JP6102860B2 - マンドレルバーの製造装置列及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、マンドレルバーの製造装置列及び製造方法に関する。ここで、マンドレルバーとは、継目無鋼管の製造に係るマンドレル圧延において使用される内面工具のことである。

継目無鋼管の製造方法の１つにマンドレル圧延法と称されるプロセスがある。このマンドレル圧延プロセスは、加熱炉で加熱された丸鋼片に穿孔機で穿孔を施した素管に対して、肉厚を減ずるために前記内面工具であるマンドレルバーを内面側に挿入した状態で、左右一対の孔型ロールを装備したスタンドを複数直列配置してなるマンドレルミルでタンデム圧延を施し、該圧延後の鋼管からマンドレルバーを引抜くというものである。

このマンドレル圧延法では、前記マンドレルバーと前記孔型ロールとの間で素管を圧延し肉厚を減じるが、その際に前記マンドレルバーには圧延荷重、熱応力、磨耗等の負荷が発生し、表面円周方向に割れが発生する。前記マンドレルバーの円周方向割れは圧延時や引抜き時の鋼管内面疵や前記マンドレルバーと鋼管の焼付きの原因となり不適合品の発生を引起こすため、ある程度割れが進行した時点で前記マンドレルバーは工具寿命に達したと判断され廃却される。

近年、鋼管の高強度化や耐腐食性向上を目的としてＣｒやＮｉ等の合金元素を多く含んだ鋼管の製造が増加している。これらの鋼管は熱間強度が高いことから圧延時に一般鋼と比較して大きな圧延荷重が発生し、内面工具への負荷も大きくなる。前記マンドレルバーの鋼種には一般的にＪＩＳに規定するＳＫＤ６やＳＫＤ６１などの熱間工具鋼が使用されるが、材料強度不足から、先述した円周方向割れの発生が増加し寿命が短くなる問題が発生している。尚、前記ＳＫＤ６及びＳＫＤ６１の鋼組成（質量％；残部はＦｅ及び不可避的不純物である）を表１に示す。

この問題に対して、特許文献１には合金元素が多く含まれた鋼管の製造前に低合金の一般鋼を圧延することでマンドレルバー表面に酸化スケールを付着させ、マンドレルバーと鋼管の摩擦係数を減じて工具負荷を減らす方法が提案されている。また、特許文献２ではマンドレルバー製造段階で表面にあらかじめ硬質なクロム皮膜を形成させて耐磨耗性を向上させている。

特許第４９００３８５号公報 特許第３３９５７１５号公報

しかし、上記従来技術には以下の難点がある。すなわち特許文献１に記載の方法では合金元素を多く含む鋼種を圧延する際には前もって低合金鋼を圧延する必要があるため圧延スケジュールが複雑になることに加えて、収益性の低い低合金鋼を合わせて注文をとる必要があるため、収益性の悪化を招く。また、特許文献２に記載の方法では、マンドレルバー製造工程においてメッキ処理が必要であり、多大な投資が必要である。

本発明は、上記従来技術の難点を克服し、合金元素を多く含む鋼種の圧延に低合金鋼を割り込ませた圧延スケジュールを組む必要がなくて圧延スケジュールの複雑化や収益性の悪化を招かず、且つメッキ処理の必要がなくて多大な投資を招かずして、マンドレルバーの工具寿命を延長させうる、マンドレルバーの製造装置列及び製造方法を提供することを課題とした。

本発明者らは、前記課題を解決する為に鋭意検討し、その結果、前記マンドレルバーの製造に用いる熱処理プロセス（焼入れ-焼戻し）の最終段階である焼戻し（最終熱処理とも云う）を行う際に、従来、被処理材を焼戻し温度に加熱後、１００℃以下まで放冷していたが、放冷することに代えて特定の冷却速度で加速冷却することで、前記マンドレルバーの硬度（ビッカース硬さＨＶ）を維持しながら靭性値を向上させ、円周方向の疲労進展や不安定進展を抑制し、工具寿命を向上させると共に、鋼管製品の内面品質を向上させうることを知見し、本発明を成した。

即ち本発明は、マンドレルバー形状の半製品であるバー素材を焼戻し温度に加熱し、引続き１００℃以下まで加速冷却してマンドレルバーとなすマンドレルバーの製造装置列であって、前記バー素材を焼戻し温度に加熱する焼戻し炉と、該焼戻し炉から抽出したバー素材の前記焼戻し温度から１００℃までの冷却速度を１０．０℃/分以上３５℃／分以下にする冷媒吹付け方式の加速冷却装置とをこの順に配置したことを特徴とするマンドレルバーの製造装置列である。

前記加速冷却装置が前記バー素材を軸心の周りに回転させるターニングローラを具備することが好ましい。

また、本発明は、マンドレルバー形状の半製品であるバー素材を焼戻し温度に加熱し、引続き１００℃以下まで冷却してマンドレルバーとなすマンドレルバーの製造方法において、前記マンドレルバーの製造装置列を用いて前記焼戻し温度から１００℃までの冷却速度を１０．０℃/分以上３５℃／分以下にする加速冷却を行うことを特徴とするマンドレルバーの製造方法である。

本発明によれば、マンドレルバーの製造工程の最終段階である焼戻し工程に用いる装置列として、焼戻し温度からの冷却を前記加速冷却とする装置列を採用したことにより、収益性の悪化や多大な投資を伴うことなく、マンドレルバーの硬さを維持しながら靭性値を向上し、円周方向割れの疲労進展や不安定進展を抑制し、工具寿命を向上させると共に、鋼管製品の内面品質を向上させうるという効果を奏する。

本発明に係るマンドレルバーの製造装置列の一例を示す概略図である。 マンドレル圧延プロセス中のマンドレルバー表面からの距離とマンドレルバー水冷時に働く円周方向引張応力の関係を示すグラフである。 マンドレル圧延荷重負荷解析により見出されたマンドレルバーの引張応力発生部と其処における応力値を示す模式図である。 再現熱サイクル付与実験結果のまとめを示すグラフである。 焼戻し温度からのミスト冷却中のバー素材の表面応力状態を解析した結果を示す線図である。

以下、本発明の作用効果及び実施形態について説明する。

図１は、本発明に係るマンドレルバーの製造装置列の一例を示す概略図である。図１において、１はマンドレルバー、１０はバー素材、２０は焼戻し炉、２２は加速冷却装置である。焼戻し炉２０に装入される前のバー素材１０は、バー処理場にて外面研磨後、焼入れ処理されたものである。前記焼入れ処理は、例えば誘導加熱で１０００〜１１３０℃に加熱後、常温まで冷却する処理である。

本発明に係るマンドレルバーの製造装置列は、前記焼戻し処理後のバー素材１０を焼戻し温度に加熱する焼戻し炉２０と、焼戻し炉２０から抽出したバー素材１０の前記焼戻し温度から１００℃までの冷却速度を１０℃/分以上にする加速冷却装置２２とをこの順に配置してなる。加速冷却装置２２を出たバー素材１０は最終製品としてのマンドレルバー１となる。

図１に例示した加速冷却装置２２は、冷媒吹付け式の装置としたが、水中浸漬式の装置であってもよい。但し、水中浸漬式には、バー素材１０に反りが生じ易いという短所がある。

冷媒吹付け方式は、冷媒が水のみを冷媒に用いる水スプレー冷却、水シャワー冷却の何れであってもよく、また、気水混合流体を冷媒に用いるミスト冷却であってもよい。冷媒吹付け中のバー素材１０は、これを円周方向に均等に冷却するために、図示しないターニングローラにてバー素材軸心の周りに回転させることが好ましい。

焼戻し炉２０を出てから加速冷却装置２２に入るまでのバー素材１０は放冷されるが、この放冷の時間が長すぎると、加速冷却装置２２をもってしても焼戻し温度から１００℃までの冷却速度を１０．０℃/分以上にするのが困難となることから、焼戻し炉２０と加速冷却装置２２は、前者から後者へのバー素材移送時間が５分以下となる相互配置とするのが好ましく、より好ましくは前記バー素材移送時間が１分以下となる相互配置である。

本発明の製造対象であるマンドレルバーは、前記マンドレル圧延法で使用される内面工具である。

前記マンドレルバーをなす材料の鋼種は従来と同様、前記ＳＫＤ６あるいは前記ＳＫＤ６１である。

前記マンドレル圧延に使用中の前記マンドレルバーの表面には、圧延本数が増加すると円周方向に割れが発生し鋼管内面疵の発生を引起こす。本発明者らは、この工具損傷メカニズムについて詳細に検討した結果、そのメカニズムを解明し、割れの発生抑制方法を着想した。

マンドレル圧延プロセスにおいて前記マンドレルバーは、高温（１０００〜１３００℃程度）に加熱された丸鋼片を穿孔してなる前記素管に挿入される際に入熱を受け、その後抜き取られた後、水により急冷される。その際、マンドレルバー表面から深さ方向に対して温度差が発生し熱応力が発生する。該熱応力によるマンドレルバーの負荷を定量的に解明するため有限要素法を用いて前記マンドレルバー水冷時の熱応力を解析した。

この解析の結果の１例を図２に示す。図２はマンドレルバー表面からの距離とマンドレルバー水冷時に働く円周方向引張応力の関係をグラフで示している。図２に示される様に、マンドレルバー水冷時のマンドレルバー表面には６９０ＭＰａ程度の引張応力が発生していることが分かった。一方で、１５０ＭＰａ程度以上の高い引張応力の発生する深さは表面から３００μｍ程度と浅いことが分かった。

また、マンドレル圧延プロセスにおける圧延荷重負荷の影響を定量的に評価するため、有限要素法を用いてマンドレル圧延荷重負荷解析を行った。その結果、図３に示すように、ロール（孔型ロール）２との協働で被圧延材５をマンドレル圧延加工中のマンドレルバー１には、ロール下死点４をなすロールフランジ部３付近に、円周方向割れを進展させる長手方向に高い引張応力の発生域である引張応力発生部６が形成していることが分かった。また、この引張応力発生部６はマンドレルバー１の表面から深さ１５ｍｍ程度までの範囲に形成しており、そこでの応力値は一般鋼（ＪＩＳ ＳＳ４００相当鋼種）の場合よりも、合金元素の多い鋼種（１３Ｃｒ鋼等）の様に、変形抵抗が大きな鋼種ほど大きな値を示した。

これらのことから、マンドレルバーの円周方向の大きな割れが発生するメカニズムは、まず熱応力により亀裂の起点が表面から３００μｍ程度の深さまでの範囲内に発生し、そして前記発生した起点からの亀裂が圧延中に働く長手方向引張応力による疲労で進展し、該進展した亀裂（疲労亀裂）がある長さに達すると材料の持つ破壊靭性値では耐えられなくなり脆性的に亀裂が進展する不安定破壊により大きく割れると云うメカニズムであると考えられる。したがって、斯かるメカニズムによりマンドレルバーの円周方向に大きな割れが発生するのを抑制するには、靭性値と破壊靭性値を向上させ、疲労亀裂の進展速度の抑制と不安定破壊に至る限界破壊応力値を向上させる必要がある。一方で、マンドレルバーはマンドレル圧延中に鋼管との相対滑り摩擦によって磨耗するため硬度を維持する必要がある。

本発明によれば、マンドレルバーの製造工程の最終段階である焼戻し工程において、焼戻し温度からの冷却を前記加速冷却としたことで、硬さを維持しつつ靭性を向上させることができるのである。

次に、本発明に係る加速冷却の冷却速度の限定理由について説明する。前記バー素材の鋼種として熱間工具鋼である前記ＳＫＤ６やＳＫＤ６１（表１参照）を使用する点では通常と同様である。これらの材料は合金元素としてＶ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｃｒ等が添加されたものであり、前記最終熱処理の過程でこれらを炭化物として析出させることで熱間強度を高めている。これらの炭化物は前記焼戻し時の焼戻し温度により析出する種類が変化し、それに応じた特性を発揮する。マンドレルバーは靭性値重視の観点から６２５℃以上の高い焼戻し温度を採用している。なお、焼戻し温度は、マンドレルバー定径部断面中心の硬度が目標（ビッカース硬さＨＶ４００〜５５０）に的中する設定としてあり、焼戻し温度が６２５℃以上であれば前記硬度はＨＶ５５０を超えない。一方、前記硬度がＨＶ４００未満となるのを回避するために焼戻し温度は７５０℃以下、好ましくは７００℃以下としている。

しかし、ＳＫＤ６，６１をはじめとする工具鋼の中には４００〜５５０℃付近においてＳ，Ｐが粒界偏析を引起こす場合や、炭化物の析出による二次硬化により硬度が向上し靭性が低下する領域がある。マンドレルバーは前記焼戻し温度からの冷却過程において、従来行われている放冷（大気中での自然冷却）では、４００〜５５０℃の温度域を通過する時間が長いため、靭性が低下している可能性がある。つまり、脆化を引起こす因子の形成所要時間を下回ることに対応する冷却速度とされる必要がある。

斯かる冷却速度の下限の存在を確認する為に、再現熱処理実験を行い、前記ＳＫＤ６及びＳＫＤ６１の２通りの鋼種の試験片に対し焼戻し温度を常用範囲内から選んだ複数水準、該焼戻し温度からの冷却履歴を放冷〜水冷の範囲内から選んだ複数水準にとって評価した。評価方法は、前記再現熱処理実験後の試験片からシャルピー試験片及びビッカース硬さ試験片を採取して夫々試験するものとした。前記シャルピー試験では試験温度＝２５℃として靭性値（衝撃吸収エネルギー）を測定した。その結果をグラフにまとめて図４に示す。

図４において、横軸は焼戻し温度〜１００℃間の冷却速度ＣＲ（＝[焼戻し温度−１００℃]/焼戻し温度から１００℃までの冷却時間）であり、縦軸は靭性値Ｅ、ビッカース硬さＨＶの２通りであり、縦横両軸とも任意尺度である。図４より、２鋼種とも夫々、ＨＶはＣＲ変域内で略同じレベルを維持し、一方、Ｅは、ＣＲ＝１０．０℃/分を境として低ＣＲ側では低Ｅレベル、高ＣＲ側では高Ｅレベルとなっており、したがって、前記４００〜５５０℃の温度域を通過する時間が、前記偏析形成所要時間を下回ることに対応する冷却速度の下限がＣＲ変域内のＣＲ＝１０．０℃/分のところに存在すると云える。

前記実験結果に基づき、本発明では、前記加速冷却の冷却速度を、焼戻し温度〜１００℃間で１０．０℃/分以上と限定した。この限定要件は、前記バー素材の断面全体に亘って満足されるべきものである。前記断面内で最も冷却速度が遅いのは断面中心部（詳しくは、バー素材の尖った先端部を除いた残りの長さ部分である定径部の断面中心部）であるから、該断面中心部におけるＣＲが１０．０℃/分以上であれば前記限定要件は満たされる。

又、前記加速冷却の実行手段としては、水冷（水スプレー、水シャワー、水中浸漬などと云った水のみによる冷却）、ミスト冷却（気水混合流体による冷却）の何れであってもよい。但し、冷却速度が過大（例えば５０℃/分超、場合によっては３５℃/分超）となると、所望の材質は得られるものの、冷却終了後に圧縮側の残留応力により反り等が発生しがちとなるので、前記加速冷却の冷却速度は、ＣＲ≦３５℃/分とするのが好ましい。

マンドレルバー製造時の最終焼戻し工程において、表２に示す鋼種Ａのバー素材（定径部の長さ＝２２０００ｍｍ、直径＝１００ｍｍφ）への焼戻し温度（６５０℃）からの冷却を、放冷、水冷（ここでは水シャワー冷却）、ミスト冷却の各冷却方法で行った。前記水冷、ミスト冷却の夫々は、焼戻し炉から抽出したバー素材をターニングローラで支持してバー軸芯周りの回転を加えつつ、上方に配設した夫々専用のノズルからバー素材表面に冷媒を吹き付ける形態とした。前記冷却を終えてなるマンドレルバーの断面中心部から採取した試験片を用いてシャルピー試験（試験温度＝同前）による靭性値測定、及びビッカース硬さ測定を行った。その結果を表３に示す。表３には、靭性値Ｅ、ビッカース硬さＨＶとも、放冷の場合に対する百分率で表した指数を示した。表３中のＣＲ（前記定径部断面中心における焼戻し温度〜１００℃間の冷却速度）は、実測温度との一致が極めて良好な計算温度を出力するように材料物性値及び表面熱伝達係数の最適化がなされた伝熱計算モデルを用いて算出した計算値である。

表３より、本発明例である水冷とミスト冷却の何れにおいても、従来例である放冷と比べて、硬さを維持しつつ靭性値を１２０〜１４０％に向上できたことが分る。

図５は、前記本発明例のミスト冷却時のバー素材の表面応力状態を解析した結果を示す線図である。図５より、ミスト冷却では最大でも８５ＭＰａ程度の応力であり、冷却終了後のマンドレルバー表面に残留応力の発生は無いことが分る。

前記本発明例のミスト冷却にて製造されたマンドレルバー（全１５本）は、継目無鋼管の実生産ラインにおいてマンドレル圧延用内面工具として繰り返し使用された。それらの工具寿命（使用開始から使用不能となるまでの繰り返し使用回数）を調査した結果、対従来例比で１２１〜２０１％の範囲であり、本発明によってマンドレルバーの耐用性が従来よりも向上したことが確認された。

１ マンドレルバー
２ ロール（孔型ロール）
３ ロールフランジ部
４ ロール下死点
５ 被圧延材
６ 引張応力発生部
１０ バー素材
２０ 焼戻し炉
２２ 加速冷却装置

Claims (3)

1. マンドレルバー形状の半製品であるバー素材を焼戻し温度に加熱し、引続き１００℃以下まで加速冷却してマンドレルバーとなすマンドレルバーの製造装置列であって、前記バー素材を焼戻し温度に加熱する焼戻し炉と、該焼戻し炉から抽出したバー素材の前記焼戻し温度から１００℃までの冷却速度を１０．０℃/分以上３５℃／分以下にする冷媒吹付け方式の加速冷却装置とをこの順に配置したことを特徴とするマンドレルバーの製造装置列。
2. 前記加速冷却装置が前記バー素材を軸心の周りに回転させるターニングローラを具備することを特徴とする請求項１に記載のマンドレルバーの製造装置列。
3. マンドレルバー形状の半製品であるバー素材を焼戻し温度に加熱し、引続き１００℃以下まで冷却してマンドレルバーとなすマンドレルバーの製造方法において、請求項１または２に記載の製造装置列を用いて前記焼戻し温度から１００℃までの冷却速度を１０．０℃/分以上３５℃／分以下にする加速冷却を行うことを特徴とするマンドレルバーの製造方法。

Images