無縫鋼管的製造方法
2023-05-10 06:57:26
專利名稱：無縫鋼管的製造方法
技術領域：
本發明涉及一種拉伸軋制空心管坯的無縫鋼管的製造方法，更詳細地說，是涉及一種可以防止產生在拉伸軋制時容易產生的管的內表面缺陷的無縫鋼管的製造方法。
背景技術：
在由曼內斯曼-芯棒式無縫管軋機的方式進行的無縫鋼管的製造中，首先，用穿孔機對用迴轉爐底式加熱爐加熱了的圓鋼坯進行穿孔，而製成空心的殼體(管坯)。隨後，將表面塗敷有潤滑劑的芯棒呈串狀地插入到該殼體中，使用由5～9個軋機組成的芯棒式無縫管軋機，在一個軋道將殼體軋制至規定的尺寸。這就是所說的拉伸軋制。
拉伸軋制後，拔出了芯棒的管的、管端形狀不良的部分被熱鋸切斷後，被再加熱爐進行再加熱，由高壓水對管的外表面進行除氧化皮。隨後，由拉伸縮徑軋機實施下壓外徑和下壓一些壁厚而做成規定的產品尺寸。之後，管被冷床冷卻，被冷鋸切成所需要的長度後，被送到精整線。
在上述工序中的由芯棒式無縫管軋機拉伸軋制空心管坯的工序中，通常在芯棒的表面塗敷潤滑劑。這是因為在拉伸軋制時，空心管坯的內表面和芯棒的表面之間產生相對滑動，若其界面的潤滑狀態不充分，則空心管坯和芯棒會被燒傷，無法得到內表面質量優良的產品。因此，為了防止空心管坯與芯棒的燒傷，並確保穩定的低摩擦係數，在芯棒的表面塗敷潤滑劑。
作為潤滑劑，可使用日本特開昭50-144868號公報中公開的以石墨為主要成分的潤滑劑、或日本特開昭64-16894號公報中公開的以雲母為主要成分的潤滑劑。
並且，近年來，以提高管的內表面質量為目的，提出了這樣的改善內表面質量的方法通過向空心管坯的內表面供給日本特公平7-84667號公報所公開的以硼砂為主要成分的潤滑劑，使管內表面的氧化皮熔融。
但是，在用芯棒式無縫管軋機進行軋制時，即使向空心管坯的內表面供給以硼砂為主要成分的潤滑劑，有時並未充分地發揮該潤滑劑的效果。而且，相反，有時卻會提高軋制時的摩擦係數而產生內表面質量惡化等的不理想的現象。
發明內容
本發明目的在於提供一種無縫鋼管的製造方法，即，在由曼內斯曼-芯棒式無縫管軋機的方式製造無縫鋼管時，可以降低由芯棒式無縫管軋機進行拉伸軋制時的摩擦係數，可以減少管內表面缺陷的產生。
本發明以下述的無縫鋼管的製造方法為要旨。
一種無縫鋼管的製造方法，在由芯棒式無縫管軋機對空心管坯進行拉伸軋制時，在芯棒的表面塗敷以石墨及雲母中至少一種為主要成分的潤滑劑，並對空心管坯的內表面供給以1價鹼金屬的硼酸鹽為主體的潤滑劑，其特徵在於滿足下述a～d的全部條件a.穿孔剛結束時的管坯內表面溫度為1150℃以上，從穿孔結束到供給以1價鹼金屬的硼酸鹽為主體的潤滑劑為止的時間、或從除氧化皮結束之後到供給以1價鹼金屬的硼酸鹽為主體的潤滑劑為止的時間為5～60秒(以下稱作條件a)；b.供給以1價鹼金屬的硼酸鹽為主體的潤滑劑時的管坯內表面溫度為1100℃以上(以下稱作條件b)；
c.從供給以1價鹼金屬的硼酸鹽為主體的潤滑劑之後到拉伸軋制開始的時間為10秒以上(以下稱作條件c)；d.即將進行拉伸軋制之前時的管坯內表面溫度為1000～1170℃(以下稱作條件d)。
在此，所謂的「以石墨及雲母中至少一種為主要成分的潤滑劑」是指以乾燥被膜的狀態，單獨含有50質量％以上石墨或單獨含有50質量％以上雲母的潤滑劑、或者是含有石墨及雲母共計為50質量％以上的潤滑劑。
所謂「以1價鹼金屬的硼酸鹽為主體的潤滑劑」是指含有50質量％以上的1價鹼金屬的硼酸鹽的潤滑劑。另外，由於硼砂以Na2B4O7·10H2O為主要成分，所以也適合作為在本發明方法中使用的潤滑劑的主要成分。從而，在本說明書中可以替代「1價鹼金屬硼酸鹽」而記述為「以硼砂為主體的潤滑劑」或者只記述為「硼砂」。
作為本發明方法的對象的鋼種是碳素鋼、低合金鋼等能產生主要由氧化鐵構成的氧化皮的鋼種。
圖1是表示作為試驗片的鋼板的加熱溫度和加熱時間對生成氧化皮的厚度的影響的圖。
圖2是表示加熱溫度和加熱時間對以硼砂為主體的潤滑劑的擴散的影響的圖。
具體實施例方式
如上所述，在進行芯棒式無縫管軋機軋制時，即使向空心管坯的內表面供給以硼砂為主體的潤滑劑，有時也不能充分發揮該潤滑劑的效果。本發明人等經過研究，明白了其原因在於下面這點雖然上述的潤滑劑被供給到管坯內，但是有時並未較好地熔融，而且，即使熔融了也未均勻地分布在管的整個內表面上。於是，軋制時的摩擦係數局部地升高，使內表面質量惡化。
為了防止上述那樣的不理想狀況，需要適當地設定供給以1價鹼金屬的硼酸鹽為主體的潤滑劑時的管坯內表面的溫度，並使潤滑劑供給之後的拉伸軋制條件合理化。本發明就是以這樣的見解為基礎的。
另外，對管的整個內表面均勻地供給潤滑劑的技術已經實用化。在本發明方法中也可以使用該技術。
本發明人發現如果在供給以1價鹼金屬的硼酸鹽為主體的潤滑劑之前的管的內表面存在氧化皮，則潤滑劑容易熔融並均勻地分布在管的整個內表面。這是通過下述(1)以及(2)的理由得出的。
(1)熔融了的潤滑劑與以氧化鐵為主要成分的氧化皮之間的潤溼性相關，與鋼和熔融硼砂的潤溼性相比，氧化皮和熔融硼砂的潤溼性更良好。
(2)通過潤滑劑和氧化皮之間的相互反應，不只是潤滑劑熔融，氧化皮也熔融，由於熔融了的潤滑劑和氧化皮的流動性良好，因此它們均勻地分布在管坯的內表面。
當潤溼性良好時，不僅是熔融了的硼砂易於擴散，即使將硼砂以塊狀進行供給，與管坯的內表面相接觸的部分的硼砂也易於擴散，故傳熱性良好而易於熔融。相反，當潤溼性差時，由於與管坯內表面相接觸的部分的硼砂難以擴散而仍以塊狀的狀態存在，故到達該塊狀硼砂內部的傳熱遲緩而妨礙熔融。
依據以上理由，在供給以1價鹼金屬的硼酸鹽為主體的潤滑劑之前，使管內表面生成適量的氧化皮是很重要的。
1.關於條件a
使管坯內表面生成適當厚度的氧化皮的條件是上述的特徵a。具體地說，需要使穿孔剛結束時的管坯內表面溫度為1150℃以上(最好是1200℃以上)，從穿孔結束到供給以1價鹼金屬的硼酸鹽為主體的潤滑劑為止的時間為5秒以上(最好是10秒以上)。但是，該時間是指在從穿孔結束後到潤滑劑供給之前未通過高壓水等進行除氧化皮處理的情況。在潤滑劑供給之前進行除氧化皮的情況下則需要使從除氧化皮處理結束後到供給潤滑劑為止的時間為5秒以上(最好是10秒以上)。
另一方面，當氧化皮的量過多時，即使供給以1價鹼金屬的硼酸鹽為主體的潤滑劑，也不能使氧化皮完全熔融，因一部分的氧化皮不熔融而殘留在管的內表面，而使管的內表面質量惡化。因而，不應使從穿孔結束後或除氧化皮結束後到供給1價鹼金屬的硼酸鹽為止的時間過長。
從大量的實驗結果得知氧化皮的厚度優選為在5～30μm的範圍。因此，為了確認用於生成該厚度的氧化皮的加熱溫度和加熱時間，進行了下述的實驗實驗1按照以下順序進行實驗，圖1是表示調查加熱溫度和時間對氧化皮厚度的影響而得到的結果的圖。
(1)以30×30×6(mm)尺寸的碳素鋼板為試驗片，在氮氣氛圍下將該試驗片加熱至規定溫度並保持該加熱片。
(2)然後，以規定時間(圖1縱軸所示的各種時間)通入空氣後，立即通入氮氣並冷卻該試驗片。
(3)冷卻之後，對試驗片的橫截面進行顯微觀察，並測定氧化皮的厚度。
圖1中的實線是氧化皮厚度為5μm的線，虛線是氧化皮厚度為20μm的線。即，如果試驗片的加熱溫度為1150℃，通入5秒鐘的空氣，則氧化皮厚度成為5μm；通入65秒鐘的空氣，則氧化皮厚度成為20μm。
因為上述的試驗是所謂的實驗室試驗，所以與實際的無縫鋼管制造生產線的條件有些差異。但是，即使考慮其差異，若使管內表面溫度為1150℃以上，並保持5～60秒的時間，也不妨認為生成5～20μm厚度的氧化皮。另外，穿孔結束後的管內表面溫度最高也就為1250℃左右。而且，由於管坯內表面溫度隨著時間的推移而下降，即使穿孔結束時刻的溫度為1250℃，經過60秒之後，氧化皮的厚度也不可能超過30μm。
依據上述實驗結果，條件a是穿孔結束後的管坯內表面溫度為1150℃以上，以及從穿孔結束時刻到供給潤滑劑為止的時間或從除氧化皮結束時到供給潤滑劑為止的時間為5～60秒。另外，之所以把除氧化皮結束的時刻作為基準，是因為在已經除氧化皮的情況下，需要在除氧化皮之後再次生成適當厚度的氧化皮。
2.關於條件b以及條件c被供給到管坯內部的以硼砂為主體的潤滑劑與氧化皮一同熔融並在管內表面擴散。這時，若管坯內表面溫度低，則熔融了的潤滑劑和氧化皮(以下記為「熔融潤滑劑」)因粘度大而不能充分擴散。為此，需要使即將供給潤滑劑之前的管坯內表面溫度為1100℃以上。更優選是1150℃以上。而且，附著在管內表面的潤滑劑不會瞬間擴散，擴散需要時間。為使潤滑劑擴散，從供給潤滑劑之後到拉伸軋制開始為止的時間需要為10秒以上，更優選是20秒以上。這些條件是已通過下述實驗確認的。
實驗2按照如下順序進行試驗，調查了加熱溫度和時間對硼砂的擴散性的影響。
(1)在氮氣氛圍下，將125×125×6(mm)尺寸的碳素鋼板加熱至規定溫度並予以保持。
(2)其後，進行使該碳素鋼板附著氧化皮的操作，在只通入了30秒的空氣之後，立即通入氮氣。通過該處理，會使該碳素鋼板附著厚度為10～20μm的氧化皮。
(3)以被加熱了的碳素鋼板為試驗片，把0.2g的硼砂放在該被加熱了的碳素鋼板中央，將它們在爐內放置規定時間。
(4)經過規定時間之後，立即從爐內取出它們並將它們冷卻。
(5)冷卻後，用下式算出熔融了的硼砂擴散成橢圓形的面積S。
S＝πab在此，a是橢圓長軸的半徑，b是橢圓短軸的半徑。
在圖2中示出實驗結果。圖2中，實線是在放置硼砂之前進行了試驗片附著氧化皮的情況的結果，虛線是未進行試驗片附著氧化皮的情況的結果。圖中用曲線表示了為使硼砂擴散至2000mm2以上，上述兩種情況各自所需要的時間。從該結果得知在附著有氧化皮的表面上，表面溫度為1100℃以上時，用10秒以上就可以得到熔融潤滑劑的充分擴散。
3.關於條件d接著，詳細調查了向管坯內供給以1價鹼金屬的硼酸鹽為主體的潤滑劑時的適當的軋制條件。其結果表明，即將拉伸軋制之前的管坯內表面溫度存在適當的範圍。具體地說，需要使即將拉伸軋制之前的管坯內表面溫度為1000～1170℃，更優選為1050～1120℃。並且，在使管坯內表面溫度為1000～1050℃的情況下，供芯棒式無縫管軋機軋制的芯棒的表面平均溫度最好是在80℃以上。
其原因是以1價鹼金屬的硼酸鹽為主體的潤滑劑的潤滑特性和被塗敷在芯棒表面的芯棒潤滑劑的潤滑特性。首先，需要使即將進行拉伸軋制之前的管坯內表面溫度的下限為1000℃(更佳是1050℃)，這是考慮到以1價鹼金屬的硼酸鹽為主體的潤滑劑的潤滑特性的緣故。在應用了該潤滑劑的情況下，僅限於芯棒和管坯的界面溫度高、且存在於界面的熔融潤滑劑的粘性低的情況，該潤滑劑才有效發揮作用。
另一方面，需要使即將進行拉伸軋制之前的管坯內表面溫度為1170℃以下，更優選是1120℃以下，其原因是被塗敷在芯棒表面的潤滑劑的主要成分、即石墨或雲母等的耐熱溫度。由於這些物質在高溫下會燃燒或熱分解，所以應用溫度存在上限。
實施例把碳含量為0.2％的碳素鋼鋼坯穿孔而得到管坯，用曼內斯曼-芯棒式無縫管軋機的方式對該得到的管坯進行拉伸軋制，驗證了本發明的效果。軋制準備工作如下所述。
1.鋼坯尺寸直徑310mm，長度2997mm；2.芯棒式無縫管軋機軋制前的管坯尺寸外徑324mm，壁厚33mm，長度7818mm；3.芯棒式無縫管軋機軋制後的尺寸外徑276mm，壁厚17mm，長度16420mm；4.產品尺寸外徑197mm，壁厚20mm，長度19841mm。
對由穿軋機穿孔後、提供給芯棒式無縫管軋機之前的管坯內部供給將80質量％的硼砂和20質量％的金屬皂混合而成的粉末狀潤滑劑。該供給是這樣進行的將上述的潤滑劑混合到通過閥門從載體氣體供給裝置輸送到噴射配管中的載體氣體中，將噴射配管前端的噴嘴插入到管坯內，將潤滑劑噴到管坯內表面上。供給量是管坯內表面每1m2為100g。另外，管坯內表面的溫度是用輻射溫度計測定的。
用於芯棒式無縫管軋機軋制的芯棒是JIS的SKD6的工具鋼製的。該芯棒的表面鍍有50μm厚的Cr。如表1所示，在該Cr鍍層上塗敷石墨系或雲母系的水溶性潤滑劑、並對其進行乾燥，使之形成了100μm厚的乾燥固體潤滑被膜。石墨系潤滑劑是石墨與樹脂系的有機粘合劑以3∶1的質量比混合而成的。雲母系潤滑劑是雲母與硼酸系的無機粘合劑以2∶1的質量比混合而成的。將上述石墨系潤滑劑和上述雲母系潤滑劑做成水溶液並進行塗敷，形成100μm厚度的乾燥被膜。
表1及表2表示試驗的各條件、拉伸軋制中的摩擦係數以及產品鋼管的內表面質量的評價結果。評價基準如下。
(1)摩擦係數摩擦係數是從記錄圖中讀取芯棒式無縫管軋機軋制中的整個軋機負載了載荷的穩定狀態時的總載荷(∑pi)與作用於芯棒上的推力(F)的比值，並作為摩擦係數＝F/∑pi求出。將該摩擦係數的值為0.03以下的記作◎，將該摩擦係數的值為0.031～0.04的記作○，將該摩擦係數的值為0.041～0.05的記作△，將該摩擦係數的值為0.051以上的記作×。
(2)內表面質量用在產品鋼管的內表面產生軸線方向直線狀的缺陷的產生率(以％表示在全部產品鋼管中有缺陷的鋼管的根數)對內表面質量進行了評價。將上述的產生率為不足0.5％的記作◎，將上述的產生率為0.5％～1.0％的記作○，將上述的產生率為大於1.0％且小於等於2.0％的記作△，將上述的產生率為大於2.0的記作×。
另外，由於在從穿孔結束後到拉伸軋制之間進行了管內表面的除氧化皮，所以表1和表2中的No.3～20以及No.33～38在從穿孔結束到供給潤滑劑為止的時間一欄中記入了從除氧化皮結束時刻到供給潤滑劑為止的時間。
表1
表2
從表1和表2可知用滿足了上述a～d的全部條件的本發明方法進行製造時，摩擦係數小，產品鋼管的內表面質量優良。另一方面，在至少不滿足條件a～d中某一個條件時，摩擦係數增大，無法得到優良的內表面質量。
產業上的利用可能性採用本發明方法，在由曼內斯曼-芯棒式無縫管軋機的方式製造無縫鋼管時，能使芯棒式無縫管軋機軋制時的摩擦係數降低，從而不在內表面產生缺陷，就能製造無縫鋼管。
權利要求
1.一種內表面質量優良的無縫鋼管的製造方法，在由芯棒式無縫管軋機拉伸軋制空心管坯時，在芯棒的表面塗敷以石墨及雲母中至少一種為主要成分的潤滑劑，並對空心管坯內表面供給以1價鹼金屬的硼酸鹽為主體的潤滑劑，其特徵在於，該內表面質量優良的無縫鋼管的製造方法滿足下述a～d的全部條件a.穿孔剛結束時的管坯內表面溫度為1150℃以上，從穿孔結束到供給以1價鹼金屬的硼酸鹽為主體的潤滑劑為止的時間、或從除氧化皮結束之後到供給以1價鹼金屬的硼酸鹽為主體的潤滑劑為止的時間為5～60秒；b.供給以1價鹼金屬的硼酸鹽為主體的潤滑劑時的管坯內表面溫度為1100℃以上；c.從供給以1價鹼金屬的硼酸鹽為主體的潤滑劑之後到拉伸軋制開始為止的時間為10秒以上；d.即將進行拉伸軋制之前的管坯內表面溫度為1000～1170℃。
全文摘要
本發明提供一種無縫鋼管的製造方法，該無縫鋼管的製造方法可以降低在由芯棒式無縫管軋機進行拉伸軋制時的摩擦係數、減少管的內表面缺陷的產生。在拉伸軋制空心管坯時，在芯棒的表面塗敷以石墨及雲母中至少一種為主要成分的潤滑劑，並對空心管坯的內表面供給以1價鹼金屬的硼酸鹽為主體的潤滑劑，使拉伸軋制滿足下述(a)～(d)的條件。(a)穿孔剛結束時的管坯內表面溫度為1150℃以上，從穿孔結束到供給以1價鹼金屬的硼酸鹽為主體的潤滑劑為止的時間、或從除氧化皮結束之後到供給以1價鹼金屬的硼酸鹽為主體的潤滑劑的時間為5～60秒。(b)供給以1價鹼金屬的硼酸鹽為主體的潤滑劑時的管坯內表面溫度為1100℃以上。(c)從供給以1價鹼金屬的硼酸鹽為主體的潤滑劑之後到拉伸軋制開始為止的時間為10秒以上。(d)即將進行拉伸軋制之前的管坯內表面溫度為1000～1170℃。
文檔編號B21B25/00GK1968766SQ200580019940
公開日2007年5月23日 申請日期2005年6月15日 優先權日2004年6月18日
發明者飯田純生, 中西哲也 申請人:住友金屬工業株式會社