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発明の名称 継ぎ目無し鋼管製造用プラグおよび継ぎ目無し鋼管の製造方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−79606(P2001−79606A)
公開日 平成13年3月27日(2001.3.27)
出願番号 特願平11−262618
出願日 平成11年9月16日(1999.9.16)
代理人 【識別番号】100068423
【弁理士】
【氏名又は名称】矢葺 知之 (外1名)
【テーマコード(参考)】
4G030
【Fターム(参考)】
4G030 AA17 AA36 AA45 AA47 AA49 AA51 AA52 BA20 CA07 GA22 
発明者 内田 秀 / 和田 康裕 / 濱渦 修一 / 落合 進 / 一色 省志
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 熱衝撃温度が900〜1400℃、1000℃における熱間曲げ強度が300〜1000MPa の強度を有するセラミックからなることを特徴とする継ぎ目無し鋼管製造用プラグ。
【請求項2】 プラグの少なくとも被加工材と接触する穿孔・圧延に使用される部分の表面を、平均粗度(Ra)で0.5μm以下に仕上げたことを特徴とする請求項1記載の継ぎ目無し鋼管製造用プラグ。
【請求項3】 プラグの少なくとも被加工材と接触する穿孔・圧延に使用される部分の摩擦係数を0.01〜0.4としたことを特徴とする請求項1又は2記載の継ぎ目無し鋼管製造用プラグ。
【請求項4】 プラグ表面に潤滑膜を形成あるいは被加工材内面に予め潤滑剤を供給し、プラグと被加工材間の潤滑性を高めたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の継ぎ目無し鋼管製造用プラグ。
【請求項5】 プラグ全体がセラミックからなることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の継ぎ目無し鋼管製造用プラグ。
【請求項6】 プラグの一部がセラミックであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の継ぎ目無し鋼管製造用プラグ。
【請求項7】 セラミックが炭化珪素、窒化珪素、サイアロン、TiC、TiN、BN、Al2 3 、AlN、ZrO2 の少なくとも1種であることを特徴とする請求項1〜6記載のいずれか1項に記載の継ぎ目無し鋼管製造用プラグ。
【請求項8】 プレスロール穿孔またはプラグミル圧延に使用することを特徴とする請求項1〜7記載のいずれか1項に記載の継ぎ目無し鋼管製造用プラグ。
【請求項9】 継ぎ目無し鋼管の合金成分として少なくともCrを含有し、その成分が1.5〜30重量%である継ぎ目無し鋼管に用いたことを特徴とする請求項1〜8記載のいずれか1項に記載の継ぎ目無し鋼管製造用プラグ。
【請求項10】 プレスロール穿孔機に、請求項1〜9のいずれか1項記載の継ぎ目無し鋼管製造用プラグを装着し、継ぎ目無し鋼管素材を穿孔することを特徴とする継ぎ目無し鋼管の製造方法。
【請求項11】 プラグミル圧延機に、請求項1〜9のいずれか1項記載の継ぎ目無し鋼管製造用プラグを装着し、継ぎ目無し鋼管素管を圧延することを特徴とする継ぎ目無し鋼管の製造方法。
【請求項12】 穿孔或いは圧延に先立ちプラグを200℃〜800℃に予熱した状態で使用することを特徴とする請求項10又は11記載の継ぎ目無し鋼管の製造方法。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、継ぎ目無し鋼管製造用プラグおよび継ぎ目無し鋼管の製造法に関し、特に、プレスロール穿孔機およびプラグミル等の管の穿孔機および圧延機に装着されて長寿命を達成できる継ぎ目無し鋼管製造用プラグおよび当該プラグを使用した継ぎ目無し鋼管の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、例えばプレスロールによる継ぎ目無し鋼管製造法では、所定の温度に加熱された角鋼片がプレスロールピアサーで穿孔圧延され、中空素管となる。この素管をエロンゲータ、プラグミル、リーラー或いはエロンゲータ、マンドレルミル等で所定の肉厚に圧延し、さらに必要に応じて再加熱後ストレッチレデューサ或いはサイザーによって外径、肉厚を調整し、所望の継ぎ目無し鋼管が得られる。一方、マンネスマン製造法においては、マンネスマンピアサーで穿孔圧延した素管を同じような圧延機にて圧延して継ぎ目無し鋼管を製造する。
【0003】ストレッチレデューサ、サイザーを除く圧延機では、中空素管の内面にプラグ或いはマンドレルバーが使用される。継ぎ目無し鋼管製造用のプラグとして、図1にプレスロールピアサープラグの側面形状を、図2にマンネスマンピアサーおよびエロンゲータプラグの側面形状を、図3にプラグミルプラグの側面形状の1例をそれぞれ示す。これらのプラグもしくはマンドレルバーは、穿孔及び圧延中に900〜1300℃の温度範囲で素材、素管と接触して高温、高負荷にさらされるため、溶損、損耗しやすい。
【0004】通常、このようなプラグ材としては低合金鋼が使用され、900〜1000℃でスケール処理を行い、表面に数十から数百μmのスケールを生成して使用することにより、普通鋼圧延では数百本(一個のプラグ当たり)の寿命が得られている。しかし、最近需要が増加している合金鋼(特に、Crを含有する高合金鋼)を圧延する場合は、プラグ等の寿命が極端に短くなり、作業性、プラグ原単位が著しく悪化している。
【0005】このため、従来からプラグ材質変更によりプラグ寿命の向上を狙って多数の提案が成されている。例えば、特開昭60−159156号公報や特開昭60−208458号公報では、通常プラグ材にMo、Wを添加した材質が提案されているが、大幅な改善は望めない。
【0006】また、特開昭62−207503号公報や特開昭63−192504号公報では、耐熱・耐焼付き性に優れるMo或いはMo合金をプラグ先端に接合したり、表面に溶射したりする方法が提案されている。しかし、先端に接合した場合はある程度の寿命向上が期待できるが、いずれ先端部以外で溶損が始まること、溶射被膜では表層厚みが薄いため母材との熱膨張差で亀裂が発生し、いずれ剥離に至るため、長寿命を確保することは相当困難である。
【0007】さらに、実開昭57−141804号公報、特開平60−137511号公報、特開昭62−244505号公報、特開平10−180315号公報では、セラミック材をプラグに適用する手段が開示されているが、セラミックを適用する上で、最も問題となるのは熱衝撃性とその取り付け方法であり、これらが十分に解決できていないと実用は困難となる。加えて、高温下での熱間強度にしても限度があり、発生する熱応力を阻止するのは容易でない。
【0008】また、プラグ寿命向上策として特開昭61−74714号公報、特開昭62−259603号公報では、ピアサー或いはエロンゲータにおいて、冷却水や冷却剤を供給して、プラグ耐用度を向上する方法が示されているが、このような冷却および潤滑等の適用は十分に満足できる結果をもたらすに至っていない。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、耐溶損性に優れ、高寿命を可能とするプラグ材質およびこのプラグを使用した継ぎ目無し鋼管製造方法を提供せんとするものである。すなわち、本発明は、耐溶損性に優れ、高寿命を可能とするプラグ材質を得ることを課題とし、併せてこのプラグを用いて継ぎ目無し鋼管を効率的に製造することができる製造方法を提供せんとするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記の課題を達成するための本発明の要旨は次の通りである。
(1)熱衝撃温度が900〜1400℃、1000℃における熱間曲げ強度が300〜1000MPa の強度を有するセラミックからなることを特徴とする継ぎ目無し鋼管製造用プラグ。
(2)プラグの少なくとも被加工材と接触する穿孔・圧延に使用される部分の表面を、平均粗度(Ra)で0.5μm以下に仕上げたことを特徴とする上記(1)に記載の継ぎ目無し鋼管製造用プラグ。
(3)プラグの少なくとも被加工材と接触する穿孔・圧延に使用される部分の摩擦係数を0.01〜0.4としたことを特徴とする上記(1)又は(2)記載の継ぎ目無し鋼管製造用プラグ。
(4)プラグ表面に潤滑膜を形成あるいは被加工材内面に予め潤滑剤を供給し、プラグと被加工材間の潤滑性を高めたことを特徴とする上記(1)〜(3)のいずれかに記載の継ぎ目無し鋼管製造用プラグ。
(5)プラグ全体がセラミックからなることを特徴とする上記(1)〜(4)のいずれかに記載の継ぎ目無し鋼管製造用プラグ。
(6)プラグの一部がセラミックであることを特徴とする上記(1)〜(4)のいずれかに記載の継ぎ目無し鋼管製造用プラグ。
(7)セラミックが炭化珪素、窒化珪素、サイアロン、TiC、TiN、BN、Al2 3 、AlN、ZrO2 の少なくとも1種であることを特徴とする上記(1)〜(6)のいずれかに記載の継ぎ目無し鋼管製造用プラグ。
(8)プレスロール穿孔またはプラグミル圧延に使用することを特徴とする上記(1)〜(7)のいずれかに記載の継ぎ目無し鋼管製造用プラグ。
(9)継ぎ目無し鋼管の合金成分として少なくともCrを含有し、その成分が1.5〜30重量%である継ぎ目無し鋼管に用いたことを特徴とする上記(1)〜(8)のいずれかに記載の継ぎ目無し鋼管製造用プラグ。
【0011】(10)プレスロール穿孔機に上記(1)〜(9)に記載のいずれかの継ぎ目無し鋼管製造用プラグを装着し、継ぎ目無し鋼管素材を穿孔することを特徴とする継ぎ目無し鋼管の製造方法。
(11)プラグミル圧延機に上記(1)〜(9)に記載のいずれかの継ぎ目無し鋼管製造用プラグを装着し、継ぎ目無し鋼管素管を圧延することを特徴とする継ぎ目無し鋼管の製造方法。
(12)穿孔或いは圧延に先立ちプラグを200℃〜800℃に予熱した状態で使用することを特徴とする上記(10)又は(11)に記載の継ぎ目無し鋼管の製造方法。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を説明する。本発明者らは、シームレス熱間圧延での圧延負荷に耐えうる熱間曲げ強度が1000℃で300MPa 以上の構造用セラミックを選定し、これらを満足する構造用セラミックであるSiC、Si3 4 、ZrO2 、AlN、Al2 3 について、熱衝撃温度を種々変えながらプラグを製作し、シームレスモデルミルで評価した。一般に、熱衝撃温度は試験片を所定の温度に加熱し、水冷後、3点曲げで強度を測定し、その強度が低下する限界温度を熱衝撃温度と定義している。熱衝撃温度の異なるプラグを評価した結果、プラグの寿命は穿孔及び圧延で使用中に割損が発生するか否かできまり、セラミック材の熱衝撃温度が強く影響することが明らかとなった。
【0013】すなわち、セラミックの熱衝撃温度が穿孔機および圧延機で穿孔・圧延される被加工材の温度以上あれば、プレスロールピアサーおよびプラグミルへ割損の発生もなく適用することができ、構造用セラミックの内、熱衝撃温度が900℃以上で、合金鋼の穿孔圧延においてもセラミック本来の耐摩耗・耐焼付き性を発揮し、長寿命が確保できることがわかった。なお、被加工材の温度とは穿孔・圧延時の加工発熱を含む温度をさす。この熱衝撃温度の上限は、継ぎ目無し鋼管の穿孔・圧延工程での被加工材温度が達する最高温度を考慮して決めればよく、大体1400℃程度であれば十分である。
【0014】プレスロールピアサーおよびプラグミルでは穿孔・圧延中にプラグには摩擦力と圧延反力による圧縮力が作用する。プレスロールピアサーではプラグ面圧が数百MPa であり、1000℃で300MPa の強度があれば十分である。プラグミルでは、圧延反力は数百MPa 〜1000MPa であり、他の圧延に比べると高いが、通常、黒鉛や塩を混合した潤滑等を併用するため、摩擦係数は低くプラグへ作用する摩擦力も低い値となり、圧縮主体の変形といえる。このように潤滑性を高めることにより、剪断力を低減することが可能となる。この場合の摩擦係数レベルとしては、0.01〜0.40の範囲が好ましい。ガラス潤滑や塩をはじめとする塩化物、リン酸塩、炭酸塩等は継ぎ目無し鋼管の穿孔・圧延温度で溶融し流体潤滑を示し、低い摩擦係数が得られる。また、黒鉛等の劈開を利用した固体潤滑剤を予めプラグ表面に塗布したり、被加工材内面に供給してやることにより、低い摩擦係数を確保することができる。
【0015】上記に規定した摩擦係数の下限未満では高温下での穿孔・圧延が困難であり、また上限を越える摩擦係数での潤滑効果では剪断力の低減を確保できない。特に、好適な範囲は0.03〜0.20の範囲である。一般に、セラミック材は1000MPa を越える高い圧縮強度を有することから、いずれにしてもプレスロール及びプラグミル用プラグとしては、熱衝撃性が十分であれば、穿孔・圧延反力に耐え得うる圧壊強度を有し、割損は発生しないものと考えられる。
【0016】一方、マンネスマンピアサー、エロンゲータ、リーラーの圧延では、穿孔或いは圧延中にプラグがもまれるため、プラグ全体に主に剪断力が働き、熱衝撃による熱応力に加算されるため、高強度である構造用セラミックでも耐用できず、穿孔途中或いは圧延途中で割損に至る例が多いので、本発明ではプレスロール穿孔またはプラグミル用のプラグとして使用することが望ましい。
【0017】さらに、プラグを穿孔および圧延へ使用するに際して、プラグを予熱すればセラミック材の熱衝撃温度を緩和でき、より安全サイドでの使用が可能となるほか、予熱によりセラミックプラグの寿命も向上することが判明した。この場合、予熱温度は高いほど良い傾向にあるが、実際に使用する際の作業性等を考慮すると、200〜800℃で十分である。下限の200℃未満では狙いとする熱衝撃温度の緩和効果が期待できず、また、上限の800℃を超える温度では実操業上好ましくない。
【0018】本発明者らは、さらにセラミックプラグの表面仕上げと内面品質との関連を調査し、表面仕上げが悪く、仕上粗度が大きいほど穿孔・圧延時の抵抗となり負荷が高くなり、圧縮力に対してプラグ表面の剪断力も無視できなくなり、割損に至る場合もある他、内面の品質も十分に確保できないことを明らかにした。例えば、プラグミルでは、平均粗度(Ra)が0.5μm以下でないとマンドレルミル並の内面粗度が得られない。つまり、プラグの少なくとも穿孔或いは圧延に使用される部分、例えば、プラグ先端部、ワーク部或いはリーリング部の仕上平均粗度が0.5μm以下であれば、プレスロールピアサー、プラグミルにおいて問題もなくセラミックプラグを適用できる。
【0019】従来技術の項でも述べたように、当該セラミックプラグがより効果を発揮するのは継ぎ目無し鋼管が合金鋼管である場合であり、特にCrを含有する鋼管を穿孔・圧延する場合はプラグの寿命が極端に悪く、Crを含有する鋼管に適用することが好ましい。この場合に適用される合金鋼管のCr含有量は重量%で1.5%Crから30%Crである。この下限未満では、プラグ寿命はほとんど悪影響を受けず、上記範囲内ではCr含有が大きいほどプラグ寿命は悪くなる。Cr含有が上限を越えるような合金鋼は、負荷および変形能の悪化の点から問題となるため一般に圧延法では製造できず、熱押等の製造法で行われるため上限を30%ととした。
【0020】本発明に係るプラグの具体例を図1及び図3に示す。図1は、プレスロールピアサープラグ形状例であるが、これはプラグ1の全体をセラミックで形成した場合を示し、セラミックとしては炭化珪素、窒化珪素、サイアロン、TiC、TiN、BN、Al2 3 、AlN、ZrO2 の少なくとも1種から成る。
【0021】また、プラグ構造はセラミック一体物でも或いは分割構造でもよいが、場合によっては穿孔或いは圧延に使用される部分だけを該セラミックとした複合体でもよい。例えば、複合体の場合は、図3のプラグミル用プラグに示すように、圧延に使用されるセラミック部分2を前後から他の材質部分3、4で挟み込んだ構造とすればよく、高価なセラミック部分を節約できることになる。
【0022】
【実施例】(実施例1)表1に示すような各種セラミック材からモデルミル用プラグを製作し、プレスロールプロセスであるプレスロールピアサー、プラグミルによる穿孔および圧延を行った。各プロセスでの圧延スケジュールは以下の通りである。プレスロールピアサーでは、プラグ径46.5mmφを使用して、1250℃に加熱した80mm角の13Cr鋼素材から外径81mmφのホローシェルに、プラグミルでは76mmφ、厚み7mmの素管を1100℃に加熱して、プラグ径65mmφと67mmφを使用して2パス圧延を行い、外径74mmφ、肉厚3.5mmに仕上げた。
【0023】
【表1】

【0024】表2に上記セラミックを穿孔機及びプラグミル圧延機のモデルミルで評価したときのプラグ寿命を、プロパープラグであるスケール処理を行った低合金鋼プラグの寿命と比較して示した。
【0025】
【表2】

【0026】本発明の範囲である1000℃における熱間曲げ強度が300〜1000MPaで熱衝撃温度が800℃以上であれば、いずれのセラミック材であっても、使用中に割損の発生もなく、また焼付きや損耗の発生もなく高寿命が得られている。また、併せて表面仕上げ精度が平均粗度(Ra)で0.5μm以下とすることで、より高寿命が得られていることが分かる。これに対し表面仕上げ精度が0.5μm以下であっても、熱間曲げ強度及び熱衝撃温度の少なくとも一つが本発明外であると、全て1本目で割損している。
【0027】(実施例2)表1のSi3 4 セラミック材(材質番号10)について、使用に先立ち、プラグを100〜800℃に予熱してプレスロールピアサーおよびプラグミルで実施例1と同じ様な評価試験を行った。表3に予熱条件と寿命を示す。プラグ予熱温度が高くなるほどプラグ寿命が向上することがわかる。
【0028】
【表3】

【0029】(実施例3)表1のSiCセラミック材(材質番号8)について、プラグミルにて潤滑剤として黒鉛+塩、リン酸ソーダ、ナトリウム系ガラスを使用して、実施例1と同様な評価試験を行った。表4に潤滑条件とそのときの摩擦係数及びプラグ寿命を示す。潤滑条件が良くなり、摩擦係数が低いほど、プラグ寿命が向上することが分かる。なお、摩擦係数は、プラグ支持マンドレルにかかる力及びロール反力から算出した。
【0030】
【表4】

【0031】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、シームレス合金鋼等を穿孔および圧延するプラグ寿命を大幅に改善でき、内面品質の向上、プラグ交換等の作業性の改善が可能となるなどその効果は大きい。また、本発明に係る製造方法によれば、所望品質の継ぎ目無し鋼管を安定して製造することができ、生産性の向上を図ることができる。




 

 


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