JP4946223B2 - 鋼管製造設備列 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管に少なくとも加熱、冷却を施して所望の鋼管特性を具備させる、鋼管製造設備列に関する。なお、ここでいう「鋼管」は、溶接鋼管、継目無鋼管を含むものとする。

圧延まま鋼管の特性は、例えば電縫鋼管では、造管時の加工歪の影響があるものの、ほぼ素材である帯鋼の特性が反映され、また、継目無鋼管では、造管時の熱履歴に依存したものとなっている。
さらに、所望の鋼管特性を付与するために、従来から、造管後に、例えば、加熱炉に装入して加熱したのち、焼入れ−焼戻処理を施すことが行なわれている。しかし、加熱炉を利用した焼入れ−焼戻処理は、バッチ処理であるがゆえに、工程が複雑で長時間を要し、しかも温度条件を変化させる場合には生産効率が顕著に低下するという欠点がある。

このような問題に対し、薄板・厚板の製造におけるように直接焼入れ−焼戻、制御圧延、制御冷却等の考え方を、鋼管の製造時に、適用することが考えられる。すなわち、具体的には、加熱された鋼管、あるいは熱間で造管後あるいは造管後、縮径圧延等を施した後に、水冷処理あるいはさらに焼戻処理を行い、低温変態生成物であるベイナイト組織や、マルテンサイト組織として高強度化したり、または、造管時あるいは造管後の縮径圧延等に際し、Ar₃変態点直上のオーステナイト単相域で、圧延を施しオーステナイト粒に歪を蓄積し、未再結晶オーステナイト粒を変態させて微細フェライト粒を生成したり、あるいはさらに冷却を施すことによって、オーステナイトの粒成長を抑制し、または未再結晶オーステナイト粒の歪を解放することなく、または、変態後のフェライト粒の成長を抑制することにより、高強度化することができる。

このような、加熱された鋼管、あるいは熱間で造管後、あるいは造管後の縮径圧延の後に、積極的に冷却して鋼管を製造する技術として、例えば、特許文献１には、所定範囲のＣ，Si，Mn，Alを含有する鋼管をAc₃変態点〜400℃に加熱又は均熱したのち、Ac₃変態点〜400℃で累積縮径率20％以上の絞り圧延を行い、引続き1.5℃／ｓ以上の冷却速度で室温まで急冷する延性−強度バランスに優れた鋼管の製造方法が提案されている。特許文献１に記載された技術では、絞り圧延後の急冷は、水、エア、ミスト等のスプレーノズルで構成される急冷装置等で行うことが好ましいとしている。

特許文献２には、帯鋼をAc₃変態点以上に加熱したのち、成形ロールで連続的に成形しオープン管とし、該オープン管の両エッジ部を加熱し、スクイズロールで衝合接合したのち、内外ビードを除去して母管とし、該母管にさらに（Ar₃変態点＋50℃）未満400℃以上の温度域で圧下率が30％以上である絞り圧延を施し、絞り圧延後0.5ｓ以内に30℃／ｓ以上の冷却速度で冷却する高強度、高延性の鋼管の製造方法が提案されている。特許文献２に記載された技術では、絞り圧延後の冷却は、水スプレー冷却装置を用いることが好ましいとしている。

特許文献３には、帯鋼をAc₃変態点以上に加熱したのち、成形ロールで連続的に成形しオープン管とし、該オープン管の両エッジ部を加熱し、スクイズロールで衝合接合したのち、内外ビードを除去して母管とし、該母管にさらにAr₃変態点〜（Ar₃変態点＋100℃）の温度域で歪速度１ｓ^-1以上での圧下率が30％以上である絞り圧延を施し、該絞り圧延後0.5ｓ以内に30℃／ｓ以上の冷却速度で冷却する強度、延性に優れた鋼管の製造方法が提案されている。特許文献３に記載された技術では、絞り圧延後の冷却は、スプレーノズル等を用いた水冷却装置を用いることが好ましいとしている。

特許文献４には、所定の条件で製造された熱延鋼板を用いて造管した母管を、鋼材組成により決定される加熱温度以上1050℃以下の温度に加熱したのち、縮径加工し、ついで、３〜500℃／ｓの冷却速度で250℃以下まで冷却する、成形性に優れた高強度鋼管の製造方法が提案されている。特許文献４に記載された技術では、縮径加工後の加速冷却は、ブローアや気水冷却、水冷等の設備により行なうことが好ましいとしている。

また、特許文献５には、所定の条件で製造された熱延鋼板を用いて造管した母管を、鋼材組成により決定される加熱温度以上1050℃以下の温度に加熱したのち、縮径加工し、ついで、空冷または150℃／ｓ以下の冷却速度で300〜600℃の温度域まで冷却したのち、15℃／ｓ以下の冷却速度で室温まで冷却する、成形性に優れた高強度鋼管の製造方法が提案されている。特許文献５に記載された技術では、縮径加工後の冷却は、空冷、あるいはブローアや気水冷却、水冷等の設備による加速冷却とすることが好ましいとしている。

特許文献６には、母鋼管に600℃以上の、組織がフェライト主体である温度域で縮径圧延を施し、10℃／ｓ以上の加熱速度で800〜1100℃の範囲の温度に加熱し、30ｓ以下保持したのち、ついで、３℃／s以上の冷却速度で500℃以下まで冷却する高強度・高加工性鋼管の製造方法が提案されている。なお、特許文献６に記載された技術では、具体的な冷却方法についてはとくに言及していない。

特許文献７には、所定範囲のＣ，Si，Mn，Alを含有する鋼管をAc₃変態点〜400℃に加熱又は均熱したのち、Ac₃変態点〜400℃で累積縮径率20％以上の絞り圧延を行い、引続き1.5℃／ｓ未満の冷却速度で緩冷却する延性−強度バランスに優れ、真直性に優れた鋼管の製造方法が提案されている。特許文献７に記載された技術では、絞り圧延後の冷却は、鋼管を徐冷ボックスで覆うことが好ましいとしている。

また、積極的な冷却ではないが、製造された鋼管を、定尺（５ｍ程度）に切断した状態で、鋼管製造ラインの終端に設けられた冷却床上で回転移送させながら、スプレー水によって水冷することが行なわれる場合が多い。また、スプレー水による冷却に加えて、冷却床の一部に水槽を設け、該水槽に鋼管を浸漬して冷却することも行なわれている。この冷却床における冷却は、製造効率の向上、あるいは電縫管シーム部の組織制御、析出物のコントロール等（SUS材等で溶接部の炭化物を析出しないようにする等）を目的として、実施されることが多い。つまり、製造後の鋼管の温度を下げて、室温に近い状態にして、そのあとのハンドリングを楽に、かつ、表面キズ等をつけないようにする等の製造しやすさを主目的としたものである。
特開2000−94009号公報 特開2001−162305号公報 特開2001−9522号公報 特開2001−355035号公報 特開2001−355036号公報 特開2002−294403号公報 特開2000−96144号公報

しかしながら、特許文献１〜６に記載された技術では、実操業ラインを使用して、真直な鋼管（パイプ）を製造することは実質的に困難である。というのは、加熱されたパイプを、インラインの冷却装置で冷媒を用いて強制冷却すると、反りの発生が避けられないからである。薄板製造では張力が張られた状態で、また、厚板製造では自重により安定している状態で、上下両面から冷媒による強制冷却を行っており、反りの発生を抑制することは容易である。しかし、パイプでは、通常、外表面側からの強制冷却のみで、内表面側は空冷にならざるを得ない。そのため、外表面側の冷却の僅かな冷却ムラが、被冷却材である鋼管の反りに直結し、薄板・厚板のように均等にかつ反りの発生を抑制して強制冷却することは実質的に困難となる。また、パイプでは、通常、矯正機で反りを修正することが行われているが、強制水冷により激しい反りが発生すると修正しきれないことがある。

例えば、鋼管を上下から水スプレー等で強制冷却する場合には、鋼管の頂部側および底部側には、冷却水が強く当たるが、側面側では冷却水の当りは弱い。そのため、鋼管各位置で、冷却ムラが生じることになる。また、冷却水は、原理的に上から下へ流れるために、どうしても、水が当たりやすい鋼管の頂部側が強く冷却されやすく、また、水が集まって流れ落ちる底部側もやや強く冷却されやすい。このようなことから、鋼管に反りが発生することになる。激しく反りが発生した鋼管は、冷却ゾーンから取り出すのにかなりの時間を要する場合が多く、生産性が低下し、鋼管の安定的製造が困難になるという問題がある。また、反りが発生した鋼管では、反りのため管外面が搬送装置等と衝突して、表面きずが発生することが多いという問題がある。また、強制冷却した鋼管で反りが発生すると、鋼管が硬化して矯正機による矯正が困難になる場合が多く、場合によっては矯正機に仕掛けられないこともあるという問題もあった。

また、冷却ムラは、鋼管周方向の組織ムラ、材質ムラを引き起こして、均一な特性を有する鋼管（製品管）が得られないという問題を生じる。とくに焼入れ性に影響する合金元素含有量が多い、高張力鋼管では、冷却ムラは鋼管特性への悪影響が大きくなりやすいという懸念がある。
また、鋼管の冷却手段を、例えば、同心円状に配置した環状冷却ノズルとしても、結局、冷却水が上から下へ流れるために、鋼管の頂部側と底部側とが冷却されやすく、鋼管に反りが発生することになる。

反りの発生を抑制し真直な鋼管を製造するには、特許文献７に記載された技術におけるように、加熱後、あるいは縮径圧延後の冷却を緩冷却とすることが有効であるといわれている。しかし、加熱したのち、あるいは加熱し縮径圧延したのちの冷却を、緩冷却とすると、積極的に強制冷却する場合に比べて、所望の種々の鋼管特性を有する鋼管を自由に作り分けることが困難となる。

上記したように、従来の冷却水等の冷媒を用いる強制冷却技術を鋼管に適用した場合には、鋼管の反り発生を完全に阻止できない。このため、冷媒を用いる強制冷却技術を利用して、同一組成の鋼管素材を用いて種々の特性レベルの鋼管を作り分ける鋼管の製造技術は、実操業における製造安定性の観点において問題を残していた。とくに、引張強さ：60キロ級（590MPa級）以上の高張力鋼管の製造においては、合金元素添加量も多く、冷却による反りが顕著となるという問題があり、実質的に実現不可能であった。

本発明は、上記した従来技術の問題を解決し、冷却ムラの発生を抑制して、冷却、更に強制冷却まで行うことが可能で真直な鋼管が製造可能な、鋼管製造設備列を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記した目的を達成するために、冷却ムラの発生に及ぼす各種要因について鋭意研究した。その結果、冷却ムラの発生を防止するには、冷却水等の冷媒を使用しない冷却方法で鋼管を冷却することが肝要であることに思い至り、冷却手段として金属製ロールを使用することを想到した。金属製ロールを使用する冷却方法は、被冷却材である鋼管の外表面と冷却手段である金属製ロールとを接触させることにより、鋼管の外表面から均一に抜熱し、鋼管を冷却する方法である。これにより、水冷却や、ブロワー冷却等では避けられない冷却ムラを抑制でき、鋼管の反り発生が抑制され、安定した鋼管の製造が可能となり生産性が向上することを見出した。そして、鋼管と金属製ロールとを接触させて冷却する冷却方法によれば、周方向での組織ムラが無く、したがって材質ムラの無い鋼管が製造できることを知見した。なお、ここでいう「反り発生」の抑制とは、矯正機で修正でき、製品化できるレベルの僅かな反り（長さ１ｍ当たり１mm以下）に抑制することととする。

本発明は、上記した知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨は次のとおりである。

（１）少なくとも素材鋼管を加熱する加熱装置と該加熱装置で加熱された前記素材鋼管を冷却する冷却装置とをこの順に配設した鋼管製造設備列であって、前記冷却装置が、素材鋼管外表面の周方向のほぼ全周に亘り表面接触可能に配設された複数の金属製ロールで構成される冷却用ロールからなる冷却装置であり、前記加熱装置の上流側に、帯鋼を払い出すアンコイラーと、該帯鋼と先行する帯鋼とを中継ぎ溶接する中継ぎ溶接装置と、前記帯鋼を蓄えて払い出すルーパーと、該帯鋼をロール成形しオープン管とする成形装置と、該オープン管の両エッジ部を加熱し衝合溶接して素材鋼管とする接合溶接装置と、該素材鋼管のビードを切削するビード切削装置とを、この順で配設し、かつ、前記ビード切削装置と前記加熱装置との間に、鋼管を所定の長さに切断する鋼管切断装置と、ビード切削屑を排出するビード屑抜き装置とをこの順に配設することを特徴とする鋼管製造設備列。

（２）（１）において、前記冷却用ロールが、複数段配設されてなることを特徴とする鋼管製造設備列。
（３）（１）または（２）において、前記加熱装置と前記冷却装置との間に前記素材鋼管を縮径圧延する縮径圧延装置を配設したことを特徴とする鋼管製造設備列。
（４）（２）において、前記複数段の冷却用ロールの第１段の後に、および／または前記複数段の冷却用ロールの最終段の前に、水冷装置を配設したことを特徴とする鋼管製造設備列。

（５）（１）ないし（４）のいずれかにおいて、前記冷却装置の下流側に、酸洗設備、Niフラッシュめっき設備をこの順に配設したことを特徴とする鋼管製造設備列。

本発明によれば、真直性に優れた鋼管を、強制冷却を施す鋼管製造方法においても、容易にしかも安定して製造でき、産業上格段の効果を奏する。また、本発明によれば、同一組成の素材から、各種の特性を有する鋼管を自由に、しかも安定して作り分けることができるという効果もある。

本発明では、素材鋼管に加熱処理を施したのち、冷却処理を施し製品管とする。なお、加熱処理後でかつ冷却処理前に、加熱された素材鋼管に縮径圧延を施す縮径圧延処理を施しても良い。なお、本発明で使用する素材鋼管は、継目無鋼管、溶接鋼管のいずれも好適に使用できる。また、その組成は、用途、目的に応じて適宜決定すればよく、とくに限定する必要ない。素材鋼管は、継目無鋼管ではビレット、溶接鋼管では熱延鋼板または冷延鋼板を条取りしたスケルプ等を用いて、通常の造管方法を適用して製造すればよい。

まず、素材鋼管に加熱処理を施し、管全体を所望の加熱温度に加熱する。本発明で使用する加熱処理の方法は、管全体が均一に加熱される方法であればいずれの方法でも適用することができ、とくに限定されることはない。目的に応じて、最適な加熱方法を選択すればよいが、素材鋼管を加熱炉中に装入して加熱する方法、あるいは、誘導加熱による方法、通電加熱による方法等が、例示される。

なお、加熱処理における素材鋼管の加熱温度は、使用する素材鋼管の組成や用途等に応じて適宜決定すればよく、とくに限定されない。例えば、変態組織強化を図る目的の場合には、Ac₃変態点以上の温度に加熱することが望ましい。また、縮径圧延等を併用する場合には、Ac₃変態点以下の温度に加熱しても問題ない。なお、電縫鋼管等の溶接部靭性を確保する観点からは、Ac₃変態点以上の温度に加熱することが望ましい。

加熱処理により加熱された素材鋼管に、縮径圧延を施す縮径圧延処理を施し、ついで冷却処理を施してもよい。縮径圧延は、肉厚変化をできるだけ小さくし、外径のみを小さくすることを主目的に行なうが、特有な圧延集合組織を形成させ、所望の鋼管特性を具備させることができる。縮径圧延の条件は、目的とする特性、用途に応じて適宜決定すればよく、とくに限定する必要はない。縮径圧延以外にも、必要に応じて引抜加工等の熱間加工等を行っても何ら問題はない。

管全体を加熱された素材鋼管、あるいは縮径圧延を施された鋼管は、ついで、搬送手段により送給され、冷却手段により、冷却処理を施される。なお、なお、本発明における素材鋼管の冷却開始温度は、使用する素材鋼管の組成や用途等に応じて適宜決定すればよく、とくに限定されないが、フェライト単相域や、フェライト＋セメンタイト域の温度から冷却しても、組織強化を生かすことができないため、Ar₁変態点以上の温度から冷却を開始することが望ましい。また、組織強化による強度向上を活用するためには、オーステナイト単相域である、Ar₃変態点以上の温度から冷却することが望ましい。

冷却処理は、冷却用ロールからなる冷却手段を用いて、加熱された素材鋼管を冷却する処理とする。
冷却処理は、とくに組織強化、結晶粒の細粒化等を目的とする場合には、加熱処理後、あるいは縮径圧延後、１ｓ以内に実施することが望ましい。冷却処理の開始までに１ｓを超えて長時間を要すると、前工程での組織の凍結が不十分となり、所期の目的を達成できなくなる場合がある。冷却処理の開始までの時間が、１ｓ以内であれば、使用する素材鋼管の組成に関わらず、前工程で得られた組織が変化するのをある程度防止できる。冷却処理の開始までの時間を短縮するには、搬送速度、あるいは圧延速度を大きくするか、あるいは冷却手段を、加熱手段、あるいは圧延手段の下流側の直近に配設することが肝要となる。

冷却手段として使用される冷却用ロールは、素材鋼管外表面の周方向のほぼ全周に亘り接触可能に配設された複数の金属製ロールで構成される。複数の金属製ロールとしては、例えば、図２に示すように、２ロール方式、３ロール方式、４ロール方式等が例示できるが、本発明ではこれらに限定されるものではない。冷却用ロールは、被冷却材である鋼管の外径と、ほぼ同一、乃至、やや大きめで、被冷却材である鋼管のほぼ全周に亘り接触可能な形状となるように、複数の金属製ロールを構成することが望ましい。

冷却用ロールは、加熱された素材鋼管の外表面と接触して該素材鋼管から抜熱し、鋼管素材の温度を降下させ、冷却する。これにより、加熱された素材鋼管を均一に冷却することが可能となり、反り発生のない真直な製品管とすることができる。
とくに、安定した冷却効果を得るために、冷却用ロールを構成する金属製ロールの表面温度を、所定温度に保持することが望ましい。というのは、冷却用ロールを構成する金属製ロールと鋼管との接触により、鋼管を連続的に冷却処理すると、金属製ロールが温められ、その後の冷却能が低下する。金属製ロールを所定温度に保持しておくことにより、金属製ロールの冷却能低下を防止でき、管長手方向の冷却ムラの発生や、管ごとの冷却効果の変動を防止することができる。なお、冷却効率を考慮して、所定温度は100℃以下とすることが好ましい。なお、より好ましくは50℃以下である。

冷却用ロールを構成する金属製ロールの表面温度を所定温度に保持するためには、金属製ロールを空冷ではなく、冷媒により冷却された金属製ロールとすることが望ましい。金属製ロール自体に冷媒をかけて冷却してもよいが、金属製ロール自体に冷媒をかけて冷却する場合には、例えば、冷媒（水）を大量にかけると、冷媒（水）により直接鋼管を冷却する場合と同じとなり、鋼管に激しい反りが発生する。このため、金属製ロール内部に冷却用の配管を設け、冷媒で内部から冷却する金属製ロールとすることが好ましい。

また、冷却処理では、冷却用ロールを複数段配設した冷却手段を利用することが好ましい。冷却用ロールを複数段配設した冷却手段を利用することにより、低温までの広範な冷却能を確保することが可能となり、また、金属製ロールの表面温度を厳密に調整することなく所望の冷却速度を確保することができるようになる。とくに、低温までの冷却が可能となることにより、同一組成の素材から、種々の特性を有する鋼管を容易に作り分けることができるようになる。なお、冷却用ロールの設置段数は、多いほど冷却制御しやすいため複数段となることが好ましい。鋼管の組成、温度、肉厚、気温等に応じて、所望の冷却速度、所望の冷却温度下降量となるように、冷却用ロールの複数段の段数を適宜決定することが好ましい。

なお、同一組成の素材鋼管から、各種特性を有する鋼管を作り分けする場合には、冷却開始温度、冷却開始時間、冷速に加えて、冷却による温度降下量ΔＴ（＝冷却開始温度−冷却完了温度）を大きくすることが重要となる。冷却による温度降下量ΔＴは好ましくは100℃以上、さらに好ましくは200℃以上である。
冷却処理における冷却速度は、目的に応じて適宜決定すればよく、とくに限定されない。冷却速度が速いほど、マルテンサイトやベイナイト等の低温変態生成物による組織強化が図りやすく、また、結晶粒の細粒化も期待できるため、高強度鋼管を製造する目的の場合には、冷却手段全体での冷却速度は、平均で50℃／ｓ以上とすることが望ましい。なお、組織強化を目的とした場合には初期の冷却速度が重要となるという観点から、第１段の冷却用ロールにおける冷却速度は、30℃／ｓ以上であることが望ましい。

また、冷却処理は、冷却用ロールを用いた冷却手段に加えて、さらに水冷却を施す冷却処理としてもよい。本発明では水冷却は、あくまで冷却用ロールを用いた冷却手段の補助手段として、冷却能の向上、あるいは反りの発生に影響しない範囲内での冷却用ロールの設置段数の減少等のために利用することができる。水冷却は、少なくとも１段の冷却用ロールによる冷却を行なったのちに、施すことが、反りの発生防止の観点からは好ましい。なお、水冷却は、反りが発生しない範囲で、冷却用ロールによる冷却と交互に複数回行なっても何ら問題はない。

なお、水冷却では、上下ノズルを用いた冷却としてもよいが、冷却ムラを抑制するために環状ノズルを用いた冷却とすることがより好ましい。なお、使用する環状ノズルは、被冷却材である鋼管との干渉を避けるために、鋼管外径よりも大きい内径を有する構造とすることはいうまでもない。また、上下ノズルを用いた水冷却では、上下ノズルの配置は、被冷却材である鋼管との接触を避ける配置とすることはいうまでもない。

また、水冷却は、蒸気膜が常時破壊される、核沸騰モードでの冷却とすることがより好ましい。被冷却材が蒸気膜に包まれる膜沸騰モードでの冷却では、得られる冷却速度が低く、所望の冷却速度を確保できなくなる恐れがある。なお、核沸騰モードでの冷却は、被冷却材である鋼管と冷却ノズルとの距離の近接化、および／または、冷却水の高圧化、および／または、冷却水量の多量化により達成することができる。

また、冷却の均一性を確保するために、冷却用ロールによる冷却処理においては、被冷却材である鋼管を、管軸周りに回転させながら送給することが好ましい。というのは、冷却用ロールが複数の金属製ロールで構成されるため、各金属製ロールの間で鋼管と接触しない隙間が存在し、鋼管内の冷却ムラとなる可能性がある。そこで、鋼管と金属製ロールとが接触しない部分を固定化させないために、鋼管を管軸周りに回転させながら送給することが好ましい。なお、管軸回りの回転は、冷却装置や縮径圧延装置を構成する複数のロール群の配置により付与することもできる。例えば、各ロール群を構成する各ロールのセット位置を、前後のロール群と異なる位置とすることにより、各ロール群間での僅かな冷却ムラや圧延形状の僅かな相異等の影響で被冷却材が回転しながら送給されることを利用してもよい。これにより、鋼管と金属製ロールとが接触しない部分の固定化が防止でき、冷却ムラの発生を防止でき、より一層均一な冷却が可能となる。

また、上記した冷却処理後に、さらに酸洗、あるいはさらにNiフラッシュめっきを施すことが好ましい。特に、冷却処理において水冷を併用した際には、実施することが好ましい。加熱処理および冷却処理を施された鋼管は、表面にスケールが形成され、表面肌が荒れ、表面性状が低下した状態になることが多い。そのため、酸洗処理して、表面を清浄にすることが好ましい。また、酸洗処理後、錆びやすくなる場合があるために、Niフラッシュめっきを施して、表面を保護することが好ましい。なお、Niフラッシュめっき処理は、鋼管が、化成処理、塗装処理を施される用途で使用される場合に有効に機能する。

つぎに、本発明の鋼管製造設備列について説明する。
本発明における鋼管製造設備列は、図１に示すように、少なくとも加熱装置１と、冷却装置２とをこの順で配設したものを基本とする。なお、素材鋼管Ｐを加熱装置、冷却装置等の下工程側に送給するための駆動装置３が配設されていることは言うまでもない。
加熱装置１は、素材鋼管Ｐを加熱する装置であり、誘導加熱装置とすることが好ましいが、これに限定されるものではなく、加熱炉としてもよいことは言うまでもない。なお、誘導加熱装置とした場合には、加熱温度は、鋼管Ｐの送給速度、誘導加熱装置への投入電力によって調整することができる。

冷却装置２は、加熱された素材鋼管Ｐを冷却する装置であり、本発明では、素材鋼管Ｐの外表面の、周方向のほぼ全周に亘り表面接触可能に配設された複数の金属製ロール211で構成される冷却用ロール21からなる冷却装置とする。複数の金属製ロールとしては、例えば、図２に示すように、２ロール方式、３ロール方式、４ロール方式等が例示できる。冷却用ロールは、被冷却材である鋼管の外表面と金属製ロールとの接触により抜熱する冷却手段であり、被冷却材である鋼管の外径と、ほぼ同一、乃至、やや大きめで、被冷却材である鋼管のほぼ全周に亘り接触可能な形状となるように、複数の金属製ロールで構成されることが望ましい。

冷却用ロールを構成する金属製ロールは、空冷または冷媒を用いて冷却するか、あるいは内部に冷却用の配管を設け、冷媒で内部から冷却する方式として、表面温度を所定温度に保持する形式とすることが、所望の冷却能を確保する観点から好ましい。
本発明の冷却装置２では、所望の冷却による温度降下量を確保するため、さらには、冷却ムラの発生防止の観点から、冷却用ロール21は複数段配設することが好ましい。冷却用ロール21は、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、複数の金属製ロール211で構成されるため、金属製ロール211同士の境界部で、被冷却材である鋼管Ｐと接触しない部分（隙間）が存在する。その部分では鋼管の冷却速度が低下するため、冷却用ロール21を複数段配設し、しかも、各段の金属製ロールの配列を、前記金属製ロールの隙間部分が重ならないように、角度をずらして、配列することが望ましい。図３に、図２（ａ）で示した２ロール式の冷却用ロールを用いた場合の一例を模式的に平面図で示す。

なお、送給される鋼管Ｐは、冷却用ロールの下側の金属製ロールに接触する傾向であるため、鋼管Ｐの上側部分の冷却が不足する傾向となる恐れがある。そのため、駆動装置３により、鋼管Ｐを管軸まわりに回転させながら送給することが好ましい。これにより、一層の均一冷却が可能となる。このために、駆動装置３は、鋼管Ｐを単に下工程側に送給する機能に加えて、鋼管Ｐに管軸まわりの回転を付加する機能も合わせ有することが好ましい。

また、冷却用ロールの複数の金属製ロールは、駆動式としても、非駆動式としてもどちらでも問題はない。なお、駆動式とする場合には、冷却手段２の直前の鋼管Ｐの送給速度と同期させるためのセンサーを配設してもよい。
また、本発明では、加熱装置１と、冷却装置２の間に、縮径圧延装置４を配設してもよい。縮径圧延装置４は、鋼管に所望の縮径圧延を施すために配設する。本発明で使用する縮径圧延装置４は、通常の縮径圧延装置がいずれも好適であり、鋼管に所望の縮径圧延が可能なものであれば、その形式はとくに限定されない。図４に、その設備例の一例を模式的に示す。なお、縮径圧延装置の複数ロール群で、各ロールのセット配置を前後のロール群とは異なる角度になるようにずらした配置とすることにより、鋼管に管軸回りの回転を付与することもできる。

また、本発明の鋼管製造設備列では、冷却装置２に、冷却用ロール21に加えて、補助的冷却手段として、水冷装置５を配設してもよい。水冷装置５は、少なくとも第１段の冷却用ロール21の下流側に配設することが好ましい。水冷装置５による冷却だけでは、鋼管の反りが発生する傾向が高く、冷却装置内で通管不能になる危険性がある。そのため、水冷装置５は、第１段の冷却用ロールによる冷却を施したのちに水冷するように、少なくとも第１段の冷却用ロール21の下流側に配設することとする。水冷装置５を、第１段の冷却用ロールと第２段の冷却用ロールとの間に配設した例を図５（ａ）に、冷却用ロール21の最後段（第ｎ段）と、最終段のひとつ手前（第ｎ−１段）との間に水冷装置５を設置した例を図５（ｂ）に示す。

水冷装置５は、鋼管を水冷することができる構造であればよく、その構造についてはとくに限定する必要はないが、図６に示すような、冷却ノズル51を環状に複数配設した環状構造の水冷装置とすることが好ましい。被冷却材である鋼管の上下方向の、頂部側および底部側に冷却ノズルを配置した構造としてもよいが、冷却水は、上方から下方へ流れるため、鋼管頂部側の冷却が大きく、かつ、底部側で冷却水が溜まりやすく、冷却ムラが発生しやすい。環状構造の水冷装置であれば、噴出圧力等の簡便な調整で、均一冷却を達成しやすい。なお、冷却ノズルは、スプレー方式、あるいは高圧水吐出方式のいずれでもよい。また、状況によっては冷却ノズルが、被冷却材である鋼管表面にキズを発生させる危険性があるため、冷却ノズル51全体を収めるドーナツ形状のカバーを付設することが望ましい。

また、冷却装置５には、冷却装置５の前後に、冷却水の流出を防止する、例えばガスジェット方式による水切装置を配設することが望ましい。
なお、所望の冷却速度を確保するためには、水冷装置５は、核沸騰モードでの冷却が可能なものとすることが好ましい。核沸騰モードでの冷却が可能な水冷装置は、具体的には、被冷却材である鋼管と冷却ノズルとの距離の近接化、および／または、鋼管表面で1.5kgf/cm²以上の水圧を付加できる冷却水の高圧化、および／または、蒸気膜を破壊できる十分な量を供給できる冷却水の多量化が可能な装置とすることが好ましい。

本発明の鋼管製造設備列では、上記した冷却装置２の下流側に、酸洗装置６、あるいはさらにめっき処理装置７を配設してもよい。酸洗装置６は、図７に示すように、酸洗槽61、中和槽62からなり、まためっき処理装置７は、めっき処理槽71を有する。酸洗槽61で使用する酸は、とくに限定する必要はないが、塩酸もしくは硫酸等に、状況により添加剤を微量添加したものとすることが好ましい。また、液温は室温〜100℃の範囲に制御することが酸洗効率向上の観点から好ましい。加熱・冷却処理済みの鋼管を、酸洗槽61に浸漬したのち、さらに、中和槽62に浸漬し中和処理を行なうことはいうまでもない。

また、状況によっては、その後、めっき処理槽71からなるめっき処理装置７で、Niフラッシュめっき層を形成してもよい。めっき処理槽71では、pH１〜４程度に、液温を室温〜100℃の範囲に調整したNiSO₄系水溶液を使用し、Niフラッシュめっきを形成するができる。これにより、鋼管表面が保護され耐腐食性が向上し、化成処理や塗装処理により形成される被膜との密着性がより向上する。

酸洗槽61、中和槽62、めっき処理槽71への浸漬は、１管ずつの浸漬でもよいが、図８に示すような連続浸漬処理装置８を用いてもよい。連続浸漬処理装置８は、装入手段81と、パドル82と、ガイド83とから成るパドル・ドライブ方式とすることが好ましい。鋼管Ｐは、装入手段81により、パドル82の爪底に１個または複数個装入され、パドル82の回転とともに、処理槽中の薬液に浸漬され処理されたのち、ガイド83に沿って、槽外に搬出される。

また、加熱装置１の上流側には、図９に示すように、通常の電縫鋼管製造設備列である、帯鋼Ａを払い出すアンコイラー11と、帯鋼Ａと先行する帯鋼Ｂとを中継ぎ溶接する中継ぎ溶接装置12と、帯鋼を蓄えて払い出すバッファーとしての機能を持つルーパー13と、帯鋼Ａ（Ｂ）をロール成形しオープン管Ｐｏとするロール成形装置14と、オープン管Ｐ_ｏの両エッジ部を、例えば誘導加熱コイル15aを用いて加熱しスクイズロール15bで衝合溶接して素材鋼管Ｐとする接合溶接装置15と、素材鋼管Ｐのシーム部内外面に形成されたビードを切削冶具16a、16bで切削するビード切削装置16とを、この順で配設してもよい。なお、誘導加熱コイル15aに代えて、その他の手段、例えば、コンタクト・チップとしてもよいことはいうまでもない。図９に示す例は、通常の電縫鋼管製造設備列を加熱装置１の上流側に連続して配設した例であるが、本発明ではこれに限定されるものではない。通常の電縫鋼管製造設備列で造管したのち、一旦所望の長さに切断し、冷却したのち加熱装置２、および冷却装置１に挿入するバッチ式処理としてもよいことはいうまでもない。

また、本発明の鋼管製造設備列では、図10に示すように、図９のビード切削装置16の下流側で、加熱装置１の上流側に、鋼管を所望の長さに切断する鋼管切断装置17を配設することができる。なお、この場合、鋼管切断装置17の下流側に、内面ビード屑を除去する内面ビード屑抜き装置18を配設することが好ましい。鋼管切断装置17は、通常、鋼管の切断に使用されている、例えば円盤鋸歯等からなるロータリーホットソー等が好適である。また、内面ビード屑抜き装置18は、例えば、エアブロー等を利用して内面ビード屑を鋼管内部から排出することが好ましい。

また、本発明では、溶接接合装置15の下流側でかつ加熱装置19の上流側に、および／または、冷却装置２の下流側に、鋼管の曲がりを矯正する曲がり矯正機をインラインまたはオフラインで配設してもよい。

（実施例１）
表１に示す組成の熱延鋼板（板厚：3.2mm）を条取りして得たスケルプを用いて、図９または図10に示す電縫鋼管製造設備により、外径φ89.1mmの電縫鋼管を造管した。得られた電縫鋼管を素材鋼管（長さ：10〜40ｍ程度）として、該素材鋼管に図４に示す鋼管製造設備列を使用して加熱処理、縮径圧延、および冷却処理を施した。なお、素材鋼管は、加熱処理を施す前に、サイザーを通して、真直な管であることを確認した。

加熱処理では、誘導加熱方式の加熱装置１により、表２に示す加熱温度に加熱した。加熱処理後、表２に示す外径の鋼管となるように縮径圧延を施した。一部の鋼管では、図１に示す装置で、加熱処理後冷却処理のみとした。なお、縮径圧延は、６スタンドからなる縮径圧延装置４で行なった。各スタンドでは、ロール内側径が徐々に小さくなるように調整した。縮径圧延を施したのち、ついで冷却装置２で冷却した。なお、冷却装置２は、図２（ｂ）に示す、３本の金属製ロールで構成された冷却用ロールを６段配設したものを使用した。各段の冷却用ロールは、被冷却材である鋼管の外表面のほぼ全周に接触するように、縮径圧延後の鋼管のバルジングを考慮して、縮径圧延の最終段のロール内側径よりも、僅かに大きめに調整された金属製ロールを用いて構成されたものとした。また、金属製ロールは、内部に配管を設け、冷媒による内部冷却方式のロールとした。冷媒は、水をベースとし、微量の添加剤を加えたものを使用した。これにより、金属製ロールの表面温度は、通管開始時に、100℃以下に調整された。

なお、一部の鋼管では、図５（ｂ）に示すような、６段の冷却用ロール21に加えて、最終段（６段目）の冷却用ロール21と一つ前の段（５段目）の冷却用ロール21との間の１箇所、あるいは冷却用ロール間の全て（５箇所）に水冷装置５を備えた冷却装置を使用した。水冷装置は、ノズルを環状に配置した方式の水冷装置とし、ノズルからは高圧水（７kgf/mm²以上）（但しノズル吐出圧）を吐出する、核沸騰モードの冷却が可能な装置とした。また、一部の鋼管では、６段の冷却用ロールの一部を使用せずに、すなわち一部の冷却用ロールをオープンにして鋼管を冷却した。また、一部の鋼管では、鋼管の送給速度を変化して、冷却開始時間、冷却開始温度、冷却による温度降下量ΔＴを変化させた。

なお、ここでいう「鋼管の送給速度」とは、冷却装置の入側での鋼管の速度をいうものとする。加熱装置への送給速度は60rpmとしているが、加熱処理後、縮径圧延を施す場合には、管の断面積の減少に伴い、断面積の減少程度に応じて鋼管の送給速度は増加することになる。
なお、比較例として、冷却用ロールの最終段の１ｍ後ろに、鋼管の通管位置の最上面、最下面からそれぞれ300mm離して、ラミナー方式水冷装置のみで冷却した。

冷却処理を施された鋼管は、鋼管切断装置で10〜11ｍ長さの定尺サイズに切断され、その後、冷却床で、回転移送されながら、ハンドリング可能な温度まで、スプレー冷却あるいは水浸漬による緩冷却を施された。
なお、鋼管の表面温度を、鋼管製造設備列の各個所に放射温度計を設置して、計測した。また、冷却速度は、縮径圧延装置の出側温度計、冷却装置における第１段冷却用ロールの出側温度計、および最終第６段冷却用ロールの出側温度計を用いて計測した鋼管の表面温度と、鋼管の通過時間から算出した。なお、水冷装置を冷却用ロール群の間で使用した場合には、表面温度の計測は、水しぶき等の影響のないところの計測値をもとに推測した。

得られた鋼管について、反りおよび機械的特性の評価を行なった。
反りの評価は、冷却床の最後の部分で、定尺サイズの鋼管を目視で行なった。見た目で反っているものを×、それ以外のものを○とした。この判断基準では、×は、凡そ、１ｍにつき１mm程度以上の反りに合致している。
機械的特性として、引張特性を評価した。得られた鋼管から、引張方向が管長手方向となるように、ASTM弧状片を採取し、引張試験を実施し、降伏強さYS、引張強さTS、伸びElを求めた。

得られた結果を表３に示す。

鋼管No.１、No.13は、加熱処理、冷却処理を施さない、造管ままの電縫鋼管（比較例）である。また、鋼管No.４、No.14は、加熱処理と縮径圧延のみを施し、冷却処理を施さない、鋼管（比較例）である。
鋼管No.５〜No.10、No.12、No.15、No.16は、加熱処理、縮径圧延、および少なくとも複数の金属製ロールで構成された冷却用ロールを用いて冷却処理を施された鋼管（参考例）、また、鋼管No.２〜No.３は、加熱処理、および複数の金属製ロールセットで構成された冷却用ロールを用いて冷却処理を施された鋼管（参考例）である。なお、鋼管No.12、No.16は、冷却用ロールと水冷却を併用した冷却処理を施された鋼管である。また、鋼管No.11は、加熱処理、縮径圧延、および冷却処理を施された鋼管であるが、冷却処理を水冷却のみで行った鋼管（比較例）である。

参考例はいずれも、反りの発生はなく、真直な鋼管となっている。少なくとも複数の金属製ロールで構成された冷却用ロールを用いて鋼管を冷却することにより、反りの発生がなく、真直な鋼管が得られることがわかる。
また、参考例に示すように、複数の金属製ロールで構成された冷却用ロールを用いて鋼管を冷却するに当り、鋼管の送給速度、冷却用ロールの設置段数および利用段数を変化させることにより、冷却開始時間、冷却開始温度、冷却による温度降下量ΔＴを適宜調整することが可能であり、同一組成の素材鋼管を用いて、所望の鋼管特性を具備し、反りの発生がなくかつ真直な鋼管を自由に作り分けることができることがわかる。

例えば、鋼管No.２、No.３、No.10、No.12は、冷却開始温度がAr₃変態点以上であり、また鋼管No.５〜９、No.15、No.16は、冷却開始温度がAr₃変態点以下Ar₁変態点超である例であるが、反りの発生もなく、しかも比較例である鋼管No.１、No.4、No.14に比べてそれぞれ高強度化できることを示している。
なお、鋼管No.５〜９、No.15、No.16は、フェライト粒の微細粒化を活用した高強度化と推定され、また鋼管No.２、No.３、No.10、No.12は、アシキュラーフェライトあるいはさらにベイニティックフェライト組織の形成を伴った高強度化であると推定される。

また、鋼管No.３、No.７、No.８は、６段からなる冷却用ロールのうち一部の冷却用ロールのみを用いた冷却を行うとともに、縮径圧延を施し、鋼管の送給速度を増加させて、冷却開始時間や、冷却による温度降下量ΔTを変化させた例である。これらの冷却条件を変化しても、鋼管の反りの発生が見られず、本発明の冷却装置によれば、反りの発生がない鋼管が容易に得られることがわかる。なお、冷却開始時間を１ｓ以内、かつ、ΔTを100℃以上にすることにより、使用した鋼組成では、引張強さで10MPa程度以上の高強度化を図ることができ、同一組成の材料から鋼管特性の異なる鋼管を作り分けことが容易となる。

鋼管No.12、No.16は、複数の金属製ロールで構成された冷却用ロールによる冷却に加えて、さらに水冷装置による冷却を付加した例である。鋼管No.12は、冷却用ロールの最終段（第６段）と、第５段との間（１個所）に、鋼管No.16は、冷却用ロールの各段の間全て（５箇所）に、図６に示す環状にノズルを配置した水却装置を設置して冷却した例である。水冷装置による冷却を付加しても、反りの発生は認められず、本発明におけるような複数の金属製ロールで構成された冷却用ロールとの併用であれば、水冷却で強冷却を施しても、反りを発生することなく冷却でき、さらに冷却速度や、冷却による温度降下量の更なる増加も可能となり、更なる高強度化が可能となる。また、環状構造の水冷装置であれば、反りの発生防止に有効であった。また。水冷装置は、冷却用ロール間に配設することが反り防止の観点からも有利であることがわかる。

比較例である鋼管No.11は、上下ラミナー方式の水冷装置をつけて冷却を行なった例であり、反りが発生し、製品にはなりえないレベルのものになっている。なお、鋼管No.11における冷却開始温度は、水冷装置からの水しぶきの影響がない、第１段冷却用ロールの入側の温度を、また、ΔＴは、冷却ムラが考えられるものの、冷却開始温度と、冷却装置出側（冷却床手前）での温度とから、大気抜熱分の降下を考慮して、算出した値とした。

なお、金属製ロールで構成される冷却用ロールによる冷却速度は、第１段冷却用ロールで約100〜200℃／ｓであり、縮径圧延による送給速度の増加を考慮してもほぼ等しい冷却速度を示し、金属製ロールで構成される冷却用ロールにおける冷却は安定した冷却を行うことができることを示している。
また、本発明の冷却装置全体での冷却速度は、水冷装置を併用しない場合には170〜200℃／ｓ程度であり、水冷装置を併用すると250℃／ｓ以上となり、単なる水冷による場合（85℃／ｓ）に比較して、冷却を強化することができることを示している。なお、冷却用ロールの使用段数を少なくして冷却した場合には、空冷部分が長くなる影響で、冷却速度はやや緩冷となる傾向を示すが、その程度は小さい。いずれにしろ、単なる水冷では実現できない冷却速度を確保することができることがわかる。

なお、参考例はいずれも、冷却用ロールの金属製ロールの表面温度を100℃以下に調整しているため、焼付き等による表面肌の劣化を避けることができている。
（実施例２）
表２に示す条件で製造された鋼管No.１、No.４、No.９、No.12から、長さ100mmの試験用材（管）を各15本採取し、そのうち５本を鋼管まま、５本に酸洗処理を、５本に酸洗処理と、さらにNiフラッシュめっき処理を施した。得られた試験用材（管）について、表面肌の観察および、腐食試験を実施し腐食の進行具合を観察した。

酸洗処理は、15％塩酸水溶液（液温：室温〜70℃）中に30分間浸漬する処理とし、表面スケールを除去した。
また、Niフラッシュめっき処理は、上記した酸洗処理、および中和処理および水冷処理を施したのち、159g/L NiSO4水溶液（pH：２〜３、液温：50〜70℃）中に、５〜10分間浸漬する処理とし、Niフラッシュめっき層を試験材（管）表面に形成した。

なお、酸洗処理、Niフラッシュめっき処理を行なう際には、鋼管の内側を、トングの先で広げる方向でサンプルを処理し、表面側が非定常部にならないようにした。そのため、評価対象は、表面側のみとした。
表面肌の観察は、上記した処理後の試験材（管）外観表面を目視で観察するとともに、触感でも判定し、良いものを○、悪いものを×とし、その中間を△として評価した。

また、腐食試験は、上記した処理を施したのちの試験材を、大気環境および屋内環境で30日間放置する試験とし、試験後、試験材表面での、腐食具合を目視で観察し、腐食の進行が少ない良好なものを○、腐食の進行が多いものを×とし、その中間を△として評価した。
得られた結果を表４に示す。

鋼管ままの状態である鋼管No.１では、熱延鋼板の肌が残存しており、表面肌は良好であった。一方、鋼管No.４、No.９、No.12では、加熱し縮径圧延していることもあり、表面肌がやや荒れており、ごく一部の領域で錆の形成が進んでいる箇所があり、表面肌は良好とはいえない。
鋼管No.１の腐食具合は、発錆が認められず、腐食の進行が少なく、良好（○）であった。一方で、鋼管No.４とNo.９では、点状の錆がもともと存在していたためかあるいは僅かに形成されたように見られる部分もあり、腐食具合は良好とは言い切れない。また、鋼管No.12では、水冷却に起因するのかどうかは完全には判別がつかないものの、腐食具合はよくない。

これら鋼管に酸洗処理を施すと、表面肌は改善し、問題のないレベルになるが、腐食具合は、全サンプル共に、点錆が観察されるようになり、腐食が進行するよくない状態となる。酸洗による酸化膜の消失により、発錆が促進されたと考えられる。
酸洗後に表面に、Niフラッシュめっき層を形成すると、表面肌は、酸洗肌の状況と殆ど同じ状況であるが、腐食具合は、明らかに改善される。Niフラッシュめっき層の形成により、酸洗後に露出した表面が保護されるためと考えられる。

鋼管製造設備列の一例を模式的に示す説明図である。 本発明の鋼管製造設備列で冷却装置として使用する冷却用ロールの構成の一例を模式的に示す説明図である。 冷却用ロールの配置の一例を模式的に示す説明図である。 本発明の鋼管製造設備列で使用する縮径圧延設備の配置の一例を模式的に示す説明図である。 本発明の鋼管製造設備列で冷却装置として使用する冷却用ロールと水冷装置の配置の一例を模式的に示す説明図である。 水冷装置の一例を模式的に示す説明図である。 酸洗処理装置およびめっき処理装置の配置の一例を模式的に示す説明図である。 連続浸漬処理装置の構造の一例を模式的に示す説明図である。 鋼管製造設備列の一例を模式的に示す説明図である。 本発明の鋼管製造設備列の一例を模式的に示す説明図である。

符号の説明

１ 加熱装置（誘導加熱装置）
11 アンコイラー
12 中継ぎ溶接装置
13 ルーパー
14 ロール成形装置
15 接合溶接装置
15a 誘導加熱コイル
15b スクイズロール
16 ビード切削装置
16a、16b 切削冶具
17 鋼管切断装置
18 内面ビード屑抜き装置
２ 冷却装置
21 冷却用ロール
211 金属製ロール
３ 駆動装置
31 駆動ロール
４ 縮径圧延装置（レデューサ）
５ 水冷装置
51 冷却ノズル
６ 酸洗装置
61 酸洗槽
62 中和層
７ めっき処理装置
71 めっき槽
８ 連続浸漬処理装置
81 装入手段
82 パドル
83 ガイド
Ｐ 鋼管
Ｐ_０ オープン管
Ａ、Ｂ 帯鋼

Claims (5)

1. 少なくとも素材鋼管を加熱する加熱装置と該加熱装置で加熱された前記素材鋼管を冷却する冷却装置とをこの順に配設した鋼管製造設備列であって、前記冷却装置が、素材鋼管外表面の周方向のほぼ全周に亘り表面接触可能に配設された複数の金属製ロールで構成される冷却用ロールからなる冷却装置であり、
   前記加熱装置の上流側に、帯鋼を払い出すアンコイラーと、該帯鋼と先行する帯鋼とを中継ぎ溶接する中継ぎ溶接装置と、前記帯鋼を蓄えて払い出すルーパーと、該帯鋼をロール成形しオープン管とする成形装置と、該オープン管の両エッジ部を加熱し衝合溶接して素材鋼管とする接合溶接装置と、該素材鋼管のビードを切削するビード切削装置とを、この順で配設し、
   かつ、前記ビード切削装置と前記加熱装置との間に、鋼管を所定の長さに切断する鋼管切断装置と、ビード切削屑を排出するビード屑抜き装置とをこの順に配設することを特徴とする鋼管製造設備列。
2. 前記冷却用ロールが、複数段配設されてなることを特徴とする請求項１に記載の鋼管製造設備列。
3. 前記加熱装置と前記冷却装置との間に前記素材鋼管を縮径圧延する縮径圧延装置を配設したことを特徴とする請求項１または２に記載の鋼管製造設備列。
4. 前記複数段の冷却用ロールの第１段の後に、および／または前記複数段の冷却用ロールの最終段の前に、水冷装置を配設したことを特徴とする請求項２に記載の鋼管製造設備列。
5. 前記冷却装置の下流側に、酸洗設備、Niフラッシュめっき設備をこの順に配設したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の鋼管製造設備列。

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