JP6094375B2 - 高合金シームレスパイプ用丸ビレットの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、横断面が円形の鋳型（以下、丸断面鋳型という。）を備えた連続鋳造機で鋳造した丸断面鋳片を、より断面積が小さい丸ビレットに圧延成形する前の加熱時にソーキング処理を施して、内部品質に優れた高合金シームレスパイプ用丸ビレットを製造する方法に関するものである。

従来、高合金シームレスパイプの素材となる丸断面鋳片は、横断面が矩形の鋳型（以下、矩形断面鋳型という。）を備えた連続鋳造機で鋳造した矩形断面鋳片に加熱ソーキング処理を施した後、１基若しくは複数基からなる成形ロールにより、所定サイズの丸断面鋳片に圧延成形して製造している。

しかしながら、連続鋳造される矩形断面鋳片は、鋳片中心部にポロシティや線状偏析等の中心欠陥が存在するため、連続鋳造された矩形断面鋳片をそのまま圧延成形して丸断面鋳片にした場合、製管したシームレスパイプの内部に欠陥が存在することになる。特にMoを含む高合金の場合、中心偏析部に靱性、耐食性の劣るσ相が発生するため有害である。

そこで、鋳片の内部に発生する欠陥の対策として、５質量％以上のCrを含有する高Cr含有圧延用素材鋼の製造において、矩形断面鋳型の厚みを２００〜４００mm、縦横比を１．５〜４．０とすることで鋳片内部に発生する欠陥を抑制する方法が提案されている（特許文献１参照）。

矩形断面鋳型の縦横比を大きくすることで鋳片内部に発生する欠陥の抑制効果は得られるものの、図６に示すように、矩形断面鋳片１に発生する中心偏析２の長さが長くなるので、成形圧延して丸ビレット３とした後にも線状の中心偏析２が残存する。

そのため、マンドレルミルを用いて前記丸ビレット３を製造した場合、製管したシームレスパイプ４の内表面及びパイプ肉中に偏析５ａ，５ｂが残存する。このうち、パイプ肉中の偏析５ｂは、矩形断面鋳型の縦横比が大きくなるほど残存しやすくなる。

従って、矩形断面鋳片の中心偏析を除去するためには、圧延後のビレットをシームレスパイプに成形する前或いは成形した後に加熱ソーキング処理をして中心偏析を拡散無害化する必要があるが、この場合、製造コストが高くなる。

一方、連続鋳造鋳片の中心ポロシティ（以下、単にポロシティと略す。）や中心偏析（以下、単に偏析と略す。）の除去方法として、連続鋳造中に連続鋳造機内において丸断面鋳片に圧下を加え、丸ビレットに成形する方法が提案されている。例えば特許文献２では、丸断面鋳片の凝固完了後に、連続鋳造機の末端に備えたロール圧下設備で圧下を加えることで、凝固組織を消滅させて内部品質を向上させる方法が提案されている。

しかしながら、高強度の高合金丸断面鋳片を連続鋳造機内で丸断面鋳片に成形するためには、高荷重を加えることが可能な圧下装置と成形装置が必要になる。特に、圧下後の低温鋳片を丸断面に成形するためには、巨大な圧延装置が必要であり、設備投資が高くなることに加え、該圧下装置が連続鋳造機内スペースに収まりきらない問題も発生する。

また、丸断面鋳片をフラットカリバーロールで圧下する方法として、特許文献３に、圧下量（圧下率）を５〜２０％とする提案がなされている。しかしながら、丸断面鋳片をフラットカリバーロールで圧下する場合、初期圧下時は丸断面鋳片とフラットカリバーロールは点接触しているので、圧下量（圧下率）を規定するだけでは安定した圧下作業が行えず、ロール径や材質による変形の違いにより、圧下初期に丸断面鋳片が横転するのを防ぐことができない。

特開平３−２４８７４４号公報 特許第３６４８８２５号公報 特開平７−２９０１０２号公報

本発明が解決しようとする問題点は、高強度の高合金丸断面鋳片を連続鋳造機内で丸断面鋳片に成形するためには、高荷重を加えることが可能な圧下装置と成形装置が必要になるという点である。特に、圧下後の低温鋳片を丸断面に成形するためには、巨大な圧延装置が必要であり、設備投資が高くなることに加え、該圧下装置が連続鋳造機内スペースに収まりきらない問題も発生するという点である。また、丸断面鋳片をフラットカリバーロールで圧下する場合、初期圧下時は丸断面鋳片とフラットカリバーロールは点接触しているので、圧下量（圧下率）を規定するだけでは圧下初期の丸断面鋳片の横転を防ぐことができないという点である。

本発明は、高荷重を加えることが可能な圧下装置と成形装置を必要とすることなく、内部品質に優れた高合金シームレスパイプ用丸ビレットの製造を可能とすることを目的としたものである。

本発明における高合金とは、Ni、Cr、Moが合計で２０質量％以上含有する素材をいうが、各元素の上下限値は特に規定されない。但し、実用的に製造される成分範囲としては、Crは３５質量％以下、Niは１０〜８０質量％、Moは１．５〜１０質量％である。これら元素のうち、Crは耐食性及び強度を向上させる作用を有する。また、Niはオーステナイト素地を安定化する作用を有する。また、MoはCrとの共存下で合金の強度、耐食性を高める作用を有し、含有量が１０質量％を超えると、延性や靱性等の機械的性質を低下させる。

図１に示すように、連続鋳造した丸断面鋳片１１に発生するポロシティや偏析１２は中心部に集中するが、当該丸断面鋳片１１をより小さい丸ビレット１３に圧延成形した時には、ポロシティは圧着無害化され、偏析１２のみが中心部に集中した形で残存する。中心部に偏析１２が残存した丸ビレット１３を、マンドレルミルにて製管した場合、その偏析１２はシームレスパイプ１４の内表面部に位置することになるので、スケールオフ（酸化スケール除去）や後工程での熱処理による偏析除去等によって内部品質が良好なシームレスパイプの製造が可能になる。

発明者らは、上記の丸断面鋳型を有する連続鋳造機により鋳造された丸断面鋳片を、より断面積が小さい丸ビレットに圧延成形する前の加熱ソーキング条件に着目して実験を重ねた。その結果、高合金の場合、圧延成形前における鋳片の加熱条件として高合金の固相線温度T_SLに対し、T_SL−２０℃からT_SL−１２０℃の間で１２時間以上加熱保持することがシームレスパイプの内部品質を良好とするために必要であることを見出した。

すなわち、本発明は、
Ni、Cr、Moを合計で２０質量％以上含有する高合金シームレスパイプ用丸ビレットの製造方法であって、
連続鋳造された前記高合金の丸断面鋳片を、縮径圧延成形前に前記高合金の固相線温度T_SLに対し、T_SL−２０℃からT_SL−１２０℃の間で１２時間以上加熱保持した後、フラットロールを用いて縮径圧延成形することを最も主要な特徴としている。

本発明において、ソーキング温度の下限をT_SL−１２０℃とするのは、T_SL−１２０℃未満の場合は高合金の変形抵抗が大きくなって圧延成形が困難になることに加え、偏析の拡散無害化に時間を要するからである。一方、ソーキング温度の上限をT_SL−２０℃とするのは、T_SL−２０℃を超える場合は高合金の延性が低下するので、圧延時に鋳片の結晶粒界において、粒界溶融に起因する割れが発生するからである。

また、本発明において、ソーキング時間を１２時間以上とするのは、本発明で規定するソーキング温度範囲では、ソーキング時間が１２時間未満の場合には偏析が無害化されなかったからである。

一対のフラットロールを用いて丸断面鋳片をより小さい丸ビレットに圧延成形する際、フラットロールによる丸断面鋳片の初期圧下時は点接触状態であるため、圧下量が適当でない場合は丸断面鋳片が横転する（ミスロール）。

しかしながら、発明者らの実験によれば、フラットロールに接触する面積（長さ）とビレットサイズに合った圧下量（圧下前後の平均幅）との関係を規定することで、安定したビレット製造が可能となることを見出した。

すなわち、本発明においては、図２に示すように、フラットロール１５と丸断面鋳片１１が接触している長さLdと、丸断面鋳片１１を上方から投影した場合の、圧下前後の丸断面鋳片１１の軸と直角方向の平均長さBm（＝（B0＋B1）／２）の比（Ld／Bm）を０．３４以上とすれば、安定した丸ビレットの製造が可能となる。丸断面鋳片１１を上方から投影した場合の、圧下前後の丸断面鋳片１１の軸と直角方向の平均長さを、以下、圧下前後の平均幅ともいう。

本発明では、丸ビレットに圧延成形する前の加熱ソーキング条件を規定することで、高荷重を加えることが可能な圧下装置と成形装置を必要とすることなく、内部品質に優れた高合金シームレスパイプ用丸ビレットを製造することができる。

その際、フラットロールと丸断面鋳片が接触している長さと、圧下前後の平均幅の比を規定すれば、より安定した丸ビレットの製造が可能となる。

丸断面鋳片から丸ビレットを圧延成形した後シームレスパイプを製造する際に、圧延成形前にソーキング処理を行わない場合の中心偏析の発生状況を説明する図である。 丸断面鋳片から丸ビレットを圧延成形する際の、フラットロールと圧延材の相対関係を説明する図である。 ソーキング処理時おける均熱温度から固相線温度を引いた値と均熱時間を変化させて製造したシームレスパイプの内質欠陥を調査した結果を示した図である。 フラットロールと丸断面鋳片の接触弧の投影接触長さLdと圧下前後の平均幅Bmの比（Ld／Bm）と、圧下量の関係において圧延成形時に丸断面鋳片の横転を防止できる条件を調査した結果を示した図である。 丸断面鋳片から丸ビレットを圧延成形した後シームレスパイプを製造する際に、圧延成形前に本発明の条件でソーキング処理を行った場合の中心偏析の発生状況を説明する図である。 矩形断面鋳片から丸ビレットを圧延成形した後シームレスパイプを製造する際に、圧延成形前にソーキング処理を行わない場合の中心偏析の発生状況を説明する図である。

本発明では、高荷重を加えることが可能な圧下装置と成形装置を必要とすることなく、内部品質に優れた高合金シームレスパイプ用丸ビレットの製造を可能とするという目的を、丸ビレットに圧延成形する前の加熱ソーキング条件と丸ビレットへの縮径圧延条件を規定することで実現した。

以下、本発明の高合金シームレスパイプ用丸ビレットの製造方法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。

発明者らは、下記表１に示す４鋼種について、矩形断面鋳型（６００mm幅×２８０mm厚さ）と丸断面鋳型（φ２２５mm、φ２６５mm、φ３６０mm）を有する連続鋳造機を用いて鋳造した鋳片を、フラットロール（外径がφ１３００mmとφ１０７０mmの）用いて圧延し、シームレスパイプ用丸ビレットを製造した。その際、種々のソーキング処理条件、初期圧下比で行った。その結果を下記表２〜３に示す。

下記表２及び表３中で＊印を付したものは、本発明の条件を満たさないものを示す。また、下記表３中の内質欠陥とは、シームレスパイプ内壁のかぶれ疵を意味する。内質欠陥率は、製管したシームレスパイプの総本数に対して、内質欠陥が発生した本数の割合で評価し、１．５％未満のものは判定を○とし、１．５％以上のものは判定を×とした。また、下記表３における内質欠陥率欄中の、「反転」は圧延時に鋳片が反転したもの、「変形」は真円度がないもの、「割れ」は、ビレット段階での表面割れ、例えば高温による粒界割れ、若しくは低温による延性低下割れが発生したもの、「負荷オーバー」は均熱温度が低く、圧延時に低温となって圧延負荷が大ききなりすぎたものであり、いずれも判定は×とした。

上記表２，３中の、内質欠陥率が大きい矩形断面鋳片を使用した比較例１３，１７，２０，２２と、圧延時に丸断面鋳片が反転した比較例１２，２３を除く、発明例及び比較例について、均熱温度から固相線温度を引いた値及び均熱時間と、内質欠陥率の関係を図３に示した。

図３より、連続鋳造機で鋳造した丸断面鋳片を、高合金の固相線温度T_SLに対し、T_SL−２０℃からT_SL−１２０℃の間で１２時間以上加熱保持した本発明例では、高荷重を加えることが可能な圧下装置と成形装置を必要とすることなく、シームレスパイプの内質欠陥率を１．５％未満に抑制することができた。

また、発明者らは、フラットロールと丸断面鋳片の接触弧の投影接触長さLdと圧下前後の平均幅Bmの比（Ld／Bm）と、圧下量の関係において圧延成形時に丸断面鋳片の横転を防止できる条件を調査した。その結果を図４に示した。

図４中の白抜きのプロットは、Ld／Bmと圧下量を下記の関係式から求めた計算値である。下記関係式中のH0は圧延前の丸断面鋳片１１の厚み、H1は圧延後の丸断面鋳片１１の厚み、B0は圧延前の丸断面鋳片１１の幅、B1は圧延後の丸断面鋳片１１の幅、Ｒはフラットロール１５の半径、ｒは圧延前の丸断面鋳片１１の半径、θはフラットロール１５と丸断面鋳片１１の投影接触角度を示す（図２参照）。圧延前の丸断面鋳片１１は横断面が円形であるので前記幅B0は直径と同じであるが、圧延後の丸断面鋳片１１は横断面が円形でないので前記幅B1は直径とは相違する。なお、B1は、実測できれば下記(5)式を使用せずに実測値を使用しても良い。

圧下量ΔH＝H0−H1 …(1)
平均幅Bm＝（B0＋B1）／２ …(2)
投影接触長さLd＝sinθ・Ｒ …(3)
但し、θ＝arccos（（Ｒ−ΔH／２）／Ｒ） …(4)
B1＝B0＋０．３（B0・ΔH・Ld）／（πｒ・ｒ） …(5)

計算は、丸断面鋳片の径が、φ２２５mm、φ２６５mm、φ３６０mmの３水準、フラットロールの径が、φ１３００mmとφ１０７０mmの２水準で行った。このうち、前記表２，３における丸断面鋳片の横転がなかった発明例を黒色のプロットで、丸断面鋳片が横転した比較例１２，２３を灰色のプロットで、それぞれ図４中に示した。

図４から、高合金の場合は、圧延時のフラットロールと丸断面鋳片が接触している投影接触長さLdと、圧下前後の平均幅Bmの比（Ld／Bm）が０．３４以上となるようにして圧延すれば、丸断面鋳片が横転することなく、安定した縮径圧延が行えることが分かる。

すなわち、連続鋳造機で鋳造した丸断面鋳片を、高合金の固相線温度T_SLに対し、T_SL−２０℃からT_SL−１２０℃の間で１２時間以上加熱保持し、かつLd／Bmが０．３４以上となるよう縮径圧延した本発明例では、丸断面鋳片が横転することなく安定した状態で縮径圧延が行えて、シームレスパイプの内質欠陥率を１．５％未満に抑制することができた。この本発明例における丸断面鋳片からシームレスパイプを製造するまでの各段階での偏析の発生状態を図５に示す。

本発明は上記の例に限らず、請求項に記載された技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

１１ 丸断面鋳片
１２ 偏析
１３ 丸鋳片
１４ シームレスパイプ
１５ フラットロール

Claims (1)

1. Ni、Cr、Moを合計で２０質量％以上含有する高合金シームレスパイプ用丸ビレットの製造方法であって、
   連続鋳造された前記高合金の丸断面鋳片を、縮径圧延成形前に前記高合金の固相線温度T_SLに対し、T_SL−２０℃からT_SL−１２０℃の間で１２時間以上加熱保持した後、
   一対のフラットロールと前記丸断面鋳片の接触弧の投影接触長さをLd、前記丸断面鋳片を上方から投影した場合に、圧下前後の丸断面鋳片の軸と直角方向の平均長さをBmとした場合に、前記フラットロールによる初期圧下を、Ld／Bm≧０．３４として縮径圧延成形することを特徴とする高合金シームレスパイプ用丸ビレットの製造方法。

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