(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯鋼から成形されたオープン管の両エッジ部を二段階に誘導加熱する第１、第２のワークコイルおよびその下流で両エッジ部を衝合・圧接してシーム部を形成するスクイズロールを備えた鋼管の製造装置において、スクイズロールがシーム部に当接するよう配置され、さらに、スクイズロールと対向してシーム部を管内から押圧して平滑化する平滑化ロールを装着した内挿バーを管内に備え、該内挿バーに、第１、第２のワークコイルの少なくともいずれかのエッジ部加熱効率を高めるインピーダが装着されたことを特徴とする固相圧接鋼管の製造装置。
【請求項２】
前記平滑化ロールをスクイズロールと対向させる代わりに、スクイズロールの下流でシーム部温度が９００℃超にある位置に配置し、該平滑化ロールと対向して該平滑化ロールの押圧力による管径の変動を拘束する拘束ロールを管外にさらに備えた請求項１記載の固相圧接鋼管の製造装置。
【請求項３】
誘導加熱されつつあるエッジ部周辺の雰囲気を低酸素状態または還元性状態に保つ雰囲気保定機構をさらに備えた請求項１または２に記載の固相圧接鋼管の製造装置。
【請求項４】
雰囲気保定機構が、管外に前記エッジ部を囲むボックスを設けて該ボックスに低酸素ガスまたは還元性ガスを供給する、および／または前記内挿バーにガス供給路を設けて前記エッジ部周辺の管内に低酸素ガスまたは還元性ガスを供給するよう構成されてなる請求項３記載の固相圧接鋼管の製造装置。
【請求項５】
シーム部に当接する、スクイズロール、平滑化ロールおよび拘束ロールが、曲げ強度15kg/mm2以上、耐熱衝撃温度差 150℃以上の特性を有する素材からなる請求項１〜４のいずれかに記載の固相圧接鋼管の製造装置。
【請求項６】
前記素材が窒化ケイ素系、炭化ケイ素系、ジルコニア系、またはアルミナ系のセラミックスである請求項５に記載の固相圧接鋼管の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼管の製造装置に関し、とくに、オープン管の両エッジ部を固相圧接適正温度域で衝合接合して管に成形するのに好適な、固相圧接鋼管の製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶接鋼管は、鋼板または鋼帯（帯鋼）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法によりつくられているが、主な製造法として、電気抵抗溶接（電縫）、鍛接、電弧溶接によるものが挙げられる。
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、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後、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）。
【０００３】
上記した高周波誘導加熱を利用した電縫管の製造方法では、オープン管の両エッジ部端面を鋼の融点以上に加熱するため、電磁力の影響により溶鋼が流動し、生成された酸化物が衝合溶接部に噛み込まれペネトレータ等の溶接欠陥あるいは、溶鋼飛散（フラッシュ）が発生しやすいという問題があった。
この問題に対し、例えば、特開平2-299782号公報には、２つの加熱装置を有する電縫鋼管の製造法が提案されている。すなわち、第１の加熱装置でオープン管の両エッジ部の温度をキュリー点以上に加熱し、第２の加熱装置で更に融点以上に加熱し、すぐ下流に設けたスクイズロールで両エッジ部を衝合溶接して鋼管を製造する。また、特開平2-299783号公報には、第１の加熱装置で周波数45〜250kHzの電流を流し、両側エッジ部を予熱し、第２の加熱装置で更に融点以上に加熱し、スクイズロールで両エッジ部を衝合溶接して鋼管を製造する電縫管製造装置が提案されている。
【０００４】
しかしながら、これらの電縫管製造技術では、エッジ部を均一に加熱することは示唆しているものの、両エッジ部を鋼の融点以上に加熱するため、衝合溶接時に、溶融した鋼が管の内外面に排出されビード（余盛）が形成される。そのため、衝合溶接後に管内外面の溶接ビードの除去が必要であり、ほとんどがビード切削用バイトにより切削されて除去されている。
【０００５】
このようなことから、この方法では、
▲１▼ビード切削用バイトの切削量の調整で、材料と時間のロスが発生する。
▲２▼ビード切削用バイトは消耗品であるため、造管速度によって異なるが、3000〜4000ｍのビード切削長毎にバイトを交換する必要があり、そのため、１時間程度ごとに３〜５分間のバイト交換のためのラインの停止を余儀なくされる。
【０００６】
▲３▼特に造管速度が100m／min を超える高速造管では、ビード切削用バイトの寿命が短く、交換頻度が高い。
など、ビード切削がネックとなり、高速造管ができないため生産性が低いという問題があった。
一方、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、連続的に供給した帯鋼を加熱炉で1300℃程度に加熱した後、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付けて端面のスケールオフを行った後、ウェルディングホーンにより端面に酸素を吹き付け、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）。
【０００７】
しかし、この鍛接鋼管製造方法では、
▲１▼端面のスケールオフが完全ではないので、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てかなり劣る。このため、偏平試験で、電縫鋼管なら偏平高さ比ｈ／Ｄ＝２ｔ／Ｄ（ｔ：板厚）を達成できるのに対し、鍛接鋼管では偏平高さ比ｈ／Ｄが0.5 程度に劣るものとなる。
【０００８】
▲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、造管速度が300m／min 以上と速く生産性は高いが、シーム品質及び表面肌が悪く、ＪＩＳのＳＴＫ等の強度信頼性や表面品質を要求されるものは製造できないという問題があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記問題を有利に解決するには、本発明者らの創案になる固相圧接造管法によるのが好適である。これは、オープン管のエッジ部を、キュリー点（770 ℃程度）以上融点未満の温度域（予熱温度域という）に誘導加熱（エッジ予熱という）し、次いで空冷により予熱温度域内でエッジ部の温度均一化を行った後、固相圧接適正温度域（1300℃〜1500℃）に誘導加熱（本加熱という）して衝合・圧接するという従来にない造管法である。この固相圧接造管法で製造される鋼管は、従来の溶接管のようにビード切削の必要がないので高速造管が可能で生産性が高く、しかも従来の鍛接管の欠点である酸化起因のシーム品質および表面肌の劣化もない。
【００１０】
本発明の目的は、ビード切削の必要がなく高い生産性が確保できしかもシーム品質および表面肌に優れた鋼管を製造できる上述の固相圧接造管法の実施に適した、固相圧接鋼管の製造装置を提供することにある。
【００１１】
本発明は、帯鋼から成形されたオープン管の両エッジ部を二段階に誘導加熱する第１、第２のワークコイルおよびその下流で両エッジ部を衝合・圧接してシーム部を形成するスクイズロールを備えた鋼管の製造装置において、スクイズロールがシーム部に当接するよう配置され、さらに、スクイズロールと対向してシーム部を管内から押圧して平滑化する平滑化ロール、および第１、第２のワークコイルの少なくともいずれかのエッジ部加熱効率を高めるインピーダ、を装着した内挿バーを管内に備え、また、必要に応じて前記平滑化ロールをスクイズロールと対向させる代わりにスクイズロールの下流でシーム部温度が９００℃以下に冷えない位置に配置し、これと対向して平滑化による管径の変動を拘束する拘束ロールを管外に備えたことを特徴とする固相圧接鋼管の製造装置である。
【００１２】
前記装置はさらに、誘導加熱されつつあるエッジ部周辺の雰囲気を低酸素状態または還元性状態に保つ雰囲気保定機構を備えることが好ましい。
前記雰囲気保定機構は、管外に前記エッジ部を囲むボックスを設けて該ボックスに低酸素ガスまたは還元性ガスを供給する、あるいは、前記内挿バーにガス供給路を設けて前記エッジ部周辺の管内に低酸素ガスまたは還元性ガスを供給するよう構成するのが好ましく、また、これらを複合して構成すればさらに好ましい。
【００１３】
なお、シーム部に当接する、スクイズロール、平滑化ロールおよび拘束ロールは、曲げ強度15kg/mm2以上、耐熱衝撃温度差 150℃以上の特性を有することが好ましく、それらの素材としては、窒化ケイ素系、炭化ケイ素系、ジルコニア系、またはアルミナ系のセラミックスが最適である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の固相圧接鋼管の製造装置（本発明装置）の例を示す模式図であり、（ａ）は別設の拘束ロールなし、（ｂ）は別設の拘束ロールありの場合を夫々示す。図１において、１は第１のワークコイル、２は第２のワークコイル、３はスクイズロール、４は平滑化ロール、５は内挿バー、６は第１のインピーダ、７は第２のインピーダ、10はシーム部、20はオープン管、21はエッジ部、30は圧接点、40はシーム管、51は圧延反力受けロール、52は支持枠体、60、61は拘束ロール、100 は予熱区間、200 は本加熱区間である。
【００１５】
なお、インピーダを設けない参考装置の例を図４に示す。
図１に示されるように、本発明装置は、前記固相圧接造管法を実施するために、帯鋼から成形されたオープン管20の両エッジ部21、21を二段階に誘導加熱する第１、第２のワークコイル１、２およびその下流で両エッジ部を衝合・圧接してシーム部10を形成するスクイズロール３を備えている。第１のワークコイル１でエッジ予熱区間100 、第２のワークコイル２で本加熱区間200 が設定される。ここで、オープン管20のエッジ部21が衝合・圧接される点（シーム部10の始点）を圧接点30、圧接点30の下流の管体をシーム管40と呼ぶことにする。
【００１６】
ところが、固相圧接されたシーム部10には、エッジ部21の到達温度あるいはスクイズロール３による絞り込みの程度により図３（ａ）、（ｂ）に示すように、シーム管40においてシーム部10の管内外側または管内側に管体肉厚の５％以上の増肉を生じることがある。
そこで、本発明装置では、スクイズロール３をシーム部10に当接させるよう配置し、さらに、シーム部10を管内から押圧して平滑化する平滑化ロール４を装着した内挿バー５を管内に備えた。内挿バー５には剛性の高い鉄材等を用いるのがよい。平滑化ロール４は、図１に示すように、シーム管40の内面上を転動自在な圧延反力受けロール51付きの支持枠体52を内挿バー５に固定して該支持枠体52に支持させればよい。
【００１７】
これにより、シーム部10に図３に示したような増肉が生じても速やかに平滑化できる。
また、第１、第２のワークコイル１、２のみによる誘導加熱では、管体肉厚が厚い場合には加熱効率が低くて高速造管が困難であるとか、エッジ部21端面内を一様に固相圧接可能温度域に昇温するのが困難となる場合がある。
【００１８】
そこで、この例に示すように本発明では、内挿バー５に、第１、第２のインピーダ６、７の少なくともいずれかを装着して、エッジ予熱区間100 、本加熱区間200 の少なくともいずれかにおけるオープン管20内面のインピーダンスを高め、誘導電流のエッジ部への集中度を高めている。インピーダにはフェライト等の強磁性体を用いるのがよい。第１、第２のインピーダ６、７はいずれか一方装着してもよいが、両方装着するほうが加熱効率はより向上する。また、第１、第２のインピーダ６、７は一体化してもよい。
【００１９】
増肉平滑化はシーム部10が高温のうちに行うほうが荷重が低くて済むので、図１（ａ）に示すとおり、圧接点30に最も近いスクイズロール３と平滑化ロール４とでシーム部10を挟圧して圧延するように平滑化ロール４の位置を定める。もっとも、装置の寸法上や配置上の制約等でスクイズロール３の近傍に平滑化ロール４を配置できない場合には、図１（ｂ）に示すように、その下流でシーム部10が900 ℃以下に冷えない位置の管外に拘束ロール60、61を別設し、これら拘束ロール60、61で平滑化ロール４と圧延反力受けロール51からの押圧力を受け止めることにより、押圧力による管径の変動を防いでもよい。
【００２０】
また、鍛接管にみられるような酸化起因のシーム品質劣化を好適に防止するために、前記本発明装置はさらに、誘導加熱されつつあるエッジ部周辺の雰囲気を低酸素状態に保つ雰囲気保定機構を備えることが好ましい。
図２は、そのような雰囲気保定機構の説明図であり、（ａ）はボックス型、（ｂ）は管内パージ型、（ｃ）は複合型を夫々示す。図２において、70はボックス、80は内挿バー内に設けたガス供給路、81はガス供給路80に連通するガス噴出口で、図１と同一または相当部分にはこれと同じ符号を付し、説明を省略する。
【００２１】
この図に示すように、雰囲気保定機構は、管外に前記エッジ部（すなわち予熱区間100 および本加熱区間200 におけるエッジ部21）を囲むボックス70を設けて該ボックス70に低酸素ガスを供給する（ａ）、あるいは、前記内挿バー５に、管内に開口するガス噴出口81を有するガス供給路80を設けて前記エッジ部21周辺の管内に低酸素ガスを供給する（ｂ）よう構成するのが好ましく、また、これらを複合して構成すればさらに好ましい。低酸素ガスとしては、Ｎ2 ガスあるいはArガス等不活性ガスが好適である。また、さらには、Ｈ2 ガス，ＣＯガス，プロパンガス等の還元性ガスを使用すれば、侵入空気に対する許容度が増大する。
【００２２】
また、シーム部に当接する、スクイズロール、平滑化ロールおよび必要に応じて設ける拘束ロールは、増肉平滑化の際に、管体からの反力によって15kg/mm2以上の曲げ応力が生じ、かつ当該ロールの管体への当接面の圧接点近傍とそれ以外の領域との温度差は150 ℃以上にまで達していることが多い。
そのため、これらのロールの寿命延長のために、当該ロールの素材は、曲げ強度15kg/mm2以上、耐熱衝撃温度差150 ℃以上の特性を有するもののうちから選択することが好ましい。なお、ここで評価に用いた耐熱衝撃温度差とは、材料試験片として３mm×４mm×40mmの角棒（JIS ４点曲げ試験用の仕様）を使用して、試験片を所定温度まで加熱した後に、水中に投下した際に試験片にクラックが発生しない温度差（加熱温度と水温との差）のことである。現状の技術水準に照らせば、かかる素材としては、窒化ケイ素（Si3N4 ）系または炭化ケイ素（SiC ）系またはジルコニア（ZrO2）系またはアルミナ（Al2O3 ）系のセラミックスが最適である。
【００２３】
【実施例】
図２（ｂ）に示した本発明の固相圧接鋼管の製造装置を、鋼管製造ラインに設置し、固相圧接造管法によって、成形後管径φ21.7〜114.3 mm×肉厚1.9 〜4.5 mmの配管用、一般構造用炭素鋼鋼管（JIS Ｇ3452のＳＧＰ、Ｇ3444のＳＴＫ相当品）を製造した。なお、内挿バー５は管内に開口するガス噴出口81を設けた鉄製円筒で、第１、第２のインピーダ６、７は中空のフェライトを内挿バー５の外周に挿入固定して構成し、内挿バー５の一端から円筒中空部にＮ2 ガスを 800Nl/min供給し、シーム部10に当接するスクイズロール３、平滑化ロール４の素材を曲げ強度85kg/mm2、耐熱衝撃温度差 800℃を有する窒化ケイ素系のセラミックスとした。
【００２４】
その結果、スクイズロール３をシーム部10に当接させず、内挿バー５を備えず、シーム部平滑化をビード切削で行う従来装置で上記と同規格同寸法の鋼管を固相圧接造管法によって試作製造していた時期と比較して、最大成形速度が100m/minから350m/minに向上し、また、シーム品質が、偏平試験での偏平高さ比ｈ／Ｄの平均値でみて0.5 から0.2 へと向上した。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ビード切削の必要がなく高い生産性が確保できしかもシーム品質および表面肌に優れた鋼管を製造できる固相圧接造管法の実施に適した、固相圧接鋼管の製造装置が得られるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明装置の例を示す模式図であり、（ａ）は別設の拘束ロールなし、（ｂ）は別設の拘束ロールありの場合を夫々示す。
【図２】雰囲気保定機構の説明図であり、（ａ）はボックス型、（ｂ）は管内パージ型、（ｃ）は複合型を夫々示す。
【図３】シーム部に生じる増肉の説明図である。
【図４】  インピーダを設けない参考装置の例を示す模式図であり、（ａ）は別設の拘束ロールなし、（ｂ）は別設の拘束ロールありの場合を夫々示す。
【符号の説明】
１  第１のワークコイル
２  第２のワークコイル
３  スクイズロール
４  平滑化ロール
５  内挿バー
６  第１のインピーダ
７  第２のインピーダ
10  シーム部
20  オープン管
21  エッジ部
30  圧接点
40  シーム管
51  圧延反力受けロール
52  支持枠体
60、61  拘束ロール
70  ボックス
80  ガス供給路
81  ガス噴出口
100   予熱区間
200   本加熱区間
【図１】
0003700321.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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