JPH0615688B2 - 低降伏比高張力電縫鋼管用熱延鋼帯の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は主として油井用鋼管として使用される電縫鋼
管用の熱延鋼帯を製造する方法に関し、特に降伏比が低
くしかも高強度を有する電縫鋼管用熱延鋼帯を安定して
製造する方法に関するものである。

従来の技術 一般に油井用鋼管、例えばケーシングやチュービングに
使用される鋼管としては、高強度を有することが必要と
されるのは勿論であるが、管端等を加工することも多い
ため加工性がある程度優れていることも求められ、その
ため近年は降伏比すなわち降伏応力／引張強さの値が小
さくしかも引張強さが大きい低降伏比高張力電縫鋼管の
需要が増大している。このような油井用の低降伏比高張
力鋼管の代表的な規格としては、ＡＰＩ規格Ｋ−５５が
あり、この規格では鋼管の降伏点が38.7〜56.2kgf／m
m²、引張り強さが66.8kgf／mm²以上が要求されている。

ところで上述のように低降伏比高張力の材料特性を有す
る電縫鋼管素材としての熱延鋼帯としては、高炭素でか
つ高Ｍｎ系の組成が必要とされ、一般にはＣ０．２０〜
０．４８％、Ｍｎ１．３０〜１．７０％、Ｓｉ０．１０
〜０．３０％の鋼を用いるのが通常である。しかしなが
らこの種の鋼において所定の引張強さを確保するために
は、熱間圧延直後の鋼帯を比較的高い冷却速度で冷却す
る必要があるため、熱間圧延後のフェライト結晶粒が微
細化し易く、そのため高い引張強さを得ようとすれば相
対的に降伏比が上昇し易く、また次工程で鋼帯を鋼管に
成形加工する際に加工硬化によって降伏点が上昇するた
め、鋼管における降伏比を所定の範囲に納めることが極
めて困難であるのが実情である。

さらに、前述のような高炭素、高Ｍｎ系の鋼では、炭素
当量が相当に高いため、鋼の機械的特性は熱間圧延直後
の冷却速度および冷却パターンの影響を強く受け、その
ため同一鋼帯内あるいは鋼帯間における前記冷却条件の
わずかなバラツキでも材質が大きく変動し、したがって
均一な材質を維持することも極めて困難であった。

このような低降伏比高張力電縫鋼管の従来の製造方法と
しては、例えば特開昭60-13025号公報記載の方法や、特
公昭 60-7006号公報および特公昭 60-7007号公報記載の
方法などが知られている。しかしながら前者の特開昭60
-13025号公報記載の方法は、鋼帯を電縫鋼管に成形した
後、 750〜 950℃に再加熱し、焼準熱処理するものであ
り、このように成形加工後に熱処理工程が必要となるな
ど、工程数の増加、製造コストの上昇を招く欠点があっ
た。一方後者の特公昭60-7006 号および特公昭 60-7007
号では、上述の欠点を解消するべく、鋼帯の熱間圧延を
700〜 820℃で終了し、その後１秒以上30秒以内は無注
水で放冷し、その後巻取りまでの平均冷却速度を５℃／
sec以上として所定の温度範囲で巻取る方法と、鋼管に
成形する際の成形条件を特定する方法との組合せによっ
て、鋼管成形後の熱処理工程を省略することが提案され
ている。

発明が解決すべき問題点 しかしながら上述の特公昭 60-7006号、特公昭 60-7007
号に記載されているように仕上圧延温度および熱延後の
冷却条件を制御して材質調整を行なう場合にも、次のよ
うな問題があった。すなわち本発明者等の調査によれ
ば、高炭素当量の鋼を熱間圧延後冷却して材質調整する
場合、仕上圧延温度および熱延後の冷却速度条件を見掛
け上全く同一となるように調整した場合においても、最
終的な材質特性が大幅に変化する場合が多いことを知見
した。その原因は、仕上圧延よりも上流側の工程におけ
る熱歪履歴の違いによるγ粒度の変化等によって鋼組織
の変態特性に差異が生じていることに起因するものであ
り、このような場合は単に仕上圧延温度条件および冷却
速度条件を所定の範囲内に調整しただけでは安定して均
質性の高い所定の材質特性を得ることがでなかったので
ある。

この発明は以上の知見に基いてなされたものであり、所
要の低降伏比でかつ高強度を有する高炭素当量の電縫鋼
管用熱延鋼帯を、材質のバラツキが生じることなく安定
して得ることのできる方法を提供することを目的とする
ものである。

問題点を解決するための手段 本発明者等は上述の目的を達成するべく鋭意実験・検討
を重ねた結果、熱延工程での高炭素当量の鋼の材質調整
方法としては、従来技術の如く冷却速度、冷却パターン
等の温度に関係する条件を制御因子とする方法よりも、
冷却過程における鋼の変態挙動自体を直接制御因子とす
る方法の方がより精密かつ安定して所要の材質を得るこ
とが可能となることを見出した。

すなわち、本発明者等は既に特開昭 59-188508号におい
て、鋼の製造工程中においてオンラインでγ→α変態の
程度を検出することのできるオンライン変態率検出装置
を提案し、この装置は既に実用化に至っており、この装
置によれば熱延後の変態挙動をオンラインで検出するこ
とができる。そこで本発明者等は仕上圧延工程よりも上
流側の工程、例えばスラブ鋳造工程、スラブ加熱工程、
あるいは熱間粗圧延工程等での冶金的製造条件の変化に
起因して仕上圧延後のＡｒ_３およびＡｒ_１変態特性が変
化した場合においても、ランアウトテーブル上での冷却
過程における変態挙動を検出しつつ、その変化に応じて
冷却条件を修正し、変化挙動を所定条件範囲内に揃える
ことによって、油井用電縫鋼管として必要な低降伏点高
張力の材質特性を有しかつ材料内、材料間での均質性が
極めて優れた熱延鋼帯を製造し得ることを見出し、この
発明をなすに至ったのである。

具体的には、この発明低降伏比高張力電縫鋼管用熱延鋼
帯の製造方法は、重量％でＣ０．２０〜０．５０％、Ｍ
ｎ０．７〜２．０％、Ｓｉ０．０５〜１．０％、Ａｌ
０．００５〜０．１０％を含有する鋼のスラブを仕上圧
延温度が 750〜 850℃の範囲内となるように熱間圧延し
た後、冷却するにあたって、仕上圧延終了時点から鋼中
のγ相の50％がγ→α変態するまでの所要時間をｔ₅₀と
するとともに、同じく仕上圧延終了時点から鋼中のγ相
の95％がγ→α変態するまでの所要時間をｔ₉₅とし、両
者の比ｔ₅₀／ｔ₉₅が０．３以上の値となるようにランア
ウトテーブル上での冷却量を制御した後、 450〜 650℃
の範囲内の温度で冷却を停止し、直ちに巻取るかまたは
放冷後巻取ることを特徴とするものである。

作用および発明の具体的説明 先ずこの発明の方法で使用する鋼の成分限定理由を説明
する。

Ｃ： Ｃは必要な強度を得るために最も安価な元素であり、し
かもこの発明で対象とする低降伏点高張力の材質特性を
得る上において重要な元素である。Ｃが０．２０％未満
では目的とする低降伏点高張力の材質特性を得ることが
困難となる。一方Ｃが０．５０％を越えれば延性および
靱性が劣化し、また鋼管製造時の溶接性が悪化する。し
たがってＣは０．２０〜０．５０％の範囲内とした。

Ｍｎ： ＭｎはＣと同様に低降伏点高張力の材質特性を得る上で
不可欠の元素であり、その観点から0.70％以上が必要で
ある。しかしながらＭｎが２．０％を越えれば焼入れ性
が著しく高くなって溶接性が劣化しまた製造コストも上
昇する。したがってＭｎは０．７０〜２．０％の範囲内
とした。

Ｓｉ： Ｓｉは脱酸元素および強化元素として有効であり、特に
延性の劣化を伴なわずに強度上昇を図ることができる有
用な元素である。この効果を得るためにはＳｉ０．０５
％以上が必要であり、一方１．０％を越えればコスト上
昇を招くところから、０．０５〜１．０％の範囲内とし
た。

Ａｌ： Ａｌは脱酸元素として不可欠の元素であり、清浄な鋼を
得るためには０．００５％以上が必要である。しかしな
がらＡｌが０．１０％を越えればその効果が飽和するば
かりでなく、溶接部の材質に悪影響が生じるから、０．
００５〜０．１０％の範囲内とした。

この発明の方法で用いる鋼の必須成分元素としては以上
のＣ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ａｌを含有していれば良いが、これ
らの成分のほか、さらにＣｒ０．１０〜０．５０％、Ｔ
ｉ０．０１０〜０．０５０％、Ｎｂ０．０１０〜０．０
５０％、Ｖ０．０１０〜０．１００％、Ｎｉ０．１０〜
0.50％、Ｂ０．０００５〜０．００５０％、Ｃａ０．０
００２〜０．００２０％のうちの１種または２種以上を
含有していても良い。次にこれらの成分元素の添加理由
を説明する。

Ｃｒ、Ｎｉ： これらはいずれもＭｎと同様の作用があり、低降伏点高
強度の材質特性を得る上で有用な元素である。例えばＣ
ｒおよび／またはＮｉを等量のＭｎと置換えて使用すれ
ば、より一層の高強度化を図ることができる。この効果
を発揮させるためにはＣｒ、Ｎｉともに０．１０％以上
が必要であるが、Ｍｎに比べて高価であり、したがって
Ｃｒおよび／またはＮｉを添加する場合の添加量はいず
れも０．１０〜０．５０％の範囲内が好ましい。

Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ： これらはいずれも炭窒化物を形成してそれによる析出硬
化により強度上昇を図ることができ、また結晶粒微細化
作用を有することから適量添加した場合には靱性の向上
にも有効な元素である。これらの効果を発揮させるため
にはいずれの元素についても０．０１０％以上が必要で
あるが、Ｔｉ、Ｎｂがそれぞれ０．０５０％を越えれ
ば、またＶが0.10％を越えれば、引張強さの上昇割合と
比較して降伏点の上昇割合が著しく増大し、この発明の
目的とする低降伏点高張力の材質特性を得ることが困難
となるから、Ｔｉ、Ｎｂは０．０１０〜０．０５０％、
Ｖは０．０１０〜０．１０％の範囲内とすることが好ま
しい。

Ｂ： Ｂは焼入性を高めてＭｎ、Ｃｒ、Ｎｉと同様な効果を奏
し得るが、その効果を発揮するためには０．０００５％
以上が必要である。一方その効果は０．００５０％で飽
和するから、それを越えて多量に添加してもコスト上昇
を招くだけである。したがったＢを添加する場合、その
範囲は０．０００５〜０．００５０％とすることが好ま
しい。

Ｃａ： Ｃａは延性、靱性に悪影響を及ぼすＳと結合してそのＳ
の悪影響を小さくするに有効な元素であり、その効果を
発揮させるためには０．０００２％以上が必要である
が、０．００２０％を越えればその効果が飽和するばか
りでなく、清浄度を悪化させる。したがってＣａを添加
する場合0.0002〜0.0020％の範囲内とすることが好まし
い。

次にこの発明の方法における製造プロセス条件、特に熱
延条件について説明する。

鋳造、スラブ加熱、および熱間圧延における粗圧延は従
来公知の常法にしたがって行えば良い。熱間圧延におけ
る仕上圧延は、仕上圧延温度が 750〜 850℃の範囲内と
なるように行なう。その理由は次の通りである。

仕上圧延温度は熱間圧延後の鋼帯の最終組織のうち、特
にフェライト結晶粒径に影響する因子であり、仕上圧延
温度の低下とともにフェライト結晶粒径は微細化する。
このようにフェライト結晶粒径を微細化させることは靱
性向上ならびにフェライト相と第２相（パーライト相も
しくはベイナイト相等）との分散状態の改善を通じて強
度−延性バランスが向上するという有利な面がある反
面、降伏比の上昇を招いて、この発明で目的とする低降
伏比の材質特性を得るためには不利となる。したがって
この発明では過度の結晶粒微細化を抑えて低降伏比を得
るために仕上圧延温度の下限を 750℃とした。一方仕上
圧延温度が高温過ぎれば、フェライト結晶粒の粗大化お
よびフェライト相と第２相との分散状態の悪化に伴なう
強度−延性バランスの悪化を招くばかりでなく、特に 8
50℃を越えれば仕上圧延直後の時点でのオーステナイト
粒径の粗大化を生じてそれ以後の冷却過程でのＡｒ_３変
態が著しく遅れ、そのため圧延速度を著しく遅くするか
またはランアウトテーブル長さが特に大きい製造ライン
としない限り、この発明の方法の如きランアウトテーブ
ル上での冷却量制御による材質調整が困難となるから、
経済性の観点もしくは製造ラインの制約の観点から好ま
しくなくなる。したがって仕上圧延温度の上限は 850℃
とした。

このように 750〜 850℃の範囲内での仕上圧延を終了し
た後には、仕上圧延終了時点からγ→α変態率50％に至
るまでの所要時間ｔ₅₀と同じく仕上圧延終了時点からγ
→α変態率95％に至るまでの所要時間ｔ₉₅との比（ｔ₅₀
／ｔ₉₅）が０．３以上となるようにランアウトテーブル
上での冷却を制御する。このようにγ→α変態率に関す
る所要時間ｔ₅₀、ｔ₉₅の比によって仕上圧延直後の冷却
を制御することとした理由を、本発明者等の詳細な実験
結果に基いて次に説明する。

本発明者等は、仕上圧延機出側のランアウトテーブル上
での鋼帯の変態率挙動と熱延−冷却後の引張特性との関
係を明らかにする目的で、第１表に示される鋼Ｃを用い
て仕上圧延温度およびランアウトテーブル上での冷却速
度および冷却パターンを種々変化させた条件によって
６．５mm厚の熱延鋼帯を製造した。この熱延鋼帯製造に
あたっては、ランアウトテーブルに特開昭 59-188508号
に示されるγ→α変態率検出装置を設置しておき、仕上
圧延完了時点からγ→α変態率が50％に達するまでの所
要時間ｔ₅₀および同じく95％に達するまでの所要時間ｔ
₉₅を測定し、それらの所要時間と熱延−冷却後の引張特
性、すなわち降伏応力（ＹＳ）および引張強さ（ＴＳ）
と対応させた。第１図にＹＳとｔ₅₀との関係を示し、第
２図にＴＳとｔ₉₅との関係を示す。また比較のため、従
来の材質調整方法における主要な制御因子である巻取温
度とＹＳ、ＴＳとの関係を第３図、第４図に示す。

これらの図から明らかなように、ｔ₅₀、ｔ₉₅の値が大き
くなるに従ってＹＳ、ＴＳは低下する傾向を示し、また
巻取温度が高くなるに従ってＹＳ、ＴＳが低下する傾向
を示しているが、第３図、第４図に見られるように巻取
温度とＹＳ、ＴＳとの関係の場合は同じ巻取温度でもＹ
Ｓ、ＴＳのばらつきは大きく、一方第１図、第２図から
明らかなようにｔ₅₀、ｔ₉₅の値とＹＳ、ＴＳとは極めて
強い相関関係を示し、それらの関係はほぼ一定の曲線上
に乗り、ばらつきが極めて少ないことが判る。このよう
な結果から、巻取温度を制御因子とするよりも、変態率
に直接関係するｔ₅₀、ｔ₉₅の値を制御因子とした場合の
方が格段に目標とする材質特性を得る上において有利で
あることが予想される。

さらに第５図には、上記の実験における降伏比（ＹＳ／
ＴＳ）とｔ₅₀／ｔ₉₅の比との関係を示す。第５図から、
ｔ₅₀／ｔ₉₅の比の値が大きくなるに従って降伏比が小さ
くなり、しかもその関係は高い相関度を示している。し
たがってｔ₅₀／ｔ₉₅の比の値を適切に定めることによ
り、所望の降伏比の材質を得ることが可能となることが
判る。ここで、ｔ50およびｔ95の両者をオンライン上で
冷却量調整により直接正確に制御することは容易ではな
いが、ｔ₅₀／ｔ₉₅の比は冷却量調整により比較的容易に
制御することができる。すなわち、例えばランアウトテ
ーブルにてオンラインで変態率を検出して、変態率が50
％に達した時点で、それまでの所要時間Ｔ₅₀に応じてそ
の後の冷却量を適切に調整することによりその後の冷却
速度を変え、これによって変態率95％に達するまでの時
間を調節してｔ₅₀／ｔ₉₅の比の値がある範囲内となるよ
うに制御するこどができるのである。

以上のような理由から、この発明においては目的とする
低降伏比高張力の材質特定を確実かつ安定して得るため
に、ｔ₅₀／ｔ₉₅の値を指標としてランアウトテーブルで
の冷却量を制御することとしたのである。

この発明においては、油井用電縫鋼管として必要な低降
伏比高張力の材質特性を得るための要件として、ｔ₅₀／
ｔ₉₅の比を０．３以上の範囲に限定した。下限を０．３
とした理由は、製管時の加工硬化による降伏応力の上昇
が生じた場合においてもＡＰＩ規格のＫ５５相当の低降
伏応力を確保するためには、製管前の鋼帯として降伏比
は０．７以下とする必要があり、そのためには第５図か
ら明らかなようにｔ₅₀／ｔ₉₅の比を０．３以上とする必
要がある。

このようにｔ₅₀／ｔ₉₅が０．３以上となるようにランア
ウトテーブルでの冷却を制御するための具体的方法とし
ては、例えば予めｔ₅₀／ｔ₉₅が０．３以上となるような
標準的な変態率−時間曲線を作成しておき、変態率が50
％に達した時点でそれまでの所要時間ｔ₅₀が標準曲線に
おける時間より短か過ぎる場合にはその後の冷却量をさ
らに大きくしてｔ₉₅も短くすることによりｔ₅₀／ｔ₉₅を
０．３以上に確保する方法、あるいは前記同様にｔ₅₀／
ｔ₉₅が０．３以上となるような標準的な変態率−時間曲
線を作成しておき、逐時変態率を検出しつつ前記標準曲
線に可及的に一致するようにその都度冷却量を制御する
方法などが考えられる。

上述のようにｔ₅₀／ｔ₉₅を指標として制御冷却を行なっ
た後には、 450〜 650℃の範囲内の温度で冷却を停止
し、直ちに巻取るか、または放冷後巻取る。ここで冷却
停止温度が 650℃を越える場合は、ランアウトテーブル
上での冷却量の調整を行なうに際してｔ₅₀／ｔ₉₅の比を
制御する上での自由度が著しく小さくなって上述の制御
を実際に適用することが困難となる問題があるととも
に、実際にｔ₅₀／ｔ₉₅の制御できたとしても 650℃を越
える場合は引張強さが低下して所要の引張強さを確保す
ることが困難となる問題がある。一方冷却停止温度を 4
50℃未満とすれば、熱延鋼帯の形状が冷却歪によって著
しく害され、たとえ所定の材質特性を得たとしても製品
価値が損われる。したがって冷却停止温度は 650〜 450
℃の範囲内とした。なお巻取りは上述のように 650〜 4
50℃の範囲内で冷却を停止して直ちに（したがってその
範囲内の温度で）行なうか、またはその後放冷してから
行えば良い。

実施例 第１表に示す化学組成の鋼Ａ〜Ｌを第２表中に示す熱延
条件で圧延し、６．５mm厚の熱延鋼帯を製造した。これ
らの熱延鋼帯の長手方向10点について調べた機械的特性
の平均値、および特にその長手方向10点についての降伏
応力（ＹＳ）の標準偏差σ^＊を第２表に示す。また参考
のため各熱延鋼帯を用いて１１４．３mmφのＡＰＩ規格
Ｋ５５相当の油井用電縫鋼管に製管した後のパイプの機
械的性質についても第２表中に併せて示す。

なおここで仕上圧延終了時点からγ→α変態率50％、95
％に達するまでの各所要時間ｔ₅₀、ｔ₉₅の測定は、本発
明者等が特開昭 59-188508号において提案しているオン
ライン変態率検出装置をランアウトテーブルに設置して
行なった。また各例において熱延後は制御冷却停止後直
ちに巻取った。

第２表において、No.４はｔ₅₀／ｔ₉₅が０．３に満たな
い比較例、No.５は仕上圧延温度が 750℃より低くかつ
ｔ₅₀／ｔ₉₅が０．３に満たない比較例であり、これらの
場合いずれも熱延鋼帯での降伏応力が高く、かつパイプ
での降伏応力ＡＰＩ規格Ｋ５５の上限56.2kgf／mm²を越
えていた。またNo.６はＣ、Ｍｎの含有量がこの発明の
範囲から外れている鋼Ａを用いたものであり、この場合
も熱延鋼帯、パイプでの降伏応力が高くなった。またN
o.１７は、ｔ₅₀、ｔ₉₅による冷却制御を行なわず、従来
法に従って熱延後の平均冷却速度を40℃／secに制御し
た比較例であり、この場合はパイプでの降伏応力（Ｙ
Ｓ）が若干高いばかりでなく、同一材料内での降伏応力
（ＹＳ）のばらつきが大きいことが判る。

これに対しNo.１〜No.２、No.７〜No.１６はいずれもこ
の発明によるものであり、この場合には熱延鋼帯での降
伏比が充分に低く、そのためパイプでもＡＰＩ規格Ｋ５
５を満たす低降伏応力となっており、しかも同一材料内
での降伏応力のバラツキも少なく、同一材料内のいずれ
の部分でも上記規格を満たしていることが判明した。ま
たこのほか伸びも良好で、低降伏比であることと併せて
良加工性であることが判明した。

発明の効果 以上の実施例からも明らかなように、この発明の方法に
よれば、低降伏比で高張力を有する電縫鋼管用熱延鋼帯
を得ることができるばかりでなく、材料内での材質特性
のばらつきの少ない電縫鋼管用熱延鋼帯を確実かつ安定
して製造し得る顕著な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は熱延鋼帯の降伏応力とｔ₅₀との関係を示す相関
図、第２図は熱延鋼帯の引張強さとｔ₉₅との関係を示す
相関図、第３図は熱延鋼帯の降伏応力と巻取温度との関
係を示す相関図、第４図は熱延鋼帯の引張強さと巻取温
度との関係を示す相関図、第５図は降伏比（降伏応力／
引張強さ）とｔ₅₀／ｔ₉₅との関係を示す相関図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％でＣ０．２０〜０．５０％、Ｍｎ
   ０．７〜２．０％、Ｓｉ０．０５〜１．０％、Ａｌ０．
   ００５〜０．１０％を含有する鋼のスラブを仕上圧延温
   度が 750〜 850℃の範囲内となるように熱間圧延した
   後、冷却するにあたって、仕上圧延終了時点から鋼中の
   γ相の50％がγ→α変態するまでの所要時間をｔ₅₀とす
   るとともに、同じく仕上圧延終了時点から鋼中のγ相の
   95％がγ→α変態するまでの所要時間をｔ₉₅とし、両者
   の比ｔ₅₀／ｔ₉₅が０．３以上の値となるようにランアウ
   トテーブル上での冷却量を制御した後、450〜650℃の範
   囲内の温度で冷却を停止し、直ちに巻取るかまたは放冷
   後巻取ることを特徴とする低降伏比高張力電縫鋼管用熱
   延鋼帯の製造方法。