JP2003001305A - 継目無金属管の製造方法 - Google Patents

継目無金属管の製造方法

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JP2003001305A JP2001178660A JP2001178660A JP2003001305A JP 2003001305 A JP2003001305 A JP 2003001305A JP 2001178660 A JP2001178660 A JP 2001178660A JP 2001178660 A JP2001178660 A JP 2001178660A JP 2003001305 A JP2003001305 A JP 2003001305A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】マンネスマン破壊と円周方向剪断歪の抑制が図
り得て内面疵の少ない製品を高い生産性で製造すること
が可能な継目無金属管の製造方法の提供。 【解決手段】各部寸法のうち、少なくとも、d、R、L
1、L2およびL3とが下記の(1)〜(3)を満たす図3に
示す形状のプラグを用いる。 0.12≦d/D≦0.35 ・・・・・・・・・・・
・・・・・(1) 0.020≦(d/2BD)/(R/L3)≦0.04
6 ・・・(2) 3d≧L1+L2≧0.5d ・・・・・・・・・・・
・・・・・(3)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は継目無金属管の製造
方法、より詳しくは傾斜ロール式の穿孔圧延機による穿
孔圧延方法に関する。
【0002】
【従来の技術】継目無金属管の製造方法として広く採用
されているいわゆるマンネスマン製管法では、周知のよ
うに、所定の温度に加熱された中実の丸ビレット(以
下、ビレットともいう)を素材とし、一対の主ロールと
プラグを有する傾斜ロール式の穿孔圧延機(以下、ピア
サという)に送給してその軸心部に孔を明けて中空素管
を得る。次いで、得られた中空素管をそのまま、あるい
は必要に応じて前記ピアサと同一構成のエロンゲータミ
ルもしくはシェルサイザに通して拡径もしくは縮径して
定径後、プラグミル、マンドレルミル等の後続する延伸
圧延機で延伸圧延する。その後、ストレッチレデュー
サ、リーラ、サイザ等の仕上げ圧延機で磨管、形状修正
およびサイジングを行う精整工程を経て製品管が製造さ
れる。
【0003】図1は、上記の如きマンネスマン製管法の
実施に用いられるピアサの一例を示す斜視図である。図
示例のピアサは、被穿孔材料であるビレット4の送り線
となるパスラインX−Xを挟んで互いに逆方向に傾斜さ
せて対向配置された一対のバレル型の主ロール1、1を
備え、この主ロール1、1と位相を90°異ならせて前
記パスラインX−Xを挟んで対向配置された一対のディ
スクロール2、2を備えるとともに、パスラインX−X
上に穿孔具としてのプラグ3を芯金5で支持して構成さ
れている。プラグ3の先端は、主ロール1、1間が最短
距離となるゴージ6と呼ばれる位置よりも圧延上流側に
位置するように設置され、ゴージ6からの突き出し距離
PLはプラグリードと呼ばれる。
【0004】上記のように構成されたピアサにおいて
は、主ロール1、1がパスラインX−Xに対して傾斜角
βを付与されて同一方向に回転している。このため、パ
スラインX−Xに沿って白抜き矢符方向に送給された丸
ビレット4は、主ロール1、1間に噛み込んで後は螺進
行移動し、プラグ3によりその軸心部に孔を明けられて
中空素管となる。この間、ディスクロール2、2は、圧
延中の丸ビレット4の案内部材の役目をすると同時に、
プラグ3により穿孔された中空素管の主ロール1、1の
対向方向と90°位相した方向への膨らみを抑制して外
径形状を整える役目をなしている。また、このディスク
ロール2、2は、穿孔された中空素管との摺動を軽減し
て焼付きが発生しないように丸ビレット4の送り出し方
向と同方向に回転駆動されている。
【0005】なお、ピアサとしては、主ロール1、1の
形状がコーン型で、そのロール軸心をパスラインX−X
に対して入側で近く、出側で遠くなるように配置するこ
とで上記の傾斜角βとは異なる交叉角γを付与した交叉
型と称されるピアサもある(後述する図8および図10
(a)参照)。また、いずれのピアサの場合も、ディス
クロール2、2は、固定式のガイドシューと称されるプ
レート部材で代用される場合もある。
【0006】ところで、近年、高合金鋼やステンレス鋼
等の難加工性材料のマンネスマン製管がおこなわれるよ
うになっており、上記のプラグ3には、使用寿命が長い
という性能に加え、中空素管の内面に疵が発生するのを
抑制し得るという性能が強く求められている。
【0007】中空素管の内面疵を抑制する方法として
は、例えば、特開昭57−168711号公報にも記載
されているように、(a)マンネスマン破壊の抑制、(b)円
周方向剪断歪みの抑制、が不可欠である。この(a)およ
び(b)の現象は、ピアサ特有の現象で、これらを抑制し
ない限り、高合金鋼やステンレス鋼等の難加工性材料の
高能率なマンネスマン製管はあり得ない。また、使用す
るプラグについても長寿命なことが要求される。
【0008】しかし、上記の公報には、主ロールの傾斜
角βと後述する交叉角γを調整することによって上記の
(a)および(b)を抑制する方法が示されているにすぎず、
プラグの長寿命化は勿論、プラグ自体に上記の(a)およ
び(b)の抑制機能を持たせることは全く考慮されていな
い。
【0009】高合金鋼やステンレス鋼等の難加工性材料
の穿孔圧延に用いて長寿命なプラグとしては、特開平1
0−137818号公報に示される形状のプラグがあ
る。しかし、この公報に示されるプラグは、図2に示す
ように、全体の形状が単純な砲弾形状のいわゆる2ゾー
ン型と称されるプラグであり、図中に示す各部寸法のう
ちのr、RおよびDのみの関係を、下記の(4) 〜(6) 式
を満たす形状に規定したプラグでしかなく、プラグ自体
に上記の(a)および(b)の抑制機能を持たせることは全く
考慮されていない。
【0010】 R≧−160r+12D ・・・・・・・・・・・ (4) R≧18r+3.6D ・・・・・・・・・・・・ (5) −20r+22D≧R≧90r−15D ・・・・ (6) また、長寿命なプラグとしては、図3に示すように、曲
率半径r、軸方向長さL1の先端部と曲率半径Rの円弧
回転面である軸方向長さL3のワーク部との間に、外径
d、軸方向長さL2の円柱状の平行部を形成し、この平
行部と前記の先端部とからなる先端圧延部を形成したプ
ラグもある(1970年発行のドイツ文献「Stahlrohrnerst
ellung(鋼管の製造)Neumann 著)。
【0011】図3に示す形状のプラグの場合、先端圧延
部のワーク部近傍部分に被穿孔材料が接触しない隙間が
形成され、この隙間にプラグの内部に蓄積される熱が放
出されるために先端部が溶損しにくく、長寿命になると
ある。
【0012】そこで、本発明者らは、図2に示す単純な
砲弾形状のプラグと図3に示す形状のプラグとの使用比
較試験をおこなった。その結果、図3に示す形状のプラ
グの方が、若干長寿命なこと、内面疵が発生しにくいこ
と、が確認されたが、噛み込み不良が生じやすく、生産
性が低下するという問題があった。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の実状
に鑑みてなされたもので、その課題は、図3に示す形状
のプラグを用いる際、噛み込み不良が発生するのを防止
するためにプラグリードを小さく、換言すればプラグ先
端ドラフト率を大きくした場合にあっても、内面疵の発
生原因である、上記の(a)マンネスマン破壊の抑制と(b)
円周方向剪断歪みの抑制が図り得、内面疵の少ない製品
を得ることが可能な継目無金属管の製造方法を提供する
ことにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、次の継
目無金属管の製造方法にある。
【0015】外径d(mm)が軸方向にわたり等径また
は外径dが軸方向後端に向かうに従って増大するテーパ
角度の半角が2゜以下の軸方向長さL2(mm)の円柱
状で、その先端面が曲率半径r(mm)、軸方向長さL
1(mm)の球面状に形成された先端圧延部と、この先
端圧延部に連続していて外径が軸方向後端に向かうに従
って増大するように曲率半径R(mm)の円弧回転面で
形成された軸方向長さL3(mm)のワーク部と、この
ワーク部に連続していて外径が軸方向後端の最大外径D
(mm)に向かうに従って増大するようにテーパ角度2
θ(゜)で形成されたテーパ円柱状の軸方向長さL4
(mm)のリーリング部とを有するプラグを用い、外径
BD(mm)の中実丸ビレットを傾斜ロール式の穿孔圧
延機で穿孔圧延する継目無鋼金属管の製造方法であっ
て、前記プラグとして、少なくとも前記の外径d、曲率
半径R、軸方向長さL1、L2およびL3が下記の(1)
式、(2) 式および(3) 式を満たすものを用いる継目無金
属管の製造方法。
【0016】 0.12≦d/D≦0.35 ・・・・・・・・・・・・・・・・ (1) 0.020≦(d/2BD)/(R/L3)≦0.046 ・・・ (2) 3d≧L1+L2≧0.5d ・・・・・・・・・・・・・・・・ (3) 上記の本発明では、傾斜ロール式の穿孔圧延機として、
主ロールの形状がコーン型で、そのロール軸心とパスラ
インとの離間距離が入側で小さく、出側で大きい交叉型
の傾斜ロール式穿孔圧延機を用いるのが望ましく、この
場合には生産性が一段と向上する。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、本発明を上記のように規定
した理由について添付図面を参照して詳細に説明する。
【0018】まず始めに、ピアサによる穿孔圧延におい
て内面疵が発生する原因は、次のように考えられてい
る。すなわち、プラグの先端よりも上流側のビレット軸
心部にマンネスマン破壊が発生し、このマンネスマン破
壊が主ロールとプラグによる肉厚加工時に生じる円周方
向の剪断歪みを受けて変形成長して内面疵になる。
【0019】そこで、本発明者らは、図3に示す形状の
プラグを用いた場合におけるマンネスマン破壊の発生状
況と円周方向の剪断歪みの程度を知るため、モデルミル
を用いて種々の条件で穿孔圧延実験をおこなった。
【0020】ここで、図3に示す形状のプラグは、図に
示すように、外径dの軸方向長さL2の円柱状で、その
先端面が曲率半径r、軸方向長さL1の球面状に形成さ
れた先端圧延部と、この先端圧延部に連続していて外径
が軸方向後端に向かうに従って増大するように曲率半径
Rの円弧回転面で形成された軸方向長さL3のワーク部
と、このワーク部に連続していて外径が軸方向後端の最
大外径Dに向かうに従って増大するようにテーパ角度2
θで形成されたテーパ円柱状の軸方向長さL4のリーリ
ング部とを有する。
【0021】なお、実験には鉛快削鋼のビレットを用い
た。また、マンネスマン破壊の程度は、図4に示すよう
に、穿孔圧延を途中止めし、得られた材料(符号4の部
分がビレット、7の部分が中空素管)を縦割りしてプラ
グ先端直前のマンネスマン破壊MCの発生程度を調査し
た。さらに、円周方向の剪断歪みの程度は、図5に示す
ように、放電加工によってビレット4の半径線上3箇所
にピン4aを埋め込み、穿孔圧延して得られた中空素管
7の横断面を酸洗後観察して3箇のピン4aの位置を確
認することにより、円周方向の剪断歪量(rθ/t)を
調査した。
【0022】図6と図7は、上記の調査結果を要約して
示す図である。すなわち、図6は、図3に示すプラグの
形状を特定するために本発明者らが創出した無次元量の
パラメータ値の1つである「(d/2BD)/(R/L
3)」を横軸、円周方向剪断歪量(rθ/t)およびマ
ンネスマン破壊MCの大きさを縦軸に採って示す図であ
る。
【0023】また、図7は、1つのプラグのプラグリー
ドPL、換言すればプラグ先端ドラフト率PDR(%)
を種々変化させた場合における結果を示し、プラグ先端
ドラフト率PDRを横軸、円周方向剪断歪量(rθ/
t)およびマンネスマン破壊MCの大きさを縦軸に採っ
て示す図である。
【0024】なお、プラグの形状は、上記のパラメータ
値「(d/2BD)/(R/L3)」が小さいと尖頭化
し、大きいと鈍頭化する。
【0025】また、上記のプラグリードPLとは、図8
に示すように、コーン型の主ロール8のゴージ6の位置
からプラグ3の先端までの距離のことであり、プラグ先
端ドラフト率PDR(%)とは、ビレット4の外径BD
とプラグ3の先端位置における主ロール8、8間の最短
距離ROPとを用い、式「{(BD−ROP)/BD}
×100(%)」で定義される値のことである。なお、
図8中のROは、ゴージ6の位置における主ロール8、
8間の最短距離である。
【0026】図6に明らかなように、マンネスマン破壊
MCは、パラメータ値「(d/2BD)/(R/L
3)」が小さいほど抑制される傾向にある。その理由
は、プラグ3の形状が尖頭化すると、ビレット4に対す
るプラグ3からの軸方向反力が低下し、ビレット4の前
進速度が増すため、ビレット4が主ロール8(1)に噛
み込んでからプラグ3の先端に達するまでの時間が短縮
されて回転鍛造回数が減少し、マンネスマン破壊MCが
生じにくくなるためである。
【0027】ところが、円周方向剪断歪量(rθ/t)
は、上記のパラメータ値「(d/2BD)/(R/L
3)」が大きいほど抑制される傾向にある。その理由
は、次の通りである。
【0028】図9は、プラグ3の軸方向各部の回転周速
度と主ロール1(8)の軸方向各部の回転周速度との関
係を示す図である。この図からわかるように、上記のパ
ラメータ値「(d/2BD)/(R/L3)」を小さく
すると、肉厚圧下がおこなわれるゴージ6までの間のプ
ラグ3のワーク部における主ロールとプラグ3との回転
周速度差が大きくなり、これに伴って円周方向剪断歪量
(rθ/t)も大きくなる。これに対し、パラメータ値
「(d/2BD)/(R/L3)」を大きくすると、両
者の回転周速度差が小さくなり、これに伴って円周方向
剪断歪量(rθ/t)も小さくなるためである。
【0029】また、図9から明らかなように、バレル型
の主ロール1の回転周速度は、ゴージ6の位置が最大
で、入側と出側に向かう従って減少する。これに対し、
コーン型の主ロール8の回転周速度は、入側から出側に
向かって増大するため、両者の回転周速度差は主ロール
がコーン型の場合の方が小さくなる。
【0030】したがって、上記のパラメータ値「(d/
2BD)/(R/L3)」が同じプラグの場合、コーン
型の主ロールを備えたピアサを用いれば、円周方向剪断
歪みがより顕著に抑制される。
【0031】なお、プラグ3と主ロール1(8)との回
転周速度差を小さくする方法には、図9中に二点鎖線で
示すように、プラグリードPL(前述の図8参照)を大
きく、換言すればプラグ先端ドラフト率PDRを小さく
する方法がある。そして、この場合には、ビレット4が
主ロール1(8)に噛み込んでからプラグ3の先端に到
達するまでの距離が短縮されるので、マンネスマン破壊
MCが抑制される。
【0032】しかし、プラグ先端ドラフト率PDRを小
さくすると、ビレット4が噛み込み不良を起こしやすく
なり、噛み込み不良を起こしたビレット4を除去するた
めに圧延停止を余儀なくされ、生産性が低下する。
【0033】ところが、図3に示す形状のプラグの各部
寸法のうち、dがDの0.35倍以下、L1+L2がd
の0.5倍以上で、かつ、RとL3が上記のパラメータ
値「(d/2BD)/(R/L3)」で0.046以下
を満たす形状にすると、プラグ先端ドラフト率PDR
を、図2に示した単純な砲弾形状プラグの場合の限界値
以上に小さくしても噛み込み不良が発生せず、マンネス
マン破壊と円周方向剪断歪が従来以上に抑制されて内面
疵のない中空素管を圧延停止を伴うことなく高い生産性
で製造可能なことが判明した。
【0034】ただし、dをDの0.12倍未満にする
と、先端圧延部が溶損しやすくなってプラグ寿命が低下
すること。L1+L2をdの3倍超にする先端圧延部が
変形しやすくなるのに加え、プラグ全体の長さが長くな
りすぎて正常な設定ができなくなること。RとL3が上
記のパラメータ値「(d/2BD)/(R/L3)」で
0.020未満になる形状にすると、図2に示した単純
な砲弾形状プラグ以上の円周方向剪断歪の抑制効果が得
られないことも判明した。
【0035】よって、本発明では、ビレット4の外径を
BDとした時、図3に示す形状のプラグの各部寸法のう
ち、少なくとも前記の外径d、曲率半径R、軸方向長さ
L1、L2およびL3とが、下記の(1) 式、(2) 式およ
び(3) 式を満たす形状のプラグを用いることとした。
【0036】 0.12≦d/D≦0.35 ・・・・・・・・・・・・・・・・ (1) 0.020≦(d/2BD)/(R/L3)≦0.046 ・・・ (2) 3d≧L1+L2≧0.5d ・・・・・・・・・・・・・・・・ (3) なお、長さがL1+L2の先端圧延部を構成する先端球
面の曲率半径rは、0.5d(L1=r)とするのが最
も好ましいが、必ずしもr=0.5dとする必要はな
く、r>0.5dであってもよい。ただし、rをあまり
大きくすると、その先端面が平滑面に近くなり、ビレッ
ト4に対するプラグ3からの軸方向反力が増してビレッ
ト4の前進速度が遅くなって回転鍛造回数が増加し、マ
ンネスマン破壊MCが生じやすくなるので、rの上限は
大きくともr=d程度に留めるのが望ましい。
【0037】また、外径d、軸方向長さL2の円柱状部
分は、必ずしも軸方向にわたり等径である必要はなく、
改削と熱処理を繰り返して再使用することを考慮し、外
径dの軸方向の先端から後端に向かうに従って増大する
テーパ角度の半角が2゜以下のテーパ円柱状とするよう
にしてもよい。
【0038】
【実施例】各部の寸法が表1示す値の図2に示す形状の
プラグ1種類(表1中の代符F)と図3に示す形状のプ
ラグ7種類(表1中の代符F以外)を準備するととも
に、いずれのロールも、ゴージ部の外径が410mm、
傾斜角βを0゜、交叉角γを後述する各角度に設定した
状態において、主ロールの入側面とパスラインX−Xに
平行な直線とがなす角度である入側面角と、主ロールの
出側面とパスラインX−Xに平行な直線とがなす角度で
ある出側面角が、ともに3.5゜の4種類(バレル型1
種類、コーン型3種類)を準備した。
【0039】図10は、準備した4種類の主ロールを示
す図で、同図(a)はバレル型、同図(b)はコーン型
である。なお、具体的な寸法の値の記載は省略したが、
コーン型の主ロールの入側径DFと出側径DRは、後述
する交叉角γ(5゜、10゜および15゜)毎に異なる
径にしてある。
【0040】準備したプラグと主ロールは、モデルミル
にセットし、外径70mm、長さ300mmの18%C
r−8%Ni−1%Nbのオーステナイト系ステンレス
鋼からなるビレットを1250℃に加熱し、外径74m
m、肉厚5.8mm、長さ930mmの中空素管を得る
穿孔圧延試験をおこなった。
【0041】その際、主ロールの傾斜角βは全て10°
とし、コーン型の主ロールの交叉角γはそれぞれ5゜、
10゜、15゜とした。また、プラグ先端ドラフト率P
DRは、3%、4%、5%、6%、7%の5段階に変化
させた。その時の主ロール間の最短距離ROとROP、
およびプラグリードPL(いずれも図8参照)の設定寸
法を表2に示す。
【0042】なお、上記18%Cr−8%Ni−1%N
b鋼は、熱間加工性が相当に劣悪なオーステナイト系ス
テンレス鋼のなかでも特に熱間加工性の劣悪なものであ
る。試験の結果は、表3に示すとおりである。すなわ
ち、本発明で規定する条件を満たすプラグ(代符B〜
D)を用いた場合には、プラグ先端ドラフト率PDRを
3%と低くしても、噛み込み不良は起こらず、しかも内
面疵のない中空素管が得られている。
【0043】これに対して、本発明で規定する条件を満
たさないプラグ(代符A、E、G)および図2に示した
2ゾーン型のプラグ(代符F)を用いた場合には、プラ
グ先端ドラフト率PDRが3%ではいずれも噛み込み不
良が起こっており、プラグによってはプラグ先端ドラフ
ト率PDRを4%以上に大きくしても噛み込み不良が起
こっている。また、(1) 式と(2) 式を満たさないプラグ
(代符H)は、いずれの条件においても先端が溶損して
いる。
【0044】さらに、本発明で規定する条件を満たすプ
ラグ(代符B〜D)を用いた場合、主ロールがバレル型
で交叉角γが0゜のピアサでは、内面疵が発生しないプ
ラグ先端ドラフト率PDRの最大値は6%であるが、本
発明で規定する条件を満たさないプラグを用いた場合の
最大値は4%と低い。また、主ロールがコーン型で交叉
角γが5゜のピアサでは、内面疵が発生しないプラグ先
端ドラフト率PDRの最大値は7%であるが、本発明で
規定する条件を満たさないプラグを用いた場合の最大値
は5%と低く、この傾向は交叉角γが大きいピアサほど
顕著である。これに対して、2ゾーン型のプラグを用い
た場合の内面疵が発生しないプラグ先端ドラフト率PD
Rは、交叉角γが10゜と15゜のピアサにおける5%
のみである。
【0045】
【表1】
【表2】
【表3】
【発明の効果】本発明の方法によれば、ビレットの噛み
込み不良を生じさせることなく、マンネスマン破壊と円
周方向剪断歪を大幅に抑制し得る。このため、内面疵の
少ない内面品質が良好な製品を高い生産性で製造するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ピアサの一例を示す斜視図である。
【図2】全体の形状が単純な砲弾形状の2ゾーン型プラ
グの一例を示す図である。
【図3】本発明で用いるプラグの形状を示す図である。
【図4】マンネスマン破壊の調査方法を説明するための
図である。
【図5】円周方向剪断歪の調査方法を説明するための図
である。
【図6】図3に示すプラグの形状を特定する無次元量パ
ラメータ値「(d/2BD)/(R/L3)」とマンネ
スマン破壊および円周方向剪断歪との関係を示す図であ
る。
【図7】プラグ先端ドラフト率PDRとマンネスマン破
壊および円周方向剪断歪との関係を示す図である。
【図8】プラグリードとプラグ先端ドラフト率PDRを
説明するための図である。
【図9】主ロールの回転周速度とプラグの回転周速度と
の関係を示す図である。
【図10】実施例で用いた主ロールの形状と寸法を示す
図である。
【符号の説明】
1:バレル型の主ロール、 2:ディスクロール、 3:プラグ、 4:ビレット、 5:芯金、 6:ゴージ、 7:中空素管、 8:コーン型の主ロール、

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】外径d(mm)が軸方向にわたり等径また
    は外径dが軸方向後端に向かうに従って増大するテーパ
    角度の半角が2゜以下の軸方向長さL2(mm)の円柱
    状で、その先端面が曲率半径r(mm)、軸方向長さL
    1(mm)の球面状に形成された先端圧延部と、この先
    端圧延部に連続していて外径が軸方向後端に向かうに従
    って増大するように曲率半径R(mm)の円弧回転面で
    形成された軸方向長さL3(mm)のワーク部と、この
    ワーク部に連続していて外径が軸方向後端の最大外径D
    (mm)に向かうに従って増大するようにテーパ角度2
    θ(゜)で形成されたテーパ円柱状の軸方向長さL4
    (mm)のリーリング部とを有するプラグを用い、外径
    BD(mm)の中実丸ビレットを傾斜ロール式の穿孔圧
    延機で穿孔圧延する継目無鋼金属管の製造方法であっ
    て、前記プラグとして、少なくとも前記の外径d、曲率
    半径R、軸方向長さL1、L2およびL3が下記の(1)
    式、(2) 式および(3) 式を満たすものを用いることを特
    徴とする継目無金属管の製造方法。 0.12≦d/D≦0.35 ・・・・・・・・・・・・・・・・ (1) 0.020≦(d/2BD)/(R/L3)≦0.046 ・・・ (2) 3d≧L1+L2≧0.5d ・・・・・・・・・・・・・・・・ (3)
  2. 【請求項2】傾斜ロール式の穿孔圧延機として、主ロー
    ルの形状がコーン型であり、そのロール軸心とパスライ
    ンとの離間距離が入側で小さく、出側で大きい交叉型の
    傾斜ロール式穿孔圧延機を用いることを特徴とする請求
    項1に記載の継目無金属管の製造方法。
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