JP7484832B2 - 金属管の搬送装置およびめっき金属管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属管の搬送装置およびめっき金属管の製造方法に係り、より詳しくは金属管を液体中に浸漬させる金属管の搬送装置および金属管の内外面に金属めっきを施すめっき金属管の製造方法に関する。

金属めっきされた金属管、たとえば、水、ガス、油等の配管用途に適用される亜鉛めっき鋼管は、前処理（脱脂、酸洗および化成処理）を施された鋼管を溶融亜鉛めっき浴に一定時間浸漬して製造する。その後、該めっき浴から引揚げた鋼管の内外面に空気または蒸気を吹き付けて、鋼管に過剰に付着した溶融亜鉛を吹き飛ばし、溶融亜鉛のたれを切る。その後、該鋼管は水冷槽に浸漬され冷却処理が施される。従来から溶融亜鉛めっき浴内から引揚げられた鋼管の内外面の余剰亜鉛を除去する方法については品質を確保しつつ効率的な方法が数多く提案されている。

たとえば、特許文献１には、引揚げ中の鋼管が外面ブロー装置内を通過する間に、該鋼管内にマンドレル棒を貫通させ、噴射ノズルから圧縮ガスを噴射して鋼管内面の余剰亜鉛を鋼管外に吹き出す方法で、めっき厚さを均一にすることができる技術が開示されている。

また、特許文献２に開示の技術では、製造コスト低減の観点から、鋼管を溶融亜鉛浴中に浸漬した後、溶融亜鉛浴中から鋼管を長手方向に引揚げる過程で圧縮ガスにより鋼管外面の余剰亜鉛を除去し、続いて圧縮ガスにより鋼管内面の余剰亜鉛を除去する方法において、溶融亜鉛浴を低温に設定し、該溶融亜鉛浴中から鋼管を長手方向に引揚げる過程で圧縮ガスにより鋼管外面の余剰亜鉛を除去した後、当該鋼管を前記溶融亜鉛浴温度より高温に加熱し、圧縮ガスにより鋼管内面余剰亜鉛を除去する方法が提案されている。

さらに、生産性向上の観点から特許文献３には、鋼管を１００～６００℃に予熱した後、４３０～４８０℃の溶融亜鉛めっき浴中に２０～１００秒浸漬してめっきを施し、次いで、溶融亜鉛めっき浴中のめっき鋼管を引揚げ、めっき鋼管の外面めっき付着量を制御する方法が開示されている。鋼管を予熱することでめっき槽内の浴温維持に必要な熱量を低減できるとしている。

特開２０１１－ ６３８４４号公報 特開平 ５－１４０７２２号公報 特開平１１－２４６９５９号公報

しかしながら、上記従来の技術には、未だ解決すべき以下のような問題があった。上記従来技術には、亜鉛めっき鋼管の製造方法として、品質面、生産性に関する様々な技術が開示されている。しかし、スクリュー疵の軽減に関しても、品質上重要な課題となるがその詳細については開示されていない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、金属管を液体中に浸漬する際に金属管表面に生じる疵を軽減する金属管の搬送装置を提供することにあり、特に、金属管を溶融金属めっき浴中に浸漬する際に金属管表面に生じる疵を軽減することでめっき金属管を安定して製造することができるめっき金属管の製造方法を提案することにある。

上記課題を解決し、上記の目的を実現するため開発した本発明にかかる金属管の搬送装置は、スクリューを用いて金属管を下降搬送して液体中に浸漬させる金属管の搬送装置であって、前記スクリューは、鉛直方向に延びる回転軸と、該回転軸周りに螺旋状に設けられて前記金属管を案内する羽根と、を有し、（１）前記金属管と接触する前記羽根の端部が面取り部であること、（２）前記金属管の浮力を軽減する機構を有すること、および、（３）前記金属管と接触する前記羽根の接触面の曲率半径が該金属管の外径半径の３倍以上であること、から選ばれる１つを、または２つ以上を組み合わせて、満足していることを特徴とする。

なお、本発明にかかる金属管の搬送装置については、
ａ．前記面取り部が、前記羽根の板厚方向の全長にわたって設けられていること、
ｂ．前記羽根は、前記回転軸周りに設けられた螺旋面と、前記螺旋面の外周から下方に延出する押込部と、を備え、前記面取り部は、前記押込部の下端部に形成されていることを特徴とする、
ｃ．前記金属管の浮力を軽減する機構は、前記スクリューが前記金属管の長手方向に沿って複数配置され、複数の前記スクリューが同期して回転するとともに、前記羽根のピッチがそれぞれ異なるように構成されたものであること、
などがより好ましい解決手段になり得るものと考えられる。

上記課題を解決し、上記の目的を実現するため開発した本発明にかかるめっき金属管の製造方法は、上記いずれかの金属管の搬送装置を用いて、金属管を溶融金属めっき浴中に浸漬させることによって前記金属管を金属めっきするめっき金属管の製造方法であって、
鉛直方向に延びる回転軸と、前記回転軸周りに螺旋状に設けられて前記金属管を案内する羽根と、を有し、（１）前記金属管と接触する前記羽根の端部を面取りすること、（２）前記金属管の浮力を軽減する機構を設けること、および、（３）前記金属管と接触する前記羽根の接触面の曲率半径を該金属管の外径半径の３倍以上とすること、のうち、いずれか1つを、または２つ以上を組み合わせて、満足するスクリューを用いて金属管を下降搬送して溶融金属めっき浴中に浸漬させることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、金属管を下降搬送するスクリューと金属管との接触応力を低減でき、金属管表面を傷つけるのを防止することができる。もって、操業安定化を図ることが可能となる。

本発明の一実施形態を示す鋼管の溶融亜鉛めっき装置の部分側面図である。 本発明の一実施形態を示す鋼管の溶融亜鉛めっき装置の部分上面図である。 （ａ）は本発明の一実施形態を示す鋼管の溶融亜鉛めっき装置のＡ－Ａ’視部分断面図であり、（ｂ）はＢ部拡大図であり、（ｃ）はＣ部拡大図である。 上記実施形態の羽根と鋼管との接触状態を示す拡大図であって、（ａ）は比較例（ＣＡＳＥ１）の場合を示し、（ｂ）は発明例（ＣＡＳＥ２）の場合を示す。

以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら詳細に説明する。本発明はこれに限定されるものでなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
本発明にかかる金属管の搬送装置は、スクリューを用いて金属管を下降搬送して液体中に浸漬させるものである。とくに、金属管を溶融金属めっき浴中に浸漬させることにより金属めっきするめっき金属管の製造に用いて好適である。さらに、金属管が鋼管であり、溶融金属が溶融亜鉛や溶融亜鉛系合金である、溶融亜鉛めっき鋼管の製造に用いて好適である。

本発明の一実施形態にかかる金属管の搬送装置を含む溶融亜鉛めっき装置の概要として、めっき槽１内の部分側面図および部分上面図をそれぞれ図１および２に示す。図１および２に基づいて、本発明の装置および方法を説明する。金属管の一例としての鋼管２は、めっき槽１のボトム側からトップ側に搬送され、回転軸３１に羽根としての螺旋面３２を有するスクリュー３の螺旋面３２に懸架される。鋼管２はサイドガイド７によりスクリュー３の螺旋面３２から外れないように支持されている。鋼管２は同期して回転している複数のスクリュー３の回転によって、めっき槽１下部に下降搬送され、溶融亜鉛めっき浴Ｚに浸漬されて溶融亜鉛めっき処理が施される。スクリュー３の回転によりめっき槽１内の下部にまで下降搬送された鋼管２は、羽根の終端部に到達後、クレードル４に着地する。その後、鋼管２は、スクリュー３の回転軸３１の末端部に設置してある払出し装置８（キッカー）により、引揚げ装置５が設置してある方向に順次払い出される。図２の例では、払出し装置８が回転することで鋼管２をめっき槽１の壁面側に押し出している。その後、鋼管２は、引揚げ装置５のフックに載った後、フックが上昇することでめっき槽１から引揚げられる。

本実施形態では、スクリュー３の本数は鋼管１本に対して、搬送方向（鋼管の長手方向）に３本設置されている。鋼管２の姿勢の安定のために、鋼管１本あたり少なくとも２本のスクリュー３を必要とする。めっき処理を施す鋼管２の長さによるが、２本の場合、めっき浴Ｚ投入直後の搬送方向の鋼管２の姿勢が不安定となる可能性が高いため、鋼管１本に対しスクリュー３を３本以上設置するのが望ましい。

発明者らは、鋼管２をスクリュー３によって下降搬送し、亜鉛めっきするに際し、めっき鋼管表面疵の形態を調査した。その結果、スクリュー３の羽根の端部との接触により、表面疵が発生することが判った。また、めっき浴Ｚへの浸漬直後は、鋼管２内に空気が残留しており、この空気が抜けきるまでは、鋼管２に浮力が働き、上から押さえつける羽根の下部端部と接触し、押込疵となることが判った。また、スクリュー３下部では、鋼管２が自重で沈降し、羽根の上部端部に接触し、表面疵となることが判った。以下、表面疵の軽減策について、詳細に説明する。

スクリュー３で鋼管２を下降搬送する際の、羽根と鋼管２の位置関係の概略を図２のＡ－Ａ’視概略図で図３（ａ）に示す。めっき浴面１０近傍では、鋼管２の上面側が羽根の下端面に接触している。また、ある程度鋼管２が下部に運ばれた時点で、鋼管２の下面側は羽根の螺旋面３２上端部と接触している。したがって、鋼管２と接触する羽根の端部を面取りすることでスクリュー３の羽根と鋼管２との接触応力を低減し、鋼管表面疵を軽減できることを見出した。

図３（ａ）に示すように、この実施形態では、めっき浴面１０近傍では、スクリュー３に押込部３３が形成されている。すなわち、スクリュー３の羽根は、回転軸３１周りに設けられた螺旋面３２と、螺旋面３２の外周から下方へ延出する押込部３３と、を備えている。押込部３３は、鋼管２が浮力の影響を受ける、めっき浴面１０から鋼管２の３直径分下がるまでの範囲に形成されていることが好ましい。スクリュー３に押込部３３を形成し、この押込部３３で鋼管２を下方へ押込むことで、鋼管２を浮力に抗って下方搬送することが容易となる。

ここで、浮力によって鋼管２と押込部３３との間に働く接触応力係数σ／Ｋは、下記数式１に示すヘルツの接触応力の式から、数式２のように導出される。ただし、Ｐは鋼管２に生じる浮力、Ｒ１は鋼管２と接触する箇所のスクリュー３の接触面の曲率半径、Ｒ２は鋼管２の外径半径、νはポアソン比で、添字１はスクリュー、添字２は鋼管を表し、Ｅはヤング率で、添字１はスクリュー、添字２は鋼管を表す。

上記数式２から明らかなように、接触応力係数σ／Ｋは、浮力Ｐが小さいほど、また、鋼管２と接触する箇所のスクリュー３の接触面の曲率半径Ｒ１が大きいほど、低減できる。

本実施形態では、３本のスクリュー３は、それぞれ同期して回転するとともに、スクリュー３ごとに羽根のピッチが異なっている。具体的には、図１に示すように、ボトム側（図１における右側）に位置するスクリュー３よりトップ側（図１における左側）に位置するスクリュー３の方が、羽根のピッチが大きくなっている。これにより、スクリュー３によって鋼管２がめっき槽１内を下降搬送される際、鋼管２が一定方向に傾斜する。本実施形態では鋼管先端側（トップ側）はスキッドプレート６でアライメントしているため、鋼管尾端側（ボトム側）からエアーを抜くべく、鋼管先端側を下げて傾斜をつけている。この傾斜は、鋼管２内に溶融亜鉛めっきＺが流れ込むめっき浴面１０付近で重要であり、めっき浴面１０付近で所定の傾斜角度を設ける。本実施形態では、浮力の影響を受けるめっき浴面１０から鋼管２の３直径分下がるまでの範囲において、鋼管２の傾斜角度が３．５°程度となるように各スクリュー３の羽根のピッチが調整されている。なお、羽根のピッチが異なる複数のスクリュー３を同期させる構成に代えて、羽根のピッチが同じ複数のスクリュー３の回転速度を変えることによっても鋼管２を傾斜させることが可能である。このように鋼管２内から空気を早期に排除する、浮力を軽減する機構を設けることで鋼管２とスクリュー３との接触応力を軽減できる。

めっき浴面１０近傍におけるスクリュー３の羽根端部のＲ面取り（面取り部）を拡大して図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）に示すように、めっき浴面１０近傍では、螺旋面３２の押込部３３の下端に面取り部が形成されている。この面取り部は、押込部３３の板厚と同等分（すなわち板厚方向の全長にわたって）取ることが望ましい。押込部３３の下端に面取り部を形成することで、浮力で浮き上がった鋼管２が押込部３３に当たった際に、鋼管２の表面損傷を抑制することができる。図３（ｂ）には、一例として浮力の影響を受けるめっき浴面１０から鋼管２の３直径分下がるまでの範囲において、押込部３３の板厚１９ｍｍに対し、端部面取りを曲率半径Ｒ＝１９ｍｍの形状とする面取り部を示す。

なお、めっき浴面１０近傍以外の部分（すなわちスクリュー３の下方）では、スクリュー３の羽根に押込部３３は形成されておらず、螺旋面３２の外周下端部に面取り部が設けられている。また、面取り部を螺旋面３２の外周下端部と外周上端部の両方に形成する構成としてもよい。螺旋面３２端部の上下両方に面取り部を形成することで、より鋼管２が損傷することを抑制することができる。図３（ｃ）には、一例として螺旋面３２の外周下端部に構成した曲率半径Ｒ＝１８ｍｍの形状の面取り部を示す。

さらに、スクリュー３の羽根の下面（押込部３３の下面）の、鋼管２との接触面の曲率半径Ｒ１（図４参照）を大きくすることで接触応力を軽減できる。羽根の押込部３３の下端（鋼管２が当接する箇所）の螺旋の曲率半径Ｒ１を、鋼管２の外周面の曲率（外径半径）の３倍以上とする。それによって、上記数式１、２で示したように接触応力係数を小さくできる。一方、上限は特に限定するものではないが、あまりに大きくするのは設備制約があるので、１０倍程度が好ましい。ここで、羽根の鋼管２との接触面の曲率半径Ｒ１を大きくする方法としては、例えばスクリュー３の羽根のピッチを小さくする方法や、サイドガイド７をスクリュー３に近づけてサイドガイド７とスクリュー３との隙間を狭める方法等が挙げられる。

図４にスクリュー３の羽根のピッチを変更するとともにサイドガイド７をスクリュー３に近づけて隙間を狭めることで鋼管２とスクリュー３の羽根の接触面の曲率半径Ｒ１が大きくなる例を示す。鋼管径は１５０Ａとし、スクリュー３の羽根のピッチを４４６．５ｍｍ（図４（ａ））から４２４．５ｍｍ（図４（ｂ））に小さくした。そして、サイドガイド７とスクリュー３の隙間を狭めると、スクリュー３の羽根の鋼管２との接触面の曲率半径Ｒ１を２０１．３ｍｍ（図４（ａ））から５２２．６ｍｍ（図４（ｂ））と大きくすることができる。サイドガイド７を狭めすぎると鋼管２が回転軸３１に接触し、疵が発生するおそれがあるため、この実施形態では、回転軸３１表面と鋼管２表面との隙間ｄｇ＝２５ｍｍ程度以上設けた形態を示す。

なお、上記実施形態では、金属管である鋼管を溶融亜鉛めっき浴に浸漬させる形態を説明したが、これに限らず、金属管を水に浸漬させて冷却する場合等、金属管を液体に浸漬させる様々な場合に適用可能である。金属管とスクリューとの接触応力を軽減する方策として、（１）スクリューの羽根端部の面取り、（２）金属管の浮力を軽減する機構、（３）金属管と接触するスクリューの接触面の曲率半径を大きくすること、から選ばれる少なくとも１つを選択する必要があり、２つ以上を組み合わせることが好ましい。

また、本発明にかかる金属管の搬送装置および方法は、１５０Ａ以上の金属管（鋼管）に特に好適に用いられる。１５０Ａ以上の鋼管は、１５０Ａ未満の小径管に比べて中空部に存在する空気量が多く、生じる浮力が大きいため、従来、スクリュー上部の羽根の螺旋部（押込部の下端）にぶつかって疵がつくことが多かった。

（実施例）
スクリュー直径４８０ｍｍ、鋼管径１５０Ａにおいて、図４（ａ）に示す比較例（ＣＡＳＥ１）と図４（ｂ）に示す発明例（ＣＡＳＥ２）との諸元をそれぞれ表１にまとめた。それぞれのＣＡＳＥにおいて浮力により生じる接触応力係数σ／Ｋの比較を行った。計算にあたって、上記数式１、２を用いた。

ＣＡＳＥ２（発明例）の方が、浸漬角度を付ける事で発生浮力（解析結果）がより低減し、かつ、スクリューの鋼管との接触面の曲率半径Ｒ１も大きいため接触応力の低減が図れる。スクリュー押込み疵深さを比較すると合格基準深さ０．２ｍｍ以下に対して、ＣＡＳＥ１（比較例）では深さ０．４ｍｍあるものが、ＣＡＳＥ２（発明例）では０．０１ｍｍに改善している。すなわち、疵深さの軽減が図れている。

１ めっき槽
２ 鋼管（金属管の一例）
３ スクリュー
３１ 回転軸
３２ 螺旋面
３３ 押込部
４ クレードル
５ 引揚げ装置
６ スキッドプレート
７ サイドガイド
８ 払出し装置（キッカー）
１０ めっき浴面
Ｚ 溶融亜鉛めっき浴（めっき浴）

Claims (5)

1. スクリューを用いて金属管を下降搬送して液体中に浸漬させる金属管の搬送装置であって、
   前記スクリューは、鉛直方向に延びる回転軸と、該回転軸周りに螺旋状に設けられて前記金属管を案内する羽根と、を有し、
   前記羽根は、前記回転軸周りに設けられた螺旋面と、前記螺旋面の一部に外周から下方に延出する押込部と、を持ち、
   （１）前記金属管と接触する前記羽根の端部および前記押込部の下端部が面取り部であること、
   （２）前記金属管の浮力を軽減する機構を有すること、および、
   （３）前記金属管と接触する前記羽根の接触面の曲率半径が該金属管の外径半径の３倍以上であること、
   から選ばれる１つを、または、２つ以上を組み合わせて、満足している、
   ここで、前記金属管の浮力を軽減する機構は前記金属管を下降搬送中に液体中で前記金属管を傾斜させて前記金属管中に残存する空気を排除するものである、ことを特徴とする金属管の搬送装置。
2. 前記面取り部が、前記羽根の板厚方向の全長にわたって設けられていることを特徴とする請求項１に記載の金属管の搬送装置。
3. 前記押込部は、前記螺旋面のめっき浴面近傍にのみ設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の金属管の搬送装置。
4. 前記金属管の浮力を軽減する機構は、
   前記スクリューが前記金属管の長手方向に沿って複数配置され、複数の前記スクリューが同期して回転するとともに、前記羽根のピッチがそれぞれ異なるように構成されたものであることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の金属管の搬送装置。
5. 請求項１～４のいずれか一項に記載の金属管の搬送装置を用いて、金属管を溶融金属めっき浴中に浸漬させることによって前記金属管を金属めっきするめっき金属管の製造方法であって、
   鉛直方向に延びる回転軸と、前記回転軸周りに螺旋状に設けられて前記金属管を案内する羽根と、を有し、
   前記羽根は、前記回転軸周りに設けられた螺旋面と、前記螺旋面の一部に外周から下方に延出する押込部と、を持ち、
   （１）前記金属管と接触する前記羽根の端部および前記押込部の下端部を面取りすること、
   （２）前記金属管の浮力を軽減する機構を設けること、および、
   （３）前記金属管と接触する前記羽根の接触面の曲率半径を該金属管の外径半径の３倍以上とすること、
   のうち、いずれか１つを、または、２つ以上を組み合わせて、満足するスクリューを用いて、金属管を下降搬送して溶融金属めっき浴中に浸漬させる、
   ここで、前記金属管の浮力を軽減する機構は前記金属管を下降搬送中に液体中で前記金属管を傾斜させて前記金属管中に残存する空気を排除するものである、ことを特徴とするめっき金属管の製造方法。

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