JP2002239613A - 継目無管の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 傾斜穿孔圧延機を用いた継目無管の製造ライ
ンにて、高負荷材である高合金鋼の継目無管を低コスト
で製造できる方法を提供する。 【解決手段】 加熱炉への素材装入前に該素材の肉厚ｔ
と外径Ｄとの比率がｔ／Ｄ≦０．４の関係を満たすよう
に該素材を中空素管の形状に機械加工し、該中空素管形
状の素材を加熱炉にて加熱した後に、傾斜穿孔圧延機に
より延伸圧延（拡管、減肉、延伸）する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、継目無管、主とし
て高い圧延荷重・動力を要する高負荷材である高合金鋼
の継目無管を製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】継目無鋼管の製造では、まず始めの加工
プロセスとして高温に加熱されたビレットに孔をあける
穿孔工程がある。穿孔は回転鍛造効果を利用したものが
多く、樽形ロールを用いた傾斜穿孔機（マンネスマン穿
孔機）、また最近では従来の傾斜穿孔法の適用を拡大し
たコーン型ロールによる交差穿孔機により１パスの穿孔
が行われる。穿孔後の中空素管は大径サイズではプラグ
ミルにて、また中径・小径サイズではマンドレルミルに
て延伸圧延が行われる。

【０００３】一方、近年の継目無管需要者の動向として
使用環境の過酷化にともない、より高強度・高耐食性の
鋼管が望まれるようになってきた。このような要求を満
足するためにはステンレス鋼のように合金元素を多量に
添加した高合金鋼とせざるを得ない。

【０００４】ところが高合金鋼は普通鋼に比べて変形抵
抗が高いので、穿孔時に必要とされる動力が大きくな
り、普通鋼を対象に設計されたモータ容量の小さい穿孔
機では過負荷のために生産することができない。高合金
鋼継目無管の製造のためにモータ容量の大きい穿孔機を
新たに導入することも考えられるが、設備投資に膨大な
コストがかかるという問題がある。そこで、大きな動力
を持つ穿孔機を新設する以外の方法として、既設穿孔機
の小さな穿孔動力により高合金鋼を加工可能とする必要
がある。

【０００５】高合金鋼の穿孔動力を低減させる方法とし
て次の二つが考えられる。

【０００６】（Ａ）高温での変形抵抗の低下を利用する
方法（ビレットの高温加熱抽出） （Ｂ）遠心鋳造法や中空連続鋳造法により形成した中空
素管を熱間圧延加工する方法 上記（Ａ）の方法は、ビレットを高温に加熱するので、
加熱炉でのスケール量が増大するばかりでなく、一部の
高合金鋼では採用できない。この理由は１０００℃以上
の高温域で急激に延性が低下する性質を示すものがあ
り、穿孔時の加工発熱により圧延材の温度がゼロ延性温
度を越えてしまい、傾斜圧延に特有のせん断歪みにより
内面割れを生じてしまうからである。

【０００７】ここで「ゼロ延性温度」について図４を参
照して説明する。図４は横軸に試験温度（℃）をとり、
縦軸に絞り（％）をとって、代表的オーステナイト系ス
テンレス鋼であるＳＵＳ３０４の高温域における延性
（絞り）の変化を示す特性線図である。図中にて約１２
８０℃までは延性に変化がみられない（特性線Ａ）が、
約１２８０℃を超えると延性が急激に低下する（特性線
Ｂ）。このように高温域において延性が急激に低下する
温度をゼロ延性温度といい、以下これをＴｏと表示す
る。このゼロ延性温度Ｔｏは鋼種ごとに種々異なるもの
である。

【０００８】上記（Ｂ）の方法は、中実材ではなく中空
材を用いて穿孔時の加工量を減らすことにより、傾斜圧
延時の動力と加工発熱を低減し、かつ、ゼロ延性割れの
問題を解決することができるので、確かに有効な方法で
あるといえる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高合金
鋼は普通鋼と異なり１ロット当りの生産量の少ない多サ
イズ少量生産品となる所謂小ロットものであるので、同
サイズ品を大量生産するための製造ラインを適合させる
ことができないという問題がある。

【００１０】また、遠心鋳造法や連続鋳造から得た中空
素材を用いる上記（Ｂ）の方法は、同一寸法のビレット
を供給するような大量生産には適しているが、傾斜穿孔
圧延に用いる中空素管として多サイズの外径および肉厚
をそれぞれ準備する場合は、製造コストが著しく高くな
るという問題を生じる。

【００１１】本発明は上記の課題を解決するためになさ
れたものであって、傾斜穿孔圧延機を用いた継目無管の
製造ラインにて、高負荷材である高合金鋼の継目無管を
低コストで製造できる方法を提供することを目的とす
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係る継目無管の
製造方法は、加熱炉への素材装入前に該素材の肉厚ｔと
外径Ｄとの比率がｔ／Ｄ≦０．４の関係を満たすように
該素材を中空素管の形状に機械加工し、該中空素管形状
の素材を加熱炉にて加熱した後に、傾斜穿孔圧延機によ
り延伸圧延（拡管、減肉、延伸）することを特徴とす
る。

【００１３】上述のように高負荷である高合金鋼の傾斜
穿孔圧延時の動力を低減するためには、加工前の素材と
して、中実のビレットでなく中空の素材を用いることが
最も簡便な方法であり、冷間のビレットから機械加工に
より多サイズの外径・肉厚を持つ中空素材を造り分ける
方法が最適である。

【００１４】機械加工を施すことにより精度のよい外径
・内径・肉厚が得られるので、穿孔圧延後の中空素管の
肉厚精度が向上することは言うまでもない。機械加工の
方法は中ぐり加工ができるものであればよく、特に限定
されるものではない。

【００１５】また、加工前のビレットは遠心鋳造法、中
実連続鋳造法、中空連続鋳造法、分塊圧延法のうちいず
れの方法を用いて製造されたものであってもよい。さら
に、加工前のビレットの断面形状は特に限定されるもの
ではなく、例えば丸断面でもよく、あるいは角断面でも
よい。

【００１６】次に、傾斜穿孔圧延時に生じる内面割れ
は、穿孔圧延後の被圧延材の温度がゼロ延性温度Ｔｏ以
下となるように制御することにより解決できる。制御対
象となる穿孔圧延中の被圧延材の温度は、鋼種、圧延前
の被圧延材温度、傾斜穿孔圧延の条件（加工前後の中空
素管の寸法、加工速度など）等の主要なパラメータに基
づいて決まるので、コンピュータシミュレーション利用
の有限要素法のような解析手法を用いて予め求めておく
ことが可能である。

【００１７】ところで、傾斜穿孔圧延は加工度が過大で
あり、その加工発熱が非常に大きくなるので、鋼種によ
っては加工中に素材の温度が大幅に上昇することがあ
る。例えばステンレス鋼の中実素材を穿孔圧延加工する
と、素材の温度は加工前よりも１００℃程度は上昇す
る。このため加熱炉抽出温度をゼロ延性温度Ｔｏ以下に
設定したとしても、高合金鋼では穿孔圧延時にゼロ延性
温度Ｔｏを超えてしまい、内面割れを発生することがあ
る。

【００１８】しかし、本発明の方法では穿孔圧延前に予
め機械加工により素材の肉厚ｔと外径Ｄとの比率がｔ／
Ｄ≦０．４の関係を満たす中空素管とすることにより、
傾斜穿孔圧延時の加工発熱が軽減され、加工中における
素材の温度がゼロ延性温度Ｔｏを超えなくなるので、内
面割れの発生が抑制される。

【００１９】なお、一般的に加熱炉抽出温度の大きな変
更は不可能であるため、小ロット材に対しては加熱炉抽
出温度を変更せず、機械加工時の中空素管の寸法調整に
より穿孔圧延後の被圧延材の温度を管理するほうが望ま
しい。

【００２０】次に、図５〜図７および図９を参照しなが
ら本発明の作用について説明する。

【００２１】図５、図６、図７は横軸にビレットの肉厚
外径比ｔ／Ｄをとり、縦軸に温度（℃）をとって、各種
サイズのステンレス鋼中空素管を種々の加熱炉抽出温度
で取り出し、穿孔直後に素管に生じる最高温度Ｔｍａｘ
をそれぞれ調べた結果を示す特性線図である。各図中に
て特性線Ｃ，Ｆ，Ｊは加熱炉抽出温度１２００℃で外径
２００ｍｍ，２５０ｍｍ，３００ｍｍの中空素管を取り
出したときの最高温度Ｔｍａｘ（℃）を、特性線Ｄ，
Ｇ，Ｋは加熱炉抽出温度１２５０℃で外径２００ｍｍ，
２５０ｍｍ，３００ｍｍの中空素管を取り出したときの
最高温度Ｔｍａｘ（℃）を、特性線Ｅ，Ｈ，Ｌは加熱炉
抽出温度１３００℃で外径２００ｍｍ，２５０ｍｍ，３
００ｍｍの中空素管を取り出したときの最高温度Ｔｍａ
ｘ（℃）をそれぞれ示す。図から明らかなように、いず
れの中空素管外径（Ｄ）、加熱炉抽出温度においても穿
孔後の肉厚方向の最高温度Ｔｍａｘは肉厚外径比０．４
０以下（ｔ／Ｄ≦０．４０）から低下傾向を示す。従っ
て、加熱炉の抽出温度はＴｏ＞Ｔmaxとなる条件（Ｉ）
と、傾斜穿孔圧延機の動力が仕様動力以下に入る条件
（II）とをともに満たすようにｔ／Ｄを求めればよい。
すなわち、中空素管の肉厚外径比ｔ／Ｄが０．４０以下
となるように素材を機械加工する。

【００２２】図９は横軸にビレットの肉厚外径比ｔ／Ｄ
をとり、縦軸に温度（℃）をとって、抽出温度１２５０
℃のときの傾斜穿孔圧延直後のステンレス鋼中空素管肉
厚方向の最高温度Ｔｍａｘを解析した結果を示す特性線
図である。図中にて実線Ｍは最高温度Ｔｍａｘと肉厚外
径比ｔ／Ｄとの関係を示し、破線Ｎはゼロ延性温度Ｔｏ
と肉厚外径比ｔ／Ｄとの関係を示す。これらの特性線
Ｍ，Ｎから肉厚外径比ｔ／Ｄが０．２５以下、即ち、肉
厚ｔが５０ｍｍ以下であれば、最高温度Ｔｍａｘがゼロ
延性温度Ｔｏを超えなくなるので、ゼロ延性割れを回避
できると推測することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照して本発
明の好ましい実施の形態について説明する。

【００２４】図１は機械加工前後の被圧延材の外観形状
を模式的に示した図である。図中にて符号２Ａは連続鋳
造法により製造した丸断面中実ビレット、符号２Ｂは遠
心鋳造法により製造した中空丸断面ビレット、符号２Ｃ
は分塊圧延法により製造した角断面ビレットをそれぞれ
示す。本発明ではこのような種々の断面形状のビレット
２Ａ，２Ｂ，２Ｃを素材として、機械加工により所望サ
イズの中空素管２Ｄの形状とし、これを所定温度に加熱
した後に穿孔圧延加工する。

【００２５】中空素管２Ｄの外径Ｄと肉厚ｔは、素材条
件（材質、圧延前の温度など）および加工条件（穿孔圧
延加工後の中空素管サイズ、加工速度、加工温度など）
に基づいて予め演算により求めておくことができる。す
なわち、継目無管製造ラインの既設の加熱炉および傾斜
穿孔圧延機にそれぞれ固有の性能や特性（設備パラメー
タ）と、素材のゼロ延性温度Ｔｏやサイズ等（素材パラ
メータ）とに基づいて中空素管の外径Ｄおよび肉厚ｔが
求まる。さらに、外径Ｄと肉厚ｔから中空素管の内径ｄ
が求まる。肉厚外径比ｔ／Ｄが０．４０以下となるよう
に機械加工により予め中空素管を形成しておくと、穿孔
圧延時の加工発熱が小さくなり、図５、図６、図７に示
すように加工中に中空素管の温度がゼロ延性温度Ｔｏを
超えなくなる。

【００２６】次に、高合金鋼継目無管を製造する場合に
ついて説明する。

【００２７】連続鋳造用鋳型から丸断面中実ビレットを
引き抜き、冷却し、切断して所定長の丸断面中実ビレッ
ト２Ａとする（工程Ｓ１）。丸断面中実ビレット２Ａの
材質はオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）
であり、その外径は例えば１８０ｍｍである。

【００２８】既存の加熱炉に固有の温度特性データから
中空素管の加熱炉抽出温度を設定する（工程Ｓ２）。設
定した加熱炉抽出温度と素材条件（材質、圧延前の温度
など）および加工条件（穿孔圧延加工後の中空素管サイ
ズ、加工速度、加工温度など）とに基づいて中空素管の
外径Ｄおよび肉厚ｔを予め演算により求める（工程Ｓ
３）。中空素管の外径Ｄおよび肉厚ｔは、肉厚外径比ｔ
／Ｄが０．４０以下となる範囲で選択決定される。例え
ば、加熱炉抽出温度を１２５０℃とし、傾斜穿孔圧延後
の被圧延材の温度がその鋼種のゼロ延性温度Ｔｏ以下と
なるように、機械加工時の外径Ｄ、内径ｄ、肉厚ｔをそ
れぞれ決定した。

【００２９】ビレット２Ａを傾斜穿孔圧延ラインに搬入
し（工程Ｓ４）、この内外面を機械切削して中空素管２
Ｄとする（工程Ｓ５）。なお、機械切削加工は、必ずし
も傾斜穿孔圧延ライン内でなくともよく、他のラインや
他の工場で行うようにしてもよい。この機械切削加工に
は例えば大型旋盤を用いる。

【００３０】中空素管の肉厚外径比ｔ／Ｄが０．４０を
上回る場合は、そのまま機械切削を続ける（工程Ｓ５〜
工程Ｓ６）。中空素管の肉厚外径比ｔ／Ｄが０．４０以
下になると、機械加工を止め、中空素管２Ｄを加熱炉内
に搬入して加熱する（工程Ｓ６〜工程Ｓ７）。

【００３１】中空素管２Ｄの温度が上記加熱炉抽出温度
の設定値（１２５０℃）となったところで、中空素管２
Ｄを加熱炉から抽出する（工程Ｓ８）。

【００３２】図２に示す傾斜穿孔圧延機に中空素管２Ｄ
を搬送し、一対の圧延ロール５ａ，５ｂ、穿孔プラグ
６、一対のガイドシュー８を用いて所望サイズの継目無
管２Ｅを得た（工程Ｓ９）。

【００３３】いずれの継目無管２Ｅにも圧延中には内面
割れが確認されず、これら傾斜穿孔圧延機の動力も設備
仕様の範囲内であった。精整ラインにて製品の寸法検査
を行った結果、普通鋼に比べて遜色ない高合金鋼継目無
管を製造することができた。

【００３４】次に、機械加工時の中空素管の寸法の設定
方法について説明する。

【００３５】図５、図６、図７は、横軸に機械加工時の
中空素管のｔ／Ｄをとり、縦軸に傾斜穿孔圧延後の素管
肉厚方向に生じる最高温度Ｔmax（℃）をとって、Ｔmax
に及ぼすｔ／Ｄの影響を解析的に求めた結果を示す特性
線図である。この解析条件を図８に示す。図８に示した
解析条件は継目無管製造における一般的な値である。な
お、ここで、図５はＤ＝φ２００ｍｍ、図６はＤ＝φ２
５０ｍｍ、図７はＤ＝φ３００ｍｍのときのものであ
る。

【００３６】図５〜図７から、何れの中空素管外径
（Ｄ）、加熱炉抽出温度においても穿孔後の肉厚方向の
最高温度Ｔmaxはｔ／Ｄ≦０．４から低下傾向を示すこ
とが判明した。従って、加熱炉の抽出温度はＴｏ＞Ｔma
xとなる条件（ｉ）と、傾斜穿孔圧延機の動力が仕様動
力以下に入る条件（ｉｉ）とをともに満たすようにｔ／
Ｄを求めればよい。

【００３７】なお当然のことながら条件（ｉ）（ｉｉ）
に余裕がある場合は、中空素管を機械加工してもしなく
ともよい。このような場合は設備仕様に余裕があり、低
温抽出材の加工が可能な傾斜穿孔圧延機を用いることに
なるからである。ちなみに、肉厚外径比ｔ／Ｄの下限値
は、傾斜穿孔圧延機の下流側に位置する延伸圧延機の耐
荷重・耐動力や製品に必要とされる全加工量に依存する
が、常識的には０．１＜ｔ／Ｄ程度である。

【００３８】（実施例）外径φ２００ｍｍのＳＵＳ３０
４の丸断面中実ビレットを用いて、傾斜穿孔圧延後の素
管寸法が外径φ２１０ｍｍ、肉厚１６ｍｍとなるような
製管を検討した。丸断面中実ビレットは連続鋳造法によ
り製造したものである。

【００３９】本鋼種のゼロ延性温度Ｔｏは１２８０℃で
あり、加熱炉抽出温度は１２５０℃である。傾斜穿孔圧
延直後の中空素管肉厚方向の最大温度Ｔmaxを事前に解
析した。図９中の特性線Ｍより肉厚外径比ｔ／Ｄが０．
２５以下、即ち、肉厚ｔを５０ｍｍ以下とすれば、ゼロ
延性割れを回避できることが予想された。

【００４０】図１０は横軸に肉厚外径比ｔ／Ｄをとり、
縦軸に傾斜穿孔時の動力（ｋＷ）をとって、抽出温度１
２５０℃のときの傾斜穿孔圧延動力Ｐおよび設備動力Ｐ
ｏと肉厚外径比ｔ／Ｄとの関係をそれぞれ示す特性線図
である。図中にて特性線Ｑは傾斜穿孔圧延動力Ｐの変動
を示し、特性線Ｒは設備動力Ｐｏの変動を示した。傾斜
穿孔時の動力は上記と同様の解析手法により求めた。図
から明らかなように、設備仕様の４０００ＫＷ以下であ
ることを確認された。

【００４１】実機の製管ラインの概略を図１１に示す。
加熱炉１１、マンネスマン式傾斜穿孔圧延機１２、図示
しないマンドレルミルから構成される一般的な小径継目
無管のラインである。実機での試験圧延ではｔ／Ｄ：
０．２０、０．２５、０．３０となるように機械加工し
た外径２００ｍｍ、長さ１．８ｍの中空素管を加熱炉に
て１２５０℃で抽出し、前述の条件にて傾斜穿孔圧延を
行った。ｔ／Ｄ＝０．３０の条件ではゼロ延性割れが傾
斜穿孔圧延機出側の素管ＴＯＰ部に発生、かつ動力オー
バーとなり製管に失敗したが、ｔ／Ｄ：０．２０、０．
２５の条件ではゼロ延性割れも生じなく製管に成功し
た。

【００４２】

【発明の効果】本発明は以上説明したように構成されて
いるので、普通鋼を対象に設計された製造ラインにおい
ても、内面欠陥のない高合金鋼の継目無管を高歩留まり
に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】加工前後の被圧延材（ビレット）の外観形状を
示す模式図。

【図２】（ａ）は傾斜穿孔圧延機を側方から見て示す部
分断面模式図、（ｂ）は傾斜穿孔圧延機をパスライン方
向から見て示す断面模式図。

【図３】継目無管の製造方法を示す工程図。

【図４】高温域での合金鋼の延性を示す特性線図。

【図５】傾斜穿孔圧延直後の素管肉厚方向に生じる最高
温度Ｔmaxと肉厚外径比ｔ／Ｄ（Ｄ＝φ ２００ｍｍ）
との関係を示す解析線図。

【図６】傾斜穿孔圧延直後の素管肉厚方向に生じる最高
温度Ｔmaxと肉厚外径比ｔ／Ｄ（Ｄ＝φ ２５０ｍｍ）
との関係を示す解析線図。

【図７】傾斜穿孔圧延直後の素管肉厚方向に生じる最高
温度Ｔmaxと肉厚外径比ｔ／Ｄ（Ｄ＝φ ３００ｍｍ）
との関係を示す解析線図。

【図８】図５〜図７の解析条件の概要を示す図。

【図９】本発明に係る継目無管の製造方法を説明するた
めに最高温度Ｔmax、ゼロ延性温度Ｔｏと肉厚外径比ｔ
／Ｄとの関係を示す特性線図。

【図１０】傾斜穿孔動力Ｐ、設備動力Ｐｏと肉厚外径比
ｔ／Ｄとの関係を示す特性線図。

【図１１】実機製管ラインの概要を示す模式図。

【符号の説明】

２Ａ…連続鋳造法により製造した丸断面ビレット（機械
加工前）、 ２Ｂ…遠心鋳造法により製造した中空丸断画ビレット
（機械加工前）、 ２Ｃ…分塊圧延法により製造した角断面ビレット（機械
加工前）、 ２Ｄ…機械加工後の中空丸断面ビレット、 ５ａ，５ｂ…圧延ロール、 ６…穿孔プラグ、 ８…ガイドシュー、 １１…加熱炉、 １２…傾斜穿孔圧延機。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 勝村 龍郎 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 小田 龍晴 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 山崎 基晴 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 Ｆターム(参考） 4E004 NB04 NB05 NC04

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加熱炉への素材装入前に該素材の肉厚ｔ
   と外径Ｄとの比率がｔ／Ｄ≦０．４の関係を満たすよう
   に該素材を中空素管の形状に機械加工し、該中空素管形
   状の素材を加熱炉にて加熱した後に、傾斜穿孔圧延機に
   より延伸圧延（拡管、減肉、延伸）することを特徴とす
   る継目無管の製造方法。
2. 【請求項２】 上記素材は、１０００℃以上で熱間延性
   が急激に低下する鋼種からなることを特徴とする請求項
   １記載の継目無管の製造方法。
3. 【請求項３】 上記素材は、遠心鋳造法、中空連続鋳造
   法、中実連続鋳造法、分塊圧延法のうちのいずれかを用
   いて製造されたことを特徴とする請求項１又は２のいず
   れか一方に記載の継目無管の製造方法。