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JP2008161906A - 高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金鋼からなる継目無鋼管の製造方法 - Google Patents

高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金鋼からなる継目無鋼管の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】溶融状の内面かぶれの発生を防止し、かつプラグ寿命を向上できる高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金製継目無鋼管の製造方法の提供。
【解決手段】質量％で、Ｃｒを２０〜３０％、Ｎｉを３０〜５０％、ＭｏおよびＷの１種以上をＭｏ＋０．５Ｗで１．５％以上含む高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金鋼からなる被圧延素材を傾斜穿孔圧延するに際し、下記（１）式を満足する条件で被圧延素材を加熱した後、ロールゴージ周速が２．３ｍ／ｓｅｃ以上の条件で傾斜穿孔圧延する。 Ｔ≦１５７５−４．４５×Ｖf−１０４．７×｛−ｌｎ（ｔh／ｒ0）｝・・・（１） ただし、Ｔは加熱温度（℃）、Ｖfはロールゴージでのロール周速（ｍ／ｓｅｃ）、ｒ0は入側素材ビレットの半径（ｍｍ）、ｔhは穿孔後の素管肉厚（ｍｍ）をそれぞれ意味する。
【選択図】なし

Description

本発明は、傾斜穿孔圧延機を用いた高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金鋼ビレットの穿孔圧延方法に関する。
継目無鋼管の製造方法として、円形断面の鋳片をマンネスマン・マンドレルミル方式、マンネスマン・プラグミル方式、マンネスマン・アッセルミル方式などの穿孔機を使用して穿孔圧延する方法が広く用いられている。これらのマンネスマン方式による継目無管の製造方法は、加熱炉で所定の温度に加熱された製管用のビレットを傾斜穿孔圧延機により穿孔圧延した後、得られた中空素管をマンドレルミルやプラグミルなどの延伸圧延機を用いて拡管し、肉厚を減少させた後、ストレッチレデューサーやサイザーなどの絞り圧延機により外径を絞り、製品の鋼管に仕上げるものである。
継目無鋼管の製造方法については、様々な発明が開示されている。
例えば、特許文献１には、クロムを９重量％以上含有する高Ｃｒ合金鋼の鋼片を、加熱炉で加熱した後、ピアサ・ミルで圧延穿孔して継目無鋼管用素管を製造するに際し、上記素管の金属組織にδフェライトを出現させないような条件で鋼片を圧延する継目無鋼管用素管の圧延方法に関する発明が開示されている。特許文献１の実施例では、１２％Ｃｒ鋼から継目無鋼管を製造する例が示されている。
特許文献２には、質量％で、Ｃ：０．９５〜１．１０％を含有する高炭素鋼からなる継目無鋼管をビレット加熱に次いで穿孔圧延する際に、前記ビレット加熱温度を１２００℃以下とし、かつ軸方向平均歪み速度εＡＶを２．０ｓｅｃ-1以下にする高炭素継目無鋼管の製造方法に関する発明が開示されている。特許文献２の実施例では、ＳＵＪ−２相当の鋼から継目無鋼管を製造する例が示されている。
近年、油井管、ボイラー管等の使用環境がより過酷なものとなっている。このため、使用する継目無鋼管への要求特性が高度化している。例えば、高深度化、高腐食性環境化が進む油井に使用される油井管には、より高強度で、より優れた耐食性を有するものが求められており、一方で、原子力発電設備、化学プラント等で用いられる管には、高温の純水やＣｌ-を含む高温水中での耐食性、特に耐応力腐食割れ性に優れるものが求められている。このため、ＣｒおよびＮｉ、更にはＭｏを多量に含有した高合金鋼からなる継目無鋼管が適用されつつある。
特特開平１０−１８０３１２号公報 特開２００１−１３７９１３号公報
Ｍｏを含有する高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金鋼の変形抵抗は、炭素鋼に比べ約２．４倍程度、１３％Ｃｒ鋼、ＢＢＳ鋼などと比べても変形抵抗は２倍近くあるため、穿孔圧延における加工性が悪くなる。このため、穿孔圧延に用いられるプラグ寿命が悪化する。また、圧延トルクが増大するとともに、加工発熱による温度上昇も大きく増加する。穿孔圧延時の温度上昇により肉厚内部で粒界溶融割れ（溶融状の内面かぶれ）が発生するという問題がある。
このような問題点については、１２％Ｃｒ鋼管を対象とする特許文献１およびＳＵＪ−２相当の鋼管を対象とする特許文献２には、記載も示唆もされておらず、その他、Ｍｏを含有する高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金鋼からなる継目無鋼管に特有の問題について言及した文献は見あたらない。また、そのような継目無鋼管の問題を解決するべく、ロール周速度と肉厚加工度との関係より適正なビレット加熱温度を決定することについて言及した文献もない。
そこで、本発明者らは、上記のＭｏを含有する高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金製継目無鋼管の製造過程における溶融状の内面かぶれの問題に対して、加熱温度およびロール周速に着目し、これらの関係について詳細に検討したが、これらの関係を調整するだけでは、Ｍｏ溶融状の内面かぶれの発生を完全に防止できなかった。一方で、圧延速度を低下させれば、加工発熱を抑制できるが、圧延時間が長くなること、さらには、被圧延材の変形抵抗の増加によってプラグ寿命が極端に低下するなどの問題が生じる。
本発明は、傾斜穿孔圧延機による穿孔後の素管内面の溶融状の内面かぶれを防止するとともに、プラグ寿命の延命化を達成することができる高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金製継目無鋼管の製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、下記の高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金製継目無鋼管の製造方法の製造方法を要旨とする。
（１）質量％で、Ｃｒを２０〜３０％、Ｎｉを３０〜５０％、ＭｏおよびＷの１種以上をＭｏ＋０．５Ｗで１．５％以上含む高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金鋼からなる被圧延素材を傾斜穿孔圧延して継目無鋼管を製造する方法であって、下記（１）式を満足する条件で被圧延素材を加熱した後、ロールゴージ周速が２．２８ｍ／ｓｅｃ以上の条件で傾斜穿孔圧延することを特徴とする高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金製継目無鋼管の製造方法。
Ｔ≦１５７５−４．４５×Ｖf−１０４．７×｛−ｌｎ（ｔh／ｒ0）｝・・・（１）
ただし、（１）式中の記号の意味は下記の通りである。
Ｔ：被圧延素材の加熱温度（℃）
Ｖf：ロールゴージでのロール周速（ｍ／ｓｅｃ）
ｒ0：入側素材ビレットの半径（ｍｍ）
ｔh：穿孔後の素管肉厚（ｍｍ）
（２）被圧延素材の加熱温度が１１８０〜１２５０℃の範囲内である上記（１）に記載の高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金鋼からなる継目無鋼管の製造方法。
（３）ロールゴージ周速が２．２８ｍ／ｓｅｃ以上４．６ｍ／ｓｅｃ以下の条件で傾斜穿孔圧延する上記（１）または（２）に記載の高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金鋼からなる継目無鋼管の製造方法。
（４）穿孔比が３以下であることを特徴とする上記（１）から（３）までのいずれかに記載の高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金鋼からなる継目無鋼管の製造方法。
（５）被圧延素材の長さが７ｍ以下であることを特徴とする上記（１）から（４）までのいずれかに記載の高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金鋼からなる継目無鋼管の製造方法。
（６）被圧延素材は、質量％で、Ｃ：０．０４％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．０１〜３．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎｉ：３０〜５０％、Ｃｒ：２０〜３０％、Ｃｕ：０．０１〜１．５％、Ａｌ：０．２０％以下、Ｎ：０．０００５〜０．２％およびＣａ：０．０１％以下と、Ｍｏ：１０％以下およびＷ：２０％以下の一種以上とを含有し、残部がＦｅおよび不純物からなることを特徴とする請求上記（１）から（５）までのいずれかに記載の高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金鋼からなる継目無鋼管の製造方法。
本発明の継目無鋼管の製造方法によれば、変形能が劣悪でかつ、変形抵抗が非常に大きい、Ｍｏを含有する高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金の傾斜穿孔圧延において、粒界溶融起因の溶融状の内面かぶれの発生を防止し、かつ、プラグ寿命を向上させることができる。
（ａ）被圧延素材の化学組成について
本発明の継目無鋼管の製造方法に供される被圧延素材は、Ｃｒを２０〜３０％、Ｎｉを３０〜５０％、ＭｏおよびＷの１種以上をＭｏ＋０．５Ｗで１．５％以上含むものである。
Ｃｒ：２０〜３０％
Ｃｒは、耐食性を向上させる元素であり、２０％以上含有させる。含有量が３０％を超えると、熱間加工性に悪影響を及ぼす。従って、Ｃｒの含有量は、２０〜３０％とした。
Ｎｉ：３０〜５０％
Ｎｉは、耐食性の向上に有効な元素であり、Ｎｉを３０％以上含有させる。一方、５０％を超えても効果は飽和する。従って、Ｎｉの含有量は、２０〜３０％とした。
Ｍｏ＋０．５Ｗ：１．５％以上
ＭｏおよびＷは、耐孔食性を改善する作用を有する元素であり、いずれか一方または両方を添加することができる。しかし、その含有量が（Ｍｏ＋０．５Ｗ）で１．５％未満では上記の効果が得られないので、Ｍｏ＋０．５Ｗは１．５％以上とする。Ｍｏ＋０．５Ｗの上限は特に定めないが、あまりに増加させてもその効果が飽和するだけである。従って、Ｍｏ＋０．５Ｗは、１０％以下とするのが望ましい。
被圧延素材は、上記の合金元素の他、下記の合金元素を含んでも良い。以下、各元素の望ましい含有量の範囲とその限定理由を説明する。
Ｃ：０．０４％以下
Ｃは、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅなどと炭化物を形成するが、その量が増加すると延性値と靱性値が低下する。このため、Ｃは０．０４％以下に制限するのが望ましい。
Ｓｉ：０．５％以下
Ｓｉは、シグマ相の生成を防止し、延性および靱性の低下を抑制するために、できるだけ含有量は少なくする方が良い。したがって、Ｓｉの含有量は０．５％以下に制限するのが望ましい。
Ｍｎ：０．０１〜３．０％
Ｍｎは、熱間加工性の向上に寄与する。このため、Ｍｎを０．０１％以上含有させるのが望ましいが、耐食性が劣化する場合があるので、３．０％以下とするのが望ましい。従って、Ｍｎを含有させる場合には、その含有量を０．０１〜３．０％とするのがよい。特に、σ相の生成が問題となる場合には、その含有量を０．０１〜１．０％とするのが望ましい。
Ｐ：０．０３％以下
Ｐは、通常は不純物として鋼中に含まれるが、鋼の熱間加工性などに悪影響を及ぼす元素である。このため、Ｐの含有量は０．０３％以下に制限するのが望ましい。
Ｓ：０．０３％以下
Ｓも不純物として鋼中に含まれるが、鋼の靱性などに悪影響を及ぼす元素である。このため、Ｓの含有量は０．０３％以下に制限するのが望ましい。
Ｃｕ：０．０１〜１．５％
Ｃｕは、クリープ破断強度を向上させるのに有効な元素であり、０．０１％以上含有させるのが好ましい。しかし、その含有量が１．５％を超えると、合金の延性が低下する場合がある。従って、Ｃｕの含有量は０．０１〜１．５％に制限するのが望ましい。
Ａｌ：０．２０％以下
Ａｌは、脱酸材として有効であるが、シグマ相等の金属間化合物の生成を助長する。このため、Ａｌの含有量は０．２０％以下に制限するのが望ましい。
Ｎ：０．０００５〜０．２％
Ｎは、固溶強化元素であり、高強度化に寄与するとともに、シグマ相等の金属間化合物の生成を抑制して、靱性の向上に寄与する。このため、Ｎは０．０００５％以上含有させるのが好ましい。しかし、その含有量が０．２％を超えると、耐孔食が劣化するおそれがある。このため、Ｎの含有量は０．０００５〜０．２％とするのが望ましい。
Ｃａ：０．００５％以下
Ｃａは、熱間加工性を阻害するＳを硫化物として固着するが、その含有量が過剰な場合、かえって熱間加工性を劣化させるので、Ｃａの含有量は０．００５％以下に制限するのが望ましい。
（ｂ）傾斜穿孔圧延の条件について
１．加熱条件
本発明の高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金製継目無鋼管の製造方法においては、下記（１）式を満足する条件で被圧延素材を加熱した後、ロールゴージ周速が２．２８ｍ／ｓｅｃ以上の条件で傾斜穿孔圧延する。
Ｔ≦１５７５−４．４５×Ｖf−１０４．７×｛−ｌｎ（ｔh／ｒ0）｝・・・（１）
ただし、（１）式中の記号の意味は下記の通りである。
Ｔ：加熱温度（℃）
Ｖf：ロールゴージでのロール周速（ｍ／ｓｅｃ）
ｒ0：入側素材ビレットの半径（ｍｍ）
ｔh：穿孔後の素管肉厚（ｍｍ）
これは、加熱炉の設定温度を傾斜穿孔圧延における肉厚加工対数ひずみ（−ｌｎ（ｔh／ｒ0））およびロール周速（Ｖf）の関係式から導くこととしたものである。即ち、この（１）式を満たせば、加工度が比較的小さい場合には加熱温度を高くすることができ、また、穿孔速度を上昇することが可能となり、ミル負荷の低減と能率向上、プラグ接触時間の短縮化が図られプラグ寿命が向上する。
傾斜穿孔圧延前の加熱温度は、特に、１１８０〜１２５０℃の範囲内であることが望ましい。加熱温度が上記（１）式を満たす場合でも、１１８０℃未満の場合には変形抵抗が増大するので、穿孔負荷が大きくなるおそれがある。このため、傾斜穿孔圧延設備の設備能力の制限を受けるおそれがある。一方、１２５０℃を超えると、粒界溶融起因の溶融状の内面かぶれが発生しやすくなる。
ロールゴージ周速を低下させると、穿孔圧延時間が増加してプラグ寿命が低下するとともに、効率が悪くなる。従って、ロールゴージ周速は、２．２８ｍ／ｓｅｃ以上とする。ロールゴージ周速の上限には特に制限はないが、あまりに上昇させると、粒界溶融起因の溶融状の内面かぶれが発生しやすくなる。従って、ロールゴージ周速は、４．６ｍ／ｓｅｃ以下とするのが望ましい。
図１および２は、本発明の高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金製継目無鋼管の製造方法を実施するための装置を例示した模式図であり、図１は、コーン型のロールを用いた場合の例を、図２は、バレル型のロールを用いた例をそれぞれ示している。図１および２に示すように、ビレット１は、図の左から右へと進行し、回転しているロール１１、１２（図２では、ロール１３、１４）に噛み込まれると共に、プラグ２により穿孔されて素管４となる。
ここで、ロールゴージとは、一対のロール間隔が最も小さくなる位置のことを意味する。例えば、図１に示すコーン型のロール１１、１２の場合、入口面３１と出口面３２とが交わる点を結んだ位置Ｇがロールゴージであり、図２に示すバレル型のロールの場合、ロール径が最大となる位置Ｇがロールゴージである。
上記傾斜穿孔圧延後の素管は、その長さが７ｍ以下であるのが望ましい。これは、プラグ寿命が被圧延材の変形抵抗および穿孔時間に密接な関係にあり、穿孔長が長くなるとプラグ負荷が大きくなり、プラグが傾斜穿孔圧延途中に溶損してプラグ詰まり等のミスロールが生じ、傾斜穿孔圧延が行えたとしてもプラグ先端部の摩耗やプラグ胴に傷が付き、次回圧延では使えない状態となるおそれがあるからである。
本発明の効果を確認するべく、質量％で、Ｃ：０．０１９％、Ｃｒ：２６．０％、Ｎｉ：３２．３％、Ｍｏ：３．２％およびＰ：０．０２８％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる高Ｃｒ−Ｎｉ基合金からなる２２５ｍｍφで、長さ２〜４ｍのビレットを作製し、これを１１８０〜１２６０℃に加熱した後、穿孔比１．５〜３．０、ロールゴージ周速２．２８〜５．３１ｍ／ｓで傾斜穿孔圧延する実験を行った。種々の製造方法により得られた鋼管の内面の溶融かぶれを評価した結果を表１に示す。
Figure 2008161906
表１に示すように、（１）式の関係を満たすＮｏ．１〜４、７〜１０、１３〜１６、１９〜２２、２５〜２７、３１、３２、３７および３８の例では、いずれも溶融割れが生じなかったが、（１）式を満たさなかったその他の例では、溶融割れが生じた。
さらに、質量％で、Ｃ：０．０１９％、Ｃｒ：２６．０％、Ｎｉ：３２．３％、Ｍｏ：３．２％およびＰ：０．０２８％を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる高Ｃｒ−Ｎｉ基合金からなる径が２２５ｍｍφ、長さが５〜１０ｍのビレットを作製し、これを１２１０℃に加熱した後、穿孔比１．７〜２．３、ロールゴージ周速３．５ｍ／ｓで傾斜穿孔圧延する実験を行った。それぞれの素管長さのものを圧延した際に、プラグの先端部に溶損が生じ、次圧延では使えない状態になるまでのパス数を調査した。以下に示すように、プラグ寿命は、素管長さが７ｍを超えると極端に悪化した。
素管長さ パス数
５ｍ ４回
６ｍ ４回
７ｍ ３回
８ｍ １回
９ｍ ０回
１０ｍ ０回
本発明の継目無鋼管の製造方法によれば、変形能が劣悪でかつ、変形抵抗が非常に大きい、Ｍｏを含有する高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金の傾斜穿孔圧延において、粒界溶融起因の溶融状の内面かぶれの発生を防止し、かつ、プラグ寿命を向上させることができる。
コーン型のロールを用いた高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金製継目無鋼管の製造装置を例示した図である。 バレル型のロールを用いた高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金製継目無鋼管の製造装置を例示した図である。
符号の説明
１．ビレット
１１、１２、１３、１４．ロール
２．プラグ
３１．入口面
３２．出口面
４．素管
Ｇ．ロールゴージ

Claims (6)

  1. 質量％で、Ｃｒを２０〜３０％、Ｎｉを３０〜５０％、ＭｏおよびＷの１種以上をＭｏ＋０．５Ｗで１．５％以上含む高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金鋼からなる被圧延素材を傾斜穿孔圧延して継目無鋼管を製造する方法であって、下記（１）式を満足する条件で被圧延素材を加熱した後、ロールゴージ周速が２．２８ｍ／ｓｅｃ以上の条件で傾斜穿孔圧延することを特徴とする高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金製継目無鋼管の製造方法。
    Ｔ≦１５７５−４．４５×Ｖf−１０４．７×｛−ｌｎ（ｔh／ｒ0）｝・・・（１）
    ただし、（１）式中の記号の意味は下記の通りである。
    Ｔ：被圧延素材の加熱温度（℃）
    Ｖf：ロールゴージでのロール周速（ｍ／ｓｅｃ）
    ｒ0：入側素材ビレットの半径（ｍｍ）
    ｔh：穿孔後の素管肉厚（ｍｍ）
  2. 被圧延素材の加熱温度が１１８０〜１２５０℃の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金鋼からなる継目無鋼管の製造方法。
  3. ロールゴージ周速が２．２８ｍ／ｓｅｃ以上４．６ｍ／ｓｅｃ以下の条件で傾斜穿孔圧延することを特徴とする請求項１または２に記載の高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金鋼からなる継目無鋼管の製造方法。
  4. 穿孔比が３以下であることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金鋼からなる継目無鋼管の製造方法。
  5. 被圧延素材の長さが７ｍ以下であることを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金鋼からなる継目無鋼管の製造方法。
  6. 被圧延素材は、質量％で、Ｃ：０．０４％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．０１〜３．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎｉ：３０〜５０％、Ｃｒ：２０〜３０％、Ｃｕ：０．０１〜１．５％、Ａｌ：０．２０％以下、Ｎ：０．０００５〜０．２％およびＣａ：０．０１％以下と、Ｍｏ：１０％以下およびＷ：２０％以下の一種以上とを含有し、残部がＦｅおよび不純物からなることを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載の高Ｃｒ−高Ｎｉ基合金鋼からなる継目無鋼管の製造方法。
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