专利名称：厚壁无缝钢管的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种厚壁无缝钢管的制造方法。进一步详细而言，本发明涉及一种以厚壁钢管为对象，制造韧性优良的无缝钢管的方法。在本发明中，所述的“厚壁无缝钢管”是指与外径无关而壁厚超过30mm的无缝钢管。
背景技术：
无缝钢管被应用于原油、天然气等的油井、气井(以下，将上述油井、气井统称而只称为“油井”)的挖掘、上述原油、天然气的输送等。近年来，随着更深海的油田的开发，对于被用作输送管的无缝钢管的性能要求变得严格，并且厚壁的无缝钢管的需求增加。一般而言，如果无缝钢管变为厚壁，则不仅难以获得高强度，而且也难以确保韧性。[无缝钢管的制造方法]对于无缝钢管而言，例如能够利用曼内斯曼方式进行制造。该方式由以下步骤构成(1)利用穿孔轧机(穿孔机(piercer))，穿孔轧制钢坯，而制造管坯(以下称为 “空心毛坯管”。)；(2)利用延伸轧机(例如芯棒式无缝管轧机)，延伸轧制空心毛坯管；(3)利用定径轧机(例如定径机(sizer))，将被延伸轧制的空心毛坯管定径轧制，而获得钢管；(4)利用热处理(例如进行淬火工序，之后进行回火工序)，确保钢管的强度和韧性。[现有技术]一般而言，已知对钢材实施调质热处理时，晶粒会微细化，韧性会提高。因而，为了确保厚壁无缝钢管的强度和韧性，上述(4)的热处理变得特别重要。在调质热处理中，一般而言，使用通过利用燃烧器加热炉内的气氛来加热被热处理材料的气氛温度控制式加热炉。但是，对壁厚较厚的钢管(以下称为厚壁钢管)实施利用气氛温度控制式加热炉而进行的调质热处理时，有些情况下未能获得所期待程度的晶粒的微细化，而钢管的韧性会降低。另一方面，作为以确保韧性为目的而利用感应加热对钢管实施热处理的技术，公开有以下的技术方案。在专利文献1中，提出了如下的钢管的热处理方法，即，通过将在加热钢片的状态下轧制成形了的钢管利用感应加热从500°C以下的温度加热至Ac3点 1000°C的温度范围而进行淬火，之后，在450°C Ac1A的温度范围内进行回火，由此，使钢管的低温韧性变得优良。此外，在专利文献2中，提出了如下的钢管的热处理方法，S卩，通过将在加热钢片的状态下轧制成形了的钢管感应加热至850°C 1050°C，并将该钢管从奥氏体状态开始以IOO0C /s以上的冷却速度水冷而进行淬火，由此，使钢管的韧性变得优良。在上述专利文献1和专利文献2中，虽然提出了在淬火中使用感应加热的方案，但没有公开感应加热的频率、加热速度，而且也不是以厚壁无缝钢管为对象的技术方案。因而，即使在厚壁无缝钢管的热处理中应用在专利文献1和专利文献2中所提出的热处理方法，也无法充分地确保所获得的钢管的韧性。在专利文献3中，提出了如下的方法，S卩，在外周和内周由不同的金属构成的复合 (clad)钢管的热处理中，利用感应加热将钢管的外周侧和内周侧加热至不同的温度，该感应加热使用了配置于钢管外周且用于加热外周侧的金属的线圈和插入到钢管内部且用于加热内周侧的金属的线圈。在专利文献3中所公开的感应加热的频率为1000Hz 3000Hz。在专利文献4中，提出了 ERW钢管的焊缝部的在线热处理中的加热方法。该加热方法由以下步骤构成(1)利用频率为700Hz 3000Hz的感应加热加热至600°C 700°C ；(2)接着，利用频率为700Hz 800Hz的感应加热加热至700°C 750°C ；(3)最后，利用频率为700Hz 3000Hz的感应加热加热至900°C 1050°C。通过使用上述(1) (3)的感应加热，会在将焊缝部的内周侧保持在低温的状态下将外周侧加热至规定的温度，并且会减少投入的能量。在专利文献5中，提出了如下方法，即，在ERW钢管的制造过程中，在固相压接焊缝部时，利用频率不足IOOkHz的感应加热加热钢管整体，之后，利用频率为IOOkHz以上的感应加热加热钢管的接合部。在上述专利文献3 专利文献5中，公开了利用感应加热加热钢管的方法，并且使用频率为700Hz IOOkHz的高频的感应加热。此外，专利文献3 专利文献5都是以加热钢管的表面或从表面加热至规定的深度为目的，即使在厚壁无缝钢管的热处理中应用上述的方法，因为钢管的晶粒没有微细化，所以也无法充分地确保所获得的钢管的韧性。在先技术文献专利文献专利文献1 日本特开平8-104922号公报专利文献2 日本特开2007-154289号公报专利文献3 日本特开昭64-28328号公报专利文献4 日本特开昭60-116725号公报专利文献5 日本特开平10-24320号公报
发明内容
发明要解决的问题如上所述，近年来，厚壁无缝钢管的需求增加，并且对厚壁无缝钢管的性能要求变得严格。另一方面，在以往的热处理方法中，无法确保满足厚壁无缝钢管的性能要求的韧性。本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种特别以厚壁钢管为对象、且具有稳定的韧性的无缝钢管的制造方法。用于解决问题的方案如上所述，对厚壁无缝钢管实施利用气氛温度控制式加热炉而进行的调质热处理时，存在所获得的钢管的韧性降低的问题。在调查上述问题的原因时，明确了以下事实(1)在辐射加热厚壁钢管的情况下，由于从外表面向内表面的热传导需要时间，因此，在加热速度上产生极限；(2)因为厚壁钢管的热容量较大，所以将厚壁钢管作为被热处理材料插入热处理炉中时，炉温会下降很多。因为从上述状态开始加热钢管，所以加热速度变得极其慢。根据上述(1)和(2)，即使对厚壁无缝钢管实施以往的利用气氛温度控制式加热炉而进行的调质热处理，因为既需要加热时间，钢管的晶粒径又没有微细化，所以所获得的厚壁无缝钢管的韧性也会降低。因此，作为即使是厚壁钢管也能够对其均勻地进行高速加热的方法，对使用了感应加热的热处理进行了研究。其结果，明确了如下事实，即，为了均勻地高速加热壁厚超过 30mm的钢管，需要使感应加热的频率变得相当小。具体而言，需要使其为200Hz以下的频率。接着，对需要进行高速加热的温度范围进行了调查，其结果，明确了如下事实，即， 在750°C以上的温度范围内高速地进行加热时，会有效地使晶粒微细化。因而，优选利用通常的气氛温度控制式加热炉加热至600°C 750°C，之后，利用感应加热实施高速加热。由此，能够发挥抑制钢管加热时能量的投入量，同时在获得的厚壁无缝钢管中有效地使晶粒微细化的效果。而且，还明确了如下事实，S卩，通过在气氛温度控制式加热炉中加热后，切换为感应加热而进行高速加热，能够发挥针扎效应，并能够防止钢管的晶粒的粗大化。这是因为通过在通常的气氛温度控制式加热炉中在回火区域温度内进行加热，由于回火效应，合金碳化物会微细地析出。在调质热处理之前、热轧制之后的处理也较为重要。即，在热加工之后立即将钢管水冷，或在热加工之后以规定的温度进行均热，之后，将钢管水冷。由此，钢管成为马氏体主体的金相组织或贝氏体主体的金相组织。对该钢管实施热处理时，能够使钢管的晶粒进一步微细化。在由淬火和回火构成的调质热处理中，明确了如下事实，即，通过在淬火和回火之间添加淬火，所获得的钢管的韧性会提高。这是因为通过利用感应加热对钢管重复实施淬火，钢管的晶粒会进一步变得微细。基于以上的见解完成本发明，并将下述的(1)至(8)所示的无缝钢管的制造方法作为要点(1) 一种厚壁无缝钢管的制造方法，其特征在于，在对经过了利用热加工而进行的制管工序的、壁厚超过30mm的钢管实施淬火、回火的热处理时，依次进行下述(a)的淬火工序和(b)的回火工序(a)淬火工序，在加热阶段的、至少750°C以上的温度范围内，使用频率为200Hz以下的感应加热作为加热手段，将钢管加热至900°C以上1000°C以下的温度，之后，将钢管水冷而进行淬火；(b)回火工序，在500°C以上750°C以下的温度范围内将钢管回火。(2) 一种厚壁无缝钢管的制造方法，其特征在于，在对经过了利用热加工而进行的制管工序的、壁厚超过30mm的钢管实施淬火、回火的热处理时，依次进行下述(a)的淬火工序和(b)的回火工序(a)淬火工序，在加热阶段的、至少750°C以上的温度范围内，使用频率为200Hz 以下的感应加热作为加热手段，将钢管加热至900°C以上1000°C以下的温度，并进一步在 900°C以上1000°C以下的温度范围内对钢管实施10分钟以下的均热处理，之后，将钢管水冷而进行淬火；(b)回火工序，在500°C以上750°C以下的温度范围内将钢管回火。(3)根据⑴或⑵所述的厚壁无缝钢管的制造方法，其特征在于，在实施上述淬火工序的加热时，使用气氛温度控制式加热炉将钢管从常温加热至600°C以上750°C以下的温度。(4)根据⑵或(3)所述的厚壁无缝钢管的制造方法，其特征在于，在气氛温度控制式加热炉中进行上述均热处理。(5)根据(1) (4)中任一项所述的厚壁无缝钢管的制造方法，其特征在于，被实施了用于进行上述淬火的加热的无缝钢管是在利用热加工进行制管之后，从Ar3点以上的温度开始进行水冷而得的钢管。(6)根据(1) (4)中任一项所述的厚壁无缝钢管的制造方法，其特征在于，用于进行上述淬火而被实施加热的无缝钢管是在利用热加工进行制管之后，进一步在900°C以上1000°C以下的温度内进行均热，之后，进行水冷而得的钢管。(7)根据(1) (6)中任一项所述的厚壁无缝钢管的制造方法，其特征在于，在上述淬火工序和回火工序之间，添加(1) (4)中任一项所述的淬火工序。(8)根据(1) (7)中任一项所述的厚壁无缝钢管的制造方法，其特征在于，在实施上述感应加热时，使用线圈长度比被感应加热钢管的长度长的感应加热装置，从而在加热中使无缝钢管不沿长度方向移动地感应加热无缝钢管。发明的效果根据本发明的厚壁无缝钢管的制造方法，通过在淬火工序中利用频率为200Hz以下的感应加热加热钢管，会发挥下述的显著效果(1)能够均勻地高速加热壁厚较厚的钢管；(2)能够使钢管的晶粒变得微细；(3)在所获得的厚壁无缝钢管中，能够确保较高的韧性。
具体实施例方式以下，对本发明的厚壁无缝钢管的制造方法进行说明。作为本发明的对象的厚壁无缝钢管能够通过由钢坯而得到钢管的制管工序以及对钢管实施热处理的淬火工序和回火工序来制造。在本发明的厚壁无缝钢管的制造方法中，对制管方法没有特别限定，能够利用上述的曼内斯曼方式，通过进行穿孔轧制、延伸轧制以及定径轧制来获得钢管。在本发明的厚壁无缝钢管的制造方法中，需要对由制管得到的钢管实施依次进行淬火工序和回火工序的热处理。以下，对作为本发明的特征的淬火工序和回火工序进行详细说明。1.淬火工序
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在本发明的厚壁无缝钢管的制造方法的淬火工序中，需要在加热阶段的、至少 750°C以上的温度范围内，使用频率为200Hz以下的感应加热作为加热手段，将钢管加热至 900°C以上1000°C以下的温度，之后，将钢管水冷而进行淬火。对于感应加热所使用的频率而言，为了均勻地高速加热至钢管的内表面，需要使其为低频。感应加热的频率的上限为200Hz，更优选为IOOHz以下，进一步优选为60Hz以下。在本发明中，利用上述感应加热进行加热阶段的、至少750°C以上的温度范围内的加热。也可以从常温开始就采用感应加热。重点在于要在750°C以上到淬火温度或淬火温度的附近温度为止的温度范围内高速地进行加热。因而，对于从常温到750°C以下的温度范围而言，可以使用感应加热，也可以使用利用现有型的气氛温度控制式加热炉而进行的加热。这是因为在Ac1相变点以下的温度下，即使增大加热速度，晶粒细粒化的效果也较小。需要利用感应加热将钢管加热至900°C以上1000°C以下的温度。通过将钢管加热至900°C以上，钢管组织会变为奥氏体单相，晶粒的微细化会变得显著。但是，加热温度超过 1000°C时，晶粒会粗大化，因此，将感应加热的加热温度设为900°C以上1000°C以下。在本发明的优选方式中，在加热阶段的、至少750°C以上的温度范围内，使用感应加热作为加热手段，而对于低温范围的加热，使用气氛温度控制式加热炉。在该情况下，在 7500C以下的温度下结束利用气氛温度控制式加热炉而进行的加热，并切换为利用感应加热而进行的加热。虽然也与生产线的结构存在关系，但是，通常在将钢管从气氛温度控制式加热炉移动至感应加热设备的过程中，钢管的温度会降低，因此，在上述情况下，开始感应加热时的钢管的温度变为比在气氛温度控制式加热炉中钢管达到的温度低的温度。例如， 存在如下情况，即，钢管被气氛温度控制式加热炉加热至710°C，在钢管移动至感应加热炉的期间内温度降低，而使感应加热的开始温度变为680°C。在本实施方式中，优选在气氛温度控制式加热炉中将钢管加热至600°C以上 750°C以下的温度。在该情况下，例如将上述的钢管移动的期间内降低的温度设为40°C，则在感应加热开始时钢管的温度变为560°C以上710V以下。在本发明的制造方法中，对于感应加热的加热时间而言，没有特别限定，但优选为 5分钟以下，更优选为3分钟以下，进一步优选为1分钟以下。这是因为加热时间越短，越能够谋求晶粒的微细化。在本发明的制造方法中，对于感应加热的加热速度而言，没有特别限定，但越快越好。对于在从750°C加热至900°C的期间内的平均加热速度而言，优选为50°C /分钟以上， 更优选为100°C /分钟以上，进一步优选为200°C /分钟以上。虽然在本发明的制造方法中没有特别限定，但优选在感应加热时旋转钢管。由此， 能够更均勻地加热钢管。在本发明所规定的淬火工序中，在利用感应加热进行了加热之后，需要通过水冷而进行淬火。因为需要急速地进行冷却，所以需要利用可以同时快速且遍及钢管全长地冷却钢管的内表面和外表面的装置进行冷却。对设备规格没有限制，例如能够采用通过旋转钢管的同时、一边使高速水喷射流在内表面流动一边将外表面浸在水槽中而进行喷淋冷却的设备装置。2.回火工序
在本发明的制造方法中，在淬火工序之后设有回火工序，在500°C以上750°C以下的温度范围内将钢管回火。通过进行回火工序，能够调整钢管的强度，并且能够提高韧性。在本发明中，对回火时的加热条件没有特别地限制，可以将钢管加热至为Ac1点以下的 5000C以上750°C以下的温度来进行回火。根据本发明的制造方法，通过依次进行上述的淬火工序和回火工序，能够在淬火工序中均勻地高速加热厚壁钢管，并且能够在回火工序中谋求钢管强度的调整。由此，能够使钢管的晶粒变得微细，从而能够在所获得的厚壁无缝钢管中确保优良的韧性。3.淬火工序的实施方式在本发明的制造方法的淬火工序中，为了进一步提高所获得的钢管的韧性，能够应用以下的(1) (5)的实施方式。(1)感应加热之后的均热在本发明的制造方法的淬火工序中，优选利用感应加热将钢管加热至900°C以上 IOOO0C以下的温度，并进一步在900°C以上1000°C以下的温度范围内对钢管实施10分钟以下的均热处理，之后，将钢管水冷。这是因为虽然如上所述通过在刚感应加热之后进行水冷，能够获得高韧性的钢管，但是，通过在感应加热之后进行均热并在均热之后进行水冷， 能够获得高韧性、并且性能偏差较小的钢管。在本发明的制造方法中，在实施均热处理的情况下，能够在900°C以上1000°C以下的温度范围内进行均热处理。优选使均热处理的温度与感应加热的温度相同。此外，能够将均热处理的时间设为10分钟以下而进行均热处理。这是因为如果超过10分钟，会产生晶粒的粗大化而使钢管的韧性降低。(2)利用气氛温度控制式加热炉而进行的加热(2)-1.在淬火之前利用气氛温度控制式加热炉而进行的加热在本发明的制造方法中，优选在实施淬火工序的加热时，在从常温至600°C以上 750°C以下温度的温度范围内在气氛温度控制式加热炉中进行加热，之后，切换为感应加热，加热至900°C 1000°C。为了使晶粒变得微细，重要的是尽量加快加热速度，但是，即使在相变点以下的温度内增大加热速度，微细化的效果也较小。因而，如果在相变点以下的温度范围内利用气氛温度控制式加热炉进行加热，则能够减少加热时投入的能量，从而能够抑制能量的成本。如上所述，在淬火阶段的加热中并用利用气氛温度控制式加热炉而进行的加热的情况下，优选在从常温至600°C以上750°C以下的温度范围内使用利用气氛温度控制式加热炉而进行的加热。这是因为如果使利用气氛温度控制式加热炉而进行的加热停留在未满 600°C的温度，则成本削减的效果会变小，如果超过750°C，则开始相变，所以由热处理引起的晶粒的微细化的效果会显著地变小。此外，通过在从常温至600°C以上750°C以下温度的温度范围内在气氛温度控制式加热炉中进行加热，由此，相变点以下的加热会速度变小。在钢含有Ti、Nb等碳化物形成元素的情况下，由于相变点以下的加热速度变小，钢所含有的碳化物会微细地析出。其结果，在相变为奥氏体之后，能够利用针扎效应谋求抑制晶粒的粗大化。虽然在本发明的制造方法中没有特别限定，但作为利用气氛温度控制式加热炉而进行的加热的适宜条件，例如如果为加热至600°C的情况，优选在550°C 600°C的温度范围内加热300秒以上。此外，同样地如果为加热至650°C的情况，优选在600°C 650°C的温度范围内加热28秒以上。(2)-2.利用气氛温度控制式加热炉而进行的均热在本发明的制造方法中，优选在气氛温度控制式加热炉中进行上述(1)的感应加热之后的均热处理。这是因为通过在均热处理中使用气氛温度控制式加热炉，与在均热处理中使用感应加热装置的情况相比，能够抑制能量的投入量。(3)制管后的水冷在本发明的制造方法中，优选进行淬火的无缝钢管是在利用热加工进行制管之后，从Ar3点以上的温度开始进行水冷而得的钢管。这是因为通过将制管后的钢管从Ar3点以上的温度开始淬火，钢管组织会变为马氏体主体、贝氏体主体。在对该钢管实施淬火工序和回火工序时，无缝钢管的晶粒会进一步变得微细。在本发明的制造方法中，优选被实施了用于进行淬火的加热的无缝钢管是在利用热加工进行制管之后，进一步在900°C以上1000°C以下的温度下进行均热，之后，进行水冷而得的钢管。这是因为，通过在制管后将无缝钢管在该温度范围内均热，之后，将无缝钢管水冷而将其淬火，由此，在对该钢管实施上述1.中规定的淬火工序和上述2.中规定的回火工序时，能够使晶粒进一步变得微细，并且能够减小性能的偏差。(4)淬火工序的添加在本发明的制造方法中，优选在淬火工序和回火工序之间添加使用了感应加热的淬火工序。这是因为通过对所获得钢管重复实施淬火并进行回火，晶粒会进一步变得微细， 从而可以获得优良的韧性。(5)感应加热装置对于感应加热装置而言，大多采用一边使钢管在较短的线圈中沿长度方向移动一边加热钢管的方式。然而，在本发明的制造方法中，优选在实施感应加热时，使用线圈长度比被感应加热钢管的长度长的感应加热装置，而在加热中使无缝钢管不沿长度方向移动地感应加热无缝钢管。这是因为如果在本发明中使用应用了比被热处理钢管短的线圈的感应加热装置，则在此之后的冷却中无法获得充分的冷却速度，因此无法在钢管中确保充分的韧性。实施例为了确认本发明的厚壁无缝钢管的制造方法的效果，进行了下述试验。(实施例1)[利用感应加热而进行的淬火的评价试验]根据本发明的厚壁无缝钢管的制造方法，对厚壁无缝钢管实施淬火和回火，并由所获得的厚壁无缝钢管制作成试验片。通过测量该试验片的韧性来验证使用了感应加热的淬火的效果。[试验方法]本发明例和比较例都将由钢A或钢B形成的壁厚为40mm的无缝钢管在模型轧机 (model mill)中进行制管，并得到了钢管。在模型轧机精加工温度为1050°C的温度下进行制管。表1是表示供进行试验的钢A和钢B的化学组成。[表 1]
表权利要求
1.一种厚壁无缝钢管的制造方法，其特征在于，在对经过了利用热加工而进行的制管工序的、壁厚超过30mm的钢管实施淬火、回火的热处理时，依次进行下述(a)的淬火工序和(b)的回火工序(a)淬火工序，在加热阶段的、至少750°C以上的温度范围内，使用频率为200Hz以下的感应加热作为加热手段，将钢管加热至900°C以上1000°C以下的温度，之后，将钢管水冷而进行淬火；(b)回火工序，在500°C以上750°C以下的温度范围内将钢管回火。
2.—种厚壁无缝钢管的制造方法，其特征在于，在对经过了利用热加工而进行的制管工序的、壁厚超过30mm的钢管实施淬火、回火的热处理时，依次进行下述(a)的淬火工序和(b)的回火工序(a)淬火工序，在加热阶段的、至少750°C以上的温度范围内，使用频率为200Hz以下的感应加热作为加热手段，将钢管加热至900°C以上1000°C以下的温度，并进一步在900°C以上1000°C以下的温度范围内对钢管实施10分钟以下的均热处理，之后，将钢管水冷而进行淬火；(b)回火工序，在500°C以上750°C以下的温度范围内将钢管回火。
3.根据权利要求1或2所述的厚壁无缝钢管的制造方法，其特征在于，在实施上述淬火工序的加热时，使用气氛温度控制式加热炉将钢管从常温加热至 6000C以上750°C以下的温度。
4.根据权利要求2或3所述的厚壁无缝钢管的制造方法，其特征在于， 在气氛温度控制式加热炉中进行上述均热处理。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的厚壁无缝钢管的制造方法，其特征在于， 被实施了用于进行上述淬火的加热的无缝钢管是在利用热加工进行制管之后，从Ar3点以上的温度开始进行水冷而得的钢管。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的厚壁无缝钢管的制造方法，其特征在于，被实施了用于进行上述淬火的加热的无缝钢管是在利用热加工进行制管之后，进一步在900°C以上1000°C以下的温度内进行均热，之后，进行水冷而得的钢管。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的厚壁无缝钢管的制造方法，其特征在于， 在上述淬火工序和回火工序之间，添加权利要求1至4中任一项所述的淬火工序。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的厚壁无缝钢管的制造方法，其特征在于，在实施上述感应加热时，使用线圈长度比被感应加热钢管的长度长的感应加热装置， 从而在加热中使无缝钢管不沿长度方向移动地感应加热无缝钢管。
全文摘要
本发明提供一种厚壁无缝钢管的制造方法。在对经过了利用热加工而进行的制管工序的、壁厚超过30mm的钢管实施淬火、回火的热处理时，在加热阶段的、至少750℃以上的温度范围内，依次进行下述工序(a)淬火工序，使用频率为200Hz以下的感应加热作为加热手段，将钢管加热至900℃以上1000℃以下的温度，之后，将钢管水冷而进行淬火；(b)回火工序，在500℃以上750℃以下的温度范围内将钢管回火，由此，在淬火时能够均匀地进行高速加热，而能够谋求晶粒的微细化，从而能够获得韧性优良的厚壁无缝钢管。此外，优选在(a)的淬火工序中，在利用感应加热进行加热之后，进一步在900℃以上1000℃以下的温度范围内对钢管实施10分钟以下的均热处理，之后，将钢管水冷而进行淬火。
文档编号C21D1/18GK102482727SQ20108003718
公开日2012年5月30日 申请日期2010年8月20日 优先权日2009年8月21日
发明者荒井勇次, 近藤邦夫 申请人:住友金属工业株式会社