JP3269447B2 - 熱間継目無鋼管製造用マンドレルバーの寿命向上方法 - Google Patents

Description

【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・マ
ンドレルミル方式による熱間継目無鋼管の製造に使用す
る熱間圧延工具であるマンドレルバーの寿命向上方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】マンネスマン・マンドレルミル方式によ
る継目無鋼管の製造工程は以下の通りである。

【０００３】素材の丸鋼片は、回転炉床式加熱炉で加熱
した後、穿孔機で穿孔される。この穿孔された素管には
マンドレルバーが挿入され、７〜９スタンドの対向孔型
ロールから構成されたマンドレルミルで所定の寸法に圧
延される。圧延後マンドレルバーは素管から引き抜かれ
循環再使用される。マンドレルバーは１組が10〜14本で
構成され、通常は前述の循環再使用を繰り返し行って用
いる。

【０００４】マンドレルバーの材質はCr−Mo系あるいは
Cr−Mo−Ｖ系の耐摩耗、耐亀裂性に優れたものが従来よ
り使用されている。マンドレルバー表面には固体潤滑剤
を主成分とする潤滑皮膜をあらかじめ形成して用いる。
この潤滑皮膜によって圧延時、および引き抜き時に発生
する素管内面とマンドレルバー表面との摩擦力を減じて
素管内面に工具疵が発生するのを防止している。しか
し、マンドレルバーの繰り返し使用によりマンドレルバ
ー表面の摩耗や肌荒れが発生・進行し、ある限界を超え
ると、圧延に支障をきたす状態になって、この時点がマ
ンドレルバーの寿命と呼ばれ、マンドレルバーが使用不
可能となるため再生を行う。

【０００５】図１は、従来法による寿命のきたマンドレ
ルバーの再生法の工程図であり、これによれば、寿命の
きたマンドレルバーは高圧蒸気によってマンドレルバー
に付着している潤滑剤を剥離し、次いで直径５〜20mm程
度外削し、研磨後、高周波焼入れおよび焼戻して熱処理
を行い、最後に潤滑剤を塗布してマンドレルバーを再
度、使用するのである。

【０００６】このように、従来から、使用によって肌荒
れが進行して表面状態の悪くなったマンドレルバーは外
削され直径5.0 〜20mmの外径サイズダウンを行って再使
用されてきた。大幅なサイズダウンはマンドレルバー費
用の上昇をもたらすため、上記のような外削量の削減が
求められている。

【０００７】図２は、マンドレルバーの表面層を示す模
式的説明図であり、図示のように、新作マンドレルバー
10の表層には、耐摩耗用に表面から10mm程度の高周波焼
入れ層20を設けており、この高周波焼入れ層20は高硬度
ゆえ耐靱性に劣る。さらに圧延時の使用によりマンドレ
ルバーの極く表面部への熱影響で部分的ではあるが高温
に加熱されるため圧延後の冷却水で焼入れが行われさら
に高硬度化する。

【０００８】このことから従来より上述のような外径の
サイズダウンを行う時はマンドレルバー全体を軟化して
から切削を行っていた。再使用するにあたって高周波焼
入れと焼戻し処理を行って、再度、高硬度層の確保と表
面スケールの付着を行うが、外削代が元の高周波焼入れ
層(10mm)より少ないと耐靱性が劣る層が残存し、焼入れ
時に亀裂が発生して、再度改削を実施しないかぎり使用
不可能となる。

【０００９】一般的にマンドレルバーは1000〜2000本の
素管圧延が可能である。例えば、後述するように、表面
の荒れ限界を寿命の指標として用い、表面粗さRz＝50μ
ｍで寿命と考え、外径切削を繰り返すことでその寿命延
長を図ることにより延べ8000本程度の圧延が可能であ
る。しかし、切削代を多く繰り返し外削を行っていくと
マンドレルバーが径小となって、かえって原単位が悪化
する原因となる。

【００１０】ところで、マンネスマン・マンドレルミル
方式による継目無鋼管の製造においては、製造コストに
占めるマンドレルバー費用の割合が大きくマンドレルバ
ーの寿命向上は、継目無鋼管の製造コストに大きく影響
する。

【００１１】そこでマンドレルバー外径サイズダウンに
よるロスを改善する方法として、図１に関連して説明す
ると、使用により表面荒れが限度を超えて寿命となった
(Rz≧50μｍにまで表面粗度が悪化した) マンドレルバ
ーに対して、表面の潤滑剤を高圧蒸気によって除去し、
ベルターまたはGF(Grinding Flap) ホイールを用いて研
磨することで外径減少代を0.04mm程度におさえる新作マ
ンドレルバー同様の表面硬度を確保し、研磨後のマンド
レルバー表面に常温ないし100 ℃に保持した海水などの
塩化マグネシウム系水溶液を散布し赤錆、つまり錆スケ
ールを発生させた上でシュウ酸入り潤滑剤を塗布して耐
焼付き性を確保したスケール肌に仕上げ、再使用する繰
り返し利用法 (特開平８−243610号公報) が本件出願人
によって提案されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記の発明において、
１回のマンドレルバー外径減少代を0.04mmと少なくして
再利用する方法は効果的と考えられる。しかし、1000〜
1100℃のマンドレル圧延および瞬時に1500℃に達すると
予想される圧延後のマンドレルバー引き抜き時に起こる
熱影響で、マンドレルバーの極く表面付近は円周方向お
よび半径方向に不均一な硬度分布となっている。

【００１３】図３および図４は、それぞれ、マンドレル
バー表面からの深さに対する硬度分布を示すグラフおよ
びマンドレルバー円周方向における硬度分布を示すグラ
フである。これらの結果からも、極く表面部には高硬度
の領域が存在し、また半径方向にも硬度分布がバラつく
ことが分かる。

【００１４】そのため0.04mm程度の外径減少代では硬度
の不均一層を完全に削除できず、マンドレルバー再使用
時に表面摩耗が発生しやすい。また表面均一硬度のため
外径サイズダウン時の研削、切削代にバラツキが生じや
すいため、外径減少代が不均一であった。また、たとえ
研削、切削ができたとしても、焼入れした層に次の焼入
れを行うため表面亀裂を来たすことも判明した。

【００１５】また、上記提案のスケール付着処理法にお
いて海水などの塩化マグネシウム系水溶液を塗布して
も、再使用時のマンドレルバーの表面荒れを助長し、管
内面荒れが生成するなど、圧延特性等に悪影響を及ぼす
こともあり、また海水などの塩化マグネシウム系水溶液
の散布効果が全く見られない場合があるといった問題が
ある。

【００１６】また赤錆とシュウ酸入り潤滑剤の皮膜のみ
では耐焼付き性には効果が不十分であることも判明し
た。ここに、本発明の一般的な目的は、上述のような従
来技術の問題点を解決することで、飛躍的にマンドレル
バーの寿命延長を図ることによりマンドレルバーの原単
位を大幅に低減可能とする方法を提供することである。

【００１７】本発明の具体的目的は、熱処理に際しての
表面亀裂の発生を防止し、錆スケール形成に際しての塩
化マグネシウム溶液等の塗布効果を確実に発揮させ、か
つ耐焼付け性の大幅な改善を図ることのできるマンドレ
ルバーの寿命延長方法を提供することである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】ここに、本発明者らはか
かる課題を解決するための手段について検討を重ね、次
のような知見を得た。

【００１９】(i) 上記提案のスケール付着処理法におい
て、錆スケール形成前、つまり海水などの塩化マグネシ
ウム系水溶液を塗布する前のマンドレルバー表面粗さが
粗すぎると、再使用時のマンドレルバーの表面荒れを助
長し、管内面荒れが生成すること、一方、表面粗さが細
かすぎると海水などの塩化マグネシウム系水溶液を散布
する時に流れ落ちて付着しない。

【００２０】このようにマンドレルバー表面のスケール
付着の観点からは、錆スケール形成のために、例えば海
水などの塩化マグネシウム系水溶液を散布する前のマン
ドレルバー表面粗さを、Rz≦10μｍ、Ra≦３μｍに、好
ましくはRz：１〜10μｍの範囲に調整する。 (ii)耐焼付き性の改善には、熱処理でスケール皮膜を形
成することが必要である。

【００２１】(iii) マンドレルバーの極く表面付近の円
周方向および半径方向に不均一硬度分布の層を完全に削
除して、マンドレルバー新生面の硬度を均一化すること
でマンドレルバーの寿命向上を実現できる。

【００２２】したがって、マンドレルバー表層の熱影響
層、硬度の不均一層を詳細に調査した結果、マンドレル
バー表層の熱影響層は1000〜2000本の圧延使用で表面か
ら0.05mm前後の深さがあることが判明した。

【００２３】また、前述の図３の結果から、圧延使用後
の表面硬度は新作時のマンドレルバー表面硬度と比較す
るとＨs 10〜Ｈs 20高い部分があること、また表層に至
ってはＨs 5 程度硬度が低い部分があることが分かっ
た。

【００２４】したがって、本発明では、圧延使用後のマ
ンドレルバー表面硬度を均一にして研削および切削によ
る外径減少代を均一にするため、事前処理として新作マ
ンドレルバー製造時の初期焼戻し温度以下で再熱処理を
行う (硬度の均一化、それを超えると亀裂等が生成し、
切削不可) こと、またマンドレルバー表層の熱影響層を
完全に削除し、再使用時の表面硬度を新作時のマンドレ
ルバー表面硬度と同様に確保するためには0.06mm以上の
外径サイズダウンを行い、好ましくは、図３の極く表面
部分の硬度の高い部分および低い部分を除去するため
に、図中、符号Ｌで示す0.06〜0.1mm の範囲を削除する
のである。

【００２５】さらに本発明にあっては、錆スケールを形
成させた、例えば海水などの塩化マグネシウム系水溶液
を散布した後、24Hr以上乾燥して赤錆を形成させたマン
ドレルバーを再度新作製造時の初期焼戻し温度以下で熱
処理を施し (適正硬度となると共にスケールの生成可)
、表面に耐焼付き用のスケール皮膜を形成してからシ
ュウ酸入り潤滑剤を塗布することを提案する。

【００２６】ここに、本発明は次の通りである。 (1) マンネスマン・マンドレルミル方式により継目無鋼
管を製造する際に使用するマンドレルバーの寿命を向上
する方法であって、使用後のマンドレルバーを新作製造
時の初期焼入れ後の焼戻し温度以下で熱処理を施して表
面硬度を均一化し、0.06mm以上、好ましくは0.06〜0.1
mm研削もしくは切削を行い、次いで研磨を行ったのち、
例えば海水のような水塩化マグネシウム系水溶液などの
散布を行って、錆スケールを付着させた上、さらに新作
製造時の初期焼戻し温度以下の熱処理によってマンドレ
ルバー表面に耐焼付き用のスケール皮膜を形成させるこ
とを特徴とするマンドレルバー寿命向上方法。

【００２７】(2) 前記研磨によりRz≦10μｍ、Ra≦３μ
ｍの表面粗さを確保することを特徴とする上記(1) 記載
のマンドレルバー寿命向上方法。 (3) 前記散布の後に、24Hr以上、好ましくは36〜48時間
乾燥させてから前記熱処理を行うことを特徴とする上記
(1) または(2) 記載のマンドレルバー寿命向上方法。

【００２８】かくして、本発明によれば、新作マンドレ
ルバー同様の表面硬度、表面スケール状態で再使用し、
同一サイズの素管肉厚を圧延するマンドレルバーとして
寿命を大幅に延長することができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】本発明では、圧延使用で表面硬度
・表面粗度が悪化したマンドレルバーの外径を0.06mm以
上安定して研削もしくは切削することによって、Rz＝50
μｍ程度の表面粗さをRz≦10μｍにまで回復し、新作マ
ンドレルバーと同様の表面硬度、表面付着スケールを確
保するとともに、再度同一サイズの素管肉厚を圧延でき
るマンドレルバーを同一素材で数回以上提供可能となり
マンドレルバーの寿命向上を図れる。

【００３０】図５（イ) は、マンドレルバーの寿命時の
肌荒れの様子を示す三次元スキャン図であり、図５
（ロ) は、本発明によってRz≦10μｍ、Ra≦３μｍの表
面粗さにまで研磨後の表面の様子を示す同じく三次元ス
キャン図である。

【００３１】現在マンドレルバーの外径管理基準が基準
外径±0.3 mmであり、新作マンドレルバーを管理基準上
限で製作した場合、本発明による0.06mmの外径サイズダ
ウンを繰り返し適用することで、同一サイズの素管肉厚
を圧延できるマンドレルバーを10回再生して使用するこ
とが可能となる。

【００３２】従来、同一サイズの素管肉厚を圧延できる
マンドレルバーは1000〜2000本の素管圧延本数で寿命と
なっていたが、本発明を適用すると10,000〜20,000本の
素管が圧延可能となり、マンドレルバーの寿命、原単位
が大幅に向上する。

【００３３】

【実施例】[実施例１]圧延使用後の寿命となった直径17
9 mmサイズのマンドレルバーについて、新作製造時の初
期焼戻し温度以下で熱処理を行ったものと、従来通り熱
処理を施さないものについて、研削を実施して外径研削
量と研削後の表面硬度を比較した。また実際の圧延機の
圧延に使用して寿命となったマンドレルバーの寿命を比
較した。結果は表１にまとめて示す。

【００３４】表１から分かるように、従来通り熱処理を
施さないものは、研削後の表面硬度もかなりバラツキが
あり、500 本前後の素管圧延本数で寿命となる。しか
し、新作製造時の初期焼戻し温度以下の処理を施したマ
ンドレルバーは、研削後の硬度バラツキも少なく全て10
00本以上の素管圧延が可能であることがわかる。本例に
おけるマンドレルバー再生の処理条件は次の通りであっ
た。

【００３５】素材マンドレルバー：外径サイズ直径179
mm、Cr-Mo-Ｖ系、1532本圧延使用後寿命(Rz=52μｍ) 研削条件：GFホイール研削 (研削量0.06mm設定、最終研
磨仕上肌Rz≦10μm 、Ra≦３μm) 錆スケール＋耐焼付け用スケール皮膜付着方法：海水散
布＋初期焼戻し温度以下の温度での熱処理＋シュウ酸入
り潤滑剤の適用 圧延素管サイズ：直径228 mm×18.5mm、材質：炭素鋼 マンドレルミル圧延温度：1000〜1020℃

【００３６】

【表１】

【００３７】[実施例２]実施例１のNo.1に準じて均一硬
度化の熱処理したのち、研磨後のマンドレルバー表面粗
さで塩化マグネシウム系水溶液である海水を散布して24
時間乾燥した後の錆スケールの付着性を比較し、さらに
引き続いて熱処理を施して耐焼付き用スケール皮膜を形
成した場合と従来通り熱処理をしない場合とについてそ
れぞれ実際の圧延機に試験的に使用したときの耐焼付き
性、寿命を比較した。結果は表２にまとめて示す。表
中、耐焼付き性を示す「○」は焼付けがみられなかった
場合、「×」は即焼付けが発生して製造を継続できなか
った場合、「△」は寿命のきたときに焼付きが発生した
場合をそれぞれ示す。

【００３８】なお、試験に用いたマンドレルバーの新作
製造時の初期焼戻し温度は670 ℃であり、実際の圧延機
による圧延前にはすべてのマンドレルバーの表面にシュ
ウ酸入り潤滑剤を塗布している。

【００３９】表２から研磨後の表面粗さが粗いほど海水
散布時の付着性は良好であるが、素管圧延本数 (マンド
レルバー寿命) が少ないのが分かる。また、海水散布後
熱処理を施した場合と、施さない場合では圧延使用時、
耐焼付き性が全く異なっているのがはっきりと分かる。

【００４０】図６は、熱処理前後で硬度がどのように変
化するかをマンドレルバーの円周方向に沿って示すグラ
フである。熱処理によって円周方向に沿ってほぼ均一な
硬度が得られることが分かる。

【００４１】図７は、本例におけるマンドレルバー寿命
比較を示すグラフであり、本発明による再生法によれ
ば、従来寿命に比較してほぼ６倍の寿命延長を図ること
ができ、これによりマンドレルバーの原単位の大幅な低
減が可能となることが分かる。

【００４２】このことから、耐焼付き性のためのスケー
ル肌を確保して、マンドレルバーの寿命を新作マンドレ
ルバーと同様にするためには、海水付着性のための研磨
後表面粗さをRz≦10μｍに仕上げ、新作製造時の初期焼
戻し温度以下で熱処理を実施してからシュウ酸入り潤滑
剤を塗布して再使用することが必要であることがわか
る。

【００４３】

【表２】

【００４４】

【発明の効果】以上述べたとおり、本発明方法によると
表面肌の荒れたマンドレルバーを、大幅に外径切削して
再使用することなく、同一素管肉厚に対して繰り返し再
使用可能となる。よって１本あたりのマンドレルバーの
圧延量が繰り返し回数に乗じて増加し、マンドレルバー
原単位は大幅に改善できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のマンドレルバー外径サイズダウンの工程
図である。

【図２】マンドレルバーに見られる高周波焼入れ層の概
略説明図である。

【図３】圧延使用後のマンドレルバー半径方向硬度分布
を示すグラフである。

【図４】圧延使用後のマンドレルバー円周方向硬度分布
図である。

【図５】図５(イ) は圧延使用後、図５(ロ) は研磨後のマ
ンドレルバー表面粗さを比較して示す三次元スキャン図
である。

【図６】熱処理後のマンドレルバー円周方向硬度分布図
である。

【図７】マンドレルバー寿命比較を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−164404（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−150207（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−243610（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−163009（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B21B 25/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マンネスマン・マンドレルミル方式によ
   り継目無鋼管を製造する際に使用するマンドレルバーの
   寿命を向上する方法であって、使用後のマンドレルバー
   を新作製造時の初期焼入れ後の焼戻し温度以下で熱処理
   を施して表面硬度を均一化し、0.06mm以上研削もしくは
   切削を行い、次いで研磨を行ったのち、錆スケールを付
   着させた上、さらに新作製造時の初期焼戻し温度以下の
   熱処理によってマンドレルバー表面に耐焼付き用のスケ
   ール皮膜を形成させることを特徴とするマンドレルバー
   寿命向上方法。
2. 【請求項２】 前記研磨によりRz≦10μｍ、Ra≦３μｍ
   の表面粗さを確保することを特徴とする請求項１記載の
   マンドレルバー寿命向上方法。
3. 【請求項３】 前記錆スケールの付着を塩化マグネシウ
   ム系水溶液の散布の後に、24Hr以上乾燥することで行
   い、次いで前記熱処理を行うことを特徴とする請求項１
   または２記載のマンドレルバー寿命向上方法。