JP4259424B2 - 高クロム鋼大断面ビレットの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、５質量％以上のクロムを含有する高クロム鋼の大断面ビレットを製造する方法に関し、たとえばプレスや２重逆転式圧延機を用いた圧延により、特に継目なし鋼管用や構造鋼用素材として使用される高クロム鋼大断面ビレットを製造する方法に関するものである。

従来、５質量％以上のクロムを含有する高クロム鋼、たとえばマルテンサイト系の１３Ｃr鋼、Ｓ１３Ｃｒ鋼、オーステナイト系のＳＵＳ３０４，３１６，３２１ステンレス鋼，Ｃｒ−Ｍｏ系の５Ｃｒ鋼，９Ｃｒ鋼等をビレット圧延する場合には、造塊で製造したインゴットを使用する方法と、連続鋳造により製造した、幅を厚みで除した比である縦横比（以下、単に「縦横比」という。）が１．０〜１．５の鋳片を用いて製造する方法の２つの方法があった。

しかしながら、インゴットを使用する方法では、インゴットを製造する際の鋳込み・圧延における歩留やエネルギー原単位が悪く、コスト高となる。また、連続鋳造により製造した縦横比が１．０〜１．５の鋳片を使用する場合には、５質量％以上のクロムを含有する高クロム鋼では、鋳片内部に凝固収縮に起因するポロシティー（空隙）が発生し、その後の圧延工程においても圧着されないために内部欠陥が問題となる。

この連続鋳造鋳片を使用する場合の対策として、空隙圧着の目的で、圧延の前に長辺方向と短辺方向の２方向からプレスを行う方法では、断面が減少することから、圧延サイズの制約や、プレス適用による温度低下のために再加熱が必要となり、エネルギーコストが悪くなる場合がある。

そこで、
（１）５質量％以上のクロムを含有する高クロム含有圧延用素材鋼の製造方法において、連続鋳造における鋳型の厚みを２００〜４００ｍｍ、縦横比を１．７〜４．０とすることで鋳片の内部の空隙の発生を抑制する方法が提案されている。
特開平３−２４８７４４号公報

（２）また、上下のロールを使っての圧延において、低い歪速度と大きな圧下力で圧下を浸透させ内部のポロシティーを圧着させる方法が提案されている。
特開平３−１７４９０１号公報

（３）さらに、鋼材の表面と中心部に４００℃以上の温度差を与えておき、プレスあるいはロールにより所定量の圧下を加えてポロシティーを圧着除去する方法もある。
特開昭６１−２３８４０４号公報

（４）またさらに、鋳型内電磁攪拌装置を適用し、かつ凝固末期の鋳片を軽圧下した鋳片を素材として、長辺方向と短辺方向の２方向から鍛造し、再加熱後、圧延にて１５０ｍｍ以上の直径の丸鋼を製造する方法が提案されている。
特開平１１−２５４００２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、縦横比を大きくすることに対する内部欠陥の抑制効果は得られるものの、特許文献１の図１より明らかなように、縦横比が２．０以下の場合には鋳片内部の空隙抑制効果が悪い。かかる場合は、後述する発明者らの調査結果にも示されるように、特に厚みの大きさに依存する傾向があり、充分な内質改善が図れない。特に鋳型の厚みが大きくなるほど、凝固収縮による鋳片内部の空隙が悪化する傾向にある。具体的には３００ｍｍ以上で空隙の発生率が上昇し、縦横比だけを規定しても鋳片内部の空隙抑制効果は期待できない。しかるに特許文献１では、縦横比のみの評価を行っており、鋳片厚みについての評価がなされていない。

発明者らが、特許文献１と前記連続鋳造鋳片を使用する場合の方法を裏付けるデータとして、１３質量％クロム鋼鋳片を用いて、縦横比と鋳片厚みによる鋳片内部欠陥の関係を調査した結果（縦断面のマクロ組織観察）を図３に示す。この図３に示した調査結果より、縦横比が２．０以下で、鋳片厚みが３００ｍｍ以上の場合には、凝固収縮に起因する空隙が発生することがわかった。つまり、縦横比が２．０より大きく、鋳片厚みが小さい方が内部品質は良くなることがわかった。

また、特許文献２の方法では、高クロム鋼の大断面ビレットに関しては、仕上げサイズに必要となる厚みがなくなり、必要量の圧下量が得られず、内質の改善は図れない。例えば外径が３６０ｍｍのビレットを製造するためには、強圧下後の厚みが最低でも３６０ｍｍ以上必要であるが、強圧下するための圧下量が１１０ｍｍとしても４７０ｍｍ以上の外径が必要となる。また、特許文献２では圧下浸透度に関してのみ記載されているが、鋳型の断面が大きくなるほど鋳片内部のポロシティーの発生が多くなる傾向にあるといった、素材の影響についての検討がなされておらず、品質に対する具体的な効果が不明である。

また、特許文献３の方法では、温度低下させることにより表面部の変形能が低下するので、加工時に表面疵が発生したり、また仕上げ加工するために再加熱が必要となる。あるいは発生した疵をオフラインで手入する必要がある場合も考えられる。また一方、鋼材の温度を低下させるとなると、操業的に能率の低下が考えられる。以上の、圧延性及び品質、作業性、エネルギーコストの点から、現実性としては非常に困難であると考えられる。

また、特許文献４の方法では、まず鋳片段階で発生するポロシティーを抑制するため、鋳型内電磁攪拌の適用と凝固末期の鋳片の軽圧下が前提となるが、軽圧下を行うための装置が必要なうえ、実操業から凝固末期の軽圧下おいては製造条件のバラツキ等により鋳片の内部品質は安定的ではない。また、２方向からのプレスのため、プレスに要する時間がかかり、プレス後の圧延には再加熱が必要となってエネルギーロスが発生し、生産性が低下する。

本発明が解決しようとする問題点は、５質量％以上のクロムを含有する高クロム鋼の、たとえば直径が１４７〜４２０ｍｍ、あるいは、一辺が１３０〜４２０ｍｍの大断面ビレットを、連続鋳造により製造された鋳片を用い、内部欠陥を極めて少なく抑制しようとした場合には、再加熱することなく製造することはできず、生産性が悪くコスト高になると言う点である。

本発明の高クロム鋼大断面ビレットの製造方法は、
５質量％以上のクロムを含有する高クロム鋼の大断面ビレットを、連続鋳造により製造された鋳片を用い、内部欠陥を極めて少なく抑制し、再加熱することなく、安価で安定した製造を可能とするために、
縦横比が１．７〜３．０で、厚みが２００〜４００ｍｍの連続鋳造鋳片を、
加熱後に、プレスを用いて、鋳片の全長にわたって鋳片幅方向にのみ全幅の１４％以上の圧下を施し、
その後、再加熱することなくロールにより圧延することを最も主要な特徴としている。

本発明の高クロム鋼大断面ビレットの製造方法において、適用対象を５質量％以上のクロムを含有する高クロム鋼に限定するのは、５質量％以上のクロムを含有する高クロム鋼は、鋳込み時に鋳片内部に空隙の発生が顕著で、従来、様々な改善を重ねても大断面ビレットの製造に関して、効果的な対策がなかったためである。

また、本発明の高クロム鋼大断面ビレットの製造方法において、連続鋳造鋳片を使用するのは、インゴットを用いた場合は、鋳込み・圧延における歩留のロスや、エネルギーコストのロスが大きいためである。

しかしながら、連続鋳造鋳片は、鋳込み時に発生する空隙が問題となる。特に空隙の発生率は、鋳型の厚みが大きいほど悪化する傾向にあり、大断面鋳型には不利である。一方、鋳型断面の縦横比が大きいほど空隙の発生が抑制される傾向にあることが知られている。

発明者らが種々調査した結果によれば、縦横比が１．７未満の場合には、連続鋳造鋳片に発生する空隙がプレスによって圧着される傾向は見られるものの、完全には圧着されず、疵の発生原因となった。また、プレス量を増量すると仕上げ断面を確保できなくなる。一方、縦横比が３．０を超えると、連続鋳造鋳片の内部品質には問題は発生せず、プレスを行う必要性がない。

そこで、本発明の高クロム鋼大断面ビレットの製造方法では、縦横比が１．７〜３．０の連続鋳造鋳片をプレス圧下することとした。

また、本発明の高クロム鋼大断面ビレットの製造方法において、対象とする連続鋳造鋳片の厚みが小さければ連続鋳造鋳片の内部欠陥の悪化が緩やかになるが、大断面ビレットを対象とする制約があることから、下限を２００ｍｍとした。一方、厚みが４００ｍｍを超えると、内部品質を確保するための鋳込み速度の制約から生産性に影響を及ぼすから、上限を４００ｍｍとした。

また、本発明の高クロム鋼大断面ビレットの製造方法において、幅方向のプレス圧下量を１４％以上としたのは、１４％以上することで、空隙の発生している中央部へ圧下が浸透して圧着され、ビレットに残存する空隙を抑制することができるからである。もちろん以上としているように、鋳片の内質改善にはプレス量が大きいほど効果があるが、プレス量を多くしすぎると、プレス機にかかる負荷が大きく、また作業時間が長くなることから、プレス圧下は２５％以下とすることが望ましい。

なお、幅方向にプレス圧下して幅中央部に存在する空隙をも圧着して潰せるのは、ロール圧延は、ロールに当たっている部分近傍が特に変形し、中心部まで圧下が浸透しないのに対し、プレスは一般にいう自由鍛造で、図１に示すように、断面で見るとプレスヘッドの当たっている面は、デッドメタル２と呼ばれ変形せず、その分中心部３が潰されるからである。

本発明によれば、連続鋳造鋳片を使用し、一連の圧延プロセスでの製造により、内部品質に優れた、５質量％以上のクロムを含有する高クロム鋼大断面ビレットが、安価に、安定して、大量生産することが可能になるという利点がある。

発明者らは、５質量％以上のクロムを含有する高クロム鋼大断面ビレットの製造に関し、まず様々な鋳型を用いて、プレスを施す方向、プレス量の条件を試行し、所定の縦横比Ａ／Ｂで所定の厚みの連続鋳造鋳片１を、図２に白抜き矢印で示すように、その幅方向のみからプレスを施すことで、内部品質の改善が図れることを見出した。

図３は、１３質量％クロム鋼を連続鋳造した鋳片の縦横比と、鋳片厚みと内部欠陥の発生率の関係を示した図である。この図３より、プレス圧下を施さない場合は、縦横比が約１〜２の範囲では内部欠陥は発生するものの、縦横比が大きくなるにつれ内部欠陥の発生率は減少する傾向にあることがわかる。

図４は、図３と同じ１３質量％クロム鋼を連続鋳造した鋳片に、１４．０〜１４．４％のプレス圧下（プレス量は１００ｍｍ）を施した連続鋳造鋳片の縦横比と、鋳片厚みと内部欠陥の発生率を示した図である。この図４より明らかなように、１４％以上のプレス圧下を施すことで、内部欠陥の発生は大幅に改善されることがわかる。特に縦横比が１．７〜２．０の場合にその効果が見られる。

１４％以上のプレスを施した場合の効果として、図３，４と同じデータを縦横比と鋳片内部欠陥の発生率にてプロットした結果を図５に示すが、１４％以上のプレス圧下を施すことで、内部欠陥の発生率が大幅に改善することがわかる。

また、本発明では、連続鋳造鋳片の幅方向にのみプレスを施すが、この幅方向のプレス圧下により幅拡がりが発生し、プレス量に応じて鋳片厚みが拡大する。図６は、１３質量％クロム鋼鋳片（幅７００ｍｍ×厚み３９０ｍｍ）のプレス圧下率と幅拡がり率の関係の一例を示したものであるが、プレス圧下率が大きくなるに従い、幅広がり率も大きくなることがわかる。

連続鋳造鋳片１を幅方向にのみプレス圧下した場合における、圧下前の形状を図７に、圧下後の形状を図８に示すが、幅方向にのみプレス圧下した後においては、図８に示すように、幅広がりの最大値と最小値が発生する。

そして、この幅方向にプレスした後の圧延においては、前記最小値から可能圧延サイズが決定される。内部品質が好転するプレス量１００ｍｍ（幅７００ｍｍの前記１３質量％クロム鋼鋳片では圧下率は１４％）以上で、圧下率が１４％の場合の幅広がり率は、前記図６をみると、７．６％であるから、前記プレスにより連続鋳造鋳片の厚みは３９０ｍｍから、３９０ｍｍ×１．０７６＝４１９ｍｍに拡大し、サイズ拡大が可能となる。

幅方向にプレスを施すにあたり、発明者らはその効果を見極めるためにプレス量を変更したテストを繰り返し実施した。そして、最適プレス量によるプレス時間が決まり、プレス後再加熱することなくビレットに圧延できる方法を確立した。その結果、５質量％以上のクロムを含有する高クロム鋼大断面ビレットの製造において、生産能率の低下させることなく、安価で安定した以下の製造方法を確立することができた。

本発明の高クロム鋼大断面ビレットの製造方法は、前述の発明者等の各種の実験結果に基づく知見をもとになされたものであり、
Ｃｒを５質量％以上含有する高Ｃｒ含有鋼の連続鋳造鋳片を熱間加工してビレットを製造する方法であって、
縦横比が１．７〜３．０で、厚みが２００〜４００ｍｍの連続鋳造鋳片を、
加熱後に、プレスを用いて、鋳片の全長にわたって鋳片幅方向にのみ全幅の１４％以上の圧下を施し、
その後、再加熱することなくロールにより圧延するものである。

本発明の高クロム鋼大断面ビレットの製造方法では、５質量％以上のクロムを含有する高クロム鋼大断面ビレットの製造方法に関し、プレスにて幅方向（長辺側）のみから１４％以上の圧下を、縦横比の大きい鋳片全長に施すことでプレス量を多く確保することができ、内部品質の改善が得られ、かつ厚みで制約されていたサイズの拡大による大断面ビレットの製造が可能となる。

すなわち、前記本発明の高クロム鋼大断面ビレットの製造方法においては、直径または一辺が、前記プレス前の連続鋳造鋳片厚みの１．０５倍までのビレットを製造できるようになる。

以下、本発明の効果を確認するために行った実施結果について説明する。
幅７００ｍｍ×厚み３９０ｍｍ（縦横比１．７９）の鋳型を用いて連続鋳造した１３質量％クロム鋼鋳片を１２８０℃に加熱後、３０００トンの横型油圧鍛造プレスにて、幅方向から０，５０，８０，９０，１００，１２０，１５０ｍｍプレスして、７００ｍｍ幅の鋳片を７００ｍｍ、６５０ｍｍ、６２０ｍｍ、６１０ｍｍ、６００ｍｍ、５８０ｍｍ、５５０ｍｍ幅となし、そのまま再加熱しないで２重逆転式圧延機にて、径が３６０ｍｍのビレットを製造した。次いで、次工程であるマンネスマン製管にて同サイズの継目無鋼管を製造した。

１００，１２０，１５０ｍｍプレスした１４％以上のプレス圧下材（本発明方法）では問題となる内面疵の発生は認められなかったが、０，５０，８０，９０ｍｍプレスした１４％未満のプレス圧下材を用いて製造した継目無鋼管には内面疵の発生が認められ、その発生率は約１０％以上と高く、顕著な差が認めら、本発明方法の効果が確認された（図９参照）。

本発明は、上記の実施例に示したものに限られるものではなく、製造されるビレットの用途も、継目なし鋼管用、構造用鋼用に限らず、別の用途に用いられるものでも良いことはいうまでもない。

本発明は鋼種を５質量％以上のクロムを含有する高クロム鋼と定義しているが、一般鋼、炭素鋼、Ｃｒ−Ｍｏ鋼にプレスを適用することで、圧延のみで製造される場合と比べて、ビレットの内部品質は鍛錬成型により改善されることから、これらの鋼種にも適用できる。

幅方向にプレス圧下して幅中央部に存在する空隙をも圧着して潰せることの説明図で、（ａ）はプレス圧下前、（ｂ）はプレス圧下後を示す図である。 連続鋳造鋳片の縦横比と、幅方向の一方向からプレスを施す場合のプレス圧下率についての説明図である。 １３質量％クロム鋼を連続鋳造した鋳片の縦横比と、鋳片厚みと内部欠陥の発生率の関係を示した図である。 １３質量％クロム鋼を連続鋳造した鋳片に、１４．０〜１４．４％のプレス圧下（プレス量は１００ｍｍ）を施した鋳片の縦横比と、鋳片厚みと内部欠陥の発生率を示した図である。 図３、図４と同じデータを縦横比と鋳片内部欠陥の発生率にてプロットした図である。 １３質量％クロム鋼鋳片（幅７００ｍｍ×厚み３９０ｍｍ）のプレス圧下率と幅拡がり率の関係を示した図である。 連続鋳造鋳片を幅方向にプレス圧下した場合における、圧下前の形状を示した図で、（ａ）は斜め上方からみた図、（ｂ）は端面からみた図である。 連続鋳造鋳片を幅方向にプレス圧下した場合における、圧下後の形状を示した図で、（ａ）は斜め上方からみた図、（ｂ）は端面からみた図、（ｃ）は側面から見た図である。 １３質量％クロム鋼を縦横比１．７９の鋳型に鋳込んで連続鋳造した場合の、プレス圧下率と製管での内面疵発生率の関係を示した図である。

符号の説明

１ 連続鋳造鋳片

Claims (2)

1. クロムを５質量％以上含有する高クロム含有鋼の連続鋳造鋳片を熱間加工してビレットを製造する方法であって、
   幅を厚みで除した比である縦横比が１．７〜３．０で、厚みが２００〜４００ｍｍの連続鋳造鋳片を、
   加熱後に、プレスを用いて、鋳片の全長にわたって鋳片幅方向にのみ全幅の１４％以上の圧下を施し、
   その後、再加熱することなくロールにより圧延することを特徴とする高クロム鋼大断面ビレットの製造方法。
2. 製造するビレットの直径または一辺が、前記プレス前の連続鋳造鋳片厚みの１．０５倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の高クロム鋼大断面ビレットの製造方法。
   

Images