JPH08215716A - 継目無鋼管圧延用プラグおよびそのプラグを用いた継目無鋼管の圧延方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高合金継目無鋼管の製造において優れた製品
管品質を安定的かつ効率的に得るための耐溶損性および
耐割れ性に優れたプラグ材を提供すると共に、該プラグ
を有効に適用する圧延方法を提供する。 【構成】 表面の少なくとも損傷の生じる領域に、表面
からの深さが１mm以上４mm以下で１０００℃における引
張強度が１５kg／mm² 以上かつ５０kg／mm² 以下の高熱
間強度材の層を配したことを特徴とするプラグ及び該プ
ラグを用い、圧延前または圧延中の素管内面に潤滑剤を
供給して圧延することにより、プラグの溶損および熱衝
撃割れが防止され、結果として優れた管内面品質が得ら
れる圧延方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、溶損および熱衝撃割れ
を防止した継目無鋼管圧延用プラグに関するものであ
り、特に優れた内面品質の高合金継目無鋼管をマンネス
マン圧延法によって、安定的かつ効率的に製造するため
に使用されるべきプラグおよび該プラグを用いた継目無
鋼管の圧延方法に係わるものである。

【０００２】

【従来の技術】高合金継目無鋼管は、従来、ユジーン方
式の熱押によって製造されてきたが、最近の素材高級化
のニーズに基づく高合金鋼管の需要増加と、熱押より遥
かに生産性の高い圧延法の技術進歩とによって、鋼種に
よってはマンネスマン方式に代表される圧延法によって
製造されるようになってきている。しかしながら、合金
元素を多く含有し変形抵抗が高い鋼種ほどプラグが溶損
し易いという問題がある。プラグの溶損は工具原単位悪
化、生産性低下を意味すると共に管内面品質の低下を引
き起こす。特に、大圧下を加える延伸圧延に使用される
プラグは、オーステナイト系ステンレス鋼や高Ｎｉ合金
を圧延する場合には１本のパイプを圧延するに至らない
場合がある。

【０００３】従来使用されてきたプラグ材の代表は３Ｃ
ｒ−１Ｎｉ系熱間工具鋼であるが、プラグとしては表面
に０．２mm厚み程度のスケール層を形成させて用いられ
てきた。すなわち、このスケール層は熱間圧延時に断熱
および潤滑の機能を果たすことから、プラグ材表層への
熱負荷を軽減する効果を奏し、結果としてプラグ表層の
塑性流動（すなわち溶損）を抑制していた。

【０００４】このようなスケール層の効果をより向上さ
せる研究がなされている例として次が挙げられる。すな
わち、「材料とプロセス」Vol.３ (1990)1415 では、３
Ｃｒ−１Ｎｉ系鋼の成分系を一部改良（低Ｃｒ化および
Ｍｏ，Ｗ添加）して１３％Ｃｒ鋼圧延におけるプラグ寿
命を約３倍に改善したことが述べられている。

【０００５】しかしながら、このような効果は、炭素鋼
などの圧延の場合のように圧延中においてスケール層が
十分な厚みで存在する条件においてのみ得られるもので
あり、オーステナイト系ステンレス鋼や高Ｎｉ合金のよ
うな高変形抵抗（高圧延反力）材を圧延する場合のよう
にスケール層が容易に磨耗してしまうと、プラグ表層は
過度の熱負荷に曝されるため容易に塑性流動（溶損）を
起こすことになる。上記３Ｃｒ−１Ｎｉ改良鋼でも、１
３Ｃｒ鋼というステンレス鋼としては比較的変形抵抗の
低い素材を圧延する場合においても寿命が３倍程度まで
しか改善されない理由は、圧延と共にスケール層の磨耗
が進行するためである。

【０００６】言うなれば、従来のプラグはスケール層の
機能に依存する形で実用に供されてきており、プラグ材
としての成分設計の考え方も、特定の熱処理条件で厚く
緻密で密着性の良いスケール層が形成され易いか否かが
重視されてきている。このような考え方は炭素鋼や低合
金鋼を圧延の対象としていた範囲においては十分に有効
であったが、上述の如く、オーステナイト系ステンレス
鋼や高Ｎｉ合金のような高変形抵抗材を圧延する現状に
おいては、もはやスケール層の機能に依存する考え方に
は限界がある。

【０００７】そこで、スケール層の断熱・潤滑効果に頼
らない新しい発想のプラグ開発がなされるようになって
きた。すなわち、従来スケール層を表面に形成させる必
要性からプラグ材の成分は熱間工具鋼の域を出ず自ずと
耐塑性流動特性には限りがあったが、外部から供給して
良好な品質が得られる潤滑剤やその供給方法が開発され
るに伴って、プラグ材に要求される特性としてはスケー
ル形成能よりも耐塑性流動特性が重視されるようになっ
てきており、各種高合金プラグあるいは高合金を表層に
配した複合プラグが提案されるようになってきた。

【０００８】例えば、特開平５−２２８５１５号公報で
は、１１００℃での圧縮変形抵抗が２２kg／mm² 以上の
Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金の強化層をプラグ
表層に４mm以上の厚みで配した複合プラグが提案されて
いる。しかしながら、このような高合金強化層を厚く配
することは、経済性のみならず耐熱衝撃割れ性の点から
も不利である。すなわち、強化層が厚いほど急熱・急冷
時の強化層内の温度勾配が大きくなるため熱衝撃に対し
て不利である。そこで、耐溶損性と耐熱衝撃割れ性を両
立させる工夫が必要となる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、高合
金継目無鋼管の製造において優れた製品管品質を安定的
かつ効率的に得るための耐溶損性および耐割れ性に優れ
たプラグ材を提供すると共に、該プラグを有効に適用す
る圧延方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、表面の少なく
とも損傷の生じる領域に、表面からの深さが１mm以上４
mm以下で１０００℃における引張強度が１５kg／mm² 以
上かつ５０kg／mm² 以下の高熱間強度材の層を配したこ
とを特徴とするプラグであり、該プラグを用い、圧延前
または圧延中の素管内面に潤滑剤を供給して圧延するこ
とにより、プラグの溶損および熱衝撃割れが防止され、
結果として優れた管内面品質が得られる圧延方法であ
る。

【００１１】

【作用】先ず、プラグ表層に配する高熱間強度材につい
て説明する。本発明では、被圧延材からの熱負荷に直接
曝されるプラグ表層に高熱間強度材を配する。この理由
は、プラグ表層の塑性流動抵抗性（熱間での引張強度を
指標にできる）を高めるためである。しかしながら、高
熱間強度材であればいかなる材料でも良いというわけで
はない。そこで、プラグ材として必要な特性を明確化す
る研究を行った。

【００１２】実機延伸圧延に使用されるプラグのステン
レス鋼圧延時の表面温度を測定した。その結果ＳＵＳ３
１６を圧延した場合のプラグ表面の最高到達温度は約１
０００℃にも達することがわかった。そこで、１０００
℃における塑性流動の指標となる引張強度が種々異なる
プラグを試作し、ＳＵＳ３１６を潤滑剤供給の下、圧延
した後の溶損有無を評価した。その結果、図１に示すよ
うに引張強度１５kg／mm² を境として溶損発生までの圧
延本数が急激に変化し、１５kg／mm² 以上のプラグ材で
は５本圧延しても全く溶損が見られないことを知見し
た。

【００１３】一方、耐熱衝撃特性についてみてみると、
１０００℃での強度が５０kg／mm²を超えると溶損は起
こさないものの、熱衝撃割れが発生することも明らかに
なった。プロット横のＮｏ．は後述実施例表２のＮｏ．
を意味する。したがって、溶損と割れを共に防止するた
めの高熱間強度材としては、１０００℃の引張強度を指
標として、１５〜５０kg／mm² の値を示す材料が適当で
あると言える。

【００１４】かかる熱間強度を有する金属材料として
は、Ｆｅ基あるいはＮｉ基の耐熱合金や高耐食性合金等
の実用合金が含まれ、通常使用されるようなＣｒ：１０
〜３０％、Ｎｉ：２０〜７０％、Ｍｏ：１〜３０％、Ｃ
ｏ：１〜２０％を含み、さらに適量のＷ、Ｎｂ、Ｔｉ、
Ａｌなどを含有し、残部が実質的に鉄からなる材料を意
味する。かかる合金は単独でも充分にプラグ材となり得
るが、溶損や割れが問題となる表層部に限定して適用す
る方が経済的である。

【００１５】ただし、かかる熱間強度を有する金属材料
は、Ｃｒ、Ｎｉ等の合金元素が多いため、従来プラグの
ようにスケール付け処理が困難であり、スケール層のも
つ潤滑効果が充分に得られず、溶損と割れが防止できて
も被圧延材に焼付疵を発生させる場合がある、これを防
止するには圧延前あるいは圧延中の素管内面への潤滑剤
の供給が必須である。具体的には、ガラス粉末を圧延直
前の素管内面に投入供給する方法を採用した。

【００１６】ガラス粉末は供給と同時に被圧延材の顕熱
で流動状態となるものを使用すべきであり、圧延中にプ
ラグと被圧延材の界面に流動状態で存在して流体潤滑効
果を発揮するものであればよい。適用する潤滑剤として
はガラスが理想的であるが、必ずしもガラス粉末である
必要性はなく、特開平６−７９３１０号公報のように水
ガラス溶液でも良く、あるいはプラグと被圧延材の金属
対金属接触を有効に防止し得るものであれば適用可能で
あり、たとえば、黒鉛や酸化鉄等の粉末も有効である。
また、これらの混合物も有効である。本発明の上記プラ
グ材の適用方法は、この知見に基づくものである。

【００１７】次に、高熱間強度材をプラグ母材に配する
条件について説明する。プラグ表層における高熱間強度
材は、図２に示すように少なくとも熱負荷が従来プラグ
を溶損に到らしめる領域に対して配置すべきである。勿
論、プラグ全表面に対して配しても良いが経済的に無駄
が発生する。高熱間強度材１１の厚みは１〜４mmが適切
である。１０はプラグ母材である。この厚みは主に熱衝
撃割れ抵抗性の点から決定した。すなわち、上記の制約
を満たす高熱間強度材を種々の厚みで従来プラグ（３Ｃ
ｒ−１Ｎｉ系熱間工具鋼、スケール付けせず）の表層に
焼き嵌め法で配した複合プラグを試作し、ＳＵＳ３１６
素管を潤滑剤供給条件下で圧延してプラグの損傷状況を
調査した。

【００１８】その結果、図３に示すように、高熱間強度
材層の厚みが４mm以上になると熱衝撃割れが発生するこ
とを知見した。高熱間強度材層の熱衝撃割れは、圧延時
の急加熱もしくは圧延後の急冷却によって厚み方向に生
じる温度分布に加え、圧延時の加工度（摩擦熱）の違い
等によって、プラグ長さ方向に生じる温度分布に基づく
熱応力が材料の破壊限界を超えることによって割れが発
生するわけであるから、これを防止するには温度分布を
緩和する必要があり、これには高熱間強度材層の厚みに
上限を設けることが有効である。

【００１９】高熱間強度材は概して低熱伝導度材である
が、十分に薄くすることによって母材への熱拡散を促し
温度分布を小さくすることができる。しかしながら、厚
さ１mm以下では高熱間強度材層を通して熱負荷が母材に
までおよびプラグ母材の塑性流動に起因した損傷が発生
する。したがって、高熱間強度材層の最適厚みは１〜４
mmとした。高熱間強度材をプラグ表層に配する方法とし
ては、特に限定せず、焼き嵌め法の他、溶接肉盛り法、
爆着法、拡散接合法等によっても良い。

【００２０】

【実施例】実機の約１／３規模の延伸圧延機による圧延
実験によって、各種プラグ材の溶損特性を評価した。圧
延素材はＳＵＳ３１６であり、直径７５mm、肉厚１５m
m、長さ０．６ｍの素管を用いた。素管内面には圧延直
前に熱間押し出し用ガラス粉末を素管内表面積１ｍ² に
対し２００ｇの割合で投入した。高熱間強度材は表１の
Ｂ〜Ｉの組成（ wt.％で示す）の合金を実験室的に溶製
し機械加工にてプラグ母材に合体できる形状とし、焼き
嵌め法にて図２に示すような胴部直径６２mmの複合プラ
グとした。プラグ母材は現用プラグ（３Ｃｒ−１Ｎｉ系
熱間工具鋼、表１のＡ）とした。

【００２１】表２の No.１は現用プラグであり、スケー
ル付け処理（約０．２mm厚み）を施した後に供試した。
これらのプラグを用いてＳＵＳ３１６素管を直径７５m
m、肉厚５mmまで最高５本まで圧延し溶損および割れの
有無を目視観察すると共に、圧延材を切断・酸洗して管
内面の焼付疵有無を観察した。試験の水準と結果を表２
に示す。これより明らかなように、本発明（ No.１１〜
１７）によれば５本圧延してもプラグの溶損は生じず、
その結果として被圧延材の焼付起因の疵発生も防止でき
ると言える。

【００２２】一方、比較例（ No.１〜３）では熱間強度
が低いため、僅か１本の圧延で高熱間強度材層に溶損が
生じた。比較例（ No.６〜７，１０）は高熱間強度材の
厚みが薄いため、プラグ母材の変形を起点とした溶損が
見られた。これら比較例では圧延材内表面に溶損起因の
焼付疵が見られた。また、比較例（ No.４〜５）では強
度が高すぎるため熱衝撃割れを起こした。比較例（ No.
７〜８）では高熱間強度材層の厚みが厚すぎるため熱衝
撃割れを起こした。本実施例は延伸圧延を対象としたも
のであるが、本発明はこの範囲に限定されるものではな
く穿孔圧延、プラグミル圧延、リーラーミル圧延などに
も適用できる。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【表２】

【００２５】

【発明の効果】本発明によってプラグの溶損および割れ
が防止されると共に、被圧延材内面の焼付疵が防止でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】高熱間強度材の１０００℃における引張強度と
溶損発生までに圧延できたパイプの本数と熱衝撃割れ有
無の関係の図表。

【図２】本発明のプラグの構造を示すプラグ長さ方向の
断面図。

【図３】高熱間強度材層の厚みと熱衝撃割れ有無の関係
の図表。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面の少なくとも損傷の生じる領域に、
   表面からの深さが１mm以上４mm以下で１０００℃におけ
   る引張強度が１５kg／mm² 以上かつ５０kg／mm² 以下の
   高熱間強度材の層を配することを特徴とする継目無鋼管
   圧延用プラグ。
2. 【請求項２】 圧延時に潤滑剤を供給し、該潤滑油が請
   求項１記載のプラグと被圧延材の界面に存在する状態で
   圧延することを特徴とする継目無鋼管の圧延方法。