(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯鋼を成形ロールで連続的に成形しオープン管とし、該オープン管の両エッジ部を融点以上に加熱し、スクイズロールで衝合接合し母管とし、ビード切削したのち、該母管に絞り加工を施す溶接鋼管の製造方法において、前記帯鋼が、成形ロールでオープン管に成形する前に加熱急冷処理を施されたものであり、前記絞り加工が200〜700 ℃の温度範囲で行う温間絞り加工であることを特徴とする高強度高延性溶接鋼管の製造方法。
【請求項２】
前記温間絞り加工が、２ロール以上のロールからなる複数スタンドの絞り圧延機により施されるものである請求項１記載の溶接鋼管の製造方法。
【請求項３】
前記ビード切削ののち、シーム部を冷却することを特徴とする請求項１または２記載の溶接鋼管の製造方法。
【請求項４】
前記オープン管の両エッジ部の加熱は、誘導加熱、通電加熱、タングステンイナートガス溶接、レーザービーム、電子ビーム、プラズマビーム、サブマージアーク溶接のうちのいずれかの方式により施されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の溶接鋼管の製造方法。
【請求項５】
前記温間絞り加工のための母管加熱は、誘導加熱または、ガスあるいは重油を用いた加熱炉で行うことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の溶接鋼管の製造方法。
【請求項６】
前記オープン管を700 ℃以下に予熱したのち、前記両エッジ部を加熱することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の溶接鋼管の製造方法。
【請求項７】
帯鋼を払いだすアンコイラーと、先行する帯鋼と後行する帯鋼を接合する帯鋼接合装置と、帯鋼を貯えるルーパと、帯鋼を加熱急冷する帯鋼加熱急冷装置と、帯鋼を成形加工する成形ロール群からなる成形加工装置と、あるいはさらにオープン管を予熱する管体予熱装置と、誘導加熱コイルを有する誘導加熱装置と、オープン管を衝合接合するスクイズロールと、ビード切削機と、あるいはシーム冷却装置と、母管を加熱する母管誘導加熱装置あるいは加熱炉と、母管を絞り圧延する複数の絞り圧延機からなる絞り加工装置とを順次配列したことを特徴とする鋼管の製造設備列。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼管の製造方法に関し、とくに、オープン管の両エッジ部を加熱し、衝合接合して製管された鋼管をさらに絞り圧延する溶接鋼管の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶接鋼管は、鋼板または鋼帯を管状に成形しその継目を溶接したもので、小径から大径まで各種の製造方法によりつくられているが、主な製造方法として、電気抵抗溶接（電縫）、鍛接、電孤溶接によるものが挙げられる。
比較的小径鋼管用として極めて高い生産性を有する鍛接鋼管製造方法がある。この方法は、連続的に供給した鋼帯を加熱炉で1300℃程度に加熱したのち、成形ロールで管状に成形してオープン管とし、続いてオープン管の両エッジ部に高圧空気を吹きつけて端面のスケールオフを行い、ウェルディングホーンにより端面に酸素を吹きつけ、その酸化熱で端面を1400℃程度に昇温させてから鍛接ロールで両エッジ部端面を衝合させ固相接合して鋼管を製造する方法である（例えば、第３版鉄鋼便覧第III 巻（２）1056〜1092頁）。
【０００３】
しかし、この鍛接鋼管製造方法では、造管速度が速く生産性は高いが、
▲１▼端面のスケールオフが完全でないため、鍛接衝合部へのスケール噛込みが発生し、シーム部の強度が母材部に比べかなり劣る。
▲２▼帯鋼を高温に加熱するため、管表面にスケールが生成し表面肌が悪い。
などの欠点を有している。
【０００４】
一方、小径〜中径鋼管用としては、高周波誘導加熱を利用した電気抵抗溶接法（電気抵抗溶接鋼管、電縫管）が主として利用されている。この方法は、連続的に帯鋼を供給し、成形ロールで管状に成形してオープン管として、続いて高周波誘導加熱によりオープン管の両エッジ部端面を鋼の融点以上に加熱したのち、スクイズロールで両エッジ部端面を衝合溶接して鋼管を製造する方法である（例えば、第３版鉄鋼便覧第III 巻（２）1056〜1092頁）。
【０００５】
この電縫管では、
▲１▼オープン管は両エッジのみ接合時に融点以上とされる以外は冷間状態にある冷間製管のゆえに、孔型ロール等の製管工具と鋼帯とのスリップ疵の防止や成形荷重抑制等の措置を必要とするため生産能率が悪い。
▲２▼製品鋼管寸法に合わせた孔型ロールを用いなければならないことから小ロット多品種の鋼管製造には適していない。
などの問題があった。
【０００６】
このような鍛接鋼管製造方法あるいは電気抵抗溶接鋼管製造方法の問題点を解消するため、例えば、特開昭63-33105号公報には、電縫鋼管等の中空素管を冷間状態で３つのロールからなる孔形を複数個用いて圧延して外径縮小する鋼管の絞り圧延方法が提案されている。
しかし、この方法では、電縫鋼管等の中空素管を冷間状態で、絞り圧延を行うため、大きな圧延荷重に耐え得る大型の圧延機や、ロールとの焼付き防止のための潤滑圧延装置の設置を必要とするうえ、帯鋼をオープン管に成形するときの成形歪にさらに冷間絞り圧延による加工歪が重畳して材料の加工硬化が著しくなり、鋼管の伸びが低下し製管後熱処理工程を追加しなければならないという問題がある。また、冷間絞り圧延では、大幅な外径縮小、すなわち高絞りを行うと偏肉やロール疵が発生するという問題もあり、成形用孔型ロール寸法の大幅な統一ができにくいという問題もある。
【０００７】
また、特公平2-24606 号公報には、帯鋼をＡ3 変態点未満程度に加熱し、オープン管に成形したのち、高周波誘導加熱とスクイズロールによりオープン管の両縁部を溶接して母管とし、その後母管をＡ3 変態点以上に昇温し、管絞り圧延装置で所定の外径の製品管とする鋼管の製造方法が提案されている。図５はこの鋼管の製造方法を示す模式図であり、１は帯鋼、８は母管、16は製品管、２は帯鋼予熱炉、４は帯鋼加熱炉、24は母管加熱炉、21は絞り圧延装置、３は成形ロール群（成形加工装置）、９は誘導コイル、６はスクイズロール、11はビード切削機である。
【０００８】
しかし、この方法では、管全体を800 〜950 ℃程度の高温に加熱するため、新たなスケールロスを生じ歩留り低下に加えて、絞り圧延時にスケール噛込みを誘発し、表面疵の発生や表面肌が悪化するといった問題や、加熱炉の設置、加熱のための燃料費が増加するといったコスト増加の問題がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した問題を有利に解決し、低圧延荷重で圧延でき、加工硬化を抑制し、しかも表面状態を悪化させずに、高強度高延性を有する鋼管を製造でき、高生産能率で小ロット多品種生産にも対応できる溶接鋼管の製造方法を提案することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、高強度で高延性を有する溶接鋼管を製造するために、鋭意検討した結果、加熱急冷処理を施した帯鋼から製造した鋼管に温間加工を施すことにより高延性が得られることを新たに知見した。本発明はこれら知見をもとに構成されたものである。
【００１１】
参考発明は、帯鋼を成形ロールで連続的に成形しオープン管とし、該オープン管の両エッジ部を融点以上に加熱し、スクイズロールで衝合接合し母管とし、ビード切削したのち、該母管を再加熱して絞り加工を施す溶接鋼管の製造方法において、前記帯鋼が熱間圧延工程で急冷処理を施されたものであり、前記絞り加工が200 〜700 ℃の温度範囲で行う温間絞り加工であることを特徴とする高強度高延性溶接鋼管の製造方法である。
【００１２】
本発明は、前記帯鋼の熱間圧延工程での急冷処理の代わりに、成形ロールでオープン管に成形する前に帯鋼に加熱急冷処理を施すものである。なお、本発明では、前記絞り加工は外径絞り率で５％以上の絞り加工とするのが好ましい。
また、本発明では、前記温間絞り加工は、２ロール以上のロールからなる複数スタンドの絞り圧延機により施されるのが好ましい。また、本発明では、前記ビード切削ののち、シーム部を冷却するのが好ましい。また、前記オープン管の両エッジ部の加熱は、誘導加熱、または通電による抵抗加熱、タングステンイナートガス溶接（TIG 溶接）、レーザービーム、電子ビーム、プラズマビーム、サブマージアーク溶接のうちのいずれかの方式により、行うのが好ましい。
【００１３】
また、本発明では、前記温間絞り加工のための加熱は、誘導加熱または、ガスあるいは重油を用いた加熱炉で行うのが好ましい。
また、本発明では、前記オープン管を700 ℃以下に予熱したのち、前記両エッジ部を加熱してもよい。
また、本発明は、帯鋼を払いだすアンコイラーと、先行する帯鋼と後行する帯鋼を接合する帯鋼接合装置と、帯鋼を貯えるルーパと、帯鋼を加熱急冷する帯鋼加熱急冷装置と、帯鋼を成形加工する成形ロール群からなる成形加工装置と、あるいはさらにオープン管を予熱する管体予熱装置と、誘導加熱コイルを有する誘導加熱装置と、オープン管を衝合接合するスクイズロールと、ビード切削機と、あるいはシーム冷却装置と、母管を加熱する母管誘導加熱装置あるいは加熱炉と、母管を絞り圧延する複数の絞り圧延機からなる絞り加工装置とを順次配列したことを特徴とする鋼管の製造設備列である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
参考発明では、帯鋼は、熱間圧延工程で圧延後急冷され、マルテンサイト、ベーナイト等の急冷組織としたものが好適である。このような急冷組織とし、その後の温間加工と組合わせることにより高延性が確保できるのである。本発明では、前記熱間圧延工程で圧延後急冷の代わりに、成形ロールでオープン管に成形する前に帯鋼に加熱急冷処理を施し、急冷組織とする。この場合には、アンコイラーから払いだされた帯鋼を、加熱炉あるいは誘導加熱等によりＡc3変態点以上に加熱したのち、急冷処理を施す。急冷処理の冷却手段は、水、ガス等の流体噴射が好ましい。
【００１５】
本発明に好適な帯鋼の化学組成は、重量％で、Ｃ：0.05〜0.19％、Si：0.01〜1.5 ％、Mn：0.5 〜3.5 ％を基本組成として必要に応じNi、Cr、Mo、Cu、Nb、Ｖ、Ti、Ｂ等の合金元素を添加してもよい。
Ｃは、焼入れ性を向上させる元素であり、マルテンサイト、ベイナイト等の急冷組織とするために必要である。このためには、0.05％以上の含有が必要であるが、0.19％を超えると溶接性が劣化するため、Ｃは0.05〜0.19％とするのが好ましい。
【００１６】
Siは、強度を向上させる元素であり、所望の強度を得るために、0.01％以上の含有が必要であるが、1.5 ％を超えると溶接性、加工性が劣化するため、Siは0.01〜1.5 ％とするのが好ましい。
Mnは、焼入れ性を向上させる元素であり、マルテンサイト、ベイナイト等の急冷組織とするために必要である。このためには、0.5 ％以上の含有が必要であるが、3.5 ％を超えると溶接性、加工性が劣化するため、Mnは0.5 〜3.5 ％とするのが好ましい。
【００１７】
その他、強度を高めるために、Ni、Cr、Mo、Cu、Nb、Ｖ、Ti、Ｂ等の合金元素を添加できるが、Niは２％以下、Crは１％以下、Moは２％以下、Cuは１％以下、Nbは0.1 ％以下、Ｖは0.3 ％以下、Tiは0.2 ％以下、Ｂは0.003 ％以下とするのが望ましい。
帯鋼は、アンコイラーから払いだされ、複数の成形ロールで連続的に成形されオープン管となる。成形は通常公知の複数の成形ロールによる加工方法が好適に適用できる。
【００１８】
ついで、オープン管の両エッジ部を融点以上に加熱する。
エッジ部の加熱は、エネルギー効率の観点から誘導コイルによる誘導加熱方式が好ましいが、通電による抵抗加熱、タングステンイナートガス溶接（ＴＩＧ溶接）、レーザービーム、電子ビーム、プラズマビーム、サブマージアーク溶接のうちのいずれかの方式により、行ってもよい。また、これら複数の加熱手段を併用してもよい。
【００１９】
エッジ部の加熱の前に、オープン管全体を700 ℃以下に予熱してもよい。予熱することにより、後に行うエッジ部加熱時にエッジ部とその近傍の母管との温度差を小さくし、エッジ部の温度及び温度分布を溶接時に適正に制御するために行う。予熱温度が700 ℃を超えるとオープン管表面に多量のスケールを形成し、鋼管の表面肌が劣化するため、700 ℃を予熱温度の上限とした。なお、200 ℃未満では、エッジ部近傍の温度、温度分布が適正とならないため、予熱温度は好ましくは200 〜700 ℃である。予熱方法は、加熱炉を用いる方法、誘導コイルを用いる誘導加熱方法、通電による抵抗加熱方法いずれも好適である。
【００２０】
両エッジ部を融点以上に加熱されたオープン管は、スクイズロールで両エッジ部を衝合され、溶接されて母管とされたのち、ビード切削される。
本発明では、ビード切削後の母管のシーム部近傍を冷却するのが好ましい。シーム部の冷却手段は、冷媒噴射ノズルによるのが好ましい。冷媒としては、水、低温エア等が使用できる。母管シーム部近傍は、オープン管エッジ部を溶接するために他の部位より高温に加熱されて、管周方向温度差が発生している。母管における管周方向温度差は、その後の絞り加工時に変形抵抗差を生じ、製品管に偏肉を生じやすくする。このため、母管シーム部を絞り加工前に冷却し、管周方向温度差を解消しておくのが好ましい。偏肉防止のためには、管周方向温度差は100 ℃以下とするのがよい。
【００２１】
ついで、本発明では、母管を再加熱し、200 〜700 ℃の温度範囲で外径絞り率で５〜60％の温間絞り加工を施し、所定の外径の製品管とする。温間絞り加工のため母管の再加熱方法は、とくに限定しないが、加熱炉、誘導コイル等を用いる加熱方法が好ましく、なかでも誘導コイルによる誘導加熱が好適である。
母管の再加熱は絞り加工温度が200 〜700 ℃の温間領域となるように加熱する。
【００２２】
絞り加工温度が200 〜700 ℃の温度範囲になるように加熱された母管は、２ロール以上の孔型ロール構造の複数スタンドの絞り圧延機により温間絞り加工を施される。絞り加工は、図２（ａ）〜（ｃ）に示す２ロール〜４ロールからなる孔型ロール構造の絞り圧延機を複数スタンド配設した絞り圧延機列で行われるのが好ましい。
【００２３】
また、絞り加工量は、外径絞り率で５％以上とするのが好ましい。外径絞り率が５％未満では、絞り圧延による延性向上効果が小さくなる。なお、外径絞り率の上限は、絞り圧延機の設備能力に依存して決定される。
また、絞り加工温度は200 〜700 ℃の温間領域とする。この温度範囲で絞り加工を施すことにより導入された加工歪と管材の前組織とが複合して、延性が著しく増加する。しかし、絞り加工温度が、200 ℃未満では、管材の加工硬化が著しく、延性が劣化し、さらに被圧延材の変形抵抗が高く圧延荷重が増大して、管表面にロールの焼付き疵が発生する。また、絞り加工温度が700 ℃を超えると圧延中に発生するスケールの噛み込み疵により管表面の粗さが増大し、表面肌が劣化する。
【００２４】
温間絞り加工を施された製品管は、空冷されるかあるいは水冷されて室温まで冷却される。得られた製品管は、切断機により所定の寸法に切断され、管矯正装置で矯正されるか、あるいは管矯正装置で矯正されたのちコイル状に巻き取られる。図１、図３に参考発明の、図２に本発明の、実施に好適な鋼管製造設備列を示す。
【００２５】
図１（ａ）においては、１は帯鋼、14は帯鋼を払いだすアンコイラ、15は先行する帯鋼の後端部と後行する帯鋼の先端部を接続する帯鋼接合装置、17は帯鋼を貯えるルーパ、３は成形ロール群からなる成形加工装置、７はオープン管、５はオープン管エッジ部を融点以上に加熱する誘導加熱装置、６はオープン管エッジ部を衝合接合するスクイズロール、８は母管、11は母管に形成されるビードを切削するビード切削機、10は絞り加工のための母管再加熱用の母管誘導加熱装置、21は母管に絞り加工を施す絞り圧延装置、18は製品管の切断機、16は製品管、19は管矯正装置、20は温度計である。
【００２６】
図１（ｂ）は、図１（ａ）の設備列のビード切削機11の出側にシーム冷却装置12を設けた鋼管製造設備列である。他の符号は図１（ａ）と同じとした。
図２は、図１（ａ）のルーパ17の出側に帯鋼を加熱する帯鋼加熱装置22ａと帯鋼を急冷する帯鋼急冷装置22ｂからなる帯鋼加熱急冷装置22を設けた鋼管製造設備列である。
【００２７】
図３は、図１（ｂ）の成形加工装置３の出側にオープン管を予熱する管体予熱装置23を設けた鋼管製造設備列である。
【００２８】
【実施例】
（参考例）
Ｃ：0.17wt％、Si：0.20wt％、Mn：1.30wt％、Cr：1.0 wt％の組成を有する鋼素材をFET800℃の熱間圧延により2.5 mm厚の鋼板とし、圧延終了後直ちに水冷し、急冷組織（マルテンサイト主体組織）としたのち巻き取りコイルとした。図１（ａ）の設備列を用いて、このコイルからアンコイラ14により払いだした帯鋼１を成形加工装置３によりオープン管７としたのち、誘導加熱装置５によりエッジ部を融点以上に加熱し、スクイズロール６により衝合接合し60.5mmφ×2.5mm 厚の母管とした。なお、接合時に形成したビードはビード切削機11により削除した。ビード切削後の母管の温度は350 ℃であった。その後、誘導コイル９により母管を加熱し、３ロール構造の絞り圧延機を20スタンド設置した絞り圧延装置21により25.4〜42.7mmφ×2.3mm の製品管16とした。このときの外径絞り率は29〜58％であった。
【００２９】
比較として、同一組成の鋼素材を2.5mm 厚の鋼板に熱間圧延し、熱間圧延のまま、水冷を行わずコイルに巻き取り、焼鈍処理（900 ℃焼鈍）を行った。このコイルを用いて、上記と同様な条件で製品管とし、比較例（No.A）とした。
従来例（No.B）として、同一組成の鋼素材を2.5mm 厚の鋼板に熱間圧延し、熱間圧延のまま、水冷を行わずコイルに巻き取り、上記と同様に、図１（ａ）の設備列を用いて、このコイルからアンコイラ14により払いだした帯鋼１を成形加工装置３によりオープン管７としたのち、誘導加熱装置５によりエッジ部を融点以上に加熱し、スクイズロール６により衝合接合し60.5mmφ×2.5mm 厚の母管とした。なお、接合時に形成したビードはビード切削機11により削除した。ビード切削後の母管の温度は50℃であった。その後、誘導加熱装置10による加熱を行わず、３ロール構造の絞り圧延機を８スタンド設置した絞り圧延装置21により外径絞り率29％の42.7mmφ×2.3mm の製品管16とした。
【００３０】
これら製品管の機械的性質、焼付きの有無、表面肌の粗さを表１に示す。
焼付きの有無は目視で、表面粗さは触針式表面粗さ計で製品管の長さ15×円周５mmについて測定しRmaxを求めた。
【００３１】
【表１】
0003879207.tif 000002
【００３２】
表１から参考例は引張強さが700MPa以上、伸びが35％以上といずれも高く高強度高延性の鋼管で、表面肌も良好であることがわかる。これに対し、比較例は、延性、表面肌、強度、のいずれか１つが劣っている。
また、焼鈍した帯鋼を用いた比較例（No.A）では、引張強さが430MPaと強度が低い。また、冷間絞り加工を行う従来例では、伸びが14％と低い。また、参考例では、絞り圧延の荷重も低く、焼付も皆無であり、造管速度も従来例（No.B）に比べ2.6 〜4.5 倍となっている。
（実施例）
Ｃ：0.08wt％、Si：0.5wt ％、Mn：3.0wt ％、Cr：0.3 wt％、Nb：0.02wt％の組成を有する鋼素材を熱間圧延により2.0mm 厚の鋼板としたのち巻き取りコイルとした。図２の設備列を用いて、このコイルからアンコイラ14により払いだした帯鋼１を、加熱急冷装置22を通して、880 ℃に加熱後 350℃以下まで水冷して急冷組織（マルテンサイト主体組織）とする。その後、成形加工装置３によりオープン管７とし、誘導加熱装置５によりエッジ部を融点以上に加熱し、スクイズロール６により衝合接合し60.5mmφ×2.0mm 厚の母管とした。なお、接合時に形成したビードはビード切削機11により削除した。ビード切削後の母管の温度は50℃であった。その後、誘導コイル９により500 ℃に母管を加熱し、３ロール構造の絞り圧延機を16スタンド設置した絞り圧延装置21により31.8mmφ×1.8mm の製品管16とした。このときの絞り圧延温度は450 〜500 ℃で、外径絞り率は47％であった。
【００３３】
この製品管の機械的性質は、表２に示すように降伏強さが1240MPa 、引張強さが1380MPa 、伸びが29％であり、表面肌も良好な高強度高延性の鋼管であった。
【００３４】
【表２】
0003879207.tif 000003
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、低圧延荷重で圧延でき、表面状態を悪化させずに、高強度高延性を有する鋼管を高い生産性で製造でき、しかも母管サイズを統合することができ少ない母管サイズから多種類サイズの製品管の製造が可能となり、小ロット多品種生産にも対応できるという格別の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  参考発明の実施に好適な鋼管製造設備列の１例を示す模式図である。
【図２】  本発明の実施に好適な鋼管製造設備列の１例を示す模式図である。
【図３】  参考発明の実施に好適な鋼管製造設備列の１例を示す模式図である。
【図４】  絞り圧延機のロール構造を示す説明図である。
【図５】従来の鋼管製造設備列の１例を示す模式図である。
【符号の説明】
１  帯鋼
２  帯鋼予熱炉
３  成形加工装置
４  帯鋼加熱炉
５  誘導加熱装置
６  スクイズロール
７  オープン管
８  母管
９  誘導コイル
１０  母管誘導加熱装置
１１  ビード切削機
１２  シーム冷却装置
１４  アンコイラ
１５  帯鋼接合装置
１６  製品管
１７  ルーパ
１８  切断機
１９  管矯正装置
２０  温度計
２１  絞り圧延装置
２２  帯鋼加熱急冷装置
22ａ  帯鋼加熱装置
22ｂ  帯鋼急冷装置
２３  管体予熱装置
２４  母管加熱炉
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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