JP4688037B2 - 継目無鋼管の製造方法及び酸化性ガス供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、マンドレルミルで延伸圧延された素管を再加熱炉で再加熱して継目無鋼管を製造する方法及びこれに用いられる酸化性ガス供給装置に関し、特に、素管内面に生じ得る浸炭を簡易且つ効果的に抑制することのできる継目無鋼管の製造方法及び酸化性ガス供給装置に関する。

継目無鋼管の製造方法としては、マンドレルミル方式、プラグミル方式、ユジーン・セジェルネ方式、エルハルト・プッシュベンチ方式など種々の方式が知られている。これら方式の内、生産性、寸法精度、内外表面品質など、全ての面で優れたマンドレルミル方式の製造方法が広く用いられている。

マンドレルミル方式による継目無鋼管の製造方法においては、図１に示すように、素材ビレット１を加熱炉２内で所定の温度（一般的には１１００〜１３００℃）まで加熱した後、ピアサー３により穿孔して中空素管４とし、この中空素管４をマンドレルミル５で延伸圧延する。

マンドレルミル５では、黒鉛等のカーボンを含有する潤滑剤を表面に塗布したマンドレルバー６を挿入して中空素管４を延伸圧延する。そして、マンドレルミル５で延伸圧延された中空素管４は、必要に応じて再加熱炉７で所定温度（一般的には８５０〜１１５０℃）に再加熱された後、ストレッチレデューサやサイザー等の絞り圧延装置８で仕上げ圧延される。

ここで、中空素管４がオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６など）等の低炭素濃度材からなる場合には、カーボンを含有する潤滑剤を塗布したマンドレルバー６を挿入して延伸圧延し、圧延後の素管４を再加熱することにより浸炭が生じ、素管４の内表面に炭素濃度が母材よりも高い浸炭層が形成される。

この浸炭層が製品としての継目無鋼管に残存すれば、例えば素管４が炭素鋼からなる場合には、継目無鋼管内面に局部的な異常硬化部が発生し切削性が低下するという問題がある。また、例えば素管４がオーステナイト系ステンレス鋼からなる場合には、耐粒界腐食性能等の耐食性が低下するという問題がある。

従って、従来より、継目無鋼管内面の浸炭を抑制あるいは脱炭を促進するための種々の方法が提案されている。

例えば、マンドレルミルにより延伸圧延する際に、マンドレルバー表面上の黒鉛付着量を１００ｍｇ／ｍ^２以下に制御することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１で提案されているように黒鉛付着量を１００ｍｇ／ｍ^２以下といった極微量に抑制することは、通常黒鉛潤滑剤を併用するような製造ラインでは（マンドレルバー、製造ラインからの付着や製造ライン内に存在するグリス等の影響により）非常に困難であり、仮に達成し得たとしても非常にコストが掛かり有効ではないという問題がある。

また、マンドレルミルでの圧延後の素管内面に残存する潤滑剤や浸炭層を、研磨材や高圧水を用いて除去する方法も提案されている（例えば、特許文献２、３、４、５参照）。

しかしながら、研磨材を用いて浸炭層等を除去する方法では、砥石等の研磨材の費用が嵩むと共に、研磨するための時間を要し生産効率が低下するという問題がある。また、高圧水を用いて潤滑剤等を除去する方法では、偏冷却が生じ易く、再加熱炉において素管の曲がり等に起因した操業トラブルが発生するおそれがあるという問題がある。

さらに、再加熱炉において素管内部に酸化性ガスを供給することにより、浸炭を抑制あるいは脱炭を促進する方法も提案されている（例えば、特許文献６、７参照）。

しかしながら、特許文献６、７には、酸化性ガスを供給する際の素管の温度や、必要な酸化性ガスの流量については何ら開示されていない。再加熱炉内において漠然と酸化性ガスを素管の内部に供給し、これによりカーボンを酸化させて浸炭を抑制あるいは脱炭を促進することを開示するに留まるものである。後述するように、本発明の発明者らが鋭意検討したところによれば、酸化性ガスを供給する際の素管の温度によっては、継目無鋼管に浸炭層が形成されないように酸化性ガスを過度に供給しなくてはならないケースが生じる。酸化性ガスの供給量が過大になれば、これに応じて酸化性ガスの原単位が上昇し、ひいては継目無鋼管の製造コストの高騰を招いてしまう。また、酸化性ガスの供給量が過大になれば、再加熱炉の炉内雰囲気温度が低下し易いため、これに応じて燃焼設備も大掛かりになってしまう。従って、製造コストや設備コストの高騰を招くという問題がある。
特開２０００−２４７０６号公報 特開平４−１１１９０７号公報 特開平６−１８２４２７号公報 特開平８−２２４６１１号公報 特開２００１−１０５００７号公報 特開平８−５７５０５号公報 特開平８−９００４３号公報

本発明は、斯かる従来技術の問題を解決するべくなされたものであり、素管内面に生じ得る浸炭を簡易且つ効果的に抑制することのできる継目無鋼管の製造方法及び酸化性ガス供給装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するべく、発明者らは鋭意検討した結果、以下の（Ａ）〜（Ｃ）の事項を見出した。

（Ａ）再加熱炉に搬入された素管の温度が５５０℃未満の状態では、素管内部に酸化性ガスを供給したとしても、素管内面に付着したカーボンが燃焼しない。従って、継目無鋼管に浸炭層が形成されない（浸炭層が残存しない）ためには、素管内面から素管内へと拡散したカーボンを酸化させる（脱炭する）必要が生じる。すなわち、固体（素管）内に浸入したカーボンを酸化させる必要が生じるため、図２の矢符Ａで示すように、大量の酸化性ガスを供給する必要がある。

（Ｂ）一方、再加熱炉に搬入された素管の温度が１０００℃を超える状態では、素管内部に酸化性ガスを供給すれば、素管内面に付着したカーボンは燃焼するものの、この燃焼速度よりも素管内面から素管内へとカーボンが拡散する速度の方が大きくなると考えられる。従って、継目無鋼管に浸炭層が形成されない（浸炭層が残存しない）ためには、素管の温度が５５０℃未満の場合と同様に、素管内面から素管内へと拡散したカーボンを酸化させる（脱炭する）必要が生じる。すなわち、固体（素管）内に浸入したカーボンを酸化させる必要が生じるため、図２の矢符Ｂで示すように、大量の酸化性ガスを供給する必要がある。

（Ｃ）従って、再加熱炉に搬入された素管が５５０℃以上１０００℃以下の状態において、該素管の内部に酸化性ガスを供給すれば、図２の矢符Ｃで示すように、たとえ少量の酸化性ガスであっても、素管内面に付着したカーボンを燃焼させることができる一方、素管内面から素管内へのカーボンの拡散も抑制可能である。

本発明は、上記発明者らの知見に基づき完成されたものである。すなわち、本発明は、カーボンを含有する潤滑剤を塗布したマンドレルバーを用いてマンドレルミルで延伸圧延された素管を再加熱炉で再加熱して継目無鋼管を製造する方法であって、再加熱炉に搬入された素管が５５０℃以上１０００℃以下の状態において、該素管の内部に、下記の式（１）の条件を満足する流量の酸化性ガスを供給することを特徴とする継目無鋼管の製造方法を提供するものである。

ここで、上記式（１）において、Ｑは酸化性ガスの流量［Ｎｌ／ｓｅｃ］を、Ｔ _∞ は再加熱炉の炉内雰囲気温度［℃］を、Ｔ _ｐ は再加熱炉に装入する際の素管の温度［℃］を、Ｃ _ｉｎ は酸化性ガスの酸素濃度［体積％］を、Ｔ _ｉｎ は酸化性ガスの温度［℃］を、ρ _ｃ はマンドレルバーに塗布した潤滑剤が含有するカーボンの粒子密度［ｋｇ／ｍ ^３ ］を、Ｄ _ｃ はマンドレルバーに塗布した潤滑剤が含有するカーボンの粒子径［μｍ］を、Ａ _ｂ はマンドレルバーに塗布した潤滑剤が含有するカーボンの付着密度［ｇ／ｍ ^３ ］を、πは円周率を、Ｄ _ｐ は素管の内径［ｍ］を、Ｌ _ｐ は素管の長さ［ｍ］を意味する。

斯かる発明によれば、素管内部に供給する酸化性ガスが少量であっても、素管内面に付着したカーボンを燃焼させることができる一方、素管内面から素管内へのカーボンの拡散も抑制可能であるため、素管内面に生じ得る浸炭を効果的に抑制することができる。また、供給する酸化性ガスが少量で済むため、継目無鋼管の製造コストや設備コストを抑制でき、簡易に浸炭を抑制可能である。

また、本発明によれば、供給するべき酸化性ガスの流量Ｑの指標を得ることができ、ひいては式（１）の右辺に等しい流量まで供給する流量を低減することが可能である。

なお、本発明は、上記継目無鋼管の製造方法に用いられる酸化性ガス供給装置としても提供される。具体的には、前記再加熱炉が、移動ビーム及び固定ビームのそれぞれに設けられた各ポケット上に交互に素管を載せ替えながら搬送するウォーキングビーム式の再加熱炉とされている場合、前記固定ビームの最も素管搬入側から素管搬出側に向けて設けられた複数の連続したポケットの側方にそれぞれ配置され、前記固定ビームの前記各ポケットに載置された素管の内部に向けて酸化性ガスを噴出する複数のノズルを備えた酸化性ガス供給装置としても提供される。

本発明に係る酸化性ガス供給装置は、ウォーキングビーム式再加熱炉の固定ビームの最も素管搬入側から素管搬出側に向けて設けられた複数の連続したポケットの側方にそれぞれ酸化性ガスを噴出する複数のノズルを備えた構成である。斯かる構成により、素管が再加熱炉に搬入された直後から再加熱炉内で搬送される過程においてほぼ連続的に、素管の内部に酸化性ガスを供給することができる。従って、たとえ再加熱炉の炉内雰囲気温度が１０００℃を超えるような場合であっても、素管が炉内雰囲気温度と等しくなる（すなわち、１０００℃を超える）まで昇温してしまう前に酸化性ガスを供給することができ、素管が１０００℃以下の状態において酸化性ガスを供給する条件を満足させることが可能である。

また、再加熱炉内に装入する際の素管の温度が５５０℃未満である場合には、連続して設けられた複数のノズルの内、素管の温度が未だ５５０℃未満である位置に設けられたノズルからの酸化性ガスの噴出を停止する一方、素管が再加熱炉内で搬送されることによって５５０℃以上に昇温し得る位置に設けられたノズルから初めて酸化性ガスを噴出することが可能である。或いは、素管が再加熱炉内で搬送されることによって５５０℃以上に昇温し得る位置に設けられたノズルから酸化性ガスが噴出される限りにおいて、素管の温度が未だ５５０℃未満である位置に設けられたノズルからの酸化性ガスの噴出を停止しなくても良い。従って、たとえ再加熱炉内に装入する直前の素管の温度が５５０℃未満であっても、素管が５５０℃以上の状態において酸化性ガスを供給する条件を満足させることが可能である。

以上のように、本発明に係る酸化性ガス供給装置によれば、再加熱炉に搬入された素管が５５０℃以上１０００℃以下の状態において、該素管の内部に酸化性ガスを供給することが可能である。

本発明によれば、素管内部に供給する酸化性ガスが少量であっても、素管内面に生じ得る浸炭を効果的に抑制することができる。また、供給する酸化性ガスが少量で済むため、継目無鋼管の製造コストや設備コストを抑制でき、簡易に浸炭を抑制可能である。

以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。

図３は、本発明の一実施形態に係る継目無鋼管の製造方法が適用される再加熱炉、及び該再加熱炉に設置される酸化性ガス供給装置の概略構成を示す模式図である。図３（ａ）は正面視断面図を、図３（ｂ）は側面視断面図を示す。図３に示すように、本実施形態に係る再加熱炉１０は、所謂ウォーキングビーム式の再加熱炉とされている。マンドレルミルで延伸圧延された素管Ｐは、再加熱炉１０の装入口１１から装入され、移動ビーム１２及び固定ビーム１３のそれぞれに設けられた各ポケット１４上に交互に載せ替えられながら、図３（ａ）の矢符方向に搬送される。

再加熱炉１０には、酸化性ガス供給装置（以下、適宜「ガス供給装置」という）２０が設置されている。ガス供給装置２０は、固定ビーム１３の最も素管搬入側から素管搬出側に向けて設けられた複数（本実施形態では６つ）の連続したポケット１４の側方にそれぞれ配置され、固定ビーム１３の前記各ポケット１４に載置された素管Ｐの内部に向けて酸化性ガス（本実施形態では空気）Ａを噴出する複数（本実施形態では６つ）のノズル２１を備えている。より具体的に説明すれば、各ノズル２１は、前述した固定ビーム１３の連続した各ポケット１４の側方に位置する再加熱炉１０の側壁１５に挿通されている。そして、各ノズル２１は、基端部から流入した空気Ａを先端部から素管Ｐの内部に向けて噴出するように構成されている。

本実施形態に係る継目無鋼管の製造方法では、上記ガス供給装置２０を用いて、再加熱炉１０に搬入された素管Ｐが５５０℃以上１０００℃以下の状態において、該素管Ｐの内部に空気Ａが供給される。より具体的には、再加熱炉１０に装入された素管Ｐが固定ビーム１３の前記各ポケット１４（最も素管搬入側から素管搬出側に向けて設けられた６つの連続したポケット１４）に載置された状態で、５５０℃以上１０００℃以下の温度であれば、ガス供給装置２０の各ノズル２１から空気Ａが噴出するように構成されている。なお、前記各ポケット１４に載置された素管Ｐの温度としては、再加熱炉１０の炉内雰囲気温度、再加熱炉１０に装入する際の素管Ｐの温度、素管Ｐの寸法等の各種パラメータ毎に、熱電対等を用いて予め実測した実測温度を用いればよい。あるいは、前記各種パラメータに基づき、伝熱計算モデルを用いて算出することも可能である。そして、前記実測温度あるいは算出温度が、５５０℃以上１０００℃以下の温度であるか否かを判断すればよい。

以上のように、再加熱炉１０に搬入された素管Ｐが５５０℃以上１０００℃以下の状態において、素管Ｐの内部に空気を供給すれば、図２を参照して前述したように、たとえ少量の空気であっても、素管Ｐ内面に付着したカーボンを燃焼させることができる一方、素管Ｐ内面から素管Ｐ内へのカーボンの拡散も抑制可能である。従って、素管Ｐ内面に生じ得る浸炭を効果的に抑制することができる。また、供給する空気が少量で済むため、継目無鋼管の製造コストや設備コストを抑制でき、簡易に浸炭を抑制可能である。

以下、素管Ｐの内部に供給する酸化性ガス（本実施形態では空気）の流量の決定方法について説明する。

発明者らは、供給するべき酸化性ガスの流量（最小流量）を決定するために、まず試験用の加熱炉（以下、試験炉という）を用いて、以下の試験１〜試験３を実施した。

＜試験１＞
（１）素管の材質：ＳＵＳ３０４
（２）素管の寸法：外径１５１ｍｍ、厚み：４．０ｍｍ、長さ１０００ｍｍ
（マンドレルミルで延伸圧延した素管を切断したものを使用した）
（３）試験炉の炉内雰囲気温度：１０５０℃
（４）試験炉に装入する際の素管の温度（予加熱温度）：５５０〜８００℃
（５）素管延伸圧延時のマンドレルバーに塗布したカーボンの付着密度：１５ｇ／ｍ^２
上記（１）〜（５）の条件下で、素管を試験炉に装入し、素管の内部に酸化性ガス（空気）を２分間供給した。その後、素管を試験炉から搬出し、素管内面のカーボン量を測定して、浸炭の有無を評価した。以上の試験を、試験炉に装入する際の素管の温度と、供給する酸化性ガスの流量とを適宜変更して繰り返した。

図４は、上記試験１の結果を示すグラフである。図４において、「○」でプロットした点は、浸炭が生じなかった（素管の設定炭素濃度に対する素管内面表層の炭素濃度増分量の比が０．０１０％以下であった）データを、「×」でプロットした点は、浸炭が生じた（素管の設定炭素濃度に対する素管内面表層の炭素濃度増分量の比が０．０１０％を超えた）データを意味する。図４に示すように、試験炉に装入する際の素管の温度を高めると（従って、素管の内部に酸化性ガスを供給する際の素管の温度を高めると）、浸炭を生じさせないために必要となる酸化性ガスの流量を増加しなければならないことが分かった。

＜試験２＞
試験炉に装入する際の素管の温度を６５０℃の一定温度とし、寸法が異なる複数の素管に対して繰り返し試験を実施した点を除き、試験１と同様の試験を実施した。

図５は、上記試験２の結果を示すグラフである。図５における「○」及び「×」でプロットした点の意味は、図４と同様である。図５に示すように、素管の寸法（内表面積）を大きくすれば、浸炭を生じさせないために必要となる酸化性ガスの流量を増加しなければならない（必要な酸化性ガスの流量は素管の内表面積にほぼ比例する）ことが分かった。

＜試験３＞
試験炉に装入する際の素管の温度を６５０℃の一定温度とし、素管延伸圧延時のマンドレルバーに塗布したカーボンの付着密度が異なる複数の素管に対して繰り返し試験を実施した点を除き、試験１と同様の試験を実施した。

図６は、上記試験３の結果を示すグラフである。図６における「○」及び「×」でプロットした点の意味は、図４と同様である。図６に示すように、素管延伸圧延時のマンドレルバーに塗布したカーボンの付着密度が大きくすれば、浸炭を生じさせないために必要となる酸化性ガスの流量を増加しなければならない（必要な酸化性ガスの流量はカーボンの付着密度にほぼ比例する）ことが分かった。

発明者らは、試験炉を用いた上記試験１〜試験３の試験結果、ならびに、継目無鋼管製造ラインに設置された再加熱炉１０での各種の試験結果に基づき、供給するべき酸化性ガスの流量（最小流量）を決定するための計算式を導出した。すなわち、本実施形態に係る継目無鋼管の製造方法では、素管Ｐの内部に供給する酸化性ガスの流量は、下記式（１）の条件を満足するように決定される。

ここで、上記式（１）において、Ｑは酸化性ガスの流量［Ｎｌ／ｓｅｃ］を、Ｔ_∞は再加熱炉の炉内雰囲気温度［℃］を、Ｔ_ｐは再加熱炉に装入する際の素管の温度［℃］を、Ｃ_ｉｎは酸化性ガスの酸素濃度［体積％］を、Ｔ_ｉｎは酸化性ガスの温度［℃］を、ρ_ｃはマンドレルバーに塗布した潤滑剤が含有するカーボンの粒子密度［ｋｇ／ｍ^３］を、Ｄ_ｃはマンドレルバーに塗布した潤滑剤が含有するカーボンの粒子径［μｍ］を、Ａ_ｂはマンドレルバーに塗布した潤滑剤が含有するカーボンの付着密度［ｇ／ｍ^３］を、πは円周率を、Ｄ_ｐは素管の内径［ｍ］を、Ｌ_ｐは素管の長さ［ｍ］を意味する。

表１は、図３に示す再加熱炉１０における酸化性ガス（空気）の供給条件、及び各条件で再加熱炉から搬出した素管内面の浸炭の有無を評価した結果の一例を示す。なお、表１に示す「バー付着Ｃ」の欄に記載した数値はマンドレルバーに塗布した潤滑剤が含有するカーボンの付着密度Ａ_ｂを、「素管装入温度」の欄に記載した数値は再加熱炉内に装入する際の素管の温度Ｔ_ｐを、「ガス流量」の欄に記載した数値は素管Ｐの内部に供給する酸化性ガス（空気）の流量Ｑを意味する。また、浸炭評価の欄に記載した「○」及び「×」の意味は、前述した図４〜図６と同様である。

なお、表１中のサイズＡは、素管の内径Ｄ_ｐが０．１４３ｍ、素管の長さＬ_ｐが３０ｍである。表１中のサイズＢは、素管の内径Ｄ_ｐが０．０９２ｍ、素管の長さＬ_ｐが２０ｍである。また、表１に記載していない条件として、再加熱炉１０の炉内雰囲気温度Ｔ_∞は１０００℃、酸化性ガスの酸素濃度Ｃ_ｉｎは２０体積％、酸化性ガスの温度Ｔ_ｉｎは２５℃、マンドレルバーに塗布した潤滑剤が含有するカーボンの粒子密度ρ_ｃは１０００ｋｇ／ｍ^３、マンドレルバーに塗布した潤滑剤が含有するカーボンの粒子径Ｄ_ｃは２５μｍとした。

表１に示すように、式（１）の条件を満足する流量で酸化性ガスを供給した場合（Ｎｏ．３、４、９、１２〜１５、１８、１９）には、浸炭が生じないことが分かる。また、再加熱炉１０への素管Ｐの装入温度が低すぎる場合（Ｎｏ．１、１１）には、酸化性ガスを供給するタイミングで素管Ｐが５５０℃以上１０００℃以下の温度条件を満足しなくなる結果、たとえ式（１）の条件を満足する条件で酸化性ガスを供給したとしても、浸炭が生じてしまうことが分かる。

図１は、マンドレルミル方式による継目無鋼管の製造工程を説明するための説明図である。 図２は、素管の温度と、浸炭を生じさせないため（あるいは脱炭するため）に必要な酸化性ガスの流量との関係を模式的に示すグラフである。 図３は、本発明に係る継目無鋼管の製造方法が適用される再加熱炉、及び該再加熱炉に設置される酸化性ガス供給装置の概略構成を示す模式図である。 図４は、素管の再加熱炉への装入温度と、浸炭を生じさせないために必要な酸化性ガスの流量との関係を調査した結果の一例を示すグラフである。 図５は、素管の寸法と、浸炭を生じさせないために必要な酸化性ガスの流量との関係を調査した結果の一例を示すグラフである。 図６は、素管延伸圧延時のマンドレルバーに塗布したカーボンの付着密度と、浸炭を生じさせないために必要な酸化性ガスの流量との関係を調査した結果の一例を示すグラフである。

符号の説明

１・・・素材ビレット
２・・・加熱炉
３・・・ピアサー
４、Ｐ・・・中空素管
５・・・マンドレルミル
６・・・マンドレルバー
７、１０・・・再加熱炉
８・・・絞り圧延装置
１１・・・装入口
１２・・・移動ビーム
１３・・・固定ビーム
１４・・・ポケット
１５・・・側壁
２０・・・酸化性ガス供給装置
２１・・・ノズル

Claims (2)

1. カーボンを含有する潤滑剤を塗布したマンドレルバーを用いてマンドレルミルで延伸圧延された素管を再加熱炉で再加熱して継目無鋼管を製造する方法であって、
   再加熱炉に搬入された素管が５５０℃以上１０００℃以下の状態において、該素管の内部に、下記の式（１）の条件を満足する流量の酸化性ガスを供給することを特徴とする継目無鋼管の製造方法。
   

   

   
   ここで、上記式（１）において、Ｑは酸化性ガスの流量［Ｎｌ／ｓｅｃ］を、Ｔ _∞ は再加熱炉の炉内雰囲気温度［℃］を、Ｔ _ｐ は再加熱炉に装入する際の素管の温度［℃］を、Ｃ _ｉｎ は酸化性ガスの酸素濃度［体積％］を、Ｔ _ｉｎ は酸化性ガスの温度［℃］を、ρ _ｃ はマンドレルバーに塗布した潤滑剤が含有するカーボンの粒子密度［ｋｇ／ｍ ^３ ］を、Ｄ _ｃ はマンドレルバーに塗布した潤滑剤が含有するカーボンの粒子径［μｍ］を、Ａ _ｂ はマンドレルバーに塗布した潤滑剤が含有するカーボンの付着密度［ｇ／ｍ ^３ ］を、πは円周率を、Ｄ _ｐ は素管の内径［ｍ］を、Ｌ _ｐ は素管の長さ［ｍ］を意味する。
2. 前記再加熱炉は、移動ビーム及び固定ビームのそれぞれに設けられた各ポケット上に交互に素管を載せ替えながら搬送するウォーキングビーム式の再加熱炉とされており、
   前記固定ビームの最も素管搬入側から素管搬出側に向けて設けられた複数の連続したポケットの側方にそれぞれ配置され、前記固定ビームの前記各ポケットに載置された素管の内部に向けて酸化性ガスを噴出する複数のノズルを備える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に用いられる酸化性ガス供給装置。

Images