JP6258959B2 - 低降伏比を有する５００ＭＰａ級の長手方向に溶接された鋼管およびその製造方法 - Google Patents
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Description
発明の分野
本発明は、鋼管の製造方法に関し、特に、優れた溶接性、低降伏比および５００ＭＰａ級の降伏強度を有する長手方向に溶接された鋼管およびその製造方法に関する。
本発明は、鋼管の製造方法に関し、特に、優れた溶接性、低降伏比および５００ＭＰａ級の降伏強度を有する長手方向に溶接された鋼管およびその製造方法に関する。
中国では、建築用鋼構造体として、２３５〜３４５ＭＰａの降伏強度を有する低炭素鋼および低合金鋼を長期に亘って使用してきた。現時点では、中華人民共和国建設部による「鋼構造体の設計基準」ＧＢ５００１７−２００３において、低合金鋼の降伏強度等級は、４６０ＭＰａに拡張された。高強度の建築用鋼管を採用する目的は、鋼構造体の肉厚を薄くすることによってコストを節約するためである。しかしながら、薄肉の鋼構造体において、降伏強度が局部的または全体的に不安定になり易く、よって、鋼構造体の肉厚を薄くすることを制限し、高強度の鋼構造体の利点を十分に発揮することができない。したがって、高強度の建築用鋼材を開発するために、最初に解決しなければならないことは、薄肉の鋼構造体の降伏強度が不安定になる問題を解決することである。高強度の薄肉鋼管にコンクリートを充填し、鋼管とコンクリートとが共同作用する高強度の鋼管−コンクリート構造を形成することによって、構造体の剛性を高めることができ、構造体の降伏強度が不安定になる問題を解決することができる。高強度鋼管−コンクリート構造は、鋼材の高強度およびコンクリートの高強度の利点を活用することができるため、コストを節約し、工期を短縮することができ、開発した成長点である構造の市場を拡大する可能性が高強度の建築用鋼の開発において、技術的な潜在力を有する。
継ぎ目なし鋼管に比べて、溶接管は、高い生産効率、良好な寸法精度、広い仕様範囲、低コストなどの優れた特徴を有するため、製品の製造者または油田の使用者にとって好適であり、最も良く販売されている。このようなＥＲＷ溶接管の製造は、製錬工程、連続鋳造工程、熱間圧延によりロール状帯鋼の形成工程、ロール状帯鋼をせん断してから首尾溶接工程、生産ライン上の溶接工程、継ぎ目または鋼管全体の熱処理工程、鋼管の加工処理工程、および出荷検査工程などを含む。ロール状帯鋼をせん断してから首尾溶接工程は、複数のロールの連続生産を実現し、ＥＲＷ溶接管の生産効率を示す重要な工程である。しかしながら、ロール状帯鋼の首尾溶接において、材料中の炭素当量が低くなければならない。さもなければ、帯鋼が断裂しやすくなり、生産効率に深刻な影響を与える。また、建設用杭柱として使用される高強度鋼管に遠心でコンクリートを充填する際に、鋼管に大きな衝撃を与えるため、鋼管は、優れた強靭性および低降伏比を有するとともに、継ぎ目が優れた機械的特性を有することが要求される。その結果、材料の炭素当量Ｃｅｑは、０．４を超えることができない。
日本特許ＪＰ５６０３５７４９Ａは、ＥＲＷ溶接管を製造する方法を提案した。このＥＲＷ溶接管は、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒなどの強化元素を含有せず、高強度という要件を満たすことが可能であるが、Ｓｉの含有量が１％までなっているため、溶接時に継ぎ目に灰斑を形成し易くなり、継ぎ目の溶接品質に深刻な影響を与える。さらに、炭素当量が０．８までなっているため、せん断および溶接ができない。
日本特許ＪＰ０９０２９４６０Ａ、ＪＰ５４０９７５２３Ａ、ＪＰ５６０６９３５４ＡおよびＪＰ５９０４７３６４Ａにおいて、Ｃｕを添加することによって、高強度の鋼管を製造する要件を満たすことができるが、Ｃｕは、室温でフェライトに実質的に溶解できず、ε−Ｃｕまたは面心立方α−Ｃｕの形態で析出するため、鋼の強化効果が冷却速度に大きく影響される。よって、熱間圧延板を製造する際に、圧延および冷却を制御することにより安定した特性を有する熱間圧延板を得ることは困難である。
日本特許ＪＰ５７１３１３４６Ａは、溝状腐食に対する耐性を有する溶接鋼管を提供する。ＭｎＳの生成を減少するために、Ｓの含有量を低く制御するとともに、１種類以上のＣｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒおよび有害な元素Ａｓ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｂｉなどを添加し、さらに１種類以上のＴｉ、Ｎｂ、ＺｒおよびＶなどの元素を添加しても、本発明の５００ＭＰａという高強靱性の要求を達成することができない。日本特許ＪＰ５８０９３８５５ＡおよびＪＰ５９０９６２４４Ａの両方の発明は、高価なＮｉ元素を含有するため、合金のコストが比較的高くなる。また、日本特許ＪＰ５７１３１３４６ＡおよびＪＰ５８０９３８５５Ａの発明は、比較的高いＳｉ含有量を有するため、継ぎ目の優れた溶接特性を得るが困難である。中国特許ＣＮ２００７１００３８４００．１およびＣＮ２００３１０１０４８６３に係る鋼は、高強度および低降伏比を満たすが、Ｃ含有量が高くかつ炭素当量が０．４を超えるため、せん断および首尾溶接という要件を満たし、連続的生産を可能にするが、継ぎ目の優れた溶接特性を得ることは困難であり、大きな衝撃を耐えることができない。中国特許ＣＮ２００３１０１０４８６３により提供された鋼は、５００ＭＰａの降伏強度を満たすが、構成成分が単純すぎるため、必要とされる機械的特性を達成するための巻取り温度が４３０〜４７０℃のみである。このような低い巻取温度の下では、安定した熱間圧延板の特性を制御することは、より困難である。
本発明の目的は、低降伏比を有する５００ＭＰａ級の長手方向に溶接された鋼管およびその製造方法を提供することである。本発明の鋼管は、荷重を受ける建設用杭柱の特性を満たしており、優れた溶接性、高強靭性、低降伏比などの特徴を有し、その降伏強度が５００ＭＰａを超え、その降伏比が０．８５未満である。
上記の目的を達成するために、本発明は、以下の技術的な解決策を提供する。
本発明は、材料設計において、炭素含有量を低くし、Ｍｎ含有量を適切に維持するとともに、適切な量のＶ、Ｔｉ、Ｎｂなどのマイクロ合金元素を添加することによって、圧延および冷却制御工程において相互作用することにより強度を向上させ、高強靭性および低降伏比の鋼管を与える。
本発明は、材料設計において、炭素含有量を低くし、Ｍｎ含有量を適切に維持するとともに、適切な量のＶ、Ｔｉ、Ｎｂなどのマイクロ合金元素を添加することによって、圧延および冷却制御工程において相互作用することにより強度を向上させ、高強靭性および低降伏比の鋼管を与える。
具体的には、本発明の低降伏比を有する５００ＭＰａ級の長手方向に溶接された鋼管は、成分の重量百分率で、Ｃ：０．１１〜０．１６％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：０．８〜１．５％、Ｖ：０．０６〜０．１５％、Ａｌ：０．００２〜０．０４％、Ｔｉ：０〜０．０５％、Ｎｂ：０〜０．０５％、および残部としてのＦｅおよび不可避不純物を含み、炭素当量Ｃｅｑが０．４％以下である。
本発明の成分設計によれば、炭素当量Ｃｅｑが０．４％以下であるため、せん断および首尾溶接の要件を満たすだけでなく、継ぎ目の優れた溶接特性を達成することができる。
Ｃについて、Ｃの含有量の増加につれて溶接性が低下するため、重量百分率でＣ含有量が０．１６％を超えるべきではないが、Ｃの含有量を過度に低くすると、材料の強度が損なわれるため、Ｃの含有量を０．１１〜０．１６％に制御すべきである。
Ｓｉについて、Ｓｉは、フェライトに固溶されることによって鋼の降伏強度を向上させるが、その含有量を高すぎにしてはならず、０．１５〜０．３５％に制御すべきである。
Ｍｎについて、Ｍｎは、主にフェライトに固溶されることによって鋼の降伏強度を向上させるが、Ｍｎ含有量が高すぎると、材料の分離が深刻になり、局所においてマルテンサイトが生成されるので、Ｍｎ含有量を重量百分率で０．８〜１．５％に制御すべきである。
Ｖについて、バナジウム炭窒化物がフェライトから析出することによって、フェライトを安定化しかつベイナイト相変態を遅らせるように作用し、冷却制御工程において材料の強度を向上させるとともに、継ぎ目の溶接機械的特性を向上させることができるので、Ｖの含有量を重量百分率で０．０６〜０．１５％に制御すべきである。
Ａｌについて、Ａｌは、伝統的な脱酸および窒素固定元素であり、ＡｌＮに形成することによって、オーステナイト結晶粒子を細分化することができ、材料の靭性を改善するのに有益であるため、重量百分率で０．００２〜０．０４％の含有量に制御すべきである。
Ｔｉについて、Ｔｉは、強力な炭窒化物を形成する元素であり、形成されたＴｉＮおよびＴｉＣが均熱工程および再加熱工程の両方においてオーステナイト結晶粒子を細分化することによって、溶接継ぎ目の機械的特性を向上させることができる。しかしながら、その含有量が高すぎると、粗大なＴｉＮを形成する傾向があり、添加の目的と反する。Ｔｉ含有量を重量百分率で０〜０．０５％に制御すべきである。
Ｎｂについて、Ｎｂは、強力な炭窒化物を形成する元素であり、熱間圧延時にオーステナイトの再結晶化を遅らせることによって、オーステナイト結晶粒子を細分化することができ、再加熱工程においてオーステナイト結晶粒子の成長を妨げることができるため、材料の強靭性を向上させる。重量百分率で０〜０．０５％の含有量に制御すべきである。
上記した合金設計案に従い、溶溶融鋼を転換炉または電気炉で製錬し、鋳造することによってスラブを形成し、形成されたスラブを１２００〜１３００℃に加熱して、８４０〜９４０℃の最終圧延温度まで熱間圧延することによって帯鋼を形成し、形成された帯鋼を層流冷却水で３０秒以内に５００〜５６０℃の温度範囲に層流冷却して、ロール状に巻き、層流冷却は、後部冷却方法を採用しており、前部において閉じた冷却水バルブの数が総数の１５〜４０％を占めており、巻かれたロール状帯鋼を溶接してから、９５０±５０℃の温度に加熱して継ぎ目熱処理を行うことにより、鋼管を製造する。
本願発明の化学成分は、マイクロ合金化の炭素マンガン鋼に属する。合金元素は、１３００〜８４０℃の圧延温度範囲でオーステナイト中に完全に固溶される。後部冷却方法は、オーステナイト結晶粒子の成長に有利であり、層流冷却水による急冷は、炭化物の析出およびオーステナイトからフェライトパーライトへの相変態の発生を抑制することができる。よって、過冷却されたオーステナイトは、５００〜５６０℃の巻き温度で相変態の発生および炭化物の析出が集中的に行い、フェライトおよび分散分布された微小炭化物の微細構造を得ることができ、材料に高強度および低降伏比を確実に与える。
本発明は、以下の有益な効果をもたらす。具体的には、本発明の合金成分には、炭素当量および合金含有量が低く、ＭｏおよびＮｉなどの高価な合金元素を含まず、かつ、溶接継ぎ目の熱処理のみが必要とされるため、鋼管の製造コストは安価になり、重大な経済的利益および社会的利益をもたらす。
発明の詳細な説明
以下、実施例を用いて、本発明をさらに説明する。
以下、実施例を用いて、本発明をさらに説明する。
本発明の実施例および成分は、表１に示される。残部は、Ｆｅである。本発明の実施例の製造方法および特性は、表２に示される。
表２に示すように、本発明の化学成分設計および製造工程を採用することによって製造された材料は、その降伏強度が５００ＭＰａを超えており、その降伏比が０．８５未満である。０℃で全寸法衝撃エネルギーが１００Ｊを超えており、その機械的特性が安定している。
せん断および首尾溶接、鋼板の巻き成形およびＥＲＷ溶接によって鋼管を形成した後、継ぎ目対する熱処理などの製造工程を経て製造された実施例１〜５のＥＲＷ高強度鋼管はすべて、降伏強度が５００ＭＰａを超えるという要件を満たしている。比較例１は、その成分が簡単でありかつ元素Ｖを含有していないため、本発明の巻き温度で５００ＭＰａの降伏強度という要件を達成することができない。比較例２は、比較的に高いＣ含有量を有するため、材料の衝撃に対する靭性が著しく低下し、建設杭柱用鋼の衝撃に対する厳しい要求を満たすことができない。よって、本発明の化学成分設計および製造工程を採用することによって、降伏強さが５００ＭＰａを超える材料を安定して製造することができることが分かる。
Claims (1)
- 低降伏比を有する５００ＭＰａ級の長手方向に溶接された鋼管であって、
成分の重量百分率で、Ｃ：０．１１〜０．１６％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：０．８〜１．５％、Ｖ：０．０６〜０．１５％、Ａｌ：０．００２〜０．０４％、Ｔｉ：０〜０．０５％、Ｎｂ：０〜０．０５％、および残部としてのＦｅおよび不可避不純物からなり、炭素当量Ｃｅｑが０．４％以下であり、
前記鋼管は、０．５％耐力が５００ＭＰａ級の降伏強度および０．８５未満の降伏比を有し、０℃で全寸法衝撃エネルギーが１００Ｊを超えている。
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