(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
素材の加熱、穿孔圧延、延伸圧延および絞り圧延から構成される継目無管の製造工程において、穿孔圧延工程で穿孔した後、延伸圧延工程で内面規制工具を使用することなく圧延し、絞り圧延工程で絞り圧延した後、冷間圧延工程で冷間圧延機または冷間抽伸機により肉厚加工を行うことを特徴とする内外表層部に浸炭層がない継目無管の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の継目無管の製造方法において、絞り圧延の前に再加熱を経ることを特徴とする継目無管の製造方法。
【請求項３】
素材としてステンレス鋼または高合金鋼の鋼片または鋳片を用いる請求項１または２に記載の継目無管の製造方法。
【請求項４】
加熱した素材をコーン型ロールを用いて穿孔圧延し、延伸圧延を施すことなく絞り圧延し、次いで冷間圧延機または冷間抽伸機により冷間圧延で肉厚加工を行うことを特徴とする内外表層部に浸炭層がない継目無管の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の継目無管の製造方法において、絞り圧延の前に再加熱を経ることを特徴とする継目無管の製造方法。
【請求項６】
素材としてステンレス鋼または高合金鋼の鋼片または鋳片を用いる請求項４または５に記載の継目無管の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、縫目無管の製造工程を抜本的に合理化するとともに、継目無鋼管の製造工程で生じる浸炭を防止することのできる継目無管の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
継目無鋼管の製造方法としては、マンネスマン−プラグミル法、マンネスマン−マンドレルミル法、マンネスマン−アッセルミル法あるいはマンネスマン−プッシュベンチミル法などがある。これらの方法は、加熱炉で所定の温度に加熱した中実ビレットを穿孔圧延機により穿孔して中空棒状のホローピースとなし、これをプラグミル、マンドレルミ、アッセルミルあるいはプッシュベンチミルなどの延伸圧延機により、主として肉厚を減じてホローシェルとし、次いでサイザまたはストレッチレデューサなどの絞り圧延機により、主として外径を減じて所定の寸法の継目無鋼管とする方法である。【０００３】
本発明は、このような縫目無管製造プロセスのうち、第２工程の延伸圧延工程に係わるもので、以下、本発明をマンネスマン−マンドレルミル法に基づき説明するが、他の製管法における延伸圧延工程においてもその作用効果は同様である。【０００４】
図１は、マンネスマンマンドレルミルの工程を示す図で、同図の（ａ）は回転炉床式加熱炉、（ｂ）はピアサー（穿孔圧延機）、図１（ｃ）はマンドレルミル（延伸圧延機）、（ｄ）は再加熱炉、（ｅ）はストレッチレデューサ（絞り圧延機）をそれぞれ示す。【０００５】
図１の（ｃ）に示すマンドレルミルでは、当初、マンドレルバー１を素管２の内面側に挿入したまま、マンドレルバーごと孔型ロール３で連続圧延するフルフロート・マンドレルミルが一般的であった。しかし、最近では、さらに高能率、高品質のマンドレルミルとしてリテインド・マンドレルミル（リストレインド・マンドレルミルともいう）が普及している。【０００６】
図２は、フルフロ−ト・マンドレルミルとリテインド・マンドレルミルの比較図で、（ａ）はフルフロート・マンドレルミル、（ｂ）はリテインテンド・マンドレルミルをそれぞれ示す。【０００７】
図２の（ｂ）に示すリテインド・マンドレルミルでは、マンドレルバーリティナ４によりマンドレルバー１を圧延終了までその背面（圧延機の入側）から保持拘束し、圧延終了と同時にマンドレルバー１を引き戻すフルリトラクト方式と、圧延終了と同時にマンドレルバー１を解放するセミフロート方式がある。中径継目無鋼管の製法ではフルリトラクト方式、小径継目無鋼管の製法ではセミフロート方式が一般に採用されている。【０００８】
フルリトラクト方式ではマンドレルミルの出側にエキストラクタが接続されており、マンドレルミルで圧延中にホローシェルを引っ張り出す。マンドレルミル出側の管材料温度が十分高ければ、エキストラクタの代わりにサイジングミルまたはストレッチレデューサでホローシェルを引っ張り出しながら最終目標寸法まで絞り圧延することが可能となり、再加熱炉は不要となる。
マンドレルバーの表面に塗布される潤滑剤は、管内面とマンドレルバ−表面との間の摩擦を減じ、管材料内面の引っ掻き疵とマンドレルバー表面の焼付き疵の発生を防止するとともに、延伸圧延後のマンドレルバーのストリッピングを容易にする目的で使用される。【０００９】
上記の潤滑剤としては、当初、微粉黒鉛を添加した重油をベースとした水溶性の油か、あるいは塗油したマンドレルバーの表面に微粉黒鉛スプレイして潤滑剤として使用されてきた。【００１０】
最近では、無煙潤滑剤としてボラックスと称する非黒鉛系の潤滑剤、正確にはスケール溶融剤が使用されるようになってきた。また、特にステンレス鋼管および高合金鋼管の延伸圧延の際には、マイカ系の非黒鉛系潤滑剤が使用されることもある。【００１１】
特許文献１には、穿孔圧延で製造した中空素管（ホローシェル）を、冷間で縮径延伸加工することを特徴とする小径継目無管の製造方法が開示されている。この方法では、マンドレルミルによる熱間延伸圧延工程が省略されている。しかし、その省略は、製管工程の簡略化を意図したものにすぎず、マンドレルミルによる熱間延伸圧延工程における管の浸炭を防止するためではない。特許文献１には、浸炭防止に関する記載はまったく見られない。
【特許文献１】特開平10-58013号公報
【００１２】
さて、マンドレルミルによりステンレス鋼管や高合金鋼管を延伸圧延すると、製品である管の内外表面、特に内面で浸炭現象が発生する。浸炭は耐食性の劣化等の好ましくない影響を管に及ぼす。この浸炭現象は、黒鉛系の潤滑剤を使用する時はもちろん、非黒鉛系の潤滑剤を使用する時でも発生する極めて厄介な問題である。製管工場内の雰囲気には、以前の黒鉛系潤滑剤の使用等に起因する黒鉛微粉が存在しており、これが素管の内外面やマンドレルバーの表面に固着するからである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の課題は、継目無管、特に低炭素のステンレス鋼管および高合金鋼管等の製造課程で発生する浸炭現象を防止するために、延伸圧延工程を合理化した継目無管の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者は、上記の課題を解決すべく研究を重ねた結果、下記の継目無管の製造方法の発明をなすに到った。【００１５】
(1) 素材の加熱、穿孔圧延、延伸圧延および絞り圧延から構成される継目無管の製造工程において、穿孔圧延工程で穿孔した後、延伸圧延工程で内面規制工具を使用することなく圧延し、絞り圧延工程で絞り圧延した後、冷間圧延工程で冷間圧延機または冷間抽伸機により肉厚加工を行うことを特徴とする内外表層部に浸炭層がない継目無管の製造方法。
(2) 上記(1)の継目無管の製造方法において、絞り圧延の前に再加熱を経ることを特徴とする継目無管の製造方法。
(3) 素材としてステンレス鋼または高合金鋼の鋼片または鋳片を用いる上記(1)または(2)の継目無管の製造方法。
【００１６】
(4) 加熱した素材をコーン型ロールを用いて穿孔圧延し、延伸圧延を施すことなく絞り圧延し、次いで冷間圧延機または冷間抽伸機により冷間圧延で肉厚加工を行うことを特徴とする内外表層部に浸炭層がない継目無管の製造方法。
(5) 上記(4)の継目無管の製造方法において、絞り圧延の前に再加熱を経ることを特徴とする継目無管の製造方法。
(6) 素材としてステンレス鋼または高合金鋼の鋼片または鋳片を用いる上記(4)または(5)の継目無管の製造方法。
【００１７】
なお、上記(1)〜(6)の製造方法は、特に極低炭素のステンレス鋼または高合金鋼の鋼片または鋳片を用いる際に適している。
【００１８】
また、上記(1)〜(6)の製造方法における穿孔圧延は、交叉穿孔法で行うのが望ましい。交叉穿孔法とは、後述のロール交叉角（γ）を５度以上として行う穿孔法をいう。特に望ましいのは、交叉角を20度から30度の範囲として行う穿孔法である。
【００１９】
そして、「内外表層部に浸炭層がない」というのは、管の内表面および外表面のそれぞれ0.1mmから0.2mmまでの厚さ0.1mmの層の平均炭素含有量（質量％）が、母材の炭素含有量（質量％）に0.01質量％を加えた値よりも多くないことを意味する。
【００２０】
前記の課題を解決するためになされた各種試験から得られた知見は、以下のとおりである。
（ａ）継目無管の製造工程で発生する管の内外面からの浸炭現象は、次のようにして起きる。即ち、前記のように管製造の工場雰囲気には、黒鉛等の炭素系物質の微粒子（以下「黒鉛微粒子」という）が存在し、これがロール孔型の溝底側でトラップされる。また、管の内面は、冷却水で洗われることがないから、管の外面に較べて、黒鉛微粒子がトラップされやすい。これらの黒鉛微粒子が、次工程の再加熱工程で拡散して管肉内に侵入し、また、ガス化してガス浸炭を起こす。【００２１】
なお、ロール孔型のフランジ側ではトラップされる黒鉛微粒子は少ないが、ロール孔型のフランジ側に接した管の外面部分は、次のスタンドでは溝底側に来るので、全スタンドを通過した後には、管の内外面全体に黒鉛微粒子が圧着されることになる。【００２２】
（ｂ）浸炭現象を抑制するためには、延伸圧延時にロールのフランジ側の絞り圧延領域を広くし、溝底側の延伸圧延領域を狭くすればよい。しかし、それでも浸炭防止は完全ではない。完全な浸炭防止対策としては、内面規制工具としてのマンドレルを管内面に挿入することなく圧延し、マンドレルミルをサイザおよびレデューサのごとく、絞り圧延機として使用するか、または廷伸圧延工程そのものを省略するのがよい。【００２３】
（ｃ）延伸圧延工程でマンドレルを用いずに、または延伸圧延工程そのものを省略して、継目無管の製造方法を実現するには、マンドレルミルでの肉厚加工量を前工程たる穿孔圧延工程、または後工程たる冷間圧延工程に分担させればよい。【００２４】
上記（ａ）についてさらに詳しく説明する。
熱間で製管を行う工場の建屋内の大気中には無数の黒鉛微粒子が浮遊している。たとえ現在非黒鉛系の潤滑剤を使用しているにしても、過去に黒鉛系の潤滑剤が使用されていたことのある工場内には、必ず黒鉛微粒子が浮遊している。なお、黒鉛系潤滑剤を使用すれば、マンドレルバーに塗布されたその潤滑剤が浸炭の直接的原因になることは言うまでもない。【００２５】
図３は、マンドレルミルにおける変形中の応力の状態を示す圧延中の被圧延材の横断面図である。図３および後述の図４の中の記号の意味は下記のとおりである。【００２６】
σｌ：軸方向応力
σθ：円周方向応力
σｒａ：管内面の半径方向応力
σｒｂ：管外面の半径方向応力
σｒ：半径方向応力の平均値、即ち、σｒ＝（σｒａ＋σｒｂ）／２
ｋｆ：変形抵抗
なお、プライム記号（ダッシュ記号）はフランジ側を表し、それがついていない記号は溝底側を表す。【００２７】
管内面５がマンドレルバー１に接触しているか否かにより孔型を溝底側とフランジ側に分けて考えれば、溝底側の材料はロールから外圧を受け、マンドレルバー１から内圧を受けながら圧延される。従って、溝底側の材料は軸方向に延伸されると同時に円周方向に幅拡がりを生じる。一方、フランジ側の材料は溝底側の材料の伸びに引っ張られ、延伸されると同時に円周方向に幅狭まりを生じる。即ち、マンドレルミルにおける管の塑性変形においては、溝底側は外圧と内圧と軸方向圧縮の下で変形し、フランジ側は内圧ゼロであるから、外圧と軸方向引張りの下で変形する。従って、溝底側の応力は３軸圧縮状態になり、内外面の面圧はフランジ側に比較して極めて高くなる。【００２８】
図４は、各スタンドにおける応力分布を示す図である。図示のとおり、溝底側では「σｒ／ｋｆ」は−1.6から−1.5である。これに対して、フランジ側では「σｒ’／ｋｆ」は−0.06から−0.04程度である。即ち、フランジ側の面圧は、溝底側の面圧のおよそ20分の１から40分の１に過ぎず、ほとんど無視できる程度に小さい。そのために、ロール溝底側では黒鉛微粒子は管の内外表面にトラップされやすく、一方、フランジ側ではトラップされにくいのである。なお、図４の応力分布についての詳細は、下記の非特許文献１に記述されている。
【非特許文献１】林千博「鋼管の製造方法」2000年10月10日、日本鉄鋼協会発行、123〜129頁
【００２９】
管がマンドレルミルのロール孔型の溝底に接することによって、管の内外表面にトラップされた黒鉛微粒子は、次工程の再加熱工程で管の肉厚内部に拡散し、浸炭現象が発生する。因みに、フランジ側領域が溝底側領域より広いロール孔型では、浸炭現象は顕著に減少する。換言すれば、マンドレルミルでは、肉厚圧下量が小さくなるほど浸炭現象は軽減する。なお、ここでは２ロール方式の延伸圧延を例にして説明したが、３ロール方式の延伸圧延でも事情は同じである。【００３０】
最終の絞り圧廷工程では、外圧と軸方向引張りの下で変形する。この変形は、マンドレルミルにおけるフランジ側の変形と同じであり、面圧はきわめて小さいので、黒鉛徹粒子のトラップは起こり難い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明の態様について詳細に説明する。
１．素材
以下、鉄およびその合金について述べるが、素材は非鉄およびその合金であってもよい。素材は、分塊圧延により製造された丸ビレットや連続鋳造により製造された丸鋳片等である。また、素材の化学組成としては、油井用、構造用および配管用等の管の製造には炭素鋼、低合金鋼、ボイラ用および配管用等の管の製造にはステンレス鋼、化学工業用管等の製造には高合金鋼が用いられるが、最近では油井管にも高合金鋼が使用されるようになってきた。本発明は、特に極低炭素のステンレス鋼や高合金鋼のような、難加工性で浸炭し易い鋼に対して大きな効果を奏する。【００３２】
２．穿孔圧延工程
本発明の製造方法では延伸圧延工程で内面規制工具（マンドレルバー）を用いないか、延伸工程そのものを省略するので、マンドレルミルにおいて本来行われる肉厚加工を前工程たる穿孔圧延工程もしくは後工程たる冷間圧延工程、またはそれらの両方に分担させる必要がある。【００３３】
穿孔圧延工程で大きな肉厚加工を行い、薄肉のホローピ−スにする方法としては、例えば、下記の特許文献２および特許文献３に開示される方法、および本出願人がPCT／JP2004／7698として特許出願している方法が採用できる。これらの方法では、穿孔過程における回転鍛造効果は顕著に抑制され、ステンレス鋼、高合金鋼などの難加工性材料の高加工度薄肉穿孔において発生しやすい内面疵やラミネーションをより確実に抑えることができる。
【特許文献２】特公平5-23842号公報
【特許文献３】特公平8-4811号公報
【００３４】
図５は、穿孔圧延の態様を示す図である。図示のように、ビレット６およびホローシェル（素管）７のパスラインを挟んで、左右または上下にコーン型ロール８が配置されている。これらのロールの軸芯線がパスラインの水平面または垂直面に対してなす角度が傾斜角β（図示せず）である。そして、ロールの軸芯線がパスラインの垂直面または水平面に対してなす角度が交叉角γである。【００３５】
本発明において、上記の交叉角γを５度以上として穿孔を行うのを交叉穿孔法という。本発明方法の実施に当たっては、この交叉穿孔法を採用するのが望ましい。それによって、穿孔工程で大きな肉厚加工を行うことができるからである。なお、一層望ましいのは、交叉角を20〜30度とする穿孔圧延である。【００３６】
３．延伸圧延工程
上述したようにマンドレルミルではロールの溝底側で延伸圧延が、フランジ側で絞り圧延が行われる。浸炭現象を抑制するためには、フランジ側の絞り圧延領域を広くし、溝底側の延伸圧延領域を狭くすればよい。しかし、狭くするのみでは完全ではないので、内面規制工具としてのマンドレルミルバーを管内面に挿入することなく圧延するのである。即ち、マンドレルミルをサイザ、レデューサの如く、絞り圧延機として使用するのである。また、マンドレルミルによる延伸圧延工程自体を省略することもでき、それにより製造コストを著しく下げることができる。【００３７】
４．冷間圧延、冷間抽伸工程
幸いなことに、ステンレス鋼管および高合金鋼管は、ほとんどが冷間圧延工場へ送られ、冷間圧延工程または冷間抽伸工程を経て製品となる。従って、穿孔圧延工程で不可避的に生ずるスパイラルマークは、延伸圧延工程で肉厚加工がなされなくとも、最後の冷間圧延工程で消失させることができ、管の内外面を平滑化することができる。【００３８】
冷間圧延、冷間抽伸は、製品の機械的性質を高めると同時に、目標寸法に仕上げるために行うものである。冷間圧延はマンドレルバーを内面側に挿入し、一対の孔型ロールが往復運動するコールドピルガーミルによって行えばよく、また冷間抽伸はドローベンチを用いて行えばよい。
【実施例】
【００３９】
以下、本発明の実施例について述べるが、実施例１は高加工度薄肉穿孔法の適用例、実施例２は高加工度薄肉冷間圧延法の適用例である。【００４０】
[実施例１]
18％Cr-8％Niオーステナイト系ステンレス鋼の60mm径のビレットを供試材として、1250℃の温度で拡管比1.5の高加工度薄肉穿孔を行って、外径90mm、肉厚2.7mmのホローシェルとした。次いで、同じ温度で外径を45mm(肉厚3.5mm)に絞り、冷却後、コールドピルガミルにより外径25mm、肉厚1.65mmに冷間圧延した。熱間圧延工程ではパイロットミルを、冷間圧廷工程は実生産ミルを使用した。【００４１】
熱間圧延工程で延伸圧延工程を省略したので製品管の内外表面に浸炭現象は認められなかった。具体的には、母材の炭素含有量に比べて、管の内外表層部のそれぞれ0.1mmから0.2mmまでの深さの層における炭素の平均含有量の増加分は、0.01％以下であった。また、穿孔圧延で残存したスパイラルマークもコールドピルガミルによる冷間の延伸圧延によって完全に消失し、内外面肌は美麗であった。【００４２】
試験条件を以下に示す。
１．穿孔圧延条件（図５参照）
交叉角・・・γ＝25°
傾斜角・・・β＝12°
プラグ径・・・ｄp＝80mm
ビレット径・・・ｄo＝60mm
ホローシェル径・・・ｄ＝90mm
ホローシェル肉厚・・・t＝2.7mm
拡管比・・・ｄ/ｄo＝1.50
穿孔比・・・ｄo2/4t(ｄ-t)＝3.82
「肉厚/外径」比・・・(t/ｄ)×100＝3.0％
２．絞り圧延条件（シンキングレデューサによる圧延条件）
素管寸法:  外径90mm、肉厚2.7mm
圧延寸法:  外径45mm、肉厚3.5mm
圧延比:  1.62
３．冷間圧延条件
素管寸法:  外径45mm、肉厚3.5mm
圧延寸法:  外径25mm、肉厚1.65mm
圧延比:  3.77【００４３】
[実施例２]
高合金鋼の熱間加工性は、ステンレス鋼のそれよりもなお劣悪であり、穿孔温度が1275℃を超えるとラミネーションを発生することが多い。そこで、この実施例では、25％Cr-35％Ni-3％Mo高合金鋼(Ｃ含有量は0.01％)の85mm径のビレットを供試材として1200℃の温度で拡管比1.06の穿孔を行い、外径90mm、肉厚5.4mmのホローシェルとなした。次いで、同じ温度で外径を50mm(肉厚6.2mm)に絞り、冷却後コールドピルガミルにより外径25mm、肉厚1.65mmになるように高加工度薄肉圧延を施した。内外面の表面肌は美麗であり、浸炭現象は認められなかった。具体的には、母材の炭素含有量（0.01％）に比べて、管の内外表層部のそれぞれ0.1mmから0.2mmまでの深さの層における炭素の平均含有量の増加分は0.01％以下、即ち、上記の層の平均炭素含有量は0.02％以下であった。【００４４】
試験条件を以下に示す。
1．穿孔条件
交叉角・・・γ＝30°
傾斜角・・・β＝12°
プラグ径・・・ｄp＝75mm
ビレット径・・・ｄo＝85mm
ホローシェル径・・・ｄ＝90mm
ホローシェル肉厚・・・t＝5.4mm
拡管比・・・ｄ/ｄo＝1.06
穿孔比・・・ｄo2/4t(ｄ-t)＝3.95
「肉厚/外径」比・・・(t/ｄ)×100＝6.0％
２．絞り圧延条件（シンキングレデューサによる圧延条件）
素管寸法:  外径90mm、肉厚5.4mm
圧延寸法:  外径50mm、肉厚6.2mm
圧延比:  1.68
３．冷間圧延条件
素管寸法:  外径50mm、肉厚6.2mm
圧延寸法:  外径25mm、肉厚1.65mm
圧延比:  7.05
【産業上の利用可能性】
【００４５】
マンドレルミル工程に代表される、いわゆるマンネスマンプロセスでステンレス鋼管および高合金鋼管を穿孔する際に発生する内面疵やラミネーション（肉厚中央部の二枚割れ）の問題は、本発明者の先の発明（PCT／JP2004／7698として出願）により既に解決した。残された最後の問題、すなわちマンドレルミルにおける浸炭問題も本発明により解消される。これまで、ステンレス鋼管、高合金鋼管等は、ユジーン押出しプロセスによって製造されてきたが、押出し製管した製品の偏肉特性は、マンネスマンプロセスで製管した製品のそれに比較して決定的に劣っている。【００４６】
また、周知のように、ユジーン製管の最大の欠点は製造コストが高いことであり、ビレットの切削加工、工具の摩耗対策、潤滑剤として用いるガラスの除去作業にもコストが嵩み、何よりも長尺管の製造が不可能なので、生産能率もマンネスマンプロセスに比較して決定的に劣っている。本発明の製造方法の経済的効果はきわめて大きい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】マンネスマンマンドレルミル工程を説明する図である。
【図２】フルフロート・マンドレルミルおよびリテインド・マンドレルミルの説明図である。
【図３】マンドレルミルにおける変形中の応力の状態を示す被圧延材の横断面図である。
【図４】マンドレルミルの各スタンドにおける応力の推移を示す図である。
【図５】穿孔圧延の態様を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１.マンドレルバー
２．被圧延材
３．ロール
４．バーリテイナ
５．管の内面
６．ビレット
７．ホローシェル
８．ロール
【図１】
0004438960.tif 000002
【図２】
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【図３】
0004438960.tif 000004
【図４】
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【図５】
0004438960.tif 000006