JP4279350B1 - 穿孔圧延用プラグ、その穿孔圧延用プラグの再生方法、およびその穿孔圧延用プラグの再生設備列 - Google Patents

穿孔圧延用プラグ、その穿孔圧延用プラグの再生方法、およびその穿孔圧延用プラグの再生設備列 Download PDF

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Abstract

穿孔圧延用プラグは、母材の表面に、Ｆｅを主成分とする鉄線材をアーク溶射することによってＦｅ３Ｏ４やＦｅＯ等の酸化物およびＦｅ（メタル）で構成される被膜が形成されているため、この被膜により、優れた遮熱性および焼付き防止性を実現でき、長寿命のプラグとなる。また、このプラグを再生するに際し、穿孔圧延ままのプラグをショットブラストおよびアーク溶射を順に経ることにより、被膜を再形成することができ、低コストで短時間にプラグの再生が可能である。
【選択図】図５

Description

本発明は、継目無鋼管の製造で用いられる穿孔圧延機で循環使用される穿孔圧延用プラグ（以下、単に「プラグ」ともいう）、そのプラグの再生方法、およびそのプラグの再生設備列に関する。
継目無鋼管を熱間で製造する方法として、マンネスマン製管法が広く採用されている。マンネスマン製管法では、所定温度に加熱された丸ビレットを穿孔圧延機（ピアサ）に送給し、その丸ビレットの軸心部を穿孔してホローシェルと称される中空素管を得る。
次いで、その中空素管をそのまま、または必要に応じて上記の穿孔圧延機と同一構成のエロンゲータを通じて拡径、薄肉化させた後、プラグミル、マンドレルミル等の後続する延伸圧延機に送給し、延伸圧延する。その後、ストレッチレデューサ、リーラ、サイザ等を通じて磨管、形状修正およびサイジングを行い、製品となる継目無鋼管を製造する。
穿孔圧延機による穿孔圧延においては、穿孔用工具として砲弾形状のプラグが用いられる。このプラグは、芯金の先端に装着され、１２００℃程度の高温に加熱されたビレットを穿孔するため、高熱で高面圧を負荷された状況におかれる。そのため、プラグ表面には、プラグ母材を保護するための酸化スケールの被膜が形成されている。スケール被膜は、ビレットからの熱を遮熱するとともに、ビレットとの焼付きを防止する役割を果たす。
通常、プラグ表面に形成されるスケール被膜は、熱間工具鋼から成るプラグを、９００℃〜１０００℃程度の高温で数時間から数十時間かけて熱処理することにより形成される。
近年、継目無鋼管の需要は顕著な増加を示し、特に、過酷な環境で使用される継目無鋼管の需要は増加が著しい。過酷な環境では、ステンレス鋼、Ｎｉ基合金鋼、９％以上の高Ｃｒ含有鋼といった高合金鋼の継目無鋼管が適する。
高合金鋼の継目無鋼管を製造する際に、穿孔圧延においてスケール被膜付きのプラグを使用すると、変形抵抗の高いビレットに穿孔を行うことから、プラグはスケール被膜の摩耗や剥離を発生し易い。プラグにスケール被膜の摩耗や剥離が発生すると、遮熱効果が低下することから、プラグ母材の温度が上昇し、プラグが溶損するおそれがある。
一般に、スケール被膜付きのプラグは、高合金鋼の継目無鋼管を製造する際の穿孔圧延に用いられた場合、数パスでスケール被膜が摩耗し、その寿命が極めて短くなる。
また、スケール被膜が損耗したプラグを用いて穿孔圧延を続けると、プラグ母材が直接ビレットに接することから焼付きが生じるとともに、中空素管の内面に疵が発生して製品品質が損なわれる。
したがって、高合金鋼の継目無鋼管を製造する際には、プラグの交換を頻繁に行わなければならず、その結果として穿孔圧延機の製造能率が低下する。特に近年のように、継目無鋼管の効率生産を指向し、マンネスマン製管設備の連続化が進展すると、穿孔圧延機の製造能率の低下は、継目無鋼管の製造全体の能率に影響を及ぼす。
穿孔圧延に使用されたプラグは、芯金から取り外されて再生され再使用するために、スケール被膜を再形成する必要があるが、そのための熱処理に多大な時間と工数を要する。このため、穿孔圧延機の製造能率を低下させることなく、プラグ交換を高頻度で行ってもプラグが不足しないように、莫大な数のプラグを確保する必要がある。
このような状況から、確保するプラグの数を可能な限り低減させるため、プラグ寿命の向上を図る種々の検討がされている。例えば、特公平４−８４９８号公報（以下、「文献１」という）には、Ｃｒを低減し、Ｍｏ、Ｗ等を添加してプラグ母材の高温強度を高めるとともに、プラグ表面に密着性に優れた酸化スケールを生成付着させたプラグが提案されている。
この文献１に提案されたプラグは、ビレットの穿孔長が長くなった場合に、プラグ母材の高温強度およびスケール被膜の密着性がともに不足し、十分な寿命を確保できないという欠点がある。
特開平４−７４８４８号公報（以下、「文献２」という）および特開平４−２７０００３号公報（以下、「文献３」という）には、高温変形抵抗および耐割れ性を向上させる成分組成のプラグ母材を採用し、プラグ表面に酸化スケールの被膜を形成したプラグが提案されている。しかし、これらの文献２および３に提案されたプラグは、穿孔時に、最も面圧が高く温度が上昇するプラグ先端部でスケール被膜が溶融して、遮熱性および耐摩耗性が消失するため、プラグ先端部に溶損や変形が発生し易いという欠点がある。
特公昭６４−７１４７号公報（以下、「文献４」という）には、ＣｒとＣｕを添加したプラグ母材を採用し、プラグ表面にスケール被膜を形成したプラグが提案されている。しかし、この文献４に提案されたプラグも、穿孔時に、プラグ先端部で溶損や変形が発生し易いという欠点がある。
いずれにしても、前記文献１〜４に提案されたプラグは、プラグ母材の成分組成を調整したものであるが、高合金鋼の継目無鋼管の穿孔圧延に適用される場合には、プラグ母材の成分設計のみでは、十分な寿命向上が期待できない。
また、前記文献１〜４に提案されたプラグは、穿孔圧延で再使用する場合、スケール被膜の再生に長時間の熱処理を要することに変わりはない。このため、プラグ表面の被膜を酸化スケール以外のものに変更し、プラグ寿命の向上を図る検討もなされている。
例えば、特開平１０−１８０３１５号公報（以下、「文献５」という）には、酸化スケールに替えて、表面の一部をＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２またはＳｉ３Ｎ４といったセラミックスで構成し、高温曲げ強度を高めたプラグが提案されている。特公昭５９−１３９２４号公報（以下、「文献６」という）には、表面にＦｅ酸化物の粉末をプラズマ溶射して被膜を形成したプラグが提案されている。
しかしながら、文献５に提案されたプラグでは、穿孔時の衝撃によりセラミックスの部分に欠損が生ずるおそれがあり、プラグ交換時や運搬時に慎重な取り扱いを要する。さらに、セラミックスで構成されたプラグは、それ自体が高価であり、再生も困難である。また、文献６に提案されたプラグでは、プラグの作製および再生に、粉末をプラズマ溶射するための大がかりな装置が必要となり、莫大なコストが必要になる。
前述の通り、穿孔圧延における製造能率の低下を来すことのないように、プラグ寿命の向上を図る対策が検討されてきたが、プラグ母材の成分設計のみでは、高合金鋼の継目無鋼管の穿孔圧延に用いる場合に、十分な寿命向上が期待できない。
また、穿孔圧延で再使用する場合に、スケール被膜の再生に長時間の熱処理を要することになる。このため、酸化スケールに替えてセラミックスで表面を構成したり、Ｆｅ酸化物粉末をプラズマ溶射して被膜を形成することが検討されたが、いずれもプラグ寿命の向上の有効な対策になり得ない。
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、循環使用に際し、プラグ寿命に優れ、低コストで、かつ短時間に再生できる穿孔圧延用プラグ、およびその穿孔圧延用プラグの再生方法、並びに一連のプラグ循環使用のための設備列（オンライン）の中でプラグを再生できる穿孔圧延用プラグの再生設備列を提供することを目的としている。
本発明者らは、上記課題を解決するため、継目無鋼管の製造における穿孔圧延に用いられるプラグについて、プラグ寿命の向上を図ること、および循環使用を円滑に行うために再生を低コストで短時間に実現することを目的に鋭意検討を重ね、本発明を完成させた。
本発明は、下記（１）の穿孔圧延用プラグ、（２）の穿孔圧延用プラグの再生方法、および（３）の穿孔圧延用プラグの再生設備列を要旨としている。
（１）継目無鋼管の製造で用いられる穿孔圧延機で循環使用されるプラグであって、ショットブラストされた当該プラグの母材の表面は、鉄線材でアーク溶射され、酸化物およびＦｅで構成される被膜が形成されていることを特徴とする穿孔圧延用プラグである。
上記（１）のプラグでは、前記被膜における前記酸化物の占める領域の比率が５５〜８０％であることが好ましい。また、前記被膜における前記酸化物の占める領域の比率が母材側よりも表層側で高いことが好ましく、この場合、前記被膜における前記酸化物の占める領域の比率は、母材との隣接部で４０％以下であり、表層部で５５〜８０％であることが好ましい。また、当該プラグが砲弾形状であり、前記被膜の厚みが胴部よりも先端部で厚いことが好ましい。また、前記被膜の表面に潤滑剤が積層されていることが好ましい。また、前記鉄線材がＷを含有するものであることが好ましい。
（２）上記（１）に記載の穿孔圧延用プラグを循環使用するための再生方法であって、前記プラグの表面にショットブラストを施して穿孔圧延ままの被膜を除去した後、鉄線材をアーク溶射することにより、酸化物およびＦｅで構成される被膜を形成することを特徴とする穿孔圧延用プラグの再生方法である。
上記（２）の再生方法では、前記ショットブラストによる前記被膜の除去、および前記アーク溶射による前記被膜の形成は、砲弾形状の前記プラグの先端部のみに行うことが好ましい。
（３）継目無鋼管の製造で用いられる穿孔圧延機で循環使用されるプラグの再生設備列であって、前記プラグを装着した芯金を穿孔圧延機に供給し、さらに穿孔圧延後の芯金を回収する芯金受渡し装置と、この芯金受渡し装置から穿孔圧延後の芯金を受け取り、穿孔圧延ままのプラグを再生プラグに交換した芯金を前記芯金受渡し装置に供給するプラグ交換装置と、このプラグ交換装置から穿孔圧延ままのプラグを受け取り、穿孔圧延ままのプラグの表面にショットブラストを施すショットブラスト装置と、このショットブラスト装置で処理されたプラグを受け取り、その表面に鉄線材をアーク溶射して酸化物およびＦｅで構成される被膜を形成した再生プラグを、前記プラグ交換装置に供給するアーク溶射装置とを配列し、これらの装置の配列中で、順次、穿孔圧延ままのプラグを再生プラグに切り替え、前記芯金に装着して穿孔圧延機に繰り返し供給することを特徴とする穿孔圧延用プラグの再生設備列である。
上記（３）の再生設備列では、前記再生プラグを装着した芯金を前記芯金受渡し装置から前記穿孔圧延機へ供給する経路に、前記再生プラグの表面に潤滑剤を積層させる潤滑剤噴射装置を備えることが好ましい。
本発明の穿孔圧延用プラグによれば、プラグ表面に形成されている被膜が酸化物およびＦｅで構成されるため、遮熱性および焼付き防止性に優れるとともに、プラグ寿命の向上が図れ、しかも、被膜がアーク溶射によって形成されているため、低コストで短時間に作製および再生することができる。
また、本発明の穿孔圧延用プラグの再生方法によれば、穿孔圧延ままのプラグをショットブラストおよびアーク溶射を順に経ることによって、プラグ表面に酸化物およびＦｅで構成される被膜を再形成するため、低コストで短時間にプラグを再生することができる。
さらに、本発明の穿孔圧延用プラグの再生設備列によれば、プラグを短時間で再生して交換する自動化された一連のプラグ循環使用のための再生ラインとして成り立ち、継目無鋼管の製造全体の能率に支障を生じさせることなく、オンラインでプラグの再生が可能になる。
図１は、プラグにおけるアーク溶射距離に応じた表面被膜のＸ線解析測定結果を示す図である。
図２は、プラグにおけるアーク溶射距離に応じた表面被膜の断面ミクロ観察組織を示す図である。
図３は、プラグにおける被膜中の酸化物比率と被膜の密着力との相関を示す図である。
図４は、プラグにおける被膜中の酸化物比率と被膜の摩耗量との相関を示す図である。
図５は、プラグにおける被膜中の酸化物比率と連続穿孔圧延回数（パス回数）との相関を示す図である。
図６は、溶射距離を徐々に長くしてアーク溶射を行ったときのプラグにおける表面被膜の断面ミクロ観察組織を示す図である。
図７は、Ｗを含有する鉄線材を用いてアーク溶射被膜を形成したプラグについて、Ｗ含有量と穿孔効率の関係を示す図である。
図８は、Ｗを含有する鉄線材を用いてアーク溶射被膜を形成したプラグについて、穿孔効率とプラグ先端の変形量の関係を示す図である。
図９は、アーク溶射被膜付きプラグの先端部およびその近傍部の１０パス穿孔後の状態を模式的に示す断面図である。
図１０は、連続穿孔パス回数と、プラグ胴部に残存する被膜の厚さとの相関を示す図である。
図１１は、本発明の穿孔圧延用プラグを循環使用する再生設備列の全体構成を模式的に示す図である。
図１２は、プラグ交換装置の全体構成を示す側面図である。
図１３は、プラグ交換装置におけるプラグの着脱機構の一例を説明するための要部断面図である。
図１４は、ショットブラスト装置の全体構成を示す側面図である。
図１５は、アーク溶射装置の全体構成を示す側面図である。
図１６は、潤滑剤噴射装置を配備する場合のプラグ再生設備列の全体構成を模式的に示す図である。
図１７は、潤滑剤噴射装置の全体構成を示す側面図である。
図１８は、潤滑剤噴射装置を配備する場合のプラグ再生設備列の全体構成の別例を模式的に示す図である。
本発明の穿孔圧延用プラグは、プラグ母材の表面に被膜を形成するにあたり、アーク溶射装置を用い、Ｆｅを主成分とする鉄線材でプラグ母材の表面をアーク溶射することにより、プラグ母材の表面に、Ｆｅ３Ｏ４やＦｅＯ等の酸化物、およびＦｅ（メタル）で構成される被膜を形成したことを特徴としている。
このような構成を採用することにより、従来の熱処理によるスケール被膜の形成に比べて極めて短時間に、アーク溶射により新規作製プラグおよび再生プラグの表面に被膜を形成することができる。しかも、アーク溶射の装置は、従来のプラズマ溶射の装置と比べてはるかに簡素な構成とすることができ、さらに、アーク溶射の溶射材料である鉄線材は、従来のプラズマ溶射の溶射材料である粉末と比べ安価に調達できる。
また、本発明の穿孔圧延用プラグの表面に形成される酸化物およびＦｅの混在した被膜は、遮熱性および焼付き防止性に優れる。以下、本発明の穿孔圧延用プラグが具備する特性を説明する。
図１は、プラグにおけるアーク溶射距離に応じた表面被膜のＸ線解析測定結果を示す図である。図２は、プラグにおけるアーク溶射距離に応じた表面被膜の断面ミクロ観察組織を示す図である。溶射距離とは、アーク溶射装置の溶射ノズルから被膜対象物であるプラグ母材の表面までの距離のことである。図１および図２では、溶射距離を２００ｍｍ、４００ｍｍ、６００ｍｍ、８００ｍｍ、１０００ｍｍ、１２００ｍｍおよび１４００ｍｍとしたアーク溶射により形成した各被膜の測定結果および断面ミクロ組織を示している。
図１から、アーク溶射によりプラグ母材の表面に形成された被膜において、溶射距離が長くなるほど、酸化物であるＦｅ３Ｏ４およびＦｅＯの含有量が増加する一方、Ｆｅの含有量が減少することがわかる。これは、溶射ノズルから吹き出される溶融した溶射材料（Ｆｅ）における酸化が、溶射距離に応じて進行することに起因する。
また、図２に示す被膜の断面において、図中で領域を表示するように、薄い灰色で観察される領域はＦｅを示し、濃い灰色で観察される領域は酸化物を示し、黒色で観察される領域は空隙を示している。同図から、例えば、溶射距離が２００ｍｍのときは、酸化物が被膜の２０％〜３０％の領域を占め、残りの７０％〜８０％の領域をＦｅが占める。溶射距離が１０００ｍｍのときは、酸化物が被膜の８０％程度の領域を占め、残りの２０％程度の領域をＦｅが占める。図２のミクロ組織からも、溶射距離が長いほど、酸化物が増加する一方、Ｆｅが減少することがわかる。
このように、被膜中で酸化物の占める領域の比率（以下、「酸化物比率」という）は、溶射距離に応じて変動する。したがって、溶射距離を調整することにより、被膜中の酸化物比率を制御することができる。
図３は、プラグにおける被膜中の酸化物比率と被膜の密着力との相関を示す図である。被膜の密着力は、プラグ母材の表面との密着性能を表すものであって、穿孔圧延における耐剥離性の指標となる。すなわち、密着力が高ければ被膜が剥離しにくく、密着力が低ければ被膜が剥離しやすい。同図に示すように、被膜の耐剥離性は、被膜中の酸化物比率が高くなるに従って低下し、酸化物比率が８０％以上で急激に低下する。
図４は、プラグにおける被膜中の酸化物比率と被膜の摩耗量との相関を示す図である。被膜の摩耗量は、表面被膜を１６００回摺擦したときの重量減少分を表すものであって、穿孔圧延における耐摩耗性の指標となる。すなわち、摩耗量が小さければ被膜が摩耗しにくく、摩耗量が大きければ被膜が摩耗しやすい。同図に示すように、被膜の耐摩耗性は、被膜中の酸化物比率が高くなるに従って低下し、酸化物比率が８０％以上で急激に低下する。
前記図３および図４において、被膜中の酸化物比率が高くなるに従って、被膜の耐剥離性および耐摩耗性が低下するのは、酸化物同士の間に介在して両者の結合に寄与するＦｅ（メタル）が減少することに起因する。
ところで、前記図３および図４からは、被膜中の酸化物比率が低いほど、被膜の耐剥離性および耐摩耗性が確保されるが、酸化物比率が低すぎると、Ｆｅが被膜の大半を占めるようになり、相対的に熱伝導率が高くなり、遮熱性が低下する。そのため、穿孔圧延時に、プラグ先端部に溶損や変形が発生し易くなる。
図５は、プラグにおける被膜中の酸化物比率と連続穿孔圧延回数（パス回数）との相関を示す図である。同図に示す結果を導いた試験を行うに際し、ＪＩＳ規定の熱間工具鋼を母材とした供試用のプラグを準備し、それぞれのプラグ母材の表面に、鉄線材をアーク溶射することによって４００μｍ程度の被膜を形成した。
アーク溶射の際、被膜中の酸化物比率が２５、４５、６０、７５、および８５％になるように、各酸化物比率に対応する溶射距離に溶射ノズルの位置を調整した。また、比較のために、プラグ母材の表面にＦｅ３Ｏ４の粉末をプラズマ溶射することによって被膜を形成した。このプラズマ溶射プラグは、前記文献６に提案されたプラグに相当し、その被膜は１００％酸化物で構成される。
得られた供試用のプラグを使用し、被圧延材を繰り返し穿孔圧延する試験を行った。被圧延材としては、材質がＳＵＳ３０４（ＪＩＳ規定のオーステナイト系ステンレス鋼）の高合金鋼で、外径が７０ｍｍ、長さが１０００ｍｍの丸ビレットを用いた。この被圧延材を１２００℃に加熱した後、前記供試用のプラグを使用し、外径が７４ｍｍ、肉厚が８．６ｍｍ、長さが２２００ｍｍのホローシェルに成形する穿孔試験を実施した。
このとき、供試用のプラグについて、穿孔圧延を終えるたびに外観を検査し、プラグ先端部に溶損または変形が発生したときのパス回数、すなわち連続して穿孔圧延を繰り返すことができる最大のパス回数（連続穿孔圧延回数）でプラグ寿命を評価した。
図５に白抜き丸印で示すように、被膜中の酸化物比率が２５％のプラグでは、連続穿孔パス回数が０（ゼロ）、酸化物比率が４５％および８５％のプラグでは、連続穿孔パス回数が１パス、酸化物比率が６０％および７５％のプラグでは、連続穿孔パス回数が３パスである。
比較のためのプラズマ溶射プラグでは、図５に黒塗り丸印で示すように、連続穿孔パス回数が１パスである。また、被膜中の酸化物比率が２５％および４５％のプラグでは、プラグ先端部に溶損や変形の発生が認められた。
図５に示す結果から、アーク溶射により被膜中の酸化物比率が５５〜８０％に調整された被膜付きのプラグは、プラズマ溶射プラグの２倍以上のプラグ寿命を有し、さらに、被膜中の酸化物比率が６０〜７５％に調整された被膜付きのプラグは、プラズマ溶射プラグの３倍以上のプラグ寿命を有することが明らかである。
したがって、本発明のプラグは、高合金鋼の継目無鋼管製管時の穿孔圧延に用いられる場合、被膜中の酸化物比率を５５〜８０％とすれば、従来のプラズマ溶射プラグよりも長寿命のものとなる。さらに、プラグ寿命の一層の向上を図る観点から、被膜中の酸化物比率を６０〜７５％とすることが好ましい。
続いて、前記図５に示す結果から明らかになった被膜中の酸化物比率に関し、更なる有効性を検討する。前記図５に示す結果を導く試験に用いたプラグでは、被膜中の酸化物比率が、母材との隣接部から表層部までの全域に亘って均一になるように、溶射距離を一定に保持した状態でアーク溶射を行って被膜を形成しているが、ここでは、被膜中の酸化物比率が表層側ほど次第に増加するように、溶射距離を徐々に長くさせながらアーク溶射を行って被膜を形成するプラグについて、さらに試験を実施した。
すなわち、被膜の形成にあたり、プラグ母材の表面に溶射ノズルを近づけた状態、すなわち溶射距離が短い状態でアーク溶射を開始し、その後徐々に溶射ノズルを遠ざけ、溶射距離が長くなった状態でアーク溶射を終了した。これにより、プラグ母材の表面には、酸化物比率が表層側ほど次第に増加する被膜が形成される。この被膜は、母材との隣接部では酸化物比率が低く、表層部では酸化物比率が高くなる。
図６は、溶射距離を徐々に長くしてアーク溶射を行ったときのプラグにおける表面被膜の断面ミクロ観察組織を示す図である。同図に示す被膜の断面おいては、前記図２と同様に、薄い灰色で観察される領域がＦｅを示し、濃い灰色で観察される領域が酸化物を示し、黒色で観察される領域が空隙を示している。図６に示すように、プラグ母材の表面に形成された被膜は、母材との隣接部で酸化物比率が低く、表層部で酸化物比率が高くなっている。
このような被膜付きの供試用プラグを使用し、上述した穿孔試験と同様の試験を実施した。その評価は、上述した連続穿孔圧延回数（パス回数）によるプラグ寿命で行った。また、比較のために、溶射距離を一定にした状態でアーク溶射を行い、プラグ母材の表面に酸化物比率が全域に亘って均一な被膜を形成したプラグについても、同様の試験を実施した。下記の表１にその試験結果を示す。
Figure 0004279350
同表に示すように、試験番号１のプラグは、溶射距離を１０００ｍｍと一定にしてアーク溶射を行うことにより被膜を形成したものであり、被膜中の酸化物比率が全域に亘って均一に８０％程度となっている。
一方、試験番号２のプラグは、溶射距離を２００ｍｍから１０００ｍｍまで徐々に変化させたアーク溶射を行うことにより被膜を形成したもの、試験番号３のプラグは、溶射距離を４００ｍｍから１０００ｍｍまで徐々に変化させたアーク溶射を行うことにより被膜を形成したもの、試験番号４のプラグは、溶射距離を５００ｍｍから１０００ｍｍまで徐々に変化させたアーク溶射を行うことにより被膜を形成したものである。このため、試験番号２のプラグは、被膜中の酸化物比率が、母材との隣接部で２５％程度、表層部で８０％程度であり、番号３のプラグは、被膜中の酸化物比率が、母材との隣接部で４０％程度、表層部で８０％程度であり、番号４のプラグは、被膜中の酸化物比率が、母材との隣接部で５０％程度、表層部で８０％程度となっている。
また、試験番号１〜４のいずれのプラグも、被膜の厚みは４００μｍ程度である。
表１に示すように、被膜中の酸化物比率が均一な試験番号１のプラグでは、連続穿孔パス回数が２パスであった。一方、被膜中の酸化物比率が母材側よりも表層側で高い試験番号２〜４のうち、試験番号２のプラグでは、連続穿孔パス回数が４パスで、試験番号３のプラグでは、連続穿孔パス回数が３パスであり、いずれのプラグも試験番号１のプラグよりも連続穿孔パス回数が向上した。試験番号４のプラグでは、連続穿孔パス回数が２パスであり、試験番号１のプラグと同等の連続穿孔パス回数であった。
表１に示す結果から、被膜中の酸化物比率が母材側よりも表層側で高いプラグは、被膜中の酸化物比率が全域に亘って均一なプラグと同等以上のプラグ寿命を有し、さらに、被膜中の酸化物比率が母材との隣接部で４０％以下であるプラグは、プラグ寿命が向上することが明らかである。これは、被膜におけるプラグ母材との隣接部において、酸化物比率が低く、Ｆｅ（メタル）が豊富であるため、被膜とプラグ母材との密着が強固になり、これにより、負荷された応力が緩和されて被膜が剥離しにくくなることに起因する。
このため、本発明のプラグは、被膜中の酸化物比率を母材側よりも表層側で高いものとすることが好ましく、特に、母材との隣接部で酸化物比率を４０％以下とし、表層部で酸化物比率を５５〜８０％とすることがより好ましい。
次に、プラグ母材の表面に形成される被膜の厚みについて検討する。上記のプラグは、その外形が砲弾形状であり、プラグの胴部から先端部の全域に亘って均一な厚みの被膜が形成されているが、ここでは、胴部と先端部における被膜厚さの影響を明らかにするために、プラグ胴部とプラグ先端部それぞれでの被膜の厚みを種々変更した。その被膜付きの供試用プラグについて、上述した穿孔試験と同様の試験を実施した。その評価は、前記表１に示す評価と同様に、上述した連続穿孔圧延回数（パス回数）によるプラグ寿命で行った。下記の表２にその試験結果を示す。
Figure 0004279350
同表に示すように、試験番号１１のプラグは、胴部から先端部の全域に亘って被膜厚さを４００μｍ程度に形成したものである。試験番号１２のプラグは、被膜厚さを胴部で４００μｍ程度、先端部で６００μｍ程度に形成したものであり、試験番号１３のプラグは、被膜厚さを胴部で４００μｍ程度、先端部で８００μｍ程度に形成したものであり、試験番号１４のプラグは、被膜厚さを胴部で６００μｍ程度、先端部で８００μｍ程度に形成したものである。試験番号１５のプラグは、全域に亘って被膜厚さを８００μｍ程度に形成したものである。試験番号１６のプラグは、胴部の被膜厚さを試験番号１１〜１３のプラグと同じく４００μｍ程度に形成し、先端部の被膜厚さをいずれのプラグよりも厚く１２００μｍ程度に形成したものである。
また、試験番号１１〜１６のいずれのプラグも、溶射距離を２００ｍｍから１０００ｍｍまで徐々に変化させたアーク溶射を行うことにより被膜を形成したものであり、被膜中の酸化物比率が母材側よりも表層側で高いものである。
表２に示すように、被膜厚さが薄くて全域に亘って均一な試験番号１１のプラグでは、連続穿孔パス回数が４パスであった。被膜厚さが胴部よりも先端部で厚い試験番号１２、１３、１４および１６のプラグでは、連続穿孔パス回数がそれぞれ５パス、６パス、６パスおよび１０パスであり、プラグ先端部の被膜厚さが厚くなるに従って、連続穿孔パス回数が向上した。被膜厚さが厚くて全域に亘って均一な試験番号１５のプラグでは、１パスの穿孔後にプラグ胴部の被膜が剥離し、連続穿孔パス回数が１パスに止まった。
表２に示す結果から、プラグ先端部の被膜厚さが厚いほど、プラグ寿命が向上することが明らかである。また、プラグ胴部の被膜厚さが過度に厚いと、穿孔時に被膜の剥離が発生しプラグ寿命が悪化する。このため、被膜厚さを胴部よりも先端部で厚くし、プラグ胴部の被膜厚さを８００μｍよりも薄くすることが好ましく、さらにプラグ胴部の被膜厚さを４００μｍ〜６００μｍの範囲内にすることがより好ましい。
ところで、穿孔圧延機によりビレットを穿孔圧延する際、高温に加熱されたビレットは、その周囲に設置された複数の回転ロール（ピアサーロール）により、回転させられながら一定の速度でビレットの軸方向に搬送される。ビレットの進行先には、プラグがビレットの軸心上に設置されており、ビレットの先端面がプラグの先端に押し当てられると、穿孔圧延が開始する。そして、プラグがビレットを完全に貫通するまでビレットが搬送されると、穿孔圧延が完了する。
その際、ビレットが軸方向に搬送される速度（以下、「搬送速度」という）は、ピアサーロールの回転数により定められるが、穿孔時の実際の搬送速度は、互いに接触するプラグとビレットとの摩擦抵抗などの影響のため、設定されたピアサーロールの回転数から算出される理論上の搬送速度に比べて遅くなる。通常、その速度比（＝（実際の搬送速度）／（理論上の搬送速度）×１００［％］）のことを「穿孔効率」と称する。
穿孔効率が高いと、穿孔圧延機の製造能率が上昇するだけでなく、プラグとビレットとが接触する時間が短縮されることから、プラグ寿命の延命化が期待できる。このため、穿孔効率の向上は、穿孔圧延において極めて重要である。
そこで、上記のプラグによる穿孔効率の向上を図るため、以下に検討する。先ず、アーク溶射により被膜を形成したプラグの表面に、高温環境で慣用する潤滑剤を積層させ、その供試用プラグについて、上述した穿孔試験と同様の試験を実施した。また、比較のために、潤滑剤を積層させていないプラグについても、同様の試験を実施した。その評価は、プラグが寿命に達するまでの各パスの穿孔効率を求め、それらを平均した平均穿孔効率で行った。下記の表３にその試験結果を示す。
Figure 0004279350
同表に示すように、試験番号２１〜２３のプラグは、被膜の表面に潤滑剤を積層させず、被膜が露出したものである。一方、試験番号２４〜２６のプラグは、被膜の表面に潤滑剤を塗布して積層させたものであり、潤滑剤として、試験番号２４のプラグではホウ酸（Ｈ３ＢＯ３）を用い、試験番号２５のプラグでは水ガラス（ケイ酸ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＯ３）の濃い水溶液）を用い、試験番号２６のプラグでは窒化ホウ素（ＢＮ）を用いた。
また、試験番号２１、２２、２４および２５のプラグは、溶射距離を一定にしてアーク溶射を行うことにより被膜を形成したものであり、被膜中の酸化物比率が全域に亘って均一となっている。試験番号２３および２６のプラグは、溶射距離を２００ｍｍから１０００ｍｍまで徐々に変化させたアーク溶射を行うことにより被膜を形成したものであり、被膜中の酸化物比率が母材側よりも表層側で高いものである。
表３に示すように、被膜の表面に潤滑剤を積層させていない試験番号２１、２２および２３のプラグでは、平均穿孔効率がそれぞれ５９．０％、５９．９％および７３．８％であった。これに対して、被膜の表面に潤滑剤を積層させた試験番号２４、２５および２６のプラグでは、平均穿孔効率がそれぞれ８０．３％、８２．１％および８５．８％であり、潤滑剤を積層させていない試験番号２１〜２３のプラグと比較して、平均穿孔効率が１０％〜２０％程度上昇した。
表３に示す結果から、被膜の表面に潤滑剤を積層させることにより、穿孔効率が向上することが明らかである。このため、本発明のプラグは、被膜の表面に潤滑剤を積層させることが好ましい。潤滑剤としては、ホウ酸、水ガラス、窒化ホウ素のほかに、黒鉛などを用いることができる。
さらに、プラグ母材の表面に被膜を形成するためのアーク溶射に用いる鉄線材の有効性を検討する。すなわち、アーク溶射に用いる鉄線材を種々変更してプラグ母材の表面に被膜を形成し、その被膜付きの供試用プラグについて、上述した穿孔試験と同様の試験を実施した。その評価は、前記表３に示す評価と同様に、上述した平均穿孔効率で行った。下記の表４にその試験結果を示す。
Figure 0004279350
同表に示すように、試験番号３１のプラグは、Ｆｅ以外の金属元素を含有しない（含有したとしても不可避的に含有する程度）Ｆｅ系の鉄線材を用いたアーク溶射により被膜を形成したものである。なお、上述したいずれのプラグへのアーク溶射にも、このＦｅ系の鉄線材を用いた。
試験番号３２のプラグは、Ｗを４質量％含有するＦｅ−Ｗ系の鉄線材を用いたアーク溶射により被膜を形成したものである。試験番号３３のプラグは、さらにＭｎを３質量％含有するＦｅ−Ｍｎ−Ｗ系の鉄線材を用いたアーク溶射により被膜を形成したものである。
また、試験番号３１〜３３のいずれのプラグも、溶射距離を２００ｍｍから１０００ｍｍまで徐々に変化させたアーク溶射を行うことにより被膜を形成したものであり、被膜中の酸化物比率が母材側よりも表層側で高いものである。
表４に示すように、Ｆｅ系の鉄線材を用いたアーク溶射により被膜を形成した試験番号３１のプラグでは、平均穿孔効率が７３．８％であった。これに対して、Ｗを含有する鉄線材を用いたアーク溶射により被膜を形成した試験番号３２および３３のプラグでは、それぞれ８１．４％および７９．６％であり、Ｆｅ系の鉄線材による試験番号３１のプラグと比較して、平均穿孔効率が１０％程度上昇した。
表４に示す結果から、被膜を形成するためのアーク溶射にＷを含有する鉄線材を用いることにより、穿孔効率が向上することが明らかである。これは、被膜中の酸化物として低融点酸化物であるＷＯ３がさらに生成し、このＷＯ３が穿孔時に溶融することで液体潤滑効果が発現することに起因する。このため、本発明のプラグは、Ｗを含有する鉄線材を用いたアーク溶射により被膜を形成することが好ましい。
引き続き、Ｗを含有するアーク溶射用の鉄線材における適正なＷ含有量に関して考察する。ここでは、Ｗ含有量（質量％）を種々変更した鉄線材を用いてプラグ母材の表面にアーク溶射被膜を形成し、各供試用プラグについて、上述した穿孔試験と同様の試験を実施した。
図７は、Ｗを含有する鉄線材を用いてアーク溶射被膜を形成したプラグについて、Ｗ含有量と穿孔効率の関係を示す図である。同図に示すように、アーク溶射用の鉄線材のＷ含有量が増加するほど、穿孔効率が向上することがわかる。これは、Ｗ含有量が高い鉄線材を用いてアーク溶射を行うことにより、被膜中に生成するＷＯ３が増加するため、穿孔時の液体潤滑効果が高まるからである。したがって、穿孔効率を向上させるには、アーク溶射用の鉄線材のＷ含有量を増加させるのが有効である。
図８は、Ｗを含有する鉄線材を用いてアーク溶射被膜を形成したプラグについて、穿孔効率とプラグ先端の変形量の関係を示す図である。同図に示すように、穿孔効率が高いほど、プラグの先端の変形量が増加する傾向であることがわかる。これは、前記図７に示す結果から、Ｗ含有量が高い鉄線材を用いたアーク溶射により、高い穿孔効率を有する被膜付きのプラグが得られるが、その反面、高い穿孔効率のプラグでは、穿孔時に、被膜中のＷＯ３が溶融して被膜自体が目減りする結果、被膜による遮熱性が低下することに起因する。
通常、プラグ先端の変形量が２．５ｍｍを超えると、穿孔時に焼付きが発生する頻度が高くなる。このため、図８に示す結果から、プラグ先端の変形量が２．５ｍｍ以下となるように、穿孔効率を９０％以下にとどめたプラグとするのが好ましく、これを実現するには、前記図７に示すよう、アーク溶射被膜を形成するための鉄線材におけるＷ含有量は、１０質量％以下と規定するのが好ましい。実用性を踏まえ、より好ましくは、２〜５質量％の範囲内とする。
以上のように、プラグ母材の表面に形成したアーク溶射による被膜の有効性が明らかになったが、実操業でそのアーク溶射被膜付きのプラグを再生するにあたっては、経済性も考慮することが望ましい。そこで、プラグ先端部で厚さ８００μｍ程度、プラグ胴部で厚さ４００μｍ程度のアーク溶射被膜を形成した供試用プラグを用い、上述した穿孔試験と同様の条件で、連続穿孔パス回数を１パス〜１０パスとした穿孔試験を実施し、各パスのプラグにおける被膜の摩耗状況を調査した。また、比較のため、熱処理によってプラグの表面に先端部から胴部までの全域に亘り、厚さ３００μｍ、および５００μｍのスケール被膜を形成したプラグについて、同様の調査を行った。
図９は、アーク溶射被膜付きプラグの先端部およびその近傍部の１０パス穿孔後の状態を模式的に示す断面図である。図１０は、連続穿孔パス回数と、プラグ胴部に残存する被膜の厚さとの相関を示す図である。
図９に示すように、アーク溶射被膜付きのプラグでは、１０パスの穿孔後、プラグ先端部の被膜が摩耗や剥離により消失したものの、胴部の被膜に顕著な摩耗や剥離は認められなかった。また、図１０に示すように、アーク溶射被膜付きのプラグにおける胴部の被膜厚さは、１０パスまで穿孔を繰り返しても変化がないことが判明した。一方、スケール被膜付きのプラグでは、穿孔に伴って、先端部のみならず胴部でも被膜厚さが急激に薄くなり、図１０に示すように、３、４パスの穿孔でプラグ胴部の被膜厚さが１００μｍ程度まで減少して寿命に至った。
これらのことから、アーク溶射被膜付きのプラグは、穿孔により胴部の被膜に損傷が生じないため、胴部に敢えて再生処理を施す必要はなく、被膜が損傷する先端部のみに再生処理を施すことで、再使用できる可能性がある。
引き続き、プラグ先端部のみに再生処理を施して再使用が可能であるか否かを検証するため、下記の試験を実施した。先ず予備的に、上記の試験と同様の条件で、プラグ先端部で厚さ８００μｍ程度、プラグ胴部で厚さ４００μｍ程度のアーク溶射被膜付きの供試用プラグを３本準備し、連続穿孔パス回数を５パスとして穿孔を行った。この予備穿孔を行った各プラグについて、下記の表５に示すＡ、ＢおよびＣの再生処理を施した後、上記の試験と同様の条件で穿孔試験を実施し、連続穿孔パス回数によるプラグ寿命で評価を行った。
また、比較のため、下記表５のＤに示すように、熱処理によってプラグ表面の全域に亘り厚さ６００μｍのスケール被膜を形成したプラグについて、同様の試験および評価を行った。表５にこれら試験結果を示す。
Figure 0004279350
同表に示すように、再生処理Ａによるプラグは、予備穿孔後、表面全域に亘りショットブラストを施して穿孔圧延ままの被膜を全て除去するとともに、表面全域に亘りアーク溶射により被膜を再形成したものである。再生処理Ｂによるプラグは、予備穿孔後、ショットブラストを施さずに、プラグ先端部にのみアーク溶射により被膜を再形成したものである。この再生処理Ｂによるプラグでは、胴部の被膜が穿孔圧延ままの状態である。
再生処理Ｃによるプラグは、予備穿孔後、プラグ先端部にのみショットブラストを施して先端部の被膜のみを除去するとともに、その先端部にのみアーク溶射により被膜を再形成したものである。この再生処理Ｃによるプラグでも、胴部の被膜が穿孔圧延ままの状態である。
表５に示すように、表面全域に亘りショットブラストおよびアーク溶射を行った再生処理Ａによるプラグでは、連続穿孔パス回数が６パスであった。また、プラグ先端部のみにショットブラストおよびアーク溶射を行った再生処理Ｃによるプラグでも、連続穿孔パス回数が６パスであり、再生処理Ａによるプラグと同等の寿命を達成できた。
一方、ショットブラストを施すことなくプラグ先端部のみにアーク溶射を行った再生処理Ｂによるプラグでは、再生処理でショットブラストを省略したことに起因してプラグ先端部の被膜の密着力が低下し、連続穿孔パス回数が２パスに止まった。また、スケール被膜付きのＤのプラグでは、連続穿孔パス回数が３パスに過ぎなかった。
この結果から、アーク溶射被膜付きのプラグについては、プラグ先端部のみに、ショットブラストおよびアーク溶射を施して被膜を再形成すれば、長寿命のプラグを再生できることが明らかである。そして、このような部分的な再生処理では、ショットブラストに用いるブラスト材およびアーク溶射に用いる鉄線材の消費量を抑制することができるため、経済性に優れるという利点がある。従って、実操業でアーク溶射被膜付きのプラグを再生する際は、ショットブラストおよびアーク溶射をプラグ先端部のみに施すのが望ましい。
次に、本発明の穿孔圧延用プラグの再生に適した再生方法および再生設備列を以下に説明する。
図１１は、本発明の穿孔圧延用プラグを循環使用する再生設備列の全体構成を模式的に示す図である。同図に示すように、プラグ再生設備列は、芯金受渡し装置２０と、プラグ交換装置３０と、ショットブラスト装置４０と、アーク溶射装置５０と、から構成され、一連のプラグ再生ラインを形成する。
芯金受渡し装置２０は、連続化したマンネスマン製管設備における穿孔圧延機１０に近接して配置されており、アーク溶射による被膜付きのプラグ１を装着した芯金２を穿孔圧延機１０に対して供給する。ここでの芯金受渡し装置２０は、穿孔圧延機１０に繋がる２本の平行なライン２１、２２を備える。そのうちの一方のライン２１は、穿孔圧延機１０で穿孔に用いられた穿孔圧延ままのプラグ１を芯金２ごと穿孔圧延機１０から引き出す引出ラインであり、他方のライン２２は、再生されたプラグ１を装着した芯金２を穿孔圧延機１０に送り出す送出ラインである。
プラグ交換装置３０は、芯金受渡し装置２０の引出ライン２１に隣接して配置されており、引出ライン２１から穿孔圧延ままのプラグ１を装着した芯金２を受け取り、受け取った芯金２のプラグ１を、ショットブラスト装置４０およびアーク溶射装置５０を通じて再生されたプラグ１に交換し、さらに、再生されたプラグ１を装着した交換後の芯金２を送出ライン２２に供給する。
これらの間の芯金２の搬送は、キッカーやコンベアやマニピュレータ等によって行われる。ここでのプラグ交換装置３０は、自動でプラグ交換を行うものであり、その具体的な構造は後述の図１２および図１３に基づいて説明する。
ショットブラスト装置４０は、プラグ交換装置３０で芯金２から取り外された穿孔圧延ままのプラグ１を受け取り、このプラグ１の表面にショットブラストを施す装置である。穿孔圧延ままのプラグ１は、再生の第１段階として、ショットブラストが施されることにより、プラグ表面に残存している被膜が除去される。ここでのショットブラスト装置４０は、自動でショットブラストを行うものであり、その具体的な構造は後述の図１４に基づいて説明する。
アーク溶射装置５０は、ショットブラスト装置４０で被膜が除去されたプラグ１を受け取り、このプラグ１の露出した表面に鉄線材をアーク溶射して被膜を再形成し、この再生したプラグ１をプラグ交換装置３０に供給する装置である。ショットブラスト後のプラグ１は、再生の第２段階として、アーク溶射が施されることにより、プラグ表面に被膜が再形成され、アーク溶射による被膜付きのプラグに再生される。ここでのアーク溶射装置５０は、自動でアーク溶射を行うものであり、その具体的な構造は後述の図１５に基づいて説明する。
プラグ交換装置３０とショットブラスト装置４０との間、ショットブラスト装置４０とアーク溶射装置５０との間、およびアーク溶射装置５０とプラグ交換装置３０との間のプラグ１の搬送は、コンベア等によって行われる。
図１２は、プラグ交換装置の全体構成を示す側面図である。プラグ１を装着した芯金２の前方には、プラグマニピュレータ３１とプラグ交換テーブル３２が配設されている。プラグマニピュレータ３１は、プラグ交換テーブル３２上で取り外された穿孔圧延ままのプラグ１をプラグ交換装置３０とショットブラスト装置４０との間のコンベア上に搬送するとともに、アーク溶射装置５０とプラグ交換装置３０との間のコンベア上から再生されたプラグ１をプラグ交換テーブル３２上に搬送する役割を果たす（前記図１１参照）。
一方、芯金２の下方には、芯金２を全長にわたって昇降可能に支持するとともに、芯金２を前後進できるように支持するプラグ交換ローラ３５が配設されている。また、芯金２の後方には、芯金２を前後進させるプラグ交換台車３６が配設され、このプラグ交換台車３６上には、プラグ１の着脱を実行するために芯金２の内部に設けられたインナーロッド３８を移動させるプラグプッシャ３７が配設されている。
図１３は、プラグ交換装置におけるプラグの着脱機構の一例を説明するための要部断面図である。同図は、引出ライン２１から受け取った穿孔圧延ままのプラグ１を取り外すときの状況を示している。同図（ａ）に示すように、穿孔圧延ままのプラグ１を装着した芯金２が、プラグ交換テーブル３２上でプラグストッパ３３によって位置決めされ、プラグ交換の所定位置に配置される。このとき、プラグ１は、カセット３４によってプラグ交換テーブル３２上に支持され、その内部でインナーロッド３８により押し上げられたピン３９の押しつけ力によって芯金２に固定されている。
次に、同図（ｂ）に示すように、プラグプッシャ３７を前進させてインナーロッド３８のテーパ部をピン３９の位置から外すことにより、芯金２へのピン３９の押しつけ力が減少し、プラグ１の取り外しが可能な状態になる。その後、同図（ｃ）に示すように、インナーロッド３８をプラグ１の内部の底面に当接させることにより、プラグ１の位置がプラグストッパ３３とインナーロッド３８とで定められる。
次いで、同図（ｄ）に示すように、芯金２を芯金２とインナーロッド３８とで決まるストロークエンドまで後退させる移動を開始し、続いて、同図（ｅ）に示すように、芯金２とインナーロッド３８をともに後退位置まで後退させる。そして、同図（ｆ）に示すように、次のプラグ取り付けに備えて、インナーロッド３８をピン３９を押し上げることのない中間位置までさらに後退させる。これで、穿孔圧延ままのプラグ１の取り外しが完了する。
再生されたプラグ１の芯金２への取付けは、前記図１３（ａ）〜（ｆ）の手順を逆に行うことによって可能となる。
図１４は、ショットブラスト装置の全体構成を示す側面図である。鉛直軸を中心に回転するショット回転台４１が配設されており、このショット回転台４１の中心に穿孔圧延ままのプラグ１が縦置きに載置される。このとき、プラグ１は、その後端面に開口する図示しない芯金挿入穴が、ショット回転台４１の中心から突出する図示しない突起に嵌合することにより、位置決めされる。また、ショット回転台４１の周囲には、プラグ１に向けて、ブラスト材である鋼球やアルミナ粒子などを圧縮空気により吹き出す噴射ノズル４２が設置されている。図１４では、プラグ１の先端部、胴部の前半部、および胴部の後半部（リーリング部）に向けて３本の噴射ノズル４２を設置した状態を示している。
そして、プラグ１を載置したショット回転台４１を回転させながら、噴射ノズル４２からブラスト材を吹き出させることにより、プラグ１の表面にブラスト材が高速で投射され、プラグ１の表面に残存している被膜を隈なく除去することができる。
ここで、ショットブラストによる穿孔圧延ままの被膜の除去時間は、噴射ノズル４２の設置数に概ね依存し、例えば噴射ノズル４２が１本であれば２分程度、２本であればその半分の１分程度、３本であればその１／３（３分の１）の４０秒程度で十分である。
ショットブラストに要する時間を短縮するためには、噴射ノズル４２の設置数を増加させることが望ましい。また、各噴射ノズル４２からのブラスト材の吹き出し圧を高めたり、ショットブラスト装置自体の設置台数を増加させたりすることも、ショットブラストに要する時間の短縮には有効である。
図１４に示すショットブラスト装置においては、ショット回転台４１へのプラグ１の着脱は、多関節搬送ロボットによって行うことができる。
また、図１４では、圧縮空気によってブラスト材を投射する方式のショットブラスト装置を示したが、回転翼車の遠心力を利用してブラスト材を投射する方式のものであってもよい。
図１５は、アーク溶射装置の全体構成を示す側面図である。鉛直軸を中心に回転する溶射回転台５１が配設されており、この溶射回転台５１の中心にショットブラスト後のプラグ１が縦置きに載置される。このとき、プラグ１は、その後端面の芯金挿入穴が、溶射回転台５１の中心から突出する図示しない突起に嵌合することにより、位置決めされる。
また、溶射回転台５１の周囲には、プラグ１に向けて、アークにより溶融した溶射材料（Ｆｅ系の鉄線材の場合はＦｅ、Ｗを含有する鉄線材の場合はＦｅおよびＷ）を圧縮空気や窒素ガスにより吹き出す溶射ノズル５２が設置されている。図１５では、プラグ１の先端部、胴部の前半部、および胴部の後半部（リーリング部）に向けて３本の溶射ノズル５２を設置した状態を示している。
そして、プラグ１を載置した溶射回転台５１を回転させながら、溶射ノズル５２から溶射材料を吹き出させることにより、プラグ１の表面に溶射材料が吹き付けられる。この際、溶射ノズル５２は多関節アームにより適宜移動させることができ、プラグ１の表面に酸化物およびＦｅで構成される被膜を隈なく再形成することができる。さらに、溶射ノズル５２は、溶射材料を吹き出しながら、プラグ１から徐々に遠ざかるように個別に移動させることもできる。
ここで、アーク溶射による被膜の形成時間は、溶射ノズル５２の設置数に概ね依存し、例えば溶射ノズル５２が１本であれば３分程度、２本であればその半分の１．５分程度、３本であればその１／３（３分の１）の１分程度で十分であり熱処理によるスケール被膜の形成時間と比べ、処理時間を短縮できる。
アーク溶射に要する時間を短縮するためには、溶射ノズル５２の設置数を増加させることが望ましい。また、アーク溶射装置自体の設置台数を増加させることも、アーク溶射に要する時間の短縮には有効である。
図１５に示すアーク溶射装置においては、溶射回転台５１へのプラグ１の着脱は、多関節搬送ロボットによって行うことができる。
このような構成のプラグ再生設備列を用いれば、プラグの再生にあたり、プラグの表面にショットブラストを施して、残存する被膜を除去した後、このプラグの露出した表面に、鉄線材をアーク溶射することによって被膜を再形成することができる。
その際、プラグ再生には、被膜を除去するためのショットブラストに要する時間と、被膜を再形成するためのアーク溶射に要する時間とが必要になるが、熱処理によるスケール被膜の形成に要する時間と比べ大幅に短縮できる。
そのため、穿孔圧延ままのプラグを短時間で再生して穿孔圧延に循環して用いることができ、プラグが少量であっても、十分に穿孔圧延機の製造能率を確保することができる。しかも、アーク溶射は、装置の構成が簡素であり、溶射材料の線材が安価であるため、低コストで行える。
また、上記のプラグ再生設備列は、連続化したマンネスマン製管設備における穿孔圧延機から、被圧延材が流れる圧延ラインとは別に、プラグを短時間で再生して交換する自動化されたプラグ再生ラインとして成り立つ。よって、上記のプラグ再生設備列によれば、継目無鋼管の製造全体の能率に合わせて、穿孔圧延用プラグを再生し、循環使用することができる。
また、被膜が再形成されたプラグの表面に潤滑剤を積層する構成を採用する場合は、上記のプラグ再生設備列において、アーク溶射装置５０とプラグ交換装置３０との間のプラグの搬送経路に、潤滑剤噴射装置を配備することができる。
図１６は、潤滑剤噴射装置を配備する場合のプラグ再生設備列の全体構成を模式的に示す図である。同図に示すように、潤滑剤噴射装置６０は、アーク溶射装置５０で被膜が再形成されたプラグ１を受け取り、このプラグ１の被膜の表面に潤滑剤を積層させ、このプラグ１をプラグ交換装置３０に供給する装置である。
図１７は、潤滑剤噴射装置の全体構成を示す側面図である。潤滑剤噴射装置６０は、鉛直軸を中心に回転する噴射回転台６１が配設されており、この噴射回転台６１の中心にアーク溶射後のプラグ１が縦置きに載置される。このとき、プラグ１は、その後端面の芯金挿入穴が、噴射回転台６１の中心から突出する図示しない突起に嵌合することにより、位置決めされる。また、噴射回転台６１の周囲には、プラグ１に向けて、潤滑剤を圧縮ガスにより霧状にして噴射させる噴射ノズル６２が設置されている。図１７では、プラグ１の先端部に向けて１本の噴射ノズル６２を設置した状態を示している。
そして、プラグ１を載置した噴射回転台６１を回転させながら、噴射ノズル６２から潤滑剤を噴射させることにより、プラグ１の被膜表面に潤滑剤を積層することができる。潤滑剤が水分を含む場合は、噴射後に潤滑剤を熱風などで乾燥させるのが望ましい。
図１８は、潤滑剤噴射装置を配備する場合のプラグ再生設備列の全体構成の別例を模式的に示す図である。同図に示すプラグ再生設備列では、芯金受渡し装置２０から穿孔圧延機１０への送出ライン２２に、潤滑剤噴射装置６０を配備している。この場合、被膜が再形成されたプラグ１を装着した芯金２を送出ライン２２内で搬送する過程で、潤滑剤噴射装置６０（図１７の噴射ノズル６２）により、芯金２と一体のプラグ１に対して潤滑剤を噴射し、プラグ１の被膜表面に潤滑剤を積層することができる。
本発明は、上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、上記では、穿孔圧延ままのプラグの再生および循環使用について説明したが、新規製作のプラグについても、同様に、穿孔圧延の循環使用に供することができる。その他、溶射方法についてもアーク溶射のみならず、溶線式フレーム溶射での適用も可能である。
また、上記の実施形態では、穿孔圧延用プラグを循環使用する再生設備列において、プラグを芯金から取り外し、単体のプラグに対して、ショットブラスト、アーク溶射、場合によってはさらに潤滑剤噴霧といったプラグの再生処理を行う構成としているが、芯金からプラグを取り外さずに、芯金と一体のプラグに対して再生処理を行う構成にすることもできる。
本発明の穿孔圧延用プラグによれば、プラグ表面に形成されている被膜が酸化物およびＦｅで構成されるため、遮熱性および焼付き防止性に優れるとともに、プラグ寿命の向上が図れ、しかも、被膜がアーク溶射によって形成されているため、低コストで短時間に作製および再生することができる。
また、本発明の穿孔圧延用プラグの再生方法によれば、穿孔圧延ままのプラグをショットブラストおよびアーク溶射を順に経ることによって、プラグ表面に酸化物およびＦｅで構成される被膜を再形成するため、低コストで短時間にプラグを再生することができる。
さらに、本発明の穿孔圧延用プラグの再生設備列によれば、プラグを短時間で再生して交換する自動化された一連のプラグ循環使用のための再生ラインとして成り立ち、継目無鋼管の製造全体の能率に支障を生じさせることなく、オンラインでプラグの再生が可能になる。これにより、高合金鋼の継目無鋼管の製造に極めて有用である。

Claims (11)

  1. 継目無鋼管の製造で用いられる穿孔圧延機で循環使用されるプラグであって、
    ショットブラストされた当該プラグの母材の表面は、鉄線材でアーク溶射され、酸化物およびＦｅで構成される被膜が形成されていることを特徴とする穿孔圧延用プラグ。
  2. 前記被膜における前記酸化物の占める領域の比率が５５〜８０％であることを特徴とする請求項１に記載の穿孔圧延用プラグ。
  3. 前記被膜における前記酸化物の占める領域の比率が母材側よりも表層側で高いことを特徴とする請求項１に記載の穿孔圧延用プラグ。
  4. 前記被膜における前記酸化物の占める領域の比率は、母材との隣接部で４０％以下であり、表層部で５５〜８０％であることを特徴とする請求項３に記載の穿孔圧延用プラグ。
  5. 当該プラグが砲弾形状であり、前記被膜の厚みが胴部よりも先端部で厚いことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の穿孔圧延用プラグ。
  6. 前記被膜の表面に潤滑剤が積層されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の穿孔圧延用プラグ。
  7. 前記鉄線材がＷを含有するものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の穿孔圧延用プラグ。
  8. 請求項１〜７のいずれかに記載の穿孔圧延用プラグを循環使用するための再生方法であって、
    前記プラグの表面にショットブラストを施して穿孔圧延ままの被膜を除去した後、鉄線材をアーク溶射することにより、酸化物およびＦｅで構成される被膜を形成することを特徴とする穿孔圧延用プラグの再生方法。
  9. 前記ショットブラストによる前記被膜の除去、および前記アーク溶射による前記被膜の形成は、砲弾形状の前記プラグの先端部のみに行うことを特徴とする請求項８に記載の穿孔圧延用プラグの再生方法。
  10. 継目無鋼管の製造で用いられる穿孔圧延機で循環使用されるプラグの再生設備列であって、
    前記プラグを装着した芯金を穿孔圧延機に供給し、さらに穿孔圧延後の芯金を回収する芯金受渡し装置と、
    この芯金受渡し装置から穿孔圧延後の芯金を受け取り、穿孔圧延ままのプラグを再生されたプラグ（以下、「再生プラグ」）に交換した芯金を前記芯金受渡し装置に供給するプラグ交換装置と、
    このプラグ交換装置から穿孔圧延ままのプラグを受け取り、穿孔圧延ままのプラグの表面にショットブラストを施すショットブラスト装置と、
    このショットブラスト装置で処理されたプラグを受け取り、その表面に鉄線材をアーク溶射して酸化物およびＦｅで構成される被膜を形成した再生プラグを、前記プラグ交換装置に供給するアーク溶射装置とを配列し、
    これらの装置の配列中で、順次、穿孔圧延ままのプラグを再生プラグに切り替え、前記芯金に装着して穿孔圧延機に繰り返し供給することを特徴とする穿孔圧延用プラグの再生設備列。
  11. 前記再生プラグを装着した芯金を前記芯金受渡し装置から前記穿孔圧延機へ供給する経路に、前記再生プラグの表面に潤滑剤を積層させる潤滑剤噴射装置を備えたことを特徴とする請求項１０に記載の穿孔圧延用プラグの再生設備列。
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