WO2013161177A1

WO2013161177A1 - 穿孔圧延用プラグの製造設備

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Publication number: WO2013161177A1
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Authority: WO
Inventors: 知央山本; 日高　康善; 東田　泰斗
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
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Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2013-10-31
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Abstract

　継目無鋼管の製造に用いられる穿孔圧延機で使用されるプラグの製造設備は、プラグの表面にショットブラストを施すショットブラスト装置と、ショットブラストを施したプラグの母材表面に鉄線材をアーク溶射し、酸化物およびＦｅで構成される皮膜を形成するアーク溶射装置と、を備え、アーク溶射装置は、プラグの母材表面をプラグの軸方向に沿って区分した複数の領域ごとに個別に皮膜の形成を行う複数の溶射ブースを有する。これにより、プラグの製造能率を高く維持でき、穿孔圧延時に安定してプラグ寿命を向上できるプラグを製造することが可能となる。

Description

穿孔圧延用プラグの製造設備

　本発明は、継目無鋼管の製造に用いられる穿孔圧延機（以下、単に「穿孔機（ピアサ）」ともいう）で使用される穿孔圧延用プラグ（以下、単に「プラグ」ともいう）の製造設備に関し、特に、プラグの母材表面に鉄線材をアーク溶射することによって皮膜が形成された穿孔圧延用プラグの製造設備に関する。

　継目無鋼管は、マンネスマン製管法により製造することができる。この製管法は、次のステップからなる：
　（１）穿孔機により、所定温度に加熱された素材（丸ビレット）を穿孔圧延し、中空素管（ホローシェル）に成形する；
　（２）延伸圧延機（例：マンドレルミル）により、中空素管を延伸圧延する；
　（３）定径圧延機（例：ストレッチレデューサ）により、延伸圧延した中空素管を所定の外径と肉厚に定径圧延する。

　穿孔機による穿孔圧延においては、穿孔用工具としてプラグが用いられる。このプラグは、芯金の先端に装着され、１２００℃程度の高温に加熱されたビレットを穿孔するため、高熱で高面圧を負荷される過酷な状況にさらされる。一般に、プラグは、熱間工具鋼を母材とし、この母材を保護するために、予め熱処理によって母材表面に酸化スケールの皮膜が形成され、そのうえで穿孔圧延に使用される。穿孔圧延時、プラグ表面のスケール皮膜は、ビレットからプラグ母材への熱伝達を遮るとともに、ビレットとプラグとの焼き付きを防止する役割を担う。

　このようなスケール皮膜付きプラグは、穿孔圧延を繰り返すことに伴って、スケール皮膜が次第に摩耗する。スケール皮膜が摩耗すると、皮膜による遮熱効果が低下するため、穿孔中にプラグの温度が上昇し、プラグ母材の溶損や熱変形が生じやすくなる。また、スケール皮膜が消失しプラグ母材が直接ビレットに接触するようになると、焼き付きが生じ、鋼管の内面に疵が発生する。このため、プラグは、皮膜が失われた時点で使用不能となり、寿命に至る。

　特に、Ｃｒを９％以上含有する高Ｃｒ含有鋼やＮｉ基合金やステンレス鋼といった高合金鋼からなる継目無鋼管を製造する場合、穿孔圧延の際にプラグ表面のスケール皮膜の摩耗が顕著に起こり、プラグ寿命の低下が著しくなる。例えば、ステンレス鋼の穿孔では、プラグ表面のスケール皮膜は２、３パス（連続穿孔回数）で摩耗し、そのプラグは寿命に至る。このため、プラグを頻繁に交換する事態が生じ、鋼管の製造効率が低い。したがって、高合金鋼の継目無鋼管を製造する場合は特に、穿孔圧延時にプラグ寿命を向上させ、これにより鋼管の製造効率を高めることが要求される。

　このような要求に対し、例えば、特許文献１には、プラグ母材の表面に形成する皮膜として、熱処理によるスケール皮膜に代え、プラグ母材の表面に鉄線材をアーク溶射して酸化物およびＦｅで構成される皮膜を形成したプラグが開示されている。このアーク溶射皮膜付きプラグは、プラグ表面の皮膜が酸化物およびＦｅで構成されるため、遮熱性および焼き付き防止性に優れ、プラグ寿命の向上が期待できる。

　また、同文献には、アーク溶射皮膜付きプラグを製造（再生）する際、プラグの表面にショットブラストを施した後、そのプラグを載置した回転台を回転させながら、アーク溶射機からプラグの母材表面に溶融材料を吹き付けることにより、プラグの母材表面に酸化物およびＦｅで構成される皮膜を形成する製造設備が開示されている。この製造設備では、プラグ母材表面の先端部、胴部の前半部、および胴部の後半部のそれぞれに向けて溶射機を設置し、全ての溶射機を同時に稼動させてアーク溶射皮膜を形成すれば、１つの溶射機でプラグ母材表面の全域にわたってアーク溶射皮膜を形成するときよりも、皮膜の形成に要する時間を短縮することができ、プラグの製造能率の向上が図れるとしている。

　しかし、同文献に開示される従来の製造設備で製造されたアーク溶射皮膜付きプラグであっても、ビレットの穿孔長が長い場合やビレットの高温強度が高い場合に、皮膜の剥離が発生することがある。このため、プラグ寿命の向上を安定して得るという点では改善の余地があり、この点を改善できる穿孔圧延用プラグを製造することが強く求められる。

特許第４２７９３５０号公報

　本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、プラグの母材表面に鉄線材をアーク溶射して酸化物およびＦｅで構成される皮膜を形成することを前提とし、その目的は、次の特性を有する穿孔圧延用プラグの製造設備を提供することである：
　（１）プラグの製造能率を高く維持できること；
　（２）ビレットの穿孔長が長い場合やビレットの高温強度が高い場合にも、安定してプラグ寿命を向上できること。

　本発明の要旨は、次の通りである。

　継目無鋼管の製造に用いられる穿孔圧延機で使用されるプラグの製造設備であって、
　当該穿孔圧延用プラグの製造設備は、
　プラグの表面にショットブラストを施すショットブラスト装置と、
　ショットブラストを施したプラグの母材表面に鉄線材をアーク溶射し、酸化物およびＦｅで構成される皮膜を形成するアーク溶射装置と、を備え、
　アーク溶射装置は、
　プラグの母材表面をプラグの軸方向に沿って区分した複数の領域ごとに個別に皮膜の形成を行う複数の溶射ブースを有すること、
を特徴とする穿孔圧延用プラグの製造設備。

　この製造設備では、前記各溶射ブース内において、前記鉄線材をアークにより溶融させその溶融材料をプラグの母材表面に向けて吹き出すアーク溶射機が配設されており、アーク溶射機の吹き出し中心線とプラグの母材表面との交差角度を３５°～９０°の範囲に維持した状態でアーク溶射を行うことが好ましい。

　また、上記の製造設備において、前記プラグが砲弾形状で胴部および先端部からなり、前記アーク溶射装置は、前記溶射ブースとして、プラグ母材表面の胴部の領域に皮膜の形成を行う第１の溶射ブースと、プラグ母材表面の先端部の領域に皮膜の形成を行う第２の溶射ブースと、を有することが好ましい。

　また、上記の製造設備は、前記溶射ブース同士の間に、プラグを受け渡す搬送ラインを備えることが好ましい。

　本発明の穿孔圧延用プラグの製造設備は、下記の顕著な効果を有する：
　（１）プラグの製造能率を高く維持できること；
　（２）ビレットの穿孔長が長い場合やビレットの高温強度が高い場合にも、安定してプラグ寿命を向上できること。

図１は、従来のアーク溶射皮膜付きプラグの製造設備の一例を示す模式図である。図２は、従来のアーク溶射皮膜付きプラグの製造設備の別例を示す模式図である。図３は、アーク溶射皮膜の密着性を調査する基礎試験で実施したアーク溶射の状況を模式的に示す図である。図４は、アーク溶射皮膜の密着性調査の基礎試験結果として、アーク溶射機の吹き出し中心線とプラグの母材表面との交差角度の依存性を示す図である。図５は、アーク溶射皮膜の密着性調査の基礎試験結果として、アーク溶射機の吹き出し中心線とプラグの母材表面との交差角度に応じた皮膜の断面ミクロ観察写真を示す図である。図６は、図１に示す従来例１の製造設備を用いてアーク溶射皮膜を形成した場合にプラグ寿命の向上が図れない理由を説明するための模式図である。図７は、本発明の第１実施形態であるアーク溶射皮膜付きプラグの製造設備を示す模式図である。図８は、本発明の第２実施形態であるアーク溶射皮膜付きプラグの製造設備を示す模式図である。

　本発明者らは、上記目的を達成するため、プラグ母材の表面に鉄線材をアーク溶射してＦｅ酸化物およびＦｅで構成される皮膜を形成することを前提とし、その皮膜を形成する手法について種々の試験を実施し、鋭意検討を重ねた。その結果、以下の知見を得た。

　図１は、従来のアーク溶射皮膜付きプラグの製造設備の一例を示す模式図であり、図２は、その別例を示す模式図である。図１、図２に示す従来の製造設備は、アーク溶射装置１０と、このアーク溶射装置１０の前段に配置される図示しないショットブラスト装置と、を備える。

　ショットブラスト装置は、アーク溶射装置１０によるアーク溶射の施工に先立ち、プラグの表面にショットブラストを施す。これにより、穿孔圧延に繰り返し使用され、寿命に至った後に再生するプラグを対象とする場合にあっては、プラグ表面に残存する穿孔圧延ままの皮膜が除去されてプラグの母材表面が露出するとともに、プラグ母材表面が適度な凹凸に荒される。また、新たに製作されるプラグを対象とする場合でも、プラグ母材表面が適度な凹凸に荒される。このようにショットブラストを施す理由は、残存皮膜が無く適度な凹凸のプラグ母材表面にアーク溶射を施せば、アーク溶射皮膜とプラグ母材との密着性が高まるからである。

　アーク溶射装置１０は、ショットブラストを施したプラグ１の母材表面に鉄線材をアーク溶射し、Ｆｅ酸化物およびＦｅで構成される皮膜３を形成する。具体的な装置構成として、図１、図２に示す従来の製造設備におけるアーク溶射装置１０は、皮膜３の形成を行うために、溶射ブース１１を１つ有する。溶射ブース１１内には、鉛直軸を中心に回転する回転台１２が配設されており、この回転台１２の中心にショットブラスト後のプラグ１が縦置きに載置される。ここでのプラグ１は砲弾形状であって、先端部１ａおよび胴部１ｂからなる。この胴部１ｂは、プラグ１の後端（図では下端）から軸方向（図では上下方向）に沿った全長の８０～９８％までの部分である。また、胴部１ｂは、プラグ１の先端側の前半部１ｂａ、および後端側の後半部（リーリング部）１ｂｂに区分される。

　ここで、図１に示す従来の製造設備では、唯一の溶射ブース１１内に、アーク溶射機１３が１つ配設されている。アーク溶射機１３は、鉄線材をアークにより溶融させその溶融材料を吹き出す。以下、説明の便宜上、図１に示す従来の製造設備を「従来例１の製造設備」という。その溶射機１３は、プログラムによって動作する多関節アームに取り付けられており、プラグ１の母材表面を後端から先端まで沿うように往復移動する構成である。

　従来例１の製造設備では、プラグ１の母材表面にアーク溶射によって皮膜３を形成する際、唯一の溶射ブース１１内で回転台１２の回転駆動に伴ってプラグ１を中心軸回りに回転させながら、唯一の溶射機１３を稼動させる。これにより、プラグ１の表面には、先端部１ａおよび胴部１ｂの全域にわたり皮膜３が形成される。

　一方、図２に示す従来の製造設備では、唯一の溶射ブース１１内に、鉄線材をアークにより溶融させその溶融材料を吹き出す溶射機１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃが３つ配設されている。以下、説明の便宜上、図２に示す従来の製造設備を「従来例２の製造設備」という。これらの３つの溶射機１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃは、それぞれ、個別のプログラムによって動作する多関節アームに取り付けられている。そのうちの１つ目の溶射機１３Ａは、プラグ１の母材表面のうち、プラグ胴部１ｂの後半部１ｂｂの領域に沿うように往復移動する構成である。２つ目の溶射機１３Ｂは、プラグ１の母材表面のうち、プラグ胴部１ｂの前半部１ｂａの領域に沿うように往復移動する構成である。３つ目の溶射機１３Ｃは、プラグ１の母材表面のうち、プラグ先端部１ａの領域に沿うように往復移動する構成である。

　従来例２の製造設備では、プラグ１の母材表面にアーク溶射によって皮膜３を形成する際、唯一の溶射ブース１１内で回転台１２の回転駆動に伴ってプラグ１を中心軸回りに回転させながら、３つの溶射機１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃを同時に稼動させる。これにより、プラグ１の表面には、先端部１ａおよび胴部１ｂの全域にわたり皮膜３が形成される。

　このように、従来例１、２の製造設備は、いずれも、プラグ１の母材表面に鉄線材をアーク溶射し、プラグ１の母材表面の全域にわたり酸化物およびＦｅで構成される皮膜３が形成されたアーク溶射皮膜付きプラグを製造することが可能である。

　ここで、アーク溶射皮膜付きプラグにおける皮膜の密着性に着目し、基礎試験を実施した。

　図３は、アーク溶射皮膜の密着性を調査する基礎試験で実施したアーク溶射の状況を模式的に示す図である。同図に示すように、皮膜の密着性を調査する基礎試験では、プラグ１をプラグ１の中心軸Ｐ_Ｃ回りに回転させながら、アーク溶射機１３から鉄線材を源とする溶融材料を吹き出し、プラグ１の表面に皮膜を形成した。その際、アーク溶射機１３の吹き出し中心線Ａ_Ｃとプラグ１の母材表面との交差角度θを種々変更して皮膜の形成を行った。そして、交差角度θの異なるプラグ１ごとに、皮膜の密着性の評価指標として、皮膜のせん断方向への剥離応力（以下、「密着力」という）を測定した。皮膜の密着性の評価は、交差角度θが９０°の場合の密着力を基準「１」とし、これに対する各交差角度θの場合の密着力の比率（以下、「密着力比」という）で行った。また、皮膜の断面ミクロ観察も実施した。

　図４は、アーク溶射皮膜の密着性調査の基礎試験結果として、アーク溶射機の吹き出し中心線とプラグの母材表面との交差角度の依存性を示す図である。図５は、その基礎試験結果として、アーク溶射機の吹き出し中心線とプラグの母材表面との交差角度に応じた皮膜の断面ミクロ観察写真を示す図である。

　図４に示すように、皮膜の密着力比は、アーク溶射機の吹き出し中心線とプラグの母材表面との交差角度θに依存することがわかる。具体的には、交差角度θが３５°を下回る低角度になると、密着力比が著しく低下する傾向が認められる。その一方で、交差角度θが６０°以上の高角度であれば、密着力比が低下する傾向は認められない。

　交差角度θが低角度の場合に密着力が低下する理由は、図５に示すように、交差角度θが低角度であると、プラグ母材表面への皮膜の付着がまばらになり、皮膜中の気孔率が増加することに起因すると考えられる。

　一般に、アーク溶射は、耐火物で構成される金属精錬容器の出湯孔の補修や、エンジンのシリンダボア内周面のコーティングに利用される。この場合、アーク溶射を施す対象が円筒状部材の内面であり、固定された円筒状部材の内部に溶射機を挿入してアーク溶射を行うため、溶射機から皮膜対象面までの距離、すなわち溶射距離は、５０ｍｍ程度、最大でも１５０ｍｍ程度と小さい。このような一般に施工されるアーク溶射においては、溶射機の吹き出し中心線と皮膜対象面との交差角度を高角度にするのは望ましくない。交差角度が高角度であると、溶射機から吹き出された溶融材料が皮膜対象面で反射して溶射機に戻り、これにより溶射機が損傷したり、皮膜対象面で反射した溶融材料が再度吹き出されて皮膜対象面に不用意に付着し、これにより皮膜の密着性が低下したりすることから、これを防止するためである。

　この理論によれば、プラグを対象とするアーク溶射でも、溶射機の吹き出し中心線とプラグの母材表面との交差角度を高角度にすると、皮膜の密着性の低下が懸念される。しかし、上記のとおり、プラグを対象とするアーク溶射では、むしろ、交差角度θを高角度にする方が皮膜の密着力が確保される。これは以下の理由による。

　鉄線材を用いてアーク溶射を行い、プラグの母材表面に酸化物およびＦｅで構成される皮膜を形成する場合、溶射機から吹き出された溶融材料（溶融鉄）が飛行中に酸化する時間を十分に確保する必要があるので、溶射機からプラグ母材表面までの溶射距離は、２００～１０００ｍｍ程度とかなり大きい。このため、交差角度を高角度にしても、溶融材料がプラグ母材表面で反射することはほとんど無い。

　また、プラグの母材表面にアーク溶射皮膜を形成する場合、プラグを回転させながらアーク溶射を行うため、溶融材料がプラグ母材表面で反射しても、プラグの回転により大きく弾かれて飛散し、この溶融材料がプラグ母材表面に不用意に付着することはない。

　したがって、上記の基礎試験結果より、プラグ表面に形成された皮膜の密着力を確保し、密着性を強固なものにするには、プラグの母材表面にアーク溶射皮膜を形成する際、アーク溶射機の吹き出し中心線とプラグの母材表面との交差角度θを３５°～９０°の範囲に維持した状態でアーク溶射を行うのが好適であるといえる。より好ましくは、６０°～９０°の範囲である。

　ところで、交差角度θを上記の適正範囲にしてアーク溶射を行う設備としては、上記した従来例１、２の製造設備がある。

　しかし、後述する実施例で実証するとおり、従来例１の製造設備で製造されたアーク溶射皮膜付きプラグは、従来慣用されているスケール皮膜付きプラグに対して寿命が向上するといえども、その向上度合いが格段に大きくはならない場合がある。これは以下の理由による。

　図６は、図１に示す従来例１の製造設備を用いてアーク溶射皮膜を形成した場合にプラグ寿命の向上が図れない理由を説明するための模式図である。前記図１に示す従来例１の製造設備では、溶射機１３をプラグ１の母材表面の後端から先端までの広範囲にわたって移動させることから、溶射機１３の移動と姿勢の制御は極めて複雑になる。このため、図６に示すように、プラグ母材２に対して溶射機１３の位置調整や姿勢調整が少しでもずれると、溶射機１３の吹き出し中心線Ａ_Ｃとプラグ母材２の表面との交差角度θが上記の適正範囲から逸脱する場合がある（図６中の円で囲った部分）。これに起因して、皮膜の一部が密着性の低いものとなる。

　さらに、従来例１の製造設備では、広範囲で稼動する溶射機を溶射ブース内に設置していることから、巨大な溶射ブースが必要となる。特に、従来例１の製造設備では、１つの溶射機を広範囲に稼動させて皮膜を形成するため、その稼動を司るプログラムが複雑になり、そのうえ、皮膜の形成に長時間を要し、プラグの製造能率が低くなる。

　また、後述する実施例で実証するとおり、従来例２の製造設備で製造されたアーク溶射皮膜付きプラグも、理由は定かでないが、上記した従来例１の製造設備によるものと同様に、プラグ寿命の向上が期待するほど図れない。さらに、従来例２の製造設備では、３つの溶射機のすべてを溶射ブース内に設置していることから、巨大な溶射ブースが必要となる。加えて、従来例２の製造設備では、３つの溶射機を互いに干渉しないように同時に稼動させて皮膜を形成するため、各々の稼動を司るプログラムが複雑になる。

　一方、これらの従来例１、２の製造設備のように、溶射ブースを１つだけ有するアーク溶射装置を用い、皮膜の形成をその１つの溶射ブースのみで行うものに対し、後述する実施例で実証するとおり、プラグの母材表面をプラグの軸方向に沿って複数の領域に区分し、区分した領域の数と同じ数の複数の溶射ブースを有するアーク溶射装置を用い、各溶射ブースで分担して、区分した領域ごとに個別に皮膜の形成を行う製造設備を採用することにより、寿命が格段に向上するプラグを製造することができる。

　また、このように複数の溶射ブースで分担して皮膜の形成を行う製造設備では、各溶射ブース内に小さい範囲で稼動する溶射機を１つずつ設置すれば足りることから、溶射ブースが小さくて済む。さらに、各溶射機が小さい範囲で稼動し、互いに干渉することもないため、各々の稼動を司るプログラムを簡素にすることができる。しかも、複数の溶射ブースで皮膜の形成を分担し、順に皮膜を形成していくため、各領域の皮膜の形成に要する時間を短縮することができ、全体としてプラグの製造能率を高く維持することが可能になる。

　本発明は、上記の知見に基づき完成させたものである。以下に、本発明のプラグの製造設備の好ましい態様について説明する。

　＜第１実施形態＞
　図７は、本発明の第１実施形態であるアーク溶射皮膜付きプラグの製造設備を示す模式図である。同図に示す第１実施形態の製造設備は、前記図１、図２に示す従来例１、２の製造設備の構成を基本とし、重複する説明は適宜省略する。

　図７に示すように、本実施形態の製造設備は、アーク溶射装置１０と、このアーク溶射装置１０の前段に配置される図示しないショットブラスト装置と、を備える。ショットブラスト装置は、前記従来例１、２の製造設備のものと同じである。

　本実施形態では、プラグ１の母材表面をプラグ１の軸方向に沿って２つの領域に区分する。図７では、先端部１ａと、胴部１ｂとに区分した例を示している。

　本実施形態におけるアーク溶射装置１０は、皮膜３の形成を行うために、プラグ１の母材表面を区分した領域の数と同じ数の２つの溶射ブース１１Ａ、１１Ｂを有する。これらの２つの溶射ブース１１Ａ、１１Ｂは、直列に配置され、順にプラグ１が送り込まれる。以下、本実施形態の製造設備においては、ショットブラスト装置によってショットブラストを施したプラグ１が送り込まれる側から順に、第１の溶射ブース１１Ａ、第２の溶射ブース１１Ｂと称す。

　第１、第２の溶射ブース１１Ａ、１１Ｂ内には、それぞれ、鉛直軸を中心に回転する回転台１２Ａ、１２Ｂが配設されており、この回転台１２Ａ、１２Ｂの中心にプラグ１が縦置きに載置される。

　さらに、第１、第２の溶射ブース１１Ａ、１１Ｂ内には、それぞれ、鉄線材をアークにより溶融させその溶融材料を吹き出す溶射機１３Ａ、１３Ｂが１つずつ配設されている。第１の溶射ブース１１Ａ内の溶射機１３Ａ（以下、第１実施形態では「第１の溶射機」という）は、プラグ１の母材表面のうち、プラグ胴部１ｂの領域に対向し、この領域のみを沿うように往復移動する構成である。第２の溶射ブース１１Ｂ内の溶射機１３Ｂ（以下、第１実施形態では「第２の溶射機」という）は、プラグ１の母材表面のうち、プラグ先端部１ａの領域に対向し、この領域のみを沿うように往復移動する構成である。これらの２つの溶射機１３Ａ、１３Ｂは、それぞれ、個別のプログラムによって動作する多関節アームに取り付けられている。

　本実施形態の製造設備では、アーク溶射装置１０によってプラグ１の母材表面に皮膜３を形成する際、先ず、第１の溶射ブース１１Ａにおいて、回転台１２Ａの回転駆動に伴ってプラグ１を中心軸回りに回転させながら、第１の溶射機１３Ａを稼動させ、アーク溶射を施す。これにより、プラグ１の表面には、先端部１ａを除く胴部１ｂに皮膜３が形成される。

　次いで、第１の溶射ブース１１Ａで皮膜３を形成したプラグ１を第２の溶射ブース１１Ｂに送り込み、第２の溶射ブース１１Ｂにおいて、回転台１２Ｂの回転駆動に伴ってプラグ１を中心軸回りに回転させながら、第２の溶射機１３Ｂを稼動させ、アーク溶射を施す。これにより、プラグ１の表面における先端部１ａに皮膜３が形成される。こうして、プラグ１の表面の全域にわたり皮膜３が形成される。

　その際、第１、第２の溶射ブースのいずれでも、溶射機の吹き出し中心線とプラグ母材の表面との交差角度が、上記の基礎試験結果から導き出された適正範囲、すなわち３５°～９０°の範囲、より好適には６０°～９０°の範囲となるように、各溶射機の移動と姿勢を制御してアーク溶射を行う。

　このように、本実施形態の製造設備は、２つの領域に区分されたプラグの母材表面に順に個別に鉄線材をアーク溶射することにより、プラグの母材表面の全域にわたり酸化物およびＦｅで構成される皮膜が形成されたアーク溶射皮膜付きプラグを製造することができる。しかも、区分した各領域でアーク溶射を行う際、各溶射機の稼動範囲が少なくて済むため、各溶射機の移動と姿勢を複雑に制御しなくても上記の交差角度を確実に適正範囲に維持することができ、その結果として、プラグ母材と皮膜の密着性がプラグ表面の全域にわたって安定し、プラグ寿命も安定する。

　また、本実施形態の製造設備は、図７に示すように、第１の溶射ブース１１Ａと第２の溶射ブース１１Ｂとが隣接して設置されており、これらの溶射ブース１１Ａ、１１Ｂ同士の間に搬送ライン１４Ａを備える。この搬送ライン１４Ａは、第１の溶射ブース１１Ａで皮膜３が形成されたプラグ１を第２の溶射ブース１１Ｂに受け渡す役割を担う（図中の白抜き矢印参照）。さらに、本実施形態の製造設備は、ショットブラスト後のプラグをアーク溶射装置１０（第１の溶射ブース１１Ａ）に投入するための搬送ライン１５と、第２の溶射ブース１１Ｂで皮膜３が形成されたプラグ１をアーク溶射装置１０から排出するための搬送ライン１６を備える。

　このような搬送ライン１４Ａ、１５、１６の設置により、プラグ１をアーク溶射装置１０に連続して投入し、溶射ブース１１Ａ、１１Ｂの間で停滞することなく、プラグ１に皮膜３を形成して、排出することができるため、全体としてプラグの製造能率が一層高まる。

　なお、各溶射ブースには、当該溶射ブースで皮膜を形成する対象の領域以外の領域を覆うように、遮蔽板を配設することができる。具体的には、第１の溶射ブース１１Ａでは、先端部１ａを覆うように遮蔽板を配設する。また、第２の溶射ブース１１Ｂでは、胴部１ｂを覆うように遮蔽板を配設する。これは、意図していない領域に溶射機からの溶融材料が不適切な交差角度で不用意に付着し、プラグ母材と皮膜の密着力が低下することを防止するためである。したがって、遮蔽板は、少なくとも第１の溶射ブース１１Ａに配設されていればよく、第２の溶射ブース１１Ｂには配設されていなくてもよい。

　また、図７では、プラグ１の母材表面に形成された皮膜３の厚みが、胴部１ｂよりも先端部１ａで厚くなっている。もっとも、プラグ１の母材表面に形成された皮膜３の厚みを全域にわたって均一に形成することも可能である。プラグ先端部で皮膜が厚く形成されている場合、穿孔圧延時に面圧が高く温度が上昇するプラグ先端部で皮膜による遮熱性および耐摩耗性が一層確保され、プラグ寿命の一層の向上が期待できる点で有用である。

　また、本実施形態の製造設備では、各溶射ブースに設置した溶射機は、プラグの母材表面に沿って往復移動するのに加え、プラグの母材表面から徐々に遠ざかるように移動する構成にすることができる。この複合移動により、プラグ母材には、酸化物の占める領域の比率（以下、「酸化物比率」という）が表層側ほど次第に増加する皮膜が形成される。このように、プラグ母材との隣接部で酸化物比率が低く、表層部で酸化物比率が高い皮膜を形成した場合、皮膜の表層部で遮熱性および焼き付き防止性を確保しつつ、プラグ母材との隣接部で密着性を確保できる点で有用である。

　＜第２実施形態＞
　図８は、本発明の第２実施形態であるアーク溶射皮膜付きプラグの製造設備を示す模式図である。同図に示す第２実施形態の製造設備は、前記図７に示す第１実施形態の製造設備と比較し、以下の点で構成が相違する。

　本実施形態の製造設備は、プラグ１の母材表面を区分する領域の数を増加させたものである。すなわち、本実施形態では、プラグ１の母材表面をプラグ１の軸方向に沿って３つの領域に区分する。図８では、先端部１ａと、胴部前半部１ｂａと、胴部後半部１ｂｂとに区分した例を示している。

　本実施形態におけるアーク溶射装置１０は、皮膜３の形成を行うために、プラグ１の母材表面を区分した領域の数と同じ数の３つの溶射ブース１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを有する。これらの３つの溶射ブース１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃは、直列に配置され、順にプラグ１が送り込まれる。以下、本実施形態の製造設備においては、ショットブラスト装置によってショットブラストを施したプラグ１が送り込まれる側から順に、第１の溶射ブース１１Ａ、第２の溶射ブース１１Ｂ、第３の溶射ブース１１Ｃと称す。本実施形態における第３の溶射ブース１１Ｃは、上記第１実施形態における第２の溶射ブース１１Ｂに相当するものである。

　第１、第２、第３の溶射ブース１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ内には、それぞれ、鉛直軸を中心に回転する回転台１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃが配設されており、この回転台１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃの中心にプラグ１が縦置きに載置される。

　さらに、第１、第２、第３の溶射ブース１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ内には、それぞれ、鉄線材をアークにより溶融させその溶融材料を吹き出す溶射機１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃが１つずつ配設されている。第１の溶射ブース１１Ａ内の溶射機１３Ａ（以下、第２実施形態では「第１の溶射機」という）は、プラグ１の母材表面のうち、プラグ胴部１ｂの後半部１ｂｂの領域に対向し、この領域のみを沿うように往復移動する構成である。第２の溶射ブース１１Ｂ内の溶射機１３Ｂ（以下、第２実施形態では「第２の溶射機」という）は、プラグ１の母材表面のうち、プラグ胴部１ｂの前半部１ｂａの領域に対向し、この領域のみを沿うように往復移動する構成である。第３の溶射ブース１１Ｃ内の溶射機１３Ｃ（以下、第２実施形態では「第３の溶射機」という）は、プラグ１の母材表面のうち、プラグ先端部１ａの領域に対向し、この領域のみを沿うように往復移動する構成である。これらの３つの溶射機１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃは、それぞれ、個別のプログラムによって動作する多関節アームに取り付けられている。

　本実施形態の製造設備では、アーク溶射装置１０によってプラグ１の母材表面に皮膜３を形成する際、まず、第１の溶射ブース１１Ａにおいて、回転台１２Ａの回転駆動に伴ってプラグ１を中心軸回りに回転させながら、第１の溶射機１３Ａを稼動させ、アーク溶射を施す。これにより、プラグ１の表面には、先端部１ａおよび胴部前半部１ｂａを除く胴部後半部１ｂｂに皮膜３が形成される。

　続いて、第１の溶射ブース１１Ａで皮膜３を形成したプラグ１を第２の溶射ブース１１Ｂに送り込み、第２の溶射ブース１１Ｂにおいて、回転台１２Ｂの回転駆動に伴ってプラグ１を中心軸回りに回転させながら、第２の溶射機１３Ｂを稼動させ、アーク溶射を施す。これにより、プラグ１の表面における胴部前半部１ｂａに皮膜３が形成される。

　次いで、第２の溶射ブース１１Ｂで皮膜３を形成したプラグ１を第３の溶射ブース１１Ｃに送り込み、第３の溶射ブース１１Ｃにおいて、回転台１２Ｃの回転駆動に伴ってプラグ１を中心軸回りに回転させながら、第３の溶射機１３Ｃを稼動させ、アーク溶射を施す。これにより、プラグ１の表面における先端部１ａに皮膜３が形成される。こうして、プラグ１の表面の全域にわたり皮膜３が形成される。

　その際、第１～第３の溶射ブースのいずれでも、溶射機の吹き出し中心線とプラグ母材の表面との交差角度が、上記の基礎試験結果から導き出された適正範囲となるように、各溶射機の移動と姿勢を制御してアーク溶射を行う。

　このように、本実施形態の製造設備は、３つの領域に区分されたプラグの母材表面に順に個別に鉄線材をアーク溶射することにより、プラグの母材表面の全域にわたり酸化物およびＦｅで構成される皮膜が形成されたアーク溶射皮膜付きプラグを製造することができる。

　また、本実施形態の製造設備は、図８に示すように、第１の溶射ブース１１Ａと第２の溶射ブース１１Ｂとが隣接し、第２の溶射ブース１１Ｂと第３の溶射ブース１１Ｃとが隣接して設置されており、これらの第１、第２の溶射ブース１１Ａ、１１Ｂ同士の間と、第２、第３の溶射ブース１１Ｂ、１１Ｃ同士の間に、それぞれ搬送ライン１４Ａ、１４Ｂを備える。これらの搬送ライン１４Ａ、１４Ｂは、それぞれ、第１の溶射ブース１１Ａで皮膜３が形成されたプラグ１を第２の溶射ブース１１Ｂに受け渡し、第２の溶射ブース１１Ｂで皮膜３が形成されたプラグ１を第３の溶射ブース１１Ｃに受け渡す役割を担う（図中の白抜き矢印参照）。さらに、本実施形態の製造設備は、ショットブラスト後のプラグをアーク溶射装置１０（第１の溶射ブース１１Ａ）に導入するための搬送ライン１５と、第３の溶射ブース１１Ｃで皮膜３が形成されたプラグ１をアーク溶射装置１０から排出するための搬送ライン１６を備える。

　このような搬送ライン１４Ａ、１４Ｂ、１５、１６の設置により、上記第１実施形態と同様に、プラグ１をアーク溶射装置１０に連続して送り込み、溶射ブース１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃの間で停滞することなく、プラグ１に皮膜３を形成して、排出することができるため、全体としてプラグの製造能率が一層高まる。

　なお、第１実施形態と同様に、各溶射ブースには、当該溶射ブースで皮膜を形成する対象の領域以外の領域を覆うように、遮蔽板を配設することができる。具体的には、第１の溶射ブース１１Ａでは、先端部１ａおよび胴部前半部１ｂａを覆うように遮蔽板を配設する。そして、第２の溶射ブース１１Ｂでは、先端部１ａおよび胴部後半部１ｂｂを覆うように遮蔽板を配設する。そして、第３の溶射ブース１１Ｃでは、胴部前半部１ｂａおよび胴部後半部１ｂｂを覆うように遮蔽板を配設する。また、前述と同様の理由により、遮蔽板は、少なくとも第１の溶射ブース１１Ａおよび第２の溶射ブース１１Ｂで先端部１ａを覆うように配設されていればよく、第３の溶射ブース１１Ｃには配設されていなくてもよい。

　プラグ母材の表面を区分する領域の数は、２つ以上であれば幾つであってもよく、区分する領域の数に応じて溶射ブースの設置数が決まる。

　本発明の効果を確認するため、穿孔圧延用プラグを製造し、製造したプラグを穿孔機に装着して穿孔圧延する試験を行った。その試験条件は、下記の通りである。

　［試験方法］
　（１）プラグの製造
　ＪＩＳ規定の熱間工具鋼を母材とし、最大直径が５７ｍｍである砲弾形状のプラグを多数準備した。前記図７、図８に示す第１、第２実施形態の製造設備を用いて、各プラグの表面にショットブラストを施し、その後に、各プラグの母材表面に鉄線材を用いたアーク溶射を行って皮膜を形成し、アーク溶射皮膜付きプラグを製造した。

　また、比較のために、前記図１、図２に示す従来例１、２の製造設備を用いて、アーク溶射皮膜付きプラグを製造した。これとあわせて、熱処理炉を用いて、プラグの母材表面に酸化スケールの皮膜を形成し、スケール皮膜付きプラグを製造した。

　アーク溶射皮膜の形成に際しては、溶射機からプラグ母材表面までの溶射距離を最初は２００ｍｍとしてアーク溶射を行いつつ、逐次溶射機を遠ざけ、最後は溶射距離を１０００ｍｍまで広げてアーク溶射を行った。アーク溶射皮膜付きプラグの皮膜の厚みは、プラグ胴部（前半部および後半部）で５００μｍとし、プラグ先端部で１５００μｍとした。スケール皮膜付きプラグの皮膜の厚みは、プラグ全域で６００μｍとした。

　（２）穿孔圧延
　上記の各プラグを使用して、１２００℃に加熱した下記の被加工材（素材）を繰り返し穿孔圧延し、下記のホローシェルを作製した。
　・被加工材の寸法　：直径７０ｍｍ、長さ１０００ｍｍの丸ビレット
　・被加工材の材質　：ＳＵＳ３０４
　・ホローシェル　　：外径７４ｍｍ、肉厚８．６ｍｍ、長さ２２００ｍｍ

　［評価方法］
　（１）プラグの製造能率
　アーク溶射皮膜付きプラグについては、各製造設備に１０個のプラグを連続的に投入し、１時間当たりに製造することができたプラグの個数を調査した。スケール皮膜付きプラグについては、バッチ式熱処理炉で１５個のプラグをまとめて熱処理し、１時間当たりに製造することができたプラグの個数を調査した。これら１時間当たりのプラグの製造可能個数をプラグの製造能率として評価した。

　（２）プラグ寿命
　穿孔圧延を終えるたびにプラグの外観を検査し、皮膜が剥離してプラグが使用できなくなるか、またはプラグ先端部に溶損もしくは変形が発生したときのパス回数、すなわち連続して穿孔圧延することができたビレットの本数（連続穿孔回数）を調査した。この連続穿孔回数をプラグ寿命として評価した。

　［試験結果］
　試験結果を表１に示す。

　Ｎｏ．１～３は比較例の試験であり、Ｎｏ．４および５は本発明例の試験である。

　Ｎｏ．１の試験は、熱処理によってスケール皮膜を形成したものである。このため、プラグの製造可能個数が１時間当たり２個に過ぎなかった。この場合、連続穿孔回数が２回であり著しく少なかった。

　Ｎｏ．２の試験は、前記図１に示す従来例１の製造設備を用い、１つの溶射ブースのみで且つ１つの溶射機の稼動によってアーク溶射皮膜を形成したものである。このため、プラグの製造可能個数が１時間当たり２個に過ぎなかった。この場合、アーク溶射皮膜の効果が少なからず発現し、連続穿孔回数が６回となった。

　Ｎｏ．３の試験は、前記図２に示す従来例２の製造設備を用い、１つの溶射ブースのみで且つ３つの溶射機の同時稼動によってアーク溶射皮膜を形成したものである。このため、プラグの製造可能個数が１時間当たり６個に増加した。この場合も、アーク溶射皮膜の効果が少なからず発現し、連続穿孔回数が４回となった。

　これらの比較例に対し、Ｎｏ．４の試験は、前記図７に示す第１実施形態の製造設備を用いて、２つの溶射ブースで且つそれぞれに１つずつの溶射機による分担稼動によってアーク溶射皮膜を形成したものである。すなわち、プラグの母材表面をプラグの軸方向に沿って２つの領域に区分し、２つ溶射ブースで、順に、各領域に皮膜の形成を行ったものである。このため、プラグの製造可能個数が１時間当たり５個に維持できた。この場合、連続穿孔回数が１４回となり著しく増加した。

　Ｎｏ．５の試験は、前記図８に示す第２実施形態の製造設備を用いて、３つの溶射ブースで且つそれぞれに１つずつの溶射機による分担稼動によってアーク溶射皮膜を形成したものである。すなわち、プラグの母材表面をプラグの軸方向に沿って３つの領域に区分し、３つ溶射ブースで、順に、各領域に皮膜の形成を行ったものである。このため、プラグの製造可能個数が１時間当たり７個に増加した。この場合、連続穿孔回数が１５回となり著しく増加した。

　以上の結果から、プラグの母材表面をプラグの軸方向に沿って複数の領域に区分し、区分した複数の領域ごとに個別に皮膜の形成を行う複数の溶射ブースを有する製造設備を用いることにより、プラグの製造能率を高く維持でき、しかも、穿孔圧延で安定してプラグ寿命を向上できることが明らかとなる。

　本発明は、高合金鋼の継目無鋼管の製造に有効に利用できる。

　　１：プラグ、　　１ａ：プラグ先端部、　　１ｂ：プラグ胴部、
　　１ｂａ：プラグ胴部の前半部、　　１ｂｂ：プラグ胴部の後半部、
　　３：アーク溶射皮膜、
　　１０アーク溶射装置、
　　１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ：溶射ブース、
　　１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ：回転台、
　　１３，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ：アーク溶射機、
　　１４Ａ，１４Ｂ，１５，１６：搬送ライン、
　　Ｐ_Ｃ：プラグの中心軸、　　Ａ_Ｃ：アーク溶射機の吹き出し中心線、
　　θ：交差角度

Claims

　継目無鋼管の製造に用いられる穿孔圧延機で使用されるプラグの製造設備であって、
　当該穿孔圧延用プラグの製造設備は、
　プラグの表面にショットブラストを施すショットブラスト装置と、
　ショットブラストを施したプラグの母材表面に鉄線材をアーク溶射し、酸化物およびＦｅで構成される皮膜を形成するアーク溶射装置と、を備え、
　アーク溶射装置は、
　プラグの母材表面をプラグの軸方向に沿って区分した複数の領域ごとに個別に皮膜の形成を行う複数の溶射ブースを有すること、
を特徴とする穿孔圧延用プラグの製造設備。
　前記各溶射ブース内において、前記鉄線材をアークにより溶融させその溶融材料をプラグの母材表面に向けて吹き出すアーク溶射機が配設されており、アーク溶射機の吹き出し中心線とプラグの母材表面との交差角度を３５°～９０°の範囲に維持した状態でアーク溶射を行うこと、
を特徴とする請求項１に記載の穿孔圧延用プラグの製造設備。
　前記プラグが砲弾形状で胴部および先端部からなり、
　前記アーク溶射装置は、前記溶射ブースとして、プラグ母材表面の胴部の領域に皮膜の形成を行う第１の溶射ブースと、プラグ母材表面の先端部の領域に皮膜の形成を行う第２の溶射ブースと、を有すること、
を特徴とする請求項１または２に記載の穿孔圧延用プラグの製造設備。
　前記溶射ブース同士の間に、プラグを受け渡す搬送ラインを備えること、
を特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の穿孔圧延用プラグの製造設備。