JP4904713B2 - 高Ｃｒ系継目無鋼管用ビレットの加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、油井、ガス井または各種プラント若しくは建設構造材料等に用いられる高Ｃｒ系継目無鋼管用ビレットの加熱方法に関し、さらに詳しくは、Ｃｒ含有量が９質量％以上のビレットを用いて継目無鋼管を製造する場合であっても、中カブレ疵等の内面欠陥の発生が少ない高Ｃｒ系継目無鋼管用ビレットの加熱方法に関するものである。

従来から、油井用、各種プラント用、または建設構造用としてＣｒを９質量％以上含有する、いわゆる高Ｃｒ系継目無鋼管が多く採用されている。この高Ｃｒ系継目無鋼管は、造塊法や連続鋳造法で製造された鋳片を加熱し、圧延や鍛造によりビレット（製管用素材）とし、マンネスマン穿孔機等の傾斜圧延穿孔機を用いて素材の中心部を穿孔圧延した後、マンドレルミル、プラグミル等により延伸し、レデューサーなどにより仕上げ圧延を行う熱間製管法によって製造される。

ところが、高Ｃｒ系合金鋼は一般鋼に比べて熱間加工性が劣るため、材料にとって過酷な変形を強いる穿孔圧延時に、中カブレ疵、ヘゲ疵等の内面欠陥が発生し易くなる。この内面欠陥の発生が顕著な場合には、製品の歩留りが低下するだけでなく、穿孔圧延機をはじめとして、伸延圧延機および絞り圧延機からなる製管ミル全体を休止させねばならないこともあり、このような場合には継目無鋼管の生産効率が著しく阻害されることになる。

高Ｃｒ系継目無鋼管の製管の際に、製品鋼管に内面欠陥が発生するのは、素材の熱間加工性が劣るため、製管加工時の歪みによって組織上脆弱な部位で割れが発生し、内面欠陥に進展するからである。熱間加工における高Ｃｒ系合金鋼の脆弱な部分とは、高温状態における主組織であるオーステナイトγ粒と、δ−フェライトの生成にともなって微量含まれるδ粒との粒界である。

このδ−フェライトの生成を抑制し、穿孔圧延時における内面欠陥の発生を防止するため、従来から多くの継目無鋼管の製造方法が提案されている。

例えば、特許文献１には、鋳片をオーステナイト−フェライト２相領域となる温度で加熱、保持した後、ビレットに圧延し、このビレットをオーステナイト単相領域となる温度に加熱し、その温度範囲で１時間以上保持した後、穿孔圧延するマルテンサイト系ステンレス継目無鋼管の製造方法が提案されている。さらに、特許文献２には、前記オーステナイト−フェライト２相領域となる温度での加熱、保持を、鋳片を圧延して得たブルームで行い、その後ビレットに圧延して、オーステナイト単相領域での加熱保持を３０分以上とする方法が記載されている。

これらの方法によれば、オーステナイト−フェライト２相領域での加熱によりＣｒ、Ｐの拡散を速め、続いてオーステナイト単相領域で加熱することにより、鋳片の中心偏析（主にＣｒ、Ｐの偏析）が顕著であっても、δフェライトを消失させ、内部欠陥のない継目無鋼管を製造できるとされている。

また、特許文献３には、高Ｃｒ鋼を製管用素材として製管する際に、鋳片または鋼片製造段階での均熱時間および素材の製管前段階での均熱時間のδ−フェライト量に及ぼす影響を指数化してＦ値を導入し、このＦ値を所定値より高い値になるように管理することによって、内面疵の発生を抑制する高Ｃｒ系継目無鋼管の製造方法が記載されている。Ｆ値管理により、素材の不純物を過度に低減する必要がなく、内面品質に優れた高Ｃｒ系継目無鋼管を低廉な製造コストで効率的に製造できる。

しかしながら、特許文献１〜３で提案される継目無鋼管の製造方法においては、製管前のビレット（素材）加熱工程でのヒートパターンについて何ら記載されていない。製管時の加熱温度がδフェライトの生成に影響し、また加熱温度が高温になるほどδフェライトが生成し易くなることから、例えば、提案の製造方法ではビレットの予備加熱段階でのオーバーヒートや、穿孔圧延に伴う発熱により局所的な昇温が生じ、その部分にδフェライトが生成し、それに起因して内面欠陥が発生する場合がある。

特開平６−３０６４６６号公報 特開平６−３３０１７０号公報 特開２００３−３２１２号公報

本発明は、前述したビレットの予備加熱時におけるオーバーヒートや、穿孔圧延における管内面の局所的な昇温に起因するδフェライトの生成を抑制し、内面欠陥の少ない継目無鋼管を製造することができる高Ｃｒ系継目無鋼管用ビレットの加熱方法を提供することを目的としている。

本発明者は、前述の課題を解決するため、ビレット加熱時の炉内ヒートパターンについて調査し、オーバーヒートを回避するとともに、管内面の局所的な昇温を防止できる適正なヒートパターンを得るべく検討を重ねた。

詳細な検討の結果、加熱炉の操作で通常行われる最高設定温度による操炉管理を改め、材料を加熱炉から抽出する直前の温度を目標抽出温度Ｔａとし、この目標抽出温度Ｔａを基準に炉内ヒートパターンを管理し、特に昇温管理をすることにより前記の課題を解決できることを明らかにした。

本発明は、上記の知見に基づいて完成したものであり、下記の高Ｃｒ系継目無鋼管用ビレットの加熱方法を要旨としている。

すなわち、質量％でＣｒを９％以上含有する高Ｃｒ系継目無鋼管を穿孔圧延する前に加熱炉でビレットを予備加熱する工程において、前記加熱炉内を予熱帯、加熱帯および均熱帯に区分し、前記均熱帯出側の目標抽出温度をＴａ（℃）とした場合に、前記加熱炉の炉内ヒートパターンを前記予熱帯でＴａ（℃）以下、前記加熱帯でＴａ（℃）±１０℃、および均熱帯でＴａ（℃）とすることを特徴とする高Ｃｒ系継目無鋼管用ビレットの加熱方法である。

ここで、「目標抽出温度」とは、ビレットを加熱炉から抽出する直前となる均熱帯出側のビレット温度であって、δフェライトの生成を抑制するために、ビレットのオーバーヒートのみならず、穿孔圧延に伴う発熱量も考慮した目標温度である。

本発明のビレット加熱方法によれば、質量％でＣｒを９％以上含有する高Ｃｒ系合金鋼を素材とする製管であっても、穿孔圧延前のビレットの加熱工程におけるオーバーヒートや、穿孔圧延にともなう管内面の局所的な昇温に起因するδフェライトの生成抑制が可能であり、内面欠陥の少ない高Ｃｒ系合金鋼の継目無鋼管を安定して製造することができる。

本発明の高Ｃｒ系継目無鋼管用ビレット加熱方法は、穿孔圧延する前に加熱炉でビレットを予備加熱する工程において、前記加熱炉内を予熱帯、加熱帯および均熱帯に区分し、前記均熱帯出側の目標抽出温度をＴａ（℃）とした場合に、前記加熱炉の炉内ヒートパターンを前記予熱帯でＴａ（℃）以下、前記加熱帯でＴａ（℃）±１０℃、および均熱帯でＴａ（℃）とする加熱方法である。

本発明が対象とする高Ｃｒ系継目無鋼管は、質量％でＣｒ含有量を９％以上としている。Ｃｒは耐食性を向上させる元素であるが、その含有量が９％未満では所望の耐食性、例えば耐ＣＯ₂腐食性が確保できないことから、Ｃｒ含有量が９％以上の継目無鋼管を対象としている。一方、Ｃｒ含有量が２０％を超えると、高温加熱時にδ−フェライト相が生成しやすく、熱間加工性が低下することから、上限を２０％にするのが望ましい。

さらに、高Ｃｒ系継目無鋼管の化学組成に関して、Ｃｒ含有量の他に１３％Ｃｒ鋼、ＳＵＳ３０４鋼、ＳＵＳ３１６鋼、ＳＵＳ３２１鋼およびＳＵＳ３４７鋼に相当する成分元素を添加することができる。なお、表１に、本発明の対象材質を具体的に例示する。

本発明が対象とする加熱炉は、特にその型式を限定するものでなく、炉内に隔壁を設けて予熱帯、加熱帯および均熱帯に区分する方式であればよく、例えば、回転炉床式やウォーキングビーム式のいずれであっても採用することができる。

本発明のビレット加熱方法に適用するヒートパターンを、従来行われている通常の加熱方法におけるヒートパターンと比較すると、例えば、後述する実施例で示す表２のようになる。同様に、実施例で示す図１はこれを図示したものである。これら表２および図１を参照して、本発明のビレット加熱方法について説明する。

本発明のビレット加熱方法では、前記のように、目標抽出温度Ｔａを基準として炉内ヒートパターンを管理するが、従来は、経験的に定められる最高設定温度Ｔｍにより加熱炉の操作が行われていた。

すなわち、表２および図１に示すように、通常の加熱方法においては、炉内の予熱帯では炉内温度を最高設定温度Ｔｍ以下に管理し、加熱帯ではＴｍに保持し、均熱帯では目標抽出温度Ｔａに制御する。その結果、炉内温度は均熱帯の出側では目標抽出温度Ｔａになるが、加熱帯では最高設定温度Ｔｍまたはそれに近い温度を示す。これに対し、本発明の加熱方法では、予熱帯で目標抽出温度Ｔａ以下とし、加熱帯ではＴａ±１０℃に保持し、均熱帯ではそのままＴａに保つ。

本発明のビレット加熱方法で、「予熱帯≦Ｔａ」の条件を設けるのは、材料のオーバーヒートを防止するためである。従来は、材料の昇温速度を速めるため目標抽出温度Ｔａより高い最高設定温度Ｔｍで管理しているので、加熱帯では目標抽出温度Ｔａを超えてしまい、後述する実施例に示すように、オーバーヒートされていた。しかし、前記「予熱帯≦Ｔａ」という条件設定により、そのような事態を確実に避けることができる。

「加熱帯：Ｔａ±１０℃」の条件を設けるのは、同じく材料のオーバーヒートを回避しつつ均熱帯に向けて炉内温度の変動を低減するためである。したがって、ここでは、温度制御上避け得ない±１０℃程度の変動は許容される。

また、「均熱帯：Ｔａ」の条件は、ビレット温度をその表面から中心まで目標抽出温度Ｔａにするために必要な条件である。この均熱帯での条件設定は、加熱帯での条件設定と関連するもので、加熱帯で炉内温度の変動が吸収される結果、均熱帯ではＴａの変動は僅少となり、ビレット温度は内部まで完全に目標抽出温度Ｔａになる。

目標抽出温度Ｔａの設定は、鋼種、特にＣｒ含有量に応じ、従来の操業実績等に基づいて行えばよいが、前述の通り、穿孔圧延に伴う発熱量とそれによる局所的な昇温を考慮して設定する必要がある。

目標抽出温度Ｔａは、１１００〜１３００℃の範囲とするのが望ましい。前述した対象鋼種のＣｒ含有量であれば、抽出温度を１１００℃以上とすることにより、穿孔圧延における熱間加工性を確保でき製管能率や生産性を確保できるとともに、１３００℃を加熱上限とすることにより、ビレットのオーバーヒートのみでなく、穿孔圧延での局所的な昇温を抑えδフェライトの生成を防止できることによる。

さらに、本発明のビレット加熱方法では、目標抽出温度Ｔａの均熱保持時間を特に規定することを要しない。本発明に適用するヒートパターンを、従来行われている通常の加熱方法におけるヒートパターンと比較すると、昇温速度の低下に伴いビレットの在炉時間が長くなるが、前述の通り、加熱帯で炉内温度の変動が吸収される結果、均熱帯出側でのビレットの温度変動が僅少になることによる。

本発明のビレット加熱方法が適用できる製管工程は、慣用される継目無鋼管の製管工程であればよく、前述のように、ビレットからマンネスマン穿孔、プレス穿孔などにより中空素管を製造し、この素管を伸延圧延した後、絞り圧延で製品鋼管に仕上げる方式であればよい。

通常、寸法精度と生産性の面で有利なことから、マンネスマン−マンドレルミル方式、またはマンネスマン−プラグミル方式が適用される。一方、本発明は、ビレットの穿孔圧延を行う前の加熱方法を規定するものであり、この加熱工程に至る前の工程については、従来から慣用されている方法を適用することができる。

このように、本発明の加熱方法によれば、穿孔圧延前のビレット加熱時に目標抽出温度Ｔａまでオーバーヒートさせないように、また、穿孔圧延時の発熱による局所的な昇温が生じた場合でも、昇温管理を行うことができるので、操業チャンスごとのδフェライトの生成のバラツキを少なくでき、内面品質の良好な高Ｃｒ系継目無鋼管を安定的に製造することができる。

９％Ｃｒ鋼（ＪＩＳ ＳＴＢＡ２８鋼）の継目無鋼管を製造するに際し、ビレットを穿孔圧延する前の加熱工程において、本発明のビレット加熱方法を適用して炉内のヒートパターンを管理し、製管後の中カブレ疵の発生状況を調査した。なお、比較のために、従来の加熱方法により製管した場合についても同様の調査を行った。

表２に、ビレット加熱工程で用いた加熱炉のヒートパターンを示す。また、図１は、炉長方向の各領域（予熱帯、加熱帯および均熱帯）を横軸に、温度を縦軸にとって、このヒートパターンを模式的に図示したものである。

加熱炉の燃料には、都市ガスまたは低硫黄Ｃ重油（ＬＳＣ重油）を使用した。表３に空燃比を示す。空燃比は、外面品質（ビレットの表面酸化）、燃料原単位を考慮して理論空燃比より高めに設定した。

表４に、中カブレ疵発生状況の調査結果を示す。表４において、「在炉時間」とは、ビレットの炉内への装入から抽出までに要した時間である。また、「偏熱」とは、炉内におけるビレット温度の目標温度Ｔａからの偏りで、様々な加熱パターンの下で、図２に示すように、ビレットの中心部（ａ）、中心と表面（外面）の中間（ｂ）、および表面（ｃ）の温度を実測して求めた。

表４に示した結果から明らかなように、本発明のビレット加熱方法を適用した場合は、通常のビレット加熱方法の場合に比べて、ビレットの在炉時間が操業ごとに変化し、長くなるが、中カブレの発生率は大幅に減少した。

これは、ビレットの予備加熱工程におけるオーバーヒートや、マンネスマン穿孔時における管内面の局所的な昇温に起因するδフェライトの生成が効果的に抑制され、組織上脆弱な部分が少なくなったことによるものである。

なお、本発明の加熱方法を適用した場合、ビレットのオーバーヒート等を防止するための昇温管理を行うため、在炉時間が通常の加熱方法の場合に比べて長くなった。しかし、本発明の加熱方法の適用により、通常の加熱方法を適用した場合の内面欠陥の減少による製品歩留まりの低下や、圧延穿孔機の停止とそれに伴う製管ライン全体の休止による生産効率の著しい悪化を確実に回避することができる。

図３は、加熱炉内におけるビレット温度をビレットの表面と中心部で測定した結果を示す図であり、（ａ）は通常の加熱方法による場合、（ｂ）は本発明の加熱方法を適用した場合を示している。ビレット温度の測定は、熱電対をあらかじめビレットの表面に付着させて固定し、または中心部に埋め込んでおくことによって行った。

図３に示した結果から、従来の加熱方法を適用した場合、ビレットの表面温度および中心温度のいずれも、抽出時には目標抽出温度Ｔａに落ち着くが、加熱帯から均熱帯にかけてＴａを超え、オーバーヒートされていることがわかる。これに対し、本発明の加熱方法を適用した場合は、表面温度、中心温度のいずれも目標抽出温度Ｔａを超えることなく、Ｔａに保持された。

本発明のビレット加熱方法によれば、質量％でＣｒを９％以上含有する高Ｃｒ系合金鋼の継目無鋼管の製管時に、加熱炉内でのビレットのオーバーヒートや、穿孔圧延における管内面の局所的な昇温に起因するδフェライトの生成およびそれにともなう内面欠陥の発生を抑制することが可能である。したがって、本発明のビレット加熱方法は、高Ｃｒ系継目無鋼管の製造に好適に利用することができる。

本発明のビレット加熱方法を適用した場合の炉内のヒートパターンを、通常の加熱方法による場合のヒートパターンと比較して示す図である。 ビレットの偏熱の測定方法を説明するための図で、温度測定部位（ａ、ｂおよびｃ）をビレットの断面位置で示した図である。 加熱炉内におけるビレット温度をビレットの表面と中心部で測定した結果を示す図で、（ａ）は通常の加熱方法による場合、（ｂ）は本発明の加熱方法を適用した場合である。

Claims (1)

1. 質量％でＣｒを９％以上含有する高Ｃｒ系継目無鋼管を穿孔圧延する前に加熱炉でビレットを予備加熱する工程において、
   前記加熱炉内を予熱帯、加熱帯および均熱帯に区分し、前記均熱帯出側の目標抽出温度をＴａ（℃）とした場合に、前記加熱炉の炉内ヒートパターンを前記予熱帯でＴａ（℃）以下、前記加熱帯でＴａ（℃）±１０℃、および均熱帯でＴａ（℃）とすることを特徴とする高Ｃｒ系継目無鋼管用ビレットの加熱方法。

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