(57)【要約】【課題】特殊な工具鋼を使用したり、表面に酸化スケール付け処理を施さないでＣｒを含む合金鋼を製管する場合においても、延伸圧延に使用する内面規制工具の寿命を飛躍的に延長させることができ、その手入れ回数を低減できる継目無鋼管の製造方法の提供。【解決手段】熱間にて穿孔圧延された中空素管の内部に水分を供給して管内部を水蒸気雰囲気にすることによって管内面の酸化スケールを成長させた後に延伸圧延をおこなう継目無鋼管の製造方法。中空素管の内部に潤滑剤を投入する場合の水分供給は潤滑剤の投入前におこなうのがよい。延伸圧延機はマンドレルミル、プアグミル、アッセルミル、ピルガーミル、ディシャーミルのいずれであってもよい。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱間にて穿孔圧延された中空素管を内面規制工具を使用して延伸圧延する工程を経る継目無鋼管の製造方法であって、前記中空素管の内部に水分を供給して管の内部を水蒸気雰囲気にすることにより管内面の酸化スケールを成長させた後に延伸圧延をおこなうことを特徴とする継目無鋼管の製造方法。
【請求項２】
中空素管の内部に潤滑剤を投入する場合、前記水分の供給を潤滑剤の投入前におこなうことを特徴とする請求項１に記載の継目無鋼管の製造方法。
【請求項３】
前記水分の供給を、中空素管の内面温度が１１００℃以上である間に少なくとも１回おこなって管内の水蒸気濃度を２体積％以上にすることを特徴とする請求項１または２に記載の継目無鋼管の製造方法。
【請求項４】
中空素管がＣｒを含む鋼管であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の継目無鋼管の製造方法。
【請求項５】
延伸圧延機がマンドレルミルであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の継目無鋼管の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マンネスマンピアサーに代表される穿孔圧延機で製造された中空素管を、プラグミルやマンドレルミル、さらにはアッセルミル、ピルガーミルおよびディシャーミルなどの延伸圧延機により延伸圧延する工程を経る熱間圧延法による継目無鋼管の製造方法に係わり、中でもＣｒを含む合金鋼からなる継目無鋼管を製造する場合において、延伸圧延時に使用される内面規制工具であるプラグやマンドレルバーの寿命延長ができるようにした継目無鋼管の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱間圧延法による継目無鋼管の製造方法では、前述したように、マンネスマンピアサーに代表される穿孔圧延機で製造された中空素管を、プラグミルやマンドレルミル、さらにはアッセルミル、ピルガーミルおよびディシャーミルなどの延伸圧延機により延伸圧延する。
【０００３】
その際に使用される内面規制工具のプラグやマンドレルバーは、長寿命であることが要求される。中でも、Ｃｒを含む合金鋼を製管する場合、炭素鋼を製管する場合に比べて寿命が短かくなったり、表面手入れを頻繁におこなう必要があるという問題があり、従来より下記のような種々の寿命延長対策が提案されてきた。
【０００４】
（１）Ｎｂ添加のＳＤＫ６１相当工具鋼製のマンドレルバー（特許文献１）。（２）表層がＣｕ、Ａｌ、Ｚｎまたはこれらの合金の低融点金属の溶融拡散層のＳＤＫ６相当鋼製のマンドレルバー（特許文献２）。（３）  表面に酸化スケール層を形成させたプラグ（特許文献３）。
【０００５】
しかし、上記（１）  は内面規制工具の材質変更であり、新規なプラグやマンドレルバーの作製が必要で製造コストが上昇する。（２）  の技術は既存の内面規制工具にも適用できるが、処理に費用がかかり製造コストの上昇を招く。（３）  の技術も（２）  の技術と同様に既存の内面規制工具にも適用できるが、頻繁なスケール付け処理が必要で費用が嵩み製造コストの上昇を招くという欠点がある。
【０００６】
一方、酸化スケールを利用した継目無鋼管の製造方法としては、特許文献４および５に示される方法がある。すなわち、特許文献４に示される方法は、素材ビレットまたは圧延途中の素管の外表面に酸化スケールを積極的に生成させ、管外面に発生する筋疵などの外面欠陥を防止する方法である。また、特許文献５に示される方法は、最終熱処理において酸化スケールを積極的に成長させ、そのうちの外層スケール層のみを除去することによって耐食性と表面性状に優れた酸化スケール層付き製品、言い換えれば黒皮製品を得る方法であり、いずれの技術も内面規制工具の寿命延長は全く意図していない。
【特許文献１】
特開平６−５７３８０号公報
【特許文献２】
特開平６−３３９７０９号公報
【特許文献３】
特開２０００−１９２２０５号公報
【特許文献４】
特開平５−２６９５０７号公報
【特許文献５】
特開平１０−６０５３８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の実状に鑑みてなされたもので、特殊な工具鋼を使用したり、表面に酸化スケール付け処理を施さないでＣｒを含む合金鋼を製管する場合においても、延伸圧延に使用する内面規制工具の寿命を飛躍的に長くすることができ、その手入れ回数を減らすことができる継目無鋼管の製造方法を提供すること目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記の継目無鋼管の製造方法にある。
【０００９】
熱間にて穿孔圧延された中空素管を内面規制工具を使用して延伸圧延する工程を経る継目無鋼管の製造方法であって、前記中空素管の内部に水分を供給して管の内部を水蒸気雰囲気にすることにより管内面の酸化スケールを成長させた後に延伸圧延をおこなう継目無鋼管の製造方法。
【００１０】
上記本発明の方法においては、中空素管の内部に潤滑剤を投入する場合、水分の供給は潤滑剤の投入前におこなうのがよい。また、水分の供給は中空素管の内面温度が１１００℃以上である間に少なくとも１回おこなって管内の水蒸気濃度を２体積％以上にするのが好ましい。さらに、中空素管はＣｒを含む鋼管であってもよく、延伸圧延機はマンドレルミル、プラグミル、アッセルミル、ピルガーミルおよびディシャーミルのいずれであってもよい。
【００１１】
本発明者らは、上記の課題を達成するために、種々検討した結果、以下のことを知見し、上記の本発明を完成させた。
【００１２】
前述したように、延伸圧延には種々の方法があるが、寸法精度および生産性が優れているマンドレルミルによる圧延法が広く利用されているので、まず始めにその一般的な方法について説明する。
【００１３】
マンドレルミルよる製造プロセスでは、素材のビレットを約１２００℃に加熱した後、穿孔圧延機（ピアサー）で中空素管に成形する。次いで、外面に熱間圧延用潤滑剤が塗布された内面規制工具のマンドレルバーを中空素管の内部に挿入し、この状態でマンドレルミル圧延する。マンドレルミルでの管温度は、一般に、ミル入り口で１０５０〜１１５０℃、出口側で８００〜１０００℃である。
【００１４】
マンドレルミル圧延後、マンドレルバーが引き抜かれた管は、一般に仕上げ圧延用素管と呼ばれ、そのまままたは再加熱炉で８５０〜１１００℃に再加熱された後、ストレッチレデューサーなどの仕上げ圧延機により所定の管寸法に仕上げ圧延される。その後、Ｃｒを含む合金鋼からなる鋼管の場合は、９００℃以上から焼入れし、次いで７００℃近傍で焼戻し処理される。
【００１５】
この場合、特にＣｒを含む合金鋼を製管する場合にマンドレルバーの寿命が短くなる原因を究明した結果、次のことが判明した。
【００１６】
（ａ）  ピアサーで穿孔して得られた中空素管の管内面には酸化スケールがほとんど生成しておらず、通常、３０〜４０秒のマンドレルミルまでの移動間においても酸化スケールの成長はほとんどなく、その厚さはわずか数μｍ程度である。これは、Ｃｒを含む合金鋼が耐酸化性に優れるのに加え、中空素管の内部が高温で圧力が高く、大気の流入が実質的にないためである。
【００１７】
（ｂ）  上記状態の管内面の酸化スケールは、マンドレルミル圧延によってもほとんど伸ばされることはなく、酸化スケールが割れて露呈した地鉄とマンドレルバー表面が直接接触する。
【００１８】
（ｃ）  上記の接触部では、酸化スケールが本来有する断熱効果が発揮されず、マンドレルバーの表面温度が急激に上昇して過酷な熱疲労を受け、マンドレルバー表面に熱疲労亀裂が発生する。
【００１９】
（ｄ）  また、地鉄の露出部では、圧延抵抗が著しく増加するだけでなく、地鉄とマンドレルバーが焼き付きやすく、マンドレルバー表面が損傷する。
【００２０】
以上のことより、マンドレルバー表面の損傷防止には、管内面の酸化スケールを、ある程度の厚みを持ち、延伸圧延時には管母材に追従して容易に伸びる酸化スケールにすればよいと考え、その手段について種々検討した。その結果、以下のことがわかった。
【００２１】
（ｆ）  上記３０〜４０秒の移動間において、中空素管の内部に水分を供給して管内部の雰囲気を水蒸気雰囲気にすると、酸化スケールが急激に成長し、その厚さが水分を供給しない場合の５〜１０倍になる。特に、管内面の温度が１１００℃以上である間に管内部の水蒸気濃度が２体積％以上になるように水分を供給すると、その効果が大きくなる。このことは、本発明者らがおこなった実験結果の一例を示す図１および図２からも明らかである。
【００２２】
図１および図２は、Ｃｒ含有量が１３質量％のフェライト系ステンレス鋼の丸ビレットから採取した試験片を用いたラボ高温酸化試験の結果を示す図である。具体的には、図１は、水蒸気濃度（体積％）が種々異なる大気雰囲気中で１２００℃で３６００秒間加熱した場合における水蒸気濃度と酸化速度定数（ｍｇ２／ｃｍ４・秒）との関係を示している。また、図２は、水蒸気濃度（体積％）が１０と０％の大気雰囲気中で加熱温度と加熱時間を種々変えて加熱した場合におけるスケール厚さ（μｍ）と加熱温度（℃）および酸化時間（秒）との関係を示している。
【００２３】
（ｇ）  管の内部に水分を供給しない場合の酸化スケールが地鉄の側から外側に向かって（ＦｅＣｒ）３Ｏ４、Ｆｅ３Ｏ４、Ｆｅ２Ｏ３の積層構造で、ＦｅＯがほとんど存在しないのに対し、水分供給によって厚さが増した酸化スケールは、地鉄の側から外側に向かって（ＦｅＣｒ）３Ｏ４、ＦｅＯ、Ｆｅ３Ｏ４、Ｆｅ２Ｏ３の積層構造で、その量はＦｅ２Ｏ３＜Ｆｅ３Ｏ４＜（ＦｅＣｒ）３Ｏ４＜ＦｅＯの順に多く、ＦｅＯ量が格段に多い。
【００２４】
（ｈ）  上記のＦｅＯは他の酸化鉄と比較して延性に富み、延伸圧延時の管母材への追従性が最も高い。すなわち、ＦｅＯが主体のスケール層がマンドレルバーと被圧延管との直接接触を防止することで、マンドレルバーの熱疲労が軽減されると同時に焼き付きも防止される。
【００２５】
（ｊ）  また、上記のＦｅＯは、圧延時に固形潤滑剤としての役割を果たし、圧延時の摩擦抵抗を下げる。特に、補助潤滑剤として硼酸系の潤滑剤を併用した場合には、厚膜化した酸化スケールと補助潤滑剤中に含まれるＢ２Ｏ３とが反応してＢ−Ｆｅ系の化合物（主として酸化物）を形成し、これが潤滑効果を一段と向上させる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の製造方法について詳細に説明する。
【００２７】
図３は、延伸圧延機がマンドレルミルの場合におけるレイアウトの一例を示す平面図である。図３において、回転炉床式の加熱炉１で所定の温度（約１２００℃）に加熱されたビレットＢは、横送りテーブル２を経てピアサー３に搬送されて中空素管Ｈに成形され、横送りテーブル４上に移載される。
【００２８】
横送りテーブル４上に移載された高温（約１２００℃）状態の中空素管Ｈの管内には、水分供給装置５Ａまたは／および５Ｂにより、管内に水蒸気または水を供給して管内部の水蒸気濃度を高め、管内面の酸化スケールを成長させる。次いで、必要に応じて、補助潤滑剤塗布装置６により、例えば硼酸系の補助潤滑剤が投入され、その内面に補助潤滑剤の被膜を形成させる。
【００２９】
管内面の酸化スケールを成長させた中空素管Ｈは、素管装入装置７ａに移載され、その内部にマンドレルバー挿入装置７ｂによりマンドレルバーＭが挿入される。このとき、マンドレルバーＭの表面には潤滑剤塗布装置７ｃにより所定の潤滑剤が塗布される。
【００３０】
マンドレルバーＭが挿入された中空素管Ｈは、この状態で素管装入装置７ａとマンドレルバー挿入装置７ｂとにより、マンドレルミル７に噛み込ませられて延伸圧延され、仕上げ圧延用素管に成形される。
【００３１】
延伸圧延後の仕上げ圧延用素管から引き抜かれたマンドレルバーは、横送りテーブル８を経てバー循環路９に移載され、バー冷却水槽１０を経てマンドレルバー挿入装置７ｂ上に移載され、次の中空素管の延伸圧延に使用される。なお、マンドレルバーＭは複数本が循環使用されることは周知のとおりである。
【００３２】
前述したように、本発明においては、ピアサー３で穿孔圧延された中空素管Ｈの内部に水分を供給して管内面の酸化スケールを成長させた後にマンドレルミル７により延伸圧延をおこなうが、管内に供給する水分は水蒸気または水そのもののいずれであってよい。これは、水そのものを供給した場合でも管内部が高温（約１２００℃）であるため瞬時に蒸発して水蒸気になるからである。
【００３３】
中空素管の内面温度について：
管内を水蒸気雰囲気にして成長させた酸化スケールは、ＦｅＯの量が多いものほどよく、そのための管内面温度としては１１００℃以上であることが望ましいが、１１００℃よりも低くてもよく、この場合でも管内に水分を供給しない従来法に比べれば効果が得られる（前記の図２参照）。
【００３４】
酸化時間について：
酸化時間は長いほどよいが、本発明らがおこなった実機を模擬した試験によれば、酸化開始、言い換えれば管内への水分供給完了時点から１５秒程度経過した時点でＦｅＯの生成と酸化スケールの厚膜化が確認され、少なくとも１５秒間酸化させれば十分な酸化スケール厚さとＦｅＯ量が確保される（前記の図２参照）。
【００３５】
管内の水蒸気濃度について：
管内の水蒸気濃度は２体積％以上で上記の効果が大きくなる。その効果は水蒸気濃度が増すほど増大するが、２０体積％を超えるとその効果が飽和する傾向がある。このため、管内の水蒸気濃度は２〜２０体積％とするのが望ましい（前記の図１参照）。
【００３６】
管内への水分供給タイミングと供給方法について：
以上のことから、管内面の酸化スケール成長は、水蒸気濃度が２〜２０体積％の水蒸気雰囲気中で、およそ１１００℃に１５秒間保持すれば十分なスケール改質が可能であり、従来に比べて十分な延命効果が得られるが、さらなる延命効果を得るためにはより高温での長時間保持が望ましい。
【００３７】
ここで、マンドレルミル圧延においては、ピアサーで穿孔された直後の中空素管の温度は、通常、１２００℃前後で、その後マンドレルミルの入り口に到達するまで、言い換えればその内部にマンドレルバーが挿入されるまでには３０〜４０秒程度ある。すなわち、マンドレルミル圧延開始の１５秒程度前までに管内に水分を供給すれば十分であるが、さらに望ましくはピアサーによる穿孔後、できる限り早い時期に管内に水分を添加することが望ましい。具体的には、図３に示す水分供給装置５Ａと５Ｂのうち、５Ａを使用しての水分供給が望ましい。
【００３８】
また、管内への水分供給は、水分供給装置５Ａによる１回にとどまらず、５Ａによる複数回にわけての供給や５Ｂによる追加供給、さらには、５Ａと５Ｂとの間にも水分供給装置を複数配置し、これらを使用しての断続的な水分供給であってもよく、このような複数回の水分供給の場合には管内の水蒸気濃度を高く維持することができる。
【００３９】
さらに、硼酸系などの補助潤滑剤を用いる場合も同様で、１１００℃で１５秒程度酸化させれば十分な改善がある。この場合においても、管内への水分供給は、図３に示す補助潤滑剤塗布装置６による管内への補助潤滑剤投入前のできるだけ早い時期におこなうのが望ましい。これは、補助潤滑剤投入後に水分供給をおこなっても、酸化スケールの生成速度は速くならず、潤滑性の向上に寄与する十分な量のＢ−Ｆｅ系の化合物が形成されないからである。
【００４０】
硼酸系などの補助潤滑剤としては、たとえば、特開２０００−４２０６９号公報に記載されているような、硼酸ソーダ７０％−金属石鹸３０％の潤滑剤を挙げることができる。
【００４１】
以上は延伸圧延機がマンドレルミルの場合であるが、発明の方法は、延伸圧延機がプラグミル、アッセルミル、ピルガーミルおよびディシャーミルの場合でも、図３における加熱炉１から延伸圧延機のマンドレルミル７までのレイアウトは基本的に同じであるので、同様に適用でき、Ｃｒを含む合金鋼の製管に限らず、その他の合金鋼および炭素鋼の製管にも適用可能である。
【００４２】
【実施例】
表１に示す化学組成を有する４種類の鋼種からなり、外径が１９１ｍｍ、長さが２５００ｍｍの丸ビレットを準備する一方、材質がＳＫＤ６１、外径が１６０ｍｍ、有効長さが１２ｍで、その表面硬さがビッカース硬さで４００、その表面に次の酸化スケール付け処理を施したマンドレルバーを準備した。
【００４３】
酸化スケール付け条件は、加熱雰囲気：大気中、加熱温度：６３０℃、加熱時間：２０分であり、そのスケール構造は前述した地鉄の側から外側に向かって（ＦｅＣｒ）３Ｏ４、Ｆｅ３Ｏ４、Ｆｅ２Ｏ３の積層構造、詳細にはＦｅＣｒ２Ｏ４とＦｅ３Ｏ４とからなる内層スケール層と、Ｆｅ３Ｏ４とＦｅ２Ｏ３とからなる外層スケール層の二層構造で、その厚さは７〜１０μｍである。
【００４４】
【表１】
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準備した丸ビレットは、回転炉床式の加熱炉に装入して１２００〜１２５０℃の温度範囲で加熱し、マンネスマンピアサーによって外径１９６ｍｍ、肉厚１６ｍｍ、長さ７５００ｍｍの中空素管を製造した。
【００４５】
次いで、直ちに中空素管の内部に水噴射ノズルを使用して室温状態の工業用水約２００〜３００ｃｍ３を噴射供給した後、上記のマンドレルバーを使用してマンドレルミル圧延し、外径１５１ｍｍ、肉厚６．２５ｍｍ、長さ２５ｍの仕上げ圧延用素管を製造した（条件１…本発明例）。なお、噴射供給した水は直ちに蒸発し、管内部は水蒸気濃度が１０〜２０体積％の酸化性雰囲気となったことをガス分析で確認した。
【００４６】
一方、条件２（本発明例）として、上記と同様の工業用水の噴射供給後、マンドレルバー挿入直前の管内部に硼酸系の補助潤滑剤を投入してその被膜を管内面に形成させた以外は条件１と同じ条件でマンドレルミル圧延し、外径１５１ｍｍ、肉厚６．２５ｍｍ、長さ２５ｍの仕上げ圧延用素管を製造した。
【００４７】
条件３（従来例）として、中空素管の内部に水を噴射供給しないこと以外は条件１と同じ条件でマンドレルミル圧延し、外径１５１ｍｍ、肉厚６．２５ｍｍ、長さ２５ｍの仕上げ圧延用素管を製造した。
【００４８】
条件４（従来例）として、中空素管の内部に水を噴射供給しない代わりに硼酸系の補助潤滑剤のみを管内に投入した以外は条件１と同じ条件でマンドレルミル圧延し、外径１５１ｍｍ、肉厚６．２５ｍｍ、長さ２５ｍの仕上げ圧延用素管を製造した。
【００４９】
なお、管内部への水の噴射供給位置は、ピアサーによる穿孔直後とマンドレルミル圧延の１５秒前のいずれか一方または両方でおこなった。
【００５０】
また、いずれの条件においても、マンドレルバーの表面には黒鉛系の潤滑剤を乾燥固化後の厚さが１５０μｍになるように塗布した。
【００５１】
さらに、硼酸系の補助潤滑剤には、硼酸ソーダ７０％−金属石鹸３０％の潤滑剤を、管の内表面積に対し、１５０ｇ／ｍ２となるように投入塗布した。
【００５２】
評価方法としては、マンドレルバーの「寿命評点比」を次のように定義して評価した。
【００５３】
▲１▼まず、それぞれの条件において１圧延毎、すなわちビレットを１本圧延する毎にマンドレルバーの表面観察をおこない、焼き付きや表面亀裂など表面損傷が発生するまでに圧延できたビレット本数をカウントした。
【００５４】
▲２▼次に、各鋼種毎に下記の（１）  式によって寿命評点比を算出した。
寿命評点比＝ｎ／Ｎ  ・・・・（１）
ｎ：条件１、２または４で圧延できたビレット本数、
Ｎ：条件３で圧延できたビレット本数。
【００５５】
以上の評価結果を、表２にまとめて示すとともに、図４には補助潤滑剤を使用しなかった場合の結果、図５に補助潤滑剤を使用しなかった場合の結果を棒グラフにして示した。なお、表２の「水蒸気の添加位置」欄における、「Ｐ直後」とはピアサーによる穿孔直後での供給、「Ｍ前１５秒」とはマンドレルミル圧延の１５秒前での供給を意味する。
【００５６】
【表２】
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表２、図４および図５に示すように、本発明の方法によれば、補助潤滑剤の使用の有無によらず、マンドレルバーの寿命が約２〜３倍にのびることがわかる。
【００５７】
水分の供給位置は、ピアサー直後とマンドレルミル圧延の１５秒前の両方で供給した場合が最も効果が高く、次いでピアサー直後、マンドレルミル圧延の１５秒前の順である。
【００５８】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、ピアサーから延伸圧延機に搬送される間の中空素管の内部に水を投入するという極めて簡単な操作によってマンドレルバーの寿命を飛躍的に延長させることができる。このため、使用中のマンドレルバーにも適用でき、新規なマンドレルバーの製作や頻繁な潤滑剤層としての酸化スケール付けの熱処理を必ずしも必要としないので、工具原単位を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】試験結果の一例を示す図で、水蒸気濃度と酸化速度定数との関係を示す図である。
【図２】試験結果の一例を示す図で、スケール厚さと加熱温度、加熱時間および水蒸気濃度との関係を示す図である。
【図３】本発明の実施態様を説明するための図である。
【図４】実施例の結果を対比して示す図である。
【図５】実施例の結果を対比して示す図である。
【符号の説明】
１：加熱炉、
２、４、８：横送りテーブル、
３：ピアサー、
５Ａ、５Ｂ：水分供給装置、
６：補助潤滑剤塗布装置、
７：マンドレルミル、
７ａ：素管装入装置、
７ｂ：マンドレルバー挿入装置、
７ｃ：潤滑剤塗布装置、
９：バー循環路、
１０：バー冷却水槽、
Ｂ：ビレット、
Ｈ：中空素管、
Ｍ：マンドレルバー。
【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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