JP6330741B2 - 継目無鋼管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱間で中空素管を延伸圧延して継目無鋼管を製造するにあたって、均一な組織を有する継目無鋼管の製造方法に関するものである。

従来から、継目無鋼管を製造するにあたって、中実のビレットを加熱して穿孔圧延を行ない、得られた中空素管を延伸圧延機で延伸圧延して継目無鋼管を製造する技術が実用化されている。延伸圧延機は、中空素管の内部にプラグを挿入して、中空素管の外側の圧延ロールと内側のプラグとの間で圧下を加えて、所定の外径、肉厚を有する継目無鋼管を製造、あるいはプラグに代えて長尺のバーを用いて所望の継目無鋼管を製造するものである。

一般的な継目無鋼管の製造ラインは、延伸圧延機（たとえばエロンゲータ、プラグミル、あるいはマンドレルミル等）から継目無鋼管をサイザー、ストレッチレデューサに送給して、外径や肉厚の寸法精度を高めるように構成されているが、サイザー等ではプラグ等の内面工具を使用しない。以下では、たとえばエロンゲータやプラグミル、あるいはマンドレルミルのように、プラグ等の内面工具を用いて中空素管の延伸を行なう圧延機を延伸圧延機と記す。

そして、様々な用途に応じて規定される特性（たとえば機械的特性等）を満足するために、成分を好適な範囲に調整したビレットを素材として用いて、継目無鋼管を製造している。しかし近年、厳しい環境で使用できる継目無鋼管の必要性が高まっており、ビレットの成分を調整しても得ることができないほどの高強度の継目無鋼管が求められている。そのような高強度の継目無鋼管を製造するために、製造ラインの出側で熱処理（たとえば焼入れ、焼戻し等）を行なう技術が検討されている。

継目無鋼管の焼入れを行なう際には、継目無鋼管をオーステナイト域まで加熱し、引き続き急冷（たとえば冷却水槽に浸漬）する。あるいは、熱間で製造する継目無鋼管は、製造ラインから排出される時には高温であることから、製造ラインの出側で直ちに急冷する技術も開発されている。その後、所望の強度を得るために焼戻しを行なう。いずれの焼入れにおいても、ビレットの穿孔圧延および中空素管の延伸圧延によって継目無鋼管に形成された圧延方向に展伸した組織が、焼入れ後の組織の均一化に寄与することが知られている。焼入れで形成された組織が均一であれば、焼戻し後も均一な組織を有する継目無鋼管が得られる。

しかし、焼入れ前の継目無鋼管の組織が圧延方向に展伸した組織であっても、継目無鋼管の温度が不均一であれば、焼入れ後に必ずしも均一な組織は得られない。

たとえば特許文献１〜３に、加熱された継目無鋼管を冷却水槽に浸漬して焼入れを行なう技術が開示されている。これらの技術は、いずれも、温度が室温まで低下した継目無鋼管を加熱して急冷する場合のみならず、製造ラインから排出された高温の継目無鋼管を直ちに急冷（以下、直接焼入れという）する場合にも適用できる。しかも、圧延方向に展伸した組織を有する継目無鋼管の焼入れが可能である。

しかし従来の継目無鋼管の製造技術では、穿孔圧延機（いわゆるピアサー）から延伸圧延機を経てサイザーに至る工程で、継目無鋼管の温度にバラツキが生じるのは避けられない。

そこで継目無鋼管の温度差を解消して、均一な温度分布を有する継目無鋼管を製造ライン（とりわけ延伸圧延機）から排出する技術が検討されている。

たとえば特許文献４には、中実のビレットを穿孔する際に、穿孔された側の内面に冷却水を噴射して、穿孔圧延機から排出される中空素管の温度を均一に分布させる技術が開示されている。穿孔圧延機から排出された中空素管は、延伸圧延機にてプラグを挿入して、延伸圧延を行なう場合、そのプラグは冷材であるから、延伸圧延の開始時にはプラグの温度は低いが、延伸圧延中に中空素管からの伝熱効果によってプラグの温度が上昇する。一方で、中空素管は、延伸圧延の開始時には温度が高いが、延伸圧延中に放熱効果によって温度が低下する。つまり、延伸圧延の開始から終了の間にプラグと中空素管の温度が変化し、その結果、製造ラインから排出される継目無鋼管の長手方向の温度分布が不均一になる。

温度分布が不均一な継目無鋼管に直接焼入れを行なうと、均一な組織が得られず、その結果、継目無鋼管の特性にバラツキが生じる。

温度分布が不均一であっても、継目無鋼管を一旦室温まで冷却した後に、加熱炉等で加熱して焼入れを行なうと、焼入れに起因する特性のバラツキは抑制できる。しかし、継目無鋼管の生産性の低下や製造コストの上昇を招くばかりでなく、冷却過程で継目無鋼管の曲がりが発生するという問題が生じる。

特開昭58-71335号公報 特許第1595363号公報 特許第4045605号公報 特開平3-99708号公報

本発明は、従来の技術の問題点を解消し、延伸圧延によって均一な温度分布を有する継目無鋼管を得て、ひいては均一な組織を有する継目無鋼管を製造する方法を提供することを目的とする。

本発明者は、プラグを用いる延伸圧延機で実験を行ない、延伸圧延された継目無鋼管の温度を測定して、その温度分布を調査した。そして、
(a)測定された温度の最大値と最小値の差（以下、温度偏差という）は、継目無鋼管の外面よりも、内面の方が大きい、
(b)継目無鋼管の内面の温度偏差は、延伸圧延におけるプラグと中空素管の温度変化が主要な原因である
ということを見出した。

そこで本発明者は、延伸圧延における中空素管の温度変化、およびその内部に挿入されるプラグの温度変化が、延伸圧延機から排出される継目無鋼管の内面の温度偏差に及ぼす影響について、詳細に検討した。その結果、
(A)中空素管の先端を延伸圧延するときは、中空素管の温度は高いが、プラグの温度は低い、
(B)中空素管の後端を延伸圧延するときは、中空素管は放熱して温度が低下する一方で、プラグは中空素管からの伝熱で温度が上昇する、
(C)中空素管とプラグの温度の変化は、穿孔圧延においても同様の現象が認められる、
(D)穿孔圧延にて中空素管の内面に生じた温度偏差が、延伸圧延によって、さらに大きくなる
ということが判明した。

次に、延伸圧延機から排出される継目無鋼管の内面の温度偏差を防止する技術について検討を重ねて、
(E)延伸圧延にてプラグの温度を一定に保つのは困難である、
(F)延伸圧延にて、プラグを支持するプラグバーから冷却媒体（たとえば冷却水等）を延伸圧延直後、中空素管の内面に吹付けて、温度の高い部位を冷却すれば、中空素管の温度偏差を解消できる、
(G)穿孔圧延で得られた中空素管の内面の温度を、その寸法や鋼種に応じて予め測定しておき、その測定結果に基づいて延伸圧延直後、冷却媒体の吹付けを調整しながら延伸圧延を行なうことによって、継目無鋼管の温度分布の均一性がさらに向上する、
(H)延伸圧延で得られた継目無鋼管の内面の温度分布は、上記(G)の温度分布と同様の傾向を示す
という知見を得た。

本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。

すなわち本発明は、加熱された中実のビレットを穿孔して中空素管とした後、プラグを用いる延伸圧延機で中空素管を延伸して継目無鋼管を製造する継目無鋼管の製造方法において、中空素管の内部にプラグを挿入して延伸圧延し、かつ延伸圧延直後の中空素管の内面に冷却媒体を吹付けながら延伸を行なう継目無鋼管の製造方法である。

本発明の製造方法においては、延伸圧延機のプラグバーの内部に冷却媒体の流路を設けて、プラグバーの側面に設けた噴射口から延伸圧延直後の中空素管に冷却媒体を吹付けることが好ましい。また、その流路を介して供給される冷却媒体を、プラグバーの先端に装着される穿孔プラグの底部に設けた噴射溝から吹付けても良い。

冷却媒体を吹付けについては、穿孔圧延機の出側で中空素管の内面温度を予め測定しておき、内面温度の測定値に基づいて冷却媒体の吹付け開始と吹付け停止、および流量、圧力を調整することが好ましい。冷却媒体は、冷却水を使用することが好ましい。

本発明によれば、延伸圧延によって均一な温度分布を有する継目無鋼管を得ることができ、ひいては均一な組織を有する継目無鋼管を製造できるので、産業上格段の効果を奏する。

本発明を適用する延伸圧延機の例を模式的に示す説明図である。 冷却媒体の流路を備えたプラグバーの例を模式的に示す断面図である。

本発明は延伸圧延後の中空素管の温度を均一化することが目的であるため、冷却媒体は延伸圧延中ではなく、延伸圧延の直後から、それ以上加工熱が入らない状態で吹き付ける必要がある。延伸圧延の加工熱が加わり続けている延伸圧延中では、十分かつ安定した冷却ができないからである。なお、延伸圧延の直後とは、中空素管がプラグから離れた直後を意味する。

図１は、本発明を適用する延伸圧延機の例を模式的に示す説明図であり、中空素管１を断面図として示す。中空素管１の外側の圧延ロールは、図示を省略する。図１中の矢印Ａは、中空素管１の進行方向を示す。

図１(a)は、プラグバー２の側面に設けた噴射口３から、延伸圧延直後の中空素管１の内面に冷却媒体４（たとえば冷却水等）を吹付ける例である。プラグバー２の内部には冷却媒体４の流路が設けられており、その流路を介して供給される冷却媒体４を噴射口３から吹付ける。なお、冷却媒体４の流路については後述する。

図１(a)には２個の噴射口３を設ける例を示したが、噴射口３の個数は特に限定しない。ただし、噴射口３の個数が少なすぎると、延伸圧延機から排出される継目無鋼管の内面の温度偏差を防止する効果が得られない。一方で、噴射口の個数が多すぎると、プラグバー２の強度が低下して、延伸圧延に支障を来す。したがって噴射口３の個数は、円周方向（すなわちプラグバー２の軸芯に垂直な断面内）に２〜４個の範囲内が好ましい。

そして、その円周方向に配置された噴射口３の列を、プラグバー２の軸芯に平行な方向に２列以上配列しても良い。その場合は、プラグバーや中空素管の寸法等に応じて、噴射口３の列数を設定する。

複数個の噴射口３を設ける場合は、線状に配列（たとえば長手方向に配列、円周方向に配列、螺旋状に配列）するのが好ましい。あるいは、その線状の配列を２列以上設けても良い。いずれの配列においても、噴射口３を等間隔で線状に設けることが好ましい。

図１(b)は、プラグ５の底部に設けた噴射溝６から中空素管１の内面に冷却媒体４を吹付ける例である。図１(b)には２個の噴射溝６を設ける例を示したが、噴射溝６の個数は特に限定しない。ただし、噴射溝６の個数が少なすぎると、延伸圧延を終了して延伸圧延機から排出される継目無鋼管の内面の温度偏差を防止する効果が得られない。一方で、噴射溝６の個数が多すぎると、プラグ５の強度が低下して、延伸圧延に支障を来す。したがって、噴射溝６の個数は２〜５個の範囲内が好ましい。

複数個の噴射溝６を設ける場合は、プラグ５の軸芯から放射状に、かつ等間隔（すなわちプラグ円周方向に等しい角度）で設けることが好ましい。

また、プラグバー２の側面に設けた噴射口３と、プラグ５の底部に設けた噴射溝６との両方から冷却媒体４を吹付けても良い（図示せず）。

冷却媒体４は、空気等の気体を使用しても良いが、液体を使用すれば冷却能力が高まるので好ましい。特に、冷却水を使用すれば安価であるから、継目無鋼管の製造コストの削減および品質の向上（すなわち組織の均一性）を両立することが可能となる。

延伸圧延を行なうにあたって、中空素管の寸法や鋼種等に応じて、予め内面の温度を測定しておく。使用する温度計は、中空素管の内面あるいは継目無鋼管の内面の温度を測定できるものであれば良く、特に限定しない。ただし、延伸圧延機の稼働中に温度を測定する必要があることから、非接触式の測定技術（たとえば放射温度計、画像解析等）を採用することが好ましい。

そして、その温度が高い部位に冷却媒体を吹付けるように、吹付け開始と吹付け停止のタイミングを設定し、さらに、冷却媒体の吹付け量や吹付け圧力を設定して、延伸圧延を行なう。

このようにして延伸圧延を行なうことによって、延伸圧延機から排出される継目無鋼管の内面の温度偏差を防止できる。とりわけ、樽型の圧延ロールを用いて傾斜式圧延を行なう延伸圧延機（たとえばエロンゲータ等）では、中空素管１が管軸を回転軸として回転するので、内面の温度分布の均一性がさらに向上する。

図２は、冷却媒体の流路を備えたプラグバーの例を模式的に示す断面図である。冷却媒体４の流路22は、プラグバー本体21の外周（図２(a)参照）に設けても良いし、プラグバー本体21の内部（図２(b)参照）に設けても良い。いずれも、噴射口３から冷却媒体４を吹付けることができ、かつプラグバー本体21を冷却する効果が得られ、さらにプラグ５を冷却する効果も得られる。また、プラグ５の底部に設けた噴射溝から冷却媒体４を吹付ける場合（図示せず）においても、流路22から噴射溝を通って、冷却媒体４を吹付けることは可能である。

このようにして噴射口３および／または噴射溝６から冷却媒体４を中空素管１の内面に吹付けながら、延伸圧延を行なう。

＜実施例１＞
ピアサーを用いて、SUS420J1相当のビレット（いわゆる13Cr鋼、長さ350mm、温度1250℃）の穿孔圧延を行ない、長さ875mmの中空素管とした。得られた中空素管の内面の温度を、ピアサーの出側で数秒以内に、進行方向の先端と後端、および長さ方向に１／４、１／２、３／４の位置で測定した。中空素管の内面の温度は、非接触式で撮影した熱画像を解析して求めた。その結果、中空素管の中央部（すなわち長さ方向に１／２の位置）以降にて内面の温度が急激に上昇しており、温度偏差は32℃であった。

続いて、噴射溝から冷却媒体を吹付ける構成のプラグとプラグバー（図１(b)参照）を使用して、上記の長さ875mmの中空素管の延伸圧延を行なった。その際、冷却媒体である冷却水をプラグの後面から噴射して中空素管の中央部以降の内面に吹付けるようにした（総吹付け量５Ｌ、吹付け圧力１MPa）。これを発明例１とする。

発明例１においても、得られた中空素管の内面の温度を測定した結果、温度偏差は５℃であった。

一方、従来例としてプラグの後面から冷却水を噴射せず、空冷のまま延伸圧延したところ、温度偏差は40℃に拡大した。

つまり本発明を適用することによって、冷却媒体を使用しない従来の延伸圧延と比べて、中空素管の温度偏差が大幅に減少することが確かめられて、均一な温度分布を有する継目無鋼管が得られることが分かった。

＜実施例２＞
非調質一般鋼のビレットの穿孔圧延を行なった後、中空素管をさらに延伸圧延した。その際、噴射口から冷却媒体を吹付ける構成のプラグとプラグバー（図１(a)参照）を使用し、冷却媒体である冷却水をプラグバーから中空素管の中央部以降の内面に吹付けるように調整した。これを発明例２とする。

発明例２においても、得られた中空素管の内面の温度を測定した結果、温度偏差は10℃であった。

一方、従来例としてプラグバーから冷却水を噴射せず、空冷のまま延伸圧延したところ、温度偏差は38℃に拡大した。

つまり本発明を適用することによって、冷却媒体を使用しない従来の延伸圧延と比べて、中空素管の温度偏差が大幅に減少することが確かめられて、均一な温度分布を有する継目無鋼管が得られることが分かった。

さらに、発明例２の中空素管から圧延方向の先端側から２個、後端側から２個（合計４個）の試験片を採取して引張試験を行なったところ、引張強度の最大値と最小値の差（以下、強度偏差という）は15MPaであった。

一方で、従来の冷却媒体の吹付けを行なわない場合の引張試験のデータを解析したところ、非調質一般鋼の中空素管の強度偏差は70MPa程度であった。

つまり、発明例２の中空素管の強度偏差は従来よりも大幅に減少しており、本発明を適用することによって、均一な組織を有する中空素管が得られることが確かめられた。

１ 中空素管
２ プラグバー
21 プラグバー本体
22 冷却媒体の流路
３ 噴射口
４ 冷却媒体
５ プラグ
６ 噴射溝

Claims (4)

1. 加熱された中実のビレットを穿孔して中空素管とした後、プラグを用いる延伸圧延機で前記中空素管を延伸して継目無鋼管を製造する継目無鋼管の製造方法において、前記中空素管の内部にプラグを挿入して延伸圧延し、かつ前記延伸圧延直後の前記中空素管の内面に冷却媒体を吹付けながら前記延伸を行なうとともに、前記ビレットから前記中空素管を得るための穿孔圧延機の出側で前記中空素管の内面温度を予め測定しておき、該内面温度の測定値に基づいて前記冷却媒体の吹付け開始と吹付け停止、および流量、圧力を調整することを特徴とする継目無鋼管の製造方法。
2. 前記延伸圧延機のプラグバーの内部に前記冷却媒体の流路を設けて、前記プラグバーの側面に設けた噴射口から前記延伸圧延直後の前記中空素管に前記冷却媒体を吹付け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。
3. 前記流路を介して供給される前記冷却媒体を、前記プラグバーの先端に装着される穿孔プラグの底部に設けた噴射溝から吹付け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。
4. 前記冷却媒体として冷却水を使用することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の継目無鋼管の製造方法。
   

Images