(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記(1)から(6)までの工程を順次連続して実施することを特徴とする継目無鋼管の製造方法。
(1)横断面が円形のビレットを連続鋳造法によって製造する工程、
(2)上記のビレットをAr1変態点以下の温度に一旦冷却してから、穿孔圧延が可能な温度に再加熱し均熱する工程、
(3)均熱したビレットを200／秒以下の歪速度で穿孔圧延して中空素管を製造する工程、
(4)上記中空素管を連続延伸圧延機と仕上げ圧延機とが近接して配置された圧延機群によって0.01／秒以上の平均歪速度および40％以上の加工度で、かつ仕上がり温度を800〜1050℃として圧延し、継目無鋼管を製造する工程、
(5)上記の継目無鋼管を80℃／分以上の冷却速度でAr3変態点以下の温度に冷却する工程、
(6)上記の冷却した継目無鋼管を850〜1000℃で10秒〜30分再加熱した後、焼入れし、次いで焼戻しする工程。
【請求項２】
下記(A)から(H)までの機器、炉または装置が順次連続して配置され、一つの製造ラインを構成していることを特徴とする継目無鋼管の製造設備。
(A)横断面が円形のビレットを鋳造する連続鋳造機、
(B)鋳造されたビレットを均熱するビレット加熱炉、
(C)均熱されたビレットを穿孔圧延して中空素管にする傾斜ロール穿孔圧延機、
(D)中空素管を延伸圧延する連続延伸圧延機、
(E)延伸圧延で得られた継目無鋼管を定径圧延する仕上げ圧延機、
(H)継目無鋼管冷却装置、
(F)定径圧延で得られた継目無鋼管を加熱、保温または徐冷する補熱炉、
(G)焼入れおよび焼戻しを行う熱処理装置。
【請求項３】
前記(D)の連続延伸圧延機と(E)の仕上げ圧延機との間隔が延伸圧延された中空素管の長さよりも短いことを特徴とする請求項２に記載の継目無鋼管の製造設備。
【請求項４】
前記(B)のビレット加熱炉と(C)の傾斜ロール穿孔圧延機との間に、ビレット補助加熱手段が設けられていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の継目無鋼管の製造設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、継目無鋼管の製造技術に属するもので、強度、靱性および耐食性に優れた継目無鋼管を製造する方法、および継目無鋼管を製造する設備に関する。
【０００２】
本発明の設備は、本発明方法を実施するのに好適なものであるとともに、これを用いて様々な継目無鋼管の製造方法を実施することができる汎用性の高いものである。
【０００３】
【従来の技術】
大きな設備と多量のエネルギー消費を特徴とする鉄鋼産業においては、工程簡素化（省プロセス）およびエネルギーの節減（省エネルギー）を目的に、工程の連続化、いわゆるオンライン化が検討されている。すでに、鋼板（薄板、厚板）の製造においては、従来、製板ラインとは別のラインに設けた設備で行っていた熱処理（焼入れ、焼戻し等の熱処理）はかなり減少し、オンラインでの加工熱処理が広く採用されている。
【０００４】
これに対して、継目無鋼管の製造分野においては、製品の信頼性および高品質化の要求が厳しいことから、未だに大部分の製品が製管ラインとは別のラインに設けた熱処理装置、例えば、焼入れ用の加熱炉や冷却装置および焼戻し炉、を用いてオフラインで焼入れ、焼戻し等の熱処理を行っているのが実状である。このような製造方法では、当然のことながらエネルギー節減は難しい。
【０００５】
さらに、各工程が独立していると、工程間での処理速度の違いから、例えば、穿孔圧延用素材であるビレットを保管するビレットヤードや、熱処理前の継目無鋼管を一時保管しておく場所等が必要になり、従来の製造設備列（工場レイアウト）では、かなり広いスペースを確保しなければならない。のみならず、各々の工程間では素材を搬送する必要があり、コンベア、クレーン、トラック等の搬送設備と積おろしの工数が多く必要になって、それらに伴う製造コストの増加が避けられない。
【０００６】
近年に至って、継目無鋼管の製造分野においても熱間加工後の素材が保有する熱を利用して直ちに焼入れを行う、いわゆる直接焼入れプロセスを導入する動きがある。その方法によれば、焼入れ炉が不要となって、相当のコストダウンができる。
【０００７】
例えば、特開昭 56-166324号公報、同 58-120720号公報、同 58-224116号公報、同 59-020423号公報、同 60-033312号公報、同 60-075523号公報、同 62-151523号公報等に見られるように、継目無鋼管の製造過程において熱間加工後直ちに強制冷却し、直接焼入れするプロセスが提案され、一部は実用化されている。しかし、これ等の直接焼入れプロセスを経て製造された製品の結晶粒径は、オフラインで焼入れ、焼戻し処理して製造された製品と比較すると、一般的に粗大であり、製品鋼管は靱性や耐食性が劣るという欠点がある。
【０００８】
前記のように、鋼板製造の分野では熱間圧延後の鋼板を直接（オンラインで）熱処理する技術が種々提案されている。例えば、特開昭 62-139815号公報、同 63-223125号公報、同 64-055335号公報には、末再結晶域で加工を行い、さらに再結晶させるプロセスによって微細な結晶粒を得た後、直接焼入れ、焼戻しする方法が提案されている。これ等の方法は、いずれも末再結晶温度域、すなわち比較的低温での大圧下加工が必要な方法であって、鋼板の圧延とは異なり複雑な塑性変形を伴う鋼管の圧延には適用が困難である。例えば、連続延伸圧延機であるマンドレルミルによる圧延工程を末再結晶温度域である1000℃以下で実施した場合には、通常、ミルの圧延能力を超えて圧延不能となり、仮に圧延できたとしても表面疵等の欠陥が多発し、さらにはマンドレルバーの引き抜きが困難になると言った鋼板の圧延には無い問題が発生する。
【０００９】
継目無鋼管の製造プロセスに関しては、特開昭 61-238917号公報に製管後の再結晶を利用して結晶粒の微細化を図る方法が提案されている。しかし、この方法では、熱間加工条件が特定されておらず、実際のミルラインにおいて実施した場合にはかえって粗粒化が促進されるおそれがある。
【００１０】
結晶粒を微細化する技術として、冷却と再加熱を組み合わせて、オーステナイトからフェライトへの変態とフェライトからオーステナイトへの逆変態の合計２回以上の変態を行わせることによって細粒化を図る技術が知られている (例えば、特開昭56-3626 号公報、同63-11621号公報、同58-91123号公報、同58-104120 号公報、参照) 。さらに、圧延途中および圧延後の２回、再加熱することによって結晶粒を微細化する方法 (特開昭58-117832 号公報) も提案されている。しかしながら、特開昭56-3626 号公報や同63-11621号公報の発明のように、仕上げ圧延の前段で変態処理を行うと、最終圧延が余り低い温度では実施できないことから、再加熱温度をかなり高温に設定せざるを得ず、結晶粒が粗大になるという問題がある。また、特開昭58-91123号公報、同58-104120 号公報および特開平4-358023号公報の発明では、仕上げ加工後に変態、逆変態の処理を実施するとしているが、仕上げ圧延の条件を特定していないので変態と逆変態による結晶粒の微細化が有効に利用できない。さらに、特開昭58-117832 号公報に開示されているように、再加熱処理を２回実施すると確かに微細結晶粒が得られるが、この場合、設備費用、熱処理費用が嵩みオフラインの焼入れ焼戻し処理よりコストが増加してしまう。
【００１１】
装置の連続化という面では、種々の機器、装置を直結して省エネルギー、省スペースを図ることが提案されている。例えば、特開昭63-157705 号公報には、連続鋳造機で横断面が円形のビレット (以下、「丸ビレット」という) を製造し、この丸ビレットを、分塊圧延もしくは鍛造プロセスを経ずして、穿孔、延伸圧延をする継目無鋼管の製造方法が提案されている。また「鉄と鋼」第71年(1985)第８号、965-971 頁には、連続延伸圧延機であるマンドレルミルと仕上げ圧延機であるエキストラクティングサイザーとを直結した設備列が開示されている。
【００１２】
しかし、特開昭63-157705 号公報に提案される方法では、加熱炉装入前の丸ビレットの温度条件および傾斜ロール穿孔圧延機であるピアサーでの穿孔圧延条件が特定されていない。また「鉄と鋼」に開示された設備列は、マンドレルミルで圧延された管からのマンドレルバーの抜き取りをサイザーによって行うこと、および単に焼入れ温度を確保すること、を目的として両圧延機を直結したに過ぎない。即ち、オンライン処理によって微細結晶粒組織を有する継目無鋼管を高効率に製造する方法、およびその方法を実施するのに適した各製造装置を有機的に配置した設備は存在せず、かつ、ほとんど検討されていないのが実情である。
【００１３】
傾斜ロール穿孔圧延法による熱間での継目無鋼管の代表的な製造プロセスは、丸ビレットを、マンネスマンピアサーに代表される傾斜ロール穿孔圧延機で穿孔圧延して中空素管となし、この中空素管をプラグミル、マンドレルミル等の延伸圧延機およびサイザー、ストレッチレデューサー等の仕上げ圧延機によって延伸・定径圧延するプロセスである。この従来プロセスにおける素材の鋳込みから最終製品の完成までの工程は、
1) 穿孔素材であるビレットの製造工程、
2) 熱間での穿孔圧延と延伸、定径圧延工程、
3) 調質処理、すなわち熱処理工程、
の３工程に大別できる。通常、上記1)〜3)の各工程はそれぞれ分離独立した工程となっている。このうち、上記2)と3)の工程については、前述したように、連続化して、いわゆるオンラインで実施する動きがあり、直接焼入れプロセスはその代表的なものである。
【００１４】
しかし、単純な直接焼入れ方式の加工熱処理と、従来のオフラインでの調質処理 (焼入れ、焼戻し処理) を比較すると、前者では結晶粒が粗大になる傾向がある。また、直接焼入れプロセスで製造した継目無鋼管の機械的性質は、その軸長方向および円周方向、または製造ロツト間の温度の変動に起因する強度のバラツキが大きく、均質な継目無鋼管を安定して大量生産するのは困難である。
【００１５】
本発明者等は、特願平６−255088号およびＰＣＴ／ＪＰ９５／０２１５５において、熱間加工の条件を特定し、さらに製管後の再結晶処理によって微細化をはかる継目無鋼管製造技術を提案した。この技術は、オンライン化された設備による製造方法でありながら、オフラインで熱処理を実施した鋼管と同等以上の性能の鋼管製品を得る画期的な技術であるが、さらに高強度、高靭性の継目無鋼管の要求に対して、十分には対応できないことがある。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の第１の目的は、従来のオフラインでの調質処理方法によって製造された製品と同等以上の性能を有する継目無鋼管を、連続したオンライン方式で製造する方法の提供にある。
【００１７】
本発明の第２の目的は、前記 1) から3)までの工程で使用する各機器装置を一つのライン (設備列) に配置して設備全体をコンパクトにし、省スペース、省エネルギーを可能にすることで製造コストを削減できるだけでなく、製品に要求される特性に応じて、様々な加工熱処理を行うことが可能な継目無鋼管の製造設備を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下記(1) の継目無鋼管の製造方法および(2) の製造装置を要旨とする。
【００１９】
(1)  下記(1)から(6)までの工程を順次連続して実施することを特徴とする継目無鋼管の製造方法。
【００２０】
(1)横断面が円形のビレットを連続鋳造法によって製造する工程、
(2)上記のビレットをAr1変態点以下の温度に一旦冷却してから、穿孔圧延が可能な温度に再加熱し均熱する工程、
(3)均熱したビレットを200／秒以下の歪速度で穿孔圧延して中空素管を製造する工程、
(4)上記中空素管を連続延伸圧延機と仕上げ圧延機とが近接して配置された圧延機群によって0.01／秒以上の平均歪速度および40％以上の加工度で、かつ仕上がり温度を800〜1050℃として圧延し、継目無鋼管を製造する工程、
(5)上記の継目無鋼管を80℃／分以上の冷却速度でAr3変態点以下の温度に冷却する工程、
(6)上記の冷却した継目無鋼管を850〜1000℃で10秒〜30分再加熱した後、焼入れし、次いで焼戻しする工程。
【００２１】
なお、上記(4)の平均歪速度とは、下記(a)式で表されるＶεである。
【００２２】
Ｖε=（Ｍε+ Ｓε）／Ｍｔ・・・・・・・・・・・・・・・(a)
ただし、Ｍε：連続延伸圧延機での加工歪
Ｓε：仕上げ圧延機での加工歪
Ｍｔ：中空素管先端が連続延伸圧延機に噛み込んでから仕上げ圧延機を出るまでの所要時間 (秒)
(2)  下記(A)から(H)までの機器、炉または装置が順次連続して配置され、一つの製造ラインを構成していることを特徴とする継目無鋼管の製造設備。
【００２３】
(A)横断面が円形のビレットを鋳造する連続鋳造機、
(B)鋳造されたビレットを均熱するビレット加熱炉、
(C)均熱されたビレットを穿孔圧延して中空素管にする傾斜ロール穿孔圧延機、
(D)中空素管を延伸圧延する連続延伸圧延機、
(E)延伸圧延で得られた継目無鋼管を定径圧延する仕上げ圧延機、
(H)継目無鋼管冷却装置、
(F)定径圧延で得られた継目無鋼管を加熱、保温または徐冷する補熱炉、
(G)焼入れおよび焼戻しを行う熱処理装置。
【００２４】
上記(2)の装置の望ましい態様として下記(3)〜(4)がある。
【００２５】
(3)  (D)の連続延伸圧延機と (E)の仕上げ圧延機との間隔が延伸圧延された中空素管 (鋼管) の長さよりも短い上記 (2)の継目無鋼管の製造設備。
【００２７】
(4)  (B)のビレット加熱炉と (C)の傾斜ロール穿孔圧延機との間に、ビレット補助加熱手段が設けられている上記(2)または(3)の継目無鋼管の製造設備。
【００２８】
さらに、これらの設備において、前記(A) の連続鋳造機と(B) のビレット加熱炉との間に、加熱炉に装入する前のビレットを Ar1変態点以下にする対策が講じられていることが望ましい。そのような設備は、前記(1) の本発明方法を実施するのに特に好適である。
【００２９】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の設備について説明し、つづいて本発明の方法について述べる。
【００３０】
I.本発明の継目無鋼管製造設備について
図１は、本発明の継目無鋼管製造設備を示す概念図である。この設備は、前記(A) から(G) までの機器、炉等からなる。以下、これらについて順次説明する。
【００３１】
(A)連続鋳造機：
図１において、連続鋳造機１は横断面が円形の鋳型を有するもので、所定内径を有する鋳型に適宜変更することにより、製管段取りに応じた種々の外径の丸ビレットを連続的に鋳造することができる。鋳片は、凝固したままで横断面が円形の丸ビレットであるから、横断面が矩形の鋳片を丸ビレットに成形加工する場合に必要な分塊圧延あるいは鍛造の工程は不必要である。なお、連続鋳造機１は、鋳造ビレットの鋳造組織等の改質を図る目的で、これに軽圧下加工を加えるロールスタンドを有するものであってもよい。
【００３２】
鋳片（丸ビレット）は、その中心部の凝固がほほ完了するか、もしくは完全に完了してから所定長さに切断する。
【００３３】
(B)ビレット加熱炉：
ビレット加熱炉３は、連続鋳造機１を出た後、傾斜ロール穿孔圧延機５で穿孔される前の丸ビレットの温度を調整するためのものである。鋳造ままの丸ビレットは、搬送路２を経由して加熱炉に装入される。省エネルギーという点からは、連続鋳造機を出たビレットをできるだけ高温で加熱炉３に入れるのが望ましい。
【００３４】
しかし、後述するように、ビレットを一旦 Ar1変態点以下に冷却してから均熱加熱すると結晶粒が微細になり、次工程の穿孔圧延機によって過酷な加工を加えても疵の発生を抑えることができる。このような、冷却処理を行うために、搬送中に所定温度まで冷却できるような対策、例えば、搬送路２の延長、搬送路２上への冷却装置の設置等、を講じておくのが望ましい。
【００３５】
ビレット加熱炉３では、ビレットの保有熱を十分に活用して、加熱のためのエネルギーを節約しつつ、ビレットを穿孔圧延に適する温度に加熱する。
【００３６】
ビレット加熱炉としては、横搬送型のウォーキングビーム炉や回転炉床型のいわゆるロータリー炉を用いるのがよい。また、加熱炉へのビレット装入充填率を高めて高能率なビレット加熱を行うには、後述の傾斜ロール圧延機での穿孔圧延対象のビレット長さの複数倍の長さの長尺状態で装入するのがよく、この場合にはビレット加熱炉３と傾斜ロール圧延機５との間の搬送路４中にガス切断機、ホットソー等の切断機４ａを設け、所定の長さに切断したビレットを傾斜ロール圧延機に供給すればよい。また、搬送や切断作業中のビレットの温度低下に備えて、切断機の後段に、例えばトンネル型誘導加熱炉等の補助加熱手段４ｂを設けておくのが望ましい。
【００３７】
(C)傾斜ロール圧延機：
加熱炉３を出た丸ビレットは、傾斜ロール圧延機５で穿孔圧延される。通常、分塊圧延あるいは鍛造を経て製造された丸ビレットに比べて、鋳造のままの丸ビレットは熱間加工性に劣り、傾斜ロール穿孔圧延機での穿孔圧延時に欠陥が発生しやすい。しかし、前記の加熱前に一旦 Ar1変態点以下の温度域へ冷却し、ビレット加熱炉で再加熱する操作によって結晶粒を微細化しておくこと、および後述する穿孔圧延時の歪速度を適正に設定すること等によりこの欠陥発生は防止できる。
【００３８】
傾斜ロール圧延機としてはどのようなタイプのものでも使用できるが、薄肉または／および高拡管率の穿孔が可能な交叉型の傾斜ロール穿孔圧廷機を用いるのが望ましい。この型の穿孔圧延機によれば、同じ外径のビレットから、種々のサイズの中空素管を製造することができるから、ビレットの外径サイズを統合集約することができる。
【００３９】
(D)連続延伸圧延機：
連続延伸圧延機７は、傾斜ロール穿孔圧延機５で穿孔圧延された後の中空素管を延伸圧延する複数のロールスタンドからなる圧延機であって、代表的なのはマンドレルミルと呼ばれるものである。
【００４０】
マンドレルミルとしては、マンドレルバーの後端を拘束すると共に、延伸圧延終了後に孔型ロール列中を通してマンドレルバーをミル入側に引き戻して循環使用することができるマンドレルバー拘束手段 (バーリテーナー) を有するタイプであればどのようなものでもよいが、前記マンドレルバー拘束手段が中空素管の延伸圧延中に管の圧延移動速度とは独立した速度でマンドレルバーの移動速度を制御できる機能を備えるマンドレルミルを用いるのが望ましい。
【００４１】
前記の傾斜ロール圧延機５での穿孔圧延によって得られた中空素管は、横送り形式、またはローラーコンベアー等の縦送り形式の搬送路６を介して搬送され、連続延伸圧延機７の入側テーブル上でその内部に後端がバーリテーナーで拘束保持されるマンドレルバーを挿入してから、マンドレルミル７で延伸圧延される。
【００４２】
(E)仕上げ圧延機：
仕上げ圧延機８は、複数のロールスタンドからなるサイザーまたはストレッチレデューサーと呼ばれるものである。ここでは、連続延伸圧延７で延伸圧延された中空素管を定径圧延するためのものである。
【００４３】
連続延伸圧延機７と仕上げ圧延機８とは、連続延伸圧延機７で延伸圧延された中空素管の長さよりも短い間隔で、近接して同一ライン上に直列に配置されていることが望ましい。即ち、連続延伸圧延機７で圧延された素管の後端部が未だその圧延機の幾つかのロールスタンドで圧延されているうちに、先端部が仕上げ圧延機８のロールスタンドに噛み込まれて圧延されるように、両圧延機が配置されているのが望ましい。そうすることによって、中空素管の温度低下が抑制できるとともに、加工歪みの蓄積を大きくすることが可能となり、その後に施す熱処理による製品鋼管の結晶粒微細化、靱性、耐食性等の向上等の多くの効果が得られる。
【００４４】
仕上げ圧延機であるサイザーまたはストレッチレデューサーとしては、内面規制工具を有しないものであればどのようなタイプのものでもよい。ただし、連続延伸圧延機で圧延された管内のマンドレルバーから管を引き出して分離する機能を備える、いわゆるエクストラクティング型のサイザーまたはストレッチレデューサーを用いるのが望ましい。
【００４５】
上記の連続延伸圧延機７と仕上げ圧延機８とからなる装置をまとめて圧延機群Ｍと記す。
【００４６】
(H)継目無鋼管冷却装置：
圧延機群Ｍの後段には、冷却装置９を設置する。例えば、後述するように、この冷却装置で仕上げ圧延機８で圧延された鋼管を冷却し、一旦Ar3変態点温度以下、好ましくはAr1変態点温度以下に冷却して変態させておき、補熱炉10で再度Ac3変態点温度以上に再加熱して逆変態させた後、直接焼入れを実施すると、直接焼入れプロセスでありながら極めて微細な結晶粒が得られ、オフラインの焼入れを実施した場合と同等以上の性能の鋼管が得られる。
【００４７】
(F)補熱炉：
補熱炉10は、圧延終了後の鋼管に所定の性質を持たせるための熱処理に使用するもので、この炉が圧延機等と同じライン内に設けられていることも本発明設備の大きな特徴の一つである。
【００４８】
後述する本発明方法の(6)の工程では、この補熱炉10を焼入れ処理の前の再加熱炉として使用する。再加熱によって、焼入れ温度を調整するだけでなく、管の軸長方向や円周方向の温度ムラ、および同一ロットの中での各鋼管の焼入れ温度の変化を小さくし、１本の鋼管内での部位による特性のバラツキ、および同一ロットの複数の製品鋼管の中での熱処理条件の変化による特性のバラツキを抑制できる。その外にも、圧延後の鋼管の徐冷、保温等、種々の目的に使用できる。即ち、この補熱炉10を設けることによって、鋼管に要求される様々な特性に応じた多様な熱処理をオンラインで行うことが可能になる。
【００４９】
(G)焼入れ・焼戻し装置：
焼入れ装置11は、圧延終了後の鋼管をそのまま、または再加熱してから、急冷する装置である。一般には水冷装置を使用する。なお、肉厚の厚い鋼管に対しても十分な冷却速度での焼入れを行うには、管の内外面を同時に冷却することが可能な構造の冷却手段、例えば、内部にはジェット水流を通し、外部はラミナー水流で冷却するような冷却装置、を用いて冷却するのが望ましい。
【００５０】
焼戻し炉12は、焼入れ装置と同じライン上の後段に設ける。この炉は通常の加熱炉でよい。なお、焼戻し後の鋼管の曲がり取りのために、矯正機13を設けることが推奨される。その他、管端の切りそろえのための切断機等、図示しない付属機器をオンラインで設けてもよい。
【００５１】
上述のとおり、本発明の設備は、ビレットの鋳造から穿孔、圧延および熱処理まで、継目無鋼管製造の全てのプロセスをオンラインで実施できる設備である。
【００５２】
設備自体がコンパクトにまとまって、工場敷地の節約、いわゆる省スペースができるだけでなく、各工程間の素材の移送の合理化と省エネルギーの効果も大きい。
【００５３】
次に、この設備を用いて実施できる機械的性質および耐食性等の性能に優れた継目無鋼管の製造方法、即ち、前記(1) の本発明方法を説明する。
【００５４】
II.本発明の製造方法について
以下、本発明の製造方法について、各工程ごとに説明する。
【００５５】
(1)  丸ビレットの製造工程：
丸ビレットは、種々の内径の円形横断面形状の鋳型を有する前記の連続鋳造機１を用いて連続鋳造法によって製造する。この丸ビレットは、製管段取りに応じた外径、長さのものとし、通常の分塊圧延や鍛造工程を経ずに、後述の穿孔工程に付される。
【００５６】
(2)  ビレットの冷却−再加熱工程：
連続鋳造法によって得られた丸ビレットは、要すれば所定の長さに切断して、Ar1変態点以下の温度、好ましくはAr1変態点以下で室温よりも高い温度、に一旦冷却してから、次のビレット加熱炉３に装入する。このような冷却を行う理由は次のとおりである。
【００５７】
傾斜ロール穿孔圧延機５（以下、「ピアサー」という）に供するビレットは、その中心部の凝固が完了しておればよい。従って、ビレットの加熱炉への装入前の温度が高ければ高いほど、加熱エネルギーの節約ができる。しかし、本発明方法では、ピアサーで過酷な加工、例えば、薄肉穿孔圧延または／および高拡管率穿孔圧延、を行うことを重視し、その加工に際して材料の加工性を高めるべく、ビレットを細粒化しておくために、敢えてビレットを一旦冷却することとした。
【００５８】
ビレットを細粒化するには、オーステナイトからフェライトへの変態終了温度である Ar1変態点以下に一旦冷却し、再加熱する処理が必要である。なお、この処理は、一旦オーステナイトからフェライトへの変態を起こさせることにあるから、 Ar1変態点以下といっても無闇に低温まで冷却する必要はない。次の再加熱時の省エネルギーのためには、 Ar1変態点で室温よりもできるだけ高い温度域、例えば、400 ℃から Ar1変態点までの範囲、に冷却するのが好ましい。
【００５９】
上記の処理を行うためには、連続鋳造機で鋳造した丸ビレットの凝固完了後、加熱炉に装入するまでに、ビレットの温度が Ar1変態点以下（且つ室温よりも高い温度）になるような設備上の配慮が必要である。それは、ビレットを連続鋳造機から加熱炉へ装入するまでの搬送路（図１に示す搬送路２）を、ビレットが自然冷却で Ar1変態点以下まで冷却するに十分な長さとするか、あるいは搬送路に水冷装置のような強制冷却装置を設けることによって実現できる。
【００６０】
ビレットの再加熱は、後段のピアサーで熱間穿孔圧延ができる温度にビレットを均熱する条件であればよい。その最適温度は材質によって異なり、穿孔圧延対象材質の高温延性と高温強度を考慮して決定すればよい。一般的には、1100〜1300℃の間に加熱する。
【００６１】
なお、ビレットの再加熱の後に切断機４ａでビレットを所定の長さに切断する等の作業中に、ビレットの温度が低下する場合には、前述の補助加熱手段４ｂでビレットの補助加熱を行ってもよい。
【００６２】
(3)  穿孔圧延工程：
一般に、鋳造のままで粗粒組織の丸ビレットを穿孔圧延すると、その際の過酷な加工によって被穿孔材（中空素管） に疵が発生する。本発明方法では、前記(2)および(3)の工程によって細粒化したビレットを用いること、および歪速度が200／秒以下という条件で穿孔圧延を行うことによって疵の発生なしに穿孔圧延ができる。歪速度は200／秒以下であればよく、特にその下限を定める必要はないが0.1／秒未満になると、圧延材とプラグ、ガイドシユー等の工具との接触時間が長くなって、工具の昇温が著しくなり、その寿命が短くなるので0.1／秒以上とするのが望ましい。
【００６３】
前記のように、ピアサーとしては交叉型の傾斜ロール穿孔圧廷機を用いるのが望ましい。なお、熱間加工性の劣る材質のビレットを穿孔圧延する場合には、できるだけ高温で穿孔するのがよく、ピアサーの直前の位置に前述のトンネル型の誘導加熱装置のような適当な補助加熱手段４ｂを設けて、加熱してから穿孔圧延を行うのが望ましい。
【００６４】
(4)  延伸、定径圧延工程：
この工程は、複数のロールスタンドからなる連続延伸圧延機（マンドレルミル）と、それと同様に複数ロールスタンドからなる仕上げ圧延機（サイザーまたはストレッチレデューサー）とにより、連続して行われる。この加工は、前工程のピアサーによる加工に比べると、ピアサーでの素材の温度低下があるので、比較的低温域での加工となるが、加工熱処理の効果を得るのに十分な加工を付与することが重要である。
【００６５】
本発明方法では、連続延伸圧延機７と仕上げ圧延機８とが離れて独立に配置された圧延機ではなく、図１に示したように、両者が近接して一体直結型に配置された圧延機群Ｍを用いる。具体的には、連続延伸圧延機７で延伸圧延された管の長さよりも短い間隔をおいて仕上げ圧延機８が同一ライン上に直列に配置された圧延機群Ｍを使用する。これによって連続延伸圧延機（以下「マンドレルミル」という）で付与された加工歪みが回復する前に、直ちに仕上げ圧延機であるサイザーまたはストレッチレデューサーで更なる加工を加えることができ、その後の熱処理での変態−逆変態による結晶粒の微細化が実現できる。
【００６６】
同じパススケジユールで製管する場合でも、連続延伸圧延機と仕上げ圧延機とが前記の間隔より大きな距離を隔てて独立に配置されている装置を用いた場合と、本発明の圧延機群Ｍを用いた場合とでは、変態−逆変態処理後の結晶粒径に差がある。即ち、上記のように両圧延機を近接させて配置した設備を用いた場合の方が、製品鋼管はより微細粒となる。
【００６７】
圧延機群Ｍによる圧延加工の際には前記 (a)式で定義される平均歪速度（Ｖε）を0.01／秒以上とする。これより遅いと、各々のパス間で再結晶が起きて歪の蓄積が行われず、後の工程での変態−逆変態処理後の結晶粒微細化効果が十分に得られない。
【００６８】
圧延機群Ｍによる加工度は、断面減少率換算で 40 ％以上とする。40％未満では変態−逆変態処理後の結晶粒微細化効果が小さくなる。さらに、仕上げ圧延機での管の仕上がり温度も重要で、その温度が 800〜1050℃である場合に、その後の変態−逆変態処理後の結晶粒微細化効果が著しく大きい。
【００６９】
なお、平均歪速度および加工度は、それぞれ0.01／秒以上および 40 ％以上であればよく、その上限を特に定める必要はない。しかし、平均歪速度については10／秒を超えると、マンドレルミルの内面規制工具であるマンドレルバー等の工具寿命が低下するので、10／秒以下とするのが望ましく、また、加工度については 95 ％を超えると疵の発生が見られるので、95％以下とするのが望ましい。
【００７０】
(5)  冷却処理工程：
本発明方法は、マンドレルミルと仕上げ圧延機（以下、「サイザー」という）とによる延伸、定径圧延後、サイザーと直接焼入れ装置との間で変態−逆変態の熱処理を施すのが大きな特徴の一つである。この処理によって、マンドレルミルとサイザーとによる加工と冷却−再加熱の組み合わせで結晶粒の微細化が効果的に行われて、オフラインで焼入れ−焼戻し処理を施した鋼管に匹敵する特性の鋼管が得られる。この冷却処理は、図１に示した冷却装置９を用いて行えばよい。
【００７１】
この冷却処理での冷却速度が小さいと、変態して生成したフェライトが粗大化するので、冷却速度は 80 ℃／分以上としなければならない。冷却停止温度は、変態と逆変態処理を用いた結晶粒微細化の効果を得るためには、 Ar3変態点以下の温度にする必要があるが、その効果を最大限に得るためには、 Ar1変態点以下の温度に冷却するのが望ましい。室温まで冷却してもかまわないが、その後の再加熱のエネルギーコストを考えると、なるべく高温 (例えば、500 ℃程度) で冷却を止めるのが望ましい。
【００７２】
(6)  再加熱処理工程：
再加熱は、仕上げ圧延終了後に一旦冷却してオーステナイト→フェライトの変態を起こさせた鋼管を、再度Ar3変態点以上の温度域に加熱保持し、フェライト→オーステナイトの逆変態を起こさせること、および鋼管を十分加熱して焼入れ温度を確保するとともに均熱して焼入れ−焼戻し後の製品特性のバラツキを抑制すること、を目的とする処理である。この再加熱は、図１に示した補熱炉10で行う。
【００７３】
再加熱温度が 850℃より低い場合、また、保持時間が10秒より短い場合には、逆変態が十分でなく、他方、温度が1000℃を超えたり、保持時間が30分を超えると結晶粒が成長して組織が粗粒化する。よって、その温度を 850〜1000℃、保持時間を10秒〜30分と定めた。
【００７４】
焼入れは、十分な強度と靱性を得るため Ar3変態点以上の温度から行うことが必要である。本発明方法では、上記の 850〜1000℃の温度からの急冷によって焼入れを行う。なお、肉厚の厚い鋼管であっても十分な冷却速度での焼入れを行うには、前述のような内外面同時冷却が可能な構造の冷却手段を用いて冷却するのが望ましい。
【００７５】
焼戻しは、焼入れ装置と同じライン上の後段に設けた焼戻し炉によって行う。
【００７６】
この焼戻しも、最終製品の性能を決定する重要なプロセスであって、得ようとする性能に応じて適正な焼戻し温度を定め、その温度で十分に均熱してから実施することが必要である。焼戻しの際の温度バラツキは大きくても±10℃とし、好ましくは±５℃とすることが肝要である。これによって、耐力(YS)、引張強さ(TS)のバラツキを目標強度の±5kgf/mm2の範囲内に抑えることができる。
【００７７】
焼戻しまでの処理が終わった鋼管は、曲がり取りの矯正、管端の切り落とし、その他通常の付随的な処理を経て、製品として出荷される。
【００７８】
【実施例】
〔実験例１〕
表１に示す化学組成の鋼Ａおよび鋼Ｂを横断面が内径 90mm の鋳型を持つ連続鋳造機で鋳込み、凝固後直ちに、900 ℃ (即ち Ar1変態点よりも高温) で1250℃の加熱炉に装入して１時間保持したビレット、および、一旦、550 ℃または420 ℃に冷却してから同じ1250℃の加熱炉に装入して１時間保持したビレットを用いて、実験用ピアサーにて歪速度を種々変化させて穿孔試験を実施した。その結果を表２に示す。
【００７９】
表２に示す結果から明らかなように、凝固の直後に Ar1変態点よりも高温(900℃) で加熱炉に入れて加熱したビレットでは、ピアサーで穿孔圧延した時、歪速度 100／秒ですでに疵が発生している。一方、 Ar1変態点以下の温度域に一旦冷却して再加熱したビレットでも、その穿孔時の歪速度が 200／秒以下であるものは疵のない良好な中空素管になっているが、歪速度が 250／秒以上となると疵が発生している。
【００８０】
上記の結果から、ビレットを加熱する前に一旦 Ar1変態点以下に冷却することにより、歪速度が 200／秒以下の範囲であれば、より過酷な穿孔圧延でも疵のない中空素管を得ることが可能になることが明らかである。
【００８１】
【表１】
0003855300.tif 000002
【００８２】
【表２】
0003855300.tif 000003
【００８３】
〔実験例２〕
表１に示した鋼Ａ、Ｂを横断面の内径が 90mm の鋳型を持つ連続鋳造機で鋳込み、凝固後、一旦 Ar1変態点以下の温度に冷却してから  炉温を1250℃に設定した加熱炉に装入して１時間保持し、その後プレス加工を行い、製管工程の条件を表３に示すように様々に変えた試験を行った。得られた鋼管の強度、旧オーステナイト結晶粒径、および靱性（vTrs）を調べた結果を表４に示す。なお、強度は鋼種によって焼戻し温度を変え、鋼種ごとにほぼー定の値になるように揃えた。
【００８４】
表３の試番33と34は、従来のマンドレルミルとサイザーとが離れて配置されている圧延機を用いて圧延し、熱処理はオフラインでの再加熱−焼入れ−焼戻しの通常の調質熱処理としたものである。
【００８５】
表４の試験結果から次のことが明らかである。即ち、鋼種Ａ、Ｂごとに従来の製造方法で得たもの（いわゆるＱＴ材）に相当する試番33、34と較べると、本発明例（試番１〜20）では、いずれも結晶粒径が小さく、従来のＱＴ材以上の靱性が得られている。これに対し、マンドレルミルおよびサイザーでの加工条件が不適切な試番21、22、27および28、ならびに圧延後の冷却または再加熱の条件が不適切な試番23〜26および29〜32では、変態と逆変態処理による結晶粒微細化の効果が小さく、靱性が劣っている。
【００８６】
【表３】
0003855300.tif 000004
【００８７】
【表４】
0003855300.tif 000005
【００８８】
【発明の効果】
本発明方法によれば、ビレットの鋳造から製管および熱処理までの工程を一貫してオンラインで実施し、しかも従来のオフライン方式で製造したものと同等以上の性能を有する鋼管を製造することができる。この方法は、本発明の設備を用いて低コストで実施することができる。
【００８９】
本発明の設備は、必要な全ての機器、炉等がオンラインで無駄なくコンパクトにまとめられたもので、工場敷地の有効利用や工程簡素化の利点が大きいだけでなく、熱処理条件の変更にも対応でき、多様化する製品特性への要求に応えるこが可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明設備の機器、炉等の配列を示す図である。
【符号の説明】
１…連続鋳造機、          ２…搬送路、
３…ビレット加熱炉、      ４…搬送路、
４ａ…ビレット切断機、  ４ｂ…補助加熱装置、
５…傾斜ロール圧延機、    ６…搬送路、
７…連続延伸圧延機、      ８…仕上げ圧延機、
Ｍ…圧延機群、            ９…冷却装置、
10…補熱炉、              11…焼入れ装置、
12…焼戻し装置、          13…矯正機
【図１】
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