JP3033446B2 - 継目無鋼管素材の偏心凝固連続鋳造方法及び継目無鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、炭素鋼、低合金鋼、高
合金鋼及びステンレス鋼等より継目無鋼管素材として最
適の丸ビレットを得るための偏心凝固連続鋳造方法及び
その鋳片を素材とした内面疵のない継目無鋼管の製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】継目無鋼管の製造方法の一つとして、丸
断面の連続鋳造鋳片をマンネスマン・マンドレルミル方
式やマンネスマン・プラグミル方式等の穿孔機を使って
製造する方法が行なわれている。これらのマンネスマン
方式による継目無鋼管の製造方法は、加熱炉で所定の圧
延温度に加熱した素材(丸ビレット)を穿孔機で穿孔圧延
した後、その中空素管をマンドレルミルやプラグミル等
の延伸圧延機で拡管して肉厚を減じた後、ストレッチレ
デューサやサイザ等の絞り圧延機で外径を絞り製品鋼管
に仕上げるのである。

【０００３】継目無鋼管は、使用する素材の内質部が管
の内表面となるため、素材の外表面のみならず内質部で
の健全性が要求される。

【０００４】ところで、連続鋳造された鋳片は、鋳造時
の最終凝固位置に相当する鋳片の横断面（引抜き方向に
対し直角方向の断面）中心部に、軸方向に不連続の内部
空隙（センターポロシティ）が存在する。この内部空隙
が穿孔圧延時に十分に圧着されないで、管内面に露出し
て管内面疵となる場合がある。

【０００５】また、内部空隙を圧着させようとして分塊
工程を経たものを丸ビレットとして使用した場合でも、
内部空隙が十分に圧着されないで、穿孔圧延時に管内面
疵となることがあり、完全には管内面疵の発生を防止で
きない。

【０００６】この内部空隙を排除するための対策とし
て、「内部品質に優れた連続鋳造鋳片の製造方法」（特
開平３−１２４３５２号公報）が提案されている。この
技術は、鋳片の厚さの２〜５倍の直径を有するロールを
用いて鋳片内部の未凝固部を圧下することにより、凝固
した鋳片に対する圧下に比べ弱い圧下力で内部空隙を低
減させるものであり、それなりの低減効果が期待でき
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前記特開平３−１２４
３５２号公報に開示された連続鋳造鋳片の製造方法は、
鋳片のサイズや温度によっては、圧下力の内部への浸透
が不十分で内部空隙を完全に圧着できない場合があり、
更に圧下力を増し大きな圧下を施すと凝固界面に割れが
生じ、いわゆる「内部割れ」が問題となる。

【０００８】また、丸ビレットの場合、圧下により真円
度を損なうことは避けられず、丸ビレット鋳片としての
本来のねらいであるネァーネット・シェイプ・キャステ
ィングの意義を失うことになる。

【０００９】本発明は、前記従来技術に見られる問題点
を解決し、穿孔圧延時に管内面疵が発生しない継目無鋼
管素材用連続鋳造鋳片の製造方法及び継目無鋼管の製造
方法を提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記目的
を達成するため、種々の実験・研究を重ねた。その結
果、連続鋳造鋳片内に存在する内部空隙の表面は、鋳造
時にほとんど酸化されないので、鋳片に十分な加工変形
を与えれば内部空隙は圧着し、管内面疵の発生原因を除
くことができる。

【００１１】また、マンネスマン方式の製管方法での穿
孔工程における加工変形は、分塊工程における加工変形
に比べて加工度が高く、鋳片内の内部空隙を圧着させる
のに十分である。

【００１２】以上の事柄から勘案して、管内面疵のない
高品質の継目無鋼管を作るには、鋳片中心から外れた位
置に内部空隙が存在する鋳片を素材に使用すればよいこ
とを見い出した。本発明は、この知見に基づいて完成さ
れたものである。

【００１３】

【００１４】すなわち、本発明は、継目無鋼管素材の丸
ビレットの連続鋳造において、鋳片が鋳型直下から長さ
3m以上15m以下の二次冷却帯で、鋳片周方向の半周と残
り半周の水量密度を違えて冷却し、鋳片の最終凝固位置
を鋳片中心より鋳片径の1%以上3%以下ずらせることを特
徴とする。

【００１５】本発明の継目無鋼管の製造方法は、鋳片の
最終凝固位置を鋳片中心より鋳片径の1%以上3%以下ずら
せた丸ビレットを、圧延温度に加熱し、丸ビレット中心
をセンターとして穿孔圧延し、中空素管を製造すること
を特徴とする。

【００１６】

【作用】一般に、連続鋳造鋳片の内部空隙は、溶鋼の流
動が低下した最終凝固段階において発生する。したがっ
て、この内部空隙は、鋳片周方向の冷却が均等であれ
ば、最終凝固段階の位置は鋳片の中心部（引抜き方向に
対し直角方向の横断面の中心部）に発生する。

【００１７】通常、鋳型を出た鋳片は、水スプレーによ
る二次冷却または放冷により冷却され、表面から熱が奪
われて凝固シェルを発達させながら順次凝固してゆく。
このようにして、溶鋼が凝固する際には、凝固潜熱に相
当する熱が凝固シェルを介して外部へ抜熱される。この
際、周囲からの冷却が均等であれば、単位時間当たりの
凝固シェルの発達は、全周にわたりほぼ同等であり、最
終凝固位置は鋳片横断面のほぼ中心となるのである。

【００１８】本発明は、連続鋳造鋳片の最終凝固位置に
発生する内部空隙を鋳片横断面の中心部からずらすこと
を目的に、二次冷却帯での冷却強度を周方向で違えて冷
却・凝固させることにある。

【００１９】すなわち、鋳型直下から完全凝固の間に、
鋳片の引抜き方向に二次冷却帯を設置し、鋳片の周方向
の二次冷却水量の分布を変えることにより、周方向の冷
却強度を変化させる。これにより冷却強度の大きな部分
の凝固シェルの成長速度が増大し優先的に発達する。そ
のため、鋳片の周囲から内部へ向けて凝固速度の異なる
凝固シェルが成長して最終凝固部が鋳片中心より偏寄
し、その結果内部空隙も鋳片中心から外れた位置に形成
されることになる。

【００２０】本発明において、二次冷却帯の長さを3m以
上15m以下とした理由について説明する。通常、鋳型を
出た鋳片が鋳型直下から完全凝固に至るまでの距離は通
常十数mから40m程度あり、二次冷却帯は鋳型直下に近い
上流側に設置することが望ましい。これは、凝固末期に
鋳片を冷却しても、凝固シェルの発達が大きく、凝固シ
ェルの熱抵抗が大きいため、拔熱が効果的に行なわれな
いためである。

【００２１】このような二次冷却帯が３ｍ未満で短い場
合には、二次冷却中に生じた凝固シェルの成長速度の差
が、冷却終了時点から完全凝固に至るまでの期間に均等
化され、最終凝固部の偏寄効果がなくなるためである。

【００２２】また、凝固末期に至るまでの余りに長い二
次冷却は、前記のように凝固シェルの大きな部分での効
果を期待できないこと、強冷却部と弱冷却部の温度差が
大きくなり、鋳片の熱変形を招くので、最大で１５ｍ程
度に留めることが望ましい。

【００２３】次に、丸ビレットの内部空隙の発生する位
置を鋳片中心から鋳片径の1%以上3%以下ずらせる理由に
ついて説明する。本発明が対象とする鋼管素材の穿孔圧
延においては、理論上丸ビレットの半径部分が穿孔圧延
後に得られる中空素管の肉厚となり、丸ビレットの中心
が素管の内表面となるので、内部空隙は丸ビレツトの中
心上に存在しない限り、中空素管の肉厚内にあって、穿
孔圧延時に圧着され、素管の内表面に現れないから、内
面疵が発生することはない。

【００２４】しかし、真円の中実丸ビレットを得ること
は工業的に事実上不可能であり、また穿孔圧延において
プラグ中心と中実丸ビレット中心を完全に一致させた状
態で圧延することも事実上不可能であることから、数多
くの実験を行ない、中実丸ビレットの横断面中心から、
その直径の１％以上、最終凝固位置をずらした場合に限
り、管内面疵が発生しないか、あるいは著しく低減する
という事実を見出した。

【００２５】前記のごとく、丸ビレットの最終凝固位置
を鋳片直径の1%以上ずらせることにより、内部空隙の全
部あるいはその大部分が中心上には存在しないようにし
た中実丸ビレットを使用して、穿孔圧延時に内部空隙の
全部あるいはその大部分が管内表面に露出しないように
したものである。この内部空隙の全部あるいはその大部
分は、マンドレルミルやプラグミル等による穿孔圧延時
に管内表面に露出することなく圧着される。また、鋳片
の最終凝固位置が鋳片直径の3%を超えると、内面疵の低
減効果が飽和するばかりでなく、不均一冷却が大きくな
って曲がり発生などの問題が懸念される。

【００２６】前記したように、鋳片の内部空隙は最終凝
固位置に発生し、一般的に横断面の径方向に空隙で分布
する。そして、最終凝固位置の中心には、粗大かつ連続
的な空隙が存在しており、径方向の外側になるにつれて
空隙は小さく、かつ散発的に存在するようになってく
る。したがって、最終凝固位置を鋳片中心より鋳片径の
1%以上3%以下ずらせることにより、穿孔圧延時に前記粗
大な空隙が管内表面に露出するのを防止することができ
る。

【００２７】

【実施例】図１に示す丸ビレット製造用の湾曲型連続鋳
造機により、鋳造鋼種として内部空隙が問題となりやす
い５％Ｃｒ鋼を使って直径１９０ｍｍの丸ビレットを連
続鋳造した。ここで、取鍋１からタンディッシュ２を経
て鋳型３に注入された溶鋼は、鋳型３を出て二次冷却帯
４で二次冷却して凝固が進み、ピンチロール１３により
引き出される。この際、鋳型直下から二次冷却されるこ
とにより鋳片５の凝固シェル６は次第に成長しながら引
き出されピンチロール１３を出た後完全に凝固が終了す
る。

【００２８】前記二次冷却帯４は、鋳型直下より１７ｍ
の位置まで設けた。この二次冷却帯４におけるスプレー
７はミストスプレーとし、図１（Ｂ）に示すように、鋳
片５を取り囲んで１２個のノズルを円周配置したリング
状からなり、鋳造方向に５００ｍｍ間隔で３０個のスプ
レー７を配設した。各スプレー７は、上面側と下面側で
それぞれ１／３周範囲で、スプレー水量とエアー量共に
変更可能に設けた。

【００２９】この実施例においては、前記二次冷却帯４
の鋳型直下より２ｍ位置までの範囲は、上下の全スプレ
ーのスプレー水量とエアー量を同じにして全周均等冷却
とした。その理由は、鋳型直下の凝固シェルの薄い部分
で不均一に冷却すると、鋳片周方向に引張り応力が生
じ、凝固シェルの破断を招く恐れがあるからである。

【００３０】前記鋳型直下より２ｍ位置までの範囲の冷
却は、水量密度６００ ｌ／ｍ²・ｍｉｎ、気水比３０
で行なった。このように、鋳型直下より２ｍ位置までの
範囲を比較的強く全周均等冷却することにより、以降の
強弱不均等冷却において凝固シェルの破断を生じないよ
うに、凝固シェル厚と温度低下による凝固シェル強度を
確保した。なお、前記鋳型直下の均等冷却長さは、鋳片
の断面大きさにより多少変化させることができる。

【００３１】前記鋳型直下の均等冷却後の２ｍ〜１７ｍ
位置までの範囲では、鋳片周方向の上半部と下半部の水
量密度を違えて冷却した。この場合、下半部の水量密度
は２０ ｌ／ｍ²・ｍｉｎ、気水比は４０で一定とし、
上半部の水量密度は７０ ｌ／ｍ²・ｍｉｎ、１２０
ｌ／ｍ²・ｍｉｎ、及び１７０ ｌ／ｍ²・ｍｉｎの３種
類に変更し、かつ気水比はいずれも４０とした。また、
同時に冷却の不均等スプレー帯の長さを２〜１７ｍの範
囲で変更し、その影響を調べた。

【００３２】なお、前記実施例と同時に、比較例とし
て全周の水量密度を均一にし均等冷却して鋳片を製造し
た。この場合、鋳型直下より２ｍ位置までの冷却は前記
本発明の実施例と同一のスプレー条件で均等冷却し、鋳
型直下の均等冷却後の２ｍ〜１７ｍ位置までの範囲で
は、上半部と下半部の水量密度に差を付けることなく、
全周を水量密度７０ ｌ／ｍ²・ｍｉｎ、気水比４０の
条件で均等冷却を施した。また、比較例として、比較
例と同じ条件で、更に凝固末期にピンチロールを利用
して鋳片の圧下を実施した。この際の圧下量は１０ｍｍ
とした。

【００３３】前記実施例において、上半部の水量密度を
１２０ ｌ／ｍ²・ｍｉｎ、下半部の水量密度を２０
ｌ／ｍ²・ｍｉｎ、不均等スプレー帯の長さを４ｍとし
た実施例と比較例、による鋳片横断面でみた内部空
隙の発生状況を図２に示す。本発明の実施例と比較例
の内部空隙１２は同等の大きさであるが、その発生位置
は比較例では鋳片中心であるに対し、本願発明の実施
例は鋳片の下半部側へ２．８ｍｍ外れた位置にある。比
較例では、内部空隙１２は圧下により小さくはなって
いるが、完全には消滅しておらず、その上内部割れが見
られた。また、圧下により上下の圧下位置で円弧面が平
坦化しており、断面が真円ではなくなっている。

【００３４】前記本発明の実施例において、不均等スプ
レー帯の長さと冷気水の水量密度を変化させたときの鋳
片横断面で見た内部空隙の発生位置の鋳片中心からのず
れ（偏心率と称す）を図３に示す。図中の○印付き曲線
は上半部の水量密度７０ ｌ／ｍ²・ｍｉｎ、下半部の
水量密度２０ ｌ／ｍ²・ｍｉｎの場合、□印付き曲線
は上半部水量密度を１２０ ｌ／ｍ²・ｍｉｎ、下半部
の水量密度２０ ｌ／ｍ²・ｍｉｎの場合、△印付き曲
線は上半部水量密度を１７０ ｌ／ｍ²・ｍｉｎ、下半
部の水量密度２０ ｌ／ｍ²・ｍｉｎの場合である。こ
の結果、水量密度とスプレー帯の長さを変化させること
により、内部空隙の発生位置の偏心率を１％以上とする
ことが可能であり、下半部の水量密度に対する上半部水
量密度の比が大きいほど偏心率が高いことがわかる。ま
た、上半部水量密度の高低にかかわらず不均等スプレー
帯長さが約１０ｍを超えると偏心率効果は飽和する。し
たがって、不均等スプレー帯長さを必要以上に長くする
ことは、鋳片に温度差を与えるだけで好ましくない。

【００３５】前記により作られたビレットを加熱炉で１
２００℃に加熱した後、穿孔機により穿孔圧延し、外径
６３ｍｍ、肉厚５ｍｍの中空素管を製造した。その製管
加工状態を図４に示す。図面において、８は上下に傾斜
配置された２個対をなす鼓型ロールで、この上下ロール
とその上下ロール間に配置したプラグ９とにより、スパ
イラル状に回転前進する中実丸ビレット１０を穿孔圧延
して中空素管１１に仕上げる。このとき、中実丸ビレッ
ト１０の中心から外方へずれて存在する内部空隙１２
は、中空素管１１の内表面に露出することなく、管の肉
厚内にあって圧延時の圧下により圧着し空隙は排除され
る。

【００３６】得られた中空素管について、超音波探傷装
置を用い管肉厚中間部の割れ及び管内面疵を調べた。そ
の結果を、ビレットごとの疵発生総個数として図５に示
す。比較例の場合は、疵は３６個発生しており、また
圧下により内部空隙を減らした比較例の場合は、疵の
発生は比較例に比べ約４０％低減できるが、内部割れ
に起因する疵が見られた。一方、本発明の比較例として
あげた内部空隙の偏心率が０．８％の場合には疵軽減の
効果は見られず疵発生個数は比較例とほとんど変わり
ない。これに対し本発明の実施により内部空隙の偏心率
を１％以上とした場合（図には偏心率１．１％、２．８
％、６．５％の３例を示す）には、いずれも疵の発生は
ほとんど見られず、低減効果の著しいことがわかる。な
お、図からわかるように、偏心率２．８％と６．５％で
は疵の低減効果には差が見られず約３％程度で飽和して
いることがわかる。また、偏心率を大きくするため鋳造
時の不均一冷却を大きくすると鋳片のまがり発生などの
問題が懸念されるため、偏心率は１〜３％程度にとどめ
ることが望ましい。

【００３７】

【発明の効果】本発明により、連続鋳造鋳片の最終凝固
位置に発生する内部空隙を鋳片横断面の中心から鋳片径
の1%以上3%以下ずらすことにより、穿孔圧延時に管内面
疵が発生しない継目無鋼管素材用の連続鋳造鋳片を提供
することができる。また、鋳片の最終凝固位置を鋳片中
心より鋳片径の1%以上3%以下ずらせた丸ビレットを、圧
延温度に加熱し、丸ビレット中心をセンターとして穿孔
圧延し、中空素管を製造することにより、管内面疵のな
い継目無鋼管を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（Ａ）は本発明の実施例における丸ビレッ
ト製造用の湾曲型連続鋳造機の概要を示す説明図、図１
（Ｂ）はその二次冷却帯のスプレー装置の詳細を示す斜
視図である。

【図２】本発明の実施例と比較例により鋳造された鋳片
の内部空隙を比較して示す説明図である。

【図３】本発明の実施による不均等スプレー帯長さと内
部空隙の偏心率との関係を示すグラフである。

【図４】本発明の実施により偏心凝固連続鋳造した丸ビ
レットを穿孔圧延する際の加工状態を示す説明図であ
る。

【図５】本発明の実施例及び比較例により作られた中空
素管の疵発生状況を比較して示すグラフである。

【符号の説明】

１ 取鍋 ２ タンディッシュ ３ 鋳型 ４ 二次冷却帯 ５ 鋳片 ６ 凝固シェル ７ スプレー ８ 鼓型ロール ９ プラグ １０ 中実丸ビレット １１ 中空素管 １２ 内部空隙 １３ ピンチロール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 秋山 雅義 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金属工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−182347（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B22D 11/22 B22D 11/124

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 継目無鋼管素材の丸ビレットの連続鋳造
   において、鋳片を鋳型直下から長さ3m以上15m以下の二
   次冷却帯で、鋳片周方向の半周と残り半周の水量密度を
   違えて冷却し、鋳片の最終凝固位置を鋳片中心より鋳片
   径の1%以上3%以下ずらせることを特徴とする継目無鋼管
   素材の偏心凝固連続鋳造方法。
2. 【請求項２】 連続鋳造した丸ビレットからの継目無鋼
   管の製造方法において、鋳片の最終凝固位置を鋳片中心
   より鋳片径の1%以上3%以下ずらせた丸ビレットを、圧延
   温度に加熱し、丸ビレット中心をセンターとして穿孔圧
   延し、中空素管を製造することを特徴とする継目無鋼管
   の製造方法。