無鋼管圧延用ロールに用いられるロール材であって、質量％で、
   Ｃ：1.0 〜2.0 ％、 Si：0.1 〜1.0 ％、
   Mn：0.2 〜2.0 ％、 Cr：0.5 〜2.5 ％、
   Mo：0.5 〜2.5 ％、 Ｖ：3.5 〜7.0 ％、
   Nb：0.1 〜2.0 ％
   を含み、かつ下記（１）式を満足し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする耐スリップ性に優れた継目無鋼管圧延ロール用鋳造ロール材。
   記
   −0.2 ≦ Ｃ−（0.24×Ｖ＋0.13×Nb） ≦0.2 ………（１）
   ここで、Ｃ，Ｖ，Nb：各元素の含有量（質量％）
2. ロール使用層範囲内の硬さが、Ｈｓ29〜43であることを特徴とする請求項１に記載の継目無鋼管圧延ロール用鋳造ロール材。
3. 前記組成に加えてさらに、質量％で、Ｗ：1.5 ％以下を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の継目無鋼管圧延ロール用鋳造ロール材。
4. 前記組成に加えてさらに、質量％で、Co：２％以下を含有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の継目無鋼管圧延ロール用鋳造ロール材。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の鋳造ロール材をロール使用層としてなる継目無鋼管圧延用ロール。

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